2012【优化方案】精品课件：物理粤教选修3-2第三章第五节

(共32张PPT)
第四节　用传感器制作自控装置
第五节　用传感器测磁感应强度
课标定位
学习目标：
1.了解与传感器技术相关的物理知识，练习用传感器制作自动装置．
2．知道什么是磁传感器，了解霍尔元件的工作原理及如何用霍尔元件测磁感应强度．
重点难点：
1.实验的操作．
2．加深对传感器原理的理解．
3．干簧管的作用及霍尔元件的工作原理．
第五节
核心要点突破
课堂互动讲练
知能优化训练
课前自主学案
课标定位
课前自主学案
一、应用光敏电阻制作光控自动照明灯电路
1．实验目的
了解与传感器技术相关的物理知识，练习用传感器制作自动控制装置．
2．实验器材
二极管VD、晶闸管VS、光敏电阻RG、定值电阻R(7.5 MΩ)、灯泡L、万用表、导线．
3．实验原理
图3－4－1
由晶闸管VS与电灯L构成主回路，控制回路由R与RG组成的分压器及二极管VD构成，如图3－4－1所示．
(1)白天自然光较强时，光敏电阻呈低电阻，与R分压后使晶闸管VS门电极处于低电平，VS关断．
(2)当夜幕降临时，照在RG上的自然光减弱，RG呈高电阻，使VS的门电极处于高电平，VS获正向触发电压而导通，灯L亮．
(3)改变R的阻值，即改变其与RG的分压比，可调整电路的起控点．
(4)二极管VD，晶闸管VS的特性
①二极管：具有单向导电性．当给二极管加正向电压时，它的阻值很小；当给二极管加反向电压时，它的电阻很大．
②晶闸管VS：当晶闸管承受反向电压时，不论门极承受何种电压，晶闸管都处于关断状态．当晶闸管承受正向电压时，仅在门极承受正向电压情况下晶闸管才导通．
4．实验步骤
(1)将多用电表旋钮拨至R×1 k挡，调零后，测量电阻R的阻值，检查R是否符合要求．
(2)将多用电表旋钮拨至R×1 k挡，调零后，用两表笔分别接二极管两极，然后将两表笔位置对调．若两次测量结果一次较小，一次很大，则二极管性能良好．
(3)将多用电表旋钮拨至R×1 k挡，红表笔接晶闸管K极，黑表笔同时接通G、A极，在保持黑表笔不脱离A极状态下断开G极，指针指示几十
欧至一百欧，然后瞬时断开A极再接通，若指针指示∞位置，则表明晶闸管良好．
(4)按照电路图，将各元件焊接，安装好．
(5)检查各元件的连接，确保无误．
(6)接通电源，观察强光照射光敏电阻时和用黑纸包裹光敏电阻时灯泡L的状态．
二、磁传感器的原理与应用
1．磁传感器是把________变成______，从而实现对磁感应强度进行测量的．
2．霍尔元件：能够把___________这个磁学量转换成______这个电学量的装置．
3．用传感器测磁感应强度时，通电螺线管产生
______，其方向符合_______________
磁信号
电信号
磁感应强度
电压
磁场
右手螺旋定则．
核心要点突破
一、怎样理解光控开关的工作原理
图3－4－2
　图3－4－2所示的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 Ω.
