向心力的實驗裝置

A. 怎樣用DISLab系統來製作向心力演示器實驗

「感測器及其工作原理」教學設計

江蘇省靖江高級中學 陳斌 環晴

【教材】普通高中課程標准實驗教科書《物理》選修3－2第六章第一節

【教學目標】

1．知識與技能

了解什麼是感測器，知道非電學量轉化為電學量的技術意義；

認識一些製作感測器的元器件，知道這些感測器的工作原理。

2．過程與方法

通過對實驗的觀察、思考和探究，讓學生在了解感測器、熟悉感測器工作原理的同時，經歷科學探究過程，學習科學研究方法，培養學生的觀察能力、實踐能力和創新思維能力。

3．情感、態度與價值觀

體會感測器在生活、生產、科技領域的種種益處，激發學生的學習興趣，拓展學生的知識視野，並加強物理與STS的聯系。通過動手實驗，培養學生實事求是的科學態度、團隊合作精神和創新意識。

【設計思路】

從上世紀八十年代起，國際上出現了「感測器熱」，感測器在當今科技發展中有著十分重要的地位。新課程標准緊扣時代脈搏，對感測器教學提出明確要求。本課的設計思路是通過對實驗的觀察、思考和探究，了解什麼是感測器，感測器是如何將非電學量轉換成電學量的，感測器在生產、生活中有哪些具體應用，為學生利用感測器製作簡單的自控裝置作一鋪墊。教學時力避深奧的理論，側重於聯系實際，讓學生感受感測器的巨大作用，進而提高學生的學習興趣，培養學生熱愛科學的情感和崇尚科學的精神。

【教學過程】

一、引入新課

教師：今天我們生活中常用的電視、空調的遙控器是如何實現遠距離操縱的？樓梯上的電燈如何能人來就開，人走就熄的？工業生產中所用的自動報警器、恆溫烘箱是如何工作的？「非典」病毒肆虐華夏大地時，機場、車站、港口又是如何實現快速而准確的體溫檢測的？所有這些，都離不開一個核心，那就是本堂課將要學習的感測器。

二、新課教學

1．什麼是感測器

演示實驗1：如圖1所示，小盒子的側面露出一個小燈泡，盒外沒有開關，當把磁鐵放到盒子上面，燈泡就會發光，把磁鐵移開，燈泡熄滅。

教師提問：盒子里有怎樣的裝置，才能實現這樣的控制？

學生猜測：盒子里有彈性鐵質開關。

師生探究：打開盒子，用實物投影儀展示盒內的電路圖（圖2），了解元件「干簧管」的結構。探明原因：當磁體靠近干簧管時，兩個由軟磁性材料製成的簧片因磁化而相互吸引，電路導通，干簧管起到了開關的作用。

教師點撥：這個裝置反過來還可以讓我們通過燈泡的發光情況，感知干簧管周圍是否存在著磁場。

演示實驗2：教師出示一隻音樂茶杯，茶杯平放桌上時，無聲無息，提起茶杯，茶杯邊播放悅耳的音樂，邊閃爍著五彩的光芒。

教師提問： 音樂茶杯的工作開關又在哪裡？開啟的條件是什麼？

學生猜測：在茶杯底部，所受壓力發生改變。

實驗探究：提起茶杯，用手壓杯的底部，音樂並沒有停止。

學生猜測：是由於光照強度的改變。

實驗探究：用書擋住底部（不與底部接觸），音樂停止，可見音樂茶杯受光照強度的控制。

師生總結：現代技術中，我們可以利用一些元件設計電路，它能夠感受諸如力、溫度、光、聲、化學成分等非電學量，並能把它們按照一定的規律轉換為電壓、電流等電學量，或轉換為電路的通斷。我們把這種元件叫做感測器。它的優點是：把非電學量轉換為電學量以後，就可以很方便地進行測量、傳輸、處理和控制了。

教師提問：實驗1中的干簧管是怎樣的感測器，實驗2音樂茶杯中所用的元件又是怎樣的感測器？

學生回答：干簧管是一個能感受磁場的感測器，音樂茶杯中所用的元件是能感受光照強度的感測器。

教師介紹：數字化信息系統實驗室（Digital Information System Laboratory，簡稱：DISLab）

就是由「感測器+數據採集器+實驗軟體包+計算機」構成的新型實驗系統。該系統成功克服了傳統物理實驗儀器的諸多弊端，有力地支持了信息技術與物理教學的全面整合，在實驗上收到了許多意想不到的成功。

