高中物理传感器及其工作原理教案设计与例题解析Word下载.docx

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揭示实验“奥秘”：

盒子里用到了一种称为“干簧管”的元件。

介绍干簧管的构造和工作原理，干簧管是一种能够感知磁场的传感器。

引导学生阅读教材2、3段，思考问题：

（1）什么是传感器？

（2）传感器的作用是什么？

（1）传感器是指这样一类元件：

它能够感知诸如力、温度、光、声、化学成分等非电学量，并把它们按照一定的规律转化成电压、电流等电学量，或转化为电路的通断。

（2）传感器的作用是把非电学量转化为电学量或电路的通断，从而实现很方便地测量、传输、处理和控制。

出示几种常见的传感器，增加学生的感性认识。

为了制作传感器，常常需要一些元器件，下面看几个实例：

2．光敏电阻

介绍光敏电阻的外形和构造。

如图6.1-4。

现象：

光敏电阻在被光照射时电阻发生明显变化。

普通电阻则不会发生变化。

引导学生阅读教材57页的内容，思考问题：

（1）光敏电阻的电阻率与什么有关？

（2）光敏电阻受到光照时会发生什么变化？

怎样解释？

（3）光敏电阻能够将什么量转化为什么量？

（1）光敏电阻的电阻率与光照强度有关。

（2）光敏电阻受到光照时电阻会变小。

硫化镉是一种半导体材料，无光照时，载流子极少，导电性能不好；

随着光照增强，载流子增多，导电性能变好。

（3）光敏电阻能够将光学量转化为电阻这个电学量。

3．热敏电阻和金属热电阻

引导学生阅读教材58页有关内容，思考问题：

（1）金属导体与半导体材料的导电性能与温度的变化关系是否相同？

（2）热敏电阻和金属热电阻各有哪些优缺点？

（3）热敏电阻和金属热电阻能够将什么量转化为什么量？

（1）金属导体与半导体材料的导电性能与温度的变化关系不相同。

金属导体的导电性能随温度升高而降低；

半导体材料的导电性能随温度升高而变好。

（2）热敏电阻灵敏度高，但化学稳定性较差，测量范围较小；

金属热电阻的化学稳定性较好，测量范围较大，但灵敏度交差。

（3）热敏电阻或金属热电阻能够将热学量转化为电阻这个电学量。

热敏电阻随着温度的升高电阻发生明显变化。

温度越高，电阻值越小。

引导学生看教材59页“说一说”栏目中的内容。

给电容器带上一定的电荷，然后用静电计来检测两板间电势差的变化，即可判断电容的变化。

电容式传感器能够把位移这个力学量转化为电容这个电学量。

4．霍尔元件

引导学生阅读教材关于霍尔元件的内容。

推导霍尔电压的公式。

设载流子的电荷量为q，沿电流方向定向运动的平均速率为v，单位体积内自由移动的载流子数为n，垂直电流方向导体板的横向宽度为a，则电流的微观表达式为

①载流子在磁场中受到的洛伦兹力

载流子在洛伦兹力作用下侧移，两个侧面出现电势差，载流子受到的电场力为

当达到稳定状态时，洛伦兹力与电场力平衡，即

②

由①②式得

③

式中的nq与导体的材料有关，对于确定的导体，nq是常数。

令

，则上式可写为

④

一个确定的霍尔元件的d、k、为定值，再保持I不变，则UH的变化就与B成正比。

这样，霍尔元件能够把磁感应强度这个磁学量转化为电压这个电学量。

（三）课堂总结、点评

本节课主要学习了以下几个问题：

1．制作传感器需要的敏感元件光敏电阻、热敏电阻与金属热电阻、霍尔元件等。

2．光敏电阻的阻值随光的强度增大而减小。

光敏电阻将光学量转化为电阻这个电学量。

3．热敏电阻的阻值随温度的升高不一定减小。

有的热敏电阻阻值会随温度的升高而增大。

热敏电阻或金属热电阻将温度这个热学量转化为电阻这个电学量。

