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1、5.2常见传感器的工作原理及应用教学设计课题 常见传感器的工作原理及应用单元5学科物理年级高二学习目标1.了解光敏电阻、金属热电阻、热敏电阻、电阻片、霍尔元件等特性，知道利用其特性制作敏感元件。2.知道传感器是如何将非电学量转化为电学量的物理过程，培养学生理论联系实际的思维习惯。重点了解光敏电阻、热敏电阻、电阻应变片以及电容式传感器的工作原理。难点知道不同传感器在实际生产中应用时所涉及的物理原理、相应的定性分析及定量运算。教学过程教学环节教师活动学生活动设计意图导入新课我们知道，传感器可以把非电学量转换为对应关系的电学量输出。那么，常见的传感器是怎样感知非电学量，并将其转换为电学量的呢？利用不
2、同的敏感元件制成的各种传感器又有哪些应用呢？观察图片思考 引起学生学习的兴趣，为本节课的学习做铺垫讲授新课一、光敏电阻1.光敏电阻（1）把硫化镉涂敷在绝缘板上，在其表面再用银浆涂敷两个互不相连的梳状电极，这样就制成了一个光敏电阻。 硫化镉 光敏电阻（2）硫化镉表面受到的光照强度不同时，两个电极间的电阻也不一样，光敏电阻是光电传感器中常见的光敏元件。（3）光敏电阻特性光敏电阻对光敏感，当改变光照强度时，电阻的大小也随着改变。一般会随着光照强度的增大而电阻值减小。下面我们通过实验来研究光敏电阻特性3.实验：观察光敏电阻特性（1）实验器材多用电表、遮光盒、手电筒、导线（2）实验步骤选择开关置于倍率为
3、100的电阻挡，同时把多用电表重新进行欧姆调零。如图，连接光敏电阻，在室内自然光的照射下，观察电阻的大小，把数据记录到表格中。 用遮光盒遮住光线，用多用电表测出此时光敏电阻的阻值，把数据记录到表格中。用手电筒照射光敏电阻，用多用电表测出此时光敏电阻的阻值，把数据记录到表格中。实验器材模拟光照条件光敏电阻阻值无自然光约350欧遮光盒几乎无光约25000欧手电筒较强光约100欧（3）视频：观察光敏电阻特性（4）实验结论光敏电阻在被光照射时电阻发生变化，一般会随着光照强度的增大而电阻值减小。原因是： 硫化镉是一种半导体材料，无光照时，载流子极少，导电性能差； 随着光照的增强，载流子增多，导电性变好。
4、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。3.光敏电阻的应用光电计数器（1）光电计数器的组成如图：A是发光仪器，B是接收光信号的仪器，B中的主要元件是由光敏电阻组成的光电传感器。（2）光电计数的原理当传送带上没有物品挡住由A射向B的光信号时，光敏电阻的阻值较小，供给信号处理系统的电压变低；当传送带上有物品挡住由A射向B的光信号时，光敏电阻的阻值变大，供给信号处理系统的电压变高。这种高低交替变化的信号经过处理，就会转化为相应的数字，实现自动计数的功能。二、金属热电阻和热敏电阻1.金属热电阻金属热电阻: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
5、。金属热电阻随温度的变化关系2.热敏电阻:用半导体材料制成。有些半导体在温度上升时导电能力增强，因此可以用半导体材料制作热敏电阻。热敏电阻随温度的变化关系有一种热敏电阻是用氧化锰等金属氧化物烧结而成的，它的电阻随温度的变化非常明显。3.热敏电阻和金属热电阻的区别分类热敏电阻金属热电阻制作材料半导体金属导电原理自由电子和空穴等载流子自由电子的定向移动优点灵敏度较好化学稳定性好，测温范围大，但灵敏度较差特点负温度系数的热敏电阻，电阻率随温度的升高而减小电阻率随温度的升高而增大作用将温度这个热学量转换为电阻这个电学量4.实验：观察热敏电阻特性（1）实验器材半导体热敏电阻、电流表、热水、导线、电建、电
