5.2 常见传感器的工作原理及应用 教学设计 （表格式）高二下学期物理人教版（2019）选择性必修第二册

《常见传感器及其应用》
教学设计
《常见传感器及其应用》教学设计
章节名称 §常见传感器及其应用 学 科 高二物理
课时 1课时 课型 新授课
教学背景 教材分析 本节课选自高中物理选择性必修二第五章《传感器》。传感器技术是电磁学研究的重要技术应用，在高中物理电磁学内容即将结束时，安排传感器这一章节，使学生对传感器的知识有一个初步的了解，体会物理知识在技术中的应用。课程标准对传感器的要求不高，仅要求了解常见传感器的工作原理，列举传感器在生产生活中的应用，知道非电学量转换成电学量的技术意义。本章在高考中比重不大，因此在实际教学中可将教材的前两节内容合并为一课时。在引课时利用干簧管设计小魔术引出传感器的定义，以激发学生的学习兴趣。而在第二节“常见传感器的工作原理及应用”一节中，以光、热、力、声、磁为线索，介绍了常见的敏感元件及相应传感器的应用实例，使学生从原理和应用两个层面认识传感器。在本节课结束时，介绍本章章首图中我国探月工程的玉兔二号巡视器，理解机器人能替代人类完成繁重、危险、人类难以实现的工作；传感器感受非电学量，转换为电学量，方便测量、传输、处理和控制，使学生认识到中国在近年来在航天等领域的科技进步和不断突破，一方面使学生体会到物理知识在技术中的应用，另一方面培养学生的民族自豪感和文化自信。
学情分析 本节课授课对象是高二学生，在此之前，学生已经对电路、电场、磁场等理论知识进行深入学习，已经初步掌握了导体电阻的决定式、电容器的电容、霍尔效应的相关知识，但对技术知识的了解较为缺乏，因此本章要在分析敏感元件特性、了解常见传感器工作原理及应用的基础之上，添加有关技术知识的内容，使学生进一步体会物理学中的物质观念和能量观念，使学生意识到科学技术的发展离不开物理学的发展，培养学生利用物理知识和科学技术解决实际问题的科学态度与责任。
物理核心素养分析 物理 观念 了解常见传感器的工作原理。 列举传感器在生产生活中的应用。
科学 思维 1.将机器人感知外部信息的元件传感器和人感知外部信息的五官做类比，培养学生类比的学习思想，加深对传感器定义的理解。 2.依据传感器应用原理所在的学科领域，对常见的传感器进行分类，培养学生的分类思想。
科学 探究 设计实验，探究光敏电阻的阻值随光照强度的变化情况，培养学生的科学探究能力。
科学 态度 与责任 知道非电学量转换成电学量的技术意义，使学生体会到物理知识在技术中的应用。 通过介绍本章章首图中我国探月工程的玉兔号巡视器，培养学生的民族自豪感和文化自信。
教学重点 了解常见传感器的工作原理，列举传感器在生产生活中的应用。
教学难点 了解常见传感器的工作原理。
教学方法 教师创设模型，设置问题链，启发、引导；学生进行讨论、交流
教学用具 干簧管、电源、开关、导线、磁铁；光敏电阻、演示灵敏电流计、手电筒
教学思路 (
常见传感器
及其应用
01
引课：小魔术
02
物理观念
传感器的定义
03
科学思维
传感器的分类
04
物理观念
传感器的组成及应用模式
05
物理观念、科学探究
敏感元件
06
科学态度与责任
课后延伸、课堂练习、课堂小结
科学探究
)
教 学 过 程 教 学 过 程 教 学 过 程 师生活动 设计意图
【引课】神奇小魔术——“心灵感应” 教师将戴手套的手放到盒子上方，盒内灯泡发光，将手移走，灯泡熄灭。 师：盒子里有什么装置？邀请一位同学上台将盒子拆开，观察盒子内部电路。 生：灯泡和一个装置串联。 师：盒子的内部有一只干簧管，干簧管的结构如下，玻璃管内封入了两个软磁性材料制成的簧片，软磁性材料的显著特性是容易被磁化，当磁铁靠近干簧管时，两个簧片被磁化而使电路接通。 师：我们观察这个电路图，对于这一电路而言，干簧管在电路中起到了什么作用呢？ 生：开关。 师：那么，是谁操纵开关的通断呢？ 生：磁铁。 