高中物理选修3-2第六章传感器全章教案

教学课题：传感器及其工作原理

一．教学目标

【知识和技能】

1、了解什么是传感器，知道非电学量转化为电学量的技术意义；

2、知道传感器中常见的三种敏感元件光敏电阻、热敏电阻和霍尔元件及其它们的工作原理。

3、了解传感器的应用。

【过程和方法】

通过对实验的观察、思考和探究，让学生在了解传感器、熟悉传感器工作原理的同时，经历科学探究过程，学习科学研究方法，培养学生的观察能力、实践能力和创新思维能力。

【情感、态度、价值观】

1、体会传感器在生活、生产、科技领域的种种益处，激发学生的学习兴趣，拓展学生的知识视野，并加强物理与STS的联系。

2、通过动手实验，培养学生实事求是的科学态度、团队合作精神和创新意识。

【教学重点】：理解并掌握传感器的三种常见敏感元件的工作原理。

二．教学重点、难点

重点：理解并掌握传感器的三种常见敏感元件的工作原理。

难点：分析并设计传感器的应用电路。

三．教学仪器

干簧管，磁铁，光敏电阻、热敏电阻演示仪、传感器简单应用实验盒、万用表。

四．教学方法

实验、探究、讨论

五．教学过程

引入

一、引入新课

从上世纪八十年代起，国际上出现了“传感器热”，传感器在当今科技发展中有着十分重要的地位。本课的设计思路是通过对实验的观察、思考和探究，了解什么是传感器，传感器是如何将非电学量转换成电学量的，传感器在生产、生活中有哪些具体应用，为学生利用传感器制作简单的自控装置作一铺垫。教学时力避深奥的理论，侧重于联系实际，让学生感受传感器的巨大作用，进而提高学生的学习兴趣，培养学生热爱科学的情感和崇尚科学的精神。

今天我们生活中常用的电视、空调的遥控器是如何实现远距离操纵的？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？所有这些，都离不开一个核心，那就是本堂课将要学习的传感器。

新课

1．什么是传感器

演示实验1：如图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。

提问：盒子里有怎样的装置，才能实现这样的控制？

学生猜测：盒子里有弹性铁质开关。

师生探究：打开盒子，用实物投影仪展示盒内的电路图（图2），了解元件“干簧管”的结构。探明原因：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。

教师点拨：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：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。

教师提问：音乐茶杯的工作开关又在哪里？开启的条件是什么？

学生猜测：在茶杯底部，所受压力发生改变。

实验探究：提起茶杯，用手压杯的底部，音乐并没有停止。

学生猜测：是由于光照强度的改变。

实验探究：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。

师生总结：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。 教师提问：实验1中的干簧管是怎样的传感器，实验2音乐茶杯中所用的元件又是怎样的传感器？ 学生回答：干簧管是一个能感受磁场的传感器，音乐茶杯中所用的元件是能感受光照强度的传感器。 传感器的工作原理如下图所示：

（1）探究光敏电阻的特性

学生实验1：学生五人一组，用万用电表的欧姆挡测量一只光敏电阻的阻值，实验分别在暗环境和强

光照射下进行。 ①、将光敏电阻与万用表的欧姆档按右图所示连成电路 ②、将光敏电阻受光面置于有光线照射的地方，观④、结论：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。

简单介绍：光敏电阻在光照射下电阻变化的原因。有些物质，例如硫化镉，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。

（2）探究金属热电阻和热敏电阻的特性 提问：金属导体的导电性能与温度有关吗？关系如何？ 回答：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。

演示实验4：如图6所示，AB 间接有一段钨丝（从旧日光灯管中取出），闭合开关，灯泡正常发光，当用打火机给钨丝加热时，灯泡亮度明显变暗。

学生探究：钨丝的电阻随温度的升高而增大。 师生总结：用金属丝可以制作温度传感器，称为热电阻。如前面已经学过的用金属铂可制作精密的电阻温度计。

学生实验2：学生五人一组，探究热敏电阻的阻值大小与温度的关系。

实验器材：NTC 表，温度计，水杯，凉水和热水。 实验方案：按照如图所示的电路将热敏电阻接入电路，

将万用表选择开关置于欧

姆档，用温度计测量温度，

用万用表测量不同温度下的电阻。 实验步骤：

①、按上述电路连接电路 且阻值随温度变化非常明显。

师生总结：半导体热敏电阻也可以用作温度传感器。

师生总结比较：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。 （3）霍尔元件

教师介绍：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7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发生偏转，使M 、N 间出现电压U 。

