高中物理-1 传感器及其工作原理教学设计学情分析教材分析课后反思

《传感器及其工作原理》教学设计

【教材分析】

本节课是出自选修3-2第六章《传感器》的第一节，第六章是继电磁感应、

交变电流之后的一个独立章节，是新课程新增的教学内容，而本节课又是本章的

开篇之作。因此本节课既是之后学习的铺垫和准备，也能够充分展现新课程的“让

物理贴近生活，让物理走向社会”的理念。

本节教学内容主要包括“什么是传感器”、“光敏电阻”、“热敏电阻和热

金属电阻”、“电容式位移传感器”以及“霍尔元件”五个部分，本节课教学内

容的主要特点是定性研究一些原理性基础知识，但不做定量的计算。教学的关键

在于多举例子和多做实验，很多初看起来的很神秘的原理，动手一做就可明白其

中的物理奥妙。所以本节课的学习过程应是快乐轻松的，能让学生学到许多与生

活相关的实用知识，还能够培养他们理论联系实际的科学素养。

【教学目标】

1.知识与技能：①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，培养学生的实践能力和创新思维能力.

3.情感态度与价值观：在理解传感器工作原理的基础上，通过自己设计

简单的传感器，体验科技创新的乐趣，激发学习物理的兴趣

【学情分析】

本节课的主要学习对象是高二理科学生，他们在之前的学习中已经掌握了有

关力、热、电、磁、光等基本知识和原理，尤其有关电路、磁场的内容，这是学

习本节课的知识储备。

近年来，传感器的应用日益普遍，可以说是处处皆是。俗话说“处处留心皆

学问”，那么学生只要细心观察，就肯定会发现生活中的传感器的“影子”。然而，

他们此前并没有接触有关传感技术的知识，可能并不知道某些实例是传感器的应

用，或者略知一二。这就可以作为本节课教学的经验基础，教学中应充分调动学

生的思维，积极回忆和联想生活中传感器实例，让他们感觉到传感器其实就在身

边，消除一些同学的学习心理障碍。此外，高中学生可能并不满足只知道“什么

是传感器”和“生活中有哪些传感器”，因此这一兴趣特征就能够激发起学生的

探究欲望和自主学习的热情，从而为本节课的实验探究提供了有利条件。

本节课要求学生进行合作学习，分组实验，就需要有学习小组，学习小组从

上高一就开始使用，老师学生都己经驾轻就熟，保证了分组实验的高效性。

学生对实验的热情和对未知世界的探究欲望，保证了在这节课学习过程中始

终保持饱满的学习热情和极高的参与积极性。

【教学方式】讲解、动手实验、学生阅读、讨论法

【教学过程】

教学内容教师活动学生活动设计意图

引入课题【创设情景工遥感卫星能在高空一览无遗地学生观察思考创设情景引

观测地貌植被；计算机的显示屏上能实时显示起学生的兴

远隔千里的画面；机器人能替代人完成各种复趣

杂的劳动（如上图）.这些现代化设备，有的复

杂庞大，有的简单精巧，但它们都需要一种装

置一传感器来获取信息.那么，什么是传感

新课教学：器？它为什么能获取信息，工作原理又是什么生猜：（可以自由由简单的传

1、传感器呢？讨论，也可以请学感器“永磁

师：板书6.1传感器及其工作原理生回答）体控制小灯

【用flash演示实验1］干簧管控制电路的通泡开关”的

断实验，引入

如图，小盒子A的侧面露出一个小灯泡，传感器教

盒外没有开关，但是把磁铁B放到盒子上面，学，让学生

灯泡就会发光，把磁铁移走，灯泡熄灭.从了解干簧

B

管构造及其

工作原理中

师问：盒子里有怎样的装置，才能实现这样的获得传感器

控制？的感性认

识。

师生探究：打开盒子，用视频播方【展示盒内的

电路图，了解^匕件“干簧管”的结构。

探明原因：玻璃管内封入两个软硬初生材料制成

的簧片。当磁铁靠近干簧管时，网i个簧片被磁

化而接通，电路导通。所以，干簧f管能起到开

■___sj-

—

关的作用。

师点拨：这个4克置反过来还可以让我们通过

灯泡的发光情2兄，感知干簧管周围是否存在

着磁场

总结：干簧管能够感知磁场并能在!它转换为电

路的通断

学生举洌

师：同学们想一想在我们的口常生:活中有没有

类似的情形？

生：（思考一分专¥）如自动门，自动干手机

遥控器控制电视开关

日光控制路灯的开关

使学生能从

声音强弱控制走廊照明灯开关

这些简单的

电饭锅的温控开关、养鸡场里的明M七器

例子中，概

