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欧姆定律
第六节　设计恒温电热杯
教材 解读 　本节课是在学生掌握了“不同物质导电性”“影响电阻大小因素”“欧姆定律”“利用欧姆定律测电阻”的内容后的跨工程的实践活动。涉及温度控制、电路设计、传感器应用等知识点,不论是所涉及学科知识的综合程度还是实践任务的复杂程度,均对学生提出比较高的要求,一定程度体现了教材对九年级学生工程实践能力的综合定位。该课时设计了完整的工程实践过程及思维方式,将学校课程的学习经验迁移到社会生活实践中去,积极参与实践问题的讨论与解决。 　教材结合学生之前所学的内容,采用了任务驱动的方法,通过分解复杂问题帮助学生理解。将课程拆分为四个任务,任务一、认识敏感元件;任务二、设计恒温电热杯的温度显示系统;任务三、制作恒温电热杯的电子测温装置;任务四、设计恒温电热杯的控温工作流程。通过以上目标,学生不仅能掌握物理知识与工程技术,更能形成“发现问题——解决问题——服务社会”的素养闭环,体现科学教育的实践性与育人价值。
学 习 目 标 物理观念 　1.通过加热电路设计、分析电流与电压、电阻的关系。 　2.区分正温度系数(PTC)与负温度系数(NTC)电阻的温度响应机制。 　3.综合运用欧姆定律、电阻特性理解电路设计与温度控制的关联性。 　4.多学科知识融合,物理与工程结合;电路设计与机械结构优化;新兴技术应用,通过编程实现温度智能化控制。
科学思维 　1.经历“问题分析-设计-制作-测试-优化”的完整工程流程,强化系统化解决问题的能力。 　2.通过设计报告撰写与展示,提升科学表达与批判性思维能力。
科学探究 　1.通过动手制作和调试,掌握传感器、控制电路等工程元件的基础应用,体会自动化技术的底层逻辑。 　2.鼓励创新设计,结合不同用户需求提出改进方案,从失败中反思,培养迭代优化能力。
科学态度 与责任 　1.通过真实的产品设计,打破学科壁垒,培养学生“像工程师一样思考”的素养。 　2.分组完成任务,培养分工协作与成果分享能力。
重 点 难 点 　重点:理解电流、电压、电阻的关系,结合热敏电阻(NTC/PTC)的温度特性,掌握非电学量(温度)到电学量(电阻/电压)的转换原理。根据所选的热敏电阻,设计并分析电子测温系统中显示系统的电路对应的原理,提升应用知识解决实际问题的能力。 　难点:融合物理(电学、热学)信息技术(编程)、工程(结构设计)等学科知识设计恒温自动控制系统的工作流程,并尝试用程序语言描述工作流程。
教 学 实 施 步 骤 　第一课时:原理学习与设计 　1.问题导入:展示普通保温杯的不足,讨论恒温需求。 　2.知识铺垫:实验1:测量NTC电阻随温度变化(热水浸泡+万用表测量)。 实验2:观察PTC加热片通电后的自限温特性。 　3.分组设计:绘制电路图,标注元件参数。 　第二课时:制作与测试 　1.电路搭建:连接各元件,教师示范关键节点。 　2.功能测试:倒入常温水,通电后记录升温时间,用温度计实时监测水温,验证温控开关阈值。 　3.优化改进:讨论如何减少温度波动(如增加热敏电阻与杯壁接触面积)
备课 资料 　word版电子教案、匹配的课件见电子资源
教师活动 学生活动 设计意图
【导入新课】 展示普通电热杯,提出缺点,无法恒温、容易烧干出现危险,引出恒温电热杯的话题。恒温电热杯不仅有加热系统,还有温度监测系统和温度控制系统。 学生观察、思考 生活实际问题引入,让学生感受物理与生活的关系。
