高中物理《传感器及其工作原理》学案11 新人教版选修3-2
高中物理《传感器及其工作原理》学案11 新人教版选修3-2
第六章 传感器 第一节 传感器及其工作原理【知能准备】传感器：传感器是指这样一类元件：它能够感受诸如力、温度、光、声、化学成分等_________量，并能把它们按照一定的规律转换为电压、电流等________量，或转换为电路的通断。
把非电学量转换为电学量以后，就可以很方便地进行测量、传输、处理和控制了。
传感器一般由敏感元件和输出部分组成，通过敏感元件获取外界信息并转换_______信号，通过输出部分输出，然后经控制器分析处理。
常见的传感器有：__________、____________、_____________、___________、力传感器、气敏传感器、超声波传感器、磁敏传感器等。
常见传感器元件：（1）光敏电阻：光敏电阻的材料是一种半导体，无光照时，载流子极少，导电性能不好；随着光照的增强，载流子增多，导电性能变好，光敏电阻能够把__________这个光学量转换为电阻这个电学量。
它就象人的眼睛，可以看到光线的强弱。
（2）金属热电阻和热敏电阻：金属热电阻的电阻率随温度的升高而_________，用金属丝可以制作___________。
它能把___________这个热学量转换为________这个电学量。
热敏电阻的电阻率则可以随温度的升高而_______或_________。
与热敏电阻相比，金属热电阻的___________好，测温范围___________，但_____________较差。
（3）电容式位移传感器能够把物体的__________这个力学量转换为______这个电学量。
（4）霍尔元件能够把_______________这个磁学量转换为电压这个电学量 【同步导学】一、疑难分析1．光敏电阻：光敏电阻的材料是一种半导体，无光照射时，载流子极少，导电性能能不好；随着光照的增强，载流子增多，导电性能变好，即光敏电阻值随光照增强而减小。
光敏电阻能够把光照强弱这个光学量转换为电阻大小这个电学量。
高中物理：6.1《传感器及其工作原理》教案(1)(新人教选修3-2)
《传感器及其工作原理》的创新教学设计教学依据①物理（新人教版）选修3－2第六章第1节《传感器及其工作原理》（P56－P60）；②新物理课程标准（实验）.教学流程图教学目标1.知识与技能：①知道非电学量转换成电学量的技术意义；②通过实验，知道常见传感器的工作原理；③初步探究利用和设计简单的传感器.2.过程与方法：①通过对实验的观察、思考和探究，让学生了解传感器、熟悉传感器工作原理；②让学生自己设计简单的传感器，经历科学探究过程，学习科学研究方法，培养学生的实践能力和创新思维能力.3.情感态度与价值观：在理解传感器工作原理的基础上，通过自己设计简单的传感器，体验科技创新的乐趣，激发学习物理的兴趣.重、难点 1.几种常见传感器的工作原理（演示实验）；2.学生自己设计简单的传感器.教学策略用几个有趣的传感器实验引入课题，激发学生探究传感器原理的兴趣.给出“传感器就是把非电学量转换为电学量”的概念之后，重点介绍光敏电阻、金属热电阻、热敏电阻.安排音乐茶杯和火警装置两个设计性问题让学生体会传感器的简单应用.结合电容、霍尔效应、电阻定律等知识让学生设计传感器，进一步深化传感器的工作原理.最后在对本节课总结的基础上，结合《思考与讨论》进行教学反馈.教学程序教学环节教学内容及师生互动设计情感与方法一．课题的引入二．什么是传感器？【演示实验1】干簧管控制电路的通断如图，小盒子A的侧面露出一个小灯泡，盒外没有开关，但是把磁铁B放到盒子上面，灯泡就会发光，把磁铁移走，灯泡熄灭.师问：盒子里有怎样的装置，才能实现这样的控制？生猜：（可以自由讨论，也可以请学生回答）师生探究：打开盒子，用实物投影仪展示盒内的电路图，了解元件“干簧管”的结构。
探明原因：玻璃管内封入两个软磁性材料制成的簧片。
当磁铁靠近干簧管时，两个簧片被磁化而接通，电路导通。
所以，干簧管能起到开关的作用。
师点拨：这个装置反过来还可以让我们通过灯泡的发光情况，感知干簧管周围是否存在着磁场。
高中物理选修3-2人教版学案 6.1《传感器及工作原理》
