6.1传感器及其工作原理集体备课教案
文档属性
| 名称 | 6.1传感器及其工作原理集体备课教案 |  | |
| 格式 | zip | ||
| 文件大小 | 2.0MB | ||
| 资源类型 | 教案 | ||
| 版本资源 | 人教版（新课程标准） | ||
| 科目 | 物理 | ||
| 更新时间 | 2014-07-25 20:52:03 | ||
图片预览
文档简介
本资料来自于资源最齐全的２１世纪教育网www.21cnjy.com
主备人: 刘立军 参备人:宋健、安云峰、张静玲、张受能、施进、曾建军、熊义
地点:物理教研组办公室 2014 年05月 27日
课题：§6.1传感器及其工作原理
【教学内容分析】
本节以传感器的功能与原理为主线，让学生综合 ( http: / / www.21cnjy.com )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。这是本章第一节内容，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。
传感器在现代生活中已经被广泛应用，是测量和 ( http: / / www.21cnjy.com )控制电路中不可缺少的元器件。传感器的设计和使用中涉及相当多的物理学知识，将力学、电磁学的知识与传感器的设计、应用紧密联系，是物理教学中一项重要任务和内容，也是新课改中心思想的重要体现。21教育网
传感器及其工作原理这一节内 ( http: / / www.21cnjy.com )容要求学生能通过观察一些现象和常见的事例，初步形成传感器的概念，并介绍三种制作传感器所使用的敏感元件，运用以前学习过的物理知识了解它们的工作原理，从而为了解传感器的应用打下良好的基础。www-2-1-cnjy-com
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。
【三维目标】
知识与技能：知道非电学量转换成电学量的技术意义；通过实验，知道常见传感器的工作原理；初步探究利用和设计简单的传感器。【出处：21教育名师】
过程与方法：通过对实验的观察、思考和探 ( http: / / www.21cnjy.com )究，让学生了解传感器、熟悉传感器工作原理；让学生自己设计简单的传感器，经历科学探究过程，学习科学研究方法，培养学生的实践能力和创新思维能力。
情感态度与价值观：在理解传感器工作原理的基础上，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。www.21-cn-jy.com
【教学重难点】
重点：认识各种常见的传感器；了解光敏电阻、热敏电阻、霍尔元件的工作原理。
难点：光敏电阻、热敏电阻、霍尔元件的工作原理。
【教学过程】
[新课引入]
演示实验1:干簧管控制电路的通断。
如图，小盒子A的侧面露出一个小灯泡，盒外没有开关，但是把磁铁B放到盒子上面，灯泡就会发光，把磁铁移走，灯泡熄灭。 21教育名师原创作品
提问：盒子里有怎样的装置，才能实现这样的控制？（可以自由讨论，也可以请学生回答）
师生探究：打开盒子，用实物投影仪展示盒内的电路图，了解元件“干簧管”的结构。
探明原因：玻璃管内封入两个软磁性材料制成的簧片。当磁铁靠近干簧管时，两个簧片被磁化而接通，电路导通。所以，干簧管能起到开关的作用。
点拨：这个装置反过来还可以让我们通过灯泡的发光情况，感知干簧管周围是否存在着磁场。
演示实验2:声光控开关控制电路的通断。
(1)先在普通光照条件下。(2)再把开关置于黑暗环境中。
[进行新课]
一．什么是传感器？
刚才的两个实验，都用了一种元件，这些元件能够感受某些信息，通过它能实现电路的自动控制，这种元件有一个专门的名称：传感器。21cnjy.com
提问:什么是传感器呢？
它能够感受诸如力、温度、光、声、化 ( http: / / www.21cnjy.com )学成分等非电学量，并能把它们按照一定的规律转换为电压、电流等电学量，或转换为电路的通断。我们把这种元件叫做传感器。它的优点是：把非电学量转换为电学量以后，就可以很方便地进行测量、传输、处理和控制了。【来源：21·世纪·教育·网】
其实，传感器并不神秘。你家里可能就有很多的传感器。请大家相互说说看，你家里，或者在你的生活当中，都使用过，或听说过什么样的电器中有传感器？21·世纪*教育网