6、源、烧杯（2）实验步骤把电流表、开关、电源、热敏电阻串联在电路中，闭合开关，观察电流表的示数。向烧杯中注入热水，使热敏电阻浸没在热水中，闭合开关，观察电流表的示数。（3）现象把热敏电阻串联到电路中，闭合开关，电路中有电流通过，使热敏电阻浸没在热水中，电流表的示数增大。思考：热敏电阻浸没在热水中，电流表的示数增大，则热敏电阻的阻值怎样变化?参考答案：由欧姆定律I=U/R可知，当电流表的示数增大时，热敏电阻的阻值减小。（4）视频：热敏电阻特性（5）实验结论热敏电阻的阻值随温度的升高而减小，随温度的降低而增大。5.热敏电阻的应用（1）利用金属热电阻和热敏电阻的阻值与温度之间的对应关系，可用来测量温度
7、。（2）低油位报警装置若给热敏电阻通以一定的电流，热敏电阻会发热。如图甲所示，当液面高于热敏电阻的高度时，热敏电阻发出的热量会被液体带走，温度基本不变，阻值较大，指示灯不亮。 甲如图乙所示，当液体减少、热敏电阻露出液面时，发热导致它的温度上升、阻值较小，指示灯亮。通过判断热敏电阻的阻值变化，就可以知道液面是否低于设定值。 乙三、电阻应变片1.电阻应变片：是一种使用非常广泛的力敏元件。 电阻应变片2.金属的电阻应变效应（1）根据电阻的定义式： 拉力L变长S变小电阻变大；压力L变短S变大电阻变小（2）电阻应变效应金属导体在外力作用下发生机械形变（伸长或缩短）时，其电阻随着它所受机械形变的变化而发生
8、变化的现象，称为金属的电阻应变效应。金属电阻应变片就是利用这一原理制成的。压阻效应：当单晶半导体材料沿某一轴向受到外力作用时，其电阻率发生变化的现象，称为压阻效应。电阻应变片的功能：能够把物体形变这个力学量转换为电阻这个电学量。3.力传感器的应用及工作原理（1）我们经常见到的电子秤，它所使用的测力器件是力传感器。（2）常用的一种力传感器是由金属梁和电阻应变片组成的，其结构如图所示，称为应变式力传感器。 应变式力传感器（3）力传感器的工作原理在梁的自由端施力F，则梁发生弯曲，上表面拉伸，下表面压缩。上表面应变片的电阻变大，下表面应变片的电阻变小。力F越大，弯曲形变越大，应变片的电阻变化就越大。（
9、4）力传感器的应用 汽车称重的地磅应变式力传感器也用来测量其他各种力，如汽车和卷扬机的牵引力等。应变片是把形变这个力学量转换为电压这个电学量。4.电容式传感器（1）原理电容器的电容 C 决定于极板的正对面积 S、极板间的距离 d 以及极板间的电介质这三个因素。如果某个物理量的变化能引起上述某个因素的变化，从而引起电容的变化，那么，通过测定电容器的电容就可以确定这个物理量的变化，由此可以制成电容式传感器。思考讨论：如图所示，当被测物体在左、右方向发生位移时，电介质板随之在电容器两极板之间移动。如果测出了电容的变化，就能知道物体位置的变化。用什么方法可以检测电容的变化？ 电容式位移传感器参考答案：
10、电容式位移传感器中，位移是被测量，电介质板随之在电容器两极板之间移动为敏感元件，电容器是转换器件，由公式c=q/u可知，给电容器带上一定的电荷，然后用静电计来检测两极板间电势差的变化，可判断电容的变化。电容式位移传感器能把物体的位移这个力学量转换为电容这个电学量。拓展学习 霍尔元件1.霍尔效应：在匀强磁场中放置一个矩形截面的载流导体，当磁场方向与电流方向垂直时，导体中能够自由移动的带电粒子在洛伦兹力的作用下，向着与电流、磁场都垂直的方向漂移继而在该方向上出现了电势差。后来大家把这个现象称为霍尔效应，所产生的电势差称为霍尔电势差或霍尔电压。（1）霍耳元件的工作原理:E、F间通入恒定的电流I,同时
