傳感器探究教學案例

摘要傳感器是現代科學的結晶，在課堂教學中能發揮越來越重要的作用。本文的主要內容就對傳感器在中學教學中的具體應用和作用原理進行進一步的探討，培養學生的自主學習能力。

關鍵詞傳感器 探究 案例

中圖分類號：G424 文獻標識碼：A

Inquiry Teaching Case of Sensor

WANG Xiongwen

(No. 7 Middle School of Shashi， Jingzhou， Hubei 434000)

AbstractSensor is the crystallization of modern science， it plays more and more important role in classroom teaching. The main content of this article further discussed the specific application and the mechanism of sensor in middle schools' class teaching， in order to train the students' initiative studying ability.

Key wordssensor; research; case

1 研究方案

1.1 研究的問題、內容及研究程序

（1）查閱（文獻、網絡等等）傳感器的種類、功能及其應用。

（2）傳感器在探究課中的作用。通過具體的案例（研究熱敏電阻的阻值隨溫度的關系及其應用）探討傳感器如何在探究課中發揮作用。

研究程序：

1.2 預期的研究進展

本課題研究大約需十次課時完成。具體安排：2課時完成查閱資料，認識傳感器的種類和功能，1課時提出要研究的實驗，2課時做實驗前的準備，包括理論準備和實驗器材的準備，1課時根據準備的器材制定實驗方案，2課時操作實驗和處理實驗數據尋找規律，1課時對實驗進行評估，1課時匯報成果。

2 實施研究

2.1 提出要研究的問題：傳感器

現在生產、生活等離不開傳感器，傳感器是什么？其工作原理是什么？有哪些種類？我們能識別和使用簡單的傳感器嗎？能否利用傳感器進行實驗研究？這些是我們要探討的問題。

2.2 查閱資料，認識傳感器的種類、功能及其應用

學生可以通過查閱現有文獻，如：圖書館資料、高中物理課本，也可上網查找，請教專家。要求學生2課時完成。

傳感器的種類及功能：在中學物理教學中所用到的傳感器，種類很多，可以分為力電、熱電、聲電、磁電、光電等傳感器。在力學部分有位移、加速度、力、光電門、聲音等等傳感器，熱學部分有溫度、壓強等傳感器，電磁學部分有電荷、電流、電壓、磁場、電場等傳感器，在光學、原子物理等部分也有一些傳感器。

由于不同種類的傳感器中的主要部件不盡相同，所以采用的原理也各不一樣。將學生分組，分別查閱資料，了解各種傳感器的工作原理及其簡單應用。如（1）光電傳感器中的主要部件是光敏電阻或光電管，（2）熱電傳感器是利用熱敏電阻的阻值會隨溫度的變化而變化的原理制成，（3）電容傳感器的工作原理：電容C跟介電常數成正比，跟正對面積S成正比，跟極板間的距離d成反比。分別改變、S、d，可制成測高度的電容傳感器、測角度的電容傳感器、測壓力的電容傳感器、測位移的電容傳感器等等。

2.3 通過一個具體的實驗，研究用傳感器完成實驗

2.3.1 提出問題

在生活中，我們常用到恒溫箱。如圖所示，是恒溫箱的原理簡圖，箱內有三個定值電阻R1、R2、R3。Rt為熱敏電阻，它的阻值隨溫度的變化而變化，由于Rt阻值的變化可以引起a、b兩端電壓的變化。當a、b端電壓Uab<0時，傳感器會令開關K接通，恒溫箱內的電熱絲發熱，使箱內溫度提高；當電壓Uab>0時，傳感器會令開關K斷開，恒溫箱內的電熱絲停止加熱，使箱內溫度降低。這樣恒溫箱的溫度能控制在某個值。

學生通過了解恒溫箱的工作原理后，提出要研究的課題——熱敏電阻的阻值怎樣隨溫度變化。

有一種溫度傳感器傳感器，將溫度這個熱學量轉換為電阻這個電學量，用電學方法進行測量和顯示。制造如溫度傳感器等傳感器需要熱敏電阻等材料。熱敏電阻在現實生活中有很多重要的應用。熱敏電阻由半導體材料制成。它的阻值隨溫度的改變而改變。熱敏電阻與溫度有什么樣的定量關系呢？