传感器及其工作原理知识梳理1.传感器是将物理中的___________转化为便于测量的___________的一类元件，其工作过程是按一定规律使某一元件对某一物理量敏感，将这一物理量转化成为便于利用的信号，如光电传感器利用___________将光信号转化为电信号，电信号便于与其他仪器连接，进行监测或自动化控制.2.热敏电阻与光敏电阻都是使用了___________材料制成的.热敏电阻的阻值随温度的变化而迅速变化，温度升高，其阻值___________；光敏电阻的阻值随照射光强度的变化而迅速变化，光越强，其阻值___________.疑难突破怎样理解传感器将其他信号转化为电信号的原理？剖析：1.可制成热敏电阻，把温度的变化转化为电信号.有的半导体，在温度升高时电阻减小得非常迅速，它能将温度变化转化成电信号，测量这种电信号，就能知道温度的变化情况.如自动防火报警器中就有这种热敏电阻，当温度升高到一定值（快接近物质的着火点）时，这种热敏电阻的电阻值迅速减小，使电路接通，从而使警铃发出警报.又如电子测温仪中的热敏电阻，能迅速地把人的体温变化转化为电信号，在显示屏上显示出人的体温.2.可制成光敏电阻，把光的变化转化为电信号.有的半导体，在光照下电阻大大减小，它能将光的变化迅速转化为电信号，在自动控制设备中有广泛的应用，如光电计数器就是利用光敏电阻自动计数的.3.在纯净的半导体材料中掺入微量的杂质，可以制成晶体二极管和晶体三极管——统称晶体管.晶体管（二极管、三极管）、电阻、电容、电感线圈（以后将学习）这四类电学元件组成了复杂、神秘、缤纷多彩的电子世界，从收录机、电视机、计算机、雷达、制导导弹到人造卫星的控制和回收都离不开它们.问题探究问题：干簧管是怎样起开关作用的？探究：干簧管内部的两个簧片是软磁性材料做成的.当它附近有磁场存在时，两个簧片被磁化而吸引在一起，接通了电路；当磁场消失后，簧片又失去磁性而断开，所以干簧管是可以用磁场来控制的开关.典题精讲【例题】下列说法正确的是（）A.绝缘体是绝对不能导电的B.电阻率介于导体和绝缘体之间的物质都是半导体材料C.导体能导电是因为导体内有大量的自由电子，绝缘体的导电性能很差是因为绝缘体内的自由电子极少D.当温度升高时，半导体的电阻率明显减小思路解析：本题的关键是理解导体、绝缘体、半导体的概念.要形成电流，除有电势差外，还应有可自由移动的电荷，导体的导电性能好是因为导体中有大量的自由电子，绝缘体的导电性能很差，是因为绝缘体内的自由电子很少，C项正确.绝缘体内有很少的自由电子，若两端加上电压，这些自由电子将在电场力作用下发生定向移动，可形成极其微弱的电流，故A项错误.半导体材料不光要求电阻率介于导体和绝缘体之间，而且要求电阻率随温度的升高而减小，故B项错误，D项正确.知识导学传感器是能将所感受的非电学物理量（如力、热、光、声）等转化成电学量（电压、电流等）的一种元件，其工作原理是通过对某一物理量敏感的元件将感受到的信号转换成便于处理的电信号.温度传感器是利用热敏电阻将温度信号转换成电信号，光电传感器是利用光敏电阻把光信号转换成电信号等等.疑难导析要理解此原理，首先还得从理解传感器的概念着手，传感器是能够感受诸如力、温度、光、声、化学成分等非电学量，并能把它们按照一定的规律转换为电压、电流等电学量，或转换为电路的通断的一类元件.其次还要了解热敏元件、光敏元件等的工作原理，并知道其在实际生活中都有哪些应用.其实热敏元件及光敏元件是引用半导体导电性能受外界条件影响很大这一特点制成的.因此，（1）可以依据半导体材料的温度特性，制成体积很小的热敏电阻，它能够将温度变化转化为电信号，测量这种电信号，就可以知道温度变化的情况，这种测量方法反应快、精度高.（2）可以依据半导体材料的光照特性，做成体积很小的光敏电阻，它可以起到开关作用，在需要对光照有灵敏反应的自动控制设备中有广泛应用.问题导思干簧管的元件（如图所示）结构很简单，只是玻璃管内封入的两个软磁性材料制成的簧片.当磁体如图6-1-1所示靠近干簧管时，两个簧片被磁化而接通，所以干簧管能起到开关的作用，操纵开关的是磁场这只看不见的“手”，干簧管是一种能够感知磁场的传感器.典题导考绿色通道：要学会用形成电流的条件来分析导体、绝缘体的导电性能，理解半导体的概念及半导体导电性能的特点，如半导体的电阻率随温度的升高而减小，半导体的导电能力受外界电场和光照作用的影响变化很大.【典题变式】对热敏电阻，正确的叙述是（）A.受热后，电阻随温度的升高而迅速减小B.受热后，电阻基本不变C.热敏电阻可以用来测量很小范围内的温度，反应快，而且精确度高D.以上说法都不对答案：AC。
高中物理 第六章 传感器 6.1 传感器及其工作原理学案 新人教版选修3-2
