高中物理《传感器的应用实验》教案粤教版选修324485.pdf

1 高中物理 传感器的应用实验教案 粤教版选修 32 教学目标 1知识与技能：（1）知道二极管的单向导电性和发光二极管的发光特性。（2）知道晶体三极管的放大特性。(3)掌握逻辑电路的基本知识和基本应用。2过程与方法：通过实验的方法，让学生在组装和调试中，更为深入地认识传感器的应用。3情感、态度与价值观 培养学生的学习兴趣，倡导以创新为主，实践为重的素质教育理念。教学重点：传感器的应用实例。教学难点：由门电路控制的传感器的工作原理。教学方法：PPT 课件，演示实验，讲授 教学用具：斯密特触发器或非门电路，二极管，三极管，蜂鸣器，滑线变阻器，热敏电阻，光敏电阻。教学过程 一、引入新课 上节课我们学习了温度传感器、光传感器及其工作原理。请大家回忆一下我们学了哪些具体的温度、光传感器？学生思考后回答：电饭锅，测温仪，鼠标器，火灾报警器 这节课我们将结合简单逻辑电路中的知识学习由门电路以及传感器控制的电路问题。二、进行新课 在我们学习这些知识之前，先要学习一些相关的元件的作用功能，及其工作原理。（一）普通二极管和发光二极管 固态电子器件中的半导体两端器件。起源于 19 世纪末发现的点接触二极管效应，发展于 20 世纪 30 年代，主要特征是具有单向导电性，即整流特性。利用不同的半导体材料、掺杂分布、几何结构，可制成不同类型的二极管，用来产生、控制、接收、变换、放大信号和进行能量转换。例如稳压二极管可在电源电路中提供固定偏压和进行过压保护；雪崩二极管作为固体微波功率源，用于小型固体发射机中的发射源；半导体光电二极管能实现光-电能量的转换，可用来探测光辐射信号；半导体发光二极管能实现电-光能量的转换，可用作指示灯、文字-数字显示、光耦合器件、光通信系统光源等；肖特基二极管可用于微波电路中的混频、检波、调制、超高速开关、倍频和低噪声参量放大等。按用途分：检波二极管、整流二极管、稳压二极管、开关管、光电管。按结构分：点接触型二极管、面接触型二极管 发光二极管简称为 LED。由镓（Ga）与砷（AS）、磷（P）的化合物制成的二极管，当电子与空穴复合时能辐射出可见光，因而可以用来制成发光二极管，在电路及仪器中作为指示灯，或者组成文字或数字显示。磷砷化镓二极管发红光，磷化镓二极管发绿光，碳化硅二极管发黄光。它是半导体二极管的一种，可以把电能转化成光能；常简写为 LED。发光二极管 2 与普通二极管一样是由一个 PN 结组成，也具有单向导电性。当给发光二极管加上正向电压后，从 P 区注入到 N 区的空穴和由 N 区注入到 P 区的电子，在 PN 结附近数微米内分别与 N区的电子和 P 区的空穴复合，产生自发辐射的荧光。不同的半导体材料中电子和空穴所处的能量状态不同。当电子和空穴复合时释放出的能量多少不同，释放出的能量越多，则发出的光的波长越短。常用的是发红光、绿光或黄光的二极管。总结：（1）二极管具有单向导电性（2）发光二极管除了具有单向导电性外，导电时还能发光，普通发光二极管使用磷化镓或磷砷化镓等半导体材料制成，直接将电能转化为光能，该类发光二极管的正向导通电压大于 1.8V。（二）晶体三极管 晶体三极管，是半导体基本元器件之一，具有电流放大作用，是电子电路的核心元件。三极管是在一块半导体基片上制作两个相距很近的 PN 结，两个 PN 结把正块半导体分成三部分，中间部分是基区，两侧部分是发射区和集电区，排列方式有 PNP 和 NPN 两种，如图从三个区引出相应的电极，分别为基极 b 发射极 e 和集电极 c。