第5章傳感器

第1節(jié)認識傳感器

本節(jié)初步了解基礎(chǔ)學(xué)科與科技應(yīng)用的關(guān)系，體會傳感器在生活、生產(chǎn)、科技領(lǐng)域的種種益處，激

發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，拓展學(xué)生的知識視野，并加強物理與社會發(fā)展的聯(lián)系。

【物理觀念】了解基礎(chǔ)學(xué)科與科技應(yīng)用的關(guān)系。

【科學(xué)思維】了解什么是傳感器，知道非電學(xué)量轉(zhuǎn)化為電學(xué)量的技術(shù)意義，學(xué)習(xí)科學(xué)研究方法，培

養(yǎng)學(xué)生的觀察能力、實踐能力和創(chuàng)新思維能力。

【科學(xué)探究】通過觀察、思考和探究，讓學(xué)生在了解傳感器、熟悉傳感器工作原理的同時，經(jīng)歷科

學(xué)探究過程。

【科學(xué)態(tài)度與責任】通過動手實驗，培養(yǎng)學(xué)生實事求是的科學(xué)態(tài)度、團隊合作精神和創(chuàng)新意識。

【教學(xué)重點】認識傳感器，了解傳感器與社會發(fā)展的關(guān)系，理解并掌握傳感器的三種常見敏感元件

的工作原理。

【教學(xué)難點】分析傳感器的簡單應(yīng)用電路。

一、【引入新課】

想一想：

小盒子A的側(cè)面露出一個小燈泡，盒外沒有開關(guān)。如果把磁體B放到盒子上面，燈泡就會發(fā)光，

把磁體移走，燈泡熄滅。盒子里有什么樣的裝置，才能出現(xiàn)這樣的現(xiàn)象？

原來，小盒子中有一種叫作干簧管的元件（圖甲），它的結(jié)構(gòu)很簡單，玻璃管內(nèi)封入了兩個

“”

軟磁性材料制成的簧片。當磁體靠近干簧管時（圖乙），兩個簧

片被磁化而接通，所以干簧管能起到開關(guān)的作用，操縱開關(guān)的是磁場這只看不見的手。干簧管是

“”

一種能夠感知磁場的傳感器。那么，到底什么是傳感器？

二、【進行新課】

探究點一、神奇的傳感器

1．傳感器：能夠感受諸如力、溫度、光、聲、化學(xué)成分等被測量，并能把它們按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換

為便于傳送和處理的可用信號輸出。

2．傳感器是電子控制系統(tǒng)獲取外部信息的唯一途徑。

3．傳感器的作用：獲得外界輸入信息，并將非電量信息轉(zhuǎn)成電信號輸出。

下面我們來看幾個生活中的實例

自動門酒精濃度檢測

人的感覺器官與傳感器的類比

【思考與討論】

1）傳感器的使用使我們的生活更加方便、安全和舒適。生活中，你還發(fā)現(xiàn)哪些地方使用了傳

感器？

2）請你根據(jù)需要大膽地設(shè)想：在家里、學(xué)校和生活的社區(qū)，什么地方應(yīng)該安裝傳感器？

3）這些傳感器要起什么作用？

探究點二、傳感器的種類

各類傳感器：

智能手機中的部分傳感器

探究點三、傳感器的組成與應(yīng)用模式

傳感器的一般結(jié)構(gòu)

敏感元件：是指能直接感受或響應(yīng)外界被測非電學(xué)量的部分；轉(zhuǎn)換元件是指能將敏感元件輸出

的信號直接轉(zhuǎn)換成電信號的部分。它們分別完成檢測和轉(zhuǎn)換兩個基本功能。

并不是所有傳感器都能夠明顯地區(qū)分敏感元件和轉(zhuǎn)換元件。如果敏感元件直接輸出的是電學(xué)

量，它就同時兼為轉(zhuǎn)換元件。這種敏感元件和轉(zhuǎn)換元件二者合一的傳感器是很多的。如左圖的熱電

偶溫度計。

熱電偶溫度計

老師引出：

如何應(yīng)用從傳感器獲得的信號呢？

可以用指針式電表或數(shù)字屏等顯示測量的數(shù)據(jù)；也可以用來驅(qū)動繼電器或其他元件，來執(zhí)行諸

如打開管道的閥門、開通或關(guān)閉電動機等動作；還可以由計算機對獲得的數(shù)據(jù)進行處理，發(fā)出更復(fù)