亲爱的同学：这份试卷将再次记录你的自信、沉着、智慧和收获，我们一直投给你信任的目光……学 习 资 料 专 题1 传感器及其工作原理[学习目标] 1.了解什么是传感器，感受传感技术在信息时代的作用与意义.2.知道将非电学量转化为电学量的意义.3.了解光敏电阻、热敏电阻、金属热电阻和霍尔元件的性能，知道其工作原理及作用．一、传感器及工作原理1．传感器的定义：能够感受诸如力、温度、光、声、化学成分等物理量，并能把它们按照一定的规律转换为便于传送和处理的另一个物理量(通常是电压、电流等电学量)，或转换为电路的通断的元件．2．非电学量转换为电学量的意义：把非电学量转换为电学量，可以方便地进行测量、传输、处理和控制．二、光敏电阻的特点及工作原理1．当半导体材料受到光照或者温度升高时，会有更多的电子获得能量成为自由电子，同时也形成更多的空穴，于是导电能力明显增强．2．光敏电阻是用半导体材料(如硫化镉)制成的．它的特点是光照越强，电阻越小．它能够把光照强弱这个光学量转换为电阻这个电学量． 三、热敏电阻和金属热电阻的特点1．热敏电阻：用半导体材料制成．可分为正温度系数的热敏电阻和负温度系数的热敏电阻． (1)正温度系数的热敏电阻随温度升高电阻增大．(2)负温度系数的热敏电阻(如氧化锰热敏电阻)随温度升高电阻减小．2．金属热电阻：金属的电阻率随温度升高而增大，利用这一特性，金属丝也可以制作成温度传感器，称为热电阻． 四、霍尔元件的特点1．霍尔元件在电流、电压稳定时，载流子所受电场力和洛伦兹力二力平衡．2．霍尔电压：U H ＝k IBd(d 为薄片的厚度，k 为霍尔系数)．其中U H 的变化与B 成正比，所以霍尔元件能把磁感应强度这个磁学量转换成电压这个电学量．[即学即用]1．判断下列说法的正误．(1)传感器可以把非电学量转化为电学量．( √)(2)光敏电阻的阻值随光照的强弱而变化，光照越强电阻越大．( ×)(3)热敏电阻一般用半导体材料制作，导电能力随温度的升高而增强，但灵敏度低．( ×)(4)霍尔元件一共有两个电极，电压这个电学量就通过这两个电极输出．( ×)2．如图1所示，R1为定值电阻，R2为负温度系数的热敏电阻，L为小灯泡，当温度降低时，电流表的读数________(填“变大”或“变小”)，小灯泡的亮度________(填“变亮”或“变暗”)．图1答案变小变亮一、传感器[导学探究] 干簧管结构：如图2所示，它只是玻璃管内封入的两个软磁性材料制成的簧片，接入图3电路，当条形磁铁靠近干簧管时：图2 图3(1)会发生什么现象，为什么？(2)干簧管的作用是什么？答案(1)灯泡会亮，因为当条形磁铁靠近干簧管时，两个簧片被磁化而接通．(2)干簧管起到开关的作用，是一种能够感知磁场的传感器．[知识深化]1．传感器的原理非电学量→传感器(敏感元件、转换器件、转换电路)→电学量2．在分析传感器时要明确(1)核心元件是什么；(2)是怎样将非电学量转化为电学量；(3)是如何显示或控制开关的．例1如图4是一种测定油箱油量多少或变化多少的装置．其中电源电压保持不变，R是滑动变阻器，它的金属滑片是金属杆的一端．在装置中使用了一只电压表(图中没有画出)，通过观察电压表示数可以了解油量情况．若将电压表分别接在b、c之间与c、d之间，当油量变化时，电压表的示数如何变化？图4答案见解析解析把电压表接在b、c之间，油量增加时，R减小，电压表的示数减小；油量减少时，R 增大，电压表的示数增大．把电压表接在c、d之间，油量增加时，R减小，电路中电流增大，则R′两端的电压增大，电压表的示数增大，同理，油量减少时，电压表的示数减小．二、光敏电阻[导学探究] 在工厂生产车间的生产线上安装计数器后，就可以准确得知生产产品的数量，如图5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什么？图5答案当光被产品挡住时，R1电阻增大，电路中电流减小，R2两端电压减小，信号处理系统得到低电压，每通过一个产品就获得一次低电压，并计数一次．例2(多选)如图6所示，R1、R2为定值电阻，L为小灯泡，R3为光敏电阻，当入射光强度增大时( )图6A．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答案ABC解析当入射光强度增大时，R3阻值减小，外电路总电阻随R3的减小而减小，由闭合电路欧姆定律知，干路电流增大，R1两端电压增大，从而电压表的示数增大，同时内电压增大，故电路的路端电压减小，A项正确，D项错误．