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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(dāng)走近自動(dòng)門時(shí)，門會(huì)自動(dòng)打開；電梯關(guān)門，當(dāng)兩門靠攏到接觸人體時(shí)，門又會(huì)重新自動(dòng)打開…….這是由于傳感器在起作用，傳感器是自動(dòng)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(lái)越重要的作用。 本章知識(shí)與我們的生活息息相關(guān)，在學(xué)習(xí)過程中，記要熟記各種敏感元件的特性，又要結(jié)合實(shí)例，認(rèn)真體會(huì)傳感器在實(shí)際中的應(yīng)用，努力培養(yǎng)自己理論聯(lián)系實(shí)際的能力和動(dòng)手能力；同時(shí)應(yīng)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(xué)能力。 新課標(biāo)要求 1．內(nèi)容標(biāo)準(zhǔn) （1）知道非電學(xué)量轉(zhuǎn)換成電學(xué)量的技術(shù)意義。 （2）通過實(shí)驗(yàn)，知道常見傳感器的工作原理。 例1 通過實(shí)驗(yàn)認(rèn)識(shí)溫度傳感器將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)的作用。 （3）列舉傳感器在生活和生產(chǎn)中的應(yīng)用。 例2 了解光敏傳感器及其在日常生活中的應(yīng)用。 2．活動(dòng)建議 （1）調(diào)查日常生活中傳感器的應(yīng)用，對(duì)其中一種的工作原理、技術(shù)意義、經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行分析。 （2）利用傳感器制作簡(jiǎn)單的自動(dòng)控制裝置。 新課程學(xué)習(xí) 6．1 傳感器及其工作原理 ★新課標(biāo)要求 （一）知識(shí)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(huì)使用霍爾電壓公式。 （二）過程與方法 通過實(shí)驗(yàn)，知道常見傳感器的工作原理。 （三）情感、態(tài)度與價(jià)值觀 通過已有知識(shí)在傳感器中的應(yīng)用激發(fā)科學(xué)探究的興趣。 ★教學(xué)重點(diǎn) 認(rèn)識(shí)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(xué)難點(diǎn) 光敏電阻、熱敏電阻、霍爾元件的工作原理。 ★教學(xué)方法 111 111 實(shí)驗(yàn)法、觀察法、歸納法。 ★教學(xué)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(tái)燈、投影儀等 ★教學(xué)過程 （一）引入新課 師：引導(dǎo)學(xué)生看教材55頁(yè)“勇氣號(hào)”火星探測(cè)器的彩色照片；列舉生活中的一些自動(dòng)控制實(shí)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(qiáng)弱控制走廊照明燈開關(guān)等，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，引出課題。 生：列舉自己知道的自動(dòng)控制的其他實(shí)例。如當(dāng)走近自動(dòng)門時(shí)，門會(huì)自動(dòng)打開；電梯關(guān)門，當(dāng)兩門靠攏到接觸人體時(shí)，門又會(huì)重新自動(dòng)打開等等。 ［板書課題］傳感器及其工作原理 （二）進(jìn)行新課 1、什么是傳感器 師：演示實(shí)驗(yàn)： 生：觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。激發(fā)學(xué)習(xí)興趣。 師：揭示實(shí)驗(yàn)“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(chǎng)的傳感器。 師：引導(dǎo)學(xué)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(xué)成分等非電學(xué)量，并把它們按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)化成電壓、電流等電學(xué)量，或轉(zhuǎn)化為電路的通斷。 （2）傳感器的作用是把非電學(xué)量轉(zhuǎn)化為電學(xué)量或電路的通斷，從而實(shí)現(xiàn)很方便地測(cè)量、傳輸、處理和控制。 師：出示幾種常見的傳感器，增加學(xué)生的感性認(rèn)識(shí)。 為了制作傳感器，常常需要一些元器件，下面看幾個(gè)實(shí)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(shí)驗(yàn)： 生：做實(shí)驗(yàn)，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。 