第六節(jié)跨學(xué)科實踐：設(shè)計恒溫電熱杯（教學(xué)設(shè)計）年級九年級學(xué)科物理教師課題第六節(jié)跨學(xué)科實踐：設(shè)計恒溫電熱杯教學(xué)目標(biāo)物理觀念理解熱敏電阻特性，應(yīng)用歐姆定律分析溫度電信號轉(zhuǎn)換科學(xué)思維設(shè)計溫度顯示電路與控溫流程圖，邏輯推導(dǎo)自動控溫過程科學(xué)探究制作電子測溫裝置，經(jīng)歷“設(shè)計實驗校準(zhǔn)評估”完整流程科學(xué)態(tài)度與責(zé)任認(rèn)識技術(shù)應(yīng)用價值，培養(yǎng)工程思維與協(xié)作能力教材分析本節(jié)為跨學(xué)科實踐課，以“設(shè)計恒溫電熱杯”為載體，融合物理、工程、技術(shù)等學(xué)科知識。教材采用“任務(wù)驅(qū)動”架構(gòu)，設(shè)置“認(rèn)識敏感元件、設(shè)計溫度顯示系統(tǒng)、制作電子測溫裝置、設(shè)計控溫工作流程”四大任務(wù)，銜接歐姆定律（電路分析）與自動控制（工程應(yīng)用），滲透跨學(xué)科教育理念。通過“科學(xué)窗”解析熱敏電阻（PTC/NTC）特性，“實踐活動”推動理論向?qū)嵺`轉(zhuǎn)化，呼應(yīng)新課標(biāo)“做中學(xué)”要求，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究、技術(shù)創(chuàng)新、工程思維與數(shù)學(xué)建模能力，是“從物理走向生活”的典型載體。學(xué)情分析學(xué)生已掌握歐姆定律、串聯(lián)電路規(guī)律，具備電路分析基礎(chǔ)，但跨學(xué)科實踐經(jīng)驗有限。對“敏感元件”“程序流程圖”等新知識較陌生，動手設(shè)計與系統(tǒng)整合能力待提升。九年級學(xué)生對“自制實用裝置（如恒溫杯）”興趣濃厚，但面對“從理論到實物制作”的跨度易生畏難情緒。教學(xué)需結(jié)合其認(rèn)知特點，從“電路分析”切入，通過“任務(wù)拆解”降低復(fù)雜度；同時利用興趣點（如“自制測溫裝置”）激發(fā)探究欲，引導(dǎo)學(xué)生突破“理論應(yīng)用”與“實踐操作”的雙重挑戰(zhàn)。教學(xué)重點熱敏電阻特性、溫度顯示電路設(shè)計、控溫流程邏輯教學(xué)難點教學(xué)準(zhǔn)備電源、開關(guān)、滑動變阻器、熱敏電阻、電流表、電壓表、導(dǎo)線

