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学案1传感器及其工作原理[目标定位] 1.了解什么是传感器，感受传感技术在信息时代的作用与意义.2.知道将非电学量转化为电学量的意义.3.了解光敏电阻、热敏电阻、金属热电阻和霍尔元件的性能，知道其工作原理及作用．一、什么是传感器[问题设计]如图1所示，小盒子A的侧面露出一个小灯泡，盒外没有开关，但是把磁铁B放到盒子上面，灯泡就会发光，把磁铁移走，灯泡熄灭．图1盒子里有什么样的装置，才能消灭这样的现象？答案盒子里用到了干簧管．把干簧管串入电路，当磁铁靠近干簧管时，两个簧片被磁化而接通，所以干簧管能起到开关的作用．[要点提炼]1．干簧管结构：如图2所示，它只是玻璃管内封入的两个软磁性材料制成的簧片．图2作用：在电路中起到开关的作用，它是一种能够感知磁场的传感器．2．传感器定义：能够感受诸如力、温度、光、声、化学成分等物理量，并能把它们依据肯定的规律转换为便于传送和处理的另一个物理量(通常是电压、电流等电学量)，或转换为电路的通断的元件．3．非电学量转换为电学量的意义：把非电学量转换为电学量，可以便利地进行测量、传输、处理和把握．4．在分析传感器时要明确：(1)核心元件是什么；(2)是怎样将非电学量转化为电学量的；(3)是如何显示或把握开关的．二、光敏电阻[问题设计]在工厂生产车间的生产线上安装计数器后，就可以精确得知生产产品的数量，如图3所示为光敏电阻自动计数器的示意图，其中R1为光敏电阻，R2为定值电阻．此光电计数器的基本工作原理是什么？图3答案当光被产品拦住时，R1电阻增大，电路中电流减小，R2两端电压减小，信号处理系统得到低电压，每通过一个产品就获得一次低电压，并计数一次．[要点提炼]1．光敏电阻：把电阻率与所受光照强度有关的物质(如硫化镉)涂敷在绝缘板上，在其表面再用银浆涂敷两个互不相连的栅状电极，这样就制成了一个光敏电阻．2．原理：无光照时，载流子极少，导电性能不好；随着光照的增加，载流子增多，导电性变好．3．特点：光照越强，电阻越小．4．作用：把光照强弱这个光学量转换为电阻这个电学量．三、热敏电阻和金属热电阻[问题设计]如图4所示，将多用电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(温度上升，电阻减小)的两端相连，这时表针恰好指在刻度盘的正中心．若在R T上擦一些酒精，表针将如何偏转？若用吹风机将热风吹向热敏电阻，表针将如何偏转？图4答案 由于酒精挥发，热敏电阻R T 温度降低，电阻值增大，指针将向左偏；用吹风机将热风吹向热敏电阻，热敏电阻R T 温度上升，电阻值减小，指针将向右偏． [要点提炼]1．热敏电阻：用电阻随温度变化格外明显的半导体材料如(氧化锰)制成．按热敏电阻阻值随温度变化的规律，热敏电阻可分为正温度系数的热敏电阻和负温度系数的热敏电阻． (1)正温度系数的热敏电阻随温度上升电阻增大．(2)负温度系数的热敏电阻(如氧化锰热敏电阻)随温度上升电阻减小．2．金属热电阻：金属的电阻率随温度上升而增大，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．3．热敏电阻和金属热电阻都能够把温度这个热学量转换为电阻这个电学量．金属热电阻的化学稳定性好，测温范围大，但灵敏度较差． 四、霍尔元件 [问题设计]如图5所示，在矩形半导体薄片E 、F 间通入恒定的电流I ，同时外加与薄片垂直的磁场B ，则薄片中的载流子就在洛伦兹力的作用下，向着与电流和磁场都垂直的方向移动，使M 、N 间消灭了电压，称为霍尔电压U H .试推导其表达式．图5答案 设薄片厚度为d ，EF 方向长度为l 1，MN 方向长度为l 2，薄片中的载流子受到洛伦兹力发生偏转，使半导体内部消灭电场，载流子同时受到电场力和洛伦兹力的作用，当洛伦兹力与电场力平衡时，M 、N 间电势差达到稳定． 即q Ul 2＝q v B再依据电流的微观表达式I ＝nq v S ，S ＝l 2d 整理得：U ＝IB nqd令k ＝1nq ，其中n 为材料单位体积的载流子的个数，q 为单个载流子的电荷量，它们均为常数．