現(xiàn)象：光敏電阻在被光照射時(shí)電阻發(fā)生明顯變化。普通電阻則不會(huì)發(fā)生變化。 師：引導(dǎo)學(xué)生閱讀教材57頁(yè)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(shí)會(huì)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(qiáng)度有關(guān)。 （2）光敏電阻受到光照時(shí)電阻會(huì)變小。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；隨著光照增強(qiáng)，載流子增多，導(dǎo)電性能變好。 （3）光敏電阻能夠?qū)⒐鈱W(xué)量轉(zhuǎn)化為電阻這個(gè)電學(xué)量。 3．熱敏電阻和金屬熱電阻 師：引導(dǎo)學(xué)生閱讀教材58頁(yè)有關(guān)內(nèi)容，思考問題： （1）金屬導(dǎo)體與半導(dǎo)體材料的導(dǎo)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(diǎn)？ （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(dǎo)體與半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電性能與溫度的變化關(guān)系不相同。金屬導(dǎo)體的導(dǎo)電性能隨溫度升高而降低；半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電性能隨溫度升高而變好。 （2）熱敏電阻靈敏度高，但化學(xué)穩(wěn)定性較差，測(cè)量范圍較?。唤饘贌犭娮璧幕瘜W(xué)穩(wěn)定性較好，測(cè)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(xué)量轉(zhuǎn)化為電阻這個(gè)電學(xué)量。 師：實(shí)驗(yàn)： 生：做實(shí)驗(yàn)，觀察實(shí)驗(yàn)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(dǎo)學(xué)生看教材59頁(yè)“說一說”欄目中的內(nèi)容。 生：對(duì)這個(gè)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(jì)來(lái)檢測(cè)兩板間電勢(shì)差的變化，即可判斷電容的變化。 師：總結(jié)學(xué)生的回答，指出：電容式傳感器能夠把位移這個(gè)力學(xué)量轉(zhuǎn)化為電容這個(gè)電學(xué)量。 4．霍爾元件 師：引導(dǎo)學(xué)生閱讀教材關(guān)于霍爾元件的內(nèi)容。推導(dǎo)霍爾電壓的公式。 生：閱讀教材并推導(dǎo)霍爾電壓的公式。 師：巡回指導(dǎo)，了解情況。 生：推導(dǎo)過程： 設(shè)載流子的電荷量為q，沿電流方向定向運(yùn)動(dòng)的平均速率為v，單位體積內(nèi)自由移動(dòng)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(dá)式為 ① 載流子在磁場(chǎng)中受到的洛倫茲力 載流子在洛倫茲力作用下側(cè)移，兩個(gè)側(cè)面出現(xiàn)電勢(shì)差，載流子受到的電場(chǎng)力為 當(dāng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，洛倫茲力與電場(chǎng)力平衡，即 ② 由①②式得 ③ 式中的nq與導(dǎo)體的材料有關(guān)，對(duì)于確定的導(dǎo)體，nq是常數(shù)。令，則上式可寫為 ④ 師：總結(jié)點(diǎn)評(píng)學(xué)生的推導(dǎo)過程，指出： 一個(gè)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(yīng)強(qiáng)度這個(gè)磁學(xué)量轉(zhuǎn)化為電壓這個(gè)電學(xué)量。 （三）課堂總結(jié)、點(diǎn)評(píng) 本節(jié)課主要學(xué)習(xí)了以下幾個(gè)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(qiáng)度增大而減小。光敏電阻將光學(xué)量轉(zhuǎn)化為電阻這個(gè)電學(xué)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(huì)隨溫度的升高而增大。熱敏電阻或金屬熱電阻將溫度這個(gè)熱學(xué)量轉(zhuǎn)化為電阻這個(gè)電學(xué)量。 4．霍爾元件的霍爾電壓公式為，霍爾元件把磁感應(yīng)強(qiáng)度這個(gè)磁學(xué)量轉(zhuǎn)化為電壓這個(gè)電學(xué)量。 5．電容式傳感器能夠把位移這個(gè)力學(xué)量轉(zhuǎn)化為電容這個(gè)電學(xué)量。 （四）實(shí)例探究 ☆光敏電阻及其應(yīng)用 【例1】如圖所示為光敏電阻自動(dòng)計(jì)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(jì)數(shù)器的基本工作原理是（ ） A．