高中物理新课标教学设计案例（传感器）

普通高中课程标准实验教科书《物理》选修3－2第六章第一节教学设计案例

高中物理新课标教学设计案例

6.1传感器及其工作原理

浠水一中 李春山

【学习者分析】

①．本人所在学校属于省级示范学校，学生在初中就已经进行了很长时间的探究体验，因此他们有探究的基础，优点是思维活跃，善于观察、总结、提出并回答问题，不过还存在“眼高手低”的问题及实验器材问题。

②．新课程改革打破了以前的应试教育模式，教育教学过程中师生地位平等，充分贯彻以学生为本，坚持学生的主体地位，教师的主导地位。

③．本节课是一节科学探究课，呈现在学生面前的是现象，是问题，积极引导学生探究。 ④．面对一些传感器，学生有浓厚的探究欲望，为其思维的发散提供了较大的空间。从另外一个角度讲，本节内容，数学运算，物理理论要求不高，适当地又降低了学习难度，选择探究式教学是最佳的途径。

探究式教学重视的是探究的过程和方法而不是结论，探究过程是产生创造思维的温床，过于重视结果可能会导致丧失探究热情，扼杀学生探究的欲望。

【教学目标】 1.知识与技能：

①．了解什么是传感器，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； ③．初步探究利用和设计简单的传感器.

2.过程与方法：

①．通过对实验的观察、思考和探究，让学生了解传感器、熟悉传感器工作原理；

②．让学生自己设计简单的传感器，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.

3.情感态度与价值观：

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。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，体验科技创新的乐趣，激发学习物理的兴趣.

【重点难点】

①．几种常见传感器的工作原理（演示实验）； ②．学生自己设计简单的传感器.

【设计思想】

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。新课程标准紧扣时代脉搏，对传感器教学提出明确要求。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. 总体教学布局如下表：

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演示实验 引 入 新 课 认识传感器 ① 光敏电阻 ② 热电阻 ③ 数字化信息系统实验室 利用传感器 ① ② 设计传感器 ① ② ③ 演示实验 热敏电阻 演示实验 半导体的导电机理 科学漫步 利用该实验系统采集简谐振动的图像 利用光敏电阻设计音乐茶杯 学生设计讨论 利用热敏电阻设计火警装置 利用电容利用霍尔效应利用滑动变阻器 说一说 课堂小结1 课堂小结2 课外研究性课题

【教学环节】

一．课题的引入

教师：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。

【演示实验1】干簧管控制电路的通断

如图，小盒子A的侧面露出一个小灯泡，盒外没有开关，但是把磁铁B放到盒子上面，灯泡就会发光，把磁铁移走，灯泡熄灭. 师问：盒子里有怎样的装置，才能实现这样的控制？ 生猜：（可以自由讨论，也可以请学生回答）

师生探究：打开盒子，用实物投影仪展示盒内的电路图，了解元件“干簧

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管”的结构如图。探明原因：玻璃管内封入两个软磁性材料制成的簧片。当磁铁靠近干簧管时，两个簧片被磁化而接通，电路导通。所以，干簧管能起到开关的作用。

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。

总结：磁场这种非电信号可以实现电路的自动控制 【演示实验2】声光控开关控制电路的通断 ①．在光照情况下，声音不能控制电灯点亮。

②．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。

③．用物体遮挡光眼处，在光照情况下声音能控制电灯。

【实例感受】楼梯道的电灯，晚上，有人经过楼道时，开关自动接通，灯就亮；白天，不管是否有人经过，开关都是断开的，灯总是不亮，这种开关用的就是声光传

总结：声、光这种非电信号可以实现电路的自动控制

二．新课教学 1．什么是传感器

师：刚才的两个实验，都用了一种元件，这些元件能够感受某些信息，通过它能实现电路的自动控制，这种元件有一个专门的名称：传感器。什么是传感器呢？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。

