《實(shí)驗(yàn)：傳感器的應(yīng)用》名師教案

1/106.3實(shí)驗(yàn)：傳感器的應(yīng)用安徽省阜陽(yáng)二中侯偉杰教材分析本章講述傳感器的相關(guān)知識(shí)。這部分內(nèi)容是《課程標(biāo)準(zhǔn)》中“在課程內(nèi)容上體現(xiàn)時(shí)代性”的一個(gè)標(biāo)志。本章共有三節(jié)，第一節(jié)介紹常見(jiàn)的傳感器及其基本工作原理；第二節(jié)介紹常見(jiàn)傳感器在生活中的應(yīng)用；本節(jié)是常見(jiàn)傳感器的應(yīng)用研究。教材在本節(jié)安排了兩個(gè)用傳感器完成一定控制任務(wù)的學(xué)生實(shí)驗(yàn)，其目的是使學(xué)生動(dòng)手體會(huì)傳感器的應(yīng)用，培養(yǎng)學(xué)生組裝和調(diào)試電子電路的能力。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。學(xué)情分析通過(guò)第一節(jié)和第二節(jié)的學(xué)習(xí)，學(xué)生對(duì)傳感器已經(jīng)有了初步的了解。但是學(xué)生在技術(shù)方面的知識(shí)仍然十分匱乏的，動(dòng)手能力也亟待培養(yǎng)。核心素養(yǎng)通過(guò)《實(shí)驗(yàn)：傳感器的應(yīng)用》的探究學(xué)習(xí)過(guò)程，培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力，體會(huì)物理知識(shí)在實(shí)際中的應(yīng)用，在現(xiàn)代社會(huì)中的作用及意義。增強(qiáng)學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際的意識(shí)，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)良好的科學(xué)態(tài)度。教學(xué)目標(biāo)1．了解斯密特觸發(fā)器的工作特點(diǎn)，了解兩個(gè)實(shí)驗(yàn)的基本原理。2．通過(guò)實(shí)驗(yàn)，加深對(duì)傳感器作用的體會(huì)，培養(yǎng)動(dòng)手能力。教學(xué)重點(diǎn)、難點(diǎn)重點(diǎn)：1．了解斯密特觸發(fā)器的工作特點(diǎn)，能夠分析光控電路的工作原理。2．理解溫度報(bào)警器的電路工作原理。難點(diǎn)：光控電路和溫度報(bào)警器電路的工作原理。教學(xué)方法講授法、談?wù)摲?、演示法、討論法、啟發(fā)法課前準(zhǔn)備斯密特觸發(fā)器（74ls14集成電路塊），二極管，蜂鳴器，變阻器，熱敏電阻，光敏電阻，5V直流電源，面包板等。教學(xué)過(guò)程課前：登陸優(yōu)教平臺(tái)，發(fā)送預(yù)習(xí)任務(wù)。根據(jù)優(yōu)教平臺(tái)上學(xué)生反饋的預(yù)習(xí)情況，發(fā)現(xiàn)薄弱點(diǎn)，針對(duì)性教學(xué)。（優(yōu)教提示：請(qǐng)登陸優(yōu)教平臺(tái)，發(fā)送本節(jié)預(yù)習(xí)任務(wù)）（一）引入新課隨著科技的發(fā)展，傳感器的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，如走廊里的聲、光控開(kāi)關(guān)（實(shí)物展示內(nèi)部結(jié)構(gòu)），火災(zāi)報(bào)警器，路燈的自動(dòng)控制，商場(chǎng)酒店門(mén)口的自動(dòng)門(mén)等都用到了傳感器。就連我們每天都用的手機(jī)，也用了多種傳感器。請(qǐng)同學(xué)們討論一下手機(jī)用到了哪些類(lèi)型的傳感器？接下來(lái)請(qǐng)欣賞老師自制智能機(jī)器人小車(chē)的超聲波避障表演（實(shí)物展示）大家想不想也制作一些類(lèi)似的科技作品呢？首先我們需要學(xué)習(xí)一些與傳感器相關(guān)的知識(shí)和技能，這節(jié)課我們就來(lái)動(dòng)手制作光控開(kāi)關(guān)或溫度報(bào)警器吧！（二）進(jìn)行新課教學(xué)任務(wù)1：了解相關(guān)元件的功能及其工作原理。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)光二極管簡(jiǎn)稱(chēng)為L(zhǎng)ED，如圖所示。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３Ｓ玫氖前l(fā)紅光、綠光或黃光的二極管。[演示實(shí)驗(yàn)]檢測(cè)發(fā)光二極管按照如圖連接電路使發(fā)光二極管工作，電源為5V的電源，串聯(lián)的限流電阻R可取220Ω，調(diào)節(jié)變阻器，二極管就會(huì)發(fā)光，這時(shí)通過(guò)它的電流僅為幾毫安。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：正向?qū)妷捍笥?.8V，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)合適的限流保護(hù)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(lèi)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?.8V。