高中物理人教版2第六章傳感器3實(shí)驗(yàn)傳感器的應(yīng)用 一等獎(jiǎng)

4傳感器的應(yīng)用實(shí)驗(yàn)eq\o(\s\up7(),\s\do5(整體設(shè)計(jì)))教學(xué)分析傳感器在實(shí)際應(yīng)用中，大多情況是用來(lái)完成一定控制任務(wù)的，本節(jié)使用常見(jiàn)的少量電子元器件，組裝實(shí)用的光控開(kāi)關(guān)和溫度報(bào)警電路。目的是使學(xué)生動(dòng)手體會(huì)傳感器的應(yīng)用，培養(yǎng)組裝和調(diào)試電子電路的能力。本實(shí)驗(yàn)可行性強(qiáng)，電路簡(jiǎn)單，容易操作，元件可以反復(fù)使用。實(shí)驗(yàn)使用的元器件符合現(xiàn)在市場(chǎng)發(fā)展水平，教學(xué)理念先進(jìn)，用集成數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)控制功能。能夠幫助學(xué)生了解現(xiàn)在電子行業(yè)的發(fā)展層次，加強(qiáng)理論聯(lián)系實(shí)際，樹(shù)立學(xué)以致用的教育理念。教學(xué)目標(biāo)1．識(shí)別各種晶體管、邏輯集成電路塊、集成電路實(shí)驗(yàn)板，知道各種元器件的性能和引腳關(guān)系。2．了解光控開(kāi)關(guān)電路及控制原理，會(huì)組裝光控開(kāi)關(guān)。3．了解溫度報(bào)警器及控制原理，會(huì)組裝溫度報(bào)警器。4．通過(guò)實(shí)驗(yàn)的方法，讓學(xué)生在組裝和調(diào)試中，更為深入地認(rèn)識(shí)傳感器的應(yīng)用。5．培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，倡導(dǎo)以創(chuàng)新為主、實(shí)踐為重的素質(zhì)教育理念。教學(xué)重點(diǎn)難點(diǎn)1．傳感器的應(yīng)用實(shí)例。2．由門電路控制的傳感器的工作原理。教學(xué)方法與手段PPT課件；演示實(shí)驗(yàn)；講授。eq\o(\s\up7(),\s\do5(課前準(zhǔn)備))教學(xué)媒體斯密特觸發(fā)器或非門電路，二極管，三極管，蜂鳴器，滑線變阻器，熱敏電阻，光敏電阻。知識(shí)準(zhǔn)備介紹發(fā)光二極管、74LS14集成電路塊、集成電路實(shí)驗(yàn)板(面包板)等元件的功能和作用，以及如何識(shí)別這些元件的外部引腳。eq\o(\s\up7(),\s\do5(教學(xué)過(guò)程))導(dǎo)入新課[事件1]教學(xué)任務(wù)：創(chuàng)設(shè)情景，導(dǎo)入新課。問(wèn)題展示：上節(jié)課我們學(xué)習(xí)了溫度傳感器、光傳感器及其工作原理。請(qǐng)大家回憶一下我們學(xué)了哪些具體的溫度、光傳感器。思考并回答：電飯鍋、測(cè)溫儀、鼠標(biāo)器、火災(zāi)報(bào)警器。導(dǎo)入新課隨著人們生活水平的提高，傳感器在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，如走廊里的聲、光控開(kāi)關(guān)，溫度報(bào)警器，孵小雞用的恒溫箱，路燈的自動(dòng)控制，銀行門口的自動(dòng)門等，都用到了傳感器。傳感器的工作離不開(kāi)電子電路，傳感器只是把非電學(xué)量轉(zhuǎn)換成電學(xué)量，對(duì)電學(xué)量的放大、處理均是通過(guò)電子元件組成的電路來(lái)完成的。