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1、传感器及其工作原理【教学设计说明】 本章的教学特点是定性研究一些原理，不做定量的计算。本节教学的关键是多举 些例子和多做些实验，不要求展开。首先，通过观察一些现象和常见的事例，了解什 么是传感器， 知道传感器是如何将非电学量转换成电学量的， 初步形成传感器的概念。 然后，介绍三种制作传感器所使用的敏感元件，运用以前学习的物理知识了解它们的 工作原理。为传感器的应用打下基础。教学目标（1）通过观察一些现象和常见的事例，初步形成传感器的概念，感受传感技术在信息 时代的作用与意义。（2）介绍三种敏感元件：光敏电阻、热敏电阻和霍尔元件，通过实验知道它们的性能， 了解它们的工作原理，感悟基础知识学习和应
2、用的重要性。（3）通过比较金属热电阻和热敏电阻的R-T 图线，讨论两种材料制成的温度传感器在使用功能上各有什么优缺点，渗透传感器的应用上也遵循具体问题具体分析的哲学 思想。（4）知道非电学量转换成电学量的技术意义，进一步拓展学生的思维，进一步探讨科 技发展给人类带来的利弊。教学重点（1）知道非电学量转换成电学量的技术意义；（2）通过实验，知道常见传感器的工作原理； 教学难点传感器的工作原理，传感器的实际应用。【教学过程】（一） 体验生活和技术的方法引入课题背景： 课前让学生收集家庭中所能找到的传感器，初步了解它们的特点。如可以收集 电饭煲、电熨斗、冰箱、各种遥控器、手机等的说明书，阅读说明并对
3、它们的使用及原理有 一个初步的认识。提出问题： 今天我们生活中有哪些设备使用了传感器？楼梯上的电灯如何能人来就开，人走就熄的？ 工业生产中所用的自动报警器、恒温烘箱是如何工作的？“非典”病毒肆虐华夏大地时，机场、车站、港口又是如何实现快速而准确的体温检测的？展示技术资料： 飞机驾驶员在飞行时要知道“飞行状态”的有关信息，包括飞行参数：迎仰角、侧滑角、空速、高度、气温、航向、角速度、加速度等；发动机参数：温度、压力、 压差、流量、湍振、角位置、角位移、线位移、发动机转速、推力、金属屑末、火焰等；燃烧参数：温度、压力、油位、油量、密度、介电常数、流量、结冰状态、烟雾等。航天飞机在执行飞行任务时，约
4、需监测3250个信号；试飞研究时约需监测 2750个缓变信号，几百个速变信号。这说明现代飞行器上需要监测的参数多而且广。其大致分为7大类：飞行参数；导航参数；运载火箭和飞机的发动机参数；座舱环境参数；航行员生理参 数；航行员生活用品供应系统参数等；飞行器结构参数。对这些参数，必须要通过相应的传感器进行测量；也可以收集火星探测器的视频，增强学生感性的认识。通过学生事先的准备， 可以让他们有一个初步的体会，了解通过传感器可以实现对被测对象（被测目标）的测量， 在此基础上进行分析、反馈（监控）、处理，从而掌握被测对象的运行状态与趋势。提出问题：驾驶员是如何来获得上述各种参数的信息呢？航天飞机、人造卫
5、星或火星探测器等在执行任务时需要监测许多信号，这些信号是如何获得呢？展示技术资料：要获取这些信息都需要用到传感器。（二）新课教学（1）什么是传感器感知敏感元件和传感器实验1 :如图6-1所示，小盒子的侧面露出一个小灯泡，盒外没有开关，当把磁铁放到 盒子上面，灯泡就会发光，把磁铁移开，灯泡熄灭。图6-2问题：盒子里有怎样的装置，才能实现这样的控制？猜测：盒子里有弹性铁质开关。探究：打开盒子，用实物投影仪展示盒内的电路图（图6-2），了解 “干簧管”元件的结构。当磁体靠近干簧管时，两个由软磁性材料制成的簧片因磁化而相互吸引，电路导通，干簧管起到了开关的作用。拓展：这个装置反过来还可以让我们通过灯泡