交警用来测驾期1员是否酒后开车的酒精气体

括出传感器

测试仪、

学生思考的概念。

磁悬浮列车里的加速度测试器等等

师：通过以上事例，大家试着总经i一下什么叫

做传感器？

生：（思考半分专中）传感器就是把一些非电学

量转换为电学量或转换为电路的边3断。

师：很好，那些非电学量？比如说…

生：把力、声音、温度、位移、磁场等这些非

电学量转换成电压、电流、电阻、电容等电学

量或电路的通断。

师：说的非常好。教师用PPT展示传感器的定

义及传感器的工作原理。

师：为什么要把这些非电学量转换成电学量

呢？

生：电压、电流这些电学量更容易测量。

师：对。教师用PPT展示使用传感器的意义

教师板书：一、传感器：学生记笔记听的同时记，

非电学量笔换_►电学量提高课堂效

意义：便于测量、传输、处理和控制率

2、制作传为了制作传感器，需要一些元器件，下面让学生通过

我们就来看几个实际的例子。

感器的一实验去感知

（1）光敏电阻

些敏感元光敏电阻的

有一些物质，例如硫化镉，电阻率与所受光

件：特性，而不是

照的强度有关。把硫化镉涂敷在绝缘板上，在

其表面再用银浆涂敷两个互不相连的栅状电听老师讲出

极，这样就制成了一个光敏电阻。硫化镉表面来的。

受到的光照强度不同时，两个电极间的电阻也

不一样。下面我们通过实验来检验一下光敏电

阻特性：

实验电路图：

is

左边的电路：小灯泡和滑动变阻器串联，通过学生分组实验

调节滑动变阻器可以调节小灯泡的亮度，给光

敏电阻提供不同的光照强度。

右边的电路：用万用表的欧姆档测量不同光照

情况下光敏电阻的阻值变化情况。

学生总结实验结果：光敏电阻的阻值跟光

照强弱有关光照增强时阻值减小，光照减弱时

阻值增大。

师生总结：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。

【用flash演示半导体的导电机理,]

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。

【典例1】如图6.1.5所示，此为定值电阻，L为小灯泡，

A为光■电阻，当照射光强度增大时＜).

A.电压表的示数增大

学生观察当光照

B.勺中电流流小

C.小灯泡的功率增大增强时载流子怎通过flash动

D.电路的路端电压增大

么变，当光照减弱画演示半导

&时载流子怎么变体导电机理

让学生更形

象的理解

练1.如图6T—3所示为光敏电阻自动计数器的示意图，其中均学生做洌题

为光敏电阻,R?为趟蛆.此光电计勰的林工作原理是

()

通过例题和

A.当有光照烟时,信号处理系统翻高电压

B.当有光照烟时,信号处理系统获得低电压练习题1让学

C.信号处理系统鞅得-加电压就计数一次

生更深刻的

D.信号姆系统敏福一次触压就计教一次

体会光敏电

阻的特性，及

学生做练习1其在传感器

理解简单计数器中的应用

信号

n处理

・系统的原理,并通过实

验去亲自体验

【分组实验】计数器的原理

「——1

\//x//1

i

11I■I

学生用老师提供的实验器材连接好电路做挡

一次光记一次数的实验，体验传感器的使用。

板书(1)光敏电阻：阻值随光照增强而减小

金属热电阻和热敏电阻

(2)学生画小灯泡的伏应用1口知识

师问：金属导体的导电性能与温度有关

安特性曲线并思考解决新问

吗？关系如何？

金属热电阻的阻值题，让学生

师：小灯泡的灯丝是用铝丝做的，相当于

随温度怎么变？灵活运用基

金属热电阻，同学们回忆一下我们在前面做过

描绘小灯泡的伏安卷性曲线，请同学们画出础知识

来。

师生总结：金属导体的电阻随温度的升高

而增大，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钳可制

作精密的电阻温度计。

分组实验：学生探究热敏电阻的特性

学生六人一组，用万用电表的欧姆挡测一学生分组实验

只热敏电阻的阻值。第一次直接测量，第二次

逐渐向容器中倒入热水测量，观察当温度升高

注重通过实

时阻值怎样变化

验得出结论

学生得出实验结论：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。(投影电阻-温度特性曲线)

