小小发明家系列课讲义
光学模块第五讲：人体感应灯
一、课程目标
知识学习目标：
1. 重点了解光的色散：通过三棱镜实验理解复合光（太阳光就是一种复合光） 可以分解成单色光；
2. 重点掌握人体感应灯的工作原理：热释电模块（将红外线信号变成电信号的 模块）感应红外线的变化，控制灯亮灭；
3. 重点了解红外线的特征及应用；
4. 一般了解我们为什么看不到红外线。
探究学习目标：
1. 通过测温仪的游戏探索互动模式让学生在玩中学到测温仪的原理及使用方法；
2. 通过趣味故事及生活中的科学现象激发学生对身边的科学产生兴趣；
3. 通过色散实验演示和互动参与，激发学生主动思考和探索红外线的由来，体 验科学的乐趣，引导学生自主掌握知识学习目标中的重点。
火星盒子制作目标：
1. 观察和认识人体感应灯的组成部分和主要元器件；
2. 在教师指导下，动手组装完成人体感应灯；
3. 学会人体感应灯的使用场景和使用方法。
二、课堂组织形式
1. 设计互动参与游戏
2. 组织开放式问题讨论
3. 问答式课堂互动
4. 融入趣味故事讲解
5. 设计互动探究实验
6. 火星盒子制作演示和指导
7. 课后习题巩固
三、课堂准备
| 名称 | 内容 | 来源 | 备注 | |
| 1 | PPT 课件 | 课程全流程演示文稿 | 火星人课件 | |
| 2 | 组装制作说明视频 | 组装制作循迹小车的说明视频 | 火星人备课视频 | 组装流程视频说明 |
| 3 | 互动游戏 | 测温仪游戏：用红外测温仪测量温度 | 火星教具/ 教师自行采购 准备（使用方法参考火星 人备课视频） | 可选。如无此设备，可自行采购选 用类似其他设备代替。 |
| 4 | 互动实验教具 | 观察红外线实验：空调遥控器或电视 遥控器、手机（带照相和摄像功能即可） | 需教师自己准备（详细方 法参考火星人备课视频） | 循迹小车中未用到手机摄像机来观 察红外线 |
| 光色散实验：三棱镜（或装有水的透 明水杯）、太阳光（或强光手电筒、手 机手电筒） | 需教师自己准备（详细方 法参考火星人备课视频） | 用强光手电筒或者手机手电筒也是 可以观察出来现象的，只是不太明 显。 | ||
| 5 | 学生组装器材及工具 | 火星盒子——人体感应灯（每人一 套）、螺丝刀（每人一套） | 火星盒子需按学生数量在 商城订购；
螺丝刀需根据学生数量由 教师提前准备。 |
注意事项：火星盒子和螺丝刀提前 收好，需要在理论讲解之后再发给 学生，如果在课前即摆在学生面前， 会极大分散学生的注意力。 |
| 6 | 课后习题 | 考核本科学习知识点，客观题+主观题 | 本讲义最后部分 |
四、详细上课流程
本节课包括课堂预热和 7 步具体流程：
（1）首先通过火星故事讲解课堂的故事背景。
（2）通过提问及知识图谱讲解方式回顾上节内容。
（3）第 1-5 步为理论讲解，时长控制需在 65 分钟内，通过光的色散实验，穿插趣味故事讲解知识，通过课堂互动 完成重点知识（光的色散原理）的传授。
（4）第 6 步为学生动手操作组装完成人体感应灯，需教师指导、维护秩序、保证安全，时长控制在30-40 分钟。
（5）第 7 步为课程总结，时长为 10 分钟
（6）第 8 步为课后作业布置，把课堂内容延伸到生活里。
（总时长为 120 分钟，预留 5-10 分钟休息时间）
| 上课步骤 | 主要内容 | 注意事项 |
| 【课堂预热】场景引入 【对应 PPT】
【时长】3min |
【讲解】小火星说最近他在乘坐电梯的时候发生了一件非常危险的 事情：在电梯快要关门的时候，为了赶时间不想等下一趟电梯，于 是他挤进了电梯，可是没想到，在他挤电梯的时候，电梯门关闭得 很快，在他想着马上就会被电梯夹成馅儿饼的时候，电梯门突然又 打开了。真的是够吓人的。要不是电梯自动打开，说不定我现在已 经是一块儿火星饼了。可是我还很好奇，电梯是怎么知道有人快被 夹住了，然后自动打开的呢？