這節(jié)課我們就來(lái)動(dòng)手組裝光控開(kāi)關(guān)或溫度報(bào)警器。推進(jìn)新課[事件2]教學(xué)任務(wù)：相關(guān)元件的作用功能及其工作原理。師生活動(dòng)：在我們學(xué)習(xí)這些知識(shí)之前，先要學(xué)習(xí)一些相關(guān)的元件的作用、功能及其工作原理。1.發(fā)光二極管發(fā)光二極管發(fā)光二極管簡(jiǎn)稱為L(zhǎng)ED，如下圖所示。發(fā)光二極管與普通二極管一樣是由一個(gè)PN結(jié)組成，也具有單向?qū)щ娦浴．?dāng)給發(fā)光二極管加上正向電壓后，從P區(qū)注入N區(qū)的空穴和由N區(qū)注入P區(qū)的電子，在PN結(jié)附近數(shù)微米內(nèi)分別與N區(qū)的電子和P區(qū)的空穴復(fù)合，產(chǎn)生自發(fā)輻射的熒光。不同的半導(dǎo)體材料中電子和空穴所處的能量狀態(tài)不同。當(dāng)電子和空穴復(fù)合時(shí)釋放出的能量多少不同，釋放出的能量越多，則發(fā)出的光的波長(zhǎng)越短。常用的是發(fā)紅光、綠光或黃光的二極管。[演示]實(shí)驗(yàn)檢測(cè)發(fā)光二極管按照?qǐng)D1連接電路使發(fā)光二極管工作，電源為3V的電池組，串聯(lián)的限流電阻R可取220Ω或270Ω，接通開(kāi)關(guān)，二極管就會(huì)發(fā)光，這時(shí)通過(guò)它的電流約為幾毫安。如果將電源改為V，二極管就不發(fā)光了，因?yàn)檫@類發(fā)光二極管正向?qū)妷捍笥赩。發(fā)光二極管的工作電路用歐姆表檢測(cè)發(fā)光二極管觀察與描述：學(xué)生觀察實(shí)驗(yàn)，逐一描述實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，其他學(xué)生補(bǔ)充和修正。思考：正向?qū)妷菏嵌嗌?？?shí)驗(yàn)中為何要串聯(lián)一電阻R?學(xué)生預(yù)測(cè)：正向?qū)妷捍笥赩，普通發(fā)光二極管工作電流只需要幾毫安，最大不得超過(guò)10mA。過(guò)大的電流會(huì)損壞發(fā)光二極管，因此，在使用時(shí)必須串聯(lián)合適的限流電阻R?？偨Y(jié)：(1)二極管具有單向?qū)щ娦浴?2)發(fā)光二極管除了具有單向?qū)щ娦酝?，?dǎo)電時(shí)還能發(fā)光，普通發(fā)光二極管使用磷化鎵或磷砷化鎵等半導(dǎo)體材料制成，直接將電能轉(zhuǎn)化為光能，該類發(fā)光二極管工作電流只需要幾毫安，最大不得超過(guò)10mA，正向?qū)妷捍笥赩。隨堂練習(xí)1：①普通二極管具有導(dǎo)電性，在電子電路中有多種運(yùn)用，在用多用電表歐姆擋測(cè)量二極管的正向?qū)娮钑r(shí)，黑表筆應(yīng)接二極管的極，若發(fā)現(xiàn)阻值較大，則與黑表筆接觸的是二極管的極。②發(fā)光二極管除了具有單向?qū)щ娦酝?，?dǎo)電時(shí)還能發(fā)光，用磷化鎵或磷砷化鎵等半導(dǎo)體材料制成，直接將能轉(zhuǎn)化為能。答案：①單向陽(yáng)陰②電光2．晶體三極管晶體三極管是電子電路的核心元件，具有電流放大作用。其實(shí)質(zhì)是三極管能以基極電流微小的變化量來(lái)控制集電極電流較大的變化。