6、的发光情况，感知干簧管周围是否存在着磁场。实验2:教师出示一只音乐茶杯，茶杯平放桌上时，无声无息，提起茶杯，茶杯边播放 悦耳的音乐，边闪烁着五彩的光芒。问题:音乐茶杯的工作开关在哪里？开启的条件是什么？猜测:在茶杯底部，所受压力发生改变，或者是由于光照强度的改变。探究:提起茶杯，用手压杯的底部，音乐并没有停止。用书挡住底部（不与底部接触），音乐停止。可见音乐茶杯受光照强度的控制。总结：现代技术中，我们可以利用一些元件设计电路，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。我们把这种设备元件叫做传感器。它的优点是：把非电
7、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。问题：实验1中的“干簧管”是怎样的敏感元件？实验2中的音乐茶杯所用的元件又是怎 样的敏感元件？（干簧管是一个能感受磁场的敏感元件， 音乐茶杯中所用的元件是能感受光 照强度的敏感元件。）从生活中认识敏感元件，体验传感器的结构模式背景：传感器离我们并不遥远，随着自动控制系统的普及，传感器已经走进了我们的生活。以家用光声控延时开关为例，如图6-3所示，楼道里的自控照明路灯有哪些自动控制功能？出示光声控延 时电灯演示板图6-3（自己制作光声控延时电灯演示板，一般灯座的延时时间60s左右,由于上课是在短时 间内演示,应将延时时间缩短到5
8、10 s。缩短延时时间的方法：可以在R2上并联一个200K 左右的电阻，估计灯亮的时间 5-6s。但是要看具体电路情况，如果电容 Ci较大，R2就会更 小些，并联的电阻，应为 R2的十分之一可能合适。如电路图 6-4所示）1C, MCMon 阿6-4光声控延时开关电路图演示：光声控延时开关电路的功能 在光照情况下，声音不能控制电灯点亮。 关闭教室内的光源或其它方法降低光照，声音能打开”电灯，并延时几秒后熄灭。 用物体遮挡光眼处，在光照情况下声音能控制电灯。猜想：通过上述现象，你能猜出光声控延时开关里有什么功能性元件吗？体验：验证你的猜想，学生活动：观察光声控延时开关的内部结构。在不带电情况下,
9、放手让学生自己拆装光声控延时电灯灯座，自己寻找到话筒、光敏元件 及转换电路声控转换器控被1制开/关控附开电关器话筒洸敏 电阻图6-5展示：光声控延时开关的内部结构如图6-5所示，对照主要元件介绍原理图。认识:传感器的结构一一敏感元件+电子转换电路执行器敏感元件片转换电路显示器传感器计算机控制中心图6-7从这些简单的例子中，概括出传感器的一般概念。（2）认识一些制作传感器的元器件1、光敏电阻的教学当有光线照射到某些半导体时，这些半导体就像导体一样，导电能力很强；当没有光线照射时，这些半导体就像绝缘体一样导电性能很弱，人们根据光照会使半导体的导电性能发生显著变化这一特性，用半导体材料制成了各种电子
10、元件。把跟光线照射有关的半导体材料制成的电子元件 （电阻）称为光敏电阻。探究光敏元件的性能演示实验装置：将两节5号干电池（串联）及音乐集成块固定在小塑料盒内，由盒内引 出两根导线，连接到光敏电阻上（光敏电阻装在一个黑色小圆柱管中）操作方法：打开电源开关，再将装光敏电阻的黑色圆柱管一端打开，可以听到音乐集成块发出音乐声，但因光敏电阻藏在管的内部，只受到微弱光照，故音乐声较小，并且有些“走调”同时二极管发出的也是淡淡的色光；把光敏电阻从黑管中拿出来，音乐声变大，二极管发出了较亮的色光。 用手电筒光照射光敏电阻，音乐声更大，二极管发出的色光更亮。简要评价：让学生以实验操作的方式进行教学，学生体验深刻