师：操纵开关的手，正是磁场这只看不见的手，干簧管是能够感知磁场的有无，并把它转换为电路通断的一种元件。像干簧管这样，能够将非电学量转换成电学量的元件，就是传感器。 【讲授内容】 一、传感器的定义 【学案】 传感器是指这样一类元件：它能够感受诸如力、温度、光、声、化学成分等非电学量，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。从而实现方便地测量、传输、处理和控制。 师：请大家完成学案的第一部分。 师：人依靠五官来感觉周围的信息，而机器人则利用传感器来感觉周围的信息，将感受到的非电学量按照一定的规律转换成电学量，从而实现方便地测量、传输、处理和控制。在恶劣环境中，传感器甚至能检测到人的五官不能感知的微弱的磁、电、离子和射线等信息。 传感器的种类 师：依据传感器应用的原理所在的学科领域，可以将传感器分为哪几类呢？请大家阅读教材P93，找出传感器的种类，完成学案的第二部分。 师：依据传感器应用的原理所在的学科领域，可以将传感器分为物理传感器、化学传感器和生物传感器。利用物质的物理特性或物理效应制作而成的传感器叫作物理传感器，常见的物理传感器有力传感器、磁传感器、声传感器；利用电化学反应原理制作而成的传感器叫作化学传感器，常见的化学传感器有离子传感器、气体传感器；利用生物活性物质的选择性制作而成的传感器叫作生物传感器，常见的生物传感器有酶传感器、微生物传感器、细胞传感器。 【学案】 物理传感器：力传感器、磁传感器、声传感器等 化学传感器：离子传感器、气体传感器等 生物传感器：酶传感器、微生物传感器、细胞传感器等 师：在智能手机中也安装了几十种传感器，能感受声音、压力、加速度、温度、光线等信息，我们可以利用手机APP：phyphox来测量光照、加速度、磁场等数据，在必修一时我们就利用加速度传感器测量过重力加速度g。 传感器的组成与应用模式 师：传感器是将非电学量转换成电学量的装置，那么传感器由哪几个部分组成呢？我们一起了解传感器的组成。 师：传感器的基本部分一般由敏感元件、转换元件组成。敏感元件是指能直接感受或响应外界被测非电学量的部分，完成检测功能；转换元件是指能将敏感元件输出的信号直接转换成电信号的部分，完成转换功能。 【学案】 1.传感器的组成 传感器由敏感元件、转换元件组成。 师：并不是所有传感器都能明显区分敏感元件和转换元件，如果敏感元件直接输出的是电学量，那它同时也是转换元件。 师：利用传感器将非电学量转换成电学量之后，如何应用、处理从传感器获得的信电号呢？ 师：从传感器获得的信号可经过信号调整与转换电路将信号放大，再驱动电磁继电器或其他元件执行操作；或用指针式电表或数字屏等显示出数据；或者输入到计算机系统中进行下一步处理。 师：请大家把学案传感器应用的一般模式填写全面。 【学案】 (
非电学量
电学量
敏感元件
转换元件
信号调整
与转换电路
显示器
执行机构
计算机系统
)2.传感器应用的一般模式 敏感元件 师：在了解完传感器的组成和应用模式之后，我们不禁要问，传感器是如何代替人类五官来感知非电学量的？那么传感器是利用哪个元件来感受或响应非电学量呢？ 生：敏感元件。 师：利用不同的敏感元件制成的各种传感器又有哪些应用呢？下面我们来探究敏感元件感知非电学量的工作特性，及对应传感器的应用。 1.光敏电阻 师：敏感元件，顾名思义就是对非电学量比较敏感的元件，我们先来了解一下光敏电阻。光敏电阻，大家看名字能不能猜出来光敏电阻对哪个非电学量比较敏感呢？ 生：光敏电阻是对光敏感的一类电阻。 师：那么光敏电阻的阻值随光照强度的变化是怎样变化的呢？实践是检验真理的唯一标准，我们需要利用实验来进行探究，请大家设计实验，探究光敏电阻的阻值随光照强度的变化情况。请同学们以小组为单位讨论应该如何设计实验，探究光敏电阻的阻值随光照强度的变化情况。 学生以小组为单位进行讨论。 师：该实验通过改变光照强度，探究光敏电阻阻值的变化情况。自变量是改变光照强度，可以设计受光表面暴露和受光表面光照两组实验；而光敏电阻阻值可以如何测量呢？ 