师生讨论：霍尔元件的上的电压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，

，即

，又因

，所

欧姆表

以，即（为霍尔系数）。因此，

我们就可以根据电压U的变化得知磁感应强度的变化。

师生共析：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。

【课堂总结】

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。日本把传感器技术列为上世纪八十年代十大技术之首，美国把传感器技术列为九十年代的关键技术，而我国有关传感器的研究和应用正方兴未艾……

练习

课后习题

小结

大视野

作业

大视野

六．教学反思：

教学课题：传感器的应用（一）

一．教学目标

【知识和技能】

1．了解力传感器在电子秤上的应用。

2．了解声传感器在话筒上的应用。

3．了解温度传感器在电熨斗上的应用。

【过程和方法】

通过实验或演示实验，了解传感器在生产、生活中的应用。

【情感、态度、价值观】

在了解传感器原理及应用时，知道已学知识在生活、生产、科技社会中的价值，增强学习兴趣，培养良好的科学态度。

二．教学重点、难点

重点：各种传感器的应用原理及结构。

难点：各种传感器的应用原理及结构。

三．教学仪器

驻极体话筒的工作电路示教板，示波器，学生电源，电熨斗，日光灯起动器

四．教学方法

实验法、观察法、讨论法五．教学过程

引入

复习提问：上节课我们学习了传感器及其工作原理。传感器是能够感知诸如力、温度、光、声、化学成分等非电学量，并把它们按照一定的规律转化成电压、电流等电学量，或转化为电路通断的一类元件。请大家回忆一下光敏电阻、热敏电阻、霍尔元件各是把什么物理量转化为电学量的元件？

学生：光敏电阻将光学量转化为电阻这个电学量。热敏电阻将温度这个热学量转化为电阻这个电学量。霍尔元件把磁感应强度这个磁学量转化为电压这个电学量。

新课

1、传感器应用的一般模式

师：阅读教材开头几段，然后合上书，在练习本上画出传感器应用的一般模式示意图。

生：阅读教材并在练习本上画出传感器应用的一般模式示意图。

师：下面学习几个传感器应用的实例。

2．力传感器的应用——电子秤

师：阅读教材61页最后一段，思考并回答问题。（1）电子秤使用的测力装置是什么？它是由什么元件组成的？

（2）简述力传感器的工作原理。

（3）应变片能够把什么力学量转化为什么电学量？

生：阅读教材，思考并回答问题。

师：总结点评，结合板画强调讲解应变片测力原理（如图所示）。

应变片能够把

物体形变这个

力学量转化为

电压这个电学量。

3．声传感器的应用——话筒

师：阅读教材62页有关内容，思考并回答问题。（1）话筒的作用是什么？

（2）说明动圈式话筒的工作原理和工作过程。

（3）说明电容式话筒的工作原理和工作过程。这种话筒的优点是什么？

（4）驻极体话筒的工作原理是什么？有何优点？生：阅读教材，思考并回答问题。

生1：话筒的作用是把声音信号转化为电信号。

生2：动圈式话筒的工作原理是电磁感应现象。膜片接收到声波后引起振动，连接在膜片上的线圈随着一起振动，线圈在永磁体的磁场里振动从而产生感应电流（电信号），感应电流的大小和方向都变化，振幅和频率的变化都由声波决定，这个信号电流经扩音器放大后传给扬声器，从扬声器中就发出放大的声音。

生3：电容式话筒的工作原理：利用电容器充放电形成的充放电电流。薄金属膜M和固定电极N形成一个电容器，被直流电源充电．当声波使膜片振动时，电容发生变化，电路中形成变化的电流，于是电阻R两端就输出了与声音变化规律相同的电压．优点：保真度好。

生4：驻极体话筒的原理同电容式话筒，只是其内部感受声波的是驻极体塑料薄膜．优点：体积小，重量轻，价格便宜，灵敏度高，工作电压低。师：指出：驻极体话筒利用了电介质的极化现象：将电介质放入电场中，在前后两个表面上会分别出现正电荷与负电荷的现象．某些电介质在电场中被极化后，去掉外加电场，仍然会长期保持被极化的状态，这种材料称为驻极体．

师：演示实验（见教材）：

生：观察实验现象。

现象：不同的声波信号，荧光屏上显示的波形不同。说明话筒产生的电信号是由接收到的声波控制的。3．温度传感器的应用——电熨斗

师：温度传感器是应用最广泛的传感器之一，它能把温度的高低转变成电信号，通常是利用物体的某一物理性质随温度的变化而改变的特性制成的．电熨斗就是靠温度传感器来控制温度的。