因路端电压减小，而R1两端电压增大，故R2两端电压必减小，则R2中电流减小，故B项正确．结合干路电流增大知流过小灯泡的电流必增大，故小灯泡的功率增大，C项正确．三、热敏电阻和金属热电阻[导学探究] 如图7所示，将多用电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(温度升高，电阻减小)的两端相连，这时表针恰好指在刻度盘的正中央．若在R T上擦一些酒精，表针将如何偏转？若用吹风机将热风吹向热敏电阻，表针将如何偏转？图7答案由于酒精蒸发，热敏电阻R T温度降低，电阻值增大，表针将向左偏；用吹风机将热风吹向热敏电阻，热敏电阻R T温度升高，电阻值减小，表针将向右偏．例3(多选)在温控电路中，通过热敏电阻阻值随温度的变化可实现对电路相关物理量的控制．如图8所示电路，R1为定值电阻，R2为半导体热敏电阻(温度越高电阻越小)，C为电容器．当环境温度降低时( )图8A．电容器C的带电荷量增大B．电压表的读数增大C．电容器C两板间的电场强度减小D．R1消耗的功率增大答案AB解析当环境温度降低时，R2变大，电路的总电阻变大，由I＝ER总知I变小，又U＝E－Ir，电压表的读数U增大，B正确；又由P1＝I2R1可知，R1消耗的功率P1变小，D错误；电容器两板间的电压U 2＝U －U 1，U 1＝IR 1，可知U 1变小，U 2变大，由场强E ′＝U 2d，Q ＝CU 2可知Q 、E ′都增大，故A 正确，C 错误．含有热敏电阻、光敏电阻电路的动态分析步骤1．明确热敏电阻(或光敏电阻)的阻值随温度(或光照强度)的增加是增大还是减小． 2．分析整个回路的电阻的增减、电流的增减． 3．分析部分电路的电压、电流如何变化． 四、霍尔元件[导学探究] 如图9所示，在矩形半导体薄片E 、F 间通入恒定的电流I ，同时外加与薄片垂直的磁场B ，则M 、N 间会出现电压，称为霍尔电压U H .图9(1)分析为什么会出现电压． (2)试推导U H 的表达式．答案 (1)薄片中的载流子在洛伦兹力的作用下，向着与电流和磁场都垂直的方向漂移，使M 、N 间出现了电压．(2)设薄片厚度为d ，EF 方向长度为l 1，MN 方向长度为l 2，受力分析如图当洛伦兹力与电场力平衡时，M 、N 间电势差达到稳定． 即q U Hl 2＝qvB再根据电流的微观表达式I ＝nqvS ，S ＝l 2d 整理得：U H ＝IB nqd令k ＝1nq，其中n 为材料单位体积的载流子的个数，q 为单个载流子的电荷量，它们均为常数．则有U H ＝k IBd. [知识深化]霍尔电势高低的判断方法：利用左手定则，即磁感线垂直穿入手心，四指指向电流方向，拇指指的方向为载流子的受力方向，若载流子是正电荷，则拇指所指的面为高电势面，若载流子是负电荷，则拇指所指的面为低电势面．例4如图10所示，截面为矩形的金属导体，放在磁场中，当导体中通有电流时，导体的上、下表面的电势的关系(上板为M，下板为N)是( )图10A．φM>φNB．φM＝φNC．φM<φND．无法判断答案 A解析霍尔效应形成的原因是因为带电粒子在磁场中受到洛伦兹力作用而定向移动形成的．金属导体的载流子是电子，根据左手定则，电子受到向下的洛伦兹力作用，向N板运动，则M板剩下正电荷，所以φM>φN.故选A.1．(对传感器的理解)在电梯门口放置一障碍物，会发现电梯门不停地开关，这是由于在电梯门上装有的传感器是( )A．光传感器B．温度传感器C．声传感器D．磁传感器答案 A2．(光敏电阻的特性)如图11所示的电路中，电源两端的电压恒定，L为小灯泡，R为光敏电阻，R和L之间用挡板(未画出)隔开，LED为发光二极管(电流越大，发出的光越强)，且R 与LED间距不变，下列说法中正确的是( )图11A．当滑动触头P向左移动时，L消耗的功率增大B．当滑动触头P向左移动时，L消耗的功率减小C．当滑动触头P向右移动时，L消耗的功率可能不变D．无论怎样移动滑动触头P，L消耗的功率都不变答案 A解析 滑动触头P 左移，滑动变阻器接入电路的电阻减小，流过二极管的电流增大，从而发光增强，使光敏电阻R 减小，最终达到增大流过灯泡的电流的效果．3．(热敏电阻的特性)如图12所示，R 1为定值电阻，R 2为负温度系数的热敏电阻，L 为小灯泡，当温度降低时( )图12A ．