生：可以用多用电表测量。 师：这个实验不需要精确地测量电阻的阻值，而只需要定性地判断电阻的大小。如果在这种要求下，不测量电阻，还可以测量哪个物理量？用什么器材测量呢？ 生：还可以把电阻串联在电路中，测量回路中的电流，利用电流间接地判断电阻的大小。 师：下面我们就利用这种方法探究光敏电阻的阻值随光照强度的变化情况。这里有一个光敏电阻、演示灵敏电流计、电池盒、开关、导线、发光二极管和手电筒（部分器材来源于电子积木），有请两位同学上台来完成这个实验，其他同学负责给他们读数，有哪位同学愿意接受挑战？ 两位同学上台操作，教师提醒同学注意电源的正负极和发光二极管的正负极，电流要从发光二极管的正极流入，才会使二极管正向导通。 师：大家一起将实验现象填入表格。 生：当受光表面暴露时，电流大小较小，而当受光表面光照时，电流大小较大，这说明当受光表面暴露时，电阻阻值较大，当受光表面光照时，电阻阻值较小。 师：因此光敏电阻的阻值随光照的增大而减小。 师：光照越强，光敏电阻阻值越小，这其中的原理是什么呢？因为光敏电阻由硫化镉材料制成，硫化镉是一种半导体材料，对光敏感，无光照时，载流子极少，导电性能差；随着光照的增强，载流子增多，导电性变好。 师：光敏电阻可以感受哪个非电学量呢？又转化成哪个电学量呢？ 生：光敏电阻可以感受光照，将光照转化成电阻这个电学量。 师：光敏电阻可以将光照强弱这个非电学量转化成电阻这个电学量，而利用光敏电阻作为敏感元件而制成的传感器叫作光电传感器。 师：由于光敏电阻的阻值随光照的变化而变化，将光敏电阻接到电路中，随着光照的变化，光敏电阻的阻值发生变化，进而使电路中电流和电压变化，实现自动计数的功能。 师：如何利用光电传感器实现光电计数的呢？请大家利用两分钟时间，同桌之间相互讨论，填写学案上的表格。 【学案】 （3）应用光电传感器实现光电计数： 传送带上有无物品光敏电阻有无光信号光敏电阻阻值输出电压大小无有较小较低有无较大较高
生：当传送带上没有物品时，光敏电阻有光信号，光敏电阻阻值较小，输出电压较低；当传送带上有物品时，光敏电阻没有光信号，光敏电阻阻值较大，输出电压较高。 师：这种高低交替变化的信号经过处理，就会转化为相应的数字，实现自动计数的功能。 2.金属热电阻和热敏电阻 师：光敏电阻对光较为敏感，除了光照以外，温度也能明显地影响金属导体和半导体材料的导电性能，金属热电阻和光敏电阻就是传感器中感知温度的敏感元件。 (
=
)师：金属热电阻由金属材料制成，那么金属热电阻的阻值随温度的升高如何影响呢？电阻的阻值与什么因素有关呢？电阻的决定式是？ 生： ，金属电阻的阻值与长度、材料和横截面积有关。 师：温度会影响这其中的哪个物理量？如何影响？ 生：金属的电阻率，温度升高，金属的电阻率逐渐增大。 师：那么金属热电阻的阻值随温度的变化情况如何？ 生：金属热电阻的阻值随温度的升高而增大。 师：我们画出金属热电阻的阻值随温度的变化图像，是一次函数的形式。 师：而另一个元件，热敏电阻。热敏电阻由半导体材料制成，其阻值随温度的升高而减小，画出热敏电阻的阻值随温度的变化规律，是一个减函数。 师：利用金属热电阻和热敏电阻的阻值随温度变化的对应关系，可以用来测量温度。它们有各自的优点，与热敏电阻相比，金属热电阻的化学稳定性好，测温范围大，但灵敏度较差。 师：由于金属热电阻和热敏电阻都对温度敏感，因此可以利用它们感受温度，并把温度这个热学量转换为电阻这个电学量。利用它们作敏感元件而制成的传感器就是温度传感器。 师：可以利用热敏电阻作为敏感元件制成温度传感器实现液位报警功能。 师：请大家阅读教材，同桌之间相互讨论，如何利用热敏电阻作为敏感元件实现液位报警的呢？填写学案上的表格。 【学案】 （4）应用热敏电阻作为敏感元件实现液位报警： 液面高低液体温度热敏电阻阻值电路灯泡亮暗液面高不变较大不亮液面低上升较小亮