实验：（见教材）

生：做实验，观察实验现象。

师：电熨斗就装有双金属片温度传感器。这种传感器的作用是控制电路的通断。

投影：电熨斗结构图（如图所示）

思考与讨论：

（1）常温下，上、下触点应是接触的还是分离的？当温度过高时，双金属片将怎样起作用？

（2）熨烫棉麻衣物和熨烫丝绸衣物需要设定不同的温度，这是如何使用调温旋钮来实现的？参考答案：（1）常温下，上、下触点应是接触的，但温度过高时，由于双金属片受热膨胀系数不同，上部金属膨胀大，下部金属膨胀小，则双金属片向下弯曲，使触点分离，从而切断电源，停止加热．温度降低后，双金属片恢复原状，重新接通电路加热，这样循环进行，起到自动控制温度的作用．

（2）熨烫棉麻衣物和熨烫丝绸衣物需要设定不同的温度，此时可通过调温旋钮调节升降螺丝，升降螺丝带动弹性钢片升降，从而改变触点接触的难易，达到控制在不同温度的目的．

练习

课后习题

小结

作业

大视野

六．教学反思：

教学课题：传感器的应用（二）

一．教学目标

【知识和技能】

1、理解温度传感器的应用―电饭锅的工作原理。

2、理解温度传感器的应用―测温仪的工作原理。

3、理解光电传感器的应用―鼠标器的工作原理

4、理解光电传感器的应用―火灾报警器的工作原理。

【过程和方法】

1、通过对电饭锅的构造和原理的探究以及测温仪的了解，进一步地深入认识温度传感器的应用

2、通过对鼠标器以及火灾报警器的原理的探究，认识光传感器的应用。

【情感、态度、价值观】

培养学生的学习兴趣，激发创造的欲望。

二．教学重点、难点

重点：温度、光传感器的应用原理及结构。

难点：温度、光传感器的应用原理

三．教学仪器

电饭锅，鼠标器，烟雾式火灾报警器

四．教学方法

PPT课件，演示实验，讲授

接线螺丝

五．教学过程 引入

上节课我们学习了力传感器、温度传感器、声音传感器及其工作原理。请大家回忆一下我们学了哪些具体的力、温度、声音传感器？

学生思考后回答：电子秤，动圈式话筒，电容式话筒，驻极体话筒，电熨斗，他们都是传感器。 新课

1、温度传感器——电饭锅

电饭锅的主要部件铁氧体，它的特点是常温下，具有铁氧体，能够被磁铁

吸引，但是温度上升到约为103℃时，就失去了磁性，不能被磁体吸引了。我们把103℃就叫做该材料的居里温度或居里点。 师：阅读教材开头几段，然后合上书。 问题：取一块电饭锅用的感温铁氧体，使它与一小块的永磁体吸在一起，用功率较大的电烙铁给铁氧体加热，经过一段时间后会发生什么现象？ 生：随着温度的升高，铁氧体逐渐失去磁性，当温度升高到103℃以上时，铁氧体完全失去磁性，不吸引任何物体了 思考与讨论： （1）开始煮饭时为什么要压下开关按钮？手松开后这个按钮是否会恢复到图示的状态？为什么？ （2）煮饭时水沸腾后锅内是否会大致保持一定的温度？为什么？ （3）饭熟后，水分被大米吸收，锅底的温度会有什么变化？这时电饭锅会自动地发生哪些动作？ （4）如果用电饭锅烧水，能否在水沸腾后自动断电？ 生1：开始煮饭时，用手压下开关按钮，永磁体与感温磁体相吸，手松开后，按钮不再恢复到图示状态。

生2：水沸腾后，锅内大致保持100℃不变。

生3：饭熟后，水分被大米吸收，锅底温度升高，当温度升至“居里点103℃”时，感温磁体失去铁磁性，在弹簧作用下，永磁体被弹开，触点分离，切断电源，从而停止加热．

生4：如果用电饭锅烧水，水沸腾后，锅内保持100℃不变，温度低于“居里点103℃”，电饭锅不能自动断电。只有水烧干后，温度升高到103℃才能自动断电。

2．温度传感器的应用——测温仪

应用温度传感器可以把温度转换成电信号，由指针式仪表或数字式仪表显示出来，由于电信号可以由测温地点传输到其他地点，所以应用温度传感器可以远距离读取温度的数值，这是吧非电学量转变成