【衔接话术】虽然小火星没有受到伤害，但是在乘坐电梯时候我们 一定不能抢着上。小火星在信里说，电梯门可以自动打开，这是为 什么呢？ 【讲解】其实是因为电梯门上有专门的感应装置,能够感受到人是否 经过，如果有人在电梯门中间，那么这个正在关闭的门就会迅速停 下来并且打开，那它是靠什么感应的呢？其实就是一种光。 |
注意：
（1）不要在课程开始时发给学生 盒子器材，会分散学生注意力。 （2）提醒学生在乘坐电梯时候一 定要注意安全。 |
| 【知识复习】上节课的知识 点
【对应 PPT】“内容复习” 【时长】3min |
【衔接话术】大家还记得我们上节课学过一种什么光吗？ 【提问】带领学生回顾上节课内容 | |
| 【第 1 步】红外线的发现
【对应 PPT】“红外线是怎么 发现的？”部分 【时长】15-20min |
【提问】回到我们的电梯间，激光是一种很厉害的光，请问电梯的 门是激光吗？
【衔接话术】因此在电梯中并不是激光， 因为激光时能看到的，但 是电梯里却看不到，那是什么呢？这种光叫做红外线，请问图里的 这种红色的光线是红外线吗？当然不是，因为红外线是人眼看不到 的。图中的是什么啊？是激光。 |
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| 【提问】老师：其实我们之前也用到过红外线，大家还记得是哪一 节课吗？就是循迹小车，我们的循迹小车就是靠红外线来找路的， 而且我还讲到空调和电视机等等这些家用电器的遥控器，是靠什么 控制的呢？
学生：红外线。 老师：那是老师告诉你们是红外线，有没有怀疑老师是乱 说的，可能并不是呢？红外线既然看不到，怎么证明它们的存在呢？ |
| 我们要用事实征服怀疑我们的人，今天老师想到了一个办法，可以 让大家看到红外线。 | ||
| 【实验/游戏】【观察红外线实验】
准备：手机、空调遥控器、电视机遥控器 实验过程： 1、按下遥控器任意按键，观察是否可以看到红外线，与之后形 成对比。 2、打开手机摄像头， 把遥控器红外发射端对准手机摄像头，按 下任意按键。 实验总结：摄像头中我们是可以看到红外线的。 |
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| 【衔接话术】在还没有发明摄像机的年代，科学家们是怎么发现红 外线的呢？ | ||
| 【衔接话术】这得感谢牛顿。当时牛顿就拿了一个这样的装置，大 家知道它叫什么吗？它叫三棱镜，他有什么用处呢？哪位同学愿意 分享一下，如果你拿到了三棱镜，你会干什么？ | ||
| 【实验/游戏】【光色散实验】
准备：三棱镜（或装有水的透明水杯）、太阳光（或强光手电筒、 |
注意：
（1）学生进行操作时，老师把控 |
| 手机手电筒）
实验过程： 1、学生自己摸索三棱镜要做什么用？允许出错，时间需要老师 把控。 2 、老师提示或者演示，让学生把三棱镜放在强光手电筒的光线 下，调整角度，出现彩虹。 实验总结：三棱镜把太阳光变成了 7 种颜色。 |
好时间和秩序。
（2）详细实验材料形状及实验流 程参考视频。 （3）强光手电筒或者手机手电筒 效果不是很明显，不过回家后学生 容易操作和演示。 |
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| 【讲解】通过这个实验我们发现了什么呢？原来太阳光里不止一种 光，而是有 7 中颜色的光，那么像这 7 中颜色的光我们把它叫做“单 色光”，像我们看到的太阳白光是由很多光混合在一起的，就叫做“复 合光”。 | ||