生：当液面高于热敏电阻的高度时，热敏电阻发出的热量会被液体带走，液体温度基本不变，阻值较大，指示灯不亮；当液体减少、热敏电阻露出液面时，发热导致热敏电阻的温度上升，热敏电阻阻值减小，指示灯亮。 师：通过判断热敏电阻的阻值变化，就可以知道液面是否低于设定值。 3.电阻应变片 (
=
)师：除了光敏元件和热敏元件，还有一种使用非常广泛的力敏元件——电阻应变片，电阻应变片由金属制成，金属电阻的阻值与哪些因素有关呢？电阻的决定式是？ 生： ，金属电阻的阻值与长度、材料和横截面积有关。 师：金属电阻受力，长度和横截面积会发生变化，大家可以用自己的橡皮感受一下。大家一起来判断，当电阻应变片受到拉力和压力时电阻应变片的阻值是如何变化的？ 生：当金属电阻受到拉力时，电阻应变片长度变长、横截面积变小，电阻值变大；当金属电阻受到压力时，电阻应变片长度变短、横截面积变大，电阻值变小。 师：金属电阻在外力作用下发生机械形变时，其电阻随着它所受机械形变的变化而发生变化的现象，称为金属的电阻应变效应。利用电阻应变片的这一效应，可以将形变这一力学量转换为电阻这一电学量，利用电阻应变片作敏感元件而制成的传感器就是力传感器。 师：我们来了解应变式力传感器的工作原理，顾名思义它可以测量力的大小，其实我们经常见到的电子秤大多都是利用应变式力传感器来实现测力功能。应变式力传感器由右端固定的金属梁和贴在金属梁上下两个表面的应变片组成，当在梁的自由端施加作用力时，梁发生弯曲，上表面拉伸、下表面压缩，使得上表面应变片的阻值变大，下表面应变片的阻值变小，在应变片中输入恒定的电流，上表面应变片两端电压变大成U1，下表面应变片两端电压变小为U2，传感器能输出两个应变片两端的电压差 U。力F越大，两个应变片的形变量越大，两个应变片电阻变化越大，导致输出的电压差 U越大，能够将力的大小转换成电压差，最终输出。 4.电容器 师：光敏电阻、热敏电阻和电阻应变片等电阻式传感器是通过测量电阻的变化来确定外界非电学量的变化。而电容式传感器是通过测量电容的变化来确定非电学量的变化，这其中的敏感元件就是电容器。 (
=
)师：彼此绝缘且靠得很近的两块极板构成电容器，电容器的电容跟哪些因素有关呢？ 生： ，电容跟正对面积S、极板间距离d和电介质的介电系数有关。 师：如果某个非电学量的变化能够引起正对面积S、极板间距离d和电介质的介电系数中某个因素变化，从而引起电容的变化，那么通过测量电容器的电容就可以确定这个物理量的变化，就可以制成电容式传感器。电容式传感器可以测量许多非电学量。 师：动片和定片两块极板构成了电容器，当角度发生变化时，电容器的电容发生变化，可以通过测量电容器的电容推出动片转过的角度。当测定角度时，电容器的电容发生改变，是通过改变什么量来改变的电容呢？ 生：改变正对面积S。 师：金属芯和导电液体两个极板构成了电容器，当液面高度发生变化时，电容器的电容发生变化，可以通过测量电容器的电容推出液面的高度。当测定液面高度时，电容器的电容发生改变，是电容器的什么量发生变化导致电容变化呢？ 生：改变正对面积S。 师：固定电极和可动电极之间构成了电容器，当外界压力发生变化时，电容器的电容发生变化，可以通过测量电容器的电容推出压力F。当测定压力时，电容器的电容发生改变，这是通过改变什么量导致改变电容的呢？ 生：改变极板间距离d。 师：上下两个极板之间构成了电容器，当电介质向右移动一些位移时，电容器的电容会发生变化，可以通过测量电容器的电容推出移动的位移。当测定位移时，电容器的电容会发生改变，这是通过改变什么量导致改变电容的呢？ 生：改变正对面积S。 师：其实原来极板也有一部分有电介质，电介质并没有变化，但是有电介质的那部分极板正对面积变大了，电介质为空气的那部分极板正对面积也变小了，因此是通过改变正对面积S改变的电容。 【课后延伸】 师：在如今的生活中，人类逐步解放了自己的双手，制造出了很多的机器人，代替人类工作。而机器人是如何感受外界信息的呢？就是利用了传感器。传感器感受非电学量，转换为电学量，从而可以方便地进行测量、传输、处理和控制。