高中物理选修3-2精品教案：6．4传感器的应用实例

高中物理教案主备人 秦庆伟 第 1 页 共 7 页第 1 页 -64 传感器的应用实例教学目标（一）知识与技能1了解两个实验的基本原理。2通过实验，加深对传感器作用的体会，培养自己的动手能力。（二）过程与方法通过实验培养动手能力，体会传感器在实际中的应用。（三）情感、态度与价值观在实验中通过动手组装和调试，增强理论联系实际的意识，激发学习兴趣，培养良好的科学态度。教学重点、难点重点1了解斯密特触发器的工作特点，能够分析光控电路的工作原理。2温度报警器的电路工作原理。难点光控电路和温度报警器电路的工作原理。教学方法实验法、观察法、讨论法。教学手段实验过程中用到的有关器材、元器件等，由实验室统一准备教学过程（一）引入新课随着人们生活水平的提高，传感器在工农业生产中的应用越来越广泛，如走廊里的声、光控开关、温度报警器、孵小鸡用的恒温箱、路灯的自动控制、银行门口的自动门等，都用到了传感器传感器的工作离不开电子电路，传感器只是把非电学量转换成电学量，对电学量的放大，处理均是通过电子元件组成的电路来完成的这节课我们就来动手组装光控开关或温度报警器。（二）进行新课实验 1、光控开关1实验原理及知识准备（投影）如图所示光控电路，用发光二极管 LED 模仿路灯，R G 为光敏电阻，R 1 的最大电阻为 51 k，R 2 为 330 k，试分析其工作原理白天，光强度较大，光敏电阻 RG 电阻值较小，加在斯密特触发器 A 端的电压较低，则输出端 Y 输出高电平，发光二极管 LED 不导通；当天色暗到一定程度时，R G 的阻值增大到一定值，斯密特触发器的输入端 A 的电压上升到某个值（1.6V） ，输出端 Y 突然从高电平跳到低电平，则发光二极管 LED 导通发光（相当于路灯亮了） ，这样就达到了使路灯天明熄灭，天暗自动开启的目的（1）要想在天更暗时路灯才会亮，应该把 R1 的阻值调大些还是调小些？为什么？应该把 R1 的阻值调大些，这样要使斯密特触发器的输入端 A 电压达到某个值（如高中物理教案主备人 秦庆伟 第 2 页 共 7 页第 2 页 -1.6V，就需要 RG 的阻值达到更大，即天色更暗。 。（2）用白炽灯模仿路灯，为何要用到继电器？由于集成电路允许通过的电流较小，要用白炽灯泡模仿路灯，就要使用继电器来启闭工作电路（投影）如图所示电磁继电器工作电路，图中虚线框内即为电磁继电器，D 为动触点，E 为静触点试分析电磁继电器的工作原理当线圈 A 中通电时，铁芯中产生磁场，吸引衔铁 B 向下运动，从而带动 动触点 D 向下与 E 接触，将工作电路接通，当线圈 A 中电流为零时，电磁铁失去磁性，衔铁 B 在弹簧作用下拉起，带动触点 D 与 E 分离，自动切断工作电路试说明控制电路的工作原理。天较亮时，光敏电阻 RG 阻值较小，斯密特触发器输入端 A 电势较低，则输出端 Y 输出高电平，线圈中无电流，工作电路不通；天较暗时，光敏电阻 RG 电阻增大，斯密特触发器输入端 A 电势升高，当升高到一定值，输出端 Y 由高电平突然跳到低电平，有电流通过线圈 A，电磁继电器工作，接通工作电路，使路灯自动开启；天明后，R G 阻值减小，斯密特触发器输入端 A 电势逐渐降低，降到一定值，输出端 Y 突然由低电平跳到高电平，则线圈 A 不再有电流，则电磁继电器自动切断工作电路的电源，路灯熄灭分组实验。2温度报警器上一节我们学习了火灾报警器，它是利用烟雾对光的散射作用，使火灾发出的光引起光敏电阻的阻值变化，从而达到报警的目的这种设计其敏感性是否值的怀疑，你想过吗？既然发生火灾时，环境温度要升高，我们能不能用温度传感器来做成火灾报警器呢？（投影）温度报警器的工作电路，如图所示。试分析其工作原理。