选修3-2 第六章 传感器 2.传感器的应用（一） 教案

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2　传感器的应用(一)
教学分析　　　　　
本课时是传感器应用的初步知识，在教学活动中有一定的现实性和应用性。传感器虽然在生活、生产、科技中越来越广泛地应用着，但内容对学生来说却是全新的，因此，丰富学生的感性经验，从实际出发，采用实验法教学显得十分重要。本节重点是探究并理解三种传感器的工作原理，认识传感器的简单应用，会分析和设计简单的传感器电路。作为本章承上启下的教学，重点安排在原理的分析和应用上，充分调动学生参与，培养思维，发展能力。
教学目标　　　　　
1．了解传感器应用的一般模式。
2．探究并理解电子秤、话筒、电熨斗的工作原理，认识力、声、温度传感器的一般应用。
3．会分析和设计简单的传感器应用的控制电路。
4．初步了解传感器在生活、生产、科技中的应用，激发学习兴趣，培养理论联系实际的能力，树立学以致用的思想，提高创新意识。
教学重点难点　　　
重点：1.探究并理解电子秤、话筒、电熨斗的工作原理。
2．会分析和设计简单的传感器应用的控制电路。
难点：应变片的测力原理，三种话筒的工作原理，电熨斗的双金属片作用。
设计塑料片海绵模拟应变片实验，可以形象地认识应变片的测力原理，采取动画演示、小老师、演示实验等多种形式，帮助学生理解不同话筒的工作原理，利用启动器的双金属片实验，启发学生认识温度传感器的作用。
教学方法与手段　　
实验法：以演示实验和分组实验为先导，创设情景，激发兴趣，突破难点，帮助学生理解各种传感器的工作原理，引领学生认识、概括各种传感器的作用。
讨论法：小组合作学习为主，调动学生展开对三种传感器的讨论。
教学媒体　　　　　
话筒、扩音器、扬声器、拉力传感器、声控电灯、驻极体话筒的工作电路示教板、示波器、学生电源、电熨斗、日光灯启动器(若干)、多媒体课件。
知识准备　　　　　
复习传感器的作用，电磁感应和电容的知识。
导入新课　　　　　
[事件1]
教学任务：创设情景，激发兴趣，导入新课。
师生活动：
创设情景：①让学生代表利用话筒、扩音器和扬声器进行一分钟科技新闻播报。
②演示实验：用力传感器通过计算机显示作用力和反作用力。
③演示实验：用声控开关控制电灯的通断。
问题引导：话筒、力传感器、声传感器获得的信号一般很微弱，难以听到、看到或触发控制电路，上述三种情景中，传感器应用的一般模式是怎样的？
推进新课　　　　　
[事件2]
教学任务：传感器应用的一般模式。
师生活动：
教师展示：PPT课件展示上述前两种情景中传感器的工作流程图。
声音→话筒(传感器)→扩音器(放大电路)→扬声器
用传感器显示作
用力和反作用力
两个钩子受力的情况可
以由计算机屏幕显示，
横坐标是时间，纵坐标是力
拉力→传感器→计算机显示
用声控开关控制电灯的通断，再列举生活中一些自动控制实例，如：遥控器控制电视开关；日光控制路灯的开关；走近自动门，自动门会自动打开；电梯两门靠拢到接触人体时，会重新自动打开等。
思考并讨论：通过分析，传感器应用的一般模式是什么？
归纳与总结：概括起来说，传感器应用的一般模式示意图如下：
下面探究几个传感器应用的实例。
[事件3]
教学任务：理论探究力传感器的应用——电子秤。
师生活动：
自主学习，阅读教材，交流：电子秤使用的测力装置是什么？常用的力传感器是由什么元件组成的？
结论：电子秤使用的测力装置是力传感器。常用的力传感器是由应变片和金属梁组成的。
思维拓展：应变片是一种敏感元件，多用半导体材料制成。
问题引导：应变片是如何测力的呢？
自制演示实验：在一张塑料卡片的正反面各贴一块海绵模拟应变片形变。
观察与描述：在塑料卡片的正反表面各贴一块海绵，在卡片的一端施力F，则卡片发生弯曲，上表面那块海绵被拉伸，下表面那块海绵被压缩。
讨论与交流：学生分组讨论，小组中心发言人汇报。
对学生的汇报给予适当点评，进行激励性评价。
应变片测力原理
总结与归纳：应变片测力原理：如图所示，弹簧钢制成的梁形元件右端固定，在梁的上下表面各贴一个应变片，在梁的自由端施力F，则梁发生弯曲，上表面拉伸下表面压缩，上表面应变片的电阻变大，下表面应变片的电阻变小。F越大，弯曲形变越大，应变片的阻值变化就越大。如果让应变片中通过的电流保持恒定，那么，上表面应变片两端的电压变大，下表面应变片两端的电压变小，传感器把这两个电压的差值输出。所以，外力F越大，输出的电压差值也就越大。
