第六章 传 感 器
6．4 传感器的应用实例
★新课标要求
（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
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。
★教学难点
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。
★教学工具
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
师：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
师：（投影）如图所示光控电路，用发光二极管LED模仿路灯，RG为光敏电阻，R1的最大电阻为51 kΩ，R2为 330 kΩ，试分析其工作原理．
生：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，RG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．
师：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？
生：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1.6V，就需要RG的阻值达到更大，即天色更暗。。
师：用白炽灯模仿路灯，为何要用到继电器？
生：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．
师：（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．
生：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．
师：试说明控制电路的工作原理。
生：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，RG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．
生：分组实验。
师：巡回指导，了解学生实验过程。
2．温度报警器
师：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？
师：（投影）温度报警器的工作电路，如图所示。试分析其工作原理。
生：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，Rl的阻值不同，则报警温度不同．
师：怎样使热敏电阻在感测到更高的温度时才报警？
生：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，R1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．
生：分组实验。
师：巡回指导，了解学生实验过程。
（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
☆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．
分析：热敏电阻R1与滑动变阻器及电磁继电器构成低压控制电路．
答案：（1）电路图如图所示
（2）工作过程：闭合S当温度低于设计值时热敏电阻阻值大，通过电磁继电器电流不能使它工作，K接通电炉丝加热．当温度达到设计值时，热敏电阻减小到某值，通过电磁继电器的电流达到工作电流，K断开，电炉丝断电，停止供热．当温度低于设计值，又重复前述过程．
点评：该电路可以用于恒温箱、自动孵化器等，电路设计是高中电学应了解的内容，对于培养能力、理论联系实际将起到推动作用，也是高考的趋向．
★课余作业
1、课下阅读教材附录，了解“一些元器件的原理和使用要点”。
2、思考并回答“问题与练习”。
★教学体会
思维方法是解决问题的灵魂，是物理教学的根本；亲自实践参与知识的发现过程是培养学生能力的关键，离开了思维方法和实践活动，物理教学就成了无源之水、无本之木。学生素质的培养就成了镜中花，水中月。
★课本“问题与练习”解答
1．当门闭着时，永久磁铁使干簧管接通，斯密特触发器输入端与电源负极相连，处于低电平，则输出端为高电平，故蜂鸣器不发声；当开门时，没有磁铁作用，干簧管不通，斯密特触发器输入端为高电平，则输出端为低电平，则蜂鸣器通电，发声报警．
2．当被测点为高电平时，斯密特触发器输入端A为高电平，则输出端Y应为低电平，故LED发光；当被测点为低电平时，A即为低电平，则输出端Y为高电平，LED不发光．
3．提示：参考本节例1设计．
4．略
常用的传感器
常用传感器是利用某些物理、化学或生物效应进行工作的．根据检测量的不同，可将传感器分为物理型、化学型和生物型三类．
物理型传感器是利用被测量物质的某些物理性质（如电阻、电压、电容、电场、磁场等）发生明显变化的特性制成的，如光电传感器、力学传感器等．
化学型传感器是利用能把化学物质的成分、浓度等化学量转换为电学量的敏感元件制成的．
生物传感器是利用各种生物或生物物质的特性做成的，用以检测与识别生物体内化学成分的传感器，生物或生物物质主要是指各种酶、微生物、抗体等，分别对应酶传感器、微生物传感器、免疫传感器等等．
生物传感器最典型的应用是在医疗卫生行业，医院中各种进行生化分析检验的仪器大多要用到生物传感器．
除了上述三种传感器外，还有压力传感器、气体传感器、味觉传感器等．随着材料科学和自动化技术的发展，新的传感器正不断被发明出来，种类越来越多，功能也越来越强．
传感器的应用改变了我们的生活，没有传感器，就没有现代化的自动控制技术．
传感器的应用实例
温度报警器
光控开关
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1第六章 传 感 器
6．3 传感器的应用 （二）
★新课标要求
（一）知识与技能
1．了解温度传感器在电饭锅和测温仪上的应用。
2．了解光传感器在鼠标器和火灾报警器上的应用。
（二）过程与方法
通过实验或演示实验，了解传感器在生产、生活中的应用。
（三）情感、态度与价值观
在了解传感器原理及应用时，知道已学知识在生活、生产、科技社会中的价值，增强学习兴趣，培养良好的科学态度。
★教学重点
各种传感器的应用原理及结构。
★教学难点
各种传感器的应用原理及结构。
★教学方法
实验法、观察法、讨论法。
★教学工具
演示用的感温铁氧体，磁铁，电烙铁，计算机的鼠标器，光敏电阻，多用表，干电池，蜡烛，各种功率的白炽灯等
★教学过程
（一）引入新课
师：传感器的应用已经渗透到环境保护、交通运输、航天、军事以及家庭生活等各领域．例如，空调、电冰箱、微波炉、消毒碗柜等与温度控制相关的家用电器，几乎都要使用温度传感器．光传感器的应用也十分广泛，如电脑上的鼠标器、路灯的自动控制及火灾报警器等．
这节课我们就来学习温度传感器和光传感器的应用实例。
［板书课题］传感器的应用（二）
（二）进行新课
