高中物理-3传感器的应用实例教案-新人教版选修3.doc

3　传感器的应用实例

教学分析　　　　　
传感器在实际应用中，大多情况是用来完成一定控制任务的，本节使用常见的少量电子元器件，组装实用的光控开关和温度报警电路。目的是使学生动手体会传感器的应用，培养组装和调试电子电路的能力。本实验可行性强，电路简单，容易操作，元件可以反复使用。实验使用的元器件符合现在市场发展水平，教学理念先进，用集成数字电路实现控制功能。能够帮助学生了解现在电子行业的发展层次，加强理论联系实际，树立学以致用的教育理念。
教学目标　　　　　
1．识别各种晶体管、逻辑集成电路块、集成电路实验板，知道各种元器件的性能和引脚关系。
2．了解光控开关电路及控制原理，会组装光控开关。
3．了解温度报警器及控制原理，会组装温度报警器。
4．通过实验的方法，让学生在组装和调试中，更为深入地认识传感器的应用。
5．培养学生的学习兴趣，倡导以创新为主、实践为重的素质教育理念。
教学重点难点　　　
1．传感器的应用实例。
2．由门电路控制的传感器的工作原理。
教学方法与手段　　
PPT课件；演示实验；讲授。

教学媒体　　　　　
斯密特触发器或非门电路，二极管，三极管，蜂鸣器，滑线变阻器，热敏电阻，光敏电阻。
知识准备　　　　　
介绍发光二极管、74LS14集成电路块、集成电路实验板(面包板)等元件的功能和作用，以及如何识别这些元件的外部引脚。

导入新课　　　　　
[事件1]
教学任务：创设情景，导入新课。
问题展示：上节课我们学习了温度传感器、光传感器及其工作原理。请大家回忆一下我们学了哪些具体的温度、光传感器。
思考并回答：电饭锅、测温仪、鼠标器、火灾报警器。
导入新课　　　　　
随着人们生活水平的提高，传感器在工农业生产中的应用越来越广泛，如走廊里的声、光控开关，温度报警器，孵小鸡用的恒温箱，路灯的自动控制，银行门口的自动门等，都用到了传感器。传感器的工作离不开电子电路，传感器只是把非电学量转换成电学量，对电学量的放大、处理均是通过电子元件组成的电路来完成的。
这节课我们就来动手组装光控开关或温度报警器。
推进新课　　　　　
[事件2]
教学任务：相关元件的作用功能及其工作原理。
师生活动：
在我们学习这些知识之前，先要学习一些相关的元件的作用、功能及其工作原理。
1.发光二极管

发光二极管
发光二极管简称为LED，如下图所示。发光二极管与普通二极管一样是由一个PN结组成，也具有单向导电性。当给发光二极管加上正向电压后，从P区注入N区的空穴和由N区注入P区的电子，在PN结附近数微米内分别与N区的电子和P区的空穴复合，产生自发辐射的荧光。不同的半导体材料中电子和空穴所处的能量状态不同。当电子和空穴复合时释放出的能量多少不同，释放出的能量越多，则发出的光的波长越短。常用的是发红光、绿光或黄光的二极管。
[演示]
实验
检测发光二极管
按照图1连接电路使发光二极管工作，电源为3 V的电池组，串联的限流电阻R可取220 Ω或270 Ω，接通开关，二极管就会发光，这时通过它的电流约为几毫安。如果将电源改为1.5 V，二极管就不发光了，因为这类发光二极管正向导通电压大于1.8 V。

　　　　　发光二极管的工作电路　　用欧姆表检测发光二极管
观察与描述：学生观察实验，逐一描述实验现象，其他学生补充和修正。
思考：正向导通电压是多少？实验中为何要串联一电阻R?
学生预测：正向导通电压大于1.8 V，普通发光二极管工作电流只需要几毫安，最大不得超过10 mA。过大的电流会损坏发光二极管，因此，在使用时必须串联合适的限流电阻R。
总结：(1)二极管具有单向导电性。
(2)发光二极管除了具有单向导电性外，导电时还能发光，普通发光二极管使用磷化镓或磷砷化镓等半导体材料制成，直接将电能转化为光能，该类发光二极管工作电流只需要几毫安，最大不得超过10 mA，正向导通电压大于1.8 V。
随堂练习1：①普通二极管具有导电性，在电子电路中有多种运用，在用多用电表欧姆挡测量二极管的正向导通电阻时，黑表笔应接二极管的极，若发现阻值较大，则与黑表笔接触的是二极管的极。
②发光二极管除了具有单向导电性外，导电时还能发光，用磷化镓或磷砷化镓等半导体材料制成，直接将能转化为能。
答案：①单向　阳　阴　②电　光
2．晶体三极管
晶体三极管是电子电路的核心元件，具有电流放大作用。其实质是三极管能以基极电流微小的变化量来控制集电极电流较大的变化。