问题提升：应变片能够把什么量转化成什么电学量？
结论：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。
思维拓展：电子秤里有应变片、电压放大器、模数转换器微处理器和数字显示器等器件。电阻应变片受到力的作用时，它的电阻会发生变化，把应变片放在合适的电路中，它能够把物体作用力F这个力学量转换为电压U这个电学量，因而电子秤是力传感器的应用。
联系实际：力传感器可以测重力等各种力。如车辆牵引力、货车称重(如图)等。
力传感器的应用
用传感器显示作
用力和反作用力
两个钩子受力的情况可
以由计算机屏幕显示，
横坐标是时间，纵坐标是力。
[事件4]
教学任务：声传感器的应用——话筒的构造和工作原理。
师生活动：
学情预设：无论探讨话筒的细微结构，还是讲解电磁工作原理都费时费力，利用动画可以将动圈式话筒的结构非常清晰地突出出来，原理变得浅显易懂，形象直观，生动有趣，高效完成教学任务。
动画演示：1.话筒的作用。
2．动圈式话筒的构造和工作原理。
动圈式话筒的构造
　　
原理图
结论：话筒的作用是把声音信号转化为电信号。
动圈式话筒的工作原理是电磁感应现象。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，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。
电容式话筒原理图
阅读并讨论：电容式话筒的构造、工作原理和它的优点。
学生当老师：介绍电容式话筒的构造：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。
对学生讲解给予激励性评价。
总结与归纳：这种话筒的工作原理是利用电容器充放电形成的电流信号进行输出。优点是保真度好。
问题引导：驻极体话筒的工作原理是什么？有何优点？
演示实验：
演示
用示波器观察话筒的工作
按照图连接驻极体话筒的工作电路。话筒的输出端经过隔直流电容器接到示波器。
轻敲音叉，使其靠近话筒，观察荧光屏上的波形，再对着话筒说话，比较其与音叉波形的区别。
通过以上实验，体会话筒把声信号转变为电信号的过程。
话筒的作用也可以通过电压传感器用计算机演示。
观察与描述：接收不同的声波信号，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。
结论：驻极体话筒的原理类似于电容式话筒，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。
知识拓展：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。
[事件5]
教学任务：实验探究温度传感器的应用——电熨斗。
师生活动：
情景演示：用家庭电熨斗现场熨平衣物。
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。
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的强弱，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。
问题引导：温度传感器是怎样控制温度的呢？先做一个启动器的小实验。
分组实验：两人一组，互助合作。
学情分析：日光灯启动器学生不陌生，在《电磁感应》一章中认识过它的特点和作用，此处仅做实验回顾，不用详细说明。
实验：取一个报废的日光灯启辉器(如图)，去掉外壳，敲碎氖泡的玻璃，可以看到一个U形的双金属片，双金属片的旁边有一根直立的金属丝，两者构成一对触点，常温下触点是分离的，用火焰靠近金属片，可以看到双金属片的形状变化，与金属丝接触；熄灭火焰，双金属片逐渐恢复原状，两个触点分离。把这个启动器用作温控开关，可以自动控制小灯泡的亮暗。
日光灯启动器
中的双金属片
观察与描述：火焰靠近双金属片，双金属片膨胀向外，与金属丝接触；把火焰移开，双金属片收缩向里，与金属丝分离，双金属片起到了自动控制电路通断的作用。
问题提升：电熨斗是怎样工作的呢？
投影展示：电熨斗结构图(如图所示)
电熨斗的结构
　　　
双金属片受热膨胀情况