1、温度传感器的应用——电饭锅
师：人类已步入电气化时代，随着人们生活质量的提高，电饭锅、电饭煲已经走进越来越多的家庭，为什么电饭锅、电饭煲能自动加热和保温而不会使饭烧焦呢？原来电饭锅中采用了温度传感器，能够随着温度的变化自动控制电路的开关。
师：引导学生阅读教材有关内容。
师：温度传感器的主要元件是什么？
生：感温铁氧体。
师：感温铁氧体的组成物质是什么？
生：氧化锰、氧化锌和氧化铁粉末混合烧结而成。
师：感温铁氧体有何特点？
生：常温下具有铁磁性，能够被磁体吸引，温度达到约103℃，失去铁磁性．
师：什么是“居里点”？
生：居里点，又称居里温度，即指103℃。
师：观察演示实验：感温铁氧体的特性。
生：观察实验现象。
现象：当感温铁氧体的温度升高到一定数值时，感温铁氧体与磁铁分离。说明温度升高到一定数值时，感温铁氧体的磁性消失。
师：投影电饭锅的结构示意图。
引导学生思考并回答教材“思考与讨论”中的问题，了解电饭锅的工作原理。
生1：开始煮饭时，用手压下开关按钮，永磁体与感温磁体相吸，手松开后，按钮不再恢复到图示状态。
生2：水沸腾后，锅内大致保持100℃不变。
生3：饭熟后，水分被大米吸收，锅底温度升高，当温度升至“居里点103℃”时，感温磁体失去铁磁性，在弹簧作用下，永磁体被弹开，触点分离，切断电源，从而停止加热．
生4：如果用电饭锅烧水，水沸腾后，锅内保持100℃不变，温度低于“居里点103℃”，电饭锅不能自动断电。只有水烧干后，温度升高到103℃才能自动断电。
师：引导学生连贯地叙述电饭锅的工作过程。
生：开始煮饭时，用手压下开关按钮，永磁体与感温磁体相吸，手松开后，按钮不再恢复到图示状态，则触点接通，电热板通电加热，水沸腾后，由于锅内保持100℃不变，故感温磁体仍与永磁体相吸，继续加热，直到饭熟后，水分被大米吸收，锅底温度升高，当温度升至“居里点103℃”时，感温磁体失去铁磁性，在弹簧作用下，永磁体被弹开，触点分离，切断电源，从而停止加热．
2．温度传感器的应用——测温仪
师：2003年的那个春天，一头恶魔冲进中华大地，一夜之间，国人无不谈S ARS色变．但在全国人民的共同努力下，终于将这头恶魔降服，并彻底消灭，在抗击SARS的过程中，许多公共场合都使用了非接触式红外测温仪．
师：引导学生阅读教材，思考并回答有关问题。
师：温度传感器测温仪有何优点？
生1：可以远距离读取温度的数值．因为温度信号变成电信号后可以远距离传输．
师：常见的测温元件有哪些？
生2：热敏电阻、金属热电阻、热电偶及红外线敏感元件等．
3．光传感器的应用——鼠标器
师：在工农业生产中经常用到自动控制装置，而设计自动控制装置很多情况下要用到传感器．如光电传感器，把光信号转化为电信号，然后对电信号进行放大，再将电信号输入到相应的装置，进而完成相应的自动控制。下面我们学习光传感器的应用实例——鼠标器。
师：引导学生阅读教材有关内容，思考并回答有关问题。
师：机械式鼠标器的内部组成是什么？
生1：滚球、滚轴与码盘、红外发射管与红外接收管．（光传感器，如图所示）豆品多一
师：简述机械式鼠标器的工作原理。
生2：鼠标器移动时，滚球运动通过轴带动两个码盘转动，红外接收管就收到断续的红外线脉冲，输出相应的电脉冲信号，计算机分别统计两个方向的脉冲信号，红外接收管处理后就使屏幕上的光标产生相应的位移。
4．光传感器的应用——火灾报警器
师：许多会议室、宾馆房间的天花板上都装有火灾报警器，火灾报警器是光传感器应用的又一实例。
师：引导学生阅读教材有关内容，思考并回答有关问题。
师：以利用烟雾对光的散射来工作的火灾报警器为例，简述其工作原理。
生：报警器带孔的罩子内装有发光二极管LED、光电三极管和不透明的挡板．平时，光电三极管收不到LED发出的光，呈现高电阻状态．烟雾进入罩内后对光有散射作用，使部分光线照射到光电三极管上，其电阻变小．与传感器连接的电路检测出这种变化，就会发出警报．
师：实验
生：做实验，记录实验现象。
（三）课堂总结、点评
本节课主要学习了以下几个问题：
各种传感器广泛应用于人们日常生活、生产中，如空调、电冰箱、电饭堡、火灾报警器、路灯自动控制、电脑鼠标器等．传感器把所感受到的物理量，如力、热、磁、光、声等，转换成便于测量的电压、电流等，与电路相结合达到自动控制的目的．
（四）实例探究
☆温度传感器的应用
【例1】如图甲为在温度为10℃左右的环境中工作的某自动恒温箱原理简图，箱内的电阻R1=20 kΩ，R2=10 kΩ，R3=40 kΩ，Rt为热敏电阻，它的电阻随温度变化的图线如图乙所示．当 a、b端电压 Uab<0时，电压鉴别器会令开关S接通，恒温箱内的电热丝发热，使箱内温度提高；当Uab>0时，电压鉴别器使 S断开，停止加热，恒温箱内的温度恒定在_________℃．
解析：设电路两端电压为为U，当Uab=0时，有
解得Rt=20 kΩ
由图乙可知，当Rt=20 kΩ时，t=35℃．
答案：35
☆光传感器的应用
【例2】如图所示为一实验小车中利用光电脉冲测量车速和行程的装置示意图。A为光源，B为光电接收器，A、B均固定在车身上，C为小车的车轮，D为与C同轴相连的齿轮。车轮转动时，A发出的光束通过旋转齿轮上齿的间隙后变成脉冲光信号，被B接收并转换成电信号，由电子电路记录和显示。若实验显示单位时间内脉冲数为n，累计脉冲数为N，则要测出小车的速度和行程还必须测量的物理量和数据是 ，小车速度的表达式为v= ；行程的表达式为= 。
解析：这是一道以实际问题为背景的实验题，显然无法通过迁移课本实验中的方法来解决。但是题目给出了装置图，该图及题文中的相关说明给我们一定提示，光束原来是连续的，是转动的齿轮使光束变为脉冲，因此脉冲情况必定与齿轮（或车轮）的转动有关，也就与速度和行程有关。
根据速度的意义和车正常行驶的情况，应有v=2πR f，其中R为车轮的半径，f为单位时间内车轮转过的圈数；若车轮的齿数为P，则转一圈应有P个脉冲被B接收到，因此有，代入上式，有。
同样，根据行程的意义，应有，其中f为整个行程中车轮转过的圈数；而，所以。可见，还必须测量的物理量和数据是车轮的半径R和齿轮齿数P，速度和行程的表达式如上面两式所示。
答案：车轮的半径R和齿轮齿数P；；
★课余作业
1、课下阅读有关传感器应用的科普类文章，了解有关传感器的应用实例以及工作原理。
2、阅读教材“科学漫步”，了解有关“机器人”的知识。
3、思考并回答“问题与练习”第1、2题。
★教学体会
思维方法是解决问题的灵魂，是物理教学的根本；亲自实践参与知识的发现过程是培养学生能力的关键，离开了思维方法和实践活动，物理教学就成了无源之水、无本之木。学生素质的培养就成了镜中花，水中月。
★课本“问题与练习”解答
1．（l）声传感器和光传感器 （2）与门电路
2．（1）由于磁传感器输出的由压与感受的磁感应强度成正比的变化，可将待测电流通入绕在不闭合铁芯上的线圈中，如图所示．将传感器置于铁芯间隙；如图中A位置，通过转换电路及检测电路即可得到电流。
（2）霍尔传感器与永磁体连在一起时．在霍尔传感器中 形成一个固定的偏置电压，这时当导磁材料进入传感器 的区域时，会引起传感器中磁场的变化，从而可以确定导磁材料的位置，因此将芯片固定在汽车或机器的铁质齿轮附近，由于铁是导磁材料，每一齿靠近都 会使磁场增强，从而输出高电平，间隙输出低电平，则可由此确定每一齿出现的位置，对应通过检测电路转换，即可得到转速．