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 答案 C解析 R 2与灯泡L 并联后与R 1串联，然后与电流表、电源构成闭合电路，当热敏电阻R 2温度降低时，它的电阻值增大，外电路电阻增大，电流表读数减小，R 1两端电压减小，灯泡L 两端电压增大，灯泡亮度变强，故C 正确，A 、B 、D 均错误．4．(霍尔元件的认识及应用)(多选)如图13所示是霍尔元件的示意图，一块通电的铜板放在磁场中，铜板的前、后板面垂直于磁场，板内通有如图方向的电流，a 、b 是铜板上、下边缘的两点，则( )图13A ．电势φa ＞φbB ．电势φb ＞φaC ．仅电流增大时，|φa －φb |增大D ．其他条件不变，将铜板改为NaCl 溶液时，电势结果仍然一样 答案 BC解析 铜板中的自由电荷是电子，电子定向移动的方向与电流的方向相反，由左手定则可判断出电子因受洛伦兹力作用向a 侧偏转，所以φb ＞φa ，B 正确，A 错误；因|φa －φb |＝k IBd，所以电流增大时，|φa －φb |增大，C 正确；若将铜板改为NaCl 溶液，溶液中的正、负离子均向a 侧偏转，|φa －φb |＝0，即不产生霍尔效应，故D 错误．。
人教版高中物理选修【3-2】《传感器》学案(含答案)
2021-2022版高中物理人教版选修3-2学案：第六章 1 传感器及其工作原理
第六章传感器1 传感器及其工作原理目标导航思维脉图1.了解传感器的定义,感受传感器的应用技术在信息时代的作用与意义。
(物理观2.知道将非电学量转化为电学量的意义。
(物理观念)3.通过实验了解光敏电阻、热敏电阻和霍尔元件的性能、工作原理及作用。
(科学必备知识·自主学习一、什么是传感器传感器在现代信息技术与自动控制中有什么作用?提示:传感器的作用是把非电学量(如光、声音、温度等)转化为电学量(如电压、电流等),尤其是将电学量与计算机技术结合,可以方便地实现信息的采集、处理、输出的自动化和智能化,所以传感器在现代信息技术与自动控制中有极其重要的作用。
1.定义:能够感受诸如力、温度、光、声、化学成分等非电学量,并能把它们按照一定的规律转换为电压、电流等电学量,或转换为电路的通断。
2.工作原理:(1)敏感元件:相当于人的感觉器官,是传感器的核心部分,是利用材料的某种敏感效应(如热敏、光敏、压敏、力敏、湿敏等)制成的。
(2)转换元件:是传感器中能将敏感元件输出的与被测物理量成一定关系的非电信号转换成电信号的电子元件。
(3)转换电路:将转换元件输出的不易测量的非电学量转换成易于测量的电学量,如电压、电流、电阻等。
二、常用的敏感元件为解决楼道里的照明问题,在楼道内安装一个传感器与控制电灯的电路连接。
当楼道内有人走动而发出声响时,电灯即与电源接通而发光,这种传感器是什么传感器,它的输入、输出信号各是什么?提示:它是声电传感器,输入的是声信号,输出的是电信号。
1.光敏电阻:(1)特点:光照越强,电阻越小。
(2)原因:光敏电阻的构成物质为半导体材料,无光照时,载流子极少,导电性能不好;随着光照的增强,载流子增多,导电性能变好。
(3)作用:把光照强弱这个光学量转换为电阻这个电学量。
2.热敏电阻和金属热电阻:(1)热敏电阻:①定义:利用温度变化使半导体的导电性能发生显著变化的特性制成的电子元件。
②工作原理:半导体在温度升高时,电阻率随温度的升高而减小,导电能力增强。
高中物理《传感器及其工作原理》教案11 新人教版选修3-2
第一节：传感器及其工作原理教案【教学目标】1．知识与技能：（1）、了解什么是传感器，知道非电学量转化为电学量的技术意义；（2）、知道传感器中常见的三种敏感元件光敏电阻、热敏电阻和霍尔元件及其它们的工作原理。
（3）、了解传感器的应用。
2．过程与方法：通过对实验的观察、思考和探究，让学生在了解传感器、熟悉传感器工作原理的同时，经历科学探究过程，学习科学研究方法，培养学生的观察能力、实践能力和创新思维能力。
3．情感、态度与价值观（1）、体会传感器在生活、生产、科技领域的种种益处，激发学生的学习兴趣，拓展学生的知识视野，并加强物理与STS的联系。
（2）、通过动手实验，培养学生实事求是的科学态度、团队合作精神和创新意识。
【教学重点】：理解并掌握传感器的三种常见敏感元件的工作原理。
【教学难点】：分析并设计传感器的应用电路。
【教学方法】：实验、探究、讨论【教学用具】：干簧管，磁铁，光敏电阻、热敏电阻演示仪、传感器简单应用实验盒、万用表。
【教学过程】一、引入新课准备知识：从上世纪八十年代起，国际上出现了“传感器热”，传感器在当今科技发展中有着十分重要的地位。