1.当冰箱内的温度高于设定值时，制冷系统自动启动，而当温度低于设定值时，制冷系统又会自动停止。冰箱的控制，是通过温度传感器实现的。
2.楼梯道的电灯，晚上，有人经过楼道时，开关自动接通，灯就亮；白天，不管是否有人经过，开关都是断开的，灯总是不亮，这种开关用的就是声光传感器。
3.为了防止火灾的发生，在宾馆房间的天花板上大多有一个小盒子，当房间失火时它能感知出现的烟雾，通过电路发出警报，这个小盒子就是烟雾传感器。
4.其他如宾馆洗手间的墙壁上干手机 ( http: / / www.21cnjy.com )的湿度传感器、电视机里换频道的红外传感器、电饭锅的温控开关、养鸡场里的孵化器、交警用来测驾驶员是否酒后开车的酒精气体测试仪、磁悬浮列车里的加速度测试器、电容式话筒里的电容式传感器、自动洗衣机里的压力传感器等等.可以说，传感器的广泛使用，丰富了我们的生活，使我们的生活更加方便、安全和舒适。
为了制作传感器，需要一些元器件，下面我们就来看几个实际的例子。
二.光敏电阻
有一些物质,例如硫化镉,电阻率与所受光照的强度有关。把硫化镉涂敷在绝缘板上，在其表
面再用银浆涂敷两个互不相连的栅状电极，这样就制成了一个光敏电阻。硫化镉表面受到的光
照强度不同时，两个电极间的电阻也不一样。
演示实验3:比较光敏电阻在不同光照条件下的电阻之不同。
学生完成：两人一组，用万用电表（由投影仪投出表盘）的欧姆挡测量一只光敏电阻的阻值，实验分别在室内自然光的照射下和用手掌遮光时进行。21·cn·jy·com
学生总结实验结果：光敏电阻在暗环境下电阻值很大，强光照射下电阻值很小。
师生总结：光敏电阻能够把光照强弱这个光学量转换为电阻这个电学量。
工作原理：光敏电阻在光照射下电阻变化的原因。光敏电阻是由硫化镉制成的，硫化镉是一种半导体材料，无光照时，载流子极少，导电性能不好；随着光照的增强，载流子增多，导电性变好。
学生自学：科学漫步—半导体的导电机理。
三.金属热电阻和热敏电阻
师问：金属导体的导电性能与温度有关吗？关系如何？
生答：金属导体的电阻随温度的升高而增大，如白炽灯钨丝的电阻在正常工作情况下比常温下的电阻大得多。
师生总结：用金属丝可以制作温度传感器，称为金属热电阻。如前面已经学过的用金属铂可制作精密的电阻温度计。 2·1·c·n·j·y
演示实验4:热敏电阻随温度的升高电阻减小。
学生两人一组，用万用电表的欧姆挡测一只热敏电阻的阻值。第一次直接测量，第二次用手心捂住热敏电阻再测量，记录两次测得的电阻值。 21*cnjy*com
学生探究：热敏电阻的阻值随温度的升高而减小，且阻值随温度变化非常明显。(投影电阻R随温度变化的图线)【版权所有：21教育】
师生总结：1.半导体热敏电阻也可以用作温度传感器。
2.金属热电阻与热敏电阻都能够把温度这个热学量转换为电阻这个电学量，金属热电阻的化学稳定性好，测温范围大，但灵敏度较差。
四.霍尔元件
1879年美国物理学家霍尔观察到，在匀强磁场 ( http: / / www.21cnjy.com )中放置一个矩形截面的载流导体，当磁场方向与电流方向垂直时，导体在与磁场、电流方向都垂直的方向上出现了电势差。人们把这样的现象称为霍尔效应，所产生的电势差叫霍尔电压。人们利用霍尔效应做成了霍尔元件。
如图，霍尔元件是在一个很小的矩形半导体（例如砷化铟）薄片上，制作4个电极E、F、M、N而成。若在E、F间通入恒定的电流I，同时外加与薄片垂直的匀强磁场B，薄片中的载流子就在洛伦兹力的作用下发生偏转，使M、N间出现电压UH。这个电压叫霍尔电压，其决定式为。式中d为薄片的厚度，k为霍尔系数，它的大小与薄片的材料有关。
师生共析：由上式看，一个霍尔元件的厚度d、k为定值，若保持I恒定，则UH的变化就与B成正比。
也就是说：霍尔元件能够把磁感应强度这个磁学量转换为电压这个电学量。因此，我们可以把霍尔元件放置在某一未知的磁场中，通过测定霍尔电压U的变化得知该磁场磁感应强度的变化。
请同学们用前面学习过的磁场的知识推导霍尔元件的电压与磁感应强度的关系
推导过程：已知：假设霍尔元 ( http: / / www.21cnjy.com )件中形成电流的是正电荷，霍尔元件厚度为d，宽度为l，通入的电流为I，单位体积内正电荷的个数为n，正电荷的带电量为q。21*cnjy*com