则有U ＝k IBd .[要点提炼]1．组成：在一个很小的矩形半导体薄片上，制作四个电极E 、F 、M 、N ，就成为一个霍尔元件． 2．原理：E 、F 间通入恒定的电流I ，同时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的作用下，向着与电流和磁场都垂直的方向漂移，使M 、N 间消灭电压．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．作用：霍尔电压U H ＝k IBd (d 为薄片的厚度，k 为霍尔系数)．其中U H 与B 成正比，霍尔元件能够把磁感应强度这个磁学量转换为电压这个电学量． 4．霍尔电势凹凸的推断方法由左手定则推断带电粒子的受力方向，假如带电粒子是正电荷，则拇指所指的面为高电势面，假如是负电荷，则拇指所指的面为低电势面，但无论是正电荷还是负电荷，四指指的都是电流方向，即正电荷定向移动的方向，负电荷定向移动的反方向．一、对传感器的生疏例1 如图6是一种测定油箱油量多少或变化多少的装置．图6其中电源电压保持不变，R 是滑动变阻器，它的金属滑片是金属杆的一端．(1)若把一只电压表接在c 、d 之间当油箱中油量削减时，电压表的示数将________(选填“增大”或“减小”)． (2)将电压表接在b 、c 之间，当油箱中油量削减时，电压表的示数将________(选填“增大”或“减小”)． 解析 (1)当油量削减时，R 的数值会增大，电路中的电流会减小，c 、d 间的电压会减小．当把电压表接在c 、d 两点间，电压表示数减小时，表示油量在减小．(2)把电压表接在b 、c 之间，油量削减时，R 增大，电压表的示数增大． 答案 (1)减小 (2)增大二、对光敏电阻、热敏电阻的生疏及应用例2 如图7所示，R 1、R 2为定值电阻，L 为小灯泡，R 3为光敏电阻，当入射光强度增大时( )图7。
物理选修3—2第六章传感器第一节传感器及其工作原理（1课时）一、导学流程课程导入：在电子计算机广泛应用、在信息技术高速发展的今天，担负着信息采集任务的传感器在自动控制、信息处理技术中发挥着越来越重要的作用，例如常用的自动报警器、电视遥控接收器、红外探测仪等都离不开传感器，试说明传感器是哪一类元件。
探究新知（一）什么是传感器如图6-1-1所示，小盒子A的侧面露出一个小灯泡，盒外没有开关，但是把磁铁B放在盒子上面，灯泡就会发光，把磁铁移走，灯泡熄灭。
盒子里有什么样的装置，才能出现这样的现象？（2）干簧管元件电子电路中常用到一种称为“干簧管”的元件，它的工作原理是什么？（3）传感器的定义（4）说明：上面对传感器的定义，只有一种形象定义方法，并不是严格定义，严格来说，①广义定义：传感器是指能感知某一物理量、化学量或生物量等的信息，并能将之转化为可以利用的信息的装置。
②狭义定义：感受被测量，并按一定规律将其转化为同种或别种性质的输出信息的装置。
③由于电信号易于保存、放大、计算、传输，且是计算机惟一能够直接处理的信号，所以传感器的输出一般是电信号（如电流、电压、电阻、电感、电容、频率等）。
但不能认为输出的一定是电信号，传感器的快速发展，其品种已达数万，我们今天学习的只是最基本的几种而已。
札记札记（二）光敏电阻（1）光敏特性实验按图6-1-3所示，将一光敏电阻连入电路中，将多用表的选择开关置于欧姆挡，再将电表的两支表笔分别与光敏电阻两端相连，在欧姆挡上选择适当的倍率，观察表盘所示光敏电阻的阻值；①用手掌遮住光线，光敏电阻在暗环境中，电阻值，上下移动手掌时，光敏电阻阻值明显。
②用强光照射电阻，电阻阻值很。
③换用普通电阻，去掉表面部分漆层，重做上述实验，没有上述现象发生，说明普通电阻不具备光敏特性。
（2）试解释光敏电阻特性的原因例1：图6-1-4所示，是利用光敏电阻自动计数（数传送带上的物体）的示意图，其中A是发光仪器，B是接收信号的仪器，B中的主要元件是光电传感器——光敏电阻，试说明计数原理。
（三）热敏电阻和金属热电阻（1）什么是金属热电阻？它常用什么材料制作？（2）什么是热敏电阻？它常用什么材料制作？（3）说说金属热电阻和热敏电阻的相同点与不同点。
