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111 第六章 傳 感 器 全章概述 在日常生活中我們可能有這樣的經(jīng)歷：當走近自動門時，門會自動打開；電梯關(guān)門，當兩門靠攏到接觸人體時，門又會重新自動打開…….這是由于傳感器在起作用，傳感器是自動化控制裝置中必不可少的器件，在信息技術(shù)高速發(fā)展的今天，傳感器發(fā)揮著越來越重要的作用。 本章知識與我們的生活息息相關(guān)，在學習過程中，記要熟記各種敏感元件的特性，又要結(jié)合實例，認真體會傳感器在實際中的應用，努力培養(yǎng)自己理論聯(lián)系實際的能力和動手能力；同時應注意觀察身邊的與傳感器有關(guān)的例子，并通過查資料或上網(wǎng)了解他們的工作原理，培養(yǎng)自己的觀察能力和自學能力。 新課標要求 1．內(nèi)容標準 （1）知道非電學量轉(zhuǎn)換成電學量的技術(shù)意義。 （2）通過實驗，知道常見傳感器的工作原理。 例1 通過實驗認識溫度傳感器將溫度信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柕淖饔谩? （3）列舉傳感器在生活和生產(chǎn)中的應用。 例2 了解光敏傳感器及其在日常生活中的應用。 2．活動建議 （1）調(diào)查日常生活中傳感器的應用，對其中一種的工作原理、技術(shù)意義、經(jīng)濟效益進行分析。 （2）利用傳感器制作簡單的自動控制裝置。 新課程學習 6．1 傳感器及其工作原理 ★新課標要求 （一）知識與技能 1．知道什么是傳感器。 2．了解光敏電阻、熱敏電阻、霍爾元件的工作原理。 3．會使用霍爾電壓公式。 （二）過程與方法 通過實驗，知道常見傳感器的工作原理。 （三）情感、態(tài)度與價值觀 通過已有知識在傳感器中的應用激發(fā)科學探究的興趣。 ★教學重點 認識各種常見的傳感器；了解光敏電阻、熱敏電阻、霍爾元件的工作原理。 ★教學難點 光敏電阻、熱敏電阻、霍爾元件的工作原理。 ★教學方法 111 111 實驗法、觀察法、歸納法。 ★教學工具 磁鐵、干簧管、各種常見傳感器、光敏電阻、熱敏電阻、霍爾元件、多用電表、熱水、冷水、臺燈、投影儀等 ★教學過程 （一）引入新課 師：引導學生看教材55頁“勇氣號”火星探測器的彩色照片；列舉生活中的一些自動控制實例，如遙控器控制電視開關(guān)、日光控制路燈的開關(guān)、聲音強弱控制走廊照明燈開關(guān)等，激發(fā)學生學習興趣，引出課題。 生：列舉自己知道的自動控制的其他實例。如當走近自動門時，門會自動打開；電梯關(guān)門，當兩門靠攏到接觸人體時，門又會重新自動打開等等。 ［板書課題］傳感器及其工作原理 （二）進行新課 1、什么是傳感器 師：演示實驗： 生：觀察實驗現(xiàn)象。激發(fā)學習興趣。 師：揭示實驗“奧秘”：盒子里用到了一種稱為“干簧管”的元件。 介紹干簧管的構(gòu)造和工作原理，干簧管是一種能夠感知磁場的傳感器。 師：引導學生閱讀教材2、3段，思考問題： （1）什么是傳感器？ （2）傳感器的作用是什么？ 生：閱讀教材，思考并回答問題。 （1）傳感器是指這樣一類元件：它能夠感知諸如力、溫度、光、聲、化學成分等非電學量，并把它們按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)化成電壓、電流等電學量，或轉(zhuǎn)化為電路的通斷。 （2）傳感器的作用是把非電學量轉(zhuǎn)化為電學量或電路的通斷，從而實現(xiàn)很方便地測量、傳輸、處理和控制。 師：出示幾種常見的傳感器，增加學生的感性認識。 為了制作傳感器，常常需要一些元器件，下面看幾個實例： 2．光敏電阻 師：介紹光敏電阻的外形和構(gòu)造。如圖6.1-4。 師：實驗： 生：做實驗，觀察實驗現(xiàn)象。 現(xiàn)象：光敏電阻在被光照射時電阻發(fā)生明顯變化。普通電阻則不會發(fā)生變化。 師：引導學生閱讀教材57頁的內(nèi)容，思考問題： （1）光敏電阻的電阻率與什么有關(guān)？ （2）光敏電阻受到光照時會發(fā)生什么變化？怎樣解釋？ （3）光敏電阻能夠?qū)⑹裁戳哭D(zhuǎn)化為什么量？ 生：閱讀教材，思考并回答問題。 （1）光敏電阻的電阻率與光照強度有關(guān)。 （2）光敏電阻受到光照時電阻會變小。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；隨著光照增強，載流子增多，導電性能變好。 （3）光敏電阻能夠?qū)⒐鈱W量轉(zhuǎn)化為電阻這個電學量。 3．熱敏電阻和金屬熱電阻 師：引導學生閱讀教材58頁有關(guān)內(nèi)容，思考問題： （1）金屬導體與半導體材料的導電性能與溫度的變化關(guān)系是否相同？ （2）熱敏電阻和金屬熱電阻各有哪些優(yōu)缺點？ （3）熱敏電阻和金屬熱電阻能夠?qū)⑹裁戳哭D(zhuǎn)化為什么量？ 生：閱讀教材，思考并回答問題。 （1）金屬導體與半導體材料的導電性能與溫度的變化關(guān)系不相同。金屬導體的導電性能隨溫度升高而降低；半導體材料的導電性能隨溫度升高而變好。 （2）熱敏電阻靈敏度高，但化學穩(wěn)定性較差，測量范圍較小；金屬熱電阻的化學穩(wěn)定性較好，測量范圍較大，但靈敏度交差。 （3）熱敏電阻或金屬熱電阻能夠?qū)釋W量轉(zhuǎn)化為電阻這個電學量。 師：實驗： 生：做實驗，觀察實驗現(xiàn)象。 現(xiàn)象：熱敏電阻隨著溫度的升高電阻發(fā)生明顯變化。溫度越高，電阻值越小。 師：引導學生看教材59頁“說一說”欄目中的內(nèi)容。 生：對這個問題產(chǎn)生濃厚的興趣，討論熱烈。 提示：給電容器帶上一定的電荷，然后用靜電計來檢測兩板間電勢差的變化，即可判斷電容的變化。 師：總結(jié)學生的回答，指出：電容式傳感器能夠把位移這個力學量轉(zhuǎn)化為電容這個電學量。 4．霍爾元件 師：引導學生閱讀教材關(guān)于霍爾元件的內(nèi)容。推導霍爾電壓的公式。 生：閱讀教材并推導霍爾電壓的公式。 師：巡回指導，了解情況。 生：推導過程： 設載流子的電荷量為q，沿電流方向定向運動的平均速率為v，單位體積內(nèi)自由移動的載流子數(shù)為n，垂直電流方向?qū)w板的橫向?qū)挾葹閍，則電流的微觀表達式為 ① 載流子在磁場中受到的洛倫茲力 載流子在洛倫茲力作用下側(cè)移，兩個側(cè)面出現(xiàn)電勢差，載流子受到的電場力為 當達到穩(wěn)定狀態(tài)時，洛倫茲力與電場力平衡，即 ② 由①②式得 ③ 式中的nq與導體的材料有關(guān)，對于確定的導體，nq是常數(shù)。令，則上式可寫為 ④ 師：總結(jié)點評學生的推導過程，指出： 一個確定的霍爾元件的d、k、為定值，再保持I不變，則UH的變化就與B成正比。這樣，霍爾元件能夠把磁感應強度這個磁學量轉(zhuǎn)化為電壓這個電學量。 （三）課堂總結(jié)、點評 本節(jié)課主要學習了以下幾個問題： 1．制作傳感器需要的敏感元件光敏電阻、熱敏電阻與金屬熱電阻、霍爾元件等。 2．光敏電阻的阻值隨光的強度增大而減小。光敏電阻將光學量轉(zhuǎn)化為電阻這個電學量。 3．熱敏電阻的阻值隨溫度的升高不一定減小。有的熱敏電阻阻值會隨溫度的升高而增大。熱敏電阻或金屬熱電阻將溫度這個熱學量轉(zhuǎn)化為電阻這個電學量。 4．霍爾元件的霍爾電壓公式為，霍爾元件把磁感應強度這個磁學量轉(zhuǎn)化為電壓這個電學量。 5．電容式傳感器能夠把位移這個力學量轉(zhuǎn)化為電容這個電學量。 （四）實例探究 ☆光敏電阻及其應用 【例1】如圖所示為光敏電阻自動計數(shù)器的示意圖，其中R1為光敏電阻，R2為定值電阻．此光電計數(shù)器的基本工作原理是（ ） A．當有光照射 R1時，信號處理系統(tǒng)獲得高電壓 B．當有光照射R1時，信號處理系統(tǒng)獲得低電壓 C．信號處理系統(tǒng)每獲得一次低電壓就記數(shù)一次 D．信號處理系統(tǒng)每獲得一次高電壓就記數(shù)一次 解析：1．