红外线传感器与非接触式红外测温仪
红外线传感器接收携带着信息的红外线，转换成电信号，从而得知辐射源的相关参数或信息．
自然界几乎所有的物体都能辐射波长在 0.76 μm～1000 μm的电磁波即红外线，因此红外线传感器不仅被广泛用于航空摄影、卫星遥感遥测等高科技领域，也被广泛用于日常生活中，自动门、生命探测器、非接触式红外测温仪、家电遥控系统以及防盗、防火报警器等均使用了红外线敏感传感器．
由于物体的温度不同，发射红外线的情况也不同，因此利用红外线敏感元件可以实现无接触测温．
非接触式红外测温仪通过接收人体的红外辐射实现体温测试，可在距离人体50 cm～300 cm处快速、有效地筛查出公共场所中的高温人员，再由医护人员对其进行确诊．一般的非接触式红外测温仪测温速度小于0.5 s，分辨力达到0.l℃．与传统的接触式医用温度计相比有两大优点：①非接触式红外测温仪在测温时不必与被测物体表面接触，不像口含式温度计或红外测温仪那样近距离读取测量值；②可立即显示温度值，而口含式温度计要30 s后才能显示最终温度值．
传感器的应用
光传感器
火灾报警器
鼠标器
温度传感器
电饭锅
测温仪
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1第六章 传感器检 测 题
一、本题共10小题；每小题4分，共40分.在每小题给出的四个选项中，有的小题只有一个选项正确，有的小题有多个选项正确.全部选对的得4分，选不全的得2分，有选错或不答的得0分。
1．利用半导体材料可以制成（ ）
A．标准电阻 B．热敏电阻 C．光敏电阻 D．晶体管
2．下列方法有可能使半导体材料的电阻率减小的是（ ）
A．升高半导体的温度 B．用光照射半导体
C．在半导体中加入微量其它杂质 D．以上情况都不可能
3．有一电学元件，温度升高时电阻却大幅度减小，则这种元件可能是（ ）
A．金属导体 B．绝缘体 C．半导体 D．超导体
4．关于各种材料的电阻率，下列说法正确的是（ ）
A．纯金属的电阻率较合金的电阻率小
B．把一根长导线截成两段，每段的电阻率是原来的
C．任何材料的电阻率在任何条件下都不可能为零
D．任何材料的电阻率都随温度的升高而增大
5．如图所示是电容式话筒的示意图，它是利用电容制作的传感器，话筒的振动膜前面镀有薄薄的金属层，膜后距膜几十微米处有一金属板，振动膜上的金属层和这个金属板构成电容器的两极，在两极间加一电压U ，人对着话筒说话时，振动膜前后振动，使电容发生变化，导致话筒所在的电路中的其它量发生变化，使声音信号被话筒转化为电信号，其中导致电容变化的原因可能是电容器两板间的（ ）
A．距离变化 B．正对面积变化
C．介质变化 D．电压变化
6．如图所示是一种延时开关，当S1闭合时，电磁铁F将衔铁D吸下，C线路接通。当S1断开时，由于电磁感应作用，D将延迟一段时间才被释放。则
A．由于A线圈的电磁感应作用，才产生延时释放D的作用
B．由于B线圈的电磁感应作用，才产生延时释放D的作用
C．如果断开B线圈的电键S2，无延时作用
D．如果断开B线圈的电键S2，延时将变长
7．如图所示为一测定液面高低的传感器示意图，A为固定的导体芯，B为导体芯外面的一层绝缘物质，C为导电液体，把传感器接到图示电路中，已知灵敏电流表指针偏转方向与电流方向相同。如果发现指针正向右偏转，则导电液体的深度h变化为（ ）
A．h正在增大 B．h正在减小
C．h不变 D．无法确定
8．随着生活质量的提高，自动干手机已进人家庭。洗手后，将湿手靠近自动干手机，机内的传感器便驱动电热器加热，有热空气从机内喷出，将湿手烘干。手靠近干手机能使传感器工作，是因为（ ）
A．改变了湿度 B．改变了温度
C．改变了磁场 D．改变了电容
9．如图所示为小型电磁继电器的构造示意图，其中L为含铁芯的线圈．P为可经O点转动的铁片，K为弹簧，S为一对触头，A、B、C、D为四个接线柱．电磁继电器与传感器配合，可完成自动控制的要求．其工作方式是（ ）
A．A与B接信号电压，C与D可跟被控电路串联
B．A与B接信号电压，C与D可跟被控电路并联
C．C与 D接信号电压，A与B可跟被控电路串联
D．C与 D接信号电压，A与B可跟被控电路并联
10．演示位移传感器的工作原理如图所示，物体M在导轨上平移时，带动滑动变阻器的金属滑杆P，通过电压表显示的数据，来反映物体位移的大小x，假设电压表是理想的，则下列说法正确的是（ ）
A．物体M运动时，电源内的电流会发生变化
B．物体M运动时，电压表的示数会发生变化
C．物体M不动时，电路中没有电流
D．物体M不动时，电压表没有示数
二、填空题（每题6分，共24分）
11．下述仪器或装置用到传感器的有__________（填字母代号）
A．自动报警器 B．电子台秤 C．电视遥控器 D．红外线探测仪
12．为解决楼道的照明问题，在楼道内安装一个传感器与控制电灯的电路相接。当楼道内有走动而发出声响时，电灯即被电源接通而发光，这种传感器为________传感器，它输入的是_________信号，经传感器转换后，输出的是_________信号。
13．光电传感器利用_________将___________信号转换成了__________信号；热电传感 器利用____________将_________信号转换成了___________信号，从而实现自动控制的目的。
14．如图所示，由电源、小灯泡、电阻丝、开关组成的电路中，当闭合开关S后，小灯泡正常发光，若用酒精灯加热电阻丝时，发现小灯泡亮度变化是___________，发生这一现象的主要原因是________（填字母代号）
A．小灯泡的电阻发生了变化
B．小灯泡灯丝的电阻率随温度发生了变化
C．电阻丝的电阻率随温度发生了变化
D．电源的电压随温度发生了变化
三、本题共3小题36分。解答应写出必要的文字说明、方程式和重要演算步骤。只写出最后答案的不能得分。有数值计算的题，答案中必须明确写出数值和单位。
15．（10分）光敏电阻在各种自动化装置中有很多应用，其中就可用于街道路灯的自动控制开关。如图所示为模拟电路，其中A为光敏电阻，B为电磁继电器，C为照明电路，D为路灯，请连成正确的电路，达到日出灯熄，日落灯亮的效果。简要说明工作原理。
16．（12分）如图所示为一种加速度仪的示意图。质量为m的振子两端连有劲度系数均为k的轻弹簧，电源的电动势为E，不计内阻，滑动变阻器的总阻值为R，有效长度为L，系统静止时滑动触头位于滑动变阻器正中，这时电压表指针恰好在刻度盘正中。求：
⑴系统的加速度a（以向右为正）和电压表读数U的函数关系式。
⑵将电压表刻度改为加速度刻度后，其刻度是均匀的还是不均匀的？为什么？
⑶若电压表指针指在满刻度的3/4位置，此时系统的加速度大小和方向如何？
17．（14分）某学生为了测量一个物体的质量，找到一个力电转换器，该转换器的输出电压正比于受压面的压力（比例系数为k），如图所示，测量时先调节输入端的电压，使转换器空载时的输出电压为0；而后在其受压面上放一物体，即可测得与物体的质量成正比的输出电压U。