【新课教学】 教师介绍:恒温电热杯不仅有加热系统,还有温度监测系统和温度控制系统。
(续表)
教师活动 学生活动 设计意图
任务一:认识敏感电阻 敏感电阻能灵敏监测某种物理、化学信息,通过一定的电路将其转化为电信号,在电子元件中利用敏感元件感知外界信息,为自动控制提供了便利。常见的敏感元件有压敏、光敏、热敏、磁敏、气敏、湿敏等元件。 学生活动1: 调查表展示(小组提前查阅资料):选择敏感元件调查它的性质,并思考利用这些性质可以有哪些应用设计,并为恒温电热杯的检测系统选择合适的敏感电阻。 对学生汇报进行评价,确定利用热敏电阻制作温度检测元件。 任务二:设计恒温电热杯的温度显示系统 热敏电阻能把温度变化转化为电阻值的变化,而电阻的变化可以引起电路中电流或电压的变化,因此可以通过电压表或电流表的示数变化,显示热敏电阻检测的温度变化。 下图中,电源电压恒定,闭合开关,分析可变电阻R发生变化时其两端的电压如何变化 请同学们推导出电压表示数和电阻值之间的关系式。 如果将可变电阻换成热敏电阻,将电压值和电阻值、电阻值和温度值一一对应,这样就可以用电压表示数显示热敏电阻感知到的温度值了。 学生活动2: (1)查阅资料,了解热敏电阻和温度的对应关系(提前完成)。 (2)设计电子测温装置的温度显示装置 学生提前查阅资料、整理、交流 学生思考互动,讨论回答 讨论、设计 通过查阅资料,了解不同敏感电阻的性质,为设计恒温杯建立实验基础。通过资料调查整理过程锻炼学生搜集证据的能力,在交流汇报过程培养学生表达和演讲的能力。 由熟悉的可变电阻入手,过渡到热敏电阻,减小学生思考难点。 热敏电阻和温度的关系是设计实验的基础,给足时间让学生在讨论中明确原理。
(续表)
教师活动 学生活动 设计意图
要求一:用电压表作为显示器,温度越高电压表示数越大。 要求二:用电流表作为显示器,温度越高电流表示数越大。 展示学生的设计图,交流讨论,改进修正。 (3)推导电压表示数、电流表示数和电阻的关系式。 任务三:制作恒温电热杯的电子测温装置 展示一个实际的电子测温装置,介绍温度检测和温度数字化、语音提示等功能。 学生活动3: 制作简单的电子测温装置,利用电压表或电流表显示所测量的温度值。 1.确定水温变化范围。 2.根据热敏电阻参数,以及电表量程,选择合适的电路,确定电源规格和其他元件参数。 3.确定电表示数和温度的关系,标定电表上对应的温度值。 4.用标准温度计进行校准,评估精度。 任务四:设计恒温电热杯的控温工作流程 教师介绍流程图的画法,并以安全带报警系统控制流程图为例进行示范讲解。 学生活动4: 设计恒温电热杯的控温工作流程图 学生按照课本103页实践活动中的要求,分小组讨论画出恒温杯的工作流程图,并在班级里展示,交流改进优化方案。 课堂小结 1.你学到了哪些物理知识 2.你学会了哪些研究问题的方法 学生思考问题,小组讨论,建立温度—电阻——电表示数之间的关系 讨论、画图、交流改进 学生从知识、方法、情感各方面对本节课进行总结 通过流程图设计,将前三个环节融会贯通,并渗透编程思维,实现自动控制。
任务一、分析整体结构
如图12-6-8所示是自动温度控制系统的结构功能,思考下列问题。
图12-6-8
问题1:请你设计一个恒温电热杯,既能给水加热,又能把水温保持在设定温度范围,需要解决的技术问题是　加热　、　测温　、　控温　和安全。
