第六节 跨学科实践：设计恒温电热杯（表格式教学设计）物理北师大版2024九年级全一册

第六节 跨学科实践：设计恒温电热杯（教学设计） 年级 九年级 学科 物理 教师 课题 第六节 跨学科实践：设计恒温电热杯 教学目标 物理观念 理解热敏电阻特性，应用欧姆定律分析温度-电信号转换 科学思维 设计温度显示电路与控温流程图，逻辑推导自动控温过程 科学探究 制作电子测温装置，经历“设计-实验-校准-评估”完整流程 科学态度 与责任 认识技术应用价值，培养工程思维与协作能力 教材分析 本节为跨学科实践课，以“设计恒温电热杯”为载体，融合物理、工程、技术等学科知识。教材采用“任务驱动”架构，设置“认识敏感元件、设计温度显示系统、制作电子测温装置、设计控温工作流程”四大任务，衔接欧姆定律（电路分析）与自动控制（工程应用），渗透跨学科教育理念。通过“科学窗”解析热敏电阻（PTC/NTC）特性，“实践活动”推动理论向实践转化，呼应新课标“做中学”要求，培养学生科学探究、技术创新、工程思维与数学建模能力，是“从物理走向生活”的典型载体。 学情分析 学生已掌握欧姆定律、串联电路规律，具备电路分析基础，但跨学科实践经验有限。对“敏感元件”“程序流程图”等新知识较陌生，动手设计与系统整合能力待提升。九年级学生对“自制实用装置（如恒温杯）”兴趣浓厚，但面对“从理论到实物制作”的跨度易生畏难情绪。教学需结合其认知特点，从“电路分析”切入，通过“任务拆解”降低复杂度；同时利用兴趣点（如“自制测温装置”）激发探究欲，引导学生突破“理论应用”与“实践操作”的双重挑战。 教学重点 热敏电阻特性、温度显示电路设计、控温流程逻辑 教学难点 电子测温装置的参数匹配与校准、控温流程图的条件判断 教学准备 电源、开关、滑动变阻器、热敏电阻、电流表、电压表、导线 教学过程 导入新课 【创设情境】展示生活中的恒温需求，例如：冬天接热水、冲奶粉 【提问】如何让水温自动稳定在舒适范围？ 【回答】需要用到恒温电热杯 【引导提问】电热杯如何“自动”感知温度并调节？需要哪些“智慧元件”？ 【回答】恒温电热杯不仅有加热装置，还包括温度检测系统和温度控制系统。 【展示】跨学科实践任务总览 实践任务 一、认识敏感元件 定义：敏感元件能敏锐地检测到某种物理、化学信息，通过一定的电路将其转变为电信号。 【提问】对比人类感官（如手摸测温）与“敏感元件”（如热敏电阻）的检测精度，提问“为什么电子设备需要敏感元件？” 【常见敏感元件对比】 热敏电阻是恒温电热杯的核心 【特点】热敏电阻对温度敏感（高质量的热敏电阻感知温度范围大、灵敏度高、变化线性好等） 【分类】 ①按电阻随温度变化特点分：PTC和NTC ②按材料分：半导体热敏电阻、金属热敏电阻、合金热敏电阻 【课堂演示】探究热敏电阻特性——用万用表+热敏电阻演示：手捏热敏电阻（加热），观察电阻变化 【实验记录】观察实验现象，绘制简易温度电阻变化曲线 【提问】如何把温度变化变成电表的示数？ 实践任务 二、设计恒温电热杯的温度显示系统 【信号转换流程】温度变化→热敏电阻阻值变化→电压或电流变化 【恒温电热杯设计要求】 ①电压表显示电路：温度越高，电压表示数越大（以PTC为例） 温度升高→热敏电阻阻值变大→电路总电阻变大→电路中电流变小→定值电阻两端的电压变小，热敏电阻两端的电压变大。 【分析】若想符合设计要求，温度越高，电表示数越大，则电压表应该并在热敏电阻两端。 ②电流表显示电路：温度越高，电流表示数越大（以NTC为例） 温度升高→热敏电阻阻值变小→电路总电阻变小→电路中电流变大 【分析】若想符合设计要求，温度越高，电表示数越大，则电流表应该串联在电路中。 