4．霍尔元件的霍尔电压公式为

，霍尔元件把磁感应强度这个磁学量转化为电压这个电学量。

5．电容式传感器能够把位移这个力学量转化为电容这个电学量。

（四）实例探究

光敏电阻及其应用

【例1】如图所示为光敏电阻自动计数器的示意图，其中R1为光敏电阻，R2为定值电阻．此光电计数器的基本工作原理是（）

A．当有光照射R1时，信号处理系统获得高电压

B．当有光照射R1时，信号处理系统获得低电压

C．信号处理系统每获得一次低电压就记数一次

D．信号处理系统每获得一次高电压就记数一次

热敏电阻及其应用

【例2】有定值电阻、热敏电阻、光敏电阻三只元件，将这三只元件分别接入如图所示电路中的A、B两点后，用黑纸包住元件或者把元件置入热水中，观察欧姆表的示数，下列说法中正确的是（）

A．置入热水中与不置入热水中相比，欧姆表示数变化较大，这只元件一定是热敏电阻

B．置入热水中与不置入热水中相比，欧姆表示数不变化，这只元件一定是定值电阻

C．用黑纸包住元件与不用黑纸包住元件相比，欧姆表示数变化较大，这只元件一定是光敏电阻

D．用黑纸包住元件与不用黑纸包住元件相比，欧姆表示数相同，这只元件一定是定值电阻

霍尔元件及其应用

【例3】如图所示，有电流I流过长方体金属块，金属块宽度为d，高为b，有一磁感应强度为B的匀强磁场垂直于纸面向里，金属块单位体积内的自由电子数为n，试问金属块上、下表面哪面电势高？

电势差是多少？

（此题描述的是著名的霍尔效应现象）

6．2传感器的应用

（一）

1．了解力传感器在电子秤上的应用。

2．了解声传感器在话筒上的应用。

3．了解温度传感器在电熨斗上的应用。

通过实验或演示实验，了解传感器在生产、生活中的应用。

在了解传感器原理及应用时，知道已学知识在生活、生产、科技社会中的价值，增强学习兴趣，培养良好的科学态度。

各种传感器的应用原理及结构。

实验法、观察法、讨论法。

驻极体话筒的工作电路示教板，示波器，学生电源，电熨斗，日光灯起动器（若干）

传感器是能够感知诸如力、温度、光、声、化学成分等非电学量，并把它们按照一定的规律转化成电压、电流等电学量，或转化为电路通断的一类元件。

请大家回忆一下光敏电阻、热敏电阻、霍尔元件各是把什么物理量转化为电学量的元件？

热敏电阻将温度这个热学量转化为电阻这个电学量。

霍尔元件把磁感应强度这个磁学量转化为电压这个电学量。

这节课我们来学习传感器的应用。

1、传感器应用的一般模式

阅读教材并在练习本上画出传感器应用的一般模式示意图。

下面学习几个传感器应用的实例。

2．力传感器的应用——电子秤

阅读教材61页最后一段，思考并回答问题。

（1）电子秤使用的测力装置是什么？

它是由什么元件组成的？

（2）简述力传感器的工作原理。

（3）应变片能够把什么力学量转化为什么电学量？

总结点评，结合板画强调讲解应变片测力原理（如图所示）。

应变片能够把物体形变这个力学量转化为电压这个电学量。

3．声传感器的应用——话筒

阅读教材62页有关内容，思考并回答问题。

（1）话筒的作用是什么？

（2）说明动圈式话筒的工作原理和工作过程。

（3）说明电容式话筒的工作原理和工作过程。

这种话筒的优点是什么？

（4）驻极体话筒的工作原理是什么？

有何优点？

1、话筒的作用是把声音信号转化为电信号。

2、动圈式话筒的工作原理是电磁感应现象。

膜片接收到声波后引起振动，连接在膜片上的线圈随着一起振动，线圈在永磁体的磁场里振动从而产生感应电流（电信号），感应电流的大小和方向都变化，振幅和频率的变化都由声波决定，这个信号电流经扩音器放大后传给扬声器，从扬声器中就发出放大的声音。