师生总结：1.半导体热敏电阻也可以用作

温度传感器。

OAT

电阻-温度特性曲线

1-金属导线2.热敏电阻

(3)电容式位移传感器学生思考并分析过通过前面学

用PPT展示图片

程：习的电容的

电容器极板丫

知识让学生

_______

一自己分析此

公人民-M

J电力外似被测物体

传感器的工

师问：如图所示，如果电容增大，则说明被测作原理，既

物体向哪个方向移动了？

巩固了旧知

师生共同总结结论：当物体向左移时，电解质

插入的深，相对介电常数增大，电容就会增大，识，又学习

所以当电容增大时说明物体向左移动了。通过了新知识，

测电容可以测物体的位移，所以称它为电容式能提高学生

位移传感器。灵活运用基

础知识的能

(4)霍尔元件

力

师：79年美国物理学家霍尔观察到，在匀

学生上黑板推

强磁场中放置一个矩形截面的载流导体，当磁

导：

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

UH

这样的现象称为霍尔效应，所产生的电势差叫qB\>=qE=q—^~，

霍尔电压。人们利用霍尔效应做成了霍尔元I=nqSv

件。1I

：.V=---=----

nqSnqld

如图，霍尔元件4aB4、

是在一个很小的矩总、

形半导体（例如神化湎悒:啊"nqldI

锢）薄片上，制作4*7霍尔元件,Bl1BI

Ur=---=-------

Hnqdnqd

个电极E、尸、M、N

令k•得：

而成。若在E、F间通入恒定的电流/,同时外

加与薄片垂直的匀强磁场B,薄片中的载流子

TItIB

UH=k—

就在洛伦兹力的作用下发生偏转，使M、N间〃d

出现电压Un.这个电压叫霍尔电压，其决定式中的d为薄

片的宽度，女为霍尔

式为U“=攵竺。式中d为薄片的厚度，人为

系数，它的大小与

霍尔系数，它的大小与薄片的材料有关。制作材料有关。由

师生共析：由上式看，一个霍尔元件的厚式子可以看出如果

度d、左为定值，若保持/恒定，则U”的变化保证k、4、/恒定，

就与8成正比。则霍尔电压U的变

也就是说：霍尔元件能够把磁感应强度这化就与B成正比。

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。

请同学们用前面学习过的磁场的知识推

导霍尔元件的电压与磁感应强度的关系

师：已知：假设霍尔元件中形成电流的是

正电荷，霍尔元件厚度为d,宽度为/,通入的

电流为/,单位体积内正电荷的个数为〃，正电

荷的带电量为4。

师：用PPT展示检测题

学生做检测题

小结师：用一分钟的时间回顾一下本节课学的知识学生回顾总结有利于巩固

学生回顾总结完之后教师展示本节课的学习旧知，学习

内容新知

1、解器的酶:

瞬四=»避懒翻曝龈鬣

虱嫡皤蟠a蹦洒啕幡

麴&脸瞬褪献蟒颤

2、牖融工作原理：

to«W籁嬲O

3、盟元件：

⑴MW耀

冬播逾版《幡辎

《传感器及其工作原理》学情分析

本节课的主要学习对象是高二理科学生，他们在之前的学习中已经掌握了有关力、热、

电、磁、光等基本知识和原理，尤其有关电路、磁场的内容，这是学习本节课的知识储备。

近年来，传感器的应用日益普遍，可以说是处处皆是。俗话说“处处留心皆学问”，那

么学生只要细心观察，就肯定会发现生活中的传感器的“影子”。然而，他们此前并没有接

触有关传感技术的知识，可能并不知道某些实例是传感器的应用，或考略知一二。这就可以

作为本节课教学的经验基础，教学中应充分调动学生的思维，积极回忆和联想生活中传感器

实例，让他们感觉到传感器其实就在身边，消除一些同学的学习心理障碍。此外，高中学生

可能并不满足只知道“什么是传感器”和“生活中有哪些传感器”，因此这一兴趣特征就能

够激发起学生的探究欲望和自主学习的热情，从而为本节课的实验探究提供了有利条件。

本节课要求学生进行合作学习，分组实验，就需要有学习小组，学习小组从上高一就

开始使用，老师学生都已经驾轻就熟，保证了分组实验的高效性。

学生对实验的热情和对未知世界的探究欲望，保证了在这节课学习过程中始终保持饱

满的学习热情和极高的参与积极性。

《传感器及其工作原理》效果分析

为了了解学生对本节课的学习效果，笔者设计了当堂检测题:

传感器名称输入的物理量输出的物理量可能的工作原理

光敏电阻

热敏电阻

金属热电阻

电容式位移传

感器

霍尔元件

通过课堂提问以及课堂当堂反馈，结果发现有三分之一的学生全部做对有三

分之二的学生对可能的工作原理理解有些偏差，于是当堂进行了纠正，这说明学

生对本节课知识掌握得还是比较扎实的。

为了进一步了解学生的学习效果，我在课后进行了问卷调查。问卷共设计了

4个小题，每个小题只限选一个答案。共发放问卷54份，实收54份，回收有效

率为100虬

第1题:你对本节课的学习方式是否感兴趣？（）A.是B.否C.说

不清楚二有92%的学生选A,提的学生选B,7%的学生选C,这说明大部分学生喜欢

这种学习方式，仅有极个别学生表示不喜欢。

第2题:通过本节课的学习，你对本节课的重点知识掌握得（）A.好B.

一般C.差”。有90%的学生选A,7%的学生选B,3%的学生选C,说明绝大多数

学生对本节知识掌握得好，教学效益较高。

第3题:通过本节课的学习，你自己建构模型的能力与原来相比（增

加了B.跟原来一样C.说不清楚二有88%的学生选A,12%的学生选B,从

中可以看出学生建构模型的能力有所上升。

第4题:你喜欢物理老师将生活现象与知识相联系吗？（）A.喜欢B.

