高中物理人教版2第六章傳感器3實驗傳感器的應用 一等獎

4傳感器的應用實驗eq\o(\s\up7(),\s\do5(整體設(shè)計))教學分析傳感器在實際應用中，大多情況是用來完成一定控制任務的，本節(jié)使用常見的少量電子元器件，組裝實用的光控開關(guān)和溫度報警電路。目的是使學生動手體會傳感器的應用，培養(yǎng)組裝和調(diào)試電子電路的能力。本實驗可行性強，電路簡單，容易操作，元件可以反復使用。實驗使用的元器件符合現(xiàn)在市場發(fā)展水平，教學理念先進，用集成數(shù)字電路實現(xiàn)控制功能。能夠幫助學生了解現(xiàn)在電子行業(yè)的發(fā)展層次，加強理論聯(lián)系實際，樹立學以致用的教育理念。教學目標1．識別各種晶體管、邏輯集成電路塊、集成電路實驗板，知道各種元器件的性能和引腳關(guān)系。2．了解光控開關(guān)電路及控制原理，會組裝光控開關(guān)。3．了解溫度報警器及控制原理，會組裝溫度報警器。4．通過實驗的方法，讓學生在組裝和調(diào)試中，更為深入地認識傳感器的應用。5．培養(yǎng)學生的學習興趣，倡導以創(chuàng)新為主、實踐為重的素質(zhì)教育理念。教學重點難點1．傳感器的應用實例。2．由門電路控制的傳感器的工作原理。教學方法與手段PPT課件；演示實驗；講授。eq\o(\s\up7(),\s\do5(課前準備))教學媒體斯密特觸發(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。知識準備介紹發(fā)光二極管、74LS14集成電路塊、集成電路實驗板(面包板)等元件的功能和作用，以及如何識別這些元件的外部引腳。eq\o(\s\up7(),\s\do5(教學過程))導入新課[事件1]教學任務：創(chuàng)設(shè)情景，導入新課。問題展示：上節(jié)課我們學習了溫度傳感器、光傳感器及其工作原理。請大家回憶一下我們學了哪些具體的溫度、光傳感器。思考并回答：電飯鍋、測溫儀、鼠標器、火災報警器。導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)中的應用越來越廣泛，如走廊里的聲、光控開關(guān)，溫度報警器，孵小雞用的恒溫箱，路燈的自動控制，銀行門口的自動門等，都用到了傳感器。傳感器的工作離不開電子電路，傳感器只是把非電學量轉(zhuǎn)換成電學量，對電學量的放大、處理均是通過電子元件組成的電路來完成的。這節(jié)課我們就來動手組裝光控開關(guān)或溫度報警器。推進新課[事件2]教學任務：相關(guān)元件的作用功能及其工作原理。師生活動：在我們學習這些知識之前，先要學習一些相關(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)光二極管簡稱為LED，如下圖所示。發(fā)光二極管與普通二極管一樣是由一個PN結(jié)組成，也具有單向?qū)щ娦?。當給發(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)的空穴復合，產(chǎn)生自發(fā)輻射的熒光。不同的半導體材料中電子和空穴所處的能量狀態(tài)不同。當電子和空穴復合時釋放出的能量多少不同，釋放出的能量越多，則發(fā)出的光的波長越短。常用的是發(fā)紅光、綠光或黃光的二極管。[演示]實驗檢測發(fā)光二極管按照圖1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，接通開關(guān)，二極管就會發(fā)光，這時通過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，因為這類發(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發(fā)光二極管觀察與描述：學生觀察實驗，逐一描述實驗現(xiàn)象，其他學生補充和修正。思考：正向?qū)妷菏嵌嗌伲繉嶒炛袨楹我?lián)一電阻R?學生預測：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10mA。過大的電流會損壞發(fā)光二極管，因此，在使用時必須串聯(lián)合適的限流電阻R。總結(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?，導電時還能發(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10mA，正向?qū)妷捍笥赩。隨堂練習1：①普通二極管具有導電性，在電子電路中有多種運用，在用多用電表歐姆擋測量二極管的正向?qū)娮钑r，黑表筆應接二極管的極，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娦酝猓瑢щ姇r還能發(fā)光，用磷化鎵或磷砷化鎵等半導體材料制成，直接將能轉(zhuǎn)化為能。答案：①單向陽陰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。