① 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。
② 化學選修4（化學反應原理）所有重點知識點與方程式（特別是電化學部分）
第一節 原電池 1、概念： 化學能轉化為電能的裝置叫做原電池_______ 2、組成條件：①兩個活潑性不同的電極② 電解質溶液③ 電極用導線相連並插入電解液構成閉合迴路3、電子流向：外電路： 負 極——導線—— 正 極 內電路：鹽橋中 陰 離子移向負極的電解質溶液，鹽橋中 陽 離子移向正極的電解質溶液。 4、電極反應：以鋅銅原電池為例：負極： 氧化 反應： Zn－2e＝Zn2＋ （較活潑金屬）正極： 還原 反應： 2H＋＋2e＝H2↑ （較不活潑金屬）總反應式： Zn+2H+=Zn2++H2↑ 5、正、負極的判斷： （1）從電極材料：一般較活潑金屬為負極；或金屬為負極，非金屬為正極。（2）從電子的流動方向 負極流入正極 （3）從電流方向 正極流入負極 （4）根據電解質溶液內離子的移動方向 陽離子流向正極，陰離子流向負極 （5）根據實驗現象①__溶解的一極為負極__② 增重或有氣泡一極為正極 第二節 化學電池1、電池的分類：化學電池、太陽能電池、原子能電池2、化學電池：藉助於化學能直接轉變為電能的裝置3、化學電池的分類： 一次電池 、 二次電池 、 燃料電池 一、一次電池： 常見一次電池：鹼性鋅錳電池、鋅銀電池、鋰電池等二、二次電池 1、二次電池：放電後可以再充電使活性物質獲得再生，可以多次重復使用，又叫充電電池或蓄電池。2、電極反應：鉛蓄電池 放電： 負極（鉛）：Pb＋ －2e ＝PbSO4↓正極（氧化鉛）：PbO2＋4H+＋ ＋2e ＝PbSO4↓＋2H2O充電： 陰極：PbSO4＋2H2O－2e ＝PbO2＋4H+＋ 陽極：PbSO4＋2e ＝Pb＋ 兩式可以寫成一個可逆反應：PbO2＋Pb＋2H2SO4 2PbSO4↓＋2H2O 3、目前已開發出新型蓄電池：銀鋅電池、鎘鎳電池、氫鎳電池、鋰離子電池、聚合物鋰離子電池三、燃料電池 1、燃料電池： 是使燃料與氧化劑反應直接產生電流的一種原電池 2、電極反應：一般燃料電池發生的電化學反應的最終產物與燃燒產物相同，可根據燃燒反應寫出總的電池反應，但不註明反應的條件。，負極發生氧化反應，正極發生還原反應，不過要注意一般電解質溶液要參與電極反應。以氫氧燃料電池為例，鉑為正、負極，介質分為酸性、鹼性和中性。當電解質溶液呈酸性時： 負極：2H2－4e =4H+ 正極：O2＋4 e 4H+ =2H2O當電解質溶液呈鹼性時： 負極：2H2＋4OH－4e＝4H2O 負極：O2＋2H2O＋4 e＝4OH另一種燃料電池是用金屬鉑片插入KOH溶液作電極，又在兩極上分別通甲烷燃料和氧氣氧化劑。電極反應式為：負極：CH4＋10OH－－8e ＝ 7H2O；正極：4H2O＋2O2＋8e＝8 OH－。電池總反應式為：CH4＋2O2＋2KOH＝K2CO3＋3H2O3、燃料電池的優點：能量轉換率高、廢棄物少、運行噪音低四、廢棄電池的處理：回收利用第三節 電解池一、電解原理1、電解池： 把電能轉化為化學能的裝置 也叫電解槽 2、電解：電流(外加直流電)通過電解質溶液而在陰陽兩極引起氧化還原反應(被動的不是自發的)的過程 3、放電：當離子到達電極時，失去或獲得電子，發生氧化還原反應的過程 4、電子流向：（電源）負極—（電解池）陰極—（離子定向運動）電解質溶液—（電解池）陽極—（電源）正極 5、電極名稱及反應： 陽極：與直流電源的 正極 相連的電極，發生 氧化 反應 陰極：與直流電源的 負極 相連的電極，發生 還原 反應 6、電解CuCl2溶液的電極反應： 陽極：2Cl- -2e=Cl2 (氧化) 陰極：Cu2++2e=Cu(還原)總反應式：CuCl2 =Cu+Cl2 ↑ 7、電解本質：電解質溶液的導電過程，就是電解質溶液的電解過程☆規律總結：電解反應離子方程式書寫：陽離子放電順序：Ag+>Hg2+>Fe3+>Cu2+>H+（指酸電離的)>Pb2+>Sn2+>Fe2+>Zn2+>Al3+>Mg2+>Na+>Ca2+>K+ 陰離子放電順序：是惰性電極時：S2->I->Br->Cl->OH->NO3->SO42-(等含氧酸根離子)>F-(SO32-/MnO4->OH-)是活性電極時：電極本身溶解放電注意先要看電極材料，是惰性電極還是活性電極，若陽極材料為活性電極（Fe、Cu)等金屬，則陽極反應為電極材料失去電子，變成離子進入溶液；若為惰性材料，則根據陰陽離子的放電順序，依據陽氧陰還的規律來書寫電極反應式。 電解質水溶液點解產物的規律類型 電極反應特點 實例 電解對象 電解質濃度 pH 電解質溶液復原分解電解質型 電解質電離出的陰陽離子分別在兩極放電 HCl 電解質 減小 增大 HCl CuCl2 --- CuCl2放H2生成鹼型 陰極：水放H2生鹼陽極：電解質陰離子放電 NaCl 電解質和水 生成新電解質 增大 HCl放氧生酸型 陰極：電解質陽離子放電陽極：水放O2生酸 CuSO4 電解質和水 生成新電解質 減小 氧化銅電解水型 陰極：4H+ + 4e- == 2H2 ↑陽極：4OH- - 4e-= O2↑+ 2H2O NaOH 水 增大 增大 水 H2SO4 減小 Na2SO4 不變 上述四種類型電解質分類：（1）電解水型：含氧酸，強鹼，活潑金屬含氧酸鹽（2）電解電解質型：無氧酸，不活潑金屬的無氧酸鹽（氟化物除外）（3）放氫生鹼型：活潑金屬的無氧酸鹽（4）放氧生酸型：不活潑金屬的含氧酸鹽 二、電解原理的應用 1、電解飽和食鹽水以製造燒鹼、氯氣和氫氣（1）電鍍應用電解原理在某些金屬表面鍍上一薄層其他金屬或合金的方法（2）電極、電解質溶液的選擇：陽極：鍍層金屬，失去電子，成為離子進入溶液 ； M— ne — == M n+陰極：待鍍金屬（鍍件）：溶液中的金屬離子得到電子，成為金屬原子，附著在金屬表面M n+ + ne — == M電解質溶液：含有鍍層金屬離子的溶液做電鍍液鍍銅反應原理： 陽極(純銅)：Cu-2e-=Cu2+，陰極(鍍件)：Cu2++2e-=Cu， 電解液：可溶性銅鹽溶液，如CuSO4溶液 （3）電鍍應用之一：銅的精煉： 陽極：粗銅；陰極： 純銅電解質溶液： 硫酸銅 2、電冶金（1）電冶金：使礦石中的 金屬陽離子 獲得電子，從它們的化合物中還原出來用於冶煉活潑金屬，如鈉、鎂、鈣、鋁（2）電解氯化鈉：通電前，氯化鈉高溫下熔融：NaCl == Na + + Cl—通直流電後：陽極：2Na+ + 2e— == 2Na 陰極：2Cl— — 2e— == Cl2↑☆規律總結：原電池、電解池、電鍍池的判斷規律 （1）若無外接電源，又具備組成原電池的三個條件。①有活潑性不同的兩個電極；②兩極用導線互相連接成直接插入連通的電解質溶液里；③較活潑金屬與電解質溶液能發生氧化還原反應（有時是與水電離產生的H+作用），只要同時具備這三個條件即為原電池。（2）若有外接電源，兩極插入電解質溶液中，則可能是電解池或電鍍池；當陰極為金屬，陽極亦為金屬且與電解質溶液中的金屬離子屬同種元素時，則為電鍍池。（3）若多個單池相互串聯，又有外接電源時，則與電源相連接的裝置為電解池成電鍍池。若無外接電源時，先選較活潑金屬電極為原電池的負極（電子輸出極），有關裝置為原電池，其餘為電鍍池或電解池。 