常温下，调整 R1 的阻值使斯密特触发器的输入端 A 处于低电平，则输出端 Y 处于高电平，无电流通过蜂鸣器，蜂鸣器不发声；当温度升高时，热敏电阻 RT 阻值减小，斯密特触发器输入端 A 电势升高，当达到某一值（高电平） ，其输出端由高电平跳到低电平，蜂鸣器通电，从而发出报警声，R l 的阻值不同，则报警温度不同怎样使热敏电阻在感测到更高的温度时才报警？要使热敏电阻在感测到更高的温度时才报警，应减小 R1 的阻值，R 1 阻值越小，要使斯密特触发器输入端达到高电平，则热敏电阻阻值要求越小，即温度越高分组实验。（三）课堂总结、点评本节课主要学习了以下几个问题：（四）实例探究光控开关温度报警器传感器的应用实例高中物理教案主备人 秦庆伟 第 3 页 共 7 页第 3 页 -电磁继电器与自动控制【例 1】现有热敏电阻、电炉丝、电源、电磁继电器、滑动变阻器、开关和导线若干如图所示，试设计一个温控电路要求温度低于某一温度时，电炉丝自动通电供热，超过某一温度时，又可以自动断电，画出电路图说明工作过程第六章 传 感 器（一）本章知识结构梳理（投影复习提纲，可以印发提纲，要求学生课下预习完成）1什么是传感器？它是怎样的一类元件？2热敏电阻和金属热电阻是一回事吗？它们的阻值随温度分别怎样变化？3霍尔电压 UH=_，式中各量分别表示什么？4光敏电阻有何特性？5传感器应用的一般模式是怎样的？请画图表示。6常用的一种力传感器是由_和_组成的，_是一种敏感元件，现在多用半导体材料组成，受压时其上表面拉伸，电阻变_，下表面压缩，电阻变_。外力越大，这两个表面的电压差值就越_。7指出以下传感器应用的实例中，所应用的传感器，或主要元件。（1）电子秤：_的应用，敏感元件是_（2）话筒：_的应用，分_和_两种。（3）电熨斗：_的应用，敏感元件是_，作用：控制_的通断。（4）电饭锅：_的应用，敏感元件是_，作用：控制_的通断。（5）测温仪：_的应用，测温元件是_或_、_、_。（6）鼠标器：_的应用，主要元件是_或_（7）火灾报警器：_的应用，利用烟雾对_来工作的。8如图所示是光控电路，用发光二极管 LED 模仿路灯，R G 为光敏电阻，R 1 的最大电阻为 51 k，R 2 为 330 k，试分析其工作原理要想在天更暗时路灯才会亮，应该把 R1 的阻值调大些还是调小些？9如图所示温度报警器的工作电路，试分析其工作原理。要使热敏电阻在感测到更高的温度时才报警，应该把R1 的阻值调大些还是调小些？（二）精题讲练高中物理教案主备人 秦庆伟 第 4 页 共 7 页第 4 页 -1、热敏电阻的特性【例 1】如图所示，将多用表的选择开关置于“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（负温度系数热敏电阻是指阻值随温度的升高而减小的热敏电阻）的两端相连，这时表针恰好指在刻度盘的正中间若往 R t 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。针对练习 1：如图所示，R 1 为定值电阻，R 2 为负温度系数的热敏电阻（负温度系数热敏电阻是指阻值随温度的升高而减小的热敏电阻） ，L 为小灯泡，当温度降低时（ ）AR 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2、光敏电阻的特性【例 2】如图所示，R 1、R 2 为定值电阻，L 为小灯泡，R 3 为光敏电阻，当照射光强度增大时， （ ）A电压表的示数增大 BR 2 中电流减小C小灯泡的功率增大 D电路的路端电压增大跟踪练习 2： 如图所示，将多用电表的选择开关置于欧姆档，再将电表的两支表笔分别与光敏电阻 Rt 的两端相连，这时表针恰好指在刻度盘的正中间若用不透光的黑纸将 Rt 包裹起来，表针将向 _（填“左”或“右” ）转动；若用手电筒光照射 Rt，表针将向 _（填“左”或“右” ）转动。