其實質(zhì)是三極管能以基極電流微小的變化量來控制集電極電流較大的變化。三極管是在一塊半導體基片上制作兩個相距很近的PN結(jié)，兩個PN結(jié)把整塊半導體分成三部分，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，從三個區(qū)引出相應的電極，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。基區(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醯男盘柗糯螅龢O管的三個極分別是發(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的電流對集電極c的電流起了控制作用。隨堂練習2：①晶體三極管能夠把微弱的信號。常用的三極管是用和制成的，它有三個極，分別為、、。②傳感器輸出的電流或電壓很，用一個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)為的電流對的電流起了控制作用。2．邏輯電路邏輯電路是以二進制為原理、實現(xiàn)數(shù)字信號邏輯運算和操作的電路。分組合邏輯電路和時序邏輯電路。前者的邏輯功能與時間無關(guān)，即不具記憶和存儲功能，后者的操作按時間程序進行。由于只分高、低電平，抗干擾力強，精度和保密性佳。廣泛應用于計算機、數(shù)字控制、通信、自動化和儀表等方面。邏輯門電路包括與門，或門，非門。(1)與門：只要一個輸入端輸入為0，則輸出端一定是0，只有當所有輸入端輸入都同為1時，輸出才是1。(2)或門：只要一個輸入端輸入為1，則輸出一定是1，反之，只有當所有輸入端都為0時，輸出端才是0。(3)非門：當輸入為0時，輸出總是1；當輸入為1時，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，當加在它的輸入端A的電壓逐漸上升到某個值V時，輸出端Y會突然從高電平調(diào)到低電平V，而當輸入端A的電壓下降到另一個值V的時候，Y會從低電平跳到高電平V。斯密特觸發(fā)器可以將連續(xù)變化的模擬信號轉(zhuǎn)換為突變的數(shù)字信號，而這正是進行光控所需要的。對于斯密特觸發(fā)器的性能描述，可用下圖所示的圖象來描述。隨堂練習3：試判斷下列各是什么門電路的真值表？各有何特點？輸入輸出ABY000010100111(與)__門輸入輸出ABY000011101111(或)__門輸入輸出AY0110__(非)__門3．集成電路實驗板教師介紹：實驗板由塑料制成，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)，每個孔內(nèi)都有一個用來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，揭去板的下面的塑料膜，就能看清楚。其中標有X的一行小孔是用整條銅片連通的，通常用來連接電源的正極，標有Y的一行小孔也是用整條銅片連通的，通常用來連接電源的負極(接地端)。其余的孔則是每五個為一組縱向連通，例如第一列的A、B、C、D、E五個孔連通，F(xiàn)、G、H、I、J五個孔連通。使用實驗板時，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，并且讓應該連接在一起的引腳插入同一組的五個孔就可以了，不需要焊接，也不需要接線柱。[事件3]教學任務：實驗1——光控開關(guān)師生活動：甲問題展示：(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：組裝電路圖應注意些什么？交流結(jié)果：①圖甲中的接地符號表示電路的公共端，并非與大地連接。5V電源的負極是與接地端連接的。②在電子技術(shù)中，習慣上常用“電平”來描述邏輯電路的輸入端和輸出端的狀態(tài)。其實，電平值就是某個端點與“地”之間的電壓。③因為控制門電路的邏輯狀態(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)器把模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。⑤R2是發(fā)光二極管的限流電阻，使通過它的電流不超過10mA。思考并討論：電流是怎樣流動的？預測：學生難回答，感到困惑。(此電路含有門電路，表示的是邏輯關(guān)系，這部分與學生原有的認知相沖突，教師作講解)教師講解：圖甲是對電路的簡化畫法。甲圖實際上各個支路的電流都構(gòu)成了回路。可用下圖表示，在集成塊中，既流過了它本身的工作電流，又流過了通過發(fā)光二極管的電流，都從標有“GND”的引腳匯集流出，回到電源。教師提問：請同學們試著分析一下光控電路的工作原理。原理分析：白天，光強度較大，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不導通；當天色暗到一定程度時，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導通發(fā)光(相當于路燈亮了)，這樣就達到了使路燈天明熄滅，天暗自動開啟的目的?