| 【故事】在知道了太阳光有是有这么多颜色的光组成的。1800 年， 英国物理学家赫歇尔在研究各种色光的热量时，有意地把暗室的唯 一的窗户用暗板堵住，并在板上开了一个矩形孔，孔内装一个分光 棱镜。当太阳光通过棱镜时，便被分解为彩色光带，并用温度计去 测量光带中不同颜色所含的热量。为了与环境温度进行比较，赫歇 尔又在彩色光带附近放几支温度计来测定周围环境温度。试验中， |
| 他偶然发现一个奇怪的现象：放在光带红光外的一支温度计，比室 内其他温度的示数值高。经过反复试验，这个所谓热量最多的高温 区，总是位于光带最边缘处红光的外面。于是他宣布太阳发出的辐 射中除可见光线外，还有一种人眼看不见的“热线”，这种看不见的 “热线”位于红色光外侧，叫做红外线。 | ||
| 【第 2 步】红外线的产生
【对应 PPT】“哪里会有红外 线？”部分 【时长】10-15min |
【衔接话术】所以现在大家知道太阳光为什么那么热了吧？对，是 因为它可以发出来红外线。为什么叫红外线呢，其实就是因为它在 红光的外头，太阳中还有一种光在紫光的外头，你们知道叫什么吗？ （学生回答紫外线），对，就是紫外线。 | |
| 【提问】老师：我们生活中还有那些地方会有红外线呢？
学生：遥控器、热水、火、灯…… 老师：不错，大家想到了很多哈，但是老师发现，大家提 到的很多都是热的，或者会发光的，比如说火焰、蜡烛、热水等等， 那么是只有热的、发光的才有红外线吗？ |
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| 【随堂小测试】哪些物体可以发出红外线？ 【提问】老师：比如人，能发出红外线吗？ 学生：能或者不能 |
| 老师：人的体温在 37 摄氏度，是会发出红外线的。看来物体能不能 发出红外线和能不能发光并没有关系。那么如果是冰块额，大家都 知道，冰块有多少度？
学生：0 度 老师：对，冰块很冷，那这么冷的东西能发出红外线吗？ 学生：能或者不能 老师：实际上冰块也是会发出红外线的，只是它发出的红外线要比 人发出的红外线能量弱很多。那么如果更低的温度呢？比如冰箱里 零下 18 度的冷冻室，再比如这里的液氮。同学们知道液氮吗？ 学生：知道或者不知道 老师：液氮的温度非常低，零下 196 度，比南极还要冷上二倍。这 么冷的东西会发出红外线吗？ 学生：会或者不会 老师：这么冷的东西它也有红外线。只是它的红外线能量要比冰块 还要弱上许多许多。 |
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| 【总结】一切物体都可以产生红外线。小到一粒尘埃，大到太空中 耳朵星系，都是可以发出红外线的，只是不同温度的物体，发出红 |
| 外线的能量也不同，温度越高，发出红外线的能量就越强。 | ||
| 【衔接话术】原来屋子里的桌子、椅子、我们穿的衣服拿的笔都是 可以发出红外线的，可以说红外线无处不在，那为什么人眼却看不 到呢？其实这个和声音有点像了、我们之前学习声音时是所有的声 音人耳都能听到吗？（学生回答超声波听不到），对人的听力、视力 都是有范围的，那我们一起看一张图，看看人的视力范围是什么？ 【讲解】一般人的眼睛可以感知的太阳光的范围就是红色线条中间 的部分，是我们熟悉的七色光。波长在 0.4～0.75 微米之间，但还 有一些人能够感知到波长大约在 0.38～0.78 微米 之间的太阳光。 在右边线条外有一个红外线，正好在我们能感知到的太阳光线的外 边，所以在我们眼中是看不见红外线的。 | ||
| 【衔接话术】刚刚老师在讲解时候提到的波长是什么呢？ | ||
| 【讲解】其实光在传播的时候是一种光波。波在传播时候有的地方 传播比较长，有的地方传播比较短。怎么判断长短呢？我们可以简 单的比较光波中相邻两个波峰之间的距离，我们明显看到右边的波 长一些，左边的波短一些。从这个图上我们可以看出来红外线的波 长比较长，所以我们眼睛看不见。 |
| 【提问】人是看不到红外线，那有没有什么动物有特异功能，可以 看到红外线呢？ | |||