电学量的一大优点。

几种常见的测温仪，测温元件可以是热敏电阻、金属热电阻、热电偶等，还有红外线敏感元件。

师：阅读上述教材，思考并回答问题。 （1）温度传感器测温仪有何优点？ （2）常见的测温元件有哪些？ (3) 测温仪是如何工作的

(4) 什么是热电偶？

生1：可以远距离读取温度的数值．因为温度信号变成电信号后可以远距离传输．

生2：热敏电阻、金属热电阻、热电偶及红外

线敏感元件等． 生3： 生4：所谓的热电偶就是将两种不同材料的导体或半导体A 和B 焊接起来，构成一个闭合回路，当导体A 和B 的两个焊接点1和2之间存在温差时，两者之间便产生电动势,因而在回路中形成一定大小的电流,这种现象称为热电效应。热电偶就是利用这

一效应来工作的。

3．光传感器的应用——鼠标器 师：阅读教材60-61页有关内容，思考并回答问题。

（1）鼠标器的主要组成？ 2 1

（2）鼠标器中光传感器的主要部件是什么？。

（3）鼠标器的工作原

理？

生：阅读教材，思考并回答问题。

生1：鼠标器的内部结构包括：滚轴x，滚轴y，滚球，码盘，电路板。

生2：鼠标器的光传感器主要由红外发射管、红外接收管、滚轴、滚轮组成。

生3：工作原理：当鼠标在左面上滚动时，滚球的运动通过滚轴带动两个码盘转动，红外接收管就收到断续的红外线脉冲，输出相应的电脉冲信号。计算机分别统计X、y两个方向的脉冲信号，处理后就使屏幕上的光标产生相应的位移。

4．光传感器的应用——火灾报警器

师：许多会议室、宾馆房间的天花板上都装有火灾报警器，火灾报警器是光传感器应用的又一实例。

师：引导学生阅读教材有关内容，思考并回答有关问题。

师：以利用烟雾对光的散射来工作的火灾报警器为例，简述其工作原理。

生：报警器带孔的罩子内装有发光二极管LED、光电三极管和不透明的挡板．平时，光电三极管收不到LED发出的光，呈现高电阻状态．烟雾进入罩内后对光有散射作用，使部分光线照射到光电三极管上，其电阻变小．与传感器连接的电路检测出这种变化，就会发出警报．

师：实验：把光敏电阻、多用表的直流电流档和干电池按照图甲连成电路，对光照的强度进行比较性测量。光敏电阻受到的光照越强，电路中的电流越大。

白天，将它放在教室中适合阅读的地方，记下电流表的读数，晚上，用它来测灯光对书桌的照明。比较两者的差别。

还可以按照图乙，把光敏电阻R 的引脚穿过硬泡沫塑料板Z 而固定，再罩上内壁涂黑、长度足够的遮光简T ，避免杂散光的干扰然后分别把不同的光源L （如蜡烛、几种不同功率的白炽灯泡、日光灯管等）都放在与光敏电阻相同距离（例如1m ）的位置，比较它们的亮度。

这个实验也可以用硅光电池来做。由于光电池在受到光照时可以自己产生电动势，所以电路中不用电源。

想一想，怎样用如图所示的装置来制作一个摄影用

的曝光表？

例题与练习 【例1】如图甲为在温度为10℃左右的环境中工作的某自动恒温箱原理简图，箱内的电阻R1=20 k Ω，R2=10 k Ω，R3=40 k Ω，Rt 为热敏电阻，它的电阻随温度变化的图线如图乙所示．当 a 、b 端电压 Uab<0时，电压鉴别器会令开关S 接通，恒温箱内的电热

丝发热，使箱内温度提高；当Uab>0时，电压鉴别器使 S 断开，停止加热，恒温箱内的温度恒定在_________℃．

解析：设电路两端电压为U ，当Uab=0时，有

3

3121R R R U

R R R U t

+=+

解得Rt=20 k Ω

由图乙可知，当Rt=20 k Ω时，t=35℃。 答案：35

小结

作业

大视野

六．教学反思：

教学课题：传感器的应用实例 一．教学目标 【知识和技能】

1．了解两个实验的基本原理。

2．通过实验，加深对传感器作用的体会，培养自己的动手能力。 【过程和方法】

通过实验培养动手能力，体会传感器在实际中的应用。

【情感、态度、价值观】

在实验中通过动手组装和调试，增强理论联系实际的意识，激发学习兴趣，培养良好的科学态度。 二．教学重点、难点

重点： 1．了解斯密特触发器的工作特点，能够分析光控电路的工作原理。

2．温度报警器的电路工作原理。

难点：光控电路和温度报警器电路的工作原理。 三．教学仪器 声、光控开关、 四．教学方法

实验法、观察法、讨论法。 五．教学过程 引入

随着人们生活水平的提高，传感器在工农业生产中的应用越来越广泛，如走廊里的声、光控开关、温度报警器、孵小鸡用的恒温箱、路灯的自动控制、银行门口的自动门等，都用到了传感器．传感器的工作离不开电子电路，传感器只是把非电学量转换成电学量，对电学量的放大，处理均是通过电子元件组成的电路来完成的． 新课

