高中物理《傳感器的應用（一）》學案 （人教版選修3-2）

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111 選修3-2第六章第2節(jié)：傳感器的應用（一）學案 課前預習學案 【預習目標】：了解傳感器應用的一般模式，電子秤、話筒、電熨斗的工作原理傳感器 1、概念：_____________________________________________。 2、原理圖： 3、三種常見的敏感元件 （1）光敏電阻 ①材料及構造 ②工作原理 ③功能：把__________（光學量）轉換為______（電學量）。 （2）熱敏電阻和金屬熱電阻 ①熱敏電阻 a）材料 b）特點 c）功能：把_______轉換為_______（電學量）。 d）分類： 正溫度系數(shù)PTC熱敏電阻（特點） 負溫度系數(shù)NTC熱敏電阻（特點） ②金屬熱電阻 a）材料 b）特點 c）功能：把_______轉換為_______（電學量）。 （3）霍爾元件 ①材料及構造 ②霍爾電壓：_________________________。 推導： ③功能：把_________（磁學量）轉換為_______（電學量）。傳感器功能：能將力、溫度、光、聲、物質成分等_________轉化為______的元件。 課內(nèi)探究學案 【學習目標】 （1）、了解傳感器應用的一般模式； （2）、理解電子秤、話筒、電熨斗的工作原理。 （3）、會設計簡單的有關傳感器應用的控制電路。 （4）、通過實驗結合物理學的知識，探究電子秤、話筒、電熨斗等的工作原理，從而了解力傳感器、聲傳感器和溫度傳感器的一般應用，進一步總結出傳感器應用的一般模式。 （5）、通過實驗激發(fā)的學習興趣，培養(yǎng)動手能力，提高創(chuàng)新意識，提高物理理論知識與實際相結合的綜合實踐能力。 【學習重點】：各種傳感器的應用原理及結構。 【學習難點】：各種傳感器的應用原理及結構。 【學習方法】：探究實驗 【合作探究】 問題1：光敏電阻、熱敏電阻、霍爾元件各是把什么物理量轉化為電學量的元件？ 1、傳感器應用的一般模式 閱讀教材開頭幾段，然后合上書，在練習本上畫出傳感器應用的一般模式示意圖。 提示：一般情況下，傳感器產(chǎn)生的信號非常微弱，要想觸發(fā)控制電路，此信號必須進一步放大才可以，所以需要放大電路，即放大器。 閱讀教材并在練習本上畫出傳感器應用的一般模式示意圖。 傳感器 2、下面學習幾個傳感器應用的實例。 （1）．力傳感器的應用——電子秤 師：閱讀教材56頁最后一段，思考并回答問題。 問題2：電子秤使用的測力裝置是什么？它是由什么元件組成的？ 問題3：簡述力傳感器的工作原理。 問題4：應變片能夠把什么力學量轉化為什么電學量？ （2）．聲傳感器的應用——話筒 閱讀教材56頁有關內(nèi)容，思考并回答問題。 問題5：話筒的作用是什么？ 問題6：說明動圈式話筒的工作原理和工作過程。 問題7：說明電容式話筒的工作原理和工作過程。這種話筒的優(yōu)點是什么？ 問題8：駐極體話筒的工作原理是什么？有何優(yōu)點？ 閱讀教材，思考并回答問題。 指出：駐極體話筒利用了電介質的 現(xiàn)象：將電介質放入電場中，在前后兩個表面上會分別出現(xiàn) 與 的現(xiàn)象．某些電介質在電場中被極化后，去掉外加電場，仍然會長期保持被極化的狀態(tài)，這種材料稱為 ． 