现有下列器材：力电转换器、质量为m0的砝码、电压表、滑动变阻器、干电池各一个，开关及导线若干、待测物体（可置于力电转换器的受压面上）．
请完成对该物体质量的测量：
（1）设计一个电路，要求力电转换器的输入电压可调。并且使调节范围尽可能大，画出这一完整的电路（包括力电转换器在内）
（2）简要说明测量步骤，求出比例系数k，并测出待测物体的质量m．
（3）设想实验中可能会出现的问题．
参考答案：
1．BCD 点拨：标准电阻是几乎不受温度影响的电阻，一般是用锰铜合金或镍铜合金制作的。
2．ABC
3．C点拨：金属导体的电阻随温度升高而增大，超导体的电阻几乎为零，半导体（如热敏电阻）的阻值随温度升高而减小。
4．A 点拨：合金的电阻率比纯金属的大，故A正确；金属电阻率是金属导体的特性，故B错；超导材料达到一定低温时，其电阻率可达到零，故C错；半导体（热敏电阻）的电阻率随温度升高而减小，故D错。
5．A 解析：电容式话筒中振动膜上的金属层和这个金属板构成电容器相当于一个平行板电容器。当人对着话筒说话时，振动膜前后振动，使两极板间的距离发生变化，从而导致电容器的电容发生变化．所以选A．
6．BC
7．B 点拨：由电源极性及电流方向可知，A、B构成的电容器上的电荷量减小，据，电容C在减小，可推知正对面积S减小，即h在减小。
8．D 人是导体，可以与其它导体构成电容器。手靠近干手机时，改变了设置在干手机内的电容式传感器的电容，干手机开始工作。能否用湿度和温度来驱使电热器工作，理论上是可行的，但作为干手机，这种传感器的设置有很大缺陷。干手机周围的环境（如湿度和温度）一年四季都在变化，与手的靠近无关，假如湿度、温度发生变化，干手机就马上工作，岂不成了“室内烘干机”？故选项D正确。
9．A 分析：由图可知A、B是电磁继电器线圈，所以A、B应接信号电压，线圈随信号电压变化使电磁继电器相吸或排斥，从而使C、D接通或断开，进而起到控制作用．所以选项A正确．
10．B 分析：电压表为理想电表，则电压表不分流，故触头移动时不会改变电路的电阻，也就不会改变电路中的电流，故A错误；电压表测得是触头P左侧电阻分得的电压，故示数随物体M的移动，亦即触头的运动而变，故B正确，C、D错误．
11．A、B、C、D
12．声电；声；电
13．光敏电阻；光；电；热敏电阻；温度；电
14．变暗； C
点拨：电阻丝的电阻率随温度的升高而增大，电阻也增大，根据知，小灯泡的实 际功率减小，所以变暗。
15．（10分）解：电路连接如图所示。当天亮时，光线照射光敏电阻A，其阻值迅速减小，控制回路电流增大，断电器B工作，吸住衔铁使触点断开，路灯熄灭。当夜晚降临，光线变暗，光敏电阻A的阻值增大。控制回路电流减小，弹簧将衔铁拉起，触点接通，路灯点亮。
（画对电路图给6分，简要说明给4分）
16．（12分）解：（1）当振子向左偏离中间位置x距离时，由牛顿第二定律得
① （2分）
电压表的示数为
② （2分）
由以上两式解得 ③ （2分）
（2）均匀，因为加速度a与电压表示数U是一次函数（线性关系）。
（3）当滑动触头滑到最右端时，电压表最大示数，电压表指针指在满刻度的3/4位置时， （2分）
代入③式解得 方向向左。 （2分）
17．分析：（1）力电转换器虽然是一个全新的仪器，但它与其他所有测量仪器一样，有它们的共性，即需要有一个“调零”步骤，这个“调零”工作的要求就是当受压面上不放物体时通过对输入电路的输入电压的调节从而使输出电压为零，这就是力电转换器的“调零”．
（2）为了使输入电路上的电压可调节且调节范围尽可能大一些，可以用滑动变阻器组成分压电路．
（3）根据题给信息“被测物体质量与输出电压成正比”，先在受压面上放质量为m0的砝码，测出其输出电压U0，然后将待测物体放在受压面上，测出其输出电压U，根据两者的比例关系，便可得出m．
解：（14分）（1）设计的电路图如图所示。（4分）
（2）测量步骤与结果如下：
①闭合开关 S，调节变阻器的滑片 P，使力电转换 器的输出电压为零．（1分）
②将质量为m0的砝码放在力电转换器的受压面上，记下此时的输出电压U0．（1分）
③取下砝码，将待测物体放在力电转换器的受压面上，记下此时的输出电压U。（1分）
由以上测量可求出比例系数k及待测物体的质量m
因为U0=km0g，所以有： （2分）
又由于U = kmg，所以待测物体的质量为： （2分）
（3）实验中可能会出现的问题有： （3分）
①因电源电压太小而输出电压调不到零．
②待测物体的质量超过此力电转换器的量程．
（提出其它问题，只要合理可酌情给分，答出上面任一条给2分，答全给3分）
图 12
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4第六章 传 感 器（复习学案）
（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，RG为光敏电阻，R1的最大电阻为51 kΩ，R2为 330 kΩ，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
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（ ）
A．R 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，R1、R2为定值电阻，L为小灯泡，R3为光敏电阻，当照射光强度增大时，（ ）
A．电压表的示数增大 B．R2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、P2两个滑动头，P1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，P1刚好指着A端，P1与托盘固定相连，若P1、P2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，P1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、P2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．
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．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，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①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，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②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_____