光敏電阻在被光照射時電阻發(fā)生變化，這樣光敏電阻可以把光照強弱轉(zhuǎn)換為電阻大小這個電學量； 2．光敏電阻的電阻隨光照的增強而減?。? 3．光電計數(shù)器工作原理 當有物體擋住射到光敏電阻R1的光照時，R1電阻增大，電路中電流減小，R2兩端電壓降低，信號處理系統(tǒng)得到低電壓，計數(shù)器每由高電壓轉(zhuǎn)到低電壓，就計一個數(shù)，從而達到自動計數(shù)目的． 答案：AC 點評：光敏電阻一般由半導體材料做成，當半導體材料受到光照或者溫度升高時，會有更多的電子獲得能量成為自由電子，同時也形成更多的空穴，于是導電性能明顯增強． ☆熱敏電阻及其應用 【例2】有定值電阻、熱敏電阻、光敏電阻三只元件，將這三只元件分別接入如圖所示電路中的A、B兩點后，用黑紙包住元件或者把元件置入熱水中，觀察歐姆表的示數(shù)，下列說法中正確的是（ ） 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．用黑紙包住元件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．用黑紙包住元件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 解析：熱敏電阻的阻值隨溫度變化而變化，定值電阻和光敏電阻不隨溫度變化；光敏電阻的阻值隨光照變化而變化，定值電阻和熱敏電阻不隨之變化． ☆霍爾元件及其應用 【例3】 如圖所示，有電流I流過長方體金屬塊，金屬塊寬度為d，高為b，有一磁感應強度為B的勻強磁場垂直于紙面向里，金屬塊單位體積內(nèi)的自由電子數(shù)為n，試問金屬塊上、下表面哪面電勢高？電勢差是多少？（此題描述的是著名的霍爾效應現(xiàn)象） 分析：當電流在導體中流動時，運動電荷在洛倫茲力作用下，分別向?qū)w上、下表面聚集，在導體中形成電場，其中上表面帶負電，電勢低，隨著正、負電荷不斷向下、上表面積累，電場增強，當運動電荷所受電場力與洛倫茲力平衡時，即 qE＝qvB時，電荷將不再向上或向下偏轉(zhuǎn)，上、下表面間形成穩(wěn)定電壓． 解：因為自由電荷為電子，故由左手定則可判定電子向上偏，則上表面聚集負電荷，下表面帶多余等量的正電荷，故下表面電勢高，設其穩(wěn)定電壓為U，即 又因為導體中的電流 故 點評：（1）判斷電勢高低時注意載流子是正電荷還是負電荷． （2）由以上計算得上、下兩表面間的電壓穩(wěn)定時，其中n為單位體積內(nèi)的自由電荷數(shù)，e為電子電荷量，對固定的材料而言為定值，若令，則，此即課本給出的公式。 ★課余作業(yè) 1、課下閱讀“科學漫步”了解有關(guān)半導體的導電機理。 2、思考并回答“問題與練習”第1、2題。 ★教學體會 思維方法是解決問題的靈魂，是物理教學的根本；親自實踐參與知識的發(fā)現(xiàn)過程是培養(yǎng)學生能力的關(guān)鍵，離開了思維方法和實踐活動，物理教學就成了無源之水、無本之木。學生素質(zhì)的培養(yǎng)就成了鏡中花，水中月。 ★課本“問題與練習”解答 1．甲圖中在線圈4上串聯(lián)電源和電流表．乙圖中在線圈3上串聯(lián)電源和電流表． 甲中當待測物體位移變化時，2、3間的空氣間隙變化，線圈 4的電感值發(fā)生變化。這一變化量通過轉(zhuǎn)換電路測量電路輸出電流，就反映出被測物體位移的變化量． 乙圖中被測物體位移變化，帶動軟鐵芯2在線圈中移動，線圈的電感值將變化，這一變化通過轉(zhuǎn)換電路和檢測電路輸出電流，就得到了被測物體位移的變化。 2． 傳感器名稱 輸入（感受）的物理量或化學量 輸出的物理量 可能的工作原理 氣體壓強傳感器 壓強 電壓（電流） 力電轉(zhuǎn)換 硅光電池 光 電壓 光電效應 光電二極管 光 電壓 光電效應 濕敏電阻 濕 電壓（電阻） 感濕材料受濕電阻變化 話筒 聲音 電流 電磁感應 加速度傳感器 加速度 電壓 電磁感應 測速發(fā)電機 速度 電流（電壓） 電磁感應 熱電偶 溫度 電壓 熱電效應 酒精氣體傳感器 酒精氣體 電阻 化學反應后引起電阻變化 111