5.2 常见传感器的工作原理 教案 (2)

5.2
常见传感器的工作原理
教案
三维教学目标
1、知识与技能
（1）知道什么是传感器；
（2）了解光敏电阻、热敏电阻、霍尔元件的工作原理；
（3）会使用霍尔电压公式。
2、过程与方法：通过实验，知道常见传感器的工作原理。
3、情感态度与价值观：通过已有知识在传感器中的应用激发科学探究的兴趣。
教学重点：认识各种常见的传感器；了解光敏电阻、热敏电阻、霍尔元件的工作原理。
教学难点：光敏电阻、热敏电阻、霍尔元件的工作原理。
教学方法：实验法、观察法、归纳法。
教学手段：磁铁、干簧管、各种常见传感器、光敏电阻、热敏电阻、霍尔元件、多用电表、热水、冷水、台灯、投影仪等。
教学过程：
（一）引入新课
引导学生看教材中“勇气号”火星探测器的彩色照片；列举生活中的一些自动控制实例，如遥控器控制电视开关、日光控制路灯的开关、声音强弱控制走廊照明灯开关等，激发学生学习兴趣，引出课题。
列举自己知道的自动控制的其他实例。如当走近自动门时，门会自动打开；电梯关门，当两门靠拢到接触人体时，门又会重新自动打开等等。
（二）进行新课
1、什么是传感器
演示实验：
揭示实验“奥秘”：盒子里用到了一种称为“干簧管”的元件。介绍干簧管的构造和工作原理，干簧管是一种能够感知磁场的传感器。引导学生阅读教材2、3段，思考
问题1：
（1）什么是传感器？
（2）传感器的作用是什么？
答：传感器是指这样一类元件：它能够感知诸如力、温度、光、声、化学成分等非电学量，并把它们按照一定的规律转化成电压、电流等电学量，或转化为电路的通断。传感器的作用是把非电学量转化为电学量或电路的通断，从而实现很方便地测量、传输、处理和控制。
出示几种常见的传感器，增加学生的感性认识。
为了制作传感器，常常需要一些元器件，下面看几个实例：
2、光敏电阻
介绍光敏电阻的外形和构造。如图6.1-4
现象：光敏电阻在被光照射时电阻发生明显变化。普通电阻则不会发生变化。
阅读教材中的内容，思考问题：
（1）光敏电阻的电阻率与什么有关？
（2）光敏电阻受到光照时会发生什么变化？怎样解释？
（3）光敏电阻能够将什么量转化为什么量？
答：
（1）光敏电阻的电阻率与光照强度有关。
（2）光敏电阻受到光照时电阻会变小。硫化镉是一种半导体材料，无光照时，载流子极少，导电性能不好；随着光照增强，载流子增多，导电性能变好。
（3）光敏电阻能够将光学量转化为电阻这个电学量。
3、热敏电阻和金属热电阻
阅读教材有关内容，思考问题3：
（1）金属导体与半导体材料的导电性能与温度的变化关系是否相同？
（2）热敏电阻和金属热电阻各有哪些优缺点？
（3）热敏电阻和金属热电阻能够将什么量转化为什么量？
答：
（1）金属导体与半导体材料的导电性能与温度的变化关系不相同。金属导体的导电性能随温度升高而降低；半导体材料的导电性能随温度升高而变好。
（2）热敏电阻灵敏度高，但化学稳定性较差，测量范围较小；金属热电阻的化学稳定性较好，测量范围较大，但灵敏度交差。
（3）热敏电阻或金属热电阻能够将热学量转化为电阻这个电学量。
现象：热敏电阻随着温度的升高电阻发生明显变化。温度越高，电阻值越小。
看教材54页“说一说”栏目中的内容。
给电容器带上一定的电荷，然后用静电计来检测两板间电势差的变化，即可判断电容的变化。电容式传感器能够把位移这个力学量转化为电容这个电学量。
4、霍尔元件
引导学生阅读教材关于霍尔元件的内容。推导霍尔电压的公式。设载流子的电荷量为q，沿电流方向定向运动的平均速率为v，单位体积内自由移动的载流子数为n，垂直电流方向导体板的横向宽度为a，则电流的微观表达式为
……
①
载流子在磁场中受到的洛伦兹力
载流子在洛伦兹力作用下侧移，两个侧面出现电势差，载流子受到的电场力为
当达到稳定状态时，洛伦兹力与电场力平衡，即……②
由①②式得……③
式中的nq与导体的材料有关，对于确定的导体，nq是常数。令，则上式可写为
……④
一个确定的霍尔元件的d、k、为定值，再保持I不变，则UH的变化就与B成正比。这样，霍尔元件能够把磁感应强度这个磁学量转化为电压这个电学量。
5、课堂总结、点评
本节课主要学习了以下几个问题：
1、制作传感器需要的敏感元件光敏电阻、热敏电阻与金属热电阻、霍尔元件等。
2、光敏电阻的阻值随光的强度增大而减小。光敏电阻将光学量转化为电阻这个电学量。
3、热敏电阻的阻值随温度的升高不一定减小。有的热敏电阻阻值会随温度的升高而增大。热敏电阻或金属热电阻将温度这个热学量转化为电阻这个电学量。
4、霍尔元件的霍尔电压公式为，霍尔元件把磁感应强度这个磁学量转化为电压这个电学量。
5、电容式传感器能够把位移这个力学量转化为电容这个电学量。
6、实例探究
光敏电阻及其应用
例1、如图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（
）
A.当有光照射
R1时，信号处理系统获得高电压
B.当有光照射R1时，信号处理系统获得低电压
C.信号处理系统每获得一次低电压就记数一次
D.信号处理系统每获得一次高电压就记数一次
热敏电阻及其应用
例2、有定值电阻、热敏电阻、光敏电阻三只元件，将这三只元件分别接入如图所示电路中的A、B两点后，用黑纸包住元件或者把元件置入热水中，观察欧姆表的示数，下列说法中正确的是（
）
A.置入热水中与不置入热水中相比，欧姆表示数变化较大，这只元件一定是热敏电阻
B.置入热水中与不置入热水中相比，欧姆表示数不变化，这只元件一定是定值电阻
C.用黑纸包住元件与不用黑纸包住元件相比，欧姆表示数变化较大，这只元件一定是光敏电阻
D.用黑纸包住元件与不用黑纸包住元件相比，欧姆表示数相同，这只元件一定是定值电阻
霍尔元件及其应用
例3、如图所示，有电流I流过长方体金属块，金属块宽度为d，高为b，有一磁感应强度为B的匀强磁场垂直于纸面向里，金属块单位体积内的自由电子数为n，试问金属块上、下表面哪面电势高？电势差是多少？（此题描述的是著名的霍尔效应现象）