《传感器及其工作原理》教案

《传感器及其工作原理》教案【教学内容分析】本节以传感器的原理为主线，让学生综合运用已经学过的或将要学到的物理知识来认识传感器的工作原理。是本章第一节内容，侧重点在让学生了解传感器，认识其工作原理，知道有哪些重要的传感器元件，同时还要给学生以学习方法的指导，通过探究性学习和合作学习来学习新知识。为了增加学生的技术知识和常识，提高应用知识以及进行电器复杂设计的能力，学好本节知识是非常必要的。【教学目标与核心素养】1.物理观念(1)结合实际生产及生活，展示各种事例及应用，从感性上使学生知道非电学量转换成电学量的技术意义。(2)通过实验，对传感器中常见的敏感元件加以了解，从理性上知道它们的工作原理。(3)通过分析大量传感器在生产和生活中的应用，了解传感器是如何工作的，并会结合原有的电学知识设计一些简单的传感器电路。2.科学思维(1)用热敏电阻、光敏电阻等常用元器件做实验，了解传感器是如何把非电学量转换成电学量的。(2)通过对实际传感器工作原理的分析，了解传感器是如何应用到技术中，实现信息采集或自动控制的。3.科学探究(1)结合生活实际，在课外或家庭活动中设计组装简单的自动控制装置。(2)通过调查、上网或从图书馆查阅相关资料，列举传感器的应用实例。(3)根据设计与制作的需要，通过多种方式学习拓展相关的知识和技能。4.科学态度与责任在理解传感器工作原理的基础上，知道已学知识在生活、生产、科技社会中的价值，通过自己设计简单的传感器，体验科技创新的乐趣，激发学习物理的兴趣．【教学重难点】重点：认识各种常见的传感器；了解各种敏感元件的工作原理。难点：设计电路，理解四种传感器的工作原理及应用，尤其定量分析问题。【学情分析】1．学生心理的特点：高二年级的学生学习兴趣较强，乐于探索物理世界的奥秘。2.学生的知识基础：通过高一高二前期学习相关的力电知识，掌握了电学电路的基本知识。学生学习认识的困难：对自动化控制装置仅仅停留在感性认识阶段，要从原理上掌握各种传感器工作原理有一些困难。【教学策略】1.教学组织形式线上授课，主要体现“教师主讲”的教学组织形式。教学方法（1）实验法通过展示图片、视频、演示实验、配以讲解，鼓励学生动手动脑，总结归纳出四种敏感元件的特性。（2）讲授法通过老师形象生动的讲解，配以演示实验、认识热敏电阻的特性到理解传感器的工作原理。在讲授知识的同时引导学生学会分析、归纳、总结规律。3．学法指导整个过程渗透物理学研究方法、科学思维方法和协作精神、探索精神等情感态度价值观教育。让学生领会怎样进行实验设计、器材选用、实际操作、数据分析及得出实验结论。同时要让学生知道，物理规律必须经过实验的检验，不能任意外推，从而养成严谨的科学态度和良好的思维习惯。【教学过程】教学环节和教学内容教师活动设计意图时长【情景创设，导入新课】问：如何实现太空远程对话？如何揭开古埃及金字塔的神秘面纱？想知道其中的原理吗？。用生活中的例子进行导入，从生活中走向物理，结合学生实际感受，启发学生产生认识传感器的愿望和兴趣！凸显传感器在生活中的广泛应用。约用时1分钟【合作探究，新课教学】通过自动门、自动干手机、酒精含量测试仪、电子秤、红外耳温计，感知身边各种传感器让学生感受传感器的普遍性。进一步激发学生兴趣约用时1分钟传感器及其工作原理：通过演示实验讲解干簧管通过演示实验，让学生感受磁铁控制干簧管，引起电路的通与断。让学生了解传感器都是通过控制电路的通断实现的。约用时2分钟引入传感器定义：非电学量敏感元件非电学量敏感元件转换电路电学量量引导学生自己总结传感器定义。通过前面视频、图片、演示实验，学生可以找到不同传感器的共性。