高中物理人教版 (新課標(biāo))選修31 傳感器及其工作原理教學(xué)設(shè)計(jì)-教案下載-教習(xí)網(wǎng)

6．1 傳感器及其工作原理

教學(xué)目標(biāo)

（一）知識(shí)與技能

1．知道什么是傳感器。

2．了解光敏電阻、熱敏電阻、霍爾元件的工作原理。

3．會(huì)使用霍爾電壓公式。

（二）過(guò)程與方法

通過(guò)實(shí)驗(yàn)，知道常見(jiàn)傳感器的工作原理。

（三）情感、態(tài)度與價(jià)值觀

通過(guò)已有知識(shí)在傳感器中的應(yīng)用激發(fā)科學(xué)探究的興趣。

教學(xué)重點(diǎn)、難點(diǎn)

重點(diǎn)

認(rèn)識(shí)各種常見(jiàn)的傳感器；了解光敏電阻、熱敏電阻、霍爾元件的工作原理。

難點(diǎn)

光敏電阻、熱敏電阻、霍爾元件的工作原理。

教學(xué)方法

實(shí)驗(yàn)法、觀察法、歸納法。

教學(xué)手段

磁鐵、干簧管、各種常見(jiàn)傳感器、光敏電阻、熱敏電阻、霍爾元件、多用電表、熱水、冷水、臺(tái)燈、投影儀等

教學(xué)過(guò)程

（一）引入新課

引導(dǎo)學(xué)生看教材55頁(yè)“勇氣號(hào)”火星探測(cè)器的彩色照片；列舉生活中的一些自動(dòng)控制實(shí)例，如遙控器控制電視開(kāi)關(guān)、日光控制路燈的開(kāi)關(guān)、聲音強(qiáng)弱控制走廊照明燈開(kāi)關(guān)等，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，引出課題。

列舉自己知道的自動(dòng)控制的其他實(shí)例。如當(dāng)走近自動(dòng)門(mén)時(shí)，門(mén)會(huì)自動(dòng)打開(kāi)；電梯關(guān)門(mén)，當(dāng)兩門(mén)靠攏到接觸人體時(shí)，門(mén)又會(huì)重新自動(dòng)打開(kāi)等等。

（二）進(jìn)行新課

1、什么是傳感器

演示實(shí)驗(yàn)：

揭示實(shí)驗(yàn)“奧秘”：盒子里用到了一種稱為“干簧管”的元件。

介紹干簧管的構(gòu)造和工作原理，干簧管是一種能夠感知磁場(chǎng)的傳感器。

引導(dǎo)學(xué)生閱讀教材2、3段，思考問(wèn)題：

（1）什么是傳感器？

（2）傳感器的作用是什么？

（1）傳感器是指這樣一類元件：它能夠感知諸如力、溫度、光、聲、化學(xué)成分等非電學(xué)量，并把它們按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)化成電壓、電流等電學(xué)量，或轉(zhuǎn)化為電路的通斷。

（2）傳感器的作用是把非電學(xué)量轉(zhuǎn)化為電學(xué)量或電路的通斷，從而實(shí)現(xiàn)很方便地測(cè)量、傳輸、處理和控制。

出示幾種常見(jiàn)的傳感器，增加學(xué)生的感性認(rèn)識(shí)。

為了制作傳感器，常常需要一些元器件，下面看幾個(gè)實(shí)例：

2．光敏電阻

介紹光敏電阻的外形和構(gòu)造。如圖6.1-4。

現(xiàn)象：光敏電阻在被光照射時(shí)電阻發(fā)生明顯變化。普通電阻則不會(huì)發(fā)生變化。

引導(dǎo)學(xué)生閱讀教材57頁(yè)的內(nèi)容，思考問(wèn)題：

（1）光敏電阻的電阻率與什么有關(guān)？

（2）光敏電阻受到光照時(shí)會(huì)發(fā)生什么變化？怎樣解釋？

（3）光敏電阻能夠?qū)⑹裁戳哭D(zhuǎn)化為什么量？

（1）光敏電阻的電阻率與光照強(qiáng)度有關(guān)。

（2）光敏電阻受到光照時(shí)電阻會(huì)變小。硫化鎘是一種半導(dǎo)體材料，無(wú)光照時(shí)，載流子極少，導(dǎo)電性能不好；隨著光照增強(qiáng)，載流子增多，導(dǎo)電性能變好。

（3）光敏電阻能夠?qū)⒐鈱W(xué)量轉(zhuǎn)化為電阻這個(gè)電學(xué)量。

3．熱敏電阻和金屬熱電阻

引導(dǎo)學(xué)生閱讀教材58頁(yè)有關(guān)內(nèi)容，思考問(wèn)題：

（1）金屬導(dǎo)體與半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電性能與溫度的變化關(guān)系是否相同？