11、，能很好地激起学生的探究欲望。定性研究光敏电阻的导电特性 组织学生讨论实验方案方案A：如课本图6.1-5所示用欧姆表测定；方案B:用直流电路、小灯泡的亮度显示。 学生活动将光敏电阻感光面迎光、背光、放抽屉里读欧姆表示数或观察小灯泡亮度。光敏电阻无极性之分，暗电阻1M Q、亮电阻W 1K Q,所以多用表应选用“X 100 ”或“X 1K ”档。 交流评价学生交流实验结果，分享实验中对光敏电阻特性认识的体验。2、热敏电阻和热电阻的教学热敏电阻是人们根据温度变化会使半导体的导电性能发生显著变化这一特性，用半导体材料制成各种电子元件 （电阻）。图6-7探究热敏电阻、金属电阻随温度变化的关系实验装置：如
12、图6-7 所示操作要求：注意欧姆表倍率的选择，建议热敏电阻选“XK”金属热电阻选“X10”（学生观察并记录不同温度下的两个欧姆表的读数，并记录在表格中。实验时将两个多用电表放在实物投影仪上，学生看屏幕上多用电表指针所指的刻度，同时请三位同学到讲台前，让一个同学观察温度计的示数，让另外两个同学各读一个表的读数，并且与全班同学统一好各温度下的表的读数。数据记录：温度热敏电阻金属热电阻数据处理：请一位同学将实验数据输入到Excel的表格中，并插入图表，显示出R-T图象。用Excel处理表格中的数据，绘出两种传感器的电阻随温度的变化的电阻一温度特性图线。图象分析：组织学生相互讨论两种传感器的电阻随温度
13、的变化关系图线给我们的信息，并能用简洁的语言表达出来： 当温度升高时，这两种电阻将发生怎样的变化？ 如果变化相同的温度，你会发现这两种电阻哪个将明显地变化？ 讨论两种材料制成的温度传感器在使用功能上各有什么优缺点？3、霍尔元件的教学建议霍尔元件是利用霍尔效应制成的新型磁敏元件。霍尔传感器是由霍尔元件、放大 器、温度补偿电路及稳压电路构成的。X XX X图6-8霍尔元件对磁场敏感的原理背景知识：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（如图6-8 所示）。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
14、发生偏转，使M、N间出现电压U。理论探究：霍尔元件上的电压 U与电流I、磁感应强度B的关系。设霍尔元件长为a,宽为b，厚为d，则当薄片中载流子达到稳定状态时，= -LJq即:又因 -1 -所以；U=k即门（为霍尔系数）。因此，在EF方向电流一定的条件下， MN间的电压跟磁感应强度成正比。 我们就可 以根据电压U的变化得知磁感应强度 B的变化。结论：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。（3）传感器的小结传感器是指一些能把光、力、温度、磁感应强度等非电学量转化为电学量或转换为电 路的通断的元器件，它在生活、生产和科技领域有着非常广泛的应用。（三）教学反思本节课的内容依据学生的认
15、知规律组织教学，以体验生活和技术的方法引入新课，设置悬念，提出问题，激发学生兴趣，增强学生的求知欲；在进行传感器的概念的教学中注重实 验探究，让学生感知敏感元件， 从日常生活的例子认识敏感元件，引导学生归纳传感器的概念，让学生了解把非电学量转化为电学量的技术意义；在对光敏电阻、热敏电阻和热电阻、 霍尔元件这些制作传感器的元器件教学中，注重将教师演示实验与学生动手实验相结合，注重理论与实践相结合。讲述热敏电阻和热电阻的应用上渗透传感器的应用上遵循具体问题具 体分析的哲学思想。 整个教学过程符合新课程的三维目标，体现新课程的理念，注意培养学生的自主、合作、探究能力，注意从生活走向物理，从物理走向生活，以此增进学生的学习 能力和科学素养。苏州十中张惠钰