本课的设计思路是通过对实验的观察、思考和探究，了解什么是传感器，传感器是如何将非电学量转换成电学量的，传感器在生产、生活中有哪些具体应用，为学生利用传感器制作简单的自控装置作一铺垫。
教学时力避深奥的理论，侧重于联系实际，让学生感受传感器的巨大作用，进而提高学生的学习兴趣，培养学生热爱科学的情感和崇尚科学的精神。
今天我们生活中常用的电视、空调的遥控器是如何实现远距离操纵的？楼梯上的电灯如何能人来就开，人走就熄的？工业生产中所用的自动报警器、恒温烘箱是如何工作的？“非典”病毒肆虐华夏大地时，机场、车站、港口又是如何实现快速而准确的体温检测的？所有这些，都离不开一个核心，那就是本堂课将要学习的传感器。
二、新课教学1．什么是传感器演示实验1：如图1所示，小盒子的侧面露出一个小灯泡，盒外没有开关，当把磁铁放到盒子上面，灯泡就会发光，把磁铁移开，灯泡熄灭。
《传感器及其工作原理》教案(新人教版选修3-2)(3)
《传感器及其工作原理》教学设计【设计说明】从上世纪八十年代起，国际上出现了“传感器热”，传感器在当今科技发展中有着十分重要的地位。
新课程标准紧扣时代脉搏，对传感器教学提出明确要求。
本课的设计思路是通过对实验的观察、思考和探究，了解什么是传感器，传感器是如何将非电学量转换成电学量的，传感器在生产、生活中有哪些具体应用，为学生利用传感器制作简单的自控装置作一铺垫。
教学时力避深奥的理论，侧重于联系实际，让学生感受传感器的巨大作用，进而提高学生的学习兴趣，培养学生热爱科学的情感和崇尚科学的精神。
【教学目标】1.知识与技能：（1）知道什么是传感器。
（2）了解干簧管、光敏电阻、金属热电阻、热敏电阻的特性及其工作原理。
2.过程方法：通过实验，知道常见传感器的工作原理和特性。
3.情感态度与价值观：通过实验激发学习的求知欲，通过采集实验数据，用Excel描绘“电阻—温度”曲线，让学生养成实事求是的科学精神。
【设计思路】1．关于课题的引入，利用“人进出电梯门”和“人进出商场的自动门”这两个生活实例，让学生得出“自动控制”的感性认识，然后启发学生列举相类似的生活现象，体现物理知识源于生活，服务于生活的基本观点。
2．关于传感器概念的建立：教材中只用了一个干簧管实验就得出了传感器的概念，在教学中要增加几个实验，从多个实验事实中建立出传感器的概念，这样建立物理概念才比较科学，同时也能培养学生科学概括的能力。
3．关于各传感器特性及原理的教学：通过设计实验，从定性和半定量的角度让学生获得比较清晰的认识，特别是金属热电阻和热敏电阻的“电阻—温度”曲线，课本中没有安排实验，但在教学中我们是完全可以通过实验得到的，所以本设计中就设计了一个探究实验，这样，课本中的“电阻—温度”曲线的得出就有依有据，更重要的是培养了学生的科学探究能力。
4．关于本节内容要培养学生的能力主要有：理论联系实际的能力、观察分析能力、自主合作探究的学习能力。
由于本节内容与人们的生活息息相关，要引导学生查阅资料或上网收集关于传感器的知识。
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第六章 传感器 第一节 传感器及其工作原理【知能准备】传感器：传感器是指这样一类元件：它能够感受诸如力、温度、光、声、化学成分等_________量，并能把它们按照一定的规律转换为电压、电流等________量，或转换为电路的通断。
把非电学量转换为电学量以后，就可以很方便地进行测量、传输、处理和控制了。
传感器一般由敏感元件和输出部分组成，通过敏感元件获取外界信息并转换_______信号，通过输出部分输出，然后经控制器分析处理。
常见的传感器有：__________、____________、_____________、___________、力传感器、气敏传感器、超声波传感器、磁敏传感器等。
常见传感器元件：（1）光敏电阻：光敏电阻的材料是一种半导体，无光照时，载流子极少，导电性能不好；随着光照的增强，载流子增多，导电性能变好，光敏电阻能够把__________这个光学量转换为电阻这个电学量。
它就象人的眼睛，可以看到光线的强弱。
（2）金属热电阻和热敏电阻：金属热电阻的电阻率随温度的升高而_________，用金属丝可以制作___________。
它能把___________这个热学量转换为________这个电学量。
热敏电阻的电阻率则可以随温度的升高而_______或_________。