3、电容式话筒的工作原理：

利用电容器充放电形成的充放电电流。

薄金属膜M和固定电极N形成一个电容器，被直流电源充电．当声波使膜片振动时，电容发生变化，电路中形成变化的电流，于是电阻R两端就输出了与声音变化规律相同的电压．

优点：

保真度好。

4、驻极体话筒的原理同电容式话筒，只是其内部感受声波的是驻极体塑料薄膜．优点：

体积小，重量轻，价格便宜，灵敏度高，工作电压低。

驻极体话筒利用了电介质的极化现象：

将电介质放入电场中，在前后两个表面上会分别出现正电荷与负电荷的现象．某些电介质在电场中被极化后，去掉外加电场，仍然会长期保持被极化的状态，这种材料称为驻极体．

现象：

不同的声波信号，荧光屏上显示的波形不同。

说明话筒产生的电信号是由接收到的声波控制的。

3．温度传感器的应用——电熨斗

温度传感器是应用最广泛的传感器之一，它能把温度的高低转变成电信号，通常是利用物体的某一物理性质随温度的变化而改变的特性制成的．电熨斗就是靠温度传感器来控制温度的。

做实验，观察实验现象。

电熨斗就装有双金属片温度传感器。

这种传感器的作用是控制电路的通断。

投影：

电熨斗结构图（如图所示）

思考与讨论：

（1）常温下，上、下触点应是接触的还是分离的？

当温度过高时，双金属片将怎样起作用？

（2）熨烫棉麻衣物和熨烫丝绸衣物需要设定不同的温度，这是如何使用调温旋钮来实现的？

（1）常温下，上、下触点应是接触的，但温度过高时，由于双金属片受热膨胀系数不同，上部金属膨胀大，下部金属膨胀小，则双金属片向下弯曲，使触点分离，从而切断电源，停止加热．温度降低后，双金属片恢复原状，重新接通电路加热，这样循环进行，起到自动控制温度的作用．

（2）熨烫棉麻衣物和熨烫丝绸衣物需要设定不同的温度，此时可通过调温旋钮调节升降螺丝，升降螺丝带动弹性钢片升降，从而改变触点接触的难易，达到控制在不同温度的目的．

力传感器的应用——电子秤

传感器的应用声传感器的应用——话筒

温度传感器的应用——电熨斗

力传感器是把力信号转换成电信号；

声传感器是把声音信号转换为电信号，而温度传感器往往是用来进行自动控制．

力传感器的应用

【例1】用如图所示的装置可以测量汽车在水平路面上做匀加速直线运动的加速度．该装置是在矩形箱子的前、后壁上各安装一个由力敏电阻组成的压力传感器．用两根相同的轻弹簧夹着一个质量为2.0kg的滑块可无摩擦滑动，两弹簧的另一端分别压在传感器a、b上，其压力大小可直接从传感器的液晶显示屏上读出．现将装置沿运动方向固定在汽车上，传感器b在前，传感器a在后．汽车静止时，传感器a、b在的示数均为10N（取g=10m／s2）．

（1）若传感器a的示数为14N、b的示数为6.0N，求此时汽车的加速度大小和方向．

（2）当汽车以怎样的加速度运动时，传感器a的示数为零．

温度传感器的应用

【例2】在家用电热灭蚊器中，电热部分主要元件是PTC元件，PTC元件是由钛酸钡等半导体材料制成的电阻器，其电阻率

随温度t的变化关系如图所示，由于这种特性，PTC元件

具有发热、保温双重功能．对此，以下判断正确的是（）

①通电后，其电功率先增大，后减小②通电后，其电功率先减小，后增大③当其产生的热量与散发的热量相等时，温度保持在t1不变④当其产生的热量与散发的热量相等时，温度保持在t1和t2之间的某一值不变

