高中物理人教版 (新课标)选修32 传感器的应用（一）学案设计

选修3-2第六章第2节：传感器的应用（一）学案

课前预习学案

【预习目标】：了解传感器应用的一般模式，电子秤、话筒、电熨斗的工作原理

传感器

    1、概念：_____________________________________________。

    2、原理图：

    3、三种常见的敏感元件

    （1）光敏电阻

     ①材料及构造

     ②工作原理

     ③功能：把__________（光学量）转换为______（电学量）。

    （2）热敏电阻和金属热电阻

     ①热敏电阻

       a）材料

       b）特点

       c）功能：把_______转换为_______（电学量）。

       d）分类：

          正温度系数PTC热敏电阻（特点）

          负温度系数NTC热敏电阻（特点）

     ②金属热电阻

       a）材料

       b）特点

       c）功能：把_______转换为_______（电学量）。

    （3）霍尔元件

     ①材料及构造

  ②霍尔电压：_________________________。

 推导：

  ③功能：把_________（磁学量）转换为_______（电学量）。传感器功能：能将力、温度、光、声、物质成分等_________转化为______的元件。

课内探究学案

【学习目标】

（1）、了解传感器应用的一般模式；

（2）、理解电子秤、话筒、电熨斗的工作原理。

（3）、会设计简单的有关传感器应用的控制电路。

（4）、通过实验结合物理学的知识，探究电子秤、话筒、电熨斗等的工作原理，从而了解力传感器、声传感器和温度传感器的一般应用，进一步总结出传感器应用的一般模式。

（5）、通过实验激发的学习兴趣，培养动手能力，提高创新意识，提高物理理论知识与实际相结合的综合实践能力。

【学习重点】：各种传感器的应用原理及结构。

【学习难点】：各种传感器的应用原理及结构。

【学习方法】：探究实验

【合作探究】

问题1：光敏电阻、热敏电阻、霍尔元件各是把什么物理量转化为电学量的元件？

1、传感器应用的一般模式

阅读教材开头几段，然后合上书，在练习本上画出传感器应用的一般模式示意图。

提示：一般情况下，传感器产生的信号非常微弱，要想触发控制电路，此信号必须进一步放大才可以，所以需要放大电路，即放大器。

阅读教材并在练习本上画出传感器应用的一般模式示意图。

2、下面学习几个传感器应用的实例。

（1）．力传感器的应用——电子秤

师：阅读教材56页最后一段，思考并回答问题。

问题2：电子秤使用的测力装置是什么？它是由什么元件组成的？

问题3：简述力传感器的工作原理。

问题4：应变片能够把什么力学量转化为什么电学量？

（2）．声传感器的应用——话筒

阅读教材56页有关内容，思考并回答问题。

问题5：话筒的作用是什么？

问题6：说明动圈式话筒的工作原理和工作过程。

问题7：说明电容式话筒的工作原理和工作过程。这种话筒的优点是什么？

问题8：驻极体话筒的工作原理是什么？有何优点？

阅读教材，思考并回答问题。

指出：驻极体话筒利用了电介质的         现象：将电介质放入电场中，在前后两个表面上会分别出现       与           的现象．某些电介质在电场中被极化后，去掉外加电场，仍然会长期保持被极化的状态，这种材料称为            ．

演示实验：

按照如图所示的连接驻极体话筒的工作电路，话筒的输出端经过隔直电容接到示波器。

对着话筒喊话，观察示波器的荧光屏上的波形，再用另外一人同样对话筒喊话，比较两次声音产生的波形有什么不一样。

上述过程，就是话筒将声音信号转换为电信号的过程。

观察实验现象。

结论：

（3）．温度传感器的应用——电熨斗

温度传感器是应用最广泛的传感器之一，它能把温度的高低转变成电信号，通常是利用物体的某一物理性质随温度的变化而改变的特性制成的．电熨斗就是靠温度传感器来控制温度的。

实验：取一个报废的日光灯启辉器，去掉外壳，敲碎氖泡的玻璃，可以看到一个U型的双金属片，双金属片的旁边有一根直立的金属丝，两者构成一对触点，常温下触点是分离的，用火焰靠近金属片，可以看到双金属片的形状变化，与金属丝接触，熄灭火焰，双金属片逐渐恢复原状，两个触点分离。

