高中人教物理選擇性必修二(教案)常見(jiàn)傳感器的工作原理及應(yīng)用

1、7/7常見(jiàn)傳感器的工作原理及應(yīng)用【教學(xué)目標(biāo)】一、知識(shí)與技能1知道傳感器中常見(jiàn)的四種敏感元件：光敏電阻、熱敏電阻、電阻應(yīng)變片和霍爾元件。2通過(guò)實(shí)驗(yàn)，知道常見(jiàn)傳感器的工作原理及應(yīng)用。二、過(guò)程與方法通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)的觀察、思考和探究，讓學(xué)生在了解傳感器、熟悉傳感器工作原理的同時(shí)，經(jīng)歷科學(xué)探究過(guò)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。三、情感、態(tài)度與價(jià)值觀體會(huì)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STS的聯(lián)系。通過(guò)動(dòng)手實(shí)驗(yàn)，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)。【教學(xué)重點(diǎn)】知道傳感器中常見(jiàn)的四種敏感元件：光敏電阻、

2、熱敏電阻、電阻應(yīng)變片和霍爾元件?！窘虒W(xué)難點(diǎn)】知道常見(jiàn)傳感器的工作原理及應(yīng)用?！窘虒W(xué)過(guò)程】一、復(fù)習(xí)舊知1傳感器：能像人的感覺(jué)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(lèi)：物理傳感器：力傳感器、磁傳感器、聲傳感器等化學(xué)傳感器：離子傳感器、氣體傳感器等生物傳感器：酶?jìng)鞲衅?、微生物傳感器、?xì)胞傳感器等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。4傳感器應(yīng)用的一般模式那么，常見(jiàn)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

3、成的各種傳感器又有哪些應(yīng)用呢？二、學(xué)習(xí)新知（一）光敏電阻學(xué)生實(shí)驗(yàn)1：學(xué)生兩人一組，用萬(wàn)用電表的歐姆擋測(cè)量一只光敏電阻的阻值，實(shí)驗(yàn)分別在暗環(huán)境和強(qiáng)光照射下進(jìn)行。學(xué)生總結(jié)實(shí)驗(yàn)結(jié)果：光敏電阻在暗環(huán)境下電阻值很大，強(qiáng)光照射下電阻值很小。師生總結(jié)：光敏電阻能夠把光照強(qiáng)弱這個(gè)光學(xué)量轉(zhuǎn)換為電阻這個(gè)電學(xué)量。教師簡(jiǎn)單介紹：光敏電阻在光照射下電阻變化的原因。有些物質(zhì)，例如硫化鎘，是一種半導(dǎo)體材料，無(wú)光照時(shí)，載流子極少，導(dǎo)電性能不好；隨著光照的增強(qiáng)，載流子增多，導(dǎo)電性變好。應(yīng)用：自動(dòng)計(jì)數(shù)裝置沒(méi)有物品擋住由A射向B的光信號(hào)時(shí)，光敏電阻的阻值較??；有物品擋住由A射向B的光信號(hào)時(shí)，光敏電阻的阻值變大。（二）金屬熱電阻和熱

4、敏電阻1金屬熱電阻：教師提問(wèn)：金屬導(dǎo)體的導(dǎo)電性能與溫度有關(guān)嗎？關(guān)系如何？學(xué)生回答：金屬導(dǎo)體的電阻隨溫度的升高而增大，如白熾燈鎢絲的電阻在正常工作情況下比常溫下的電阻大得多。學(xué)生探究：鎢絲的電阻隨溫度的升高而增大。師生總結(jié)：用金屬絲可以制作溫度傳感器，稱為熱電阻。如前面已經(jīng)學(xué)過(guò)的用金屬鉑可制作精密的電阻溫度計(jì)。2熱敏電阻：學(xué)生實(shí)驗(yàn)2：學(xué)生兩人一組，用萬(wàn)用電表的歐姆擋測(cè)一只熱敏電阻的阻值。第一次直接測(cè)量，第二次用手心捂住熱敏電阻再測(cè)量，記錄兩次測(cè)得的電阻值。學(xué)生探究：熱敏電阻的阻值隨溫度的升高而減小，且阻值隨溫度變化非常明顯。師生總結(jié)：半導(dǎo)體熱敏電阻也可以用作溫度傳感器。師生總結(jié)比較：金屬熱電阻與

