高中物理人教版选修3-2教案　6．2《传感器的应用》

传感器的应用
教学目标
1. 知识与技能
(1)了解传感器应用的一般模式．
(2)了解力传感器在电子秤上的应用．
(3)了解温度传感器在电熨斗、电饭锅上的应用．
(4)了解传感器在火灾报警中的应用．
2. 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．
3. 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。

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)。
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。



2 传感器的应用
传感器的应用