其实，传感器并不神秘。你家里可能就有很多的传感器。请大家相互说说看，你家里，或者在你的生活当中，都使用过，或听说过什么样的电器中有传感器？

生讨论并交流：例如，①当冰箱内的温度高于设定值时，制冷系统自动启动，而当温度低于设定值时，制冷系统又会自动停止。冰箱的控制，是通过温度传感器实现的。②楼梯道的电灯，晚上，有人经过楼道时，开关自动接通，灯就亮；白天，不管是否有人经过，开关都是断开的，灯总是不亮，这种开关用的就是声光传感器。③为了防止火灾的发生，在宾馆房间的天花板上大多有一个小盒子，当房间失火时它能感知出现的烟雾，通过电路发出警报，这个小盒子就是烟雾传感器。④其他如宾馆洗手间的墙壁上干手机的湿度传感器、电视机里换频道的红外传感器、电饭锅的温控开关、养鸡场里的孵化器、交警用来测驾驶员是否酒后开车的酒精气体测试仪、磁悬浮列车里的加速度测试器、电容式话筒里的电容式传感器、自动洗衣机里的压力传感器、自动感应门、汽车报警器等等.可以说，传感器的广泛使用，丰富了我们的生活，使我们的生活更加方便、安全和舒适。 教师介绍：数字化信息系统实验室（Digital Information System Laboratory，简称：DISLab） 就是由“传感器＋数据采集器＋实验软件包＋计算机”构成的新型实验系统。该系统成功克服了传统物理实验仪器的诸多弊端，有力地支持了信息技术与物理教学的全面整合，在实验上收到了许多意想不到的成功。 投影展示：

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图DISLab系统构成

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【演示实验3】：通过朗威DISLab数据采集器、位移传感器来观察简谐振动图象。

弹簧振子实验装置图

2．传感器的工作原理

弹簧振子振动图线

非电物理量→敏感元件→转换器件→转换电路→电学量 角度 位移 速度 压力 温度 湿度 声强 光照 4．光敏电阻 电压 电流

传 感 器 电阻 电容

师：为了制作传感器，需要一些元器件，下面我们就来看几个实际的例子。 【演示实验4】比较光敏电阻在不同光照条件下的电阻之不同

学生完成：两人一组，用万用电表（由投影仪投出表盘）的欧姆挡测量一只光敏电阻的阻值，实验分别在室内自然光的照射下和用手掌遮光时进行。

学生总结实验结果：

①光敏电阻在暗环境下电阻值很大，强光照射下电阻值很小。 ②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。

（师）工作原理：光敏电阻在光照射下电阻变化的原因。光敏电阻是由硫化镉制成的，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。

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学生自学：半导体的导电机理

5．金属热电阻和热敏电阻

师问：金属导体的导电性能与温度有关吗？关系如何？ 生答：（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）

师生总结：用金属丝可以制作温度传感器，称为金属热电阻。如前面已经学过的用金属铂可制作精密的电阻温度计。 （投影电阻R随温度变化的图线） 【学生探究】探究热敏电阻的特性：