三极管是在一块半导体基片上制作两个相距很近的PN结，两个PN结把整块半导体分成三部分，中间部分是基区，两侧部分是发射区和集电区，排列方式有PNP和NPN两种，如下图所示，从三个区引出相应的电极，分别为基极b发射极e和集电极c。
发射区和基区之间的PN结叫发射结，集电区和基区之间的PN结叫集电极。基区很薄，而发射区较厚，杂质浓度大，PNP型三极管发射区“发射”的是空穴，其移动方向与电流方向一致，故发射极箭头向里；NPN型三极管发射区“发射”的是自由电子，其移动方向与电流方向相反，故发射极箭头向外。发射极箭头指向也是PN结在正向电压下的导通方向。硅晶体三极管和锗晶体三极管都有PNP型和NPN型两种类型。
总结：(1)三极管具有电流放大作用。
(2)晶体三极管能够将微弱的信号放大，三极管的三个极分别是发射极e，基极b和集电极c。
(3)传感器输出的电流和电压很小，用一个三极管可以放大几十倍或几百倍，三极管的放大作用表现为基极b的电流对集电极c的电流起了控制作用。
随堂练习2：①晶体三极管能够把微弱的信号。常用的三极管是用和制成的，它有三个极，分别为、、。
②传感器输出的电流或电压很，用一个三极管可以放大几十倍以至上百倍。三极管的放大作用表现为的电流对的电流起了控制作用。
2．逻辑电路
逻辑电路是以二进制为原理、实现数字信号逻辑运算和操作的电路。分组合逻辑电路和时序逻辑电路。前者的逻辑功能与时间无关，即不具记忆和存储功能，后者的操作按时间程序进行。由于只分高、低电平，抗干扰力强，精度和保密性佳。广泛应用于计算机、数字控制、通信、自动化和仪表等方面。逻辑门电路包括与门，或门，非门。
(1)与门：只要一个输入端输入为0，则输出端一定是0，只有当所有输入端输入都同为1时，输出才是1。
(2)或门：只要一个输入端输入为1，则输出一定是1，反之，只有当所有输入端都为0时，输出端才是0。
(3)非门：当输入为0时，输出总是1；当输入为1时，输出反而是0，非门电路也称反相器。
(4)斯密特电路
斯密特触发器是特殊的非门电路，当加在它的输入端A的电压逐渐上升到某个值1.6 V时，输出端Y会突然从高电平调到低电平0.25 V，而当输入端A的电压下降到另一个值0.8 V的时候，Y会从低电平跳到高电平3.4 V。斯密特触发器可以将连续变化的模拟信号转换为突变的数字信号，而这正是进行光控所需要的。对于斯密特触发器的性能描述，可用下图所示的图象来描述。

随堂练习3：试判断下列各是什么门电路的真值表？各有何特点？

输入
输出

A
B
Y
0
0
0
0
1
0
1
0
0
1
1
1
(与)__门　　　　
输入
输出

A
B
Y
0
0
0
0
1
1
1
0
1
1
1
1
(或)__门　　　　
输入
输出
A
Y
0
1
1
0
__(非)__门
3．集成电路实验板
教师介绍：
实验板由塑料制成，上下两面的结构如下图所示。板的上面有许多整齐排列的小插孔，分布在凹槽的两侧，每个孔内都有一个用来夹持元件引线的铜爪，它们由若干条形铜片按一定的规律连接起来，揭去板的下面的塑料膜，就能看清楚。其中标有X的一行小孔是用整条铜片连通的，通常用来连接电源的正极，标有Y的一行小孔也是用整条铜片连通的，通常用来连接电源的负极(接地端)。其余的孔则是每五个为一组纵向连通，例如第一列的A、B、C、D、E五个孔连通，F、G、H、I、J五个孔连通。

使用实验板时，集成电路要跨在凹槽之上，让它两侧的引脚分别插入E、F等孔。其余的元件按照电路的结构插入合适的孔中，并且让应该连接在一起的引脚插入同一组的五个孔就可以了，不需要焊接，也不需要接线柱。
[事件3]
教学任务：实验1——光控开关
师生活动：