三極管是在一塊半導(dǎo)體基片上制作兩個(gè)相距很近的PN結(jié)，兩個(gè)PN結(jié)把整塊半導(dǎo)體分成三部分，中間部分是基區(qū)，兩側(cè)部分是發(fā)射區(qū)和集電區(qū)，排列方式有PNP和NPN兩種，如下圖所示，從三個(gè)區(qū)引出相應(yīng)的電極，分別為基極b發(fā)射極e和集電極c。發(fā)射區(qū)和基區(qū)之間的PN結(jié)叫發(fā)射結(jié)，集電區(qū)和基區(qū)之間的PN結(jié)叫集電極?；鶇^(qū)很薄，而發(fā)射區(qū)較厚，雜質(zhì)濃度大，PNP型三極管發(fā)射區(qū)“發(fā)射”的是空穴，其移動(dòng)方向與電流方向一致，故發(fā)射極箭頭向里；NPN型三極管發(fā)射區(qū)“發(fā)射”的是自由電子，其移動(dòng)方向與電流方向相反，故發(fā)射極箭頭向外。發(fā)射極箭頭指向也是PN結(jié)在正向電壓下的導(dǎo)通方向。硅晶體三極管和鍺晶體三極管都有PNP型和NPN型兩種類型?？偨Y(jié)：(1)三極管具有電流放大作用。(2)晶體三極管能夠?qū)⑽⑷醯男盘?hào)放大，三極管的三個(gè)極分別是發(fā)射極e，基極b和集電極c。(3)傳感器輸出的電流和電壓很小，用一個(gè)三極管可以放大幾十倍或幾百倍，三極管的放大作用表現(xiàn)為基極b的電流對(duì)集電極c的電流起了控制作用。隨堂練習(xí)2：①晶體三極管能夠把微弱的信號(hào)。常用的三極管是用和制成的，它有三個(gè)極，分別為、、。②傳感器輸出的電流或電壓很，用一個(gè)三極管可以放大幾十倍以至上百倍。三極管的放大作用表現(xiàn)為的電流對(duì)的電流起了控制作用。2．邏輯電路邏輯電路是以二進(jìn)制為原理、實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)邏輯運(yùn)算和操作的電路。分組合邏輯電路和時(shí)序邏輯電路。前者的邏輯功能與時(shí)間無(wú)關(guān)，即不具記憶和存儲(chǔ)功能，后者的操作按時(shí)間程序進(jìn)行。由于只分高、低電平，抗干擾力強(qiáng)，精度和保密性佳。廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)、數(shù)字控制、通信、自動(dòng)化和儀表等方面。邏輯門電路包括與門，或門，非門。(1)與門：只要一個(gè)輸入端輸入為0，則輸出端一定是0，只有當(dāng)所有輸入端輸入都同為1時(shí)，輸出才是1。(2)或門：只要一個(gè)輸入端輸入為1，則輸出一定是1，反之，只有當(dāng)所有輸入端都為0時(shí)，輸出端才是0。(3)非門：當(dāng)輸入為0時(shí)，輸出總是1；當(dāng)輸入為1時(shí)，輸出反而是0，非門電路也稱反相器。(4)斯密特電路斯密特觸發(fā)器是特殊的非門電路，當(dāng)加在它的輸入端A的電壓逐漸上升到某個(gè)值V時(shí)，輸出端Y會(huì)突然從高電平調(diào)到低電平V，而當(dāng)輸入端A的電壓下降到另一個(gè)值V的時(shí)候，Y會(huì)從低電平跳到高電平V。斯密特觸發(fā)器可以將連續(xù)變化的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為突變的數(shù)字信號(hào)，而這正是進(jìn)行光控所需要的。對(duì)于斯密特觸發(fā)器的性能描述，可用下圖所示的圖象來(lái)描述。隨堂練習(xí)3：試判斷下列各是什么門電路的真值表？各有何特點(diǎn)？輸入輸出ABY000010100111(與)__門輸入輸出ABY000011101111(或)__門輸入輸出AY0110__(非)__門3．