实践任务 三、制作恒温电热杯的电子测温装置 实际电子测温装置要实现温度检测、温度数字化显示，语音提示、复位等功能，往往需要利用集成电路。 我们可以制作一个简易电子测温系统，利用电压表示数显示所测量的温度值。 设计流程： （1）明确需求，画电路图； （2）选择电学元件：电源（3V）、开关、滑动变阻器（R1）、NTC热敏电阻Rt、灵敏毫安表（0-10mA） （3）测量热敏电阻参数： 设计如图甲所示电路，测量热敏电阻Rt阻值随温度变化的关系： ①先将单刀双掷开关S掷向1，调节热敏电阻Rt所处的温度t0=0 ℃，记下电流表的相应示数I0 ； ②然后将单刀双掷开关S掷向2，调节电阻箱R0使电流表的示数为I0，记下电阻箱相应的示数； ③逐步升高温度，在不同温度下重复步骤①和②； ④根据实验数据，作出热敏电阻Rt的阻值随温度t 变化的图像如图乙所示。 ⑤热敏电阻阻值与温度的关系：Rt=3t+100 （4）确定电表的示数与温度的关系 设计测温范围为0~100 ℃ 的电子测温装置，设计电路如图所示，并进行了如下操作： ①调节热敏电阻所处温度为0 ℃，调节滑动变阻器R1，使毫安表满偏，然后保持R1滑片位置不变； ②写出毫安表的电流值I（A）和温度t（℃）的关系式：。 实践任务 四、设计恒温电热杯的控温工作流程 设计恒温电热杯控温工作程序流程，要求在40∼45 ℃ 能自动保温，如图所示。 （1）根据实验要求，将流程图补充完整：①低于；②高于；③否；④是。 （2）由流程图可知，当测温系统所测的温度高于50℃时，若加热电路仍在工作，则电路报警。 课 堂 练 习 1．传感器在日常生活中有广泛应用，有一种开关在有声音并且光照强度低时就自动闭合，这种开关里有 传感器和 传感器，这种开关经常用来控制楼道里灯的亮灭。 【答案】 声音 光 【详解】[1][2]很多电器里都应用了各种传感器，楼道里的声光控开关应用了声音传感器和光传感器。 2．在如图甲所示电路中，电源电压保持不变，R为热敏电阻，其阻值随温度变化的关系如图乙所示，为定值电阻。闭合开关S后，当温度降低时（    ） A．热敏电阻的阻值变小 B．电压表示数减小 C．电流表示数增大 D．电压表示数变化量与电流表示数变化量的比值变大 【答案】B 【详解】A．由图乙可知，随着温度的降低，热敏电阻的阻值变大，故A不符合题意； BC．由甲图可知，R0与R串联，电压表测R0两端的电压。当温度的降低，热敏电阻的阻值变大，电路中的总电阻变大，根据可知，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B符合题意，C不符合题意； D．电压表示数变化量与电流表示数变化量的比值，而R0是定值电阻，阻值不变，故D不符合题意。 故选B。 3．如图甲所示是一个用电压表的示数反映温度变化的电路原理图，其中电源电压且保持不变，电压表量程为，定值电阻，是热敏电阻，其电阻随环境温度变化的关系如图乙所示。闭合开关S，下列说法正确的是（　　） A．电路中的最大电流为0.015A B．电压表示数越小，环境温度越高 C．环境温度为40℃时，电压表的示数为2.7V D．此电路允许的最高环境温度为100℃ 【答案】C 【详解】 A B．由乙图可知，环境温度越高，热敏电阻的阻值越小，电源电压和阻值不变，根据欧姆定律可知此时电路中电流越大，由可知电压表的示数越大，所以当电压表的示数最大为3V时，电路中的电流最大，为 故AB错误； C．