甲
问题展示：(PPT投影)如图所示光控电路，用发光二极管LED模仿路灯，RG为光敏电阻，R1的最大电阻为51 kΩ，R2为330 kΩ，试分析其工作原理。
思考并讨论：电路由哪几部分组成？
学生回答：斯密特触发器、光敏电阻、发光二极管LED模仿路灯、滑线变阻器、定值电阻。
思考并分析：组装电路图应注意些什么？
交流结果：①图甲中的接地符号表示电路的公共端，并非与大地连接。5 V电源的负极是与接地端连接的。
②在电子技术中，习惯上常用“电平”来描述逻辑电路的输入端和输出端的状态。其实，电平值就是某个端点与“地”之间的电压。
③因为控制门电路的逻辑状态的物理量是输入端的电平，而不是电流或电阻，所以要将电阻R1与光敏电阻RG组成串联分压电路，把光敏电阻因光照而发生的电阻的变化，转化为电压的变化，加到非门的输入端A。
④控制灯的亮、灭需要的是一种跳变的开关量，而光敏电阻输出的是连续变化的模拟量，所以要使用触发器把模拟信号转换为数字信号。
⑤R2是发光二极管的限流电阻，使通过它的电流不超过10 mA。
思考并讨论：电流是怎样流动的？
预测：学生难回答，感到困惑。(此电路含有门电路，表示的是逻辑关系，这部分与学生原有的认知相冲突，教师作讲解)
教师讲解：图甲是对电路的简化画法。甲图实际上各个支路的电流都构成了回路。可用下图表示，在集成块中，既流过了它本身的工作电流，又流过了通过发光二极管的电流，都从标有“GND”的引脚汇集流出，回到电源。

教师提问：请同学们试着分析一下光控电路的工作原理。
原理分析：白天，光强度较大，光敏电阻RG电阻值较小，加在斯密特触发器A端的电压较低，则输出端Y输出高电平，发光二极管LED不导通；当天色暗到一定程度时，RG的阻值增大到一定值，斯密特触发器的输入端A的电压上升到某个值(1.6 V)，输出端Y突然从高电平跳到低电平，则发光二极管LED导通发光(相当于路灯亮了)，这样就达到了使路灯天明熄灭，天暗自动开启的目的。
互助合作：学生分小组根据电路图连接实物图。(培养学生的动手能力，教师巡回指导)
功能预测：连接完毕后，教师可让学生自行检测其作品是否能实现预期功能。
思考讨论：要想在天色更暗时路灯才会亮，应该把R1的阻值调大些还是调小些？为什么？
交流结果：应该把R1的阻值调大些，这样要使斯密特触发器的输入端A电压达到某个值(如1.6 V)，就需要RG的阻值达到更大，即天色更暗。
实验验证：学生再次动手做实验，验证分析的结果。(体验成功的喜悦)
思维拓展：(PPT投影)在下图中，用白炽灯模仿路灯，为何要用到继电器？

分析交流：由于集成电路允许通过的电流较小，要用白炽灯泡模仿路灯，就要使用继电器来启闭工作电路。
提出问题：J是什么？Ja是什么？
学生预测：继电器线圈未通电时处于断开状态的静触点，称为“常开触点”。
深入探究：(PPT投影)如下图所示电磁继电器工作电路，图中虚线框内即为电磁继电器，D为动触点，E为静触点。试分析电磁继电器的工作原理。

学生分析：当线圈A中通电时，铁芯中产生磁场，吸引衔铁B向下运动，从而带动触点D向下与E接触，将工作电路接通；当线圈A中电流为零时，电磁铁失去磁性，衔铁B在弹簧作用下拉起，带动触点D与E分离，自动切断工作电路。
问题拓展：说明控制电路的工作原理。
学生分析：天较亮时，光敏电阻RG阻值较小，斯密特触发器输入端A电势较低，则输出端Y输出高电平，线圈中无电流，工作电路不通；天较暗时，光敏电阻RG电阻增大，斯密特触发器输入端A电势升高，当升高到一定值，输出端Y由高电平突然跳到低电平，有电流通过线圈A，电磁继电器工作，接通工作电路，使路灯自动开启；天明后，RG阻值减小，斯密特触发器输入端A电势逐渐降低，降到一定值，输出端Y突然由低电平跳到高电平，则线圈A不再有电流，则电磁继电器自动切断工作电路的电源，路灯熄灭。
[事件4]
教学任务：实验2——温度报警器(热敏电阻式报警器)
师生活动：
创设问题：上一节我们学习了火灾报警器，它是利用烟雾对光的散射作用，使火灾发出的光引起光敏电阻的阻值变化，从而达到报警目的的。这种设计其敏感性是否值得怀疑，你想过吗？既然发生火灾时，环境温度要升高，我们能不能用温度传感器来做成火灾报警器呢？
学生预测：小组分工、讨论并交流结果。