教學(xué)過程導(dǎo)入新課【創(chuàng)設(shè)情境】展示生活中的恒溫需求，例如：冬天接熱水、沖奶粉【提問】如何讓水溫自動穩(wěn)定在舒適范圍？【回答】需要用到恒溫電熱杯【引導(dǎo)提問】電熱杯如何“自動”感知溫度并調(diào)節(jié)？需要哪些“智慧元件”？【回答】恒溫電熱杯不僅有加熱裝置，還包括溫度檢測系統(tǒng)和溫度控制系統(tǒng)?！菊故尽靠鐚W(xué)科實踐任務(wù)總覽實踐任務(wù)一、認(rèn)識敏感元件定義：敏感元件能敏銳地檢測到某種物理、化學(xué)信息，通過一定的電路將其轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘??！咎釂枴繉Ρ热祟惛泄伲ㄈ缡置y溫）與“敏感元件”（如熱敏電阻）的檢測精度，提問“為什么電子設(shè)備需要敏感元件？”【常見敏感元件對比】熱敏電阻是恒溫電熱杯的核心【特點】熱敏電阻對溫度敏感（高質(zhì)量的熱敏電阻感知溫度范圍大、靈敏度高、變化線性好等）【分類】①按電阻隨溫度變化特點分：PTC和NTC②按材料分：半導(dǎo)體熱敏電阻、金屬熱敏電阻、合金熱敏電阻【課堂演示】探究熱敏電阻特性——用萬用表+熱敏電阻演示：手捏熱敏電阻（加熱），觀察電阻變化【實驗記錄】觀察實驗現(xiàn)象，繪制簡易溫度電阻變化曲線【提問】如何把溫度變化變成電表的示數(shù)？實踐任務(wù)二、設(shè)計恒溫電熱杯的溫度顯示系統(tǒng)【信號轉(zhuǎn)換流程】溫度變化→熱敏電阻阻值變化→電壓或電流變化【恒溫電熱杯設(shè)計要求】①電壓表顯示電路：溫度越高，電壓表示數(shù)越大（以PTC為例）溫度升高→熱敏電阻阻值變大→電路總電阻變大→電路中電流變小→定值電阻兩端的電壓變小，熱敏電阻兩端的電壓變大?！痉治觥咳粝敕显O(shè)計要求，溫度越高，電表示數(shù)越大，則電壓表應(yīng)該并在熱敏電阻兩端。②電流表顯示電路：溫度越高，電流表示數(shù)越大（以NTC為例）溫度升高→熱敏電阻阻值變小→電路總電阻變小→電路中電流變大【分析】若想符合設(shè)計要求，溫度越高，電表示數(shù)越大，則電流表應(yīng)該串聯(lián)在電路中。實踐任務(wù)三、制作恒溫電熱杯的電子測溫裝置實際電子測溫裝置要實現(xiàn)溫度檢測、溫度數(shù)字化顯示，語音提示、復(fù)位等功能，往往需要利用集成電路。我們可以制作一個簡易電子測溫系統(tǒng)，利用電壓表示數(shù)顯示所測量的溫度值。設(shè)計流程：（1）明確需求，畫電路圖；（2）選擇電學(xué)元件：電源（3V）、開關(guān)、滑動變阻器（R1）、NTC熱敏電阻Rt、靈敏毫安表（010mA）（3）測量熱敏電阻參數(shù)：設(shè)計如圖甲所示電路，測量熱敏電阻Rt阻值隨溫度變化的關(guān)系：①先將單刀雙擲開關(guān)S擲向1，調(diào)節(jié)熱敏電阻Rt所處的溫度t0=0

℃，記下電流表的相應(yīng)示數(shù)I0；②然后將單刀雙擲開關(guān)S擲向2，調(diào)節(jié)電阻箱R0使電流表的示數(shù)為I0，記下電阻箱相應(yīng)的示數(shù)；③逐步升高溫度，在不同溫度下重復(fù)步驟①和②；④根據(jù)實驗數(shù)據(jù)，作出熱敏電阻Rt的阻值隨溫度t變化的圖像如圖乙所示。⑤熱敏電阻阻值與溫度的關(guān)系：Rt=3t+100（4）確定電表的示數(shù)與溫度的關(guān)系設(shè)計測溫范圍為0~100

℃的電子測溫裝置，設(shè)計電路如圖所示，并進行了如下操作：①調(diào)節(jié)熱敏電阻所處溫度為0

℃，調(diào)節(jié)滑動變阻器R1，使毫安表滿偏，然后保持R1滑片位置不變；實踐任務(wù)四、設(shè)計恒溫電熱杯的控溫工作流程設(shè)計恒溫電熱杯控溫工作程序流程，要求在40～45

℃能自動保溫，如圖所示。（1）根據(jù)實驗要求，將流程圖補充完整：①低于；②高于；③否；④是。（2）由流程圖可知，當(dāng)測溫系統(tǒng)所測的溫度高于50℃時，若加熱電路仍在工作，則電路報警。課堂練習(xí)1．傳感器在日常生活中有廣泛應(yīng)用，有一種開關(guān)在有聲音并且光照強度低時就自動閉合，這種開關(guān)里有傳感器和傳感器，這種開關(guān)經(jīng)常用來控制樓道里燈的亮滅。【答案】聲音光【詳解】[1][2]很多電器里都應(yīng)用了各種傳感器，樓道里的聲光控開關(guān)應(yīng)用了聲音傳感器和光傳感器。2．在如圖甲所示電路中，電源電壓保持不變，R為熱敏電阻，其阻值隨溫度變化的關(guān)系如圖乙所示，為定值電阻。閉合開關(guān)S后，當(dāng)溫度降低時（