与热敏电阻相比，金属热电阻的___________好，测温范围___________，但_____________较差。
（3）电容式位移传感器能够把物体的__________这个力学量转换为______这个电学量。
（4）霍尔元件能够把_______________这个磁学量转换为电压这个电学量 【同步导学】一、疑难分析1．光敏电阻：光敏电阻的材料是一种半导体，无光照射时，载流子极少，导电性能能不好；随着光照的增强，载流子增多，导电性能变好，即光敏电阻值随光照增强而减小。
光敏电阻能够把光照强弱这个光学量转换为电阻大小这个电学量。
2．热敏电阻：用半导体材料制成，其电阻随温度变化明显，温度升高电阻减小，如图－1为某一热敏电阻－温度特性曲线。
热敏电阻的灵敏度较好。
3．金属热电阻：有些金属的电阻率随温度的升高而增大，这样的电阻也可以制作温度传感器。
金属热电阻的化学稳定性好，测温范围大。
4．霍尔元件：如图－2所示，在一个很小的矩形半导体薄片上，制作四个电极C 、D 、E 、F ，就制成为一个霍尔元件。
霍尔元件能够把磁感应强度这个磁学量转换为电压这个电学量。
霍尔电压：d IBk U H = 其中k 为比例系数，称为霍尔系数，其大小与薄片的材料有关。
一个霍尔元件的厚度d 、比例系数k 为定值，再保持I 恒定，则电压UH 的变化就与B 成正比，因此，霍尔元件又称磁敏元件。
二、方法点拨霍尔效应的原理：外部磁场使运动的载流子受到洛仑兹力，在导体板的一侧聚集，在导体板的另一侧会出现多余的另一种电荷，从而形成横向的电场；横向电场对电子施加与洛仑兹力相反的静电力，当静电力与洛仑兹力达到平衡时，导体板两侧会形成稳定的电压.设图中CD 方向长度为L2，则：qvB L U qH =2 图－2图－1根据电流的微观解释 I ＝nqsv ，整理后，得：nqd IB U H = 令 nq k 1= ，因为n 为材料单位体积的带电粒子个数，q 为单个带电粒子的电荷量，它们均为常数，所以有：d IBk U H =三、典型例题：例1．如图－3所示，将万用表的选择开关置于“欧姆”挡，再将电表的两支表笔与一热敏电阻Rt 的两端相连，这时表针恰好指在刻度盘的正中间。
若往Rt 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。
解析：若往Rt 上擦一些酒精，由于酒精蒸发吸热，热敏电阻Rt 温度降低，电阻值增大，所以电流减小，指针应向左偏；用吹风机将热风吹向电阻，电阻Rt 温度升高，电阻值减小，电流增大，指针向右偏。
左，右。
例2．传感器是一种采集信息的重要器件。
如图－4所示是一种测定压力的电容式传感器。
当待测压力F 作用于可动膜片电极时，可使膜片产生形变，引起电容的变化，将电容器、灵敏电流计和电源串联成闭合电路，那么（ ）A ．当F 向上压膜片电极时，电容将减小B ．当F 向上压膜片电极时，电容将增大C ．若电流计有示数，则压力F 发生变化D ．若电流计有示数，则压力F 不发生变化解析：当F 向上压膜片电极时，电容器的电容将增大，电流计有示数，则压力F 发生了变化。
答案：BC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）解析：因为自由电荷为电子，故由左手定则可判断电子向上偏，则上表面聚集负电荷，下表面带多余的正电荷，故下表面电势高，设其稳定电压为U 。
当运动电荷所受电场力与洛伦兹力平衡时，即q b U=qvB又因为导体中的电流I ＝neSv ＝nev·bd 故U ＝ned BI答案：下表面电势高 电势差为ned BI例4．如图－6所示是彩色电视接收机的消磁电路示意图，R 是金属热敏电阻（温度升高，电图－3LR 图－6 图－4 图－5阻增大；温度降低后电阻减小），L 是消磁线圈，试说明此电路的工作过程。
解析：打开彩色电视接收机的时候，消磁电路同时接通，热敏电阻温度低，处于冷状态，其电阻值很小，又由于消磁线圈电阻值也很小，所以有很大的电流通过消磁线圈，这个大电流产生很强的磁场作用于显像管上，达到给显像管消磁的目的。
对显像管的消磁过程时间很短，因此完成消磁后必须切断消磁线圈的电流，电压不能加在消磁线圈上，这一过程产生的电功率很大，使热敏电阻的温度升高，导致热敏电阻的阻值很大，在热敏电阻上产生的电功率减小，使热敏电阻（后来随着热敏电阻的温度降低，其电阻值减小，但是这时消磁线圈的电压不再加上，是由热敏电阻内部的装置控制的）的阻值减小。