学生两人一组，用万用电表的欧姆挡测一只热敏电阻的阻值。第一次直接测量，第二次用手心捂住热敏电阻再测量，记录两次测得的电阻值。

学生探究：热敏电阻的阻值随温度的升高而减小，且阻值随温度变化非常明显。

师生总结1：半导体热敏电阻也可以用作温度传感器。热敏电阻能够把 温度这个热学量转换成为电阻这个电学量

师生总结2：金属热电阻化学稳定性好、测量范围大、但是灵敏度差。 热敏电阻化学稳定性差、测量范围小、但是灵敏度好。

6．学生利用光敏电阻和热敏电阻自己设计简单的控制电路

【设计方案1】音乐盒（设计要求：盖子打开音乐响起，盖子合上，音乐停止） 【设计方案2】火警报警器（设计要求：温度过高，发生警报）

学生分组讨论：①需要什么器材？②提出设计方案；③学生分两组实施组装；④讨论并提出改进意见；⑤还可以用于生活中的哪些方面？

7．传感器的设计思路探究

1、 电容式位移传感器 师：（ 对传感器的工作原理作阶段性的小结）传感器是把非电学量转换为电学量的元件，它使得某些非电学量容易测量或者能实现电路的自动通断.传感器的应用丰富了我们的生活，使我们的生活更舒适、更安全。但从科技进步的角度来说，传感器的应用还只是浅层次的，更重要的是传感器的开发。那么，传感器如何进行开发呢？这还得从传感器的工作原理入手。例如，电容器电容的决定式为c??S，如何利用电容的4?kd电学量与非电学量的关系设计一个电容式传感器？

生答：（可能提出4种方案）

师：投影出四种电容式传感器，并作原理的分析。电容式位移传感器能够把物体位移这个力学量转换为电容这个电学量 2、霍尔元件

师：1879年美国物理学家霍尔观察到，在匀强磁场中放置一个矩形截面的载流导体，当磁场方向与电流方向垂直时，导体在与磁场、电流方向都垂直的方向上出现了电势差。人们把这样的现象称为霍尔效应，所产生的电势差叫霍尔电压。人们利用霍尔效应做成了霍尔元件。

如图，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。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UH。这个电压叫霍尔电压，其决定式为UH?kIB。式中d为薄片的d第 5 页 共 6 页

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厚度，k为霍尔系数，它的大小与薄片的材料有关。

师生共析：由上式看，一个霍尔元件的厚度d、k为定值，若保持I恒定，则UH的变化就与B成正比。也就是说：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。因此，我们可以把霍尔元件放置在某一未知的磁场中，通过测定霍尔电压U的变化得知该磁场磁感应强度的变化。

师问：霍尔元件还可以有哪些方面的应用？ 3、滑动变阻器

师问：利用滑动变阻器的接入电路阻值与导线长度成正比的原理（电阻定律R=ρL/s）可以制成什么样的传感器？能将什么量转换为什么量？ 生答：（学生可能分析不到位，可以作一些点拨）

三．课堂小结及课外研究性课题布置

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??，请同学们课后通过查询资料或者向身边的内行人请教，了解我们生活中都在哪些方面使用了哪些传感器以及它们的工作原理，写成文字稿；如何利用朗威DISLab数据采集器、霍尔元件观察通电螺线管内部磁感应强度的大小分布规律，下节课进行交流。

【教学反思】

本节课依据学生的认知规律组织教学，引入新课从生活实例入手，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”的教学中注重实验探究，引导学生从两个实验的探究中加以归纳，并通过DISLab系统显示传感器的优越性，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。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。

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厚度，k为霍尔系数，它的大小与薄片的材料有关。

师生共析：由上式看，一个霍尔元件的厚度d、k为定值，若保持I恒定，则UH的变化就与B成正比。也就是说：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。因此，我们可以把霍尔元件放置在某一未知的磁场中，通过测定霍尔电压U的变化得知该磁场磁感应强度的变化。

师问：霍尔元件还可以有哪些方面的应用？ 3、滑动变阻器

师问：利用滑动变阻器的接入电路阻值与导线长度成正比的原理（电阻定律R=ρL/s）可以制成什么样的传感器？能将什么量转换为什么量？ 生答：（学生可能分析不到位，可以作一些点拨）

三．课堂小结及课外研究性课题布置

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??，请同学们课后通过查询资料或者向身边的内行人请教，了解我们生活中都在哪些方面使用了哪些传感器以及它们的工作原理，写成文字稿；如何利用朗威DISLab数据采集器、霍尔元件观察通电螺线管内部磁感应强度的大小分布规律，下节课进行交流。

【教学反思】

本节课依据学生的认知规律组织教学，引入新课从生活实例入手，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”的教学中注重实验探究，引导学生从两个实验的探究中加以归纳，并通过DISLab系统显示传感器的优越性，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。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。

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