从而得出定义。约用时3分钟传感器的工作原理：通过形象的示意图具体介绍传感器的工作原理。让学生明白传感器内部有一个很重要的敏感原件，才使得非电学量转化为电学量约用时2分钟引入传感器定义后，了解小汽车里面各种非电学量转换为电学量的情况。让学生了解小汽车里面各种自动化控制如何实现？并找出每种传感器的转化量。观察贴近生活的小轿车里成千上万的传感器，引起学生的探究欲望。约用时3分钟1、探究光敏电阻观看演示实验，探究光敏电阻随光照强度电阻变化的阻值变化情况和热敏电阻随温度变化阻值变化情况，将所测实验数据填入实验表格。光照情况有光无光电阻情况1：特点：2：作用：3：应用：例1.如图所示为光敏电阻自动计数器的示意图，其中R1为光敏电阻，R2为定值电阻．此光电计数器的工作原理是（）A．当有光照射R1时，信号处理系统获得高电压B．当有光照射R1时，信号处理系统获得低电压C．信号处理系统每获得一次低电压就计数一次D．信号处理系统每获得一次高电压就计数一次教师引导，讲解所需的实验器材，指导学生，由学生观看视频实验。利用多媒体课件和演示实验，解释实验现象产生的原因，将抽象的物理情境清晰地展现出来，提高学生的感性认识，并且有利于将感性认识上升为理性认识。约用时5分钟2、探究热敏电阻通过实验探究热敏电阻随温度变化阻值变化情况，将所测实验数据填入实验表格。温度情况室温热水电阻情况1）：特点：2）：作用3）：应用例2.(多选)图示是观察阻值随温度变化情况的示意图。现在把杯中的水由冷水变为热水,下列关于欧姆表示数的变化情况正确的是()A.如果R为金属热电阻，示数变大且变化非常明显B.如果R为金属热电阻，示数变大但变化不明显C.如果R为热敏电阻，示数变小且变化非常明显D.如果R为热敏电阻，示数变小且变化不明显教师引导，讲解所需的实验器材，指导学生，由学生完成实验。利用多媒体课件和演示实验，解释实验现象产生的原因，将抽象的物理情境清晰地展现出来，提高学生的感性认识，并且有利于将感性认识上升为理性认识约用时5分钟3、探究电容式传感器1).结构：2).工作原理：例3.传感器是一种采集信号的重要器件，如图是一种测定压力的电容式传感器，当待测压力F作用于可动膜片时，膜片会变形从而引起电容的变化，若将电容器、灵敏电流计和电源串联接成闭合电路，那么（）A．当F向上压膜片电极时，电容将减小B．当F向上压膜片电极时，电容将增大C．若电流计有示数，则压力F发生变化D．若电流计有示数，则压力F不发生变化教师引导，讲解所需的实验器材，指导学生，由学生完成实验。电容式传感器种类较多，结构复杂。需要老师讲清楚每一种传感器的结构，利用多媒体课件和演示实验，将抽象的物理情境清晰地展现出来，提高学生的感性认识，并且有利于将感性认识上升为理性认识约用时5分钟4、探究磁传感器1).结构材料：2).特性：3).原理：稳定时有：eE场＝evB，又知导体中电流：I＝nevS＝nev·hd，联立得：讲解什么是霍尔元件，其结构、特性分别是什么。引导学生推导霍尔电压的表达式利用多媒体课件和演示实验，解释实验现象产生的原因，将抽象的物理情境清晰地展现出来，提高学生的感性认识，并且有利于将感性认识上升为理性认识约用时5分钟回答课前引入提出的问题，引导学生关注科技，培养他们的科学态度与价值观。解决课堂引入提出的问题，是整节课前后呼应，逻辑清楚。约用时1分钟【课堂练习】1.我国在2018年全面建立“河长制”保护水资源。图示为非触摸式自动水龙头,人体进入感应范围水即出,人体离开感应范围水即停,节水效果显著,可达40%。其应用的传感器是()A.压力传感器B.光电传感器C.电容传感器D.