5、熱敏電阻都能夠把溫度這個(gè)熱學(xué)量轉(zhuǎn)換為電阻這個(gè)電學(xué)量，金屬熱電阻的化學(xué)穩(wěn)定性好，測(cè)溫范圍大，但靈敏度較差。例題1有定值電阻、熱敏電阻、光敏電阻三只元件分別接入如圖所示電路中A、B兩點(diǎn)后，用黑紙包住元件置入熱水中，觀察歐姆表的示數(shù)，下列說(shuō)法正確的是（ ）A置入熱水中與不置入熱水中相比，歐姆表示數(shù)變化較大，這只元件一定是熱敏電阻B置入熱水中與不置入熱水中相比，歐姆表示數(shù)不變化，這只元件一定是定值電阻C用黑紙包住與不用黑紙包住元件相比，歐姆表示數(shù)變化較大，這只元件一定是光敏電阻D用黑紙包住與不用黑紙包住元件相比，歐姆表示數(shù)相同，這只元件一定是定值電阻（三）電阻應(yīng)變片原理：金屬導(dǎo)體在外力作用下發(fā)生機(jī)械形

6、變（伸長(zhǎng)或縮短）時(shí)，其電阻隨著它所受機(jī)械形變的變化而發(fā)生變化。例題2如圖是一種測(cè)定油箱油量多少或變化多少的裝置。其中電源電壓保持不變，R是滑動(dòng)變阻器，它的金屬滑片是金屬桿的一端。在裝置中使用了一只電壓表（圖中沒(méi)有畫(huà)出），通過(guò)觀察電壓表示數(shù)，可以了解油量情況。將電壓表分別接在b、c之間與c、d之間，當(dāng)油量變化時(shí)，電壓表的示數(shù)變化有何不同？（四）電容式位移傳感器（位移傳感器）傳感器是把非電學(xué)量轉(zhuǎn)換為電學(xué)量的元件，它使得某些非電學(xué)量容易測(cè)量或者能實(shí)現(xiàn)電路的自動(dòng)通斷。傳感器的應(yīng)用豐富了我們的生活，使我們的生活更舒適、更安全。但從科技進(jìn)步的角度來(lái)說(shuō)，傳感器的應(yīng)用還只是淺層次的，更重要的是傳感器的開(kāi)發(fā)。那

7、么，傳感器如何進(jìn)行開(kāi)發(fā)呢？這還得從傳感器的工作原理入手。例如，電容器電容的決定式為C=S4kd，如何利用電容的電學(xué)量與非電學(xué)量的關(guān)系設(shè)計(jì)一個(gè)電容式傳感器？例題3電容式傳感器是用來(lái)將各種非電信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)的裝置，由于電容器的電容C取決于極板正對(duì)面積S、極板間距離d以及極板間的電介質(zhì)這幾個(gè)因素，當(dāng)某一物理量發(fā)生變化時(shí)就能引起上述某個(gè)因素的變化，從而又可推出另一物理量的值如圖所示是四種電容式傳感器的示意圖，關(guān)于這四種傳感器的作用，下列說(shuō)法不正確的是（ ）A甲圖的傳感器可以用來(lái)測(cè)量角度B乙圖的傳感器可以用來(lái)測(cè)量液面高度C丙圖的傳感器可以用來(lái)測(cè)量壓力D丁圖的傳感器可以用來(lái)測(cè)量速度（五）霍爾元件1879

8、年美國(guó)物理學(xué)家霍爾觀察到，在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中放置一個(gè)矩形截面的載流導(dǎo)體，當(dāng)磁場(chǎng)方向與電流方向垂直時(shí)，導(dǎo)體在與磁場(chǎng)、電流方向都垂直的方向上出現(xiàn)了電勢(shì)差。人們把這樣的現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)，所產(chǎn)生的電勢(shì)差叫霍爾電壓。人們利用霍爾效應(yīng)做成了霍爾元件。如圖，霍爾元件是在一個(gè)很小的矩形半導(dǎo)體（例如砷化銦）薄片上，制作4個(gè)電極E、F、M、N而成。若在E、F間通入恒定的電流I，同時(shí)外加與薄片垂直的勻強(qiáng)磁場(chǎng)B，薄片中的載流子就在洛倫茲力的作用下發(fā)生偏轉(zhuǎn)，使M、N間出現(xiàn)電壓UH。這個(gè)電壓叫霍爾電壓，其決定式為。式中d為薄片的厚度，k為霍爾系數(shù)，它的大小與薄片的材料有關(guān)。師生共析：由上式看，一個(gè)霍爾元件的厚度d、k為定值，若