例2：按图6-1-5所示将一热敏电阻连入电路中，将多用电表的选择开关置于“欧姆”挡，再将电表的两支表笔分别与热敏电阻两端相连，将热敏电阻放入有少量冷水并插有温度计的烧杯中，在欧姆挡上选择适当的倍率，观察表盘所示热敏电阻的阻值；再分几次向烧杯中倒入开水，观察不同温度下热敏电阻的阻值，说说这个热敏电阻的阻值是如何随温度变化的。
（四）霍尔元件在一个很小的矩形半导体（例如砷化铟）薄片上，制作4个电极E 、F 、M 、N ，就成为一个霍尔元件，如图所示，在E 、F 间通以恒定的电流I ，同时外加与薄片垂直的磁场B ，则薄片中的载流子就在洛伦兹力的作用下，向着与电流和磁场都垂直的方向漂移，使M 、N 间出现了电压，称为霍尔电压U H 。
可以证明dIB KU H 式中d 为 ，K 为 ，它的大小与薄片的材料有关。
一个霍尔元件的d 、K 为定值，再保持I 恒定，则H U 的变化应与B 正比。
霍尔元件能够把 这个磁学量转换为 这个电学量。
例3：在上图中，从相对的两个极E 、F 接出两条导线，与限流电阻及电流计串联后接到干电池上，调整电阻使通入的电流约为10mA ，将另一对电极M 、N 接到多用表的200mV 直流电压挡上。
将永磁体的一个磁极逐渐靠近霍尔元件的工作面，即写有字符的表面，将会看到霍尔电压怎样变化？用另一个磁极去接近，又会看到什么现象？改变磁感线与霍尔元件工作面夹角，再次观察这个电压的变化，并解释发生的现象。
二、巩固练习：第60页问题与练习1. 21．如图6-1-7所示，为测定压力的电容式传感器，将电容器、灵敏电流计（零刻度在中间）和电源串联成闭合电路，当压力F 作用于可动膜上电极上时，膜片产生形变，引起电容的变化，导致灵敏电流计指针偏转，那么从恒定压力开始作用到膜片形态稳定过程中，灵敏电流计指针偏转情况应是（设电流从电流计“十”接线柱流入时，指针向右偏转。
）（ ）A ．向右偏转，然后又回到零刻线处B ．向左偏转，然后又回到零刻线处C ．向右偏转到某一刻度处静止不动D ．向左偏转到某一刻度处静止不动 2．家用电热灭蚊器中电热部分的主要元件是PTC.PTC 元件是由钛酸钠等半导体材料制成的电阻器，其电阻率与温度的关系如图6-1-8所示，由于这种特性，因此，PTC 元件具有发热、控温双重功能，对此，下列判断正确的是（ ）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1t 或2t 不变D ．当其产生的热量与散发的热量相等时，温度保持在1t ～2t 的某一值不变札 记3．图6-1-9是一种通过测量电容器电容的变化，来检验液面高低的仪器原理图（这种仪器的优点是将非电学量的变化转化为电信号，使测量自动化），容器中装有导电液体，是电容器的一个电极；中间的芯柱是电容器的另一个电极，芯柱外面套有绝缘管（塑料或橡皮）作为电介质，电容器的两个电极分别用导线接到指示器上，指示器显示的是电容的大小，于是从电容的大小就可以知道容器中液面位置的高低。
（1）如果指示器显示出电容增大了，则液面将升高还是降低，其原因是什么？（2）如果指示器显示出电容减小了，则液面又将如何变化？4．如图6-1-10所示，当被测物体在左右方向发生位移时，电介质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？5．如图6-1-11所示为温度警报灯的示意图，试叙述其基本工作原理，如果要改变报警温度，应如何调节？三、本节小结：札记第二节传感器的应用（一）（1课时）一、导学流程通过你的观察了解和学习，试说出你所知道的传感器的种类，例如，力电传感器等。
它们各是把什么量转化为什么量？探究新知（一）传感器应用的一般模式（二）力传感器的应用——电子秤试简述应变片测力原理应变式力传感器可以用来测重力、外力、拉力等各种力。
应变片能够把这个力学量转换为这个电学量。
例1：如图6-2-2所示为大型电子地磅电路图，电源电动势为E，内阻不计，不称物体时，滑动头P在A端，滑动变阻器接入电路中有效电阻最大，电流较小；称重物时，在压力作用下使滑动头下移，滑动变阻器有效电阻变小，电流变大，这样把电流对应的质量值刻在刻度盘上，就可以读出被称物体的质量，若滑动变阻器上A、B间长度为L，最大阻值为R0，已知两弹簧的总弹力与形变量成正比，比例系数K，试导出所称重物重力G与电路中电流I的函数关系。