雜的指令。

傳感器的一般模式

【思考與討論】

話筒是一種能夠?qū)⒙曇粜盘栟D(zhuǎn)換為電信號的傳感器。圖乙是電容式話筒的組成結(jié)構(gòu)示意圖，

話筒的振動膜片涂有薄薄的金屬層，膜后相距幾十微米有一個金屬片（固定電極），它們構(gòu)成電容

器的兩個極板。電容式話筒利用電容器的電容與極板間距離的關(guān)系來工作。你能根據(jù)它的工作過程

說說各組成元件的作用嗎？

電容式話筒

【科學(xué)漫步】:機器人

1920年，捷克斯洛伐克作家卡佩克在一部科幻小說中構(gòu)思了一個機器人，名字叫Robot。它可

以不吃飯，卻能不知疲倦地工作，展現(xiàn)了人類持續(xù)多年的一種愿望。

1947年，世界上第一個機器人在美國誕生。這是一臺為反應(yīng)堆搬運核燃料的簡單機器，代替人

來從事危險的工作。此后，由于現(xiàn)代制造業(yè)的需求，有關(guān)機器人的研究迅速發(fā)展起來。圖5.1-10是

幾個機器人的實例。

根據(jù)機器人的結(jié)構(gòu)和功能，可以粗略地把它們分為三代。第一代機器人對外界沒有感覺，只能

按照編好的程序，由內(nèi)部的計算機安排它的動作，例如汽車生產(chǎn)線上用于點焊的機器人。第二代機

器人有了感覺，它身上安裝的傳感器能起到人的感官的作用。例如，利用光傳感器能讓機器人沿著

地面上畫出的白色軌跡運動；利用圖像傳感器能讓機器人產(chǎn)生視覺來識別燒杯和鐵塊，當它的手拿

著燒杯時，力傳感器產(chǎn)生觸覺會使它的手指感知壓力和滑動，從而既能拿住又不會捏碎。第三代是

智能機器人，是人們夢寐以求的，也是當前正在努力發(fā)展的。它以人工智能理論和現(xiàn)代信息技術(shù)為

基礎(chǔ)，能夠自主地從經(jīng)驗中學(xué)習(xí)，不斷完善自身的程序，增強自己的功能。

機器人的種類很多。應(yīng)用最廣泛的是工業(yè)機器人，它們能把人從繁重的體力勞動和危險的環(huán)

境中解放出來，極大地提高了生產(chǎn)率。服務(wù)型機器人主要用于清潔、加油、導(dǎo)盲、搶險等方面。它

們通常具有一個移動平臺，其上有操作臂，還安裝了觸覺、視覺、聽覺及超聲測距等傳感器，能夠

識別周邊的環(huán)境、判斷自己的運動。醫(yī)療機器人是近些年來發(fā)展迅速的一個新領(lǐng)域。醫(yī)療機器人能

夠幫助醫(yī)生做復(fù)雜的手術(shù)，減輕醫(yī)生的疲勞，保證手術(shù)的精確和成功。空間機器人是最復(fù)雜、最昂

貴的機器人，用于探測太空，我國探月工程中使用的玉兔號巡視器（章首圖）就是一個典型代表。

隨著機器人技術(shù)的發(fā)展與進步，機器人變得越來越“聰明”，它們是否有一天會完全取代人類的

工作？人類的前途是否堪憂？實際上，科技本身并沒有好壞之分，是人類決定了如何去使用它。面

對科技進步，人類應(yīng)該衡量和思考，該如何運用這些技術(shù)才會對社會更有益，使世界變得更加美好。

課堂重點知識小結(jié)

1.傳感器：能夠感受諸如力、溫度、光、聲、化學(xué)成分等被測量，并能把它們按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換

為便于傳送和處理的可用信號輸出。

2.傳感器的分類：

物理傳感器：包括力傳感器、磁傳感器、聲傳感器等物理傳感器；

化學(xué)傳感器：包括離子傳感器、氣體傳感器等化學(xué)傳感器；

生物傳感器：包括酶傳感器、微生物傳感器，細胞傳感器等生物傳感器。

4．傳感器的組成與應(yīng)用模式：

隨堂練習(xí)

例1、(多選)如圖電容式觸摸屏的構(gòu)造主要是在玻璃屏幕上鍍一層透明的薄膜導(dǎo)體層，再在導(dǎo)體層外

加上一塊保護玻璃，電容式觸摸屏在觸摸屏四邊均鍍上狹長的電極，在導(dǎo)體層內(nèi)形成一個低電壓交

流電場，在觸摸屏幕時，由于人體是導(dǎo)體，手指與內(nèi)部導(dǎo)體層間會形成一個特殊電容(耦合電容)，四

邊電極發(fā)出的電流會流向觸點，而電流強弱與手指到電極的距離成正比，位于觸摸屏后的控制器便

會計算電流的比例及強弱，準確算出觸摸點的位置。由以上信息可知，下列說法中正確的是

()

A．電容式觸摸屏的兩極板分別是導(dǎo)體層和手指

B．當用手觸摸屏幕時，手指與屏的接觸面積越大，電容越大

C．當用手觸摸屏幕時，手指與屏的接觸面積越大，電容越小

D．當用手觸摸屏幕時，手指和屏的接觸面積的大小影響電容的大小

【答案】：ABD

【解析】：電容式觸摸屏在原理上把人的手指當作一個電容器元件的一個極板，把導(dǎo)體層當作另一

極板，故選項A正確；手指和屏的接觸面積大小會影響到電容大小，接觸面積越大，即兩極板的正

對面積越大，電容越大，故選項B、D正確，C錯誤。

例2、（多選）下列說法正確的是()

A．傳感器擔負著信息采集的任務(wù)

B．干簧管是一種能夠感知磁場的傳感器

C．傳感器不是電視遙控接收器的主要元件

D．傳感器是把力、溫度、光、聲、化學(xué)成分轉(zhuǎn)換為電信號的主要工具

【答案】ABD

【解析】傳感器的任務(wù)就是采集信息，A對；干簧管是由平行不接觸的兩個極易被磁化的軟鐵片

組成的，它靠近磁場時被磁化后相互吸引而接觸，B對；由傳感器的定義知D對．

例3、（單選）人類發(fā)射的繞地球運轉(zhuǎn)的所有航天器，在軌道上工作時都需要電能，所需要的電能

都是由太陽能電池把太陽能轉(zhuǎn)化為電能得到的，要求太陽能電池板總是對準太陽，為達到這一要求

應(yīng)利用下列哪種傳感器來感知太陽方位()

A．力傳感器B．光傳感器

C．溫度傳感器D．生物傳感器

【答案】B

【解析】太陽帆的有效采光面積不同，所產(chǎn)生的電流不同，當電流最大時正對太陽，所以應(yīng)用的

是光傳感器，選項B正確，選項A、C、D錯誤．

例4、（單選）如圖所示是一自動控制電路示意圖，R1為光敏電阻，當照射到R1處的光消失時，

電流表A中的電流I及ab間的電壓U的變化情況是()

A．I變大，U變大B．I變小，U