温度传感器评讲题目，交会学生学会审题，找出题目的关键词，得出结论通过分析应用实例，使学生感到物理有用。凸显“生活处处皆物理’的思想。约用时1分钟2.(多选)2017年2月21日,英国研究人员开发了一套无人驾驶汽车系统,智能传感器让无人驾驶汽车挥手即停。关于传感器的应用,下列说法中正确的是()A.电饭锅中的敏感元件是光敏电阻B.测温仪中测温元件可以是热敏电阻C.用传感器探究作用力和反作用力的关系的实验,所用的测力装置是力传感器D.霍尔元件是一种能把磁感应强度这个磁学量转换成电压这个电学量的装置评讲题目，交会学生学会审题，找出题目的关键词，得出结论通过分析应用实例，使学生感到物理有用。凸显“生活处处皆物理’的思想。约用时1分钟【课堂小结】1、传感器的概念2、传感器的原理：3、敏感元件：（1）光敏电阻（光电传感器）（2）热敏电阻和热电阻（温度传感器）（3）电容式传感器（位移、力、角度、深度传感器）（4）霍尔元件（磁传感器）引导学生做好笔记，记录好本节课的重难点学生及时归纳，巩固提高对知识的理解，教师可以了解学生的学习情况。约用时2分钟【课后延伸】想想“我的一天”会遇见哪些传感器呢？请同学们课后通过查询资料或者向身边的内行人请教，了解我们生活中都在哪些方面使用了哪些传感器以及它们的工作原理，写成文字稿，下节课进行交流。引导学生关注生活，用知识武装自己，从而改造世界。学以致用，巩固本节课知识点，提高应用能力约用时1分钟【课后反思】优点：本节课的内容完整，思路清晰，讲解到位。本课的几个例子都是来自生活中的例子，只是真正把它剖析开来后，发现他们也是十分简单的。这样有助于激发学生学习物理的热情，更加形象的认识和理解事物的本质。缺点：整堂课还是只停留在老师讲的纯理论阶段，让学生动手的探究实验太少，直接导致学生科学探究思维得不到发展，客观上因为是线上授课，无条件让学生动手做实验探究，主观上也没创造更多的条件调动学生自主探究，传感器本就是一些电子元件，更有探究的意义，应在实验探究上多下点功夫。课后篇素养形成必备知识基础练1.如图所示,电源两端的电压恒定,L为小灯泡,R为光敏电阻,LED为发光二极管(电流越大,发出的光越强),且R与LED间距不变,闭合开关S后,下列说法中正确的是()A.当滑片P向左移动时,L消耗的功率增大B.当滑片P向左移动时,L消耗的功率减小C.当滑片P向右移动时,L消耗的功率可能不变D.无论怎样移动滑片P,L消耗的功率都不变解析当滑片P向左移动时,使其电阻减小,则流过二极管的电流增大,从而发光增强,使光敏电阻R的阻值减小,通过灯泡L的电流增大,则L消耗的功率增大,A正确,B、D错误;当滑片P向右移动时,可分析出L消耗的功率变小,C错误。答案A2.(多选)电阻R随温度T变化的图线如图所示。下列说法中正确的是()A.图线1是热敏电阻的图线,它是用金属材料制成的B.图线2是热敏电阻的图线,它是用半导体材料制成的C.图线1对应的材料化学稳定性好、测温范围大、灵敏度高D.图线2对应的材料化学稳定性差、测温范围小、灵敏度高解析金属热电阻的阻值随温度升高而增大,半导体材料的热敏电阻的阻值随温度升高而减小,所以A错误,B正确;图线1对应的材料化学稳定性好但灵敏度低,图线2对应的材料化学稳定性差但灵敏度高,所以C错误,D正确。答案BD3.如图所示,R3是光敏电阻(光照时电阻变小),当开关S闭合后,在没有光照射时,a、b两点等电势。当用光照射电阻R3时,则()A.a点电势高于b点电势B.a点电势低于b点电势C.a点电势等于b点电势D.a点电势和b点电势的大小无法比较解析R3是光敏电阻,当有光照射时R3电阻变小,R3两端电压减小,故a点电势升高,因其他电阻的阻值不变,所以a点电势高于b点电势。