演示實驗： 按照如圖所示的連接駐極體話筒的工作電路，話筒的輸出端經(jīng)過隔直電容接到示波器。 對著話筒喊話，觀察示波器的熒光屏上的波形，再用另外一人同樣對話筒喊話，比較兩次聲音產(chǎn)生的波形有什么不一樣。 上述過程，就是話筒將聲音信號轉換為電信號的過程。 觀察實驗現(xiàn)象。 結論： （3）．溫度傳感器的應用——電熨斗 溫度傳感器是應用最廣泛的傳感器之一，它能把溫度的高低轉變成電信號，通常是利用物體的某一物理性質隨溫度的變化而改變的特性制成的．電熨斗就是靠溫度傳感器來控制溫度的。 實驗：取一個報廢的日光燈啟輝器，去掉外殼，敲碎氖泡的玻璃，可以看到一個U型的雙金屬片，雙金屬片的旁邊有一根直立的金屬絲，兩者構成一對觸點，常溫下觸點是分離的，用火焰靠近金屬片，可以看到雙金屬片的形狀變化，與金屬絲接觸，熄滅火焰，雙金屬片逐漸恢復原狀，兩個觸點分離。 把這個啟動器用到溫控開關，可以控制小燈泡的 。 做實驗，觀察實驗現(xiàn)象。 電熨斗就裝有雙金屬片溫度傳感器。這種傳感器的作用是控制電路的通斷。 投影：電熨斗結構圖（如圖所示） 思考與討論： （1）常溫下，上、下觸點應是接觸的還是分離的？當溫度過高時，雙金屬片將怎樣起作用？ （2）熨燙棉麻衣物和熨燙絲綢衣物需要設定不同的溫度，這是如何使用調(diào)溫旋鈕來實現(xiàn)的？ （4）、拓展：溫度傳感器的另一應用——電冰箱的溫控裝置 如圖所示是某種電冰箱內(nèi)溫度控制器的結構，銅質的測溫泡1，細管2和彈性金屬膜盒3連成密封的系統(tǒng)，里面充有氯甲烷盒它的蒸汽，構成一個溫度傳感器，膜盒3為扁圓形，右表面固定，左表面通過小柱體與彈簧片4連接，盒中氣體的壓強增大時，盒體就會膨脹，測溫泡1安裝在冰箱的冷藏室中。5、6分別是電路的動觸點盒靜觸點，控制制冷壓縮機的工作，拉簧7的兩端分別連接到彈簧片4盒連桿9上。連桿9的下端是裝在機箱上的軸。凸輪8是由設定溫度的旋鈕控制的，逆時針旋轉時凸輪連桿上端右移，從而加大對彈簧7的拉力。 自動控溫原理：如圖所示是某種電冰箱內(nèi)溫度控制器的結構，銅制的測溫泡1、細管2和彈性金屬膜盒3連通成密封的系統(tǒng)，里面充有氯甲烷和它的蒸汽，構成了一個溫度傳感器，膜盒為扁圓形，右表面固定，左表面通過小柱體與彈簧片4連接，盒中氣體的壓強增大時，盒體就會膨脹，測溫泡1安裝在冰箱的冷藏室中。5、6分別是電路的動觸點和靜觸點，控制制冷壓縮機的工作，拉簧7的兩端分別連接到彈簧片和連桿9上，連桿9的下端裝在機箱上的軸，凸輪8是由設定溫度的旋鈕控制的，逆時針旋轉時凸輪連桿上端右移，從而加大對彈簧7的拉力。當冷藏室里的溫度升高時，1、2、3中的氯甲烷受熱膨脹，彈性金屬膜盒3的左端膨脹，推動彈簧片4向左轉動，使5、6接觸，控制的壓縮機電路開始工作制冷，當溫度下降到一定程度，氯甲烷受冷收縮，5、6又分開，制冷結束，直到下次溫度升高再重復上述過程。 溫度設定原理：將凸輪8逆時針旋轉，凸輪將連桿9向右頂，使得彈簧7彈力增大，此時要將5、6觸點接通，所需要的力就要大些，溫度要高一些，即溫控擋應低一些（例如1級），順時針旋轉凸輪8，控制的溫度低一些，控溫擋要高一些。 典型例題 例1.用如圖所示的裝置可以測量汽車在水平路面上做勻加速直線運動的加速度．該裝置是在矩形箱子的前、后壁上各安裝一個由力敏電阻組成的壓力傳感器．用兩根相同的輕彈簧夾著一個質量為2.0 kg的滑塊可無摩擦滑動，兩彈簧的另一端分別壓在傳感器a、b上，其壓力大小可直接從傳感器的液晶顯示屏上讀出．