问题2:如果你是一名工程师,将自动控温电热杯改造成手动控温的电热杯,在实际电路中　电热棒　是加热电路;　温度计　是测量电路;　眼睛　是检测电路;　大脑　是运算电路;　手动　是执行电路。
任务二、设计测量与显示电路
1.热敏电阻类型
恒温自动控制的电热杯比普通电热杯多一个“探头”,这个探头起的作用是　测量温度　。
阅读教材P100科学窗,回答以下问题。
问题1:热敏电阻按电阻温度变化的特点可分为　正温度系数热敏电阻器　(PTC)和　负温度系数热敏电阻器　(NTC)。
问题2:NTC热敏电阻阻值随温度的升高而　减小　;PTC热敏电阻阻值随温度的升高而　增大　。
2.设计方案识别热敏电阻类型
请同学们设计电路区分PTC热敏电阻和NTC热敏电阻。
(1)在虚线框内设计测量热敏电阻阻值的电路图。
[答案] 如图所示
(2)分析论证小组设计方案。
思维程序:
①识别模型
　串　联电路特点:电流:　I=I0=IR　;电压:　U=U0+UR　;电阻:　R总=R0+R　。
欧姆定律公式:　I=　。
②明确已知与所求,寻找思路
项目 R0 R R总
U/V
I/A
R/Ω
③分析得出结论
方案一:
由公式:I=,又有条件　电源电压不变、电流表示数增大(减小)　;得出　R总减小(增大)　。
由公式:　R总=R0+R　,又有条件　R0是定值电阻　;得出　R减小(增大)是NTC(PTC)热敏电阻　。
方案二:
由公式:　U=U0+UR　,又有条件　电源电压不变　;得出　UR减小(增大),U0增大(减小)　
由公式:　I=　,又有条件　R0是定值电阻　;得出　电流增大(减小)　;
由公式:　I=I0=IR　,又有条件　R0是定值电阻　;得出　R总减小(增大),R减小(增大)是NTC(PTC)热敏电阻　。
3.交流讨论——通过敏感电阻将温度测量转化为电压或电流的测量原理
问题1:如图12-6-9所示电源两端电压保持不变,定值电阻R0与一个敏感电阻R串联,闭合开关后,敏感电阻增大时,电路中的总电阻　增大　,根据欧姆定律得电路中的电流　减小　,定值电阻两端电压　减小　,电源电压不变,敏感电阻两端的电压　增大　。
图12-6-9
问题2:温度是非电学量,通过　敏感电阻值变化　,将非电学测量转化为电学量的测量　电压或电流变化　,实现温度的测量与检测任务。
任务三、制作自动温度报警装置
通过制作温度自动报警装置,来体验将非电学量测量通过敏感电阻转化为电学测量,是电气化的基础。
1.实验启发思考:
小实验演示,用热敏电阻、LED灯和温水,展示温度变化导致LED亮度变化(模拟温度报警)
2.提问:能否用类似原理让杯子自动加热或停止加热。
3.按如图12-6-10所示的流程设计电子测温装置,并完成制作。
图12-6-10
任务四、学习程序设计流程语言
展示恒温报警器成品的电路图,梳理恒温报警器的工作流程。
活动1:参照电路图和实物图尝试说出该恒温报警器的工作流程。
活动2:了解流程图(课上阅读交流)。
活动3:阅读流程图,学习使用程序语言,模拟工程师,修改自己的程序结构。
活动4:找出如图12-6-11所示程序流程图使用符号不规范之处。
活动5:交流讨论,归纳总结恒温电热杯的整体结构图。
图12-6-11
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欧姆定律
第六节　设计恒温电热杯
方式一　【问题导入】
提出问题:
1.大家早上带热水到学校,中午喝水时发现水凉了怎么办
2.冲奶粉或泡茶时,水温太烫或太凉会带来什么麻烦