（2）熱敏電阻和金屬熱電阻各有哪些優(yōu)缺點(diǎn)？

（3）熱敏電阻和金屬熱電阻能夠?qū)⑹裁戳哭D(zhuǎn)化為什么量？

（1）金屬導(dǎo)體與半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電性能與溫度的變化關(guān)系不相同。金屬導(dǎo)體的導(dǎo)電性能隨溫度升高而降低；半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電性能隨溫度升高而變好。

（2）熱敏電阻靈敏度高，但化學(xué)穩(wěn)定性較差，測(cè)量范圍較小；金屬熱電阻的化學(xué)穩(wěn)定性較好，測(cè)量范圍較大，但靈敏度交差。

（3）熱敏電阻或金屬熱電阻能夠?qū)釋W(xué)量轉(zhuǎn)化為電阻這個(gè)電學(xué)量。

現(xiàn)象：熱敏電阻隨著溫度的升高電阻發(fā)生明顯變化。溫度越高，電阻值越小。

引導(dǎo)學(xué)生看教材59頁(yè)“說(shuō)一說(shuō)”欄目中的內(nèi)容。

給電容器帶上一定的電荷，然后用靜電計(jì)來(lái)檢測(cè)兩板間電勢(shì)差的變化，即可判斷電容的變化。

電容式傳感器能夠把位移這個(gè)力學(xué)量轉(zhuǎn)化為電容這個(gè)電學(xué)量。

4．霍爾元件

引導(dǎo)學(xué)生閱讀教材關(guān)于霍爾元件的內(nèi)容。推導(dǎo)霍爾電壓的公式。

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

① 載流子在磁場(chǎng)中受到的洛倫茲力

載流子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 ②

由①②式得 ③

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(xiě)為 ④

一個(gè)確定的霍爾元件的d、k、為定值，再保持I不變，則UH的變化就與B成正比。這樣，霍爾元件能夠把磁感應(yīng)強(qiáng)度這個(gè)磁學(xué)量轉(zhuǎn)化為電壓這個(gè)電學(xué)量。

（三）課堂總結(jié)、點(diǎn)評(píng)

本節(jié)課主要學(xué)習(xí)了以下幾個(gè)問(wèn)題：

1．制作傳感器需要的敏感元件光敏電阻、熱敏電阻與金屬熱電阻、霍爾元件等。

2．光敏電阻的阻值隨光的強(qiáng)度增大而減小。光敏電阻將光學(xué)量轉(zhuǎn)化為電阻這個(gè)電學(xué)量。

3．熱敏電阻的阻值隨溫度的升高不一定減小。有的熱敏電阻阻值會(huì)隨溫度的升高而增大。熱敏電阻或金屬熱電阻將溫度這個(gè)熱學(xué)量轉(zhuǎn)化為電阻這個(gè)電學(xué)量。

4．霍爾元件的霍爾電壓公式為，霍爾元件把磁感應(yīng)強(qiáng)度這個(gè)磁學(xué)量轉(zhuǎn)化為電壓這個(gè)電學(xué)量。

5．電容式傳感器能夠把位移這個(gè)力學(xué)量轉(zhuǎn)化為電容這個(gè)電學(xué)量。

（四）實(shí)例探究

光敏電阻及其應(yīng)用

【例1】如圖所示為光敏電阻自動(dòng)計(jì)數(shù)器的示意圖，其中R1為光敏電阻，R2為定值電阻．此光電計(jì)數(shù)器的基本工作原理是（）

A．當(dāng)有光照射 R1時(shí)，信號(hào)處理系統(tǒng)獲得高電壓

B．當(dāng)有光照射R1時(shí)，信號(hào)處理系統(tǒng)獲得低電壓

C．信號(hào)處理系統(tǒng)每獲得一次低電壓就記數(shù)一次

D．信號(hào)處理系統(tǒng)每獲得一次高電壓就記數(shù)一次

熱敏電阻及其應(yīng)用

【例2】有定值電阻、熱敏電阻、光敏電阻三只元件，將這三只元件分別接入如圖所示電路中的A、B兩點(diǎn)后，用黑紙包住元件或者把元件置入熱水中，觀察歐姆表的示數(shù)，下列說(shuō)法中正確的是（）

A．置入熱水中與不置入熱水中相比，歐姆表示數(shù)變化較大，這只元件一定是熱敏電阻

B．置入熱水中與不置入熱水中相比，歐姆表示數(shù)不變化，這只元件一定是定值電阻

C．用黑紙包住元件與不用黑紙包住元件相比，歐姆表示數(shù)變化較大，這只元件一定是光敏電阻

D．用黑紙包住元件與不用黑紙包住元件相比，歐姆表示數(shù)相同，這只元件一定是定值電阻

霍爾元件及其應(yīng)用

【例3】如圖所示，有電流I流過(guò)長(zhǎng)方體金屬塊，金屬塊寬度為d，高為b，有一磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場(chǎng)垂直于紙面向里，金屬塊單位體積內(nèi)的自由電子數(shù)為n，試問(wèn)金屬塊上、下表面哪面電勢(shì)高？電勢(shì)差是多少？（此題描述的是著名的霍爾效應(yīng)現(xiàn)象）

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