高中物理人教版 (新课标)选修34 实验：传感器的应用教案

这是一份高中物理人教版 (新课标)选修34 实验：传感器的应用教案，共7页。

6．4 传感器的应用实例


教学目标


（一）知识与技能


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。


（二）过程与方法


通过实验培养动手能力，体会传感器在实际中的应用。


（三）情感、态度与价值观


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。


教学重点、难点


重点


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。


难点


光控电路和温度报警器电路的工作原理。


教学方法


实验法、观察法、讨论法。


教学手段


实验过程中用到的有关器材、元器件等，由实验室统一准备


教学过程


（一）引入新课


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。


（二）进行新课


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51 kΩ，R2为 330 kΩ，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．


分组实验。


（三）课堂总结、点评


本节课主要学习了以下几个问题：


光控开关


温度报警器


传感器的应用实例














（四）实例探究


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，这两个表面的电压差值就越_____。


7．指出以下传感器应用的实例中，所应用的传感器，或主要元件。


（1）电子秤：_________的应用，敏感元件是_________


（2）话筒：_________的应用，分_______和_________两种。


（3）电熨斗：_________的应用，敏感元件是_________，作用：控制________的通断。


（4）电饭锅：_________的应用，敏感元件是_________，作用：控制________的通断。


（5）测温仪：_________的应用，测温元件是________或_________、________、_________。


（6）鼠标器：_________的应用，主要元件是________或_________


（7）火灾报警器：_________的应用，利用烟雾对____________来工作的。


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


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？


9．如图所示温度报警器的工作电路，试分析其工作原理。


要使热敏电阻在感测到更高的温度时才报警，应该把R1的阻值调大些还是调小些？





（二）精题讲练


1、热敏电阻的特性


【例1】如图所示，将多用表的选择开关置于“欧姆”挡，再将电表的两支表笔与负温度系数的热敏电阻 R t（负温度系数热敏电阻是指阻值随温度的升高而减小的热敏电阻）的两端相连，这时表针恰好指在刻度盘的正中间．若往R t上擦一些酒精，表针将向________（填“左”或“右”）移动；若用吹风机将热风吹向电阻，表针将向________（填“左”或“右”）移动。





针对练习1：如图所示，R 1为定值电阻，R 2为负温度系数的热敏电阻（负温度系数热敏电阻是指阻值随温度的升高而减小的热敏电阻），L为小灯泡，当温度降低时（ ）


A．R 1两端的电压增大


B．电流表的示数增大


C．小灯泡的亮度变强


D．小灯泡的亮度变弱


2、光敏电阻的特性


【例2】如图所示，R1、R2为定值电阻，L为小灯泡，R3为光敏电阻，当照射光强度增大时，（ ）


A．电压表的示数增大 B．R2中电流减小


C．小灯泡的功率增大 D．电路的路端电压增大





跟踪练习2： 如图所示，将多用电表的选择开关置于欧姆档，再将电表的两支表笔分别与光敏电阻Rt的两端相连，这时表针恰好指在刻度盘的正中间．若用不透光的黑纸将Rt包裹起来，表针将向_______（填“左”或“右”）转动；若用手电筒光照射Rt，表针将向_______（填“左”或“右”）转动。


3、力传感器的应用


【例3】如图所示为某种电子秤的原理示意图，AB为一均匀的滑线电阻，阻值为R，长度为L，两边分别有P1、P2两个滑动头，P1可在竖直绝缘光滑的固定杆MN上保持水平状态而上下自由滑动，弹簧处于原长时，P1刚好指着A端，P1与托盘固定相连，若P1、P2间出现电压时，该电压经过放大，通过信号转换后在显示屏上将显示物体重力的大小．已知弹簧的劲度系数为k，托盘自身质量为m0，电源电动势为E，内阻不计，当地的重力加速度为g。求：


（1）托盘上未放物体时，在托盘自身重力作用下，P1离A的距离xl．


（2）托盘上放有质量为m的物体时，P1离A的距离x2．


（3）在托盘上未放物体时通常先核准零点，其方法是：调节P2，使P2离A的距离也为xl，从而使P1、P2间的电压为零．校准零点后，将物体m放在托盘上，试推导出物体质量m与P1、P2间的电压U之间的函数关系式．
























































