2020高中物理 第六章 2传感器的应用学案 新人教版选修3-2

传感器及其工作原理
内容及其解析：
传感器应用在生活中的各个方面，人类已进入电气化和计算机时代，许多信息都需要转化为电学量来处理。
分析传感器应用的这些实例，目的在于认识传感器在工作过程中起了怎样的作用，并不要求学生记住。
二、目标及其解析
1、了解传感器应用的一般模式；
2、理解电子秤、话筒、电熨斗的工作原理。
3、会设计简单的有关传感器应用的控制电路
三、问题诊断分析
教科书使用了大量的图片，有实物图、原理图、结构图、电路图等，并且把它们与文字结合起来进行说明。许多学生对这部分内容不熟悉，需要加以引导。教学中，努力让学生体验传感器与现代生活和科技的密切关系。
四、教学支持条件分析
课前，可布置学生收集家庭中所能找到的传感器。例如：电饭煲、电熨斗、电冰箱、各种遥控、手机说明书。
五、教学过程设计
传感器的应用
班级： 姓名： 课时：2课时
一、学习目标
1、了解传感器应用的一般模式；
2、理解电子秤、话筒、电熨斗的工作原理。
3、会设计简单的有关传感器应用的控制电路。
二、学习重点、难点
重、难点：各种传感器的应用原理及结构。
三、问题与例题
问题1、传感器应用的一般模式：（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。）
问题2、几个传感器应用的实例。
（1）力传感器的应用——电子秤
1、电子秤使用的测力装置是什么？它是由什么元件组成的？
装置:力传感器 元件:金属梁和应变片
2、简述力传感器的工作原理。
两个应变片的形变引起电阻变化致使两个应变片的电压差变化
3、应变片能够把什么力学量转化为什么电学量？
形变转化为电压
例题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．
（2）温度传感器的应用——电熨斗
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？
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，这是如何使用调温旋钮来实现的？
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．
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电饭锅中的温度传感器主要元件是________，它的特点是：常温下具有铁磁性，能够被磁体吸引，但是上升到约103℃时，就失去了磁性，不能被磁体吸引了．这个温度在物理学中称为该材料的“________”或“居里点”．感温铁氧体是用______、______和__________混合烧结而成的．
答案：1.电阻应变片；电阻；形变；电压；力传感器2．控制电路的通断；膨胀系数3．感温铁氧体；居里温度4．氧化锰、氧化锌、氧化铁粉末
（3）、光传感器的应用——火灾报警器
1、结构图 （课本59叶）
2、工作原理：在没有发生火灾时，光电三极管收不到LED发出的光，呈现高电阻状态。当发生火灾时，产生大量烟雾，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。
例题3、如图(1)所示为一测量硫化镉光敏电阻特性的实验电路，电源电压恒定，电流表内阻不计，开关闭合后，调节滑动变阻器滑片，使小灯泡发光逐渐增强，测得流过电阻的电流和光强的关系曲线如图(2)所示，试根据这一特性设计一个自动光控电路．
解析：由光敏电阻的特性曲线可以看出，当入射光增强时，光敏电阻的阻值减小，流过光敏电阻的电流增大．根据题意设计一个路灯自动控制电路如图所示．
控制过程是：当有光照时，光电流经过放大器输出一个较大的电流，驱动电磁继电器吸合使两个常闭触点断开，当无光照时，光电流减小，放大器输出电流减小，电磁继电器释放衔铁，使两个常闭触点闭合，控制路灯电路接通，路灯开始工作．
目标检测
1．电子秤使用的是(　　)
A．超声波传感器　　　　B．温度传感器
C．压力传感器 D．红外线传感器
2．下列器件不是应用温度传感器的是(　　)
A．电熨斗 B．话筒
C．电饭锅 D．测温仪
3．关于电饭锅的说法正确的是(　　)
A．电饭锅中的温度传感器其主要元件是氧化铁
B．铁氧体在常温下具有铁磁性，温度很高时失去铁磁性
C．用电饭锅烧水，水开时能自动断电
D．用电饭锅煮饭时，若温控开关自动断电后，它不能自动复位
4．传感器是一种采集信息的重要器件．下图是由电容器作为传感器来测定压力变化的电路，当待测压力作用于可动膜片电极上时，以下说法正确的是(　　)
①若F向上压膜片电极，电路中有从a到b的电流
②若F向上压膜片电极，电路中有从b到a的电流
③若F向上压膜片电极，电路中不会出现电流
④若电流表有示数，则说明压力F发生变化
⑤若电流表有示数，则说明压力F不会发生变化
A．②④　　　 B．①④　　
C．③⑤　　　 D．①⑤
配餐作业
1．关于电子秤中应变式力传感器的说法正确的是(　　)
A．应变片是由导体材料制成
B．当应变片的表面拉伸时，其电阻变大；反之，变小
C．传感器输出的是应变片上的电压
D．外力越大，输出的电压差值也越大
2．将万用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Rg的两端相连，这时表针恰好指在刻度盘的中央，若用不透光的黑纸将Rg包裹起来，表针将向________(填“左”或“右”)转动，若用手电筒光照射Rg，表针将向________(填“左”或“右”)转动．
3．按下图所示连接好电路，合上S，发现小灯泡不亮，原因是____________；用电吹风对热敏电阻吹一会儿，会发现小灯泡____________，原因是____________；停止吹风，会发现____________；把热敏电阻放入冷水中会发现____________．
4．如图所示是电饭煲的电路图，S1是一个控温开关，手动闭合后，当此开关温度达到居里点(103℃)时，会自动断开．S2是一个自动控温开关，当温度低于70℃时，会自动闭合；温度高于80℃时，会自动断开．红灯是加热时的指示灯，黄灯是保温时的指示灯．分流电阻R1＝R2＝500Ω，加热电阻丝R3＝50 Ω，两灯电阻不计．
(1)分析电饭煲的工作原理；
(2)计算加热和保温两种状态下，电饭煲消耗的电功率之比．
六、课堂小结
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 温度传感器的应用——电熨斗、电饭煲
光传感器的应用——火灾报警器
力传感器是把力信号转换成电信号；光传感器是把光信号转换为电信号，而温度传感器往往是用来进行自动控制．
七、课后小结