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Ａ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=，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一段管道，其中空部分的长、宽、高分别为图中的a、b、c，流量计的两端与输送液体的管道相连接（图中虚线）。图中流量计的上下两面是金属材料，前后两面是绝缘材料，现于流量计所在处加磁感应强度为B的匀强磁场，磁场方向垂直于前后两面。当导电液体稳定地流经流量计时，在管外将流量计上、下两表面分别与一串接了电阻R的电流表的两端连接，I表示测得的电流值。已知流体的电阻率为ρ，不计电流表的内阻，则可求得流量为
A． B．
C． D．
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4第六章 传 感 器
6．2 传感器的应用 （一）
★新课标要求
（一）知识与技能
1．了解力传感器在电子秤上的应用。
2．了解声传感器在话筒上的应用。
3．了解温度传感器在电熨斗上的应用。
（二）过程与方法
通过实验或演示实验，了解传感器在生产、生活中的应用。
（三）情感、态度与价值观
在了解传感器原理及应用时，知道已学知识在生活、生产、科技社会中的价值，增强学习兴趣，培养良好的科学态度。
★教学重点
各种传感器的应用原理及结构。
★教学难点
各种传感器的应用原理及结构。
★教学方法
实验法、观察法、讨论法。
★教学工具
驻极体话筒的工作电路示教板，示波器，学生电源，电熨斗，日光灯起动器（若干）
★教学过程
（一）引入新课
师：上节课我们学习了传感器及其工作原理。传感器是能够感知诸如力、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，或转化为电路通断的一类元件。请大家回忆一下光敏电阻、热敏电阻、霍尔元件各是把什么物理量转化为电学量的元件？
生：光敏电阻将光学量转化为电阻这个电学量。热敏电阻将温度这个热学量转化为电阻这个电学量。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。
师：这节课我们来学习传感器的应用。
［板书课题］传感器的应用（一）
（二）进行新课
1、传感器应用的一般模式
师：阅读教材开头几段，然后合上书，在练习本上画出传感器应用的一般模式示意图。
生：阅读教材并在练习本上画出传感器应用的一般模式示意图。
师：下面学习几个传感器应用的实例。
2．力传感器的应用——电子秤
师：阅读教材61页最后一段，思考并回答问题。
（1）电子秤使用的测力装置是什么？它是由什么元件组成的？
（2）简述力传感器的工作原理。
（3）应变片能够把什么力学量转化为什么电学量？
生：阅读教材，思考并回答问题。
师：总结点评，结合板画强调讲解应变片测力原理（如图所示）。
应变片能够把物体形变这个力学量转化为电压这个电学量。
3．声传感器的应用——话筒
师：阅读教材62页有关内容，思考并回答问题。
（1）话筒的作用是什么？
（2）说明动圈式话筒的工作原理和工作过程。
（3）说明电容式话筒的工作原理和工作过程。这种话筒的优点是什么？
（4）驻极体话筒的工作原理是什么？有何优点？
生：阅读教材，思考并回答问题。
生1：话筒的作用是把声音信号转化为电信号。
生2：动圈式话筒的工作原理是电磁感应现象。膜片接收到声波后引起振动，连接在膜片上的线圈随着一起振动，线圈在永磁体的磁场里振动从而产生感应电流（电信号），感应电流的大小和方向都变化，振幅和频率的变化都由声波决定，这个信号电流经扩音器放大后传给扬声器，从扬声器中就发出放大的声音。
生3：电容式话筒的工作原理：利用电容器充放电形成的充放电电流。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．
优点：保真度好。
生4：驻极体话筒的原理同电容式话筒，只是其内部感受声波的是驻极体塑料薄膜．优点：体积小，重量轻，价格便宜，灵敏度高，工作电压低。
师：指出：驻极体话筒利用了电介质的极化现象：将电介质放入电场中，在前后两个表面上会分别出现正电荷与负电荷的现象．某些电介质在电场中被极化后，去掉外加电场，仍然会长期保持被极化的状态，这种材料称为驻极体．
师：演示实验：
生：观察实验现象。
现象：不同的声波信号，荧光屏上显示的波形不同。说明话筒产生的电信号是由接收到的声波控制的。
3．温度传感器的应用——电熨斗
师：温度传感器是应用最广泛的传感器之一，它能把温度的高低转变成电信号，通常是利用物体的某一物理性质随温度的变化而改变的特性制成的．电熨斗就是靠温度传感器来控制温度的。
实验：
生：做实验，观察实验现象。
师：电熨斗就装有双金属片温度传感器。这种传感器的作用是控制电路的通断。
投影：电熨斗结构图（如图所示）
思考与讨论：
（1）常温下，上、下触点应是接触的还是分离的？当温度过高时，双金属片将怎样起作用？
（2）熨烫棉麻衣物和熨烫丝绸衣物需要设定不同的温度，这是如何使用调温旋钮来实现的？
参考答案：（1）常温下，上、下触点应是接触的，但温度过高时，由于双金属片受热膨胀系数不同，上部金属膨胀大，下部金属膨胀小，则双金属片向下弯曲，使触点分离，从而切断电源，停止加热．温度降低后，双金属片恢复原状，重新接通电路加热，这样循环进行，起到自动控制温度的作用．
（2）熨烫棉麻衣物和熨烫丝绸衣物需要设定不同的温度，此时可通过调温旋钮调节升降螺丝，升降螺丝带动弹性钢片升降，从而改变触点接触的难易，达到控制在不同温度的目的．
（三）课堂总结、点评
本节课主要学习了以下几个问题：
力传感器的应用——电子秤
传感器的应用 声传感器的应用——话筒
温度传感器的应用——电熨斗
力传感器是把力信号转换成电信号；声传感器是把声音信号转换为电信号，而温度传感器往往是用来进行自动控制．
（四）实例探究
☆力传感器的应用
【例1】用如图所示的装置可以测量汽车在水平路面上做匀加速直线运动的加速度．该装置是在矩形箱子的前、后壁上各安装一个由力敏电阻组成的压力传感器．用两根相同的轻弹簧夹着一个质量为2.0 kg的滑块可无摩擦滑动，两弹簧的另一端分别压在传感器a、b上，其压力大小可直接从传感器的液晶显示屏上读出．现将装置沿运动方向固定在汽车上，传感器b在前，传感器a在后．汽车静止时，传感器a、b在的示数均为 10 N（取g=10 m／s2）．
（1）若传感器a的示数为 14 N、b的示数为6.0 N，求此时汽车的加速度大小和方向．
（2）当汽车以怎样的加速度运动时，传感器a的示数为零．
分析：传感器上所显示出的力的大小，即弹簧对传感器的压力，据牛顿第三定律知，此即为弹簧上的弹力大小，亦即该弹簧对滑块的弹力大小．
解：（1）如图所示，依题意：左侧弹簧对滑块向右的推力 F1=14N，右侧弹簧对滑块的向左的推力 F2=6.0 N．
滑块所受合力产生加速度a1，根据牛顿第二定律有
得4 m/s2
a1与F1同方向，即向前（向右）．
（2）a传感器的读数恰为零，即左侧弹簧的弹力，因两弹簧相同，左弹簧伸长多少，右弹簧就缩短多少，所以右弹簧的弹力变为N。滑块所受合力产生加速度，由牛顿第二定律得，a2=10m/s2，方向向左．