，
令 得：
式中的d为薄片的宽度，k为霍尔系数，它的大小与制作材料有关。由式子可以看出如果保证k、d、I恒定，则霍尔电压U的变化就与B成正比。21世纪教育网版权所有
[例题讲解]
例:电容式传感器。
电容器的电容C决定于极板 ( http: / / www.21cnjy.com )正对面积S、极板间距离d以及极板间的电介质这几个因素．如果某一物理量（如角度θ、位移s、深度h等）的变化能引起上述某个因素的变化，从而引起电容的变化，那么，通过测定电容器的电容就可以确定上述物理量的变化，有这种用途的电容器称为电容式传感器。
图甲是用来测定角度θ的电容式传感器．当 ( http: / / www.21cnjy.com )动片与定片之间的角度θ发生变化时，引起极板正对面积S的变化，使电容C发生变化．知道C的变化，就可以知道θ的变化情况。
图乙是测定液面高度h的电容式传感器，在导线芯的外面涂上一层绝缘物质，放入导电液体中，导线芯和导电液体构成电容器的两个极，导线芯外面的绝缘物质就是电介质．液面高度h发生变化时，引起正对面积发生变化，使电容C发生变化．知道C的变化，就可以知道h的变化情况。【来源：21cnj*y.co*m】
图丙是测定压力F的电容式传感器，待测压力F作用于可动膜片电极上的时候，膜片发生形变，使极板间距离d发生变化，就可以知道F的变化情况。2-1-c-n-j-y
图丁是测定位移x的电容式传感器，随着电介质进入极板间的长度发生变化，就可以知道x的变化情况。
实际中有各种各样的传感器．它们都是根据各种物理效应设计而成的，我们在初中学过，导线的电阻决定于导线的横截面积、长度和温度等因素，由此可以制成电阻式传感器，用来测定压力、温度等物理量。
[课堂小结] 教师引导，学生自行小结。
[作业布置] 完成教材后“问题与练习”所有习题。
【教学反思与改进】
A
B
S
N
S
N
干簧管
各种传感器
各种温度传感器
力传感器
色标传感器
光敏电阻
甲. 光敏电阻在暗环境下电阻值很大
乙. 强光照射下电阻值很小
观察光敏电阻的特性
R
T
1
2
O
电阻-温度特性曲线
1-金属导线 2.热敏电阻
霍尔元件的工作原理
B
M
N
E
F
I
UH
定片
θ
甲
金属芯线
电介质
导电液体
乙
h
压力F
固定电极
可动电极
丙
极板
电介质
丁
x
动片
极板
21世纪教育网 -- 中国最大型、最专业的中小学教育资源门户网站。 版权所有@21世纪教育网
主备人: 刘立军 参备人:宋健、安云峰、张静玲、张受能、施进、曾建军、熊义
地点:物理教研组办公室 2014 年05月 27日
课题：§6.1传感器及其工作原理
【教学内容分析】
本节以传感器的功能与原理为主线，让学生综合 ( http: / / www.21cnjy.com )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。这是本章第一节内容，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。
传感器在现代生活中已经被广泛应用，是测量和 ( http: / / www.21cnjy.com )控制电路中不可缺少的元器件。传感器的设计和使用中涉及相当多的物理学知识，将力学、电磁学的知识与传感器的设计、应用紧密联系，是物理教学中一项重要任务和内容，也是新课改中心思想的重要体现。21教育网
传感器及其工作原理这一节内 ( http: / / www.21cnjy.com )容要求学生能通过观察一些现象和常见的事例，初步形成传感器的概念，并介绍三种制作传感器所使用的敏感元件，运用以前学习过的物理知识了解它们的工作原理，从而为了解传感器的应用打下良好的基础。www-2-1-cnjy-com
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。
【三维目标】
知识与技能：知道非电学量转换成电学量的技术意义；通过实验，知道常见传感器的工作原理；初步探究利用和设计简单的传感器。【出处：21教育名师】
过程与方法：通过对实验的观察、思考和探 ( http: / / www.21cnjy.com )究，让学生了解传感器、熟悉传感器工作原理；让学生自己设计简单的传感器，经历科学探究过程，学习科学研究方法，培养学生的实践能力和创新思维能力。