原電池，電解池，電鍍池的比較性質 類別 原電池 電解池 電鍍池定義（裝置特點） 將化學能轉變成電能的裝置 將電能轉變成化學能的裝置 應用電解原理在某些金屬表面鍍上一側層其他金屬反應特徵 自發反應 非自發反應 非自發反應 裝置特徵 無電源，兩級材料不同 有電源，兩級材料可同可不同 有電源 形成條件 活動性不同的兩極電解質溶液形成閉合迴路 兩電極連接直流電源兩電極插入電解質溶液形成閉合迴路 1鍍層金屬接電源正極，待鍍金屬接負極；2電鍍液必須含有鍍層金屬的離子 電極名稱 負極：較活潑金屬正極：較不活潑金屬（能導電非金屬） 陽極：與電源正極相連陰極：與電源負極相連 名稱同電解，但有限制條件陽極：必須是鍍層金屬陰極：鍍件 電極反應 負極：氧化反應，金屬失去電子正極：還原反應，溶液中的陽離子的電子或者氧氣得電子（吸氧腐蝕） 陽極：氧化反應，溶液中的陰離子失去電子，或電極金屬失電子陰極：還原反應，溶液中的陽離子得到電子 陽極：金屬電極失去電子陰極：電鍍液中陽離子得到電子電子流向 負極→正極 電源負極→陰極電源正極→陽極 同電解池溶液中帶電粒子的移動 陽離子向正極移動陰離子向負極移動 陽離子向陰極移動陰離子向陽極移動 同電解池聯系 在兩極上都發生氧化反應和還原反應☆☆原電池與電解池的極的得失電子聯系圖：陽極(失) e- 正極（得） e- 負極（失） e- 陰極（得）第四節 金屬的電化學腐蝕和防護一、金屬的電化學腐蝕（1）金屬腐蝕內容： （2）金屬腐蝕的本質：都是金屬原子 失去 電子而被氧化的過程（3）金屬腐蝕的分類：化學腐蝕— 金屬和接觸到的物質直接發生化學反應而引起的腐蝕 電化學腐蝕—不純的金屬跟電解質溶液接觸時，會發生原電池反應。比較活潑的金屬失去電子而被氧化，這種腐蝕叫做電化學腐蝕。化學腐蝕與電化腐蝕的比較 電化腐蝕 化學腐蝕條件 不純金屬或合金與電解質溶液接觸 金屬與非電解質直接接觸現象 有微弱的電流產生 無電流產生 本質 較活潑的金屬被氧化的過程 金屬被氧化的過程 關系 化學腐蝕與電化腐蝕往往同時發生，但電化腐蝕更加普遍，危害更嚴重（4）電化學腐蝕的分類： 析氫腐蝕——腐蝕過程中不斷有氫氣放出①條件：潮濕空氣中形成的水膜,酸性較強（水膜中溶解有CO2、SO2、H2S等氣體）②電極反應：負極: Fe – 2e- = Fe2+ 正極: 2H+ + 2e- = H2 ↑ 總式：Fe + 2H+ = Fe2+ + H2 ↑吸氧腐蝕——反應過程吸收氧氣①條件：中性或弱酸性溶液②電極反應：負極: 2Fe – 4e- = 2Fe2+ 正極: O2+4e- +2H2O = 4OH- 總式：2Fe + O2 +2H2O =2 Fe(OH)2 離子方程式：Fe2+ + 2OH- = Fe(OH)2 生成的 Fe(OH)2被空氣中的O2氧化，生成 Fe(OH)3 ， Fe(OH)2 + O2 + 2H2O == 4Fe(OH)3Fe(OH)3脫去一部分水就生成Fe2O3•x H2O（鐵銹主要成分）規律總結：金屬腐蝕快慢的規律：在同一電解質溶液中，金屬腐蝕的快慢規律如下：電解原理引起的腐蝕＞原電池原理引起的腐蝕＞化學腐蝕＞有防腐措施的腐蝕 防腐措施由好到壞的順序如下：外接電源的陰極保護法＞犧牲負極的正極保護法＞有一般防腐條件的腐蝕＞無防腐條件的腐蝕二、金屬的電化學防護 1、利用原電池原理進行金屬的電化學防護 （1）犧牲陽極的陰極保護法 原理：原電池反應中，負極被腐蝕，正極不變化 應用：在被保護的鋼鐵設備上裝上若干鋅塊，腐蝕鋅塊保護鋼鐵設備 負極：鋅塊被腐蝕；正極：鋼鐵設備被保護 （2）外加電流的陰極保護法原理：通電，使鋼鐵設備上積累大量電子，使金屬原電池反應產生的電流不能輸送，從而防止金屬被腐蝕應用：把被保護的鋼鐵設備作為陰極，惰性電極作為輔助陽極，均存在於電解質溶液中，接上外加直流電源。通電後電子大量在鋼鐵設備上積累，抑制了鋼鐵失去電子的反應。 2、改變金屬結構：把金屬製成防腐的合金 3、把金屬與腐蝕性試劑隔開：電鍍、油漆、塗油脂、表面鈍化等