☆温度传感器的应用
【例2】 在家用电热灭蚊器中，电热部分主要元件是PTC 元件，PTC元件是由钛酸钡等半导体材料制成的电阻器，其电阻率随温度t的变化关系如图所示，由于这种特性，PTC元件具有发热、保温双重功能．对此，以下判断正确的是（ ）
①通电后，其电功率先增大，后减小 ②通电后，其电功率先减小，后增大 ③当其产生的热量与散发的热量相等时，温度保持在t1不变 ④当其产生的热量与散发的热量相等时，温度保持在t1和t2之间的某一值不变
A．①③ B．②③ C．②④ D．①④
分析：当电热灭蚊器温度由0升到t1的过程中，电阻器的电阻率随温度升高而减小，其电阻R随之减小，由于加在灭蚊器上的电压U保持不变，灭蚊器的热功率P随之增大，当t=t1时，P=P1达到最大．当温度由t1升高到t2的过程中增大，R增大，P减小；而温度越高，其与外界环境温度的差别也就越大，高于环境温度的电热灭蚊器的散热功率P′也就越大；因此在这之间的某一温度t3会有P=P3= P′，即电热功率P减小到等于散热功率时，即达到保温；当tP′，使温度自动升高到t3；当t>t3，P点评：对给定图象的题目，要注意分析图象信息，把握变化规律，并结合所学物理规律进行分析讨论．
★课余作业
1、课下阅读有关传感器应用的科普类文章，了解有关传感器的应用实例以及工作原理。
2、思考并回答“问题与练习”第1、2题。书面完成第3题。
★教学体会
思维方法是解决问题的灵魂，是物理教学的根本；亲自实践参与知识的发现过程是培养学生能力的关键，离开了思维方法和实践活动，物理教学就成了无源之水、无本之木。学生素质的培养就成了镜中花，水中月。
★课本“问题与练习”解答
1．（1）冰箱内温度较高时，密封系统中的压强增大，盆体膨胀，膜盒3通过小柱体带动弹簧片4，使动触点5与静触点6接触，控制压缩机自动开始工作，而在达到设定的低温时拉簧带动弹簧片4将触点5、6断开，使压缩机停止工作．
（2）凸轮逆时针转动会加大连杆9对弹簧7的拉力，该拉力与弹性膜盒3共同控制弹簧片4的运动，故弹簧7上弹力的变化会改变设定的温度．
2．该同学设计的电路在原理上可行，当滑动片P在滑动变阻器中央时P、Q等势，电压表指针指中央零点．
这个装置可以同时测出加速度大小和方向，大小可通过电压表示数大小表示，方向可通过偏转方向判定．
当物体具有图示方向的加速度a时，滑块向左移，则变阻器右端电阻大，故电流流过滑动变阻器时电势降落大，则Q点电势高于P点，则指针应向零点左侧偏转．
3．（1）A、B端（2）由图甲知，t=100℃时R=50Ω，则继电器电路中电流在100℃时，，其中为继电器的电阻。
代入数据解得，
动圈式话筒的原理
话筒是把声音转变为电信号的装置．图1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，音圈在永磁体的磁场里振动从而产生感应电流（电信号），感应电流的大小和方向都变化，振幅和频率的变化都由声波决定，这个信号电流经扩音器放大后传给扬声器，从扬声器中就发出放大的声音。
电容式传感器
电容器的电容C决定于极板正对面积S、极板间距离d以及极板间的电介质这几个因素．如果某一物理量（如角度θ、位移s、深度h等）的变化能引起上述某个因素的变化，从而引起电容的变化，那么，通过测定电容器的电容就可以确定上述物理量的变化，有这种用途的电容器称为电容式传感器．
图2是用来测定角度θ的电容式传感器．当动片与定片之间的角度θ发生变化时，引起极板正对面积S的变化，使电容C发生变化．知道C的变化，就可以知道θ的变化情况．
图3是测定液面高度h的电容式传感器，在导线芯的外面涂上一层绝缘物质，放入导电液体中，导线芯和导电液体构成电容器的两个极，导线芯外面的绝缘物质就是电介质．液面高度h发生变化时，引起正对面积发生变化，使电容C发生变化．知道C的变化，就可以知道h的变化情况．
图4是测定压力F的电容式传感器，待测压力F作用于可动膜片电极上的时候，膜片发生形变，使极板间距离d发生变化，就可以知道F的变化情况。
图2 图3 图4 图5
图5是测定位移x的电容式传感器，随着电介质进入极板间的长度发生变化，就可以知道x的变化情况
实际中有各种各样的传感器．它们都是根据各种物换效应设计而成的，我们在初中学过，导线的电阻决定于导线的横截面积、长度和温度等因素，由此可以制成电阻式传感器，用来测定压力、温度等物理量．
传感器是把非电学物理量（如位移、速度、压力、温度、湿度、流量、声强、光照度等）转换成电学量（如电压、电流等）的一种元件．传感器输入的是非电学物理量x，输出的是电学量y（图6）。将非电学物理量转换成电学量后，测量比较方便，而且能输入到计算机进行处理．各种传感器是自动控制设备中不可缺少的元件，已经渗透到宇宙开发、环境保护、交通运输以至家庭生活等多种领域．
学习物理要有应用意识，善于把所学知识应用于实际中，同学们应该在这方面作出努力！
图1
图6
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1第六章 传感器复习巩固课
★教学目标：
1．知识目标
进一步体会非电学量转换成电学量的技术意义。进一步了解常见传感器的工作原理，知道传感器是由敏感元件、电子线路与控制线路等组成的。
2．能力目标
了解传感器的工作原理，并能简单应用传感器知识解决一些实际问题
3．物理方法教育目标
通过传感器在生活、生产与技术中的应用实例分析，拓展学生的思维，培养创新意识，激发学习兴趣。
★复习重点：
传感器的工作原理及应用实例分析
★教学方法：
传感器的工作原理及应用实例分析
★教具
投影片，学案
★教学过程
（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，RG为光敏电阻，R1的最大电阻为51 kΩ，R2为 330 kΩ，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
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 Rt（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。
分析：若往R t上擦一些酒精，由于酒精蒸发吸热，热敏电阻R t温度降低，电阻值增大，所以电流减少，指针应向左偏；用吹风机将热风吹向电阻，电阻R t温度升高，电阻值减小，电流增大，指针向右偏．
答案：左 右
点评：欧姆表的表盘刻度最右侧为 0，最左侧为最大值．
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（ ）
A．R 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
分析：R 2与灯L并联后与R1串联，与电源构成闭合电路，当热敏电阻温度降低时，电阻R 2增大，外电路电阻增大，电流表读数减小，灯 L电压增大，灯泡亮度变强，R1两端电压减小，故 C正确，其余各项均错．
答案：C
2、光敏电阻的特性
【例2】如图所示，R1、R2为定值电阻，L为小灯泡，R3为光敏电阻，当照射光强度增大时，（ ）