2.邏輯電路（快速?gòu)?fù)習(xí)3-1邏輯電路）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。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(mén)電路包括與門(mén)，或門(mén)，非門(mén)。(1)與門(mén)：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(mén)：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(mén)：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(mén)電路也稱(chēng)反相器。3.斯密特電路（74ls14集成電路塊）斯密特觸發(fā)器是一種特殊的非門(mén)電路，當(dāng)加在它的輸入端A的電壓逐漸上升到某個(gè)值1.6V時(shí)，輸出端Y會(huì)突然從高電平調(diào)到低電平0.25V，而當(dāng)輸入端A的電壓下降到另一個(gè)值0.8V的時(shí)候，Y會(huì)從低電平跳到高電平3.4V。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，可用如圖所示的圖象來(lái)描述。4.集成電路實(shí)驗(yàn)板（俗稱(chēng)面包板）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(xiàn)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?xiě)?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(xiàn)柱。教學(xué)任務(wù)2：實(shí)驗(yàn)Ⅰ——光控開(kāi)關(guān)師生活動(dòng)：?jiǎn)栴}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、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(mén)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(mén)的輸入A端。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。教師提問(wèn)：請(qǐng)同學(xué)們?cè)谌鐖D的提示下試著分析一下光控電路的工作原理。原理分析：白天，光強(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(1.6V)，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。互助合作：學(xué)生分小組根據(jù)電路圖連接實(shí)物圖9。(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1.6V)，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。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(xiàn)框內(nèi)即為電磁繼電器，D為動(dòng)觸點(diǎn)，E為靜觸點(diǎn)。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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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。教學(xué)任務(wù)：實(shí)驗(yàn)Ⅱ——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：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)那么大家學(xué)完以上實(shí)驗(yàn)以后是不是就可以制作本課開(kāi)始的時(shí)候大家看到的機(jī)器人小車(chē)了呢？暫時(shí)還不行，大家還需要了解一些自動(dòng)化方面的知識(shí)。開(kāi)拓視野（教師展示）展示：基于Arduino開(kāi)發(fā)板的一些智能化的控制作品。談一談：學(xué)生以攝像頭（光學(xué)傳感器）為例從正反兩個(gè)方面談一談傳感器給人們生活帶來(lái)的影響？進(jìn)一步探討了科技發(fā)展給人類(lèi)帶來(lái)的利和弊。體會(huì)傳感器給人帶來(lái)方便的同時(shí)也會(huì)給人們帶來(lái)負(fù)面影響。突出物理教學(xué)與文化、社會(huì)生活的聯(lián)系。對(duì)學(xué)生進(jìn)一步進(jìn)行情感態(tài)度和價(jià)值觀方面的教育。課堂小結(jié)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)。課堂訓(xùn)練（優(yōu)教提示：打開(kāi)優(yōu)教配套習(xí)題，使用互動(dòng)答題卡