展示普通电热杯,提出缺点无法恒温容易烧干出现危险,引出恒温电热杯的话题。恒温电热杯不仅有加热系统,还有温度监测系统和温度控制系统。引入新课。
方式二　【情境导入】
实物展示:拿出一个普通的保温杯和一个市面上销售的智能恒温杯(或播放恒温杯广告片段)。
提出问题:
1.智能恒温杯为什么能保持水温 它比普通杯子多了哪些功能
2.如果让你设计一个恒温杯,你会如何实现 引入新课。
图12-6-1
恒温控制电路流程设计
流程图的设计过程是一个将复杂系统或问题解决方案可视化的结构化方法。首先需要明确系统的起始点和终止点,用圆角矩形符号标记;接着分解核心步骤为处理框(矩形),按执行顺序排列,例如“读取温度”;然后识别所有需要判断的环节(菱形框),如“温度是否低于设定值 ”,并根据判断结果(是/否)引出分支箭头;对于需要重复执行的环节(如持续测温),用循环结构将流程引回上游节点。设计时需遵循“自上而下、从左到右”的阅读习惯,通过连接线明确各模块的逻辑关系,最终形成能清晰反映系统工作逻辑的图形化方案。例如恒温控制流程会循环执行:“测温-判断-加热/停止”的闭环过程,直到手动关闭系统,流程图如图12-6-1所示。
[中考解读] 利用欧姆定律分析敏感电阻引起的动态电路是近几年中考常考题型,主要以选择和填空的形式出现。
[考点对接] 敏感电阻动态电路分析
例1　(龙东中考)天然气是一种清洁能源,方便居民使用的同时,存在着泄漏的安全隐患。物理兴趣小组在老师的指导下设计了天然气泄漏检测电路,如图12-6-2所示,电源电压恒定不变,R0为定值电阻,R为气敏电阻。R的阻值随天然气浓度的增大而减小,则天然气 (　　)
图12-6-2
A.浓度增大时,电流表示数变小
B.浓度增大时,电压表示数变小
C.浓度减小时,电流表示数变大
D.浓度减小时,电压表示数变小
[答案] D
[解析] 由图可知,两电阻串联,电压表测量定值电阻R0两端的电压,电流表测电路中的电流;天然气浓度增大时,R的阻值减小,电路中的总电阻变小,由I=可知,电路中的电流增大,即电流表示数变大,由U=IR可知,R0两端的电压变大,即电压表示数变大,故AB错误;天然气浓度减小时,R的阻值增大,电路中的总电阻变大,由I=可知,电路中的电流变小,即电流表示数变小,由U=IR可知,R0两端的电压变小,即电压表示数变小,故C错误,D正确。
图12-6-3
例2　(绥化中考)如图12-6-3所示电路中,R0是定值电阻,R1是阻值随光照强度增大而减小的光敏电阻。闭合开关S,逐渐增大对光敏电阻的光照强度,下列关于两个电表示数的说法中,正确的是 (　　)
A.电压表和电流表的示数都增大
B.电压表和电流表示数的比值增大
C.电流表示数减小,电压表示数增大
D.电流表示数增大,电压表示数减小
[答案] D
[解析]分析电路可知,R0、R1串联,电压表测R1两端电压,电流表测电路中电流。闭合开关S,逐渐增大对光敏电阻的光照强度,则R1的阻值变小,电路总电阻变小,根据I=可知电流表示数增大,根据U=IR可知R0两端电压增大,根据串联电路的电压规律知,电压表示数减小,A和C均错误,D正确;根据R=,电压表和电流表示数的比值即为R1的阻值,所以电压表和电流表示数的比值减小,B错误。
　　例3　(北京中考)图12-6-4甲为自动气象站中的测温装置,它的测温电路可简化为图乙,其中的“恒流源”是一个特殊电源,电流大小由电源内部结构决定,当电阻R变化时,通过R的电流大小保持不变。电阻R的阻值随温度的变化规律如图丙所示,通过数字电压表的示数可反映环境的温度。某次环境温度从20 ℃上升到30 ℃,电压表的示数变化了8 mV。当温度的变化值相同时,电压表示数的变化值越大,该测温装置的灵敏度越高。下列说法正确的是(　　)