3、力传感器的应用【例 3】如图所示为某种电子秤的原理示意图，AB 为一均匀的滑线电阻，阻值为 R，长度为 L，两边分别有 P1、P 2 两个滑动头，P 1 可在竖直绝缘光滑的固定杆 MN 上保持水平状态而上下自由滑动，弹簧处于原长时，P 1 刚好指着 A 端，P 1 与托盘固定相连，若 P1、P 2 间出现电压时，该电压经过放大，通过信号转换后在显示屏上将显示物体重力的大小已知弹簧的劲度系数为 k，托盘自身质量为 m0，电源电动势为 E，内阻不计，当地的重力加速度为 g。求：（1）托盘上未放物体时，在托盘自身重力作用下，P 1 离 A 的距离 xl（2）托盘上放有质量为 m 的物体时，P1 离 A 的距离 x2（3）在托盘上未放物体时通常先核准零点，其方法是：调节 P2，使 P2 离 A 的距离也为 xl，从而使 P1、P 2 间的电压为零校准零点后，将物体 m 放在托盘上，试推导出物体质量 m 与 P1、 P2 间的电压 U之间的函数关系式高中物理教案主备人 秦庆伟 第 5 页 共 7 页第 5 页 -跟踪练习 3： 磁场具有能量，磁场中单位体积所具有的能量叫做能量密度，其值为2B式中 B 是磁感应强度， 是磁导率，在空气中 为一已知常数为了近似测得条形磁铁磁极端面附近的磁感强度 B，一学生用一根端面面积为 A 的条形磁铁吸住一相同面积的铁片 P，再用力将铁片与磁铁拉开一段微小距离 l，并测出拉力 F，如图所示因为 F所做的功等于间隙中磁场的能量，所以由此可得磁感应强度 B 与 F、A 之间的关系为B=_4、温度传感器的应用【例 4】家用电热灭蚊器中电热部分的主要部件是 PTC 元件， PTC 元件是由酞酸钡等半导体材料制成的电阻器，其电阻率与温度的关系如图所示，由于这种特性，PTC 元件具有发热、控温两重功能，对此以下说法中正确的是（ ）A通电后其功率先增大后减小B通电后其功率先减小后增大C当其产生的热量与散发的热量相等时，温度保持在 t1 至 t2 的某一值不变D当其产生的热量与散发的热量相等时，温度保持在 t1 或 t2 不变跟踪练习 4：一般的电熨斗用合金丝作发热元件，合金丝电阻随温度 t 变化的关系如图中实线 所示由于环境温度以及熨烫的衣物厚度、干湿等情况不同，熨斗的散热功率不同，因而熨斗的温度可能会在较大范围内波动，高中物理教案主备人 秦庆伟 第 6 页 共 7 页第 6 页 -易损坏衣物有一种用主要成分为 BaTiO3 被称为“PTC”的特殊材料作发热元件的电熨斗，具有升温快、能自动控制温度的特点PTC 材料的电阻随温度变化的关系如图中实线 所示试根据图线分析：（1）为什么原处于冷态的 PTC 熨斗刚通电时比普遍电熨斗升温快？（2）通电一段时间后电熨斗温度 t 自动地稳定在 T_tT_范围之内 （填下标数字）5、霍尔元件的应用【例 5】 如图所示，厚度为 h、宽为 d 的导体板放在垂直于它的磁感应强度为 B 的均匀磁场中，当电流通过导体板时，在导体板的上侧面 A和下侧面 A之间会产生电势差，这种现象称为霍尔效应。实验表明，当磁场不太强时电势差 U，电流 I 和 B的关系为 U=k ，式中的比例系数 k 称为霍尔系数。霍尔效应可解释如下：外部磁场的洛伦兹力使运动的电子聚集在导体板的一侧，在导体板的另一侧出现多余的正电荷，从而形成横向电场，横向电场对电子施加与洛伦兹力方向相反的静电力，当静电力与洛伦兹力达到平衡时，导体板上下两侧之间就会形成稳定的电势差。设电流 I 是由电子定向流动形成的，电子的平均定向速度为 v，电量为 e，回答下列问题：（1）达到稳定状态时，导体板上侧面 A 的电势 下侧面的电势（填高于、低于或等于） 。（2）电子所受的洛伦兹力的大小为 。 （3）当导体板上下两侧之间的电势差为 U 时，电子所受的静电力的大小为 （4）由静电力和洛伦兹力平衡的条件，证明霍尔系数 k= neI，其中 n 代表导体板单位体积中电子的个数。跟踪练习 5：电磁流量计广泛应用于测量可导电流体（如污水）在管中的流量（在单位时间内通过管内横截面的流体的体积） 。为了简化，假设流量计是如图 7 所示的横截面为长方形的