2.3.2 猜測與假設

學生小組討論上面提出的問題，鼓勵學生大膽提出自己的假設。學生可能會提出很多的假設。如（1）R與T成反比；（2）R與T2成反比；（3）R與T成正比，但斜率為負值等等。上面是最常見的三種假設。

2.3.3 制定計劃與設計實驗

組內討論，明確任務，確定需要解決的問題。根據問題，設計是進行實驗驗證，是進行理論論證（包括搜集材料），還是同時采用理論論證和實驗論證的計劃。

制定計劃和設計實驗前的準備：（1）組織部分學生查找一些有關熱敏電阻的一些介紹材料。包括如何制造熱敏電阻、熱敏電阻的特性、熱敏電阻的應用。（2）培訓學生熟練使用計算機，會處理數據，比如圖像擬合功能，以便學生快速找到數據的定量關系。（3）準備好實驗要用的器材，包括傳感器（溫度傳感器、電流/電壓傳感器），各種接口（如USB、PowerLink等）及其說明書，軟件已裝在電腦中。

實施計劃過程：（1）查閱資料，了解熱敏電阻的一些特性。（2）設計完實驗方案：此實驗需要測兩個物理量：熱敏電阻的溫度和該溫度時的電阻。利用溫度計測量熱敏電阻的溫度，為了改變熱敏電阻的溫度，可以分多次向燒杯中倒入熱水，以逐步改變熱敏電阻的溫度。

如何測熱敏電阻的阻值呢？使用中學中常用電表測量即可，電壓表的阻值較大，電流表內阻較小。故可以用電流表外接法測約幾十至幾百歐的熱敏電阻的阻值。如圖所示。

當然設計完實驗方案后，還應對實驗方案的合理性進行論證。如是否超過電流電壓表的量程，實驗操作過程是否合理，實驗原理是否完善，如何改進等等。有時驗證后會發現很多問題，需要改進，有的則需要重新設計實驗方案。

2.3.4 進行實驗與收集數據

進行分組實驗，取得實驗數據，搜集材料。這時組內合作非常重要。互相幫助，通力合作，取得最可靠的數據和材料，是教學最終是否成功的關鍵。當然在學生實驗，遇到困難時，教師必要的指導是不可少的。組裝好實驗儀器后，開始采集數據。采集的數據不少于7組。（見表1）

2.3.5 分析與論證

對實驗數據和搜集到的材料進行分析、判斷，從而得出正確的結論，獲得知識。處理表中的數據，尋找熱敏電阻的阻值與它的溫度有什么定性關系。（1）根據數據表，求出各溫度下的電阻（見表2）。（2）尋找R―t間的關系。

得到數據后，尋找規律是一個艱苦的過程，科學家經常經歷這樣的過程。這時小組內互相信任、互相鼓勵，相互合作很重要。對使用計算機有困難的學生提供幫助。

在Excel的圖表中畫R―t圖線。對電阻——溫度圖線進行分析點擊“擬合”按鈕，選擇均方誤差最小的，使圖線最平滑。

由畫出的R-t圖像，可以看出，熱敏電阻的阻值隨溫度的升高而變小，至此，實驗數據分析完，通過尋找規律，來驗證自己的假設是否正確。

3 評估

（1）通過這幾節探究課，我們的目的是鼓勵學生開動腦筋，既發揮其獨立性，又培養他們的小組合作精 神，提出問題，提出假設，找出解決方案，得出結論，并進一步思考，所以最后的評估應考慮探究課的主要過程，并圍繞以下幾個方面：（見表3）

（2）本實驗的不足和需要改進的地方。①同時選用溫度、電流、電壓這三個傳感器，對做好實驗，減小誤差，有很大的影響。要想在同一時刻讀出這三個物理量，必須同時選用這三個傳感器，在電腦上同時顯示出來和記錄下來。現階段有些學校條件還達不到。②這幾節探究課，學生或小組做到完全獨立探究難度很大，如處理數據時，要求學生會使用與傳感器配套的軟件；進一步研究時，如果老師不給現成的資料，學生可能就無從下手。所以這幾節探究課，教師引導太多，學生完全獨立自主探究不多。

參考文獻

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