把这个启动器用到温控开关，可以控制小灯泡的                  。

做实验，观察实验现象。

电熨斗就装有双金属片温度传感器。这种传感器的作用是控制电路的通断。

投影：电熨斗结构图（如图所示）

思考与讨论：

（1）常温下，上、下触点应是接触的还是分离的？当温度过高时，双金属片将怎样起作用？

（2）熨烫棉麻衣物和熨烫丝绸衣物需要设定不同的温度，这是如何使用调温旋钮来实现的？

（4）、拓展：温度传感器的另一应用——电冰箱的温控装置

如图所示是某种电冰箱内温度控制器的结构，铜质的测温泡1，细管2和弹性金属膜盒3连成密封的系统，里面充有氯甲烷盒它的蒸汽，构成一个温度传感器，膜盒3为扁圆形，右表面固定，左表面通过小柱体与弹簧片4连接，盒中气体的压强增大时，盒体就会膨胀，测温泡1安装在冰箱的冷藏室中。5、6分别是电路的动触点盒静触点，控制制冷压缩机的工作，拉簧7的两端分别连接到弹簧片4盒连杆9上。连杆9的下端是装在机箱上的轴。凸轮8是由设定温度的旋钮控制的，逆时针旋转时凸轮连杆上端右移，从而加大对弹簧7的拉力。

自动控温原理：如图所示是某种电冰箱内温度控制器的结构，铜制的测温泡1、细管2和弹性金属膜盒3连通成密封的系统，里面充有氯甲烷和它的蒸汽，构成了一个温度传感器，膜盒为扁圆形，右表面固定，左表面通过小柱体与弹簧片4连接，盒中气体的压强增大时，盒体就会膨胀，测温泡1安装在冰箱的冷藏室中。5、6分别是电路的动触点和静触点，控制制冷压缩机的工作，拉簧7的两端分别连接到弹簧片和连杆9上，连杆9的下端装在机箱上的轴，凸轮8是由设定温度的旋钮控制的，逆时针旋转时凸轮连杆上端右移，从而加大对弹簧7的拉力。当冷藏室里的温度升高时，1、2、3中的氯甲烷受热膨胀，弹性金属膜盒3的左端膨胀，推动弹簧片4向左转动，使5、6接触，控制的压缩机电路开始工作制冷，当温度下降到一定程度，氯甲烷受冷收缩，5、6又分开，制冷结束，直到下次温度升高再重复上述过程。

温度设定原理：将凸轮8逆时针旋转，凸轮将连杆9向右顶，使得弹簧7弹力增大，此时要将5、6触点接通，所需要的力就要大些，温度要高一些，即温控挡应低一些（例如1级），顺时针旋转凸轮8，控制的温度低一些，控温挡要高一些。

典型例题

例1.用如图所示的装置可以测量汽车在水平路面上做匀加速直线运动的加速度．该装置是在矩形箱子的前、后壁上各安装一个由力敏电阻组成的压力传感器．用两根相同的轻弹簧夹着一个质量为2.0 kg的滑块可无摩擦滑动，两弹簧的另一端分别压在传感器a、b上，其压力大小可直接从传感器的液晶显示屏上读出．现将装置沿运动方向固定在汽车上，传感器b在前，传感器a在后．汽车静止时，传感器a、b在的示数均为 10 N（取g=10 m／s2）．

（1）若传感器a的示数为 14 N、b的示数为6.0 N，求此时汽车的加速度大小和方向．

（2）当汽车以怎样的加速度运动时，传感器a的示数为零．

例2、如图5是电容式话筒的示意图，它是利用电容制作的传感器，话筒的振动膜前面镀有薄薄的金属层，膜后距膜几十微米处有一金属板，振动膜上的金属层和这个金属板构成电容器的两极，在两极间加一电压U，人对着话筒说话时，振动膜前后振动，使电容发生变化，导致话筒所在电路中的其它量发生变化，使声音信号被话筒转化为电信号，其中导致电容变化的原因可能是容器两板间的（   ）

（A）距离变化          

（B）正对面积变化

（C）介质变化          

（D）电压变化

课后练习与提高：

1．如图所示，甲、乙是两类热敏电阻的R-t特征图线，如果想用热敏电阻作传感器，并与继电器相连，构成一个简单的自动报警线路，当温度过高时，由继电器接通电路报警，采用图________类热敏电阻较好.

2．如图所示，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（    ）

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

3．下列说法正确的是 （     ）

A、应变式力传感器可以测重力，也可以用来测牵引力

B、电子秤的核心元件是应变片，它多用金属材料制成，是一种敏感元件

C、应变片能把力学量―――物体形变转换为电学量―――电压

D、所有电子秤都应用了应变式力传感器

4．关于话筒，下列说法正确的是   （    ）

A、无论动圈式话筒、电容式话筒、还是驻极体话筒，作用相同都将声波――力学量转换成了电压（或电流）――电学量

B、电容式话筒和驻极体话筒原理相同，都是声波的变化引起电容变化，进而引起输出电压的变化

C、动圈式话筒利用通电线圈在磁场中受安培力振动实现声向电的转化

D、因为驻极体话筒价格便宜、灵敏度高，会场大都用驻极体话筒

5．下列说法正确的

A、电熨斗能自动控制温度主要利用了双金属片，两片金属的膨胀系数相同

B、常温下，上下触点是分享的；温度过高时，双金属片发生弯曲使上下触点分享

C、需要较高温度熨烫时，要调节温度旋钮，使升降螺丝下移并推动弹性铜片下移

D、电熨斗中的双金属片是一种半导体材料

6、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相接．当楼道内有人走动而发出声响时，电灯即被接通电源而发光，这种传感器为＿＿＿＿＿，它输入的是＿＿＿＿＿＿信号，经传感器转换后，输出的是＿＿＿＿＿信号．