集成電路實(shí)驗(yàn)板教師介紹：實(shí)驗(yàn)板由塑料制成，上下兩面的結(jié)構(gòu)如下圖所示。板的上面有許多整齊排列的小插孔，分布在凹槽的兩側(cè)，每個(gè)孔內(nèi)都有一個(gè)用來(lái)夾持元件引線的銅爪，它們由若干條形銅片按一定的規(guī)律連接起來(lái)，揭去板的下面的塑料膜，就能看清楚。其中標(biāo)有X的一行小孔是用整條銅片連通的，通常用來(lái)連接電源的正極，標(biāo)有Y的一行小孔也是用整條銅片連通的，通常用來(lái)連接電源的負(fù)極(接地端)。其余的孔則是每五個(gè)為一組縱向連通，例如第一列的A、B、C、D、E五個(gè)孔連通，F(xiàn)、G、H、I、J五個(gè)孔連通。使用實(shí)驗(yàn)板時(shí)，集成電路要跨在凹槽之上，讓它兩側(cè)的引腳分別插入E、F等孔。其余的元件按照電路的結(jié)構(gòu)插入合適的孔中，并且讓應(yīng)該連接在一起的引腳插入同一組的五個(gè)孔就可以了，不需要焊接，也不需要接線柱。[事件3]教學(xué)任務(wù)：實(shí)驗(yàn)1——光控開(kāi)關(guān)師生活動(dòng)：甲問(wèn)題展示：(PPT投影)如圖所示光控電路，用發(fā)光二極管LED模仿路燈，RG為光敏電阻，R1的最大電阻為51kΩ，R2為330kΩ，試分析其工作原理。思考并討論：電路由哪幾部分組成？學(xué)生回答：斯密特觸發(fā)器、光敏電阻、發(fā)光二極管LED模仿路燈、滑線變阻器、定值電阻。思考并分析：組裝電路圖應(yīng)注意些什么？交流結(jié)果：①圖甲中的接地符號(hào)表示電路的公共端，并非與大地連接。5V電源的負(fù)極是與接地端連接的。②在電子技術(shù)中，習(xí)慣上常用“電平”來(lái)描述邏輯電路的輸入端和輸出端的狀態(tài)。其實(shí)，電平值就是某個(gè)端點(diǎn)與“地”之間的電壓。③因?yàn)榭刂崎T電路的邏輯狀態(tài)的物理量是輸入端的電平，而不是電流或電阻，所以要將電阻R1與光敏電阻RG組成串聯(lián)分壓電路，把光敏電阻因光照而發(fā)生的電阻的變化，轉(zhuǎn)化為電壓的變化，加到非門的輸入端A。④控制燈的亮、滅需要的是一種跳變的開(kāi)關(guān)量，而光敏電阻輸出的是連續(xù)變化的模擬量，所以要使用觸發(fā)器把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。⑤R2是發(fā)光二極管的限流電阻，使通過(guò)它的電流不超過(guò)10mA。思考并討論：電流是怎樣流動(dòng)的？預(yù)測(cè)：學(xué)生難回答，感到困惑。(此電路含有門電路，表示的是邏輯關(guān)系，這部分與學(xué)生原有的認(rèn)知相沖突，教師作講解)教師講解：圖甲是對(duì)電路的簡(jiǎn)化畫法。甲圖實(shí)際上各個(gè)支路的電流都構(gòu)成了回路?？捎孟聢D表示，在集成塊中，既流過(guò)了它本身的工作電流，又流過(guò)了通過(guò)發(fā)光二極管的電流，都從標(biāo)有“GND”的引腳匯集流出，回到電源。教師提問(wèn)：請(qǐng)同學(xué)們?cè)囍治鲆幌鹿饪仉娐返墓ぷ髟?。原理分析：白天，光?qiáng)度較大，光敏電阻RG電阻值較小，加在斯密特觸發(fā)器A端的電壓較低，則輸出端Y輸出高電平，發(fā)光二極管LED不導(dǎo)通；當(dāng)天色暗到一定程度時(shí)，RG的阻值增大到一定值，斯密特觸發(fā)器的輸入端A的電壓上升到某個(gè)值V)，輸出端Y突然從高電平跳到低電平，則發(fā)光二極管LED導(dǎo)通發(fā)光(相當(dāng)于路燈亮了)，這樣就達(dá)到了使路燈天明熄滅，天暗自動(dòng)開(kāi)啟的目的?