情感态度与价值观：在理解传感器工作原理的基础上，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。www.21-cn-jy.com
【教学重难点】
重点：认识各种常见的传感器；了解光敏电阻、热敏电阻、霍尔元件的工作原理。
难点：光敏电阻、热敏电阻、霍尔元件的工作原理。
【教学过程】
[新课引入]
演示实验1:干簧管控制电路的通断。
如图，小盒子A的侧面露出一个小灯泡，盒外没有开关，但是把磁铁B放到盒子上面，灯泡就会发光，把磁铁移走，灯泡熄灭。 21教育名师原创作品
提问：盒子里有怎样的装置，才能实现这样的控制？（可以自由讨论，也可以请学生回答）
师生探究：打开盒子，用实物投影仪展示盒内的电路图，了解元件“干簧管”的结构。
探明原因：玻璃管内封入两个软磁性材料制成的簧片。当磁铁靠近干簧管时，两个簧片被磁化而接通，电路导通。所以，干簧管能起到开关的作用。
点拨：这个装置反过来还可以让我们通过灯泡的发光情况，感知干簧管周围是否存在着磁场。
演示实验2:声光控开关控制电路的通断。
(1)先在普通光照条件下。(2)再把开关置于黑暗环境中。
[进行新课]
一．什么是传感器？
刚才的两个实验，都用了一种元件，这些元件能够感受某些信息，通过它能实现电路的自动控制，这种元件有一个专门的名称：传感器。21cnjy.com
提问:什么是传感器呢？
它能够感受诸如力、温度、光、声、化 ( http: / / www.21cnjy.com )学成分等非电学量，并能把它们按照一定的规律转换为电压、电流等电学量，或转换为电路的通断。我们把这种元件叫做传感器。它的优点是：把非电学量转换为电学量以后，就可以很方便地进行测量、传输、处理和控制了。【来源：21·世纪·教育·网】
其实，传感器并不神秘。你家里可能就有很多的传感器。请大家相互说说看，你家里，或者在你的生活当中，都使用过，或听说过什么样的电器中有传感器？21·世纪*教育网
1.当冰箱内的温度高于设定值时，制冷系统自动启动，而当温度低于设定值时，制冷系统又会自动停止。冰箱的控制，是通过温度传感器实现的。
2.楼梯道的电灯，晚上，有人经过楼道时，开关自动接通，灯就亮；白天，不管是否有人经过，开关都是断开的，灯总是不亮，这种开关用的就是声光传感器。
3.为了防止火灾的发生，在宾馆房间的天花板上大多有一个小盒子，当房间失火时它能感知出现的烟雾，通过电路发出警报，这个小盒子就是烟雾传感器。
4.其他如宾馆洗手间的墙壁上干手机 ( http: / / www.21cnjy.com )的湿度传感器、电视机里换频道的红外传感器、电饭锅的温控开关、养鸡场里的孵化器、交警用来测驾驶员是否酒后开车的酒精气体测试仪、磁悬浮列车里的加速度测试器、电容式话筒里的电容式传感器、自动洗衣机里的压力传感器等等.可以说，传感器的广泛使用，丰富了我们的生活，使我们的生活更加方便、安全和舒适。
为了制作传感器，需要一些元器件，下面我们就来看几个实际的例子。
二.光敏电阻
有一些物质,例如硫化镉,电阻率与所受光照的强度有关。把硫化镉涂敷在绝缘板上，在其表
面再用银浆涂敷两个互不相连的栅状电极，这样就制成了一个光敏电阻。硫化镉表面受到的光
照强度不同时，两个电极间的电阻也不一样。
演示实验3:比较光敏电阻在不同光照条件下的电阻之不同。
学生完成：两人一组，用万用电表（由投影仪投出表盘）的欧姆挡测量一只光敏电阻的阻值，实验分别在室内自然光的照射下和用手掌遮光时进行。21·cn·jy·com
学生总结实验结果：光敏电阻在暗环境下电阻值很大，强光照射下电阻值很小。
师生总结：光敏电阻能够把光照强弱这个光学量转换为电阻这个电学量。
工作原理：光敏电阻在光照射下电阻变化的原因。光敏电阻是由硫化镉制成的，硫化镉是一种半导体材料，无光照时，载流子极少，导电性能不好；随着光照的增强，载流子增多，导电性变好。
学生自学：科学漫步—半导体的导电机理。
三.金属热电阻和热敏电阻
师问：金属导体的导电性能与温度有关吗？关系如何？
生答：金属导体的电阻随温度的升高而增大，如白炽灯钨丝的电阻在正常工作情况下比常温下的电阻大得多。
师生总结：用金属丝可以制作温度传感器，称为金属热电阻。如前面已经学过的用金属铂可制作精密的电阻温度计。 2·1·c·n·j·y
演示实验4:热敏电阻随温度的升高电阻减小。