7．传感器是一种采集信息的重要器件，图1是由电容器作为传感器来测定压力变化的电路，当待测压力为F作用于可动膜片电极上时，以下说法中正确的  (    )

A、若F向上压膜片电极，电路中有从a和b的电流

B、若F向上压膜片电极，电路中有从b和a的电流

C、若F向上压膜片电极，电路中不会出现电流

D、若电流表有示数，则说明压力F发生变化

8、1999年7月12日，日本原子能公司所属敦贺湾电站由于水管破裂导致国徽冷却剂外流，在检测此重大事故中应用了非电量变化（冷却剂外泄使管中液面变化）转换为电信号的自动化测量技术．如图所示是一种测定导电液体深度的装置；包着一层电介质的金属棒与导电液体形成一个电容器，电容量的变化能反映液面的升降情况，则下列叙述中正确的是   (    )

A．电容增大反映h增大

B．电容增大反映h减少

C．将金属棒间的电压和导电液体分别接电源两极再断开后，液体深度变化时导电液与金属棒间的电压增大反映h减小

D．将金属棒和导电液体分别接电源两极再断开后，液体深度变化时导电液与金属棒间的电压增大反映h增大

9、街道旁的路灯、江海里的航标灯都要求夜晚亮、白天熄，利用半导体的电学特性制成了自动点亮、熄灭的装置，实现了自动控制，这是利用半导体的（    ）

A、压敏性           

B、光敏性             

C、热敏性           

D、三特性都利用了

10、若超导体线圈连接在电路中，则（    ）

A.超导体线圈中有较小的电流通过

B.有强大的电流通过线圈，不能产生强大的磁场

C.电流通过超导体线圈，能产生强大的磁场

D.电流在超导体线圈中，会有部分能量消失

11．如图所示是继电器的原理图，A为常闭触点，B为常开触点，当在接线柱2、3间通入一定的电流时，电磁铁便使衔铁P脱离A而与B接触，从而达到控制电路的目的.接线柱____________与有电源的热敏电阻串联.接线柱____________与外电路串联，即可在温度过高时切断外电路，实现对外电路的自动控制.若要求切断此电路的同时接通另一个外电路，则需要接通的电路应连在____________两个接线柱上.

12．计算机键盘是由两片金属切片组成的小电容器．该电容器的电容可用公式C=ε计算，式中ε=9×10-12,S为金属片的正对面积，d表示两金属片间距．当键被按下时，此电容器的电容发生变化，与之相连的电子线路就能检测出哪个键被按下了，从而给出相应的信号．设每个金属片的正对面积为50 mm2，键未按下时的金属片间距为0．6 mm．如果电容变化0．25 pF，电子线路恰能检测出必要的信号，则键至少需要被按下（    ）

A．0．15 mm          B．0．25 mm           C．0．35 mm           D．0．45 mm

13．一光敏电阻和一用电器串联后接在一电源上，如图所示.当电路中的光敏电阻受到光照射时，用电器__________正常工作；当光敏电阻不受光照射时，阻值__________，电流___________，用电器___________工作.

14．如图所示为一自动控温的电加热器的电路图，R1是热敏电阻，R2是加热电阻，试说明它是如何控制温度的.

【学习小结】

本节课主要学习了以下几个问题：

                  力传感器的应用——          

    传感器的应用  声传感器的应用——           

                  温度传感器的应用——          

力传感器是把力信号转换成电信号；声传感器是把声音信号转换为电信号，而温度传感器往往是用来进行自动控制．

【课后作业】课本P58-59 1、2、3

参考答案：

1、答案：甲

2、答案：C

3、答案：ACD

4、答案：AB

5、答案：C

6、答案：声，声，电

7、答案：BC

8、答案：AC

9、答案：B

10、答案：C

11、答案： 2、3  1、5  1、4

12、答案：A

13、答案：开始  增大  减小  停止

14、思路解析：闭合开关，电压加在R1和R2上，它们产生的热功率为，随着温度的升高，热敏电阻R1阻值增大，他们产生的电热功率就减小，选择合适的热敏电阻和加热电阻，就可以将加热的温度控制在某一温度上，加热功率等于散热功率，物体的温度保持在这一温度上不变.