高中人教物理選擇性必修二(教案)常見傳感器的工作原理及應用

1、7/7常見傳感器的工作原理及應用【教學目標】一、知識與技能1知道傳感器中常見的四種敏感元件：光敏電阻、熱敏電阻、電阻應變片和霍爾元件。2通過實驗，知道常見傳感器的工作原理及應用。二、過程與方法通過對實驗的觀察、思考和探究，讓學生在了解傳感器、熟悉傳感器工作原理的同時，經歷科學探究過程，學習科學研究方法，培養(yǎng)學生的觀察能力、實踐能力和創(chuàng)新思維能力。三、情感、態(tài)度與價值觀體會傳感器在生活、生產、科技領域的種種益處，激發(fā)學生的學習興趣，拓展學生的知識視野，并加強物理與STS的聯(lián)系。通過動手實驗，培養(yǎng)學生實事求是的科學態(tài)度、團隊合作精神和創(chuàng)新意識?！窘虒W重點】知道傳感器中常見的四種敏感元件：光敏電阻、

2、熱敏電阻、電阻應變片和霍爾元件?！窘虒W難點】知道常見傳感器的工作原理及應用?！窘虒W過程】一、復習舊知1傳感器：能像人的感覺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換成可用輸出信息的器件或裝置。2傳感器的種類：物理傳感器：力傳感器、磁傳感器、聲傳感器等化學傳感器：離子傳感器、氣體傳感器等生物傳感器：酶傳感器、微生物傳感器、細胞傳感器等3傳感器的基本部分：敏感元件、轉換元件敏感元件：能直接感受或響應外界被測非電學量的部分。轉換元件：能將敏感元件輸出的信號直接轉換成電信號的部分。4傳感器應用的一般模式那么，常見的傳感器是怎樣感知非電學量，并將其轉換為電學量的呢？利用不同的敏感元件制

3、成的各種傳感器又有哪些應用呢？二、學習新知（一）光敏電阻學生實驗1：學生兩人一組，用萬用電表的歐姆擋測量一只光敏電阻的阻值，實驗分別在暗環(huán)境和強光照射下進行。學生總結實驗結果：光敏電阻在暗環(huán)境下電阻值很大，強光照射下電阻值很小。師生總結：光敏電阻能夠把光照強弱這個光學量轉換為電阻這個電學量。教師簡單介紹：光敏電阻在光照射下電阻變化的原因。有些物質，例如硫化鎘，是一種半導體材料，無光照時，載流子極少，導電性能不好；隨著光照的增強，載流子增多，導電性變好。應用：自動計數裝置沒有物品擋住由A射向B的光信號時，光敏電阻的阻值較??；有物品擋住由A射向B的光信號時，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：金屬導體的導電性能與溫度有關嗎？關系如何？學生回答：金屬導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。學生探究：鎢絲的電阻隨溫度的升高而增大。師生總結：用金屬絲可以制作溫度傳感器，稱為熱電阻。如前面已經學過的用金屬鉑可制作精密的電阻溫度計。2熱敏電阻：學生實驗2：學生兩人一組，用萬用電表的歐姆擋測一只熱敏電阻的阻值。第一次直接測量，第二次用手心捂住熱敏電阻再測量，記錄兩次測得的電阻值。學生探究：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：半導體熱敏電阻也可以用作溫度傳感器。師生總結比較：金屬熱電阻與

5、熱敏電阻都能夠把溫度這個熱學量轉換為電阻這個電學量，金屬熱電阻的化學穩(wěn)定性好，測溫范圍大，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兩點后，用黑紙包住元件置入熱水中，觀察歐姆表的示數，下列說法正確的是（ ）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，歐姆表示數相同，這只元件一定是定值電阻（三）電阻應變片原理：金屬導體在外力作用下發(fā)生機械形

6、變（伸長或縮短）時，其電阻隨著它所受機械形變的變化而發(fā)生變化。例題2如圖是一種測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（圖中沒有畫出），通過觀察電壓表示數，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，當油量變化時，電壓表的示數變化有何不同？（四）電容式位移傳感器（位移傳感器）傳感器是把非電學量轉換為電學量的元件，它使得某些非電學量容易測量或者能實現電路的自動通斷。傳感器的應用豐富了我們的生活，使我們的生活更舒適、更安全。但從科技進步的角度來說，傳感器的應用還只是淺層次的，更重要的是傳感器的開發(fā)。那