当天黑时，光线变弱，RG电阻变大，串联电路中RG分得电压增大，二极管LED两端电压相应增加，当电压达到一定值时自动发光．
黎明时，光线变强，RG电阻减小，二极管LED两端电压相应降低，降低到一定值时自动熄灭，从而使RG电路中起到自动控制电路的作用．
即时应用?(即时突破，小试牛刀)
1．如图3－4－3是红外线遥控接收器，甲图为外形，乙图为电路，电路中G为红外线接收头OUT，LED为发光二极管，R为电阻，阻值约为510 Ω，HTD为压电陶瓷喇叭，当接收头未接收到红外线时，接收器不发声．当用遥控器对准接收头(30 m以内)发射红外线时：
图3－4－3
(1)会产生什么现象？
(2)接收头的作用原理是什么？
解析：(1)陶瓷喇叭发出响声，同时发光二极管被点亮．
(2)接收头G是接收红外线的．当未接收到红外线时，接收头输出端为高电平，喇叭不响，二极管不会发光；当接收头接收到红外线时，接收头输入端为高电平，输出端为低电平，喇叭会响，同时二极管会发光．此实验是演示红外线能够实现远距离遥控．
答案：见解析
二、霍尔元件的工作原理是什么？
　霍尔元件就是利用霍尔效应而设计的一个矩形半导体薄片，在其前、后、左、右分别引出一个电极，如图3－4－4所示．
沿PQ方向通入电流I，垂直于薄片加匀强磁场B，则在MN间会出现电势差为U，设薄片厚度为d，PQ方向长度为l1，MN方向为l2.薄片中的带电粒子受到磁场力作用发生偏转，使N侧电势高于M侧，造成半导体内部出现电场．带电粒子同时受到电场力作用．当磁场力与电场力平衡时，MN间电势差达到恒定．
图3－4－4
即时应用?(即时突破，小试牛刀)
2．磁强计是利用霍尔效应
测量磁感应强度的仪器．其原理如图3－4－5所示，一块导体高为l，厚为d，分别接有a、b、c、d四个电极，将导体放在如右图所示的匀强磁场中，当a、b间通过电流I时，在电极c、d接上灵敏度极高的电压表，测得两极间的电势差为U，匀强磁场的磁感应强度B为多少？
图3－4－5
三、干簧管是怎样起开关作用的？
　探究：干簧管内部的两个簧片是软磁性材料做成的．当它附近有磁场存在时，两个簧片被磁化而吸引在一起，接通了电路；当磁场消失后，簧片又失去磁性而断开，所以干簧管是可以用磁场来控制开关的．
课堂互动讲练
自动控制电路
图3－4－6是一个简单的磁控防盗报警装置．门的上沿嵌入一小块永磁体M，门框内与M相对的位置嵌入干簧管H，并且将干簧管接入图示的电路．睡觉前连接好电路，当盗贼开门时，蜂鸣器就会叫起来．
请说明它的工作原理，最好通过实验模拟这个电路的工作．
例1
图3－4－6
【精讲精析】　当门闭着时，永磁体使干簧管接通，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，没有永磁体作用，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．
【答案】　见精讲精析
传感器的创新与设计
车床在工作时是不允许将手随便接近飞转的工件的，为了防止万一，设计了下面的光电自动制动安全电路，只要人手不小心靠近了工件，机器就自动停转，请简述其工作原理．(图3－4－7中的A为车床上的电动机；B为随电动机高速转动的工件；C为光源，它发出的光照到光敏电阻D上；E为电磁铁；F为衔铁；G为电源；H为弹簧)
例2
图3－4－7
【精讲精析】　当手在C、D间靠近工件时，遮挡住射向光敏电阻的光，光敏电阻的阻值迅速变大，电路中的电流减小，使电磁铁磁性减弱从而放开衔铁，造成电动机断路，使工件停转以保证安全．
【答案】　见精讲精析
【方法总结】　光传感器是重要的传感器之一，人们利用硫化镉对可见光敏感的特性，制作路灯自动开关、光照自动调节装置等自控设备；利用某些半导体材料对红外光敏感的特性，制作遥控设备，广泛应用在电视机、录像机、空调、影碟机等家用电器的操作中，由于对红外光敏感的元件对可见光不敏感，用它制作的装置不受可见光影响，因此它的应用十分广泛．
霍尔效应
如图3－4－8所示，厚度为h，宽度为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 ，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
例3
侧会出现多余的正电荷，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，导体板上下两侧面之间会形成稳定的电势差．
设电流I是由电子的定向流动形成的，电子的平均定向速度为v，电荷量为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”)．
【答案】　见自主解答
【方法总结】　本题是讨论霍尔效应的题目，霍尔元件可以制成多种传感器，由于霍尔元件很小，它可以用来制作探测磁场的探头，还可以应用在其他与磁场有关的自动控制系统中，因而霍尔元件也叫磁敏元件．
变式训练 (单选)如图3－4－9所示，截面为矩形的金属导体，放在磁场中，当导体中通有图示电流时，导体上下表面的电势有什么关系(　　)
A．UM>UN　　　　　
B．UM＝UN
C．UMD．无法判断
图3－4－9
解析：选A.霍尔效应形成的原因是因为带电粒子在磁场中受到洛伦兹力作用做定向移动形成的，根据左手定则，电子受到向下的洛伦兹力作用，向N板运动，则M板剩下正电荷，所以UM>UN.
知能优化训练
本部分内容讲解结束
点此进入课件目录
按ESC键退出全屏播放
谢谢使用