分析与归纳：电熨斗也装有双金属片温度传感器，作用是自动控制电路的通断。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。
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，起到自动通断电路从而控制温度的作用，双金属片相当于一个自动开关。
(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，升降螺丝带动弹性铜片升降，从而改变触点接触的难易，达到控制不同温度的目的。熨烫棉麻衣物需要较高的温度，旋转调温旋钮，通过升降螺丝降低弹性铜片位置，只有电阻丝产生大量的热，温度较高时，双金属片才会向下弯曲，使触点分离，从而切断电源，停止加热。熨烫丝绸衣物时，旋转调温旋钮，通过升降螺丝升高弹性铜片位置，当电阻丝产生一定的热，温度较低时，双金属片就会向下弯曲，使触点分离，从而切断电源，停止加热。
[事件6]
教学任务：提升认识，提高能力，归纳三种传感器的原理。
师生活动：讨论总结三种传感器原理。
课堂训练　　　　　
1．演示位移传感器的工作原理如下图所示，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
结论：
2．如图是电容式话筒的示意图，话筒的振动膜前面镀有薄薄的金属层，膜后几十微米处有一金属板，膜的金属层和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，导致话筒所在电路中的其他量发生变化，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
讨论与交流：动圈式、电容式、驻极体三种话筒的比较。
相同点：作用相同，都是将声波转换成电压或电流电学量。
不同点：(1)动圈式话筒利用电磁感应原理实现声向电的转换，一般会场用的大多是动圈式话筒。电容式、驻极体话筒原理是声波变化引起电容的变化，实现输出电压的变化。
(2)驻极体话筒价格便宜、灵敏度高，体积小、重量轻。应用于盒式录音机、声控玩具中。
3．如图所示，利用热敏电阻、电磁继电器、电源、导线、开关等，设计了一个有安全和报警两种指示灯的火灾报警装置。请说明它的工作原理。(此热敏电阻阻值随温度升高而增大)
参考答案：1.B
2．A
3．简要说明：火灾温度使热敏电阻变大，引起线圈中的电流减小，磁场对衔铁的吸引力减弱，使得触点接通上面的报警灯报警。
思考与讨论：三种传感器的原理共同特点是什么？
结论：传感器都是将力学量(如压力、温度、声、光等)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。它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。
课堂巩固与反馈　　　　　
[事件7]
教学任务：形成性测试：学生独立完成。时间：6分钟。
1．下列说法正确的是(　　)
A．应变片能把形变这个力学量转换为电压这个电学量
B．所有电子秤都应用了应变式力传感器
C．电熨斗能自动控制温度主要利用了双金属片，两片金属的膨胀系数不相同
D．电熨斗需要较高温度时，要调节温度旋钮，使升降螺丝下移从而推动弹性铜片下移
2．如图是由电容器作为传感器来测定压力变化的电路，当待测压力为F作用于可动膜片电极上时，以下说法中正确的是…(　　)
A．若F向上压膜片电极，电路中有从a到b的电流
B．若F向上压膜片电极，电路中有从b到a的电流
C．若F向上压膜片电极，电路中不会出现电流
D．若电流表有示数，则说明压力F发生变化
3．如图所示为某种电子台秤的原理示意图，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，放上物体后，因P1与托盘固定相连，P1、P2间出现电压，该电压经过放大，通过信号转换后在显示屏上显示物体重力的大小，就可以读出被称物体的重力。请简要说明该电子台秤的原理。
4．加速度计是测定物体加速度的仪器，现代科技中，它已成为导弹、飞机、潜艇制导系统的信息源，如图所示为飞行器的应变式加速度计原理示意图，当系统加速时，加速度计中的滑块也处于加速状态，滑块由两根相同的弹簧连接并架在光滑支架上，支架与待测系统固定在一起，滑块下端滑动臂可在滑动变阻器上无摩擦水平滑动，当系统加速时滑块发生位移，把位移这个力学量转换成电信号输出。已知滑块的质量为m，每根弹簧的劲度系数为k，电源的电动势为E且内阻不计，滑动变阻器的总阻值为R，且总电阻有效长度为L。静态时，两弹簧恰好为原长，滑动变阻器的滑动触头位于正中间，并且此时加速度计的输出电压为零。