當(dāng)有光照射 R1時(shí)，信號(hào)處理系統(tǒng)獲得高電壓 B．當(dāng)有光照射R1時(shí)，信號(hào)處理系統(tǒng)獲得低電壓 C．信號(hào)處理系統(tǒng)每獲得一次低電壓就記數(shù)一次 D．信號(hào)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(shí)電阻發(fā)生變化，這樣光敏電阻可以把光照強(qiáng)弱轉(zhuǎn)換為電阻大小這個(gè)電學(xué)量； 2．光敏電阻的電阻隨光照的增強(qiáng)而減?。? 3．光電計(jì)數(shù)器工作原理 當(dāng)有物體擋住射到光敏電阻R1的光照時(shí)，R1電阻增大，電路中電流減小，R2兩端電壓降低，信號(hào)處理系統(tǒng)得到低電壓，計(jì)數(shù)器每由高電壓轉(zhuǎn)到低電壓，就計(jì)一個(gè)數(shù)，從而達(dá)到自動(dòng)計(jì)數(shù)目的． 答案：AC 點(diǎn)評(píng)：光敏電阻一般由半導(dǎo)體材料做成，當(dāng)半導(dǎo)體材料受到光照或者溫度升高時(shí)，會(huì)有更多的電子獲得能量成為自由電子，同時(shí)也形成更多的空穴，于是導(dǎo)電性能明顯增強(qiáng)． ☆熱敏電阻及其應(yīng)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(diǎn)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(yīng)用 【例3】 如圖所示，有電流I流過長(zhǎng)方體金屬塊，金屬塊寬度為d，高為b，有一磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場(chǎng)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(shì)高？電勢(shì)差是多少？（此題描述的是著名的霍爾效應(yīng)現(xiàn)象） 分析：當(dāng)電流在導(dǎo)體中流動(dòng)時(shí)，運(yùn)動(dòng)電荷在洛倫茲力作用下，分別向?qū)w上、下表面聚集，在導(dǎo)體中形成電場(chǎng)，其中上表面帶負(fù)電，電勢(shì)低，隨著正、負(fù)電荷不斷向下、上表面積累，電場(chǎng)增強(qiáng)，當(dāng)運(yùn)動(dòng)電荷所受電場(chǎng)力與洛倫茲力平衡時(shí)，即 qE＝qvB時(shí)，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?yàn)樽杂呻姾蔀殡娮?，故由左手定則可判定電子向上偏，則上表面聚集負(fù)電荷，下表面帶多余等量的正電荷，故下表面電勢(shì)高，設(shè)其穩(wěn)定電壓為U，即 又因?yàn)閷?dǎo)體中的電流 故 點(diǎn)評(píng)：（1）判斷電勢(shì)高低時(shí)注意載流子是正電荷還是負(fù)電荷． （2）由以上計(jì)算得上、下兩表面間的電壓穩(wěn)定時(shí)，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(duì)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(xué)漫步”了解有關(guān)半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理。 2、思考并回答“問題與練習(xí)”第1、2題。 ★教學(xué)體會(huì) 思維方法是解決問題的靈魂，是物理教學(xué)的根本；親自實(shí)踐參與知識(shí)的發(fā)現(xiàn)過程是培養(yǎng)學(xué)生能力的關(guān)鍵，離開了思維方法和實(shí)踐活動(dòng)，物理教學(xué)就成了無(wú)源之水、無(wú)本之木。學(xué)生素質(zhì)的培養(yǎng)就成了鏡中花，水中月。 ★課本“問題與練習(xí)”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(dāng)待測(cè)物體位移變化時(shí)，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(cè)量電路輸出電流，就反映出被測(cè)物體位移的變化量． 乙圖中被測(cè)物體位移變化，帶動(dòng)軟鐵芯2在線圈中移動(dòng)，線圈的電感值將變化，這一變化通過轉(zhuǎn)換電路和檢測(cè)電路輸出電流，就得到了被測(cè)物體位移的變化。 2． 傳感器名稱 輸入（感受）的物理量或化學(xué)量 輸出的物理量 可能的工作原理 氣體壓強(qiáng)傳感器 壓強(qiáng) 電壓（電流） 力電轉(zhuǎn)換 硅光電池 光 電壓 光電效應(yīng) 光電二極管 光 電壓 光電效應(yīng) 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(yīng) 加速度傳感器 加速度 電壓 電磁感應(yīng) 測(cè)速發(fā)電機(jī) 速度 電流（電壓） 電磁感應(yīng) 熱電偶 溫度 電壓 熱電效應(yīng) 酒精氣體傳感器 酒精氣體 電阻 化學(xué)反應(yīng)后引起電阻變化 111