5.2常見傳感器的工作原理及應用教學設計課題常見傳感器的工作原理及應用單元5學科物理年級高二學習目標1.了解光敏電阻、金屬熱電阻、熱敏電阻、電阻片、霍爾元件等特性，知道利用其特性制作敏感元件。2.知道傳感器是如何將非電學量轉化為電學量的物理過程，培養學生理論聯系實際的思維習慣。重點了解光敏電阻、熱敏電阻、電阻應變片以及電容式傳感器的工作原理。難點知道不同傳感器在實際生產中應用時所涉及的物理原理、相應的定性分析及定量運算。教學過程教學環節教師活動學生活動設計意圖導入新課我們知道，傳感器可以把非電學量轉換為對應關系的電學量輸出。那么，常見的傳感器是怎樣感知非電學量，并將其轉換為電學量的呢？利用不同的敏感元件制成的各種傳感器又有哪些應用呢？觀察圖片思考引起學生學習的興趣，為本節課的學習做鋪墊講授新課一、光敏電阻1.光敏電阻（1）把硫化鎘涂敷在絕緣板上，在其表面再用銀漿涂敷兩個互不相連的梳狀電極，這樣就制成了一個光敏電阻。硫化鎘光敏電阻（2）硫化鎘表面受到的光照強度不同時，兩個電極間的電阻也不一樣，光敏電阻是光電傳感器中常見的光敏元件。（3）光敏電阻特性光敏電阻對光敏感，當改變光照強度時，電阻的大小也隨著改變。一般會隨著光照強度的增大而電阻值減小。下面我們通過實驗來研究光敏電阻特性3.實驗：觀察光敏電阻特性（1）實驗器材多用電表、遮光盒、手電筒、導線（2）實驗步驟①選擇開關置于倍率為×100的電阻擋，同時把多用電表重新進行歐姆調零。②如圖，連接光敏電阻，在室內自然光的照射下，觀察電阻的大小，把數據記錄到表格中。③用遮光盒遮住光線，用多用電表測出此時光敏電阻的阻值，把數據記錄到表格中。④用手電筒照射光敏電阻，用多用電表測出此時光敏電阻的阻值，把數據記錄到表格中。實驗器材模擬光照條件光敏電阻阻值無自然光約350歐遮光盒幾乎無光約25000歐手電筒較強光約100歐（3）視頻：觀察光敏電阻特性（4）實驗結論①光敏電阻在被光照射時電阻發生變化，一般會隨著光照強度的增大而電阻值減小。原因是：硫化鎘是一種半導體材料，無光照時，載流子極少，導電性能差；隨著光照的增強，載流子增多，導電性變好。②光敏電阻能夠把光照強弱這個光學量轉換為電阻這個電學量。3.光敏電阻的應用——光電計數器（1）光電計數器的組成如圖：A是發光儀器，B是接收光信號的儀器，B中的主要元件是由光敏電阻組成的光電傳感器。（2）光電計數的原理當傳送帶上沒有物品擋住由A射向B的光信號時，光敏電阻的阻值較小，供給信號處理系統的電壓變低；當傳送帶上有物品擋住由A射向B的光信號時，光敏電阻的阻值變大，供給信號處理系統的電壓變高。這種高低交替變化的信號經過處理，就會轉化為相應的數字，實現自動計數的功能。二、金屬熱電阻和熱敏電阻1.金屬熱電阻金屬熱電阻:金屬的電阻率隨溫度升高而增大，利用這一特性，金屬絲也可以制作成溫度傳感器，稱為熱電阻。金屬熱電阻隨溫度的變化關系2.熱敏電阻:用半導體材料制成。有些半導體在溫度上升時導電能力增強，因此可以用半導體材料制作熱敏電阻。熱敏電阻隨溫度的變化關系有一種熱敏電阻是用氧化錳等金屬氧化物燒結而成的，它的電阻隨溫度的變化非常明顯。3.熱敏電阻和金屬熱電阻的區別分類熱敏電阻金屬熱電阻制作材料半導體金屬導電原理自由電子和空穴等載流子自由電子的定向移動優點靈敏度較好化學穩定性好，測溫范圍大，但靈敏度較差特點負溫度系數的熱敏電阻，電阻率隨溫度的升高而減小電阻率隨溫度的升高而增大作用將溫度這個熱學量轉換為電阻這個電學量4.