現(xiàn)將裝置沿運動方向固定在汽車上，傳感器b在前，傳感器a在后．汽車靜止時，傳感器a、b在的示數(shù)均為 10 N（取g=10 m／s2）． （1）若傳感器a的示數(shù)為 14 N、b的示數(shù)為6.0 N，求此時汽車的加速度大小和方向． （2）當汽車以怎樣的加速度運動時，傳感器a的示數(shù)為零． 例2、如圖5是電容式話筒的示意圖，它是利用電容制作的傳感器，話筒的振動膜前面鍍有薄薄的金屬層，膜后距膜幾十微米處有一金屬板，振動膜上的金屬層和這個金屬板構成電容器的兩極，在兩極間加一電壓U，人對著話筒說話時，振動膜前后振動，使電容發(fā)生變化，導致話筒所在電路中的其它量發(fā)生變化，使聲音信號被話筒轉化為電信號，其中導致電容變化的原因可能是容器兩板間的（ ） 金屬板 金屬膜 振動膜 外電路 圖5 （A）距離變化 （B）正對面積變化 （C）介質變化 （D）電壓變化 課后練習與提高： 1．如圖所示，甲、乙是兩類熱敏電阻的R-t特征圖線，如果想用熱敏電阻作傳感器，并與繼電器相連，構成一個簡單的自動報警線路，當溫度過高時，由繼電器接通電路報警，采用圖________類熱敏電阻較好. 2．如圖所示，R1為定值電阻，R2為負溫度系數(shù)的熱敏電阻，L為小燈泡，當溫度降低時（ ） A.R1兩端的電壓增大 B.電流表的示數(shù)增大 C.小燈泡的亮度變強 D.小燈泡的亮度變?nèi)? 3．下列說法正確的是 （ ） A、應變式力傳感器可以測重力，也可以用來測牽引力 B、電子秤的核心元件是應變片，它多用金屬材料制成，是一種敏感元件 C、應變片能把力學量―――物體形變轉換為電學量―――電壓 D、所有電子秤都應用了應變式力傳感器 4．關于話筒，下列說法正確的是 （ ） A、無論動圈式話筒、電容式話筒、還是駐極體話筒，作用相同都將聲波――力學量轉換成了電壓（或電流）――電學量 B、電容式話筒和駐極體話筒原理相同，都是聲波的變化引起電容變化，進而引起輸出電壓的變化 C、動圈式話筒利用通電線圈在磁場中受安培力振動實現(xiàn)聲向電的轉化 D、因為駐極體話筒價格便宜、靈敏度高，會場大都用駐極體話筒 5．下列說法正確的 A、電熨斗能自動控制溫度主要利用了雙金屬片，兩片金屬的膨脹系數(shù)相同 B、常溫下，上下觸點是分享的；溫度過高時，雙金屬片發(fā)生彎曲使上下觸點分享 C、需要較高溫度熨燙時，要調(diào)節(jié)溫度旋鈕，使升降螺絲下移并推動彈性銅片下移 D、電熨斗中的雙金屬片是一種半導體材料 6、為解決樓道的照明，在樓道內(nèi)安裝一個傳感器與電燈控制電路相接．當樓道內(nèi)有人走動而發(fā)出聲響時，電燈即被接通電源而發(fā)光，這種傳感器為＿＿＿＿＿，它輸入的是＿＿＿＿＿＿信號，經(jīng)傳感器轉換后，輸出的是＿＿＿＿＿信號． G b a R F 7．傳感器是一種采集信息的重要器件，圖1是由電容器作為傳感器來測定壓力變化的電路，當待測壓力為F作用于可動膜片電極上時，以下說法中正確的 ( ) A、若F向上壓膜片電極，電路中有從a和b的電流 B、若F向上壓膜片電極，電路中有從b和a的電流 C、若F向上壓膜片電極，電路中不會出現(xiàn)電流 D、若電流表有示數(shù)，則說明壓力F發(fā)生變化 8、1999年7月12日，日本原子能公司所屬敦賀灣電站由于水管破裂導致國徽冷卻劑外流，在檢測此重大事故中應用了非電量變化（冷卻劑外泄使管中液面變化）轉換為電信號的自動化測量技術．