交流结果：(PPT投影)温度报警器的工作电路，如图所示。

思考讨论：电路由哪几部分组成？
学生回答：斯密特触发器、热敏电阻、蜂鸣器、变阻器、定值电阻。
教师提问：请同学们试着分析一下温度报警器的工作原理。
原理分析：常温下，调整R1的阻值使斯密特触发器的输入端A处于低电平，则输出端Y处于高电平，无电流通过蜂鸣器，蜂鸣器不发声；当温度升高时，热敏电阻RT阻值减小，斯密特触发器输入端A电势升高，当达到某一值(高电平)，其输出端由高电平调到低电平，蜂鸣器通电，从而发出报警声，R1的阻值不同，则报警器温度不同。
互助合作：学生分小组根据电路图连接实物图如图所示。

功能预测：连接完毕后，教师可让学生自行检测其作品是否能实现预期功能。(教师巡回指导)
思考讨论：要使热敏电阻在感测到更高的温度时才报警，应该把R1的阻值调大些还是调小些？为什么？
交流结果：应该减小R1的阻值。R1阻值越小，要使斯密特触发器输入端达到高电平，则热敏电阻阻值要求越小，即温度越高。
实验验证：学生再次动手验证分析的结果。(体验成功的喜悦)
[事件5]
教学任务：学以致用，解决实际问题。
师生活动：
实例探究：(PPT投影)现有热敏电阻、电炉丝、电源、电磁继电器、滑动变阻器、开关和若干导线，如下图所示，试设计一个控温电路，要求温度低于某一温度时，电炉丝自动通电供热，超过某一温度时，又自动断电，画出电路图，说明工作原理。

解析：(PPT投影)
(1)电路图如下图所示：热敏电阻R1与滑动变阻器及电磁继电器构成低压控制电路。

(2)工作过程，闭合S，当温度低于设计值时，热敏电阻阻值大，通过电磁继电器的电流不能使它工作，K接通电炉丝加热，当温度达到设计值时，热敏电阻减小到某值，通过电磁继电器的电流达到工作电流，K断开，电炉丝断电，停止加热，当温度低于设计值，又重复前述过程。
课堂小结　　　　　
[事件6]
教学任务：(PPT投影)引导学生小结本节课的学习活动。

　　布置作业　　　　　
1．复习本节教材。
2．完成课本课后问题与练习。

3　传感器的应用实例
1．二极管的特点和作用：单向导电性，发光二极管不但能单向导电，还能发光。
2．三极管的特点和作用：能放大微弱的电流。
3．斯密特触发器的特点和作用：触发器其实由6个非门电路组成。
4．斯密特触发器的应用：光控电路，温度报警器。

实验参考资料
1．微型电位器(可调电阻器)
教科书图6.59照片中的电阻器，就是一种微型电位器，可以插在面包板上使用。它有三个引脚，两侧的引脚接到电阻体(附着在绝缘物上的圆弧形碳膜)的两端，中央的引脚接到滑动片上，用小螺丝刀旋动圆形金属片中间的一字形窄孔，就可以改变滑动片在电阻体上接触的位置，从而改变中央与任意一侧这两个引脚之间的电阻值。
2．蜂鸣器(微型直流音响器)
实验2中使用的蜂鸣器其实是一种微型直流音响器。它的外形如图1所示，黑色的塑料外壳很小巧，直径只有十几毫米，高度在十毫米左右。顶部开圆孔使声音传出，底部有两根引脚连接电源，其中长脚要接电源的正极。YMD12095Ⅰ型自带音源，接通电源时，就会发出连续的声音，频率约2 000 Hz。它的发生器相当于一个动圈式耳机，由装在音响器内部的集成音频振荡和放大电路来驱动。它的工作电压分为1.5、3、6、9、12 V五种，本实验可以选用3 V或6 V的。

图1

图2

3．微型电磁继电器
实验1的图6.42中，使用了微型电磁继电器。实验选用的是型号为JRC21F或(HRS1HS)的，它的引脚的直径和间距适合插在面包板上。工作电压分几种，本实验选用5 V的。这种继电器是密封的，内部电磁铁的线圈电阻约为120 Ω，工作电流约为40 mA，并且具有一组转换型触点，触点允许通过的最大直流电流为1 A。外形和引脚的功能如上图2所示，引脚2、5间为线圈，1与6在内部接通，4、6间为常开型触点，1、3间为常闭型触点，实验时要照此连接。

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