11、外加与薄片垂直的磁场B时,薄片中的载流子就在洛伦兹力作用下,向着与电流和磁场都垂直的方向漂移，使M、N间出现如图所示电压。（2）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。（3）霍尔电压:UH=kIB/d(d为薄片的厚度，k为霍尔系数)。当电流I一定时，UH与B成正比，所以霍尔元件能把磁学量转换成电学量。 霍尔元件 利用霍尔元件测量微小位移1.下列有关传感器的叙述中正确的是（ ）A自动门上安装了红外线传感器，红外线传感器就是温度传感器B干簧管是将磁感应强度转换为电阻的一种元件C与热敏电阻相比，金属热电阻的灵敏度差，测温范围小D压电晶体的敏感元件就是转换元件D2.以下家用电器
12、中没有利用温度传感器的是（ ）A洗衣机B电冰箱C空调D电饭锅A3.传感器是在自动控制、航空航天等实际应用中常用的电学元件。下列可将光学量转化为电学量的传感器为（ ）A电视机遥控接收器B热敏电阻C霍尔元件D电阻应变片A4.传感器已广泛应用于生产和生活中，下列关于传感器的说法正确的是（ ）A给货车称重的地磅使用了光传感器B夜间自动打开的路灯使用了红外线传感器C话筒是一种常用的声传感器，其作用是将电信号转换为声信号D电熨斗能自动控制温度的原因是它装有双金属片。这种双金属片的作用是控制电路的通断D5.有一热敏电阻的电阻值在t1t4的温度变化范围内，Rt图像如图所示。现将该热敏电阻接在欧姆表的两表笔上，
13、做成一个电阻温度计。为了便于读数，再把欧姆表上的电阻值转换成温度值。现在要使该温度计对温度的变化反应较为灵敏，那么该温度计测量哪段范围内的温度较为适宜（设在t1t4温度范围内，欧姆表的倍率不变）（ ）At1t2Bt2t3Ct3t4D都可以B阅读课文了解光敏电阻学生了解实验器材和实验步骤，并把实验数据记录到表格学生总结实验结论阅读课文了解光电计数器的组成和原理观察图片金属热电阻随温度的变化关系和热敏电阻随温度的变化关系学生了解实验器材和实验步骤，并把实验数据记录到表格并描述实验现象阅读课文了解热敏电阻的应用在教师的引导下掌握电阻应变片和金属的电阻应变效应了解力传感器的应用及工作原理学生思考讨论回
14、答学生阅读课文了解霍尔元件学生练习锻炼学生的自主学习能力锻炼学生的动手操作能力和观察能力锻炼学生的总结能力和语言表达能力锻炼学生的总结能力和语言表达能力了解金属的电阻率随温度升高而增大和热敏电阻温度上升时导电能力增强锻炼学生的动手操作能力和观察能力掌握低油位报警装置的原理锻炼学生的理解能力和自主学习能力锻炼学生的语言表达能力和自主学习能力以及理解能力锻炼学生的合作交流能力和语言表达能力拓展学生的知识面巩固本节的知识课堂小结1.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,一般会随着光照强度的增大而电阻值减小。2.金属热电阻:金属的电阻率随温度升高而增大，3.热敏电阻:用半导体材料制成,
15、在温度上升时导电能力增强4.电阻应变片：是一种使用非常广泛的力敏元件。5.电容式位移传感器能把物体的位移这个力学量转换为电容这个电学量。 梳理自己本节所学知识进行交流根据学生表述，查漏补缺，并有针对性地进行讲解补充。板书一、光敏电阻1.光敏电阻对光敏感，当改变光照强度时，电阻的大小也随着改变。一般会随着光照强度的增大而电阻值减小。2.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。二、金属热电阻和热敏电阻1.金属热电阻金属热电阻:金属的电阻率随温度升高而增大，2.热敏电阻:用半导体材料制成,在温度上升时导电能力增强三、电阻应变片1.电阻应变片：是一种使用非常广泛的力敏元件。2.电容式传感器电容式位移传感器能把物体的位移这个力学量转换为电容这个电学量。学科网（北京）股份有限公司