发射区和基区之间的 PN 结叫发射结，集电区和基区之间的 PN 结叫集电极。基区很薄，而发射区较厚，杂质浓度大，PNP 型三极管发射区发射的是空穴，其移动方向与电流方向一致，故发射极箭头向里；NPN 型三极管发射区发射的是自由电子，其移动方向与电流方向相反，故发射极箭头向外。发射极箭头向外。发射极箭头指向也是 PN 结在正向电压下的导通方向。硅晶体三极管和锗晶体三极管都有 PNP 型和 NPN 型两种类型。晶体三极管具有电流放大作用，其实质是三极管能以基极电流微小的变化量来控制集电极电流较大的变化量。这是三极管最基本的和最重要的特性。我们将 Ic/Ib 的比值称为晶体三极管的电流放大倍数，用符号“”表示。电流放大倍数对于某一只三极管来说是一个定值，但随着三极管工作时基极电流的变化也会有一定的改变。3 总结：（1）三极管具有电流放大作用。（2）晶体三极管能够将微弱的信号放大，晶体三极管的三个极分别是发射极e，基极 b 和集电极 c。（3）传感器输出的电流和电压很小，用一个三极管可以放大几十倍或几百倍，三极管的放大作用表现为基极 b 的电流对集电极 c 的电流起了控制作用。（三）逻辑电路 逻辑电路是以二进制为原理、实现数字信号逻辑运算和操作的电路。分组合逻辑电路和时序逻辑电路。前者的逻辑功能与时间无关，即不具记忆和存储功能，后者的操作按时间程序进行。由于只分高、低电平，抗干扰力强，精度和保密性佳。广泛应用于计算机、数字控制、通信、自动化和仪表等方面。这里我们主要说逻辑门电路。逻辑门电路符号图包括与门，或门，非门，1与逻辑 对于与门电路，只要一个输入端输入为 0，则输出端一定是 0，只有当所有输入端输入都同为 1 时，输出才是 1.2或逻辑 对于或门电路，只要一个输入端输入为 1，则输出一定是 1，反之，只有当所有输入端都为 0 时，输出端才是 0.3.非门电路 对于非门电路，当输入为 0 时，输出总是 1，当输入为 1 时，输出反而是 0，非门电路也称反相器。4.斯密特电路：斯密特触发器是特殊的非门电路，当加在它的输入端 A 的电压逐渐上升到某个值1.6V 时，输出端 Y 会突然从高电平调到低电平 0.25V，而当输入端 A 的电压下降到另一个值的时候 0.8V，Y 会从低电平跳到高电平 3.4V。斯密特触发器可以将连续变化的模拟信号转换为突变的数字信号。而这正是进行光控所需要的。（四）、应用实例 1、光控开关 电路组成：斯密特触发器，光敏电阻，发光二LED R2 R1 RA Y+5 4 极管 LED 模仿路灯，滑线变阻器，定值电阻，电路如图所示。工作原理：天明时，RG变小，流过 R1的电流变大，A 端输入电压降低到 0.8V，Y 会从低电平跳到高电平 3.4V，LED 上的电压低于正向导通电压 1.8V，LED 不会发光，当天色暗到一定程度时，RG变大，输入端 A 的电压升高到某一个值 1.6V 时，输出端 Y 突然从高电平跳到低电平 0.25V，此时加在 LED 上的正向电压大于导通电压 1.8V，二极管 LED 发光。特别提醒：要想在天暗时路灯才会亮，应该把 R1的阻值调大一些，这样要使斯密特触发器的输入端 A 电压达到某个值 1.6V，就需要 RG的阻值达到更大，即天色更暗。拓展：如果电路不用发光二极管来模拟，直接用在电路中，就必须用到电磁继电器。如下图。2温度报警器（热敏电阻式报警器）结构组成：斯密特触发器，热敏电阻，蜂鸣器，变阻器，定值电阻，如图所示。