；ブ献鳎簩W(xué)生分小組根據(jù)電路圖連接實(shí)物圖。(培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力，教師巡回指導(dǎo))功能預(yù)測(cè)：連接完畢后，教師可讓學(xué)生自行檢測(cè)其作品是否能實(shí)現(xiàn)預(yù)期功能。思考討論：要想在天色更暗時(shí)路燈才會(huì)亮，應(yīng)該把R1的阻值調(diào)大些還是調(diào)小些？為什么？交流結(jié)果：應(yīng)該把R1的阻值調(diào)大些，這樣要使斯密特觸發(fā)器的輸入端A電壓達(dá)到某個(gè)值(如V)，就需要RG的阻值達(dá)到更大，即天色更暗。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證：學(xué)生再次動(dòng)手做實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證分析的結(jié)果。(體驗(yàn)成功的喜悅)思維拓展：(PPT投影)在下圖中，用白熾燈模仿路燈，為何要用到繼電器？分析交流：由于集成電路允許通過(guò)的電流較小，要用白熾燈泡模仿路燈，就要使用繼電器來(lái)啟閉工作電路。提出問(wèn)題：J是什么？Ja是什么？學(xué)生預(yù)測(cè)：繼電器線圈未通電時(shí)處于斷開(kāi)狀態(tài)的靜觸點(diǎn)，稱為“常開(kāi)觸點(diǎn)”。深入探究：(PPT投影)如下圖所示電磁繼電器工作電路，圖中虛線框內(nèi)即為電磁繼電器，D為動(dòng)觸點(diǎn)，E為靜觸點(diǎn)。試分析電磁繼電器的工作原理。學(xué)生分析：當(dāng)線圈A中通電時(shí)，鐵芯中產(chǎn)生磁場(chǎng)，吸引銜鐵B向下運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)觸點(diǎn)D向下與E接觸，將工作電路接通；當(dāng)線圈A中電流為零時(shí)，電磁鐵失去磁性，銜鐵B在彈簧作用下拉起，帶動(dòng)觸點(diǎn)D與E分離，自動(dòng)切斷工作電路。問(wèn)題拓展：說(shuō)明控制電路的工作原理。學(xué)生分析：天較亮?xí)r，光敏電阻RG阻值較小，斯密特觸發(fā)器輸入端A電勢(shì)較低，則輸出端Y輸出高電平，線圈中無(wú)電流，工作電路不通；天較暗時(shí)，光敏電阻RG電阻增大，斯密特觸發(fā)器輸入端A電勢(shì)升高，當(dāng)升高到一定值，輸出端Y由高電平突然跳到低電平，有電流通過(guò)線圈A，電磁繼電器工作，接通工作電路，使路燈自動(dòng)開(kāi)啟；天明后，RG阻值減小，斯密特觸發(fā)器輸入端A電勢(shì)逐漸降低，降到一定值，輸出端Y突然由低電平跳到高電平，則線圈A不再有電流，則電磁繼電器自動(dòng)切斷工作電路的電源，路燈熄滅。[事件4]教學(xué)任務(wù)：實(shí)驗(yàn)2——溫度報(bào)警器(熱敏電阻式報(bào)警器)師生活動(dòng)：創(chuàng)設(shè)問(wèn)題：上一節(jié)我們學(xué)習(xí)了火災(zāi)報(bào)警器，它是利用煙霧對(duì)光的散射作用，使火災(zāi)發(fā)出的光引起光敏電阻的阻值變化，從而達(dá)到報(bào)警目的的。這種設(shè)計(jì)其敏感性是否值得懷疑，你想過(guò)嗎？既然發(fā)生火災(zāi)時(shí)，環(huán)境溫度要升高，我們能不能用溫度傳感器來(lái)做成火災(zāi)報(bào)警器呢？