实验1、光控开关

1．实验原理及知识准备

师：（投影）如图所示光控电路，用发光二极管LED 模仿路灯，RG 为光敏电阻，R1的最大电阻为51 k Ω，R2为 330 k Ω，试分析其工作原理． 生：白天，光强度较大，光敏电阻RG 电阻值较小，加在斯密特触发器A 端的电压较低，则输出端Y 输出高电平，发光二极管LED

不导通；当天色暗到

一定程度时，RG的阻值增大到一定值，斯密特触发器的输入端 A的电压上升到某个值（1.6V），输出端Y突然从高电平跳到低电平，则发光二极管LED导通发光（相当于路灯亮了），这样就达到了使路灯天明熄灭，天暗自动开启的目的．

师：要想在天更暗时路灯才会亮，应该把R1的阻值调大些还是调小些？为什么？

生：应该把R1的阻值调大些，这样要使斯密特触发器的输入端A电压达到某个值（如1.6V，就需要RG的阻值达到更大，即天色更暗。。

师：用白炽灯模仿路灯，为何要用到继电器？生：由于集成电路允许通过的电流较小，要用白炽灯泡模仿路灯，就要使用继电器来启闭工作电路．师：（投影）如图所示电磁继电器工作电路，图中虚线框内即为电磁继电器，D为动触点，E为静触点．试分析电磁继电器的工作原理．

生：当线圈 A中通电时，铁芯中产生磁场，吸引衔铁B向下运动，从而带动动触点D向下与E接触，将工作电路接通，当线圈A中电流为零时，电磁铁失去磁性，衔铁B在弹簧作用下拉起，带动触点D 与E分离，自动切断工作电路．

师：试说明控制电路的工作原理。

生：天较亮时，光敏电阻RG阻值较小，斯密特触发器输入端A电势较低，则输出端Y输出高电平，线圈中无电流，工作电路不通；天较暗时，光敏电阻RG电阻增大，斯密特触发器输入端A电势升高，当升高到一定值，输出端Y由高电平突然跳到低电平，有电流通过线圈A，电磁继电器工作，接通工作电路，使路灯自动开启；天明后，RG阻值减小，斯密特触发器输入端A电势逐渐降低，降到一定值，输出端 Y突然由低电平跳到高电平，则线圈A 不再有电流，则电磁继电器自动切断工作电路的电源，路灯熄灭．

生：分组实验。

师：巡回指导，了解学生实验过程。

2．温度报警器

师：上一节我们学

习了火灾报警器，

它是利用烟雾对光

的散射作用，使火

灾发出的光引起光

敏电阻的阻值变化，从而达到报警的目的．这种设计其敏

感性是

否值的

怀疑，你

想过

吗？既然发生火灾时，环境温度要升高，我们能不能用温度传感器来做成火灾报警器呢？

师：（投影）温度报警器的工作电路，如图所示。试分析其工作原理。

生：常温下，调整R1的阻值使斯密特触发器的输入端A处于低电平，则输出端Y处于高电平，无电流通过蜂鸣器，蜂鸣器不发声；当温度升高时，热敏电阻RT阻值减小，斯密特触发器输入端A电势升高，当达到某一值（高电平），其输出端由高电平跳到低电平，蜂鸣器通电，从而发出报警声，Rl 的阻值不同，则报警温度不同．

师：怎样使热敏电阻在感测到更高的温度时才报警？

生：要使热敏电阻在感测到更高的温度时才报警，应减小R1的阻值，R1阻值越小，要使斯密特触发器输入端达到高电平，则热敏电阻阻值要求越小，即温度越高．

生：分组实验。

师：巡回指导，了解学生实验过程。

（三）实例探究

☆电磁继电器与自动控制

练习

【例1】现有热敏电阻、电炉丝、电源、电磁继电器、滑动变阻器、开关和导线若干．如图所示，试设计一个温控电路．要求温度低于某一温度时，电炉丝自动通电供热，超过某一温度时，又可以自动断电，画出电路图说明工作过程．

分析：热敏电阻R1与滑动变阻器及电磁继电器构成低压控制电路．

答案：（1）电路图如图所示

小结

作业

大视野

六．教学反思：