机器人不仅能代替人类完成繁重、危险、人类难以实现的工作；还能超越人类感官，检测五官感知不到的信息，甚至是完成探月任务，我们一起来看一段视频。 师：玉兔二号探测器和它的姐姐玉兔号探测器就是利用了在它身上的各种传感器来感知周围的环境，并帮助科学家收集信息，探索宇宙奥秘的，本章章首图所呈现的就是我国探月工程的玉兔号巡视器。可见，科学技术的发展离不开物理学的发展，要想更准确地解决实际问题，还需要认真学习物理知识，体会科学和技术的魅力。 【课后作业】 师：最后，给大家留一个作业，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。 利用干簧管设计小魔术进行引课，引出传感器的定义，以激发学生的学习兴趣。 将机器人感知外部信息的元件传感器和人感知外部信息的五官做类比，培养学生类比的学习思想，加深对传感器定义的理解。 依据传感器应用原理所在的学科领域，对常见的传感器进行分类，培养学生的分类思想。 重点理解传感器利用敏感元件感受或响应非电学量，进而引出敏感元件感知非电学量的原理即工作特性。 设计实验，探究光敏电阻的阻值随光照强度的变化情况，培养学生的科学探究能力。 了解光敏电阻的特性，讨论光电传感器的工作原理。 举例说明光电传感器在生产生活中的应用——光电计数。 理解金属热电阻和热敏电阻的工作特性，知道温度传感器的工作原理。 举例说明利用温度传感器实现液位报警的原理。 利用橡皮作为教具，将微小形变放大，便于理解金属电阻受力导致的电阻值变化。 回顾电阻阻值的决定式，利用教具理解金属的电阻应变效应，介绍利用电阻应变片的测力原理。 回顾电容器电容的决定式，理解电容式传感器的工作原理。 知道非电学量转换成电学量的技术意义，使学生体会到物理知识在技术中的应用。 通过介绍本章章首图中我国探月工程的玉兔号巡视器，培养学生的民族自豪感和文化自信。
【课堂练习】 1.按照你对以下几种传感器的理解，填写下面的表格 敏感元件传感器特性输入非电学量输出电学量光敏电阻光电阻 (
R
光照
o
) 金属热电阻温度电阻 (
R
T
o
) 热敏电阻温度电阻 (
R
T
o
) 电阻应变片力（形变）电阻（电压差） (
=
) 电容器力学量电容 (
=
)
2. 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（ AC ） 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 3.如图所示是一火警报警器的一部分电路示意图，其中R2为用热敏材料制成的传感器，电流表为值班室的显示器，a、b之间接报警器，当传感器R2所在处出现火情时，显示器的电流I、报警器两端的电压U的变化情况是(　B　) (
报警器
热敏电阻
)A．I变大，U变大　　　　 　 B．I变小，U变小 C．I变小，U变大 D．I变大，U变小 4. 传感器广泛应用在我们的生产生活中，常用的计算机键盘就是一种传感器。如图所示，键盘上每一个键的下面都连一小金属片，与该金属片隔有一定空气间隙的是另一小的固定金属片，这两金属片组成一个小电容器。当键被按下时，此小电容器的电容发生变化，与之相连的电子线路就能够检测出哪个键被按下，从而给出相应的信号。这种计算机键盘使用的是（ B ） A.温度传感器 B.压力传感器 C.磁传感器 D.光传感器 【课堂小结】 师：本节课我们学习了常见的工作原理和应用，传感器能够感受非电学量，并按照一定的规律转换为电学量的元件。传感器由敏感元件和转换元件组成，不同的传感器利用敏感元件的不同特性，实现了从非电学量到电学量的转化。
板书设计 §常见传感器及其应用 传感器 非电学量 电学量 (
转换元件
) (
敏感
元件
敏感
元件
) (
敏感元件
) 敏感元件 (
R
光照
o
)光敏电阻 (
R
T
o
)金属热电阻 (
R
T
o
)热敏电阻电阻应变片电容器特性 (
=
) (
=
)
教学反思