學(xué)生預(yù)測(cè)：小組分工、討論并交流結(jié)果。交流結(jié)果：(PPT投影)溫度報(bào)警器的工作電路，如圖所示。思考討論：電路由哪幾部分組成？學(xué)生回答：斯密特觸發(fā)器、熱敏電阻、蜂鳴器、變阻器、定值電阻。教師提問(wèn)：請(qǐng)同學(xué)們?cè)囍治鲆幌聹囟葓?bào)警器的工作原理。原理分析：常溫下，調(diào)整R1的阻值使斯密特觸發(fā)器的輸入端A處于低電平，則輸出端Y處于高電平，無(wú)電流通過(guò)蜂鳴器，蜂鳴器不發(fā)聲；當(dāng)溫度升高時(shí)，熱敏電阻RT阻值減小，斯密特觸發(fā)器輸入端A電勢(shì)升高，當(dāng)達(dá)到某一值(高電平)，其輸出端由高電平調(diào)到低電平，蜂鳴器通電，從而發(fā)出報(bào)警聲，R1的阻值不同，則報(bào)警器溫度不同。互助合作：學(xué)生分小組根據(jù)電路圖連接實(shí)物圖如圖所示。功能預(yù)測(cè)：連接完畢后，教師可讓學(xué)生自行檢測(cè)其作品是否能實(shí)現(xiàn)預(yù)期功能。(教師巡回指導(dǎo))思考討論：要使熱敏電阻在感測(cè)到更高的溫度時(shí)才報(bào)警，應(yīng)該把R1的阻值調(diào)大些還是調(diào)小些？為什么？交流結(jié)果：應(yīng)該減小R1的阻值。R1阻值越小，要使斯密特觸發(fā)器輸入端達(dá)到高電平，則熱敏電阻阻值要求越小，即溫度越高。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證：學(xué)生再次動(dòng)手驗(yàn)證分析的結(jié)果。(體驗(yàn)成功的喜悅)[事件5]教學(xué)任務(wù)：學(xué)以致用，解決實(shí)際問(wèn)題。師生活動(dòng)：實(shí)例探究：(PPT投影)現(xiàn)有熱敏電阻、電爐絲、電源、電磁繼電器、滑動(dòng)變阻器、開(kāi)關(guān)和若干導(dǎo)線，如下圖所示，試設(shè)計(jì)一個(gè)控溫電路，要求溫度低于某一溫度時(shí)，電爐絲自動(dòng)通電供熱，超過(guò)某一溫度時(shí)，又自動(dòng)斷電，畫出電路圖，說(shuō)明工作原理。解析：(PPT投影)(1)電路圖如下圖所示：熱敏電阻R1與滑動(dòng)變阻器及電磁繼電器構(gòu)成低壓控制電路。(2)工作過(guò)程，閉合S，當(dāng)溫度低于設(shè)計(jì)值時(shí)，熱敏電阻阻值大，通過(guò)電磁繼電器的電流不能使它工作，K接通電爐絲加熱，當(dāng)溫度達(dá)到設(shè)計(jì)值時(shí)，熱敏電阻減小到某值，通過(guò)電磁繼電器的電流達(dá)到工作電流，K斷開(kāi)，電爐絲斷電，停止加熱，當(dāng)溫度低于設(shè)計(jì)值，又重復(fù)前述過(guò)程。課堂小結(jié)[事件6]教學(xué)任務(wù)：(PPT投影)引導(dǎo)學(xué)生小結(jié)本節(jié)課的學(xué)習(xí)活動(dòng)。

布置作業(yè)1．復(fù)習(xí)本節(jié)教材。2．完成課本課后問(wèn)題與練習(xí)。eq\o(\s\up7(),\s\do5(板書設(shè)計(jì)))4傳感器的應(yīng)用實(shí)驗(yàn)1．二極管的特點(diǎn)和作用：?jiǎn)蜗驅(qū)щ娦?，發(fā)光二極管不但能單向?qū)щ?，還能發(fā)光。2．三極管的特點(diǎn)和作用：能放大微弱的電流。3．斯密特觸發(fā)器的特點(diǎn)和作用：觸發(fā)器其實(shí)由6個(gè)非門電路組成