学生两人一组，用万用电表的欧姆挡测一只热敏电阻的阻值。第一次直接测量，第二次用手心捂住热敏电阻再测量，记录两次测得的电阻值。 21*cnjy*com
学生探究：热敏电阻的阻值随温度的升高而减小，且阻值随温度变化非常明显。(投影电阻R随温度变化的图线)【版权所有：21教育】
师生总结：1.半导体热敏电阻也可以用作温度传感器。
2.金属热电阻与热敏电阻都能够把温度这个热学量转换为电阻这个电学量，金属热电阻的化学稳定性好，测温范围大，但灵敏度较差。
四.霍尔元件
1879年美国物理学家霍尔观察到，在匀强磁场 ( http: / / www.21cnjy.com )中放置一个矩形截面的载流导体，当磁场方向与电流方向垂直时，导体在与磁场、电流方向都垂直的方向上出现了电势差。人们把这样的现象称为霍尔效应，所产生的电势差叫霍尔电压。人们利用霍尔效应做成了霍尔元件。
如图，霍尔元件是在一个很小的矩形半导体（例如砷化铟）薄片上，制作4个电极E、F、M、N而成。若在E、F间通入恒定的电流I，同时外加与薄片垂直的匀强磁场B，薄片中的载流子就在洛伦兹力的作用下发生偏转，使M、N间出现电压UH。这个电压叫霍尔电压，其决定式为。式中d为薄片的厚度，k为霍尔系数，它的大小与薄片的材料有关。
师生共析：由上式看，一个霍尔元件的厚度d、k为定值，若保持I恒定，则UH的变化就与B成正比。
也就是说：霍尔元件能够把磁感应强度这个磁学量转换为电压这个电学量。因此，我们可以把霍尔元件放置在某一未知的磁场中，通过测定霍尔电压U的变化得知该磁场磁感应强度的变化。
请同学们用前面学习过的磁场的知识推导霍尔元件的电压与磁感应强度的关系
推导过程：已知：假设霍尔元 ( http: / / www.21cnjy.com )件中形成电流的是正电荷，霍尔元件厚度为d，宽度为l，通入的电流为I，单位体积内正电荷的个数为n，正电荷的带电量为q。21*cnjy*com
，
令 得：
式中的d为薄片的宽度，k为霍尔系数，它的大小与制作材料有关。由式子可以看出如果保证k、d、I恒定，则霍尔电压U的变化就与B成正比。21世纪教育网版权所有
[例题讲解]
例:电容式传感器。
电容器的电容C决定于极板 ( http: / / www.21cnjy.com )正对面积S、极板间距离d以及极板间的电介质这几个因素．如果某一物理量（如角度θ、位移s、深度h等）的变化能引起上述某个因素的变化，从而引起电容的变化，那么，通过测定电容器的电容就可以确定上述物理量的变化，有这种用途的电容器称为电容式传感器。
图甲是用来测定角度θ的电容式传感器．当 ( http: / / www.21cnjy.com )动片与定片之间的角度θ发生变化时，引起极板正对面积S的变化，使电容C发生变化．知道C的变化，就可以知道θ的变化情况。
图乙是测定液面高度h的电容式传感器，在导线芯的外面涂上一层绝缘物质，放入导电液体中，导线芯和导电液体构成电容器的两个极，导线芯外面的绝缘物质就是电介质．液面高度h发生变化时，引起正对面积发生变化，使电容C发生变化．知道C的变化，就可以知道h的变化情况。【来源：21cnj*y.co*m】
图丙是测定压力F的电容式传感器，待测压力F作用于可动膜片电极上的时候，膜片发生形变，使极板间距离d发生变化，就可以知道F的变化情况。2-1-c-n-j-y
图丁是测定位移x的电容式传感器，随着电介质进入极板间的长度发生变化，就可以知道x的变化情况。
实际中有各种各样的传感器．它们都是根据各种物理效应设计而成的，我们在初中学过，导线的电阻决定于导线的横截面积、长度和温度等因素，由此可以制成电阻式传感器，用来测定压力、温度等物理量。
[课堂小结] 教师引导，学生自行小结。
[作业布置] 完成教材后“问题与练习”所有习题。
【教学反思与改进】
A
B
S
N
S
N
干簧管
各种传感器
各种温度传感器
力传感器
色标传感器
光敏电阻
甲. 光敏电阻在暗环境下电阻值很大
乙. 强光照射下电阻值很小
观察光敏电阻的特性
R
T
1
2
O
电阻-温度特性曲线
1-金属导线 2.热敏电阻
霍尔元件的工作原理
B
M
N
E
F
I
UH
定片
θ
甲
金属芯线
电介质
导电液体
乙
h
压力F
固定电极
可动电极
丙
极板
电介质
丁
x
动片
极板
21世纪教育网 -- 中国最大型、最专业的中小学教育资源门户网站。 版权所有@21世纪教育网