高中物理傳感器及其工作原理

1、【教學(xué)內(nèi)容】：高中物理3-2第六章 第1節(jié) 傳感器及其工作原理【教學(xué)目標(biāo)】：1、知識(shí)目標(biāo)：1) 初步形成傳感器的概念，了解傳感器的工作原理。2) 知道什么是光敏電阻、熱敏電阻、金屬熱電阻以及霍爾效應(yīng)；會(huì)使用霍爾電壓公式。3) 了解非電學(xué)量轉(zhuǎn)換成電學(xué)量的重要性。2、能力目標(biāo)：1) 通過實(shí)驗(yàn)的方法獲得對(duì)傳感器的感性認(rèn)識(shí)。2) 運(yùn)用所學(xué)知識(shí)分析新問題，解決新問題，使學(xué)生對(duì)傳感器的認(rèn)識(shí)由感性認(rèn)識(shí)上升到理性認(rèn)識(shí)。3、情感態(tài)度與價(jià)值觀目標(biāo)：1) 體驗(yàn)科學(xué)探究的樂趣，體驗(yàn)成功的快樂。2) 通過對(duì)實(shí)際生活中實(shí)例的分析與研究，感受物理與生活、生產(chǎn)的密切聯(lián)系，體會(huì)物理學(xué)的重要性。【教學(xué)重難點(diǎn)】：教學(xué)重點(diǎn)是認(rèn)識(shí)各種

2、常見的傳感器元器件，了解光敏電阻、熱敏電阻、霍爾元件的工作原理。教學(xué)難點(diǎn)是認(rèn)識(shí)非電學(xué)量轉(zhuǎn)換為電學(xué)量，從而進(jìn)行控制的過程?！驹O(shè)計(jì)特色】：1) 傳感器這一章并不是高考的重點(diǎn)內(nèi)容，但對(duì)于發(fā)展學(xué)生的創(chuàng)造性思維和應(yīng)用能力的培養(yǎng)卻是比較重要的內(nèi)容。因此，對(duì)該部分的教學(xué)應(yīng)集中在實(shí)踐應(yīng)用和原理掌握上，而不是做題上。2) 傳感器元件對(duì)于學(xué)生來說是一種全新的事物，所以不僅僅要注重理論的講解，對(duì)于實(shí)物的介紹可以加深學(xué)生的認(rèn)識(shí)。3) 該課教學(xué)旨在培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新與應(yīng)用思維，因此，對(duì)于比較復(fù)雜的實(shí)例應(yīng)用，使用多媒體視頻教學(xué)要比課堂演示方便快捷，且不會(huì)出現(xiàn)實(shí)驗(yàn)失敗的現(xiàn)象，并且更加有利于教師解說?！窘虒W(xué)過程】：一、導(dǎo)入新課：

3、在日常生活中，我們通過自身的感官來感知周圍的世界，通過感官獲得周圍的環(huán)境的信息。然而有些地方，譬如：我們?nèi)祟惿眢w條件不適應(yīng)的地方，或者是需要進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間監(jiān)控的地方，或者是我們的感官無法辨別的地方，更或者是危險(xiǎn)的地方，就需要一些特殊的儀器來幫助我們完成采集信息的任務(wù)；這就是傳感器。我們平時(shí)所見的感應(yīng)門、感應(yīng)路燈、火災(zāi)報(bào)警器都是傳感器的應(yīng)用，常用的遙控器、數(shù)碼照相機(jī)也都運(yùn)用了傳感器。二、傳感器概念：傳感器是能夠?qū)⒎请妼W(xué)量轉(zhuǎn)換為電學(xué)量的這樣一類元器件。電學(xué)量可以方便地進(jìn)行測(cè)量、傳輸、處理和控制。三、傳感器元器件：1. 光敏電阻：【演示實(shí)驗(yàn)】比較光敏電阻在不同光照條件下的電阻之不同使用示教歐姆表測(cè)量的光

4、敏電阻阻值，a) 測(cè)定無光照下，光敏電阻的阻值：讓學(xué)生使用手指遮住光敏電阻表面，測(cè)出此時(shí)阻值。（此時(shí)阻值應(yīng)該為最大值）b) 自然光照射下，光敏電阻的阻值：松開手指，用歐姆表測(cè)定此時(shí)阻值。c) 一定光照強(qiáng)度下，光敏電阻的阻值：調(diào)節(jié)發(fā)光的強(qiáng)度，發(fā)現(xiàn)隨著光照強(qiáng)度的增加，歐姆表指針不斷向電阻減小方向偏轉(zhuǎn)。光敏電阻能夠把光照強(qiáng)弱這個(gè)光學(xué)量轉(zhuǎn)換為電阻這個(gè)電學(xué)量。半導(dǎo)體導(dǎo)電機(jī)理：金屬載流子是自由電子，半導(dǎo)體載流子是空穴和自由電子。由于熱運(yùn)動(dòng)等原因極少數(shù)電子掙脫原子束縛，變成自由電子，并且原來的地方留下空位形成空穴。加熱和光照可以使更多的電子獲得能量掙脫原子的束縛變成自由電子。載流子一增多，那么物質(zhì)的導(dǎo)電能力

