《传感器及其工作原理》教学设计

江苏省南京市第一中学(210000)郭兴华

1设计思想

随着科学技术的发展，传感器的应用越来越普及，在我们的身边大量地使用着各种各样的传感器，但是很多学生会觉得传感器很神秘，是遥不可及的高科技产品。笔者希望能将学生实验和教师演示实验结合起来，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铺垫。

在教学内容的设计方面，注重知识问题化，问题层次化，让不同层次的学生都有思考与讨论、交流与合作的空间；关注学生对知识形成过程的理解，让学生亲历思考和探究的过程，领悟科学探究的方法。

2教材分析

本节课介绍传感器的概念和一些制造传感器所使用的敏感元件，使学生对传感器的知识有一个初步的了解，体会物理知识在生活中的应用。为传感器的应用和利用传感器制作简单的自控装置作铺垫。

3学情分析

学生在物理学习中，一般会做大量的习题，有较强的解题能力。但是，当遇到具体的实际问题和一些简单的有科技含量的产品时，却常常不会分析和处理。教材中即使安排了数量有限的物理实验和有关高新技术发展的阅读材料，在实际教学中往往也难以落实。因为学生对传感器了解较少，所以教学时应避深奥的理论，消除传感器的神秘感。学生之所以会“怕”，就是因为不熟悉，接触多了，问题就很容易解决了。在教学中多举些例子并多做实验，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。

4教学目标

4.1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）知道常见的传感器的类型。

（3）了解两种常见的敏感元件光敏电阻、热敏电阻及其工作原理。

4.2过程和方法

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。

4.3情感态度价值观

（1）体会传感器在生活、生产、科技领域中的种种益处，激发学生的学习兴趣，拓展学生的视野。

（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。

5教学重难点

（1）重点：理解并掌握传感器的3种常见敏感元件的工作原理。

（2）难点：分析并设计传感器的应用电路。

6教学仪器

音乐茶杯、光敏电阻、热敏电阻、光敏电阻演示仪、开关、导线、多用电表、手电筒、小灯泡、干簧管、磁铁等。

7教学方法

实验法、探究法、讨论法等。

8教学过程

8.1引入课题

上课前，先让学生观看一段机器人大赛的视频，机器人在自动搜寻火源。

看完这个视频，学生心中都有一个问题：机器人是如何自动找到火源的呢？进而引入课题。

8.2新课教学

师：“在大家看来传感器非常神秘，其实传感器对我们而言再熟悉不过了，因为我们人体本身就是传感器。”

人类制造的传感器，就像人的感觉器官一样，也可以感觉到外界的信息，然后把它转化为生物电信号。其实传感器的工作原理就是一感、二传。它可以感受到外界的非电学量，然后把它转为电学量。

（1）问题1：传感器的定义是什么呢？

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。

师：在我们的生活中，传感器的应用其实非常广泛，请大家看如图1所示的图片。这些物体中有哪些是你们认识的？

生：图片1是摄像头，可以将图像画面转化为电信号。

生：图片5是火灾报警器，发生火灾的时候可以发出报警声。

生：图2是一个测温仪，它不需要和人体接触，就能测出体温。

生：图6是电子秤，可以称量物品的重量。

师：同学们说得都很好，上面图片中的这些物体都应用了传感器的原理。图片1和5是光电传感器的应用，图片2是温度传感器的应用，图片3是声音传感器的应用，图片4是电容传感器的应用，图片6是力传感器的应用。

演示实验1：教师出示一只音乐茶杯，茶杯平放于桌上时，无声无息，提起茶杯便播放悦耳的音乐。

（2）问题2：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：用一个纸盒挡住底部（不与底部接触），音乐停止，可见音乐茶杯受光照强度的控制。这是因为在音乐茶杯的底部有一个光敏电阻。

（3）问题3：光敏电阻能够将什么量转化为什么量？

生：光敏电阻能够将光学量转化为电阻等电学量。

学生实验：

①实验目的：设计一个电路，使得小灯泡的亮度随手电筒的光照强度发生变化；

②实验器材：干电池(4节)、小灯泡、光敏电阻、手电筒、导线等。

师：同学们刚才设计的其实是一个光电报警电路，当光敏电阻所受光强发生变化时，小灯泡就会发光报警。接下来我来演示一下如图2所示的光电报警电路。

演示实验 ：展示光电报警电路。

（4）问题4：请同学们来解释一下这个光电报警电路的工作原理？

生：当光敏电阻受到光照时，阻值减小，通过电磁继电器的电流增大，电磁继电器具有了磁性，将继电器上方的衔铁吸引下来。使得接触点由a、b接触变为b、c接触，从而将1、2接线柱的电路接通，蜂鸣器发出了鸣叫。