由乙图可知，当环境温度为时，热敏电阻的阻值为，则电路中的电流                                           电压表的示数 U0=IR0=0.009A×300Ω=2.7V 故C正确； D．当电路中的电流最大时，热敏电阻的阻值为 由乙图可知此时的温度最高，为，故D错误。 故选C。 4．物理兴趣小组的同学们发现，有的电阻会随温度、压力等外界因素的改变而发生变化，那么热敏电阻的阻值大小与温度有什么关系呢？为此他们从实验室找来如图甲所示的热敏电阻进行探究。 温度T/℃ 10 20 30 40 50 60 电流I/A 0.13 0.16 0.21 0.27 0.34 0.43 （1）热敏电阻是由 （选填“导体”“超导体”或“半导体”）材料制成的。经过讨论，同学们组装了如图乙所示的装置进行实验，实验中应保证电源电压 ； （2）点燃酒精灯，闭合开关进行实验，记录的数据如表丙所示，分析实验数据可知该热敏电阻的阻值随温度升高而 （选填“增大”或“减小”），所以 （选填“能”或“不能”）用该热敏电阻开展“探究电流与电压关系”的实验。 （3）为了得到这个热敏电阻在不同温度下的具体阻值，实验还需要增加的器材是 。 （4）实验结束后，大家一起动手用这个热敏电阻和一个电压表改装成了一个指针式温度计，设计的电路如图丁所示，若要使电压表示数随温度升高而增大，则应将电压表并联在 （选填“ab”“bc”或“ac”）两端。 （5）实验中用“水浴”加热而不用酒精灯直接加热，请结合物理知识做出合理的解释： 。（写出一条即可） 【答案】（1）半导体；不变；（2）减小；不能；（3）电压表；（4） ab；“水浴”加热时使热敏电阻受热均匀 【详解】（1）[1]热敏电阻由导电能力介于导体和绝缘体之间的半导体材料制成。 [2]要探究热敏电阻的阻值与温度的关系，除了温度变化外，其它因素应保持不变，所以电源电压应保持不变。 （2）[3]由表格数据知，随着温度升高，电路中的电流变大，则电阻变小，所以热敏电阻的阻值随着温度升高而减小。 [4]要探究电流与电压的关系，应保持电阻的阻值不变，而热敏电阻的阻值是变化的，所以不能用该热敏电阻开展“探究电流与电压的关系”的实验。 （3）[5]为了得到热敏电阻的具体阻值，据知，电路中有测量电流的电流表，还需要有测量电压的电压表。 （4）[6]该热敏电阻的阻值随着温度升高而减小，据串联电路的分压特点知，温度升高时，热敏电阻两端的电压变小，则定值电阻两端的电压变大，所以应将电压表并联在定值电阻，即ab两端。 （5）[7]用水浴法加热，可使受热物体被均匀加热，即可使热敏电阻受热均匀。 板 书 设 计 第六节 跨学科实践：设计恒温电热杯 一、核心任务 选元件、显温度、制装置、控流程 二、关键要点 1.敏感元件：热敏电阻（PTC/NTC，温度→电阻变化） 2.温度显示：温度→电阻变化→电压/电流变化→电表显示 3.设计要求：温度升高，电表示数变大 4.元件选择及电路图：电源（3V）、开关、滑动变阻器（R1：阻值固定在200Ω）、NTC热敏电阻Rt、灵敏毫安表（0-10mA） 5.电流值I（A）和温度t（℃）的关系式： 6.控温逻辑：40℃~45℃控温（低于40℃加热，高于45℃停止加热；超50℃报警） 课 堂 小 结 第六节 跨学科实践：设计恒温电热杯 课 后 作 业 1.习题作业：完成课本“自我检测”剩余题目； 2.拓展作业：调研家电的温控元件，手绘“工作原理图”； 3.实践作业：改进电子测温装置。 教 学 反 思 原创精品资源学科网独家享有版权，侵权必究！1 学科网（北京）股份有限公司 $$