工作原理：常温下，调整 R1的阻值使斯密特触发器的输入端 A 处于低电平，则输出端 Y 处于高电平，无电流通过蜂鸣器，蜂鸣器不发声，当温度升高时，热敏电阻 RT阻值减小，斯密特触发器输入端 A电势升高，当达到某一值（高电平），其输出端由高电平调到低电平，蜂鸣器通电，从而发出报警声，R1的阻值不同，则报警器温度不同。特别提示：要使热敏电阻在感测到更高的温度时才报警，应该减小 R1的阻值，R1阻值越小，要使斯密特触发器输入达到高电平，则热敏电阻阻值要求越小，即温度越高。典型例题：1.与门的输入端输入信号为何时，输出端输出“1”（）A.0 0 B.0 1 C.1 0 D.1 1 答案：D 2.或门的输入端输入信号为何时，输出端输出“0”（）A.0 0 B.1 0 C.0 1 D.1 1 答案：A 3.联合国安理会每个常任理事国都拥有否决权，假设设计一个表决器，常任理事国投反对票时输入“0”，投赞成或弃权时输入“1”，提案通过为“1”，通不过为“0”，则这个表决器应具有哪种逻辑关系（）A.与门 B.非门 C.或门 D.与非门 答案：A 4.图是一个复合门电路，由一个 x 门电路与一个非门组成.若整个电路成为一个与门，则 x电路应是（）R1 RA Y+5高压工作 R1 RT A Y+5 5 A.与门 B.或门 C.与非门 D.或非门 答案：C 5.“第 4 题”中的整个电路若成为一个或门，则 x 电路应是（）答案：D 6.如图是一个三输入端复合门电路，当 C 端输入“1”时，A、B 端输入为何时输出端 Y 输出“1”（）A.0 0 B.0 1 C.1 0 D.1 1 答案：D 7.如图所示，一个三输入端复合门电路，当输入为 1 0 1 时，输出为_.（填“0”或“1”）答案：1 8.与非门可以改装成一个非门，方法为只用一个输入端如 A 端，而另一个输入端 B 端输入稳定信号，则为把与非门改装成非门，B 端应始终输入_.（填“0”或“1”）答案：1 9、某些非电学量的测量是可以通过一些相应的装置转化为电学量来测量的，一电容的两个极板放置在光滑的水平平台上，极板的面积为 S，极板间的距离为 d，电容器的电容公式为C=ES/d（E 是常数但未知）.极板 1 固定不动，与周围绝缘，极板 2 接地，且可以在水平平台上滑动，并始终与极板 1 保持平行，极板 2 的两个侧边与劲度系数为 k、自然长度为 L 的两个完全相同的弹簧相连，两弹簧的另一端固定，弹簧 L 与电容垂直，如图（1）所示.图（2）是这一装置的应用示意图，先将电容器充电至电压 U 后即与电源断开，再在极板 2 的右侧的整个表面上施以均匀向左的待测压强 p，使两极板之间的距离发生微小的变化，测得此时电容器两极板间的电压改变量为U.设作用在电容板上的静电力不致引起弹簧可测量的形变，试求：待测压强 p.答案：p=2kdU/(SU)【课堂总结】本节课主要学习了以下几个问题：1、二极管的特点和作用 2、三极管的特点和作用 6 3、斯密特触发器的特点和作用 作业：课本作业 教学后记 学以致用是学习的最终目的，将所学的知识用于实际生活和实际问题中，知识才有实用价值。板书设计 第四节：传感器的应用实验教案 1、二极管的特点和作用：单向导电性，发光二极管不但能单向导电性，还能发光。2、三极管的特点和作用，能放大微弱的电流 3、斯密特触发器的特点和作用：触发器其实由 6 个非门电路组成 4、斯密特触发器的应用：光控电路，温度报警器