| 【衔接话术】确实有，比如蛇，在蛇的眼里食物是这样子的。除此 之外，还有牛蛙，金鱼，还有吸血的蚊子等等的动物也是可以看到 红外线的，帮助他们更好的寻找猎物。其实动物界很多动物的视野 要比人宽很多，还有很多人可以看到紫外线。 | |||
| 【第 4 步】红外线的应用
【对应 PPT】“红外线的应用” 部分 【时长】10-15min |
1、红外导弹 | 【衔接话术】动物可以依靠红外线捕食， 那么人看不 到红外线，红外线对于我们还有用处吗？ 当然是有 的，科学家就根据响尾蛇这种靠红外线捕捉猎物的本 领研发出一种武器，叫做“响尾蛇导弹”，在空中发 射，能够紧紧的跟着敌方的战斗机，直到把对方炸掉。 | |
| 【视频】红外武器究竟有多厉害呢？我们一起看一个 小视频。 | |||
| 2、红外热成 像仪 | 【衔接话术】前面我们学习到， 用手机摄像头是可以 看到红外线的，其实我们有专门捕捉红外线的红外热 成像仪。 | ||
| 【讲解】红外热成像仪检测到物体发出的红外线， 并 | |||
| 且把检测到的红外线转变为可见的图像。 | |||
| 【衔接话术】我们可以看一下在热成像仪下，不同的 情绪，我们身体会发生什么样的变化。 | |||
| 3、红外测温 仪 | 【提问】在热成像仪下我们能够看出来身体中哪些部 分温度高，哪些部位温度低，究竟温度是多少呢？
【衔接话术】前面我们讲过温度越高的话发出的红外 线能量越强，那我们是不是可以通过检测红外线的能 量来判断我们的身体的温度呢？这就需要一个可以 检测红外线的测温仪。 |
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| 【实验/游戏】
准备：红外测温仪 游戏过程： 1 、老师演示如何测量人体温度，可以选一个同 学，也可以测量自己的手臂等 2 、学生知道如何测量后，让学生测量自己想要 测量的东西的温度。 游戏总结：红外测温仪的测温原理是将物体发射 |
注意：
（1）学生进行操作时，老师把控 好时间和秩序。 （2）详细实验材料形状及实验流 程参考视频。 |
| 的红外线具有的辐射能转变成电信号，红外线辐射能 的大小与物体本身的温度相对应，根据转变成电信号 大小，可以确定物体的温度。 | |||
| 4、红外加热 | 【讲解】我们用红外线测量了温度，还能利用这个温 度来加热，比如家里卫生间的浴霸，还有烤箱，都是 利用红外线来加热的。 | ||
| 5、红外感应 门和水龙头 | 【讲解】除了热量之外，红外线还有别的用途吗？ 日 常生活中我们也经常接触到红外线感应的装置。比如 红外感应门，红外感应水龙头。 | ||
| 【衔接话术】这几种工具或者是一起都是可以检测到我们人体发出 的红外线的，那么我们这次课来做一个可以感受人体红外线的装置。 | |||
| 【第 5 步】人体感应灯的工 作原理
【对应 PPT】“人体感应灯工 作原理”部分 【时长】5min |
【讲解】它的名字叫热释电传感器。 当它检测到外界环境中温度的 变化，也就是检测到红外线的变化时，就会产生电信号，这就是热 释电效应，如果在它上面安装一个灯，这个灯就会亮。当然在没有 检测到红外线变化的时候，是不会产生电信号的，灯也不会亮。
【衔接话术】现在知道人体感应灯是怎么亮的了吧？那我们开始动 手制作吧。 |
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| 【第 6 步】动手制作人体感 应灯
【对应 PPT】“开始动手制作 啦！”部分 【视频辅导】此时可以播放/ 暂停 6 分钟的组装说明视频 作为指导。 【时长】40-50min |
①指导学生打开包装盒，将零件分类摆放整齐在自己前方桌面上。 | （1）物品摆放不要太靠近自己的 身体，否则容易掉在地上.