實驗：觀察熱敏電阻特性（1）實驗器材半導體熱敏電阻、電流表、熱水、導線、電建、電源、燒杯（2）實驗步驟①把電流表、開關、電源、熱敏電阻串聯在電路中，閉合開關，觀察電流表的示數。②向燒杯中注入熱水，使熱敏電阻浸沒在熱水中，閉合開關，觀察電流表的示數。（3）現象把熱敏電阻串聯到電路中，閉合開關，電路中有電流通過，使熱敏電阻浸沒在熱水中，電流表的示數增大。思考：熱敏電阻浸沒在熱水中，電流表的示數增大，則熱敏電阻的阻值怎樣變化?參考答案：由歐姆定律I=U/R可知，當電流表的示數增大時，熱敏電阻的阻值減小。（4）視頻：熱敏電阻特性（5）實驗結論熱敏電阻的阻值隨溫度的升高而減小，隨溫度的降低而增大。5.熱敏電阻的應用（1）利用金屬熱電阻和熱敏電阻的阻值與溫度之間的對應關系，可用來測量溫度。（2）低油位報警裝置若給熱敏電阻通以一定的電流，熱敏電阻會發熱。如圖甲所示，當液面高于熱敏電阻的高度時，熱敏電阻發出的熱量會被液體帶走，溫度基本不變，阻值較大，指示燈不亮。甲如圖乙所示，當液體減少、熱敏電阻露出液面時，發熱導致它的溫度上升、阻值較小，指示燈亮。通過判斷熱敏電阻的阻值變化，就可以知道液面是否低于設定值。乙三、電阻應變片1.電阻應變片：是一種使用非常廣泛的力敏元件。電阻應變片2.金屬的電阻應變效應（1）根據電阻的定義式：拉力→L變長→S變小→電阻變大；壓力→L變短→S變大→電阻變小（2）電阻應變效應①金屬導體在外力作用下發生機械形變（伸長或縮短）時，其電阻隨著它所受機械形變的變化而發生變化的現象，稱為金屬的電阻應變效應。金屬電阻應變片就是利用這一原理制成的。②壓阻效應：當單晶半導體材料沿某一軸向受到外力作用時，其電阻率發生變化的現象，稱為壓阻效應。③電阻應變片的功能：能夠把物體形變這個力學量轉換為電阻這個電學量。3.力傳感器的應用及工作原理（1）我們經常見到的電子秤，它所使用的測力器件是力傳感器。（2）常用的一種力傳感器是由金屬梁和電阻應變片組成的，其結構如圖所示，稱為應變式力傳感器。應變式力傳感器（3）力傳感器的工作原理在梁的自由端施力F，則梁發生彎曲，上表面拉伸，下表面壓縮。上表面應變片的電阻變大，下表面應變片的電阻變小。力F越大，彎曲形變越大，應變片的電阻變化就越大。（4）力傳感器的應用汽車稱重的地磅應變式力傳感器也用來測量其他各種力，如汽車和卷揚機的牽引力等。應變片是把形變這個力學量轉換為電壓這個電學量。4.電容式傳感器（1）原理電容器的電容C決定于極板的正對面積S、極板間的距離d以及極板間的電介質這三個因素。如果某個物理量的變化能引起上述某個因素的變化，從而引起電容的變化，那么，通過測定電容器的電容就可以確定這個物理量的變化，由此可以制成電容式傳感器。思考討論：如圖所示，當被測物體在左、右方向發生位移時，電介質板隨之在電容器兩極板之間移動。如果測出了電容的變化，就能知道物體位置的變化。用什么方法可以檢測電容的變化？電容式位移傳感器參考答案：電容式位移傳感器中，位移是被測量，電介質板隨之在電容器兩極板之間移動為敏感元件，電容器是轉換器件，由公式c=q/u可知，給電容器帶上一定的電荷，然后用靜電計來檢測兩極板間電勢差的變化，可判斷電容的變化。電容式位移傳感器能把物體的位移這個力學量轉換為電容這個電學量。拓展學習霍爾元件1.