图12-6-4
　　A.每升高1 ℃,R的阻值增大1.65 Ω
B.通过R的电流为20 mA
C.当环境温度为20 ℃时,电压表的示数为216 mV
D.若要增大该测温装置的灵敏度,可换一个电流值更小的恒流源
[答案] C
[解析] 根据图丙可知,温度上升80 ℃,R的电阻增大32 Ω,故每升高1 ℃,R的阻值的增大值为=0.4 Ω,A选项错误。
根据欧姆定律I=可知,在恒定电流状态下,U与R成正比,故电压变化量ΔU与电阻变化量ΔR成正比,即I=,两者的比值即为恒定电流值。由图丙可知,从20 ℃上升到30 ℃,电阻增加量为4 Ω,故恒定电流值为I===0.002 A=2 mA,B选项错误。
当环境温度为20 ℃时,R的阻值为108 Ω,电流不变仍为0.002 A,故此时电压表的示数为U=IR=0.002 A×108 Ω=0.216 V=216 mV,C选项正确。
为了增大该装置的灵敏度,即在温度的变化量相同时,电压表示数的变化值更大,根据欧姆定律变形公式U=IR可知,电阻不变的情况下,电流I越大,电压U变化量越大,装置更灵敏,故应该换一个电流更大的恒流源,D选项错误。
例4　(湖南中考)超载存在安全隐患,交通部门常用“地磅”检测货车是否超载。图12-6-5甲是小枫设计的模拟地磅原理的简化电路图,电源电压恒为3 V,定值电阻R0规格可选,电压表(选0~3 V量程),力敏电阻R的阻值随所受压力F变化的关系如图乙所示。力敏电阻R上方紧密连接一轻质绝缘平板,检测时将货车模型静置于其上。(g取10 N/kg)
图12-6-5
(1)若货车模型总质量为1.5 kg,则其所受重力为　　　　N。
(2)如果用图甲所示电路检测,当定值电阻R0一定时,静置在绝缘平板上的货车模型总质量越大,电压表示数越　　　　。
(3)小枫将电压表改接到定值电阻R0两端后,如图12-6-6所示,且将电压表2 V刻度线处设置为货车模型总质量最大值,超过此刻度线代表超载。如果设定检测的货车模型总质量不超过2 kg,则R0的阻值应为　　　　Ω。
图12-6-6
[答案] (1)15　(2)小　(3)1000
[解析] (1)货车模型总质量为1.5 kg,则其所受重力为G=mg=1.5 kg×10 N/kg=15 N。(2)由图甲可知,R0与R串联,电压表测力敏电阻R两端的电压,货车模型总质量越大,重力越大,则对绝缘平板的压力越大,由图乙可知,力敏电阻R的阻值越小,则电路的总电阻越小,根据欧姆定律可知,电路中的电流越大,则R0两端的电压越大,根据串联分压原理可知,力敏电阻R两端的电压越小,所以电压表的示数越小。(3)由图丙可知,R0与R串联,电压表测R0两端的电压,当货车模型总质量为2 kg时,则其所受重力为G1=m1g=2 kg×10 N/kg=20 N;由图乙可知,此时力敏电阻R的电阻为500 Ω,由题意知,将电压表2 V刻度线处设置为货车模型总质量最大值,根据串联分压原理可得=,则R0=R=×500 Ω=1000 Ω。
材料一——敏感电阻种类
敏感电阻是指器件特性对温度、湿度、光照、气体、磁场、压力等作用敏感的电阻器,它是使用不同材料和工艺制造的半导体电阻,具有对非电物理量敏感的性质。以下是对敏感电阻的详细介绍:
一、种类
敏感电阻的种类繁多,根据对不同物理量的敏感性,主要可以分为以下几类:
1.热敏电阻:对温度极为敏感的电阻器,分为正温度系数和负温度系数电阻器。热敏电阻的主要特点是对温度灵敏度高、热惰性小、寿命长、体积小和结构简单,在温度测量、控制、火灾报警、气象探空、微波和激光功率测量等领域内应用较多。
2.光敏电阻:根据半导体光效应原理制成的一种电阻元件,其阻值可随着入射光线的强弱变化而发生变化。光敏电阻一般用于各种光电自动控制系统,如自动照明系统、光敏电阻式开关等。
3.压敏电阻:在两端施加电压到某一特定值时,其电阻值急剧变小的敏感电阻器。压敏电阻主要用于过压保护和稳压电路中。
4.磁敏电阻:是利用磁阻效应制成的一种电阻元件。磁敏电阻具有很高的灵敏度但不能判断磁场方向,而且受温度影响大。磁敏电阻的阻值随磁场的变化而变化,常用于磁场传感器中。
5.力敏电阻:阻值会随着外界施加的压力变化而改变,可实现力、位移和扭矩等物理量的电转换,常用于压力传感器中,也可做成转矩计、张力计、加速度计、半导体话筒等。
6.气敏电阻:利用半导体表面吸收某种气体分子后发生氧化还原反应而使电阻率改变的特性所制成的一种敏感电阻。气敏电阻可以做成各种气敏探测器,在各种管道和密封系统的探漏、环境监测、防火和自动控制方面有独到的作用。
7.湿敏电阻:阻值随环境相对湿度的变化而改变的敏感元件。湿敏电阻用来制作毛发湿度计和干湿球湿度计精确度非常高,因而常用于湿度测量和控制领域。
二、工作原理
敏感电阻的原理是基于材料的电阻率随外部条件的变化而变化。敏感电阻通常由带有特殊材料的电阻体组成。当外部条件(如光线、温度、压力等)发生变化时,敏感电阻所包含的材料的电阻率会发生相应变化,从而导致敏感电阻的阻值也发生变化。
三、应用
敏感电阻在电子设备中的应用非常广泛,无论是压力、光照、湿度还是气体检测,敏感电阻都能发挥重要作用。以下是一些具体的应用实例:
1.光电控制系统:敏感电阻可以用作光电控制系统中的感应元件,通过测量敏感电阻的阻值变化,可以实现对光线的感应和控制。
2.温度控制系统:敏感电阻可用于温度控制系统中的感应元件,通过测量敏感电阻的阻值变化,可以实现对温度的感应和控制。
3.液位检测系统:敏感电阻可以用于液位检测系统中的感应元件,通过测量敏感电阻的阻值变化,可以实现对液位的检测和控制。
4.压力检测系统:敏感电阻可以用于压力检测系统中的感应元件,通过测量敏感电阻的阻值变化,可以实现对压力的检测和控制。
综上所述,敏感电阻是一种功能强大且应用广泛的电子元件,其种类多样、工作原理独特,在各个领域都有着重要的应用。
　　材料二——三极管
三极管是一种电流控制元件。实际使用中通常利用三极管的电流放大作用,通过电阻实现电压放大。集电极电流Ic受Ib控制。
图12-6-7
三极管工作原理:
如图12-6-7所示三极管是NPN型硅三极管。我们把从基极b流至发射极e的电流叫作基极电流Ib,把从集电极c流至发射极e的电流叫作集电极电流Ic,此两电流的方向是流出发射极的,Ic受Ib控制,且两者基本呈线性关系,Ic=βIb,β即为三极管的放大倍数。基极与发射极之间电压必须大于一定值时才能产生基极电流Ib,否则,基极电流Ib可认为等于0。如果Ib过大,βIb超出Ic所能达到的最大极限时,则线性关系将终止,无论Ib如何增大,Ic将保持最大值不变。利用此两种特性,三极管除可以用作电流(电压)放大外还可以作为开关使用。
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