（2）螺丝钉长短不一，要分开放 置，为避免散乱和掉落，也可把螺 丝和垫片一直放在袋子内。 |
| ②讲解各元器件的形状和功能，主要的元器件如下：
a. 热释电模块：感受温度（即红外线）变化，输出电信号。 |
1. 讲解主要元器件时讲解人体感 应灯的工作过程:当电源接通后， 热释电模块能够接收到人体发出 的红外频段（如 35-38 度），如果 接收到的红外强度发生变化（增强 或者减弱），灯就会起来，如果没 有变化，灯就会熄灭。
2. 热释电模块外面会加一个菲涅 尔透镜，为了增强对红外线的接 收。 3.注意讲请电路连接的逻辑关系 |
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b. LED 灯：输入高电平点亮，低电平熄灭。 |
| 【第 7 步】课程总结
【对应 PPT】“今天你学到了 什么？ ”部分 【时长】10min |
③讲解连线方式，并指导学生完成连接。连线图如下
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（1）底座为电源模块+开关，热释 电模块电源端口连接电源，输出端 口连接 LED 灯输入端口。
（2）详细安装步骤参考火星人备 课视频。 |
| 老师根据 ppt 里的知识图谱回顾本节课学习过的知识要点，然 后带领学生完成课后习题，习题见附件一。 | ||
| 【第 8 步】课程结束 【对应 PPT】谢谢页面 | 回家以后可以和爸爸妈妈一起把人体感应灯布置在客厅、卫生间等 地方，看看人体感应灯使用在哪个地方会更方便。 |
附一：课后习题及解析
| 1. 人体感应灯是利用下列哪种光？( )
A ．紫外线 B ．红外线 C ．红色光 D ．激光 2. 下列关于红外线说法正确的是？( ) A ．当物体温度低时不会发出红外线 B ．人在晚上不能看到红外线，只有白天才能看到 C ．红外线是红色的 D ．在正常情况下人眼是无法看到红外线的 3. 红外线在生活中得到了广泛的应用，请列举三种 ， , 。 4. 简述人体感应灯的工作原理。 5. 除了红外线以外还有一种光是看不见的，叫做紫外线，查一查紫外线有什么用 处？ 答案和解析： 1. B 解析：人体感应灯利用的是红外线。 2. D 解析：正常情况下人眼看不到红外线，如果借助摄像机就可以看到红外线了。 3. 红外热成像仪、红外测温仪、红外感应水龙头等。 4.（仅供参考，不限制学生怎么回答，包含热释电模块感应红外线的变化，控制 灯是否点亮均可）热释电传感器可以感受到环境中红外线是否发生变化，一旦有 变化，就会有电信号，然后这个电信号会控制灯罩中的灯亮，红外线没有变化时 候，灯是长灭状态。 5.开放性设置 |
附二：牛顿光的色散实验补充（选讲）
| 但是牛顿除了做了和我们一样的实验外，还尝试在棱镜后面竖放一张开有小孔的 屏，这样转动前面的棱镜，就可以使不同颜色的光单独地穿过小孔。在屏的后面 再放一块三棱镜，就能观察到这些 7 色光通过第二块棱镜后颜色是否会改变。但 实验的结果表明，这些 7 色光经过第二块棱镜后没有再分解，颜色也没有变化。 所以把这种不可以在分成其他颜色的光叫做单色光。像太阳光这种可以被分解的 光叫做复合光，这就是著名的“光的色散”实验。
备注：比如学生如果问道“那红光会不会也是复合光呢”这种问题时老师可以补 充性回答。 |
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