霍爾效應：在勻強磁場中放置一個矩形截面的載流導體，當磁場方向與電流方向垂直時，導體中能夠自由移動的帶電粒子在洛倫茲力的作用下，向著與電流、磁場都垂直的方向漂移繼而在該方向上出現了電勢差。后來大家把這個現象稱為霍爾效應，所產生的電勢差稱為霍爾電勢差或霍爾電壓。（1）霍耳元件的工作原理:E、F間通入恒定的電流I,同時外加與薄片垂直的磁場B時,薄片中的載流子就在洛倫茲力作用下,向著與電流和磁場都垂直的方向漂移，使M、N間出現如圖所示電壓。（2）霍爾元件在電流、電壓穩定時，載流子所受電場力和洛倫茲力二力平衡。（3）霍爾電壓:UH=kIB/d(d為薄片的厚度，k為霍爾系數)。當電流I一定時，UH與B成正比，所以霍爾元件能把磁學量轉換成電學量。霍爾元件利用霍爾元件測量微小位移1.下列有關傳感器的敘述中正確的是（）A．自動門上安裝了紅外線傳感器，紅外線傳感器就是溫度傳感器B．干簧管是將磁感應強度轉換為電阻的一種元件C．與熱敏電阻相比，金屬熱電阻的靈敏度差，測溫范圍小D．壓電晶體的敏感元件就是轉換元件D2.以下家用電器中沒有利用溫度傳感器的是（）A．洗衣機 B．電冰箱 C．空調 D．電飯鍋A3.傳感器是在自動控制、航空航天等實際應用中常用的電學元件。下列可將光學量轉化為電學量的傳感器為（）A．電視機遙控接收器B．熱敏電阻C．霍爾元件D．電阻應變片A4.傳感器已廣泛應用于生產和生活中，下列關于傳感器的說法正確的是（）A．給貨車稱重的地磅使用了光傳感器B．夜間自動打開的路燈使用了紅外線傳感器C．話筒是一種常用的聲傳感器，其作用是將電信號轉換為聲信號D．電熨斗能自動控制溫度的原因是它裝有雙金屬片。這種雙金屬片的作用是控制電路的通斷D5.有一熱敏電阻的電阻值在t1~t4的溫度變化范圍內，Rt圖像如圖所示。現將該熱敏電阻接在歐姆表的兩表筆上，做成一個電阻溫度計。為了便于讀數，再把歐姆表上的電阻值轉換成溫度值。現在要使該溫度計對溫度的變化反應較為靈敏，那么該溫度計測量哪段范圍內的溫度較為適宜（設在t1~t4溫度范圍內，歐姆表的倍率不變）（）A．t1~t2 B．t2~t3 C．t3~t4 D．都可以B閱讀課文了解光敏電阻學生了解實驗器材和實驗步驟，并把實驗數據記錄到表格學生總結實驗結論閱讀課文了解光電計數器的組成和原理觀察圖片金屬熱電阻隨溫度的變化關系和熱敏電阻隨溫度的變化關系學生了解實驗器材和實驗步驟，并把實驗數據記錄到表格并描述實驗現象閱讀課文了解熱敏電阻的應用在教師的引導下掌握電阻應變片和金屬的電阻應變效應了解力傳感器的應用及工作原理學生思考討論回答學生閱讀課文了解霍爾元件學生練習鍛煉學生的自主學習能力鍛煉學生的動手操作能力和觀察能力鍛煉學生的總結能力和語言表達能力鍛煉學生的總結能力和語言表達能力了解金屬的電阻率隨溫度升高而增大和熱敏電阻溫度上升時導電能力增強鍛煉學生的動手操作能力和觀察能力掌握低油位報警裝置的原理鍛煉學生的理解能力和自主學習能力鍛煉學生的語言表達能力和自主學習能力以及理解能力鍛煉學生的合作交流能力和語言表達能力拓展學生的知識面鞏固本節的知識課堂小結1.光敏電阻能夠把光照強弱這個光學量轉換為電阻這個電學量,一般會隨著光照強度的增大而電阻值減小。2.金屬熱電阻:金屬的電阻率隨溫度升高而增大，3.熱敏電阻:用半導體材料制成,在溫度上升時導電能力增強4.電阻應變片：是一種使用非常廣泛的力敏元件。5.電容式位移傳感器能把物體的位移這個力學量轉換為電容這個電學量。梳理自己本節所學知識進行交流根據學生表述，查漏補缺，并有針對性