；ブ献鳎簩W生分小組根據(jù)電路圖連接實物圖。(培養(yǎng)學生的動手能力，教師巡回指導)功能預測：連接完畢后，教師可讓學生自行檢測其作品是否能實現(xiàn)預期功能。思考討論：要想在天色更暗時路燈才會亮，應該把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電壓達到某個值(如V)，就需要RG的阻值達到更大，即天色更暗。實驗驗證：學生再次動手做實驗，驗證分析的結(jié)果。(體驗成功的喜悅)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的電流較小，要用白熾燈泡模仿路燈，就要使用繼電器來啟閉工作電路。提出問題：J是什么？Ja是什么？學生預測：繼電器線圈未通電時處于斷開狀態(tài)的靜觸點，稱為“常開觸點”。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為動觸點，E為靜觸點。試分析電磁繼電器的工作原理。學生分析：當線圈A中通電時，鐵芯中產(chǎn)生磁場，吸引銜鐵B向下運動，從而帶動觸點D向下與E接觸，將工作電路接通；當線圈A中電流為零時，電磁鐵失去磁性，銜鐵B在彈簧作用下拉起，帶動觸點D與E分離，自動切斷工作電路。問題拓展：說明控制電路的工作原理。學生分析：天較亮時，光敏電阻RG阻值較小，斯密特觸發(fā)器輸入端A電勢較低，則輸出端Y輸出高電平，線圈中無電流，工作電路不通；天較暗時，光敏電阻RG電阻增大，斯密特觸發(fā)器輸入端A電勢升高，當升高到一定值，輸出端Y由高電平突然跳到低電平，有電流通過線圈A，電磁繼電器工作，接通工作電路，使路燈自動開啟；天明后，RG阻值減小，斯密特觸發(fā)器輸入端A電勢逐漸降低，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，則電磁繼電器自動切斷工作電路的電源，路燈熄滅。[事件4]教學任務：實驗2——溫度報警器(熱敏電阻式報警器)師生活動：創(chuàng)設(shè)問題：上一節(jié)我們學習了火災報警器，它是利用煙霧對光的散射作用，使火災發(fā)出的光引起光敏電阻的阻值變化，從而達到報警目的的。這種設(shè)計其敏感性是否值得懷疑，你想過嗎？既然發(fā)生火災時，環(huán)境溫度要升高，我們能不能用溫度傳感器來做成火災報警器呢？學生預測：小組分工、討論并交流結(jié)果。交流結(jié)果：(PPT投影)溫度報警器的工作電路，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：請同學們試著分析一下溫度報警器的工作原理。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，無電流通過蜂鳴器，蜂鳴器不發(fā)聲；當溫度升高時，熱敏電阻RT阻值減小，斯密特觸發(fā)器輸入端A電勢升高，當達到某一值(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)出報警聲，R1的阻值不同，則報警器溫度不同。互助合作：學生分小組根據(jù)電路圖連接實物圖如圖所示。功能預測：連接完畢后，教師可讓學生自行檢測其作品是否能實現(xiàn)預期功能。(教師巡回指導)思考討論：要使熱敏電阻在感測到更高的溫度時才報警，應該把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)器輸入端達到高電平，則熱敏電阻阻值要求越小，即溫度越高。實驗驗證：學生再次動手驗證分析的結(jié)果。(體驗成功的喜悅)[事件5]教學任務：學以致用，解決實際問題。師生活動：實例探究：(PPT投影)現(xiàn)有熱敏電阻、電爐絲、電源、電磁繼電器、滑動變阻器、開關(guān)和若干導線，如下圖所示，試設(shè)計一個控溫電路，要求溫度低于某一溫度時，電爐絲自動通電供熱，超過某一溫度時，又自動斷電，畫出電路圖，說明工作原理。解析：(PPT投影)(1)電路圖如下圖所示：熱敏電阻R1與滑動變阻器及電磁繼電器構(gòu)成低壓控制電路。(2)工作過程，閉合S，當溫度低于設(shè)計值時，熱敏電阻阻值大，通過電磁繼電器的電流不能使它工作，K接通電爐絲加熱，當溫度達到設(shè)計值時，熱敏電阻減小到某值，通過電磁繼電器的電流達到工作電流，K斷開，電爐絲斷電，停止加熱，當溫度低于設(shè)計值，又重復前述過程。課堂小結(jié)[事件6]教學任務：(PPT投影)引導學生小結(jié)本節(jié)課的學習活動。

布置作業(yè)1．復習本節(jié)教材。2．完成課本課后問題與練習。eq\o(\s\up7(),\s\do5(板書設(shè)計))4傳感器的應用實驗1．二極管的特點和作用：單向?qū)щ娦裕l(fā)光二極管不但能單向?qū)щ?，還能發(fā)光。2．三極管的特點和作用：能放大微弱的電流。3．斯密特觸發(fā)器的特點和作用：觸發(fā)器其實由6個非門電路組成