求：用输出信号的电压U来表示待测系统加速度a的表达式。
参考答案：1.ACD　2.BD　3.称量物体时，在物体压力作用下滑片P1向下端滑动，引起滑线电阻的变化，P1、P2间出现电压，该电压经过放大，通过信号转换后在显示屏上显示物体重力的大小，就可以读出被称物体的重力。这种电子台秤是将压力力学量转换成电压电学量的力学传感器。4.a＝U
课堂小结　　　　　
[事件8]
教学任务：引导学生从知识、方法、情感三个侧面小结本节课的学习活动。
传感器的应用
通过学习这部分内容使学生认识到：传感器的应用已经渗透到家庭生活、工农业生产、环境保护、交通运输以及航天、军事等各领域，应用越来越广泛。如空调，电冰箱，电饭煲，微波炉，消毒碗柜，走廊里的声光控开关，孵小鸡的恒温箱，路灯的自动控制、银行与宾馆的自动门，火灾报警器，电脑鼠标器等，传感器只是把感受到的如力、热、磁、光、声等物理量，转换成便于测量的电压、电流等电学物理量或电路的通断，达到自动控制的目的，在生活中有着广泛而巧妙的应用，很有价值，必须学好。
布置作业　　　　　
1．上网阅读你感兴趣的传感器应用的科普文章，了解其工作原理。
2．思考并回答“问题与练习”第1、2题。
2　传感器的应用(一)
传感器的应用
课题：利用双金属片自制火灾自动报警仪
过程：结合课堂所学日光灯启动器双金属片的作用，明确实验的目的和要求，首先设计简单、安全、有效的电路，论证方案可行性后，收集、购买相关材料元件，自己制作报警仪，然后进行实验测试，查找原因，完善修改，在自主研究的基础上与课题小组进行交流，然后制作成品美化装饰，向全班同学演示汇报。
本节课内容是传感器应用的初步知识，对学生的创造型思维的培养具有重要的影响。教学设计中坚持从实际出发、学以致用的思想，“物理源于生活，服务于生活”，通过情景创设、动画、图片、演示实验、分组实验、学生当小老师、讨论交流等，丰富学生的感性材料，让学生亲近物理，让学生感到物理有趣、有用，激发学生兴趣，调动其积极性，尽量多地使学生参与到活动中来，让他们亲自实践，参与知识的发现过程，去动手、去领悟、去提升，在实践活动中提出问题，分析问题、解决问题，培养良好的思维方法，发展能力。作为本章承上启下的教学，本节课重点放在原理的分析和应用上，贯彻新课改提高学生动手实践的能力和综合素质的理念。
热电阻温度传感器分类
1．导体热电阻
铂电阻温度传感器
铜电阻温度传感器
铟电阻温度传感器
铑铁电阻温度传感器
铂钴电阻温度传感器
2．半导体热电阻
锗电阻温度传感器
碳电阻温度传感器
碳玻璃电阻温度传感器
ntc热敏电阻温度传感器
传感器市场前景
咨询公司INTECHNOCONSULTING的传感器市场报告显示，2008年全球传感器市场容量为506亿美元，预计2010年全球传感器市场销售额可达600亿美元以上。调查显示，东欧、亚太地区和加拿大成为传感器市场增长最快的地区，而美国、德国、日本依旧是传感器市场分布最大的地区。就世界范围而言，传感器市场上增长最快的依旧是汽车市场，占第二位的是过程控制市场，看好通讯市场前景。
一些传感器市场比如压力传感器、温度传感器、流量传感器、水平传感器已表现出成熟市场的特征。流量传感器、压力传感器、温度传感器的市场规模最大，分别占到整个传感器市场的21%、19%和14%。传感器市场的主要增长来自于无线传感器、MEMS(Micro－Electro－Mechanical Systems，微机电系统)传感器、生物传感器等新兴传感器。其中，无线传感器在2007～2010年复合年增长率预计会超过25%。
目前，全球的传感器市场在不断变化的创新之中呈现出快速增长的趋势。有关专家指出，传感器领域的主要技术将在现有基础上予以延伸和提高，各国将竞相加速新一代传感器的开发和产业化，竞争也将日益激烈。新技术的发展将重新定义未来的传感器市场，比如无线传感器、光纤传感器、智能传感器和金属氧化传感器等新型传感器的出现与市场份额的扩大。
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