7、么，傳感器如何進行開發(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量與非電學量的關系設計一個電容式傳感器？例題3電容式傳感器是用來將各種非電信號轉變?yōu)殡娦盘柕难b置，由于電容器的電容C取決于極板正對面積S、極板間距離d以及極板間的電介質這幾個因素，當某一物理量發(fā)生變化時就能引起上述某個因素的變化，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，關于這四種傳感器的作用，下列說法不正確的是（ ）A甲圖的傳感器可以用來測量角度B乙圖的傳感器可以用來測量液面高度C丙圖的傳感器可以用來測量壓力D丁圖的傳感器可以用來測量速度（五）霍爾元件1879

8、年美國物理學家霍爾觀察到，在勻強磁場中放置一個矩形截面的載流導體，當磁場方向與電流方向垂直時，導體在與磁場、電流方向都垂直的方向上出現了電勢差。人們把這樣的現象稱為霍爾效應，所產生的電勢差叫霍爾電壓。人們利用霍爾效應做成了霍爾元件。如圖，霍爾元件是在一個很小的矩形半導體（例如砷化銦）薄片上，制作4個電極E、F、M、N而成。若在E、F間通入恒定的電流I，同時外加與薄片垂直的勻強磁場B，薄片中的載流子就在洛倫茲力的作用下發(fā)生偏轉，使M、N間出現電壓UH。這個電壓叫霍爾電壓，其決定式為。式中d為薄片的厚度，k為霍爾系數，它的大小與薄片的材料有關。師生共析：由上式看，一個霍爾元件的厚度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：霍爾元件能夠把磁感應強度這個磁學量轉換為電壓這個電學量。因此，我們可以把霍爾元件放置在某一未知的磁場中，通過測定霍爾電壓U的變化得知該磁場磁感應強度的變化。三、小結傳感器名稱輸入的物理量輸出的物理量光敏電阻光學量電學量熱敏電阻熱學量電學量金屬熱電阻熱學量電學量電阻應變片力學量電學量電容式位移傳感器力學量電學量霍爾元件磁學量電學量四、鞏固練習1下列關于電子秤中應變式力傳感器的說法正確的是（ ）A應變片是由導體材料制成B當應變片的表面拉伸時，其電阻變大；反之，變小C傳感器輸出的是應變片上的電壓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，電源電動勢為E，內阻不計，不稱物體時，滑動頭P在A端，滑動變阻器接入電路中有效電阻最大，電流較?。环Q重物時，在壓力作用下使滑動頭下移，滑動變阻器有效電阻變小，電流變大。這樣把電流對應的質量值刻在刻度盤上，就可以讀出被稱物體的質量。若滑動變阻器上A、B間長度為l，最大阻值為R0，已知兩彈簧的總彈力與形變量成正比，比例系數為k，試導出所稱重物重力G與電路中電流I的函數關系。3溫度傳感器廣泛應用于室內空調、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，電源的電動勢E9.0V，內阻可忽略不計；G為靈敏電流表，內阻r保持不變；R0為保護電阻，R為熱敏電阻，

11、其電阻值與溫度變化的關系如圖乙所示。試寫出熱敏電阻的阻值隨溫度變化的關系式。閉合開關S，當R的溫度等于40時，電流表示數I12.25mA。則當電流表的示數I23.6mA時，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為負溫度系數的熱敏電阻，L為小燈泡，當溫度降低時（ ）AR1兩端的電壓增大B電流表的示數增大C小燈泡的亮度變強D小燈泡的亮度變弱5將萬用表的選擇開關置于“歐姆”擋，再將萬用表的兩支表筆與負溫度系數的熱敏電阻RT（阻值隨溫度升高而降低）的兩端相連，這時表針恰好指在刻度盤的正中間。若往R上擦一些酒精，表針將向_（填“左”或“右”）移動；若用吹風機將熱風吹向電阻，表針將向_（填“左”或“右”）