新課程背景下的傳感器教學初探

【摘 要】傳感器技術是當今世界一項令人矚目的高新技術之一，它與通信技術、計算機技術構成信息產業的三大支柱，其水平高低已經成為衡量一個國家科技發展水平的重要標志。

【關鍵詞】新課程；傳感器

傳感器技術是當今世界一項令人矚目的高新技術之一，它與通信技術、計算機技術構成信息產業的三大支柱，其水平高低已經成為衡量一個國家科技發展水平的重要標志。隨著科學技術的發展，傳感器的應用已越來越普及，因此傳感器這部分內容的引入，也就成了《課程標準》中“在課程內容上體現時代性”的一個標志。本文結合自己在教學中的一些感受，就傳感器這一章節內容上做了一些探討。

一、傳感器的引入體現了新課改的要求

《新課程課標》將傳感器列為選修3-2模塊的二級主題，集中體現了它對科學、技術與社會的密切關系。選取這樣一個具有時代氣氛的內容，主要是傳感器已經廣泛地應用到現代的生產和生活的諸多方面，像家用的電飯煲，電視的遙控器，樓梯的聲控開關，收費站的記重收費測量儀等，傳感器已成為進行測量和控制不可缺少的元器件。

傳感器這一章的內容非常豐富，但是在教學要求上不同于技術課程。它側重于物理原理在傳感器技術中的應用，讓學生通過觀察，了解運用傳感器解決生活和生產中的某些需求的過程，體會到應用技術的重要性，了解和學習一些比較簡單的技術知識。

二、傳感器的教與資源實例

1.傳感器的工作原理

傳感器感受到的通常是非電學量，如壓力、溫度、位移、濃度、速度等，而它輸出的通常是電學量，如電壓值、電流值、電荷量等，這些輸出信號非常微弱，通常要經過放大后再送給控制系統產生各種控制動作。

2.常見的傳感器元件

（1）熱敏電阻：是由半導體材料制成的，常態時其阻值約為10kΩ，其電阻率隨溫度的升高時，電阻率顯著減小。

（2）光敏電阻：是由硫化鎘這種由半導體材料制成，在沒有光照射下的情況下，載流子極少，導電性能不好，其電阻值可以達到幾十兆歐姆。但在光照情況下載流子增多，導電性能變好，其電阻率顯著減小，電阻可以達到幾千歐姆。

（3）金屬熱電阻：金屬熱電阻對溫度的敏感元件是金屬絲，其內部的導電物質是自由電子，當溫度升高時，金屬的電阻率升高，導電能力減弱。

（4）感溫鐵氧體：是由氧化錳、氧化鋅和氧化鐵混合燒制而成的，在常溫下，感溫鐵氧體具有鐵磁性，能夠被磁鐵吸引，但是溫度上升居里點到（103℃）時，就會失去鐵磁性，不能被磁鐵吸引了。

（5）PTC元件：是由鈦酸鈹半導體材料制成的電阻器，其電阻率ρ與溫度t的變化關系如圖1所示，由于這種特性，PTC元件具有發熱和控溫雙重功能。

（6）霍爾元件：霍爾元件能夠把磁感應強度轉換為電壓，當電流一定時，霍爾電壓與磁感應強度成正比。

3.傳感器元件的教學

在教學過程中，要求學生能夠熟悉并掌握這些傳感器元件的特性。如在介紹光敏電阻時，可以讓學生用試驗的方法來探究光敏電阻的特性：將一只光敏電阻接到多用電表的兩端，電表置于倍率為100的歐姆擋，在室內自然光的照射下，其電阻約有多大？然后把這個光敏電阻放到太陽光下直接照射，再重復相同的試驗，測量出電阻值約為多大？這樣學生就很容易得出光敏電阻與光照強度之間的關系，以加強學生的記憶。

學生在熟悉這些傳感器元件的特性以后，教師要再配以適當的例題以鞏固學生對傳感器元件的理解。如圖2所示，將萬用表的選擇開關置于“歐姆”擋，再將電表的兩支表筆與一熱敏電阻Rt的兩端相連，這時表針恰好指在刻度盤的正中間。若往Rt上擦一些酒精，表針將向______（填“左”或“右”）移動；若用吹風機將熱風吹向電阻，表針將向______（填“左”或“右”）移動。

解析：①在熱敏電阻上擦一些酒精后，酒精揮發后使熱敏電阻的溫度降低，溫度降低熱敏電阻的阻值增大，所以表針要往左偏轉。②用熱吹風機吹向熱敏電阻，使電阻的溫度升高，電阻值減小，表針向右偏轉。

本題不但使學生鞏固了熱敏電阻隨溫度變化的特點，還復習了歐姆表表盤刻度的特點，起到很好的“一石二鳥”作用。

4.傳感器的應用

（1）力傳感器的應用——電子秤

傳感器作為一種采集信息的重要器件，其主要應用之一是測定壓力，如圖3所示是一種測定壓力的傳感器，現將這種傳感器接到圖4的電路中進行試驗，（電流從電流表正接線柱流入時指針向右偏）若F變大，則電路內是否有電流產生？如果有，電流表的指針向哪偏轉？