A．①③B．②③C．②④D．①④

6．3传感器的应用

（二）

1．了解温度传感器在电饭锅和测温仪上的应用。

2．了解光传感器在鼠标器和火灾报警器上的应用。

演示用的感温铁氧体，磁铁，电烙铁，计算机的鼠标器，光敏电阻，多用表，干电池，蜡烛，各种功率的白炽灯等

传感器的应用已经渗透到环境保护、交通运输、航天、军事以及家庭生活等各领域．例如，空调、电冰箱、微波炉、消毒碗柜等与温度控制相关的家用电器，几乎都要使用温度传感器．光传感器的应用也十分广泛，如电脑上的鼠标器、路灯的自动控制及火灾报警器等．

这节课我们就来学习温度传感器和光传感器的应用实例。

1、温度传感器的应用——电饭锅

引导学生阅读教材有关内容。

（1）温度传感器的主要元件是什么？

感温铁氧体。

（2）感温铁氧体的组成物质是什么？

氧化锰、氧化锌和氧化铁粉末混合烧结而成。

（3）感温铁氧体有何特点？

常温下具有铁磁性，能够被磁体吸引，温度达到约103℃，失去铁磁性．

（4）什么是“居里点”？

居里点，又称居里温度，即指103℃。

观察演示实验：

感温铁氧体的特性。

当感温铁氧体的温度升高到一定数值时，感温铁氧体与磁铁分离。

说明温度升高到一定数值时，感温铁氧体的磁性消失。

投影电饭锅的结构示意图。

引导学生思考并回答教材“思考与讨论”中的问题，了解电饭锅的工作原理。

（1）开始煮饭时，用手压下开关按钮，永磁体与感温磁体相吸，手松开后，按钮不再恢复到图示状态。

（2）水沸腾后，锅内大致保持100℃不变。

（3）饭熟后，水分被大米吸收，锅底温度升高，当温度升至“居里点103℃”时，感温磁体失去铁磁性，在弹簧作用下，永磁体被弹开，触点分离，切断电源，从而停止加热．

（4）如果用电饭锅烧水，水沸腾后，锅内保持100℃不变，温度低于“居里点103℃”，电饭锅不能自动断电。

只有水烧干后，温度升高到103℃才能自动断电。

引导学生连贯地叙述电饭锅的工作过程。

开始煮饭时，用手压下开关按钮，永磁体与感温磁体相吸，手松开后，按钮不再恢复到图示状态，则触点接通，电热板通电加热，水沸腾后，由于锅内保持100℃不变，故感温磁体仍与永磁体相吸，继续加热，直到饭熟后，水分被大米吸收，锅底温度升高，当温度升至“居里点103℃”时，感温磁体失去铁磁性，在弹簧作用下，永磁体被弹开，触点分离，切断电源，从而停止加热．

2．温度传感器的应用——测温仪

引导学生阅读教材，思考并回答有关问题。

（1）温度传感器测温仪有何优点？

可以远距离读取温度的数值．因为温度信号变成电信号后可以远距离传输．

（2）常见的测温元件有哪些？

热敏电阻、金属热电阻、热电偶及红外线敏感元件等．

3．光传感器的应用——鼠标器

在工农业生产中经常用到自动控制装置，而设计自动控制装置很多情况下要用到传感器．如光电传感器，把光信号转化为电信号，然后对电信号进行放大，再将电信号输入到相应的装置，进而完成相应的自动控制。

下面我们学习光传感器的应用实例——鼠标器。

引导学生阅读教材有关内容，思考并回答有关问题。

（1）机械式鼠标器的内部组成是什么？

滚球、滚轴与码盘、红外发射管与红外接收管．（光传感器，如图所示）豆品多一

（2）简述机械式鼠标器的工作原理。

鼠标器移动时，滚球运动通过轴带动两个码盘转动，红外接收管就收到断续的红外线脉冲，输出相应的电脉冲信号，计算机分别统计两个方向的脉冲信号，红外接收管处理后就使屏幕上的光标产生相应的位移。