9、保持I恒定，則UH的變化就與B成正比。也就是說(shuō)：霍爾元件能夠把磁感應(yīng)強(qiáng)度這個(gè)磁學(xué)量轉(zhuǎn)換為電壓這個(gè)電學(xué)量。因此，我們可以把霍爾元件放置在某一未知的磁場(chǎng)中，通過(guò)測(cè)定霍爾電壓U的變化得知該磁場(chǎng)磁感應(yīng)強(qiáng)度的變化。三、小結(jié)傳感器名稱輸入的物理量輸出的物理量光敏電阻光學(xué)量電學(xué)量熱敏電阻熱學(xué)量電學(xué)量金屬熱電阻熱學(xué)量電學(xué)量電阻應(yīng)變片力學(xué)量電學(xué)量電容式位移傳感器力學(xué)量電學(xué)量霍爾元件磁學(xué)量電學(xué)量四、鞏固練習(xí)1下列關(guān)于電子秤中應(yīng)變式力傳感器的說(shuō)法正確的是（ ）A應(yīng)變片是由導(dǎo)體材料制成B當(dāng)應(yīng)變片的表面拉伸時(shí)，其電阻變大；反之，變小C傳感器輸出的是應(yīng)變片上的電壓D外力越大，輸出的電壓值也越大2如圖所示為大型電子地磅電路

10、圖，電源電動(dòng)勢(shì)為E，內(nèi)阻不計(jì)，不稱物體時(shí)，滑動(dòng)頭P在A端，滑動(dòng)變阻器接入電路中有效電阻最大，電流較??；稱重物時(shí)，在壓力作用下使滑動(dòng)頭下移，滑動(dòng)變阻器有效電阻變小，電流變大。這樣把電流對(duì)應(yīng)的質(zhì)量值刻在刻度盤(pán)上，就可以讀出被稱物體的質(zhì)量。若滑動(dòng)變阻器上A、B間長(zhǎng)度為l，最大阻值為R0，已知兩彈簧的總彈力與形變量成正比，比例系數(shù)為k，試導(dǎo)出所稱重物重力G與電路中電流I的函數(shù)關(guān)系。3溫度傳感器廣泛應(yīng)用于室內(nèi)空調(diào)、電冰箱和微波爐等家用電器中，它是利用熱敏電阻的阻值隨溫度變化而變化的特性工作的。在圖甲中，電源的電動(dòng)勢(shì)E9.0V，內(nèi)阻可忽略不計(jì)；G為靈敏電流表，內(nèi)阻r保持不變；R0為保護(hù)電阻，R為熱敏電阻，

11、其電阻值與溫度變化的關(guān)系如圖乙所示。試寫(xiě)出熱敏電阻的阻值隨溫度變化的關(guān)系式。閉合開(kāi)關(guān)S，當(dāng)R的溫度等于40時(shí)，電流表示數(shù)I12.25mA。則當(dāng)電流表的示數(shù)I23.6mA時(shí)，熱敏電阻R的溫度是多少攝氏度？4如圖所示，R1為定值電阻，R2為負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻，L為小燈泡，當(dāng)溫度降低時(shí)（ ）AR1兩端的電壓增大B電流表的示數(shù)增大C小燈泡的亮度變強(qiáng)D小燈泡的亮度變?nèi)?將萬(wàn)用表的選擇開(kāi)關(guān)置于“歐姆”擋，再將萬(wàn)用表的兩支表筆與負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻RT（阻值隨溫度升高而降低）的兩端相連，這時(shí)表針恰好指在刻度盤(pán)的正中間。若往R上擦一些酒精，表針將向_（填“左”或“右”）移動(dòng)；若用吹風(fēng)機(jī)將熱風(fēng)吹向電阻，表針將向_（填“左”或“右”）