跟踪练习3： 磁场具有能量，磁场中单位体积所具有的能量叫做能量密度，其值为．式中B是磁感应强度，是磁导率，在空气中为一已知常数．为了近似测得条形磁铁磁极端面附近的磁感强度B，一学生用一根端面面积为A的条形磁铁吸住一相同面积的铁片P，再用力将铁片与磁铁拉开一段微小距离，并测出拉力F，如图所示．因为F所做的功等于间隙中磁场的能量，所以由此可得磁感应强度B与F、A之间的关系为B=_______

















4、温度传感器的应用


【例4】家用电热灭蚊器中电热部分的主要部件是PTC元件，PTC元件是由酞酸钡等半导体材料制成的电阻器，其电阻率与温度的关系如图所示，由于这种特性，PTC元件具有发热、控温两重功能，对此以下说法中正确的是（ ）


A．通电后其功率先增大后减小


B．通电后其功率先减小后增大


C．当其产生的热量与散发的热量相等时，温度保持在t1至t2的某一值不变


D．当其产生的热量与散发的热量相等时，温度保持在t1或t2不变








跟踪练习4：一般的电熨斗用合金丝作发热元件，合金丝电阻随温度t变化的关系如图中实线①所示．由于环境温度以及熨烫的衣物厚度、干湿等情况不同，熨斗的散热功率不同，因而熨斗的温度可能会在较大范围内波动，易损坏衣物．


有一种用主要成分为BaTiO3被称为“PTC”的特殊材料作发热元件的电熨斗，具有升温快、能自动控制温度的特点．PTC材料的电阻随温度变化的关系如图中实线②所示．试根据图线分析：


（1）为什么原处于冷态的PTC熨斗刚通电时比普遍电熨斗升温快？


（2）通电一段时间后电熨斗温度t自动地稳定在T_____







5、霍尔元件的应用


【例5】 如图所示，厚度为h、宽为d的导体板放在垂直于它的磁感应强度为B的均匀磁场中，当电流通过导体板时，在导体板的上侧面A和下侧面A′之间会产生电势差，这种现象称为霍尔效应。实验表明，当磁场不太强时电势差U，电流I和B的关系为U=k ，式中的比例系数k称为霍尔系数。


霍尔效应可解释如下：外部磁场的洛伦兹力使运动的电子聚集在导体板的一侧，在导体板的另一侧出现多余的正电荷，从而形成横向电场，横向电场对电子施加与洛伦兹力方向相反的静电力，当静电力与洛伦兹力达到平衡时，导体板上下两侧之间就会形成稳定的电势差。


设电流I是由电子定向流动形成的，电子的平均定向速度为v，电量为e，回答下列问题：


（1）达到稳定状态时，导体板上侧面A的电势 下侧面Ａ的电势（填高于、低于或等于）。


（2）电子所受的洛伦兹力的大小为 。


（3）当导体板上下两侧之间的电势差为U时，电子所受的静电力的大小为 ．


（4）由静电力和洛伦兹力平衡的条件，证明霍尔系数k=，其中n代表导体板单位体积中电子的个数。



































跟踪练习5：电磁流量计广泛应用于测量可导电流体（如污水）在管中的流量（在单位时间内通过管内横截面的流体的体积）。为了简化，假设流量计是如图7所示的横截面为长方形的一段管道，其中空部分的长、宽、高分别为图中的a、b、c，流量计的两端与输送液体的管道相连接（图中虚线）。图中流量计的上下两面是金属材料，前后两面是绝缘材料，现于流量计所在处加磁感应强度为B的匀强磁场，磁场方向垂直于前后两面。当导电液体稳定地流经流量计时，在管外将流量计上、下两表面分别与一串接了电阻R的电流表的两端连接，I表示测得的电流值。已知流体的电阻率为ρ，不计电流表的内阻，则可求得流量为


A． B．


C． D．