4．光传感器的应用——火灾报警器

许多会议室、宾馆房间的天花板上都装有火灾报警器，火灾报警器是光传感器应用的又一实例。

（1）以利用烟雾对光的散射来工作的火灾报警器为例，简述其工作原理。

报警器带孔的罩子内装有发光二极管LED、光电三极管和不透明的挡板．平时，光电三极管收不到LED发出的光，呈现高电阻状态．烟雾进入罩内后对光有散射作用，使部分光线照射到光电三极管上，其电阻变小．与传感器连接的电路检测出这种变化，就会发出警报．

实验

做实验，记录实验现象。

各种传感器广泛应用于人们日常生活、生产中，如空调、电冰箱、电饭堡、火灾报警器、路灯自动控制、电脑鼠标器等．传感器把所感受到的物理量，如力、热、磁、光、声等，转换成便于测量的电压、电流等，与电路相结合达到自动控制的目的．

【例1】如图甲为在温度为10℃左右的环境中工作的某自动恒温箱原理简图，箱内的电阻R1=20kΩ，R2=10kΩ，R3=40kΩ，Rt为热敏电阻，它的电阻随温度变化的图线如图乙所示．当a、b端电压Uab<

0时，电压鉴别器会令开关S接通，恒温箱内的电热丝发热，使箱内温度提高；

当Uab>

0时，电压鉴别器使S断开，停止加热，恒温箱内的温度恒定在_________℃．

光传感器的应用

【例2】如图所示为一实验小车中利用光电脉冲测量车速和行程的装置示意图。

A为光源，B为光电接收器，A、B均固定在车身上，C为小车的车轮，D为与C同轴相连的齿轮。

车轮转动时，A发出的光束通过旋转齿轮上齿的间隙后变成脉冲光信号，被B接收并转换成电信号，由电子电路记录和显示。

若实验显示单位时间内脉冲数为n，累计脉冲数为N，则要测出小车的速度和行程还必须测量的物理量和数据是，小车速度的表达式为v=；

行程的表达式为

=。

答案：

车轮的半径R和齿轮齿数P；

；

6．4传感器的应用实例

1．了解两个实验的基本原理。

2．通过实验，加深对传感器作用的体会，培养自己的动手能力。

通过实验培养动手能力，体会传感器在实际中的应用。

在实验中通过动手组装和调试，增强理论联系实际的意识，激发学习兴趣，培养良好的科学态度。

1．了解斯密特触发器的工作特点，能够分析光控电路的工作原理。

2．温度报警器的电路工作原理。

光控电路和温度报警器电路的工作原理。

实验过程中用到的有关器材、元器件等，由实验室统一准备

随着人们生活水平的提高，传感器在工农业生产中的应用越来越广泛，如走廊里的声、光控开关、温度报警器、孵小鸡用的恒温箱、路灯的自动控制、银行门口的自动门等，都用到了传感器．传感器的工作离不开电子电路，传感器只是把非电学量转换成电学量，对电学量的放大，处理均是通过电子元件组成的电路来完成的．

这节课我们就来动手组装光控开关或温度报警器。

实验1、光控开关

1．实验原理及知识准备

（投影）如图所示光控电路，用发光二极管LED模仿路灯，RG为光敏电阻，R1的最大电阻为51kΩ，R2为330kΩ，试分析其工作原理．

白天，光强度较大，光敏电阻RG电阻值较小，加在斯密特触发器A端的电压较低，则输出端Y输出高电平，发光二极管LED不导通；

当天色暗到一定程度时，RG的阻值增大到一定值，斯密特触发器的输入端A的电压上升到某个值（1.6V），输出端Y突然从高电平跳到低电平，则发光二极管LED导通发光（相当于路灯亮了），这样就达到了使路灯天明熄灭，天暗自动开启的目的．