一般C.不喜欢”。有98%的学生选A,2%的学生选B,没有学生选C。这一数据

令人欣喜，几乎全部学生喜欢所学知识与生活相联系。

总之,本节课以学生为学习的主体，重视知识与生活的联系，学习气氛活跃，

学生积极性高。所设计的问题也突出了学生的认知特点，增加了学生的学习兴趣。

当堂检测题的结果反映出学生对所学知识掌握得扎实，说明本节课教学效益高。

《传感器及其工作原理》教材分析

本节课是出自选修3-2第六章《传感器》的第一节，第六章是继电磁感应、交变电流

之后的一个独立章节，是新课程新增的教学内容，而本节课又是本章的开篇之作。因此本节

课既是之后学习的铺垫和准备，也能够充分展现新课程的“让物理贴近生活，让物理走向社

会”的理念。

本节教学内容主要包括“什么是传感器”、“光敏电阻”、“热敏电阻和热金属电阻”、

“电容式位移传感器”以及“霍尔元件”五个部分，本节课教学内容的主要特点是定性研究

一些原理性基础知识，但不做定量的计算。教学的关键在于多举例子和多做实验，很多初看

起来的很神秘的原理，动手一做就可明白其中的物理奥妙。所以本节课的学习过程应是快乐

轻松的，能让学生学到许多与生活相关的实用知识，还能够培养他们理论联系实际的科学素

养。

一.什么是传感器

在引入传感器概念的教学中，教科书是从简单的传感器“永磁体控制小灯泡开关”的

实验，引入传感器教学，让学生从了解干簧管构造及其工作原理中获得传感器的感性认识。

教学中，可进一步引导学生列举生活中一些常见的传感器。例如，计算机上的摄像头、扩音

话筒、光声控延时路灯、各种电器的遥控器、电冰箱、空调机、电熨斗和电饭锅上的温控器

等。这些传感器的结构虽然复杂，但是若仅从其功能角度考虑，学生是能够理解的。目的是

使学生能从这些简单的例子中，概括出传感器的概念。

二.光敏电阻

学生对光敏电阻感到抽象，课木虽然给出了光敏电阻的图片，并介绍了制作光敏电阻

的材料，让学生从理论上对光敏电阻有一定的了解，但是学生还是感到很陌生，所以我们可

以依照教材上提供的实验方案或者自己设计实验方案让学生做分组实验,让学生通过具体的

实验去了解光敏电阻的特性。

介绍光敏电阻的工作原理能够扩展学生关于物质导电性的知识。除了已学到的金属的

自由电子导电和溶液的离子导电外，又认识了半导体依靠载流子导电的机理。教科书在“科

学漫步”栏目中，对这种导电机理作了浅显的解释，学生有所领会即可，不要求掌握。

三.热敏电阻和金属热电阻

这一部分教科书理论性的介绍了热敏电阻和金属热电阻的特性以及他们的区别，各自

的优点。在教学中为了让学生对金属热电阻和热敏电阻有更感性的认识，我让学生通过实验

测量当温度变化时热敏电阻的阻值会怎样变化，同时让学生回忆之前做的“描绘小灯泡的伏

安特性曲线”来体会金属热电阻的阻值随温度怎样变。

四.电容式位移传感器

教科书中的“说一说”栏目是从学生拓展知识的角度考虑的，学生有所领会即可，不

要求掌握。教科书图6.1-8是原理图。它要用到己学过的有关电解质影响电容器电容的知识,

这里还有另一层意思：该栏目的设计，目的是贯彻整套教科书“通过其实的图景学习基本的

知识”的思想，学生在不同的情境中应用同样的基本知识，这样才能把知识学活。

五.霍尔元件

霍尔元件是利用霍尔效应制成的新型磁敏元件。霍尔传感器是由霍尔元件、放大器、

温度补偿电路及稳压电路构成的。学生在《物理选修3-1》的课题研究口对霍尔效应有了解。

本节在此基础上介绍具有磁敏效应的半导体元件一一霍尔元件，学生并不陌生。

所以本节课应引导学生应用已经学习的基本知识去理解新的元件，再加上分组实验让

学生自己去感受这些敏感元件的特性，从而消除学生在学习传感器时的害怕心理。

《传感器及其工作原理》实测练习

【典例1】如图64・5所示，R?为定值电阻，L为小灯泡，

R3为光敏电阻，当照射光强度增大时（）.

A.电压表的示数增大

B.明中电流减小

C小灯泡的功率增大

D由席的略端由压燃十

练1.如图6—1—3所示为光敏电阻自动计数器的示意图，其中与

为光敏电阻，&为定值电阻.此光电计数器的基本工作原理是

()

A.当有光照射修时，信号处理系统获得高电压

B.当有光照射与时，信号处理系统获得低电压

C.信号处理系统每获得一次低电压就计数一次

D.信号处理系统每获得一次高电压就计数一次

信

号

处

理

系

统

【例2】如图6・1・8所示，由电源、小灯泡、电阻丝、开关组

成的电路中，当闭合开关S后，小灯泡正常发光，若用酒精灯

加热电阻丝时，发现小灯泡亮度变化是,发生这一现

象的主要原因是(口

_(X)——

A.小碰的电阻曜了变，

I.小灯丝的电阻率随温度发生了变化

€.电阻丝的电阻率随温度发生了变化

练2、有定值电阻、热敏电阻、光敏电

阻三只元件分别接入如图所示电路中

A、B两点后，用黑纸包住元件置入热

水中，观察欧姆表的示数，下列说法

正确的是（）

A.置入热水中与不置入热水中相比，欧姆表示数变化较大，这

只元件一定是热敏电阻

B.置入热水中与不置入热水中相比，欧姆表示数不变化，这只

元件一定是定值电阻

C用黑纸包住与不用黑纸包住元件相比，欧姆表示数变化较大,

这只元件一定是光敏电阻

D.用黑纸包住与不用黑纸包住元件相比，欧姆表示数相同，这

只元件一定是定值电阻

例3.传感器是一种采集信号的重要器件，如图是一种测定压力的电容式传感器,

当待测压力F作用于可动膜片产生变形，引起电容的变化，若将电容器、灵敏

电流计和电源串联接成闭合电路，那么（）

A.当F向上压膜片电极时，电容将减小

B.当F向上压膜片电极时，电容将增大

C.若电流计有示数，则压力F发生变化

D.若电流计有示数，则压力F不发生变化

当堂小测

按照你对以下几种传感器的理解填写下面的表格:

传感器名称输入的物理量输出的物理量可能的工作原理

光敏电阻

热敏电阻

金属热电阻

电容式位移传

霍尔元件

《传感器及其工作原理》实测练习答案

例1.ABC练1.BD例2.变暗C练2.A