A．电压表的示数增大 B．R2中电流减小
C．小灯泡的功率增大 D．电路的路端电压增大
分析：当光强度增大时，R3阻值减小，外电路电阻随R3的减小而减小，R1两端电压因干路电流增大而增大，同时内电压增大，故电路路端电压减小，而电压表的示数增大，A项正确， D项错误；由路端电压减小，而R1两端电压增大知，R2两端电压必减小，则R2中电流减小，故B项正确；结合干路电流增大知流过小灯泡的电流必增大，则小灯泡的功率增大．
答案：ABC
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。
简析：光敏电阻受光照越强，电阻越小，电流越大，所以将Rt包裹起来电阻增大，电流减小，指针向左偏，反之向右偏．
答案：左 右
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、P2两个滑动头，P1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，P1刚好指着A端，P1与托盘固定相连，若P1、P2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，P1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、P2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．
分析：托盘的移动带动P1移动，使P1、P2间出现电势差，电势差的大小反映了托盘向下移动距离的大小，由于R为均匀的滑线电阻，则其阻值与长度成正比．
解：（1）由力的平衡知识知： 解得
（2）放上重物重新平衡后， 解得
（3）由闭合电路欧姆定律知E=IR
由部分电路欧姆定律：U=IRx
由，其中x为P1、P2间的距离，Rx为P1、P2间的电阻，则
联立解得
点评：在有关力电传感器的计算中，必然涉及电路计算，注意欧姆定律及分压原理的应用．
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．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，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=_______
简析：在用力将铁片与磁铁拉开一段微小距离的过程中，拉力F可认为不变，因此，F所做的功．
以w表示间隙中磁场的能量密度，则间隙中磁场的能量．
由题给条件得． 故
因为F所做的功等于间隙中磁场的能量，即W=E，故有
解得
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
解析：根据PTC元件的电阻率随温度变化的曲线，可知在常温下，它的电阻是相当小的，通入电流以后，随着温度的升高，其电阻率先变小后增大，那么它的功率先变大，后变小，温度保持在在t1至t2的某一值不变，这时候电路处于稳定状态，如果温度再升高，电阻率变大，导致电流变小，温度就会降下来；如果温度降低，电阻率减小，导致电流变大，温度就会升上去，所以本题正确答案为A、C。
答案：AC
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①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，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②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_____答案：（1）冷态时PTC电阻很小，电功率很大，所以升温很快（2）6 7
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Ａ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=，其中n代表导体板单位体积中电子的个数。
解析：霍尔效应对学生来说是课本里没有出现过的一个新知识，但试题给出了霍尔效应的解释，要求学生在理解的基础上，调动所学知识解决问题，这实际上是对学生学习潜能的测试，具有较好的信度和效度。
（1）首先分析电流通过导体板时的微观物理过程。由于导体板放在垂直于它的磁感应强度为B的匀强磁场中，电流是电子的定向运动形成的，电流方向从左到右，电子运动的方向从右到左。根据左手定则可判断电子受到的洛仑兹力的方向向上，电子向A板聚集，A 板出现多余的正电荷，所以A板电势低于A 板电势，应填“低于”。
（2）电子所受洛仑兹力的大小为
（3）横向电场可认为是匀强电场，电场强度 ，电子所受电场力的大小为
（4）电子受到横向静电力与洛伦兹力的作用，由两力平衡有
e＝evB 可得Ｕ＝h v B
通过导体的电流强度微观表达式为
由题目给出的霍尔效应公式 ，有
得
点评：①该题是带电粒子在复合场中的运动，但原先只有磁场，电场是在通电后自行形成的，在分析其他问题时，要注意这类情况的出现。②联系宏观量I和微观量的电流表达式 是一个很有用的公式。
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一段管道，其中空部分的长、宽、高分别为图中的a、b、c，流量计的两端与输送液体的管道相连接（图中虚线）。图中流量计的上下两面是金属材料，前后两面是绝缘材料，现于流量计所在处加磁感应强度为B的匀强磁场，磁场方向垂直于前后两面。当导电液体稳定地流经流量计时，在管外将流量计上、下两表面分别与一串接了电阻R的电流表的两端连接，I表示测得的电流值。已知流体的电阻率为ρ，不计电流表的内阻，则可求得流量为
A． B．
C． D．
答案：A
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5第六章 传 感 器
全章概述
在日常生活中我们可能有这样的经历：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…….这是由于传感器在起作用，传感器是自动化控制装置中必不可少的器件，在信息技术高速发展的今天，传感器发挥着越来越重要的作用。
本章知识与我们的生活息息相关，在学习过程中，记要熟记各种敏感元件的特性，又要结合实例，认真体会传感器在实际中的应用，努力培养自己理论联系实际的能力和动手能力；同时应注意观察身边的与传感器有关的例子，并通过查资料或上网了解他们的工作原理，培养自己的观察能力和自学能力。
新课标要求
1．内容标准
（1）知道非电学量转换成电学量的技术意义。
（2）通过实验，知道常见传感器的工作原理。
例1 通过实验认识温度传感器将温度信号转变为电信号的作用。
（3）列举传感器在生活和生产中的应用。
例2 了解光敏传感器及其在日常生活中的应用。
2．活动建议
（1）调查日常生活中传感器的应用，对其中一种的工作原理、技术意义、经济效益进行分析。
（2）利用传感器制作简单的自动控制装置。
新课程学习
6．1 传感器及其工作原理