（1）要想在天更暗时路灯才会亮，应该把R1的阻值调大些还是调小些？

为什么？

应该把R1的阻值调大些，这样要使斯密特触发器的输入端A电压达到某个值（如1.6V，就需要RG的阻值达到更大，即天色更暗。

（2）用白炽灯模仿路灯，为何要用到继电器？

由于集成电路允许通过的电流较小，要用白炽灯泡模仿路灯，就要使用继电器来启闭工作电路．

（投影）如图所示电磁继电器工作电路，图中虚线框内即为电磁继电器，D为动触点，E为静触点．试分析电磁继电器的工作原理．

当线圈A中通电时，铁芯中产生磁场，吸引衔铁B向下运动，从而带动

动触点D向下与E接触，将工作电路接通，当线圈A中电流为零时，电磁铁失去磁性，衔铁B在弹簧作用下拉起，带动触点D与E分离，自动切断工作电路．

试说明控制电路的工作原理。

天较亮时，光敏电阻RG阻值较小，斯密特触发器输入端A电势较低，则输出端Y输出高电平，线圈中无电流，工作电路不通；

天较暗时，光敏电阻RG电阻增大，斯密特触发器输入端A电势升高，当升高到一定值，输出端Y由高电平突然跳到低电平，有电流通过线圈A，电磁继电器工作，接通工作电路，使路灯自动开启；

天明后，RG阻值减小，斯密特触发器输入端A电势逐渐降低，降到一定值，输出端Y突然由低电平跳到高电平，则线圈A不再有电流，则电磁继电器自动切断工作电路的电源，路灯熄灭．

分组实验。

2．温度报警器

上一节我们学习了火灾报警器，它是利用烟雾对光的散射作用，使火灾发出的光引起光敏电阻的阻值变化，从而达到报警的目的．这种设计其敏感性是否值的怀疑，你想过吗？

既然发生火灾时，环境温度要升高，我们能不能用温度传感器来做成火灾报警器呢？

（投影）温度报警器的工作电路，如图所示。

试分析其工作原理。

常温下，调整R1的阻值使斯密特触发器的输入端A处于低电平，则输出端Y处于高电平，无电流通过蜂鸣器，蜂鸣器不发声；

当温度升高时，热敏电阻RT阻值减小，斯密特触发器输入端A电势升高，当达到某一值（高电平），其输出端由高电平跳到低电平，蜂鸣器通电，从而发出报警声，Rl的阻值不同，则报警温度不同．

怎样使热敏电阻在感测到更高的温度时才报警？

要使热敏电阻在感测到更高的温度时才报警，应减小R1的阻值，R1阻值越小，要使斯密特触发器输入端达到高电平，则热敏电阻阻值要求越小，即温度越高．

电磁继电器与自动控制

【例1】现有热敏电阻、电炉丝、电源、电磁继电器、滑动变阻器、开关和导线若干．如图所示，试设计一个温控电路．要求温度低于某一温度时，电炉丝自动通电供热，超过某一温度时，又可以自动断电，画出电路图说明工作过程．

第六章传感器

（一）本章知识结构梳理（投影复习提纲，可以印发提纲，要求学生课下预习完成）

1．什么是传感器？

它是怎样的一类元件？

2．热敏电阻和金属热电阻是一回事吗？

它们的阻值随温度分别怎样变化？

3．霍尔电压UH=__________，式中各量分别表示什么？

4．光敏电阻有何特性？

5．传感器应用的一般模式是怎样的？

请画图表示。

6．常用的一种力传感器是由_________和__________组成的，________是一种敏感元件，现在多用半导体材料组成，受压时其上表面拉伸，电阻变_____，下表面压缩，电阻变_____。

外力越大，这两个表面的