投影展示：

圖3 DISLab系統構成

演示實驗3：通過朗威DISLab數據採集器、位移感測器來觀察簡諧振動圖象。

圖4 彈簧振子實驗裝置圖

圖5 彈簧振子振動圖線

2、認識一些製作感測器的元器件

（1）光敏電阻

學生實驗1：學生兩人一組，用萬用電表的歐姆擋測量一隻光敏電阻的阻值，實驗分別在暗環境和強光照射下進行。

學生總結實驗結果：光敏電阻在暗環境下電阻值很大，強光照射下電阻值很小。

師生總結：光敏電阻能夠把光照強弱這個光學量轉換為電阻這個電學量。

教師簡單介紹：光敏電阻在光照射下電阻變化的原因。有些物質，例如硫化鎘，是一種半導體材料，無光照時，載流子極少，導電性能不好；隨著光照的增強，載流子增多，導電性變好。

（2）熱敏電阻和金屬熱電阻

教師提問：金屬導體的導電性能與溫度有關嗎？關系如何？

學生回答：金屬導體的電阻隨溫度的升高而增大，如白熾燈鎢絲的電阻在正常工作情況下比常溫下的電阻大得多。

演示實驗4：如圖6所示，AB間接有一段鎢絲（從舊日光燈管中取出），閉合開關，燈泡正常發光，當用打火機給鎢絲加熱時，燈泡亮度明顯變暗。

學生探究：鎢絲的電阻隨溫度的升高而增大。

師生總結：用金屬絲可以製作溫度感測器，稱為熱電阻。如前面已經學過的用金屬鉑可製作精密的電阻溫度計。

學生實驗2：學生兩人一組，用萬用電表的歐姆擋測一隻熱敏電阻的阻值。第一次直接測量，第二次用手心捂住熱敏電阻再測量，記錄兩次測得的電阻值。

學生探究：熱敏電阻的阻值隨溫度的升高而減小，且阻值隨溫度變化非常明顯。

師生總結：半導體熱敏電阻也可以用作溫度感測器。

師生總結比較：金屬熱電阻與熱敏電阻都能夠把溫度這個熱學量轉換為電阻這個電學量，金屬熱電阻的化學穩定性好，測溫范圍大，但靈敏度較差。

（3）霍爾元件

教師介紹：霍爾元件是在一個很小的矩形半導體（例如砷化銦）薄片上，製作4個電極E、F、M、N而成（如圖7所示）。若在E、F間通入恆定的電流I，同時外加與薄片垂直的勻強磁場B，薄片中的載流子就在洛倫茲力的作用下發生偏轉，使M、N間出現電壓U。

師生討論：霍爾元件的上的電壓U與電流I、磁感應強度B的關系，設霍爾元件長為a，寬為b，厚為d，則當薄片中載流子達到穩定狀態時，，即，又因，所以，即（為霍爾系數）。因此，我們就可以根據電壓U的變化得知磁感應強度的變化。

師生共析：霍爾元件能夠把磁感應強度這個磁學量轉換為電壓這個電學量。

演示實驗5：利用朗威DISLab數據採集器、霍爾元件觀察通電螺線管內部磁感應強度的大小分布規律。

圖8 磁感應強度測定的實驗裝置圖

圖9 磁感應強度分布圖線

三、小結

感測器是指一些能把光、力、溫度、磁感應強度等非電學量轉化為電學量或轉換為電路的通斷的元器件，它在生活、生產和科技領域有著非常廣泛的應用。日本把感測器技術列為上世紀八十年代十大技術之首，美國把感測器技術列為九十年代的關鍵技術，而我國有關感測器的研究和應用正方興未艾……

四、作業

1．觀察與思考：日常生活中哪些地方用到了感測器，它們分別屬於哪種類型的感測器，它們的工作原理如何？

2．實驗設計：用熱敏電阻、繼電器等器材設計一個火警報警器。

【教學反思】

本節課依據學生的認知規律組織教學，引入新課從生活實例入手，設置懸念，提出問題，激發學生興趣，增強學生的求知慾；在進行「什麼是感測器」的教學中注重實驗探究，引導學生從兩個實驗的探究中加以歸納，並通過DISLab系統顯示感測器的優越性，讓學生了解把非電學量轉化為電學量的技術意義；在對光敏電阻、熱敏電阻和熱電阻、霍爾元件這些製作感測器的元器件教學中，注重將教師演示實驗與學生動手實驗相結合，注重理論與實踐相結合。整個教學過程符合新課程的三維目標，體現新課程的理念，注意培養學生的自主、合作、探究能力，注意從生活走向物理，從物理走向生活，以此增進學生的學習能力和科學素養。

B. 如圖所示，是一個研究向心力與哪些因素有關的DIS實驗裝置的示意圖，其中做圓周運動的圓柱體的質量為m，放

（1）由乙圖可知抄，F∝v²，由數學知識得到F與v的平方成正比
（2）該實驗運用控制變數法研究物理量的關系，根據向心力公式F=m

C. 如圖甲所示是一個研究向心力與哪些因素有關的DIS實驗裝置的示意圖。其中做勻速圓周運動的圓柱體的質量為m