解析：電容器電容的決定因素是極板的正隊面積S、極板間電介質ε、板間距離d，由電容的公式C=εs/4πkd，當待測壓力F變大時，膜片產生形變，ε、s不變，d變小，從而引起電容變大；又因為電容器、靈敏電流計和電源串聯成閉合電路，Q=CU，U等于電源的電動勢不變，所以電容器的帶電荷量Q增加，即電容器充電，電流計有示數，電流從電流表的正接線柱流進，指針向右偏轉。

（2）聲傳感器的應用——話筒

話筒是一種把聲信號轉換為電信號的傳感器，電容式話筒的工作原理如圖5所示。薄金屬膜M和固定電極N形成一個電容器，Q是兩個絕緣支架，電容器被直流電源充電后，當聲波沖擊薄金屬M而使指振動時，電容器兩極間距離的變化而導致電容的大小發生變化，電容器的電荷量也隨之變化，電路中形成電流，于是電阻R兩端就輸出了與聲音變化規律相同的電壓。

（3）光傳感器的應用——火災報警器

如圖6所示為利用煙霧對光的散射作用而工作的一種火災報警器，其工作原理為：帶孔的外罩內裝有發光二極管LED、光電三極管和不透光的擋板。平時，光電三極管不能收到LED發出的光，呈現高電阻狀態，當有火災危險時，有煙霧進入罩內，由于煙霧對光的散射作用，此時可以使部分光線照射到光電三極管上，光電三極管的電阻由此變小，與傳感器連接的電路檢測出這種變化，就會發出警報。

（4）溫度傳感器的應用——電飯鍋

電飯煲是應用了溫度傳感器，它的主要元件是感溫鐵氧體，它的特點是常溫下具有磁性，能夠被磁體吸引，但是當溫度上升到103℃時，就失去了鐵磁性，不能被磁鐵吸引了。如圖7所示是電飯煲的電路圖，S1是一個溫控開關，手動閉合后，當此開關達到居里點（103℃）時會自動斷開；S2是一個自動溫控開關，當溫度低于70℃時，會自動閉合；溫度高于80℃時會自動斷開，紅燈是加熱時指示燈，黃燈是保溫時的指示燈，分流電阻R1=R2=500Ω，加熱電阻絲R3= 50Ω，亮燈電阻不計。

（1）分析電飯煲的工作原理；

（2）計算加熱和保溫兩種狀態下，電飯煲消耗的電功率之比；

解析：（1）電飯煲通上電源以后，S2自動閉合，同時手動閉合S1，此時黃燈和R1處于短路，故黃燈熄滅紅燈亮，電飯煲處于加熱狀態。溫度上升到80℃時，S2自動斷開，但是S1閉合，黃燈和R1仍處于短路狀態，電飯煲內的溫度繼續上升。等飯蒸熟后溫度上升到103℃時，開關S1自動斷開，此時黃燈和電阻R開始工作，電飯煲處于保溫狀態。當溫度降至70℃時，S2自動閉合，電飯煲重新加熱，溫度達到80℃ 時，S2又自動斷開，再次處于保溫狀態。

（2）加熱時電飯煲消耗的功率P1=U21/R并，保溫時電飯煲消耗的功率P2=U2/（R1+R并），兩式中R并=R2R3/（R2+R3）= 500/11Ω，所以P1/P2=（R1+R并）/R并=12

三、進行探究式學習，培養創新思維

在教學實驗中，我們注重通過實驗再現科學發現的過程，從而讓學生體驗到“猜想—驗證—歸納”的科學探究過程，傳感器的應用大大提高了這種探究過程的實效。在學生了解了一些傳感器元件的特性、掌握了一些傳感器在實際生活中的應用以后，就可以讓學生自己來設計實驗，探究一些感器元件的特性。比如讓學生設計電路來探究熱敏電阻的特性，可以先讓學生自行設計并設計表格，通過數據和R-T圖像的方法就能探究熱敏電阻的阻值是隨溫度而變化的情況。

通過這種探究式的學習，可以激發學生興趣，從而確立學生的學習動機。教師也可以為學生準備一系列以傳感器為實驗手段的趣味實驗，讓學生親自動手操作，觀察實驗現象。通過學生自己設計實驗，可以激發學生的學習興趣，能親身感受到傳感器的作用。

【參考文獻】

[1]物理選修3-2教師教學用書.北京：人們教育出版社，2008.114～115

[2]倪建云.淺析幾種常見的溫度傳感器.物理教師.江蘇：蘇州恒久印務有限公司出版，2008.6

[3]步步高高考總復習用書.吉林：延邊人們出版社，2008.355

（作者單位：江蘇省吳江市汾湖經濟開發區高級中學）