高中二年級(jí)下學(xué)期物理《常見傳感器的工作原理及應(yīng)用（光電傳感器）》教學(xué)設(shè)計(jì)

7/7常見傳感器的工作原理及應(yīng)用（光電傳感器）【教學(xué)目標(biāo)】1、物理觀念：知道傳感器中常見的幾種敏感元件:光敏電阻、熱敏電阻、電阻應(yīng)變片和霍爾元件。知道光電傳感器的工作原理及應(yīng)用，了解光電傳感器的不同類型和具體應(yīng)用，體會(huì)物理觀念產(chǎn)生的過程。2、科學(xué)思維：通過對(duì)光電傳感器的原理和應(yīng)用的分析，體會(huì)物理模型在探索自然規(guī)律中的作用和其在實(shí)際中的應(yīng)用。3、科學(xué)探究：通過對(duì)光電傳感器結(jié)構(gòu)的觀察、思考和探究,讓學(xué)生在了解光電傳感器、熟悉光電傳感器工作原理的同時(shí),經(jīng)歷科學(xué)探究過程,學(xué)習(xí)科學(xué)研究方法,培養(yǎng)學(xué)生的觀察能力、實(shí)踐能力和創(chuàng)新思維能力。培養(yǎng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)探求知識(shí)的意識(shí)，增強(qiáng)求知欲望。4、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任：體會(huì)光電傳感器在生活、生產(chǎn)、科技領(lǐng)域的種種益處,激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,拓展學(xué)生的知識(shí)視野,并加強(qiáng)物理與實(shí)際的聯(lián)系，培養(yǎng)學(xué)生實(shí)事求是的科學(xué)態(tài)度、團(tuán)隊(duì)合作精神和創(chuàng)新意識(shí)?！窘虒W(xué)重點(diǎn)】知道傳感器中常見的幾種敏感元件:光敏電阻、熱敏電阻、電阻應(yīng)變片和霍爾元件。了解光電傳感器的不同類型和具體應(yīng)用?！窘虒W(xué)難點(diǎn)】知道光電傳感器的工作原理及應(yīng)用?！窘虒W(xué)過程】一、復(fù)習(xí)舊知1．傳感器:能像人的感覺器官那樣感受外界信息,并能按照一定的規(guī)律和要求把這些信息轉(zhuǎn)換成可用輸出信息的器件或裝置。2．傳感器的種類:電阻式傳感器、光電式傳感器、壓電式傳感器、電容式傳感器、電感式傳感器、半導(dǎo)體式傳感器、熱電偶式傳感器3．傳感器的基本部分:敏感元件、轉(zhuǎn)換元件敏感元件:能直接感受或響應(yīng)外界被測(cè)非電學(xué)量的部分。轉(zhuǎn)換元件:能將敏感元件輸出的信號(hào)直接轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的部分。那么,常見的傳感器是怎樣感知非電學(xué)量,并將其轉(zhuǎn)換為電學(xué)量的呢?利用不同的敏感元件制成的各種傳感器又有哪些應(yīng)用呢?二、學(xué)習(xí)新知1．介紹光電傳感器原理：光電傳感器是將被測(cè)量的變化轉(zhuǎn)換成光信號(hào)的變化，然后通過光電元件轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的傳感器，其理論基礎(chǔ)是光電效應(yīng)，即物體吸收到光子能量后產(chǎn)生的電效應(yīng)。光電效應(yīng)分為三大類。（1）外光電效應(yīng)在光線作用下，能使電子逸出物體表面的現(xiàn)象稱為外光電效應(yīng)，也稱為光電子發(fā)射效應(yīng)。此類光電元器件主要有光電管、光電倍增管，它屬于真空光電元件。（2）內(nèi)光電效應(yīng)在光線作用下能使物體電阻率變化的現(xiàn)象稱為內(nèi)光電效應(yīng)，又叫做光電導(dǎo)效應(yīng)。此類光電元器件有光敏電阻，它屬于半導(dǎo)體光電元件。（3）光生伏特效應(yīng)又稱阻擋層光電效應(yīng)，是指在光線作用下能使物體產(chǎn)生一定方向電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象。此類光電元器件主要有光電池和光電晶體管等，它屬于半導(dǎo)體光電元件。2．介紹常用光電元器件的分類：常用光電元器件有光敏電阻、光敏二極管、光敏三極管、光電池、光電管和光電倍增管。