师：因为光敏电阻的阻值随光强发生改变，我们常用光敏电阻做光电传感器的敏感元件。那么温度传感器的敏感元件是什么呢？接下来，我们来介绍热敏电阻。

（5）问题5：热敏电阻的阻值与温度变化有什么关系？

生：热敏电阻的阻值随温度的升高而减小。

（6）问题6：热敏电阻能够将什么量转化为什么量？

生：热敏电阻能够将温度转化为电阻这个电学量。

经过进一步研究发现，热敏电阻的阻值随温度的变化遵循如图3所示的变化规律。

在电学部分学习过小灯泡的欧姆定律，我们知道小灯泡的阻值随温度的增大而增大。小灯泡的灯丝是由钨丝制成的，经研究发现，金属材料的阻值都随温度的升高而增大，有一一对应的关系，因而可以用来制作温度计，把它称为金属热电阻。

（7）问题7：热敏电阻和金属热电阻有何异同？

生：热敏电阻和金属热电阻的阻值都随温度发生变化。但是热敏电阻的阻值随温度的升高而减小，金属热电阻的阻值随温度的升高而增大。而且在一定范围内，热敏电阻随温度的变化比较灵敏。

（8）问题8：电容式位移传感器（见图4）能够将什么量转为什么量？

生:电容式位移传感器能够将位移这个力学量转化为电容这个电学量。

师：当被测物体的位移发生改变时，电容器极板间的电介质发生改变，从而改变电容器的电容值。我们知道影响电容的因素除了电介质还有板间距d，以及正对面积S。下面介绍几类电容器传感器的应用实例，如图5~9所示。

当电容器的动片转动时，电容器的正对面积发生改变，从而改变了电容的值。将它制成传感器，就可以将转过的角度这个非电学量转化为电容这个电学量。

图6改变正对面积2

当导电液体的深度发生改变时，电容器的正对面积发生改变。如果将它制成传感器就可以将液体深度这个非电学量转化为电容这个电学量。

当施加在可动电极上的力发生改变时，电容器间的距离发生改变，从而改变了电容的值。如果将它制成传感器就可以将力这个非电学量转化为电容这个电学量。

声波使得电容器的金属薄膜发生振动，电容器间的距离发生改变，从而改变了电容值。如果将它制成传感器就可以力这个非电学量转化为电容这个电学量。

现在的触摸式手机大多数都使用了电容屏，当按键的上的压力发生改变时，电容器间的距离发生改变，从而改变了电容值。如果将它制成传感器就可以力这个非电学量转化为电容这个电学量。

师：最后，我们再来看这样的一个盒子，这个盒子的内部结构我们不清楚，但是在盒子的旁边有一个小孔，小孔处露出一个灯泡。当我把一个磁铁靠近盒子时，灯泡发光了。谁能解释一下这是什么原因呢？

生：我觉得里面有一个磁性开关，当磁铁靠近开关时，开关就闭合了。

生：我觉得里面有一个线圈，当磁铁靠近时，产生了感应电流，所以灯泡就发光了。

生：我觉得里面有一个对磁敏感的元件，当磁铁靠近时，它的某个量发生改变，从而灯泡发光了。

师：同学们刚才讲的都非常的好，这个盒子里面的确有一个对磁敏感的元件，它叫做干簧管，如

图10干簧管

当磁体靠近干簧管时，两个簧片被磁化，相互吸引而接通，干簧管能起到控制开关的作用。

（9）问题9：干簧管能够将什么量转化为什么量？

生：干簧管能够将磁感应强度这个磁学量转化为电路的通断。

师：我们今天学习了传感器的概念，常见的传感器的类型，以及常见的敏感元件的工作原理。同学们思考一下家庭中有哪些物体应用了传感的原理。

8.3教学反思

本节课从学生感兴趣的机器人灭火大赛入手，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“什么是传感器”的教学中以人体为例，让学生知道传感器就在我们的身边，从而消除传感器在学生心目中的神秘感。在对光敏电阻、热敏电阻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。尤其是通过教师演示光电报警电路，让学生知道传感器在生活中的应用非常重要和广泛。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。

收稿日期：2014-05-30