（三）声传感器的应用——话筒1．动圈式话筒原理在剧场里，为了使观众能听演员的声音，常常需要把声音放大，放大声音的装置主要包括话筒，扩音器和扬声器三部分（图6-2-3）传感器放电电路转换札记话筒是把声音转变为电信号的装置，如下图（左）是动圈式话筒的构造原理图，它是利用电磁感应现象制成的，当声波使金属膜片振动时，连接在膜片上的线圈（叫做音圈）随着一起振动，音圈在永磁铁的磁场里振动，其中就产生感应电流（电信号），感应电流的大小和方向都变化，振幅和频率的变化由声波决定，这个信号经扩音后传给扬声器，从扬声器中就发出放大的声音。
2．电容式话筒原理如上图（右）所示，Q是绝缘支架，薄金属膜M和固定电极N形成一个电容器，被直流电源充电，当声波使膜片振动时，电容发生变化，电路中形成变化的电流，于是电阻R两端就输出了与声音变化规律相同的电压。
3．驻极体话筒原理与电容式话筒相似，它的特点是体积小、质量轻、价格便宜、灵敏度高，工作电压只需3—6V，例2：磁带录音机主要由机内话筒、磁带、录放磁头、放大电路、扬声器、传动机构等部分组织，图6-2-6是录音机的录、放原理示意图，简述原理。
（四）温度传感器的应用——电熨斗1．日光灯启动器中的双金属片日光灯启动器的构造如图6-2-7所示，它主要是一个充有氖气的小玻璃泡，里面装有两个电极，一个是固定的静触片，另一个是用双金属片制成的U形动触片，通常，动、静触片间不接触，有一小缝隙，双金属片受札记札记热时，两层金属膨胀的程度不同，下层的膨胀多些，会使U形动触片稍稍伸开一些，而与静触片接触，当双金属片处于常温下，U形动触片冷却收缩，两个触片分离，双金属片就是温度传感器，这种传感器的作用是控制电路的通断。
2．电熨斗的自动控温原理电熨斗在达到设定温度后不再升温，当温度降低时又会继续加热，当温度超过设定温度时，电路断开，停止加热，使它总与设定温度相差不多。
试简述电熨斗自动控温的原理？例3：在一串节目的彩泡的电路中串接一个日光灯启动器，你会看到什么现象？并解释这一现象。
（图6-2-9 ）三、巩固练习（一）基础过关题第64页—65页问题与练习1—31．电子秤的测力装置由金属梁和应变片组成的力传感器，传感器受力时，上表面应变片受力拉伸其电阻，下表面应变片受力压缩其电阻，把应变片电阻变化变换成电压差输出，传感器受力越大，电压差。
2．如图6-2-10所示，一般会场用的大多是动圈式话筒，其原理是电磁感应，试说明它是怎样把声信号转换成电信号的？札记3．用电熨斗熨烫棉麻衣物和熨烫丝绸衣物需要设定不同的温度，这是如何利用调温旋钮来实现的？（二）能力提升题4．如图所示是一种悬球式加速度仪，它可以用来测定沿水平轨道做匀加速直线运动的列车的加速度。
m是一个金属球，它系在细金属丝的下端，金属丝的上端悬挂在O点，AB是一根长为l的电阻丝，其阻值为R，金属丝与电阻丝接触良好，摩擦不计，电阻丝的中点C焊接一根导线，从O点也引出一根导线，两导线之间接入一个电压表V，金属丝和导线内阻不计，图中虚线OC与AB相垂直，且OC=h，电阻丝AB接在电压为U的直流电源上，整个装置固定在列车中使AB沿着列车前进的方向，列车静止时金属丝呈竖直状态，当列车加速或减速前进时，金属丝偏离竖直方向，从电压表的读数变化可以测出加速度的大小。
（1）当列车在水平轨道向右做匀加速直线运动时，试写出加速度a与金属丝偏角 的关系；写出加速度a与电压表读数'U的对应关系，以便重新刻制电压表表盘使它成为直接读加速度数值的加速度仪。
（2）这个装置能测得的最大加速度为多大？（3）为什么C点设置在电阻丝AB的正中点？对电压表的选择有何特殊要求？三、本节小结：第三节传感器的应用（二）（1课时）札记一、导学流程你的家庭、学校和附近的公共设施中，有哪些地方使用了传感器？这些传感器各是什么类型的？各起了什么作用？探索新知（一）温度传感器的应用-----电饭锅1．感温铁氧体感温铁氧体是用氧化猛、氧化锌和氧化铁粉末混合烧结而成的。