5、也就相應(yīng)提高。2. 熱敏電阻：金屬熱電阻：正向熱敏電阻。由于金屬的導(dǎo)電率隨溫度的升高而增大已經(jīng)在之前學(xué)習(xí)過，這里并不作為重點(diǎn)教學(xué)內(nèi)容，簡(jiǎn)單解釋電子由于溫度升高而熱運(yùn)動(dòng)加劇，增多了與晶格的碰撞導(dǎo)致電阻增大。熱敏電阻：負(fù)向熱敏電阻?！狙菔緦?shí)驗(yàn)】描繪負(fù)向熱敏電阻曲線使用熱水和溫度計(jì)測(cè)定溫度，約每10測(cè)定一下熱敏電阻阻值，并記錄在表格里，最后用平滑的曲線連接這些點(diǎn)，描繪出負(fù)向熱敏電阻曲線。（書上雖然已經(jīng)給出了特性曲線，但通過實(shí)驗(yàn)讓學(xué)生能夠留下深刻印象。）溫度：阻值：溫度：阻值：這里通過Excel畫出曲線。（在天氣寒冷時(shí)，實(shí)驗(yàn)可以不采用傳統(tǒng)的用酒精燈加熱升溫來測(cè)定數(shù)據(jù)，而采用降溫的方法，即用將熱水降溫到

6、冷水的過程來測(cè)定數(shù)據(jù)。）熱敏電阻或金屬熱電阻能夠把溫度這個(gè)熱學(xué)量轉(zhuǎn)換為電阻這個(gè)電學(xué)量。3. 霍爾元件：如圖，霍爾元件是在一個(gè)很小的矩形半導(dǎo)體（例如砷化銦）薄片上，制作4個(gè)電極E、F、M、N而成。若在E、F間通入恒定的電流I，同時(shí)外加與薄片垂直的勻強(qiáng)磁場(chǎng)B，薄片中的載流子就在洛倫茲力的作用下發(fā)生偏轉(zhuǎn)，使M、N間出現(xiàn)電壓UH。這個(gè)電壓叫霍爾電壓，其決定式為。式中d為薄片的厚度，k為霍爾系數(shù)，它的大小與薄片的材料有關(guān)。設(shè)載流子的電荷量為q，沿電流方向定向運(yùn)動(dòng)的平均速率為v，單位體積內(nèi)自由移動(dòng)的載流子數(shù)為n，垂直電流方向?qū)w板的橫向?qū)挾葹閍，則電流的微觀表達(dá)式為：載流子在磁場(chǎng)中受到的洛倫茲力： 載流子

7、在洛倫茲力作用下側(cè)移，兩個(gè)側(cè)面出現(xiàn)電勢(shì)差，載流子受到的電場(chǎng)力為：當(dāng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，洛倫茲力與電場(chǎng)力平衡，即： 由式得： 式中的nq與導(dǎo)體的材料有關(guān)，對(duì)于確定的導(dǎo)體，nq是常數(shù)。令，則上式可寫為霍爾元件能夠把磁感應(yīng)強(qiáng)度這個(gè)磁學(xué)量轉(zhuǎn)換為電壓這個(gè)電學(xué)量。四、應(yīng)用實(shí)例：1. 傳感器工作示例觀看模擬溫控裝置的實(shí)驗(yàn)視頻，認(rèn)真思考以下問題：1) 該裝置是將什么物理量轉(zhuǎn)換為電學(xué)量？2) 白燈和紅燈分別代表了什么意義？3) 該裝置是如何進(jìn)行電路的切換的？2. 課后習(xí)題：微小的位移影響了鐵芯的位置，注意到鐵芯在之前教學(xué)中所提到的作用是使磁感線盡量束縛在鐵芯內(nèi)部。通過該傳感器的字面名稱，可以看出該傳感器通過電感工作