答案A4.(多选)如图所示是利用硫化镉制成的光敏电阻自动计数的示意图,其中A是发光仪器,B是光敏电阻(光照增强时电阻变小),下列说法正确的是()A.当传送带上没有物品挡住由A射向B的光信号时,光敏电阻的阻值变小,电压表读数变小B.当传送带上没有物品挡住由A射向B的光信号时,光敏电阻的阻值变大,电压表读数变大C.当传送带上有物品挡住由A射向B的光信号时,光敏电阻的阻值变小,电压表读数变小D.当传送带上有物品挡住由A射向B的光信号时,光敏电阻的阻值变大,电压表读数变大解析光敏电阻的阻值与光照强度有关,光照强度越大,光敏电阻阻值越小。当传送带上没有物品挡住由A射向B的光信号时,光敏电阻阻值变小,电路中电流变大,电源内阻上的电压变大,路端电压变小,所以电压表读数变小,选项A正确;相反,当传送带上有物品挡住由A射向B的光信号时,光敏电阻的阻值变大,电路中电流变小,电源内阻上的电压变小,路端电压变大,所以电压表读数变大,选项D正确。答案AD关键能力提升练5.如图所示,厚度为h、宽度为d的导体板放在垂直于它的磁感应强度为B的匀强磁场中,当电流通过导体板时,在导体板的上侧面A和下侧面A'之间会产生电势差,这种现象称为霍尔效应。实验表明,当磁场不太强时,电势差UH、电流I和B的关系为UH=kIBd,式中的比例系数k霍尔效应可解释如下:外部磁场的洛伦兹力使运动的电子聚集在导体板的一侧,在导体板的另一侧会出现等量的正电荷,从而形成与磁场垂直的电场。与磁场垂直的电场对电子施加与洛伦兹力方向相反的静电力。当静电力与洛伦兹力达到平衡时,导体板上下两侧面之间就会形成稳定的电势差。电流I是自由电子的定向移动形成的,电子的平均定向速率为v,电荷量为e。回答下列问题:(1)达到稳定状态时,导体板上侧面A的电势(选填“高于”“低于”或“等于”)下侧面A'的电势。

(2)电子所受洛伦兹力的大小为。

(3)当导体板上、下两侧面之间的电势差为UH时,电子所受静电力的大小为。

(4)由静电力和洛伦兹力平衡的条件,证明霍尔系数k=1ne,其中n解析(1)电子向左做定向移动,由左手定则知电子受洛伦兹力的方向向上,故上侧面A积聚电子,下侧面A'积聚正电荷,上侧面的电势低于下侧面的电势。(2)F洛=evB。(3)F电=Ee=UHℎ(4)当静电力和洛伦兹力平衡时:eUHℎ=evB,U又I=nevdh由UH=kIBd,得k=d答案(1)低于(2)evB(3)UHℎ6.在一次实验中,一块由霍尔材料制成的薄片宽lab=1.0×10-2m、长lbc=4.0×10-2m、厚h=1×10-3m,水平放置在方向竖直向上的磁感应强度大小为B=1.5T的匀强磁场中,bc方向通有I=3.0A的电流,如图所示,沿薄片宽度产生1.0×10-5V的横向电压。(1)假定载流子是电子,a、b两端中的哪端电势较高?(2)薄片上形成电流I的载流子定向运动的速率多大?(结果保留两位有效数字)解析(1)根据左手定则可确定a端电势高。(2)设电子沿电流反方向所在直线定向移动的速率为v,横向电压为Uab,横向电场强度为E,则静电力为F电=Ee=Uablabe,洛伦兹力F=evB,平衡时Uablabe=evB,得v=UablabB=答案(1)a端(2)6.7×10-4m/s7.用如图所示的装置可以测量汽车在水平路面上做匀加速直线运动的加速度。该装置是在矩形箱子的前、后壁上各安装一个由力敏电阻组成的压力传感器。用两根相同的轻弹簧夹着一个质量为2kg的滑块,滑块可无摩擦滑动,两弹簧的另一端分别压在传感器a、b上,其压力大小可直接从传感器的液晶显示屏上读