如圖所示是一種測定導電液體深度的裝置；包著一層電介質的金屬棒與導電液體形成一個電容器，電容量的變化能反映液面的升降情況，則下列敘述中正確的是 ( ) 導電液 電解質 芯線 A．電容增大反映h增大 B．電容增大反映h減少 C．將金屬棒間的電壓和導電液體分別接電源兩極再斷開后，液體深度變化時導電液與金屬棒間的電壓增大反映h減小 D．將金屬棒和導電液體分別接電源兩極再斷開后，液體深度變化時導電液與金屬棒間的電壓增大反映h增大 9、街道旁的路燈、江海里的航標燈都要求夜晚亮、白天熄，利用半導體的電學特性制成了自動點亮、熄滅的裝置，實現(xiàn)了自動控制，這是利用半導體的（ ） A、壓敏性 B、光敏性 C、熱敏性 D、三特性都利用了 10、若超導體線圈連接在電路中，則（ ） A.超導體線圈中有較小的電流通過 B.有強大的電流通過線圈，不能產(chǎn)生強大的磁場 C.電流通過超導體線圈，能產(chǎn)生強大的磁場 D.電流在超導體線圈中，會有部分能量消失 11．如圖所示是繼電器的原理圖，A為常閉觸點，B為常開觸點，當在接線柱2、3間通入一定的電流時，電磁鐵便使銜鐵P脫離A而與B接觸，從而達到控制電路的目的.接線柱____________與有電源的熱敏電阻串聯(lián).接線柱____________與外電路串聯(lián)，即可在溫度過高時切斷外電路，實現(xiàn)對外電路的自動控制.若要求切斷此電路的同時接通另一個外電路，則需要接通的電路應連在____________兩個接線柱上. 12．計算機鍵盤是由兩片金屬切片組成的小電容器．該電容器的電容可用公式C=ε計算，式中ε=910-12,S為金屬片的正對面積，d表示兩金屬片間距．當鍵被按下時，此電容器的電容發(fā)生變化，與之相連的電子線路就能檢測出哪個鍵被按下了，從而給出相應的信號．設每個金屬片的正對面積為50 mm2，鍵未按下時的金屬片間距為0．6 mm．如果電容變化0．25 pF，電子線路恰能檢測出必要的信號，則鍵至少需要被按下（ ） A．0．15 mm B．0．25 mm C．0．35 mm D．0．45 mm 13．一光敏電阻和一用電器串聯(lián)后接在一電源上，如圖所示.當電路中的光敏電阻受到光照射時，用電器__________正常工作；當光敏電阻不受光照射時，阻值__________，電流___________，用電器___________工作. 14．如圖所示為一自動控溫的電加熱器的電路圖，R1是熱敏電阻，R2是加熱電阻，試說明它是如何控制溫度的. 【學習小結】 本節(jié)課主要學習了以下幾個問題： 力傳感器的應用—— 傳感器的應用 聲傳感器的應用—— 溫度傳感器的應用—— 力傳感器是把力信號轉換成電信號；聲傳感器是把聲音信號轉換為電信號，而溫度傳感器往往是用來進行自動控制． 【課后作業(yè)】課本P58-59 1、2、3 參考答案： 1、答案：甲 2、答案：C 3、答案：ACD 4、答案：AB 5、答案：C 6、答案：聲，聲，電 7、答案：BC 8、答案：AC 9、答案：B 10、答案：C 11、答案： 2、3 1、5 1、4 12、答案：A 13、答案：開始 增大 減小 停止 14、思路解析：閉合開關，電壓加在R1和R2上，它們產(chǎn)生的熱功率為，隨著溫度的升高，熱敏電阻R1阻值增大，他們產(chǎn)生的電熱功率就減小，選擇合適的熱敏電阻和加熱電阻，就可以將加熱的溫度控制在某一溫度上，加熱功率等于散熱功率，物體的溫度保持在這一溫度上不變. 111