（1）光敏電阻光敏電阻是一種沒有極性的純電阻元件。其原理和外形如下圖所示。光敏電阻在不受光照射時(shí)的阻值稱為暗電阻，一般是兆歐數(shù)量級(jí)。光敏電阻在某一光照下的阻值稱為該光照下的亮電阻，一般為幾千歐姆。流過暗電阻的電流稱為暗電流，流過亮電阻的電流稱為亮電流，光電流是亮電流與暗電流之差。然后介紹光敏電阻的缺點(diǎn)：當(dāng)溫度升高時(shí)，光電阻的暗阻下降，暗電流增大，靈敏度下降（2）光電池、光敏二極管、光敏三極管光電池是一種直接將光能轉(zhuǎn)換成電能的光電元件。它有個(gè)大面積的P-N結(jié)，當(dāng)光照射時(shí)，半導(dǎo)體內(nèi)原子受激發(fā)而生成電子-空穴對(duì)，通常把這種由光生成的電子-空穴對(duì)叫做光生載流子。它們?cè)赑-N結(jié)電場(chǎng)的作用下，使P區(qū)帶正電，N區(qū)帶負(fù)電，兩端產(chǎn)生了電勢(shì)，若用導(dǎo)線連接，就有電流通過，如下圖所示。然后簡(jiǎn)單介紹一下光敏二極管，再介紹光敏三極管的放大效應(yīng)：光敏三極管有兩個(gè)P-N結(jié)，其靈敏度比光敏二極管高。它的基本電路如下圖所示。（3）光電管、光電倍增管光電管和光電倍增管是利用外光電效應(yīng)的光電元件。光電管由真空玻璃管、光電陰極K和光電陽極A組成。當(dāng)一定頻率的光照射到光電陰極上時(shí)，光電陰極吸收了光子的能量便有電子逸出而形成光電子，這些光電子被具有正電位的陽極所吸引，因而在光電管內(nèi)便形成定向空間電子流，下圖即為光電管，就著圖片介紹結(jié)構(gòu)。因光電管的靈敏度較低，在微光測(cè)量中無法有顯著數(shù)據(jù)，引出光電倍增管，然后介紹其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：光電倍增管的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是在光電陰極和陽極之間增加了若干個(gè)光電倍增極D，如圖所示，且外加電位逐級(jí)升高，因而逐級(jí)產(chǎn)生二次電子發(fā)射而獲得倍增光電子，使得最終到達(dá)陽極的光電子數(shù)目猛增。通常光電倍增管的靈敏度比光電管要高出幾萬倍，在微光下就可產(chǎn)生可觀的電流，因此在使用時(shí)應(yīng)注意避免強(qiáng)光照射而損壞光電陰極。3．介紹常用光電傳感器的具體應(yīng)用及其結(jié)構(gòu)：光電開關(guān)和光電斷續(xù)器（1）光電開關(guān)根據(jù)光線的走向，光電開關(guān)分為兩類：直射型和反射型。下圖所示為直射型光電開關(guān)，這種光電開關(guān)的發(fā)射器和接收器相對(duì)安放在一條軸線上。當(dāng)有物體在兩者中間通過時(shí)，紅外光束被遮斷，接收器因接收不到紅外線而產(chǎn)生一個(gè)電脈沖信號(hào)。這種光電開關(guān)檢測(cè)距離最長(zhǎng)可達(dá)幾十米。反射型傳感器又分為反射鏡反射和被測(cè)物漫反射（又稱散射型），反射鏡型傳感器單側(cè)安裝，根據(jù)被測(cè)物體的距離調(diào)整反射鏡的角度以取得最佳的反射效果，它的檢測(cè)距離不如直射型，一般為幾米。散射型光敏接收元件接收的是漫反射光線，其安裝最方便，但檢測(cè)距離更小，只有幾百毫米。（2）光電斷續(xù)器光電斷續(xù)器的工作原理與光電開關(guān)相同，結(jié)構(gòu)上將光電發(fā)射器、光電接收器做在體積很小的同一塑料殼體中，所以不需要調(diào)整安裝位置。光電斷續(xù)器也可分為直射型和反射型兩種，如下圖所示。直射型的槽寬、槽深和其光敏元件有系列化產(chǎn)品可供選擇。反射型的檢測(cè)距離較小，多用于安裝在空間較小的場(chǎng)合。（3）光電傳感器應(yīng)用實(shí)例光電傳感器屬于非接觸測(cè)量傳感器，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高、精度高、反應(yīng)快和使用方便等特點(diǎn)。隨著新光源、新光電元器件的不斷出現(xiàn)，光電傳感器越來越廣泛應(yīng)用于檢測(cè)和控制領(lǐng)域中，常用來進(jìn)行煙霧、濁度、轉(zhuǎn)速等的檢測(cè)。例如：反射式煙霧報(bào)警檢測(cè)器。反射式煙霧報(bào)警檢測(cè)器如圖所示。圖中，燈的作用是作為