★新课标要求
（一）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。
（二）过程与方法
通过实验，知道常见传感器的工作原理。
（三）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。
★教学工具
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
师：引导学生看教材55页“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。
生：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。
［板书课题］传感器及其工作原理
（二）进行新课
1、什么是传感器
师：演示实验：
生：观察实验现象。激发学习兴趣。
师：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。
师：引导学生阅读教材2、3段，思考问题：
（1）什么是传感器？
（2）传感器的作用是什么？
生：阅读教材，思考并回答问题。
（1）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。
（2）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。
师：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
师：介绍光敏电阻的外形和构造。如图6.1-4。
师：实验：
生：做实验，观察实验现象。
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。
师：引导学生阅读教材57页的内容，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？
生：阅读教材，思考并回答问题。
（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
师：引导学生阅读教材58页有关内容，思考问题：
（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？
生：阅读教材，思考并回答问题。
（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。
师：实验：
生：做实验，观察实验现象。
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。
师：引导学生看教材59页“说一说”栏目中的内容。
生：对这个问题产生浓厚的兴趣，讨论热烈。
提示：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。
师：总结学生的回答，指出：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
师：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。
生：阅读教材并推导霍尔电压的公式。
师：巡回指导，了解情况。
生：推导过程：
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
师：总结点评学生的推导过程，指出：
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。
（三）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。
（四）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
解析：1．光敏电阻在被光照射时电阻发生变化，这样光敏电阻可以把光照强弱转换为电阻大小这个电学量；
2．光敏电阻的电阻随光照的增强而减小．
3．光电计数器工作原理
当有物体挡住射到光敏电阻R1的光照时，R1电阻增大，电路中电流减小，R2两端电压降低，信号处理系统得到低电压，计数器每由高电压转到低电压，就计一个数，从而达到自动计数目的．
答案：AC
点评：光敏电阻一般由半导体材料做成，当半导体材料受到光照或者温度升高时，会有更多的电子获得能量成为自由电子，同时也形成更多的空穴，于是导电性能明显增强．
☆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
解析：热敏电阻的阻值随温度变化而变化，定值电阻和光敏电阻不随温度变化；光敏电阻的阻值随光照变化而变化，定值电阻和热敏电阻不随之变化．
☆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）
分析：当电流在导体中流动时，运动电荷在洛伦兹力作用下，分别向导体上、下表面聚集，在导体中形成电场，其中上表面带负电，电势低，随着正、负电荷不断向下、上表面积累，电场增强，当运动电荷所受电场力与洛伦兹力平衡时，即 qE＝qvB时，电荷将不再向上或向下偏转，上、下表面间形成稳定电压．
解：因为自由电荷为电子，故由左手定则可判定电子向上偏，则上表面聚集负电荷，下表面带多余等量的正电荷，故下表面电势高，设其稳定电压为U，即
又因为导体中的电流
故
点评：（1）判断电势高低时注意载流子是正电荷还是负电荷．
（2）由以上计算得上、下两表面间的电压稳定时，其中n为单位体积内的自由电荷数，e为电子电荷量，对固定的材料而言为定值，若令，则，此即课本给出的公式。
★课余作业
1、课下阅读“科学漫步”了解有关半导体的导电机理。
2、思考并回答“问题与练习”第1、2题。
★教学体会
思维方法是解决问题的灵魂，是物理教学的根本；亲自实践参与知识的发现过程是培养学生能力的关键，离开了思维方法和实践活动，物理教学就成了无源之水、无本之木。学生素质的培养就成了镜中花，水中月。
★课本“问题与练习”解答
1．甲图中在线圈4上串联电源和电流表．乙图中在线圈3上串联电源和电流表． 甲中当待测物体位移变化时，2、3间的空气间隙变化，线圈 4的电感值发生变化。这一变化量通过转换电路测量电路输出电流，就反映出被测物体位移的变化量．
乙图中被测物体位移变化，带动软铁芯2在线圈中移动，线圈的电感值将变化，这一变化通过转换电路和检测电路输出电流，就得到了被测物体位移的变化。
2．
传感器名称 输入（感受）的物理量或化学量 输出的物理量 可能的工作原理
气体压强传感器 压强 电压（电流） 力电转换
硅光电池 光 电压 光电效应
光电二极管 光 电压 光电效应
湿敏电阻 湿 电压（电阻） 感湿材料受湿电阻变化
话筒 声音 电流 电磁感应
加速度传感器 加速度 电压 电磁感应
测速发电机 速度 电流（电压） 电磁感应
热电偶 温度 电压 热电效应
酒精气体传感器 酒精气体 电阻 化学反应后引起电阻变化
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