）A．熱敏電阻的阻值變小B．電壓表示數(shù)減小C．電流表示數(shù)增大D．電壓表示數(shù)變化量與電流表示數(shù)變化量的比值變大【答案】B【詳解】A．由圖乙可知，隨著溫度的降低，熱敏電阻的阻值變大，故A不符合題意；故選B。A．電路中的最大電流為0.015AB．電壓表示數(shù)越小，環(huán)境溫度越高C．環(huán)境溫度為40℃時，電壓表的示數(shù)為2.7VD．此電路允許的最高環(huán)境溫度為100℃【答案】C【詳解】AB．由乙圖可知，環(huán)境溫度越高，熱敏電阻的阻值越小，電源電壓和阻值不變，根據(jù)歐姆定律可知此時電路中電流越大，由可知電壓表的示數(shù)越大，所以當(dāng)電壓表的示數(shù)最大為3V時，電路中的電流最大，為故AB錯誤；C．由乙圖可知，當(dāng)環(huán)境溫度為時，熱敏電阻的阻值為，則電路中的電流

電壓表的示數(shù)U0=IR0=0.009A×300Ω=2.7V故C正確；D．當(dāng)電路中的電流最大時，熱敏電阻的阻值為由乙圖可知此時的溫度最高，為，故D錯誤。故選C。4．物理興趣小組的同學(xué)們發(fā)現(xiàn)，有的電阻會隨溫度、壓力等外界因素的改變而發(fā)生變化，那么熱敏電阻的阻值大小與溫度有什么關(guān)系呢？為此他們從實驗室找來如圖甲所示的熱敏電阻進行探究。溫度T/℃102030405060電流I/A0.130.160.210.270.340.43（1）熱敏電阻是由（選填“導(dǎo)體”“超導(dǎo)體”或“半導(dǎo)體”）材料制成的。經(jīng)過討論，同學(xué)們組裝了如圖乙所示的裝置進行實驗，實驗中應(yīng)保證電源電壓；（2）點燃酒精燈，閉合開關(guān)進行實驗，記錄的數(shù)據(jù)如表丙所示，分析實驗數(shù)據(jù)可知該熱敏電阻的阻值隨溫度升高而（選填“增大”或“減小”），所以（選填“能”或“不能”）用該熱敏電阻開展“探究電流與電壓關(guān)系”的實驗。（3）為了得到這個熱敏電阻在不同溫度下的具體阻值，實驗還需要增加的器材是。（4）實驗結(jié)束后，大家一起動手用這個熱敏電阻和一個電壓表改裝成了一個指針式溫度計，設(shè)計的電路如圖丁所示，若要使電壓表示數(shù)隨溫度升高而增大，則應(yīng)將電壓表并聯(lián)在（選填“ab”“bc”或“ac”）兩端。（5）實驗中用“水浴”加熱而不用酒精燈直接加熱，請結(jié)合物理知識做出合理的解釋：。（寫出一條即可）【答案】（1）半導(dǎo)體；不變；（2）減??；不能；（3）電壓表；（4）ab；“水浴”加熱時使熱敏電阻受熱均勻【詳解】（1）[1]熱敏電阻由導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣體之間的半導(dǎo)體材料制成。[2]要探究熱敏電阻的阻值與溫度的關(guān)系，除了溫度變化外，其它因素應(yīng)保持不變，所以電源電壓應(yīng)保持不變。（2）[3]由表格數(shù)據(jù)知，隨著溫度升高，電路中的電流變大，則電阻變小，所以熱敏電阻的阻值隨著溫度升高而減小。[4]要探究電流與電壓的關(guān)系，應(yīng)保持電阻的阻值不變，而熱敏電阻的阻值是變化的，所以不能用該熱敏電阻開展“探究電流與電壓的關(guān)系”的實驗。（4）[6]該熱敏電阻的阻值隨著溫度升高而減小，據(jù)串聯(lián)電路的分壓特點知，溫度升高時，熱敏電阻兩端的電壓變小，則定值電阻兩端的電壓變大，所以應(yīng)將電壓表并聯(lián)在定值電阻，即ab兩端。（5）[7]用水浴法加熱，可使受熱物體被均勻加熱，即可使熱敏電阻受熱均勻。板書設(shè)計第六節(jié)跨學(xué)科實踐：設(shè)計恒溫電熱杯一、核心任務(wù)選元件、顯溫度、制裝置、控流程二、關(guān)鍵要點1.敏感元件：熱敏電阻（PTC/NTC，溫度→電阻變化）2.溫度顯示：溫度→電阻變化→電壓/電流變化→電表顯示3.設(shè)計要求：溫度升高，電表示數(shù)變大4.元件