同步检测：1．简单的说，光敏电阻就是一个简单的_____________传感器，热敏电阻就是一个简单的_______________传感器。
2．为解决楼道的照明，在楼道内安装一个传感器与电灯控制电路的相接。
当楼道内有走动而发出声响时，电灯即与电源接通而发光，这种传感器为___________传感器，它输入的是___________信号，经传感器转换后，输出的是____________信号。
3．如图所示，是一个测定液面高度的传感器，在导线芯的外面涂上一层绝缘物质，放在导电液体中，导线芯和导电液构成电容品的两极，把这两极接入外电路中的电流变化说明电容值增大时，则导电液体的深度h 变化为（ ）A ．h 增大B ．h 减小C ．h 不变D ．无法确定4．如图所示，R1为定值电阻，R2为热敏电阻，L 为小灯泡，当温度降低时（ ）A ．R1两端的电压增大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5．如图所示，为一种测定角度的传感器，当彼此绝缘的金属板构成的动片与定片之间的角度 发生变化时，试分析传感器是如何将它的这种变化转化为电学量的。
综合评价：1．关于光敏电阻，下列说法正确的是（ ）A ．光敏电阻能够把光照强弱这个光学量转换为电阻这个电学量B ．硫化镉是一种半导体材料，无光照射时，载流子极少，导电性能不好C ．硫化镉是一种半导体材料，无光照射时，载流子较少，导电性能良好D ．半导体材料的硫化镉，随着光照的增强，载流子增多，导电性能变好 第3题 第5题 第4题 R1 R22．霍尔元件能转换哪两个量（ ）A ．把温度这个热学量转换为电阻这个电学量B ．把磁感应强度这个磁学量转换为电压这个电学量C ．把力转换为电压这个电学量D ．把光照强弱这个光学量转换为电阻这个电学量３．如图所示是测定位移的电容式传感器，其工作原理是哪个量的变化，造成其电容的变化（ ）A ．电介质进入极板的长度B ．两极板间距C ．两极板正对面积D ．极板所带电量 ４．如图所示，Ｒ１、Ｒ２为定值电阻，Ｌ是小灯泡，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5．如图所示，Ｒ３是光敏电阻，当开关Ｓ闭合后在没有光照射时，a 、b 两点等电势，当用光照射电阻Ｒ３时，则（ ）A ．Ｒ３的电阻变小，a 点电势高于b 点电势B ．Ｒ３的电阻变小，a 点电势低于b 点电势C ．Ｒ３的电阻变小，a 点电势等于b 点电势D ．Ｒ３的电阻变大，a 点电势低于b 点电势6．有一电学元件，温度升高时电阻却大幅度减小，则这种元件可能是（ ）A ．金属导体B ．绝缘体C ．半导体D ．超导体7．如图是观察电阻值随温度变化情况示意图。
现把杯中的水由冷水变为热水，关于欧姆表的读数变化情况正确的是（ ）A ．如果R 为金属热电阻，读数变大，且变化非常明显B ．如果R 为金属热电阻，读数变小，且变化不明显C ．如果R 为热敏电阻（用半导体材料制作），读数变化非常明显D ．如果R 为热敏电阻（用半导体材料制作），读数变化不明显8．如图是霍尔元件的工作原理示意图，用d 表示薄片的厚度，k 为霍尔系数，对于一个霍尔元件d 、k 为定值，如果保持I 恒定，则可以验证UH 随B 的变化情况。
以下说法中正确的是（ ）A ．将永磁体的一个磁极逐渐靠近霍尔元件的工作面，UH 将变大B ．在测定地球两极的磁场强弱时，霍尔元件的工作面应保持水平C ．在测定地球赤道上的磁场强弱时，霍尔元件的工作面应保持水平D ．改变磁感线与霍尔元件工作面的夹角，UH 将发生变化9．如图所示宽度为d ，厚度为h 的金属板放在垂直于它的磁感应强度为B 的匀强磁场中，当有电流I 通过金属板时，在金属板上侧面A 和下侧面间产生电势差，这种现象叫霍尔效应，若金属板内自由电子密度为n ，则产生的电势差U＝___________ 第3题 第7题 第8题 第9题 第4题 R2 R1 R3 第5题 R3 R4 R1R2参考答案：知能准备1．非电学量，电学，电压、电流，光学传感器、热学传感器、色标传感器，加速度传感器，2．（1）光照强弱，（2）增大，温度传感器，温度，电阻，（3）位移，电容，（4）磁感强度。
同步检测：1．光电热电 2．声控声音电 3．A 4．C5．角度增大，正对面积减小，电容器电容变小综合评价：1、ABD2、B3、A4、ABC5、A ６、C 7、C 8、ABDBI9、ned。