8、，并且注意到在自感互感的教學(xué)中鐵芯對(duì)電感的巨大影響。因此可以得知，軟鐵芯的位移必將影響到線圈的自感系數(shù)，從而擁有將非電學(xué)量轉(zhuǎn)換為電學(xué)量的可能性。注意到這里所用的電感是只對(duì)交流電有用，故在設(shè)計(jì)線圈所連通路時(shí)均需要使用交流電。至于是將非電學(xué)量轉(zhuǎn)換為電壓還是電流信號(hào)，這個(gè)可以讓學(xué)生自行發(fā)揮來選擇?！窘虒W(xué)設(shè)計(jì)評(píng)析】：傳感器原理及其工作原理是高中物理3-2第六章第一節(jié)的內(nèi)容，雖然并不是高考的重點(diǎn)內(nèi)容，但該內(nèi)容對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造能力和應(yīng)用能力有著重大的影響。傳感器是物理應(yīng)用領(lǐng)域中比較前沿的領(lǐng)域，對(duì)于學(xué)生來說是比較陌生的部分，但也因此可以激發(fā)起學(xué)生的好奇心，在課堂上保持學(xué)習(xí)興趣。在學(xué)習(xí)過程中，學(xué)生會(huì)發(fā)現(xiàn)，之

9、前學(xué)習(xí)的電磁學(xué)知識(shí)可以有巧妙的應(yīng)用，可以使學(xué)生對(duì)物理的認(rèn)識(shí)并不只是停留在做題目上，而是認(rèn)識(shí)到物理是一門可以廣泛應(yīng)用的實(shí)踐學(xué)科，物理就在人們身邊。下面是筆者根據(jù)上述教學(xué)設(shè)計(jì)實(shí)際上過課后對(duì)該教學(xué)設(shè)計(jì)和教學(xué)效果進(jìn)行的簡(jiǎn)要分析：一、設(shè)計(jì)線索這節(jié)課由四個(gè)板塊構(gòu)成，創(chuàng)造情景，引入課題；觀察生活，建立概念；介紹元件，講解原理；實(shí)踐應(yīng)用，培養(yǎng)能力。首先，通過與學(xué)生一起觀察小鐵球水平拋出后，沿磁性板留下的痕跡引入課題，激發(fā)學(xué)生的求知欲；接著師生共同探討，采用運(yùn)動(dòng)的分解方法對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行分析和理論探究；然后，分組實(shí)驗(yàn)讓學(xué)生體驗(yàn)感知兩個(gè)分運(yùn)動(dòng)，描點(diǎn)劃線并進(jìn)行簡(jiǎn)單計(jì)算，與前面的理論推導(dǎo)相呼應(yīng)；之后，回到教科書中的頻閃

10、照片，播放視頻，進(jìn)一步體會(huì)更加精確的測(cè)量方法。最后，師生共同找到平拋物體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。二、設(shè)計(jì)特色明顯第一，實(shí)驗(yàn)探究：這節(jié)課在實(shí)驗(yàn)上的設(shè)計(jì)有多處突破，例如：開始的磁性材料留跡試驗(yàn)，演示效果明顯，使用的器材是兒童習(xí)字的磁性寫字板，實(shí)驗(yàn)材料來源于身邊，通過這樣的演示實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可以清晰地看到，小球運(yùn)動(dòng)的徑跡不是直線，而是一條曲線，激發(fā)了學(xué)生的求知欲，有助于學(xué)生的觀察思考能力的培養(yǎng)。又如，教師自制的學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)器材，設(shè)計(jì)巧妙、取材簡(jiǎn)單、易操作、便于測(cè)量，有助于學(xué)生對(duì)平拋物體兩個(gè)分運(yùn)動(dòng)的進(jìn)一步理解。同時(shí)在分組實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生之間的溝通與交流，是潛移默化的情感教育，學(xué)生在交流中逐漸學(xué)會(huì)如何與同伴溝通與交流，對(duì)學(xué)生動(dòng)手動(dòng)腦學(xué)物理的學(xué)習(xí)習(xí)慣養(yǎng)成也是一種滲透，更重要的是學(xué)生對(duì)科學(xué)探究的七要素加深了理解。第二，方法滲透：物理學(xué)教育的根本在于方法教育。等效方法是物理學(xué)研究的重要方法之一，對(duì)于平拋物體運(yùn)動(dòng)的情景，采用怎樣的方法進(jìn)行分析與研究，是這節(jié)課隱性教育的重要內(nèi)容，教師通過細(xì)致的設(shè)計(jì)，師生共同運(yùn)用前一節(jié)課剛剛學(xué)習(xí)的運(yùn)動(dòng)的合成和分解研究方法，潤(rùn)物細(xì)無聲的對(duì)平拋物體的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行研究分析，等效的思想，化復(fù)雜為簡(jiǎn)單的思想，點(diǎn)點(diǎn)雨露，滋潤(rùn)著學(xué)生的心田。同時(shí)也營(yíng)造了寬松民主的課堂氛圍。真正體現(xiàn)了以學(xué)生為主體的新課改