人教版 (2019)选择性必修 第二册第五章 传感器2 常见传感器的工作原理及应用精品学案设计

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【学习目标】
1.认识传感器就是把非电学量转换为电学量的装置，其主要元件是敏感元件。
2.了解光敏电阻、金属热电阻、热敏电阻和电阻应变片等材料的物理特性，知道利用其特性可以制作传感器的敏感元件。
3.利用电容器的结构改变影响电容的性质，设计电容式位移传感器。
【学习重难点】
【教学重点】了解光敏电阻、热敏电阻、电阻应变片以及电容式传感器的工作原理。
【教学难点】知道不同传感器在实际生产中应用时所涉及的物理原理、相应的定性分析及定量运算。
【知识回顾】
1．传感器的种类
(1)物理传感器：利用物质的物理特性或物理效应制作而成的传感器，如力传感器、磁传感器、声传感器等。
(2)化学传感器：利用电化学反应原理，把无机或有机化学物质的成分、浓度等转换为电信号的传感器，如离子传感器、气体传感器等。
(3)生物传感器：利用生物活性物质的选择性来识别和测定生物化学物质的传感器。如酶传感器、微生物传感器、细胞传感器等。
2．传感器的组成与应用模式
(1)传感器的基本组成部分
①敏感元件：能直接感受或响应外界被测非电学量的部分。
②转换元件：能将敏感元件输出的信号直接转换成电信号的部分。
(2)传感器应用的一般模式
【自主学习】
1．光敏电阻
(1)特点：光照越强，电阻越小。
(2)原因：光敏电阻的构成物质硫化镉为半导体材料，无光照时，载流子极少，导电性能差；随着光照的增强，载流子增多，导电性变好。
(3)作用：把光照强弱这个光学量转换为电阻这个电学量。
2．金属热电阻
金属的电阻率随温度的升高而增大，用金属丝可以制作温度传感器，称为热电阻，如图所示为某金属导线电阻的温度特性曲线。
3．热敏电阻
热敏电阻由半导体材料制成，其电阻值随温度的变化非常明显，如图所示为某一热敏电阻的电阻值随温度变化的特性曲线。
4．电阻应变片
(1)定义：其电阻随着它所受机械形变的变化而变化的力敏元件。
(2)分类：金属电阻应变片和半导体电阻应变片。
(3)力传感器：由金属梁和电阻应变片组成，是电子秤中所使用的测力器件。
(4)电容式传感器：通过测定电容器的电容来确定极板的正对面积、极板间的距离以及极板间的电介质中某个物理量变化的传感器。
【课堂探究】
【新课引入】
传感器是怎样感知非电学量，并将其转换为电学量的呢？利用不同的敏感元件制成的各种传感器又有哪些应用呢？
学生回答问题。
【新课教学】
任务一、光敏电阻
光敏电阻的制作
阅读课文，总结怎么制造光敏电阻？

硫化镉 光敏电阻
把硫化镉涂敷在绝缘板上，在其表面再用银浆涂敷两个互不相连的栅状电极。
实 验：观察光敏电阻特性
【实验原理】光敏电阻的阻值会随着光照强度的增加而不断减小，用欧姆表连接电阻，用不同强度的光照射电阻，通过观察欧姆表的示数变化，来研究光敏电阻与光强的关系。
【实验器材】光敏电阻、多用电表、导线、电源。
【实验结论】
（1）光敏电阻在暗环境下电阻值很大，随着光强的增加阻值不断减小，强光照射下电阻值很小;
（2）光敏电阻能够把光照强弱这个光学量转换为电阻这个电学量。
（三）光敏电子的工作原理
光敏电阻工作原理：
光照增强 →半导体材料中的载流子（自由电子和空穴）浓度增加 → 材料的电阻率减小
作用：把光照强弱这个光学量转换为电阻这个电学量。
光学量（光照强度）→电学量（电阻）
任务二、金属热电阻和热敏电阻
金属热电阻
规 律： 电阻随温度的升高而增大。
优缺点：热敏电阻灵敏度高，但化学稳定性较差，测量范围较小；金属热电阻的化学稳定性较好，测量范围较大，但灵敏度较差。

热敏电阻
观察热敏电阻特性
将多用电表的选择开关调到电阻挡（注意选择适当的倍率），然后仿照图所示的方法，将一只热敏电阻连接到多用电表表笔的两端。分别用手和冷水改变热敏电阻的温度，观察电阻的变化情况。
实验现象
热敏电阻放温水后，电流表读数明显增大，
实验结论
温度升高，热敏电阻的阻值显 著减小。
热敏电阻的应用
——低油位报警装置
请总结低油位报警装置原理？
给热敏电阻通以一定的电流，热敏电阻会发热。
当液面高于热敏电阻的高度时，热敏电阻发出的热量会被液体带走，温度基本不变，阻值较大，指示灯不亮。
当液体减少、热敏电阻露出液面时，发热导致它的温度上升、阻值较小，指示灯亮。
油位高→电阻大→灯不亮
油位低→电阻小→灯亮
通过判断热敏电阻的阻值变化，就可以知道液面是否低于设定值。
任务三、电阻应变片
（一）原理与特性
我们知道，电阻与导体的材料、长度和横截面积有关。当金属丝受到拉力时，长度变长、横截面积变小，导致电阻变大；当金属丝受到压力时，长度变短、横截面积变大，导致电阻变小。
我们怎么根据这个原理制造传感器？
半导体电阻应变片
当单晶半导体材料沿某一轴向受到外力作用时，其电阻率发生变化的现象，称为压阻效应。
原理：电阻应变片能够把物体形变这个力学量转换为电阻这个电学量。
常见的一种力传感器：
（二）应用实例——电子秤
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。力F越大，弯曲形变越大，应变片的电阻变化就越大。
任务四、思维拓展
（一）电容式位移传感器
如图所示，当被测物体在左、右方向发生位移时，电介质板随之在电容器两极板之间移动。如果测出了电容的变化，就能知道物体位置的变化。用什么方法可以检测电容的变化？
根据电容的定义式 ，可知，给电容器带上一定的电荷，然后用静电计来检测两极板间电势差的变化，就可判断电容的变化。
电容式位移传感器能把物体的位移这个力学量转换为电容这个电学量。
（1）改变S：测量角度θ 、液面高度h等
（2）改变d：测量压力F
待测压力F
固定电极
可动电极
（3）改变ε：测量位移x
（二）霍尔效应
在匀强磁场中放置一个矩形截面的载流导体，当磁场方向与电流方向垂直时，导体中能够自由移动的带电粒子在洛伦兹力的作用下，会发生什么现象？
洛伦兹力等于电场力：
电流微观表达式：
联立得：
霍尔传感器应用实例:
①电动车加速器
位置→磁场→电压→控制器控制车速
②霍尔无刷电动机(直流电源)
【自我测评】
1.[多选]如图所示，R1、R2为定值电阻，L为小灯泡，R3为光敏电阻，当入射光强度增大时( )
A．电压表的示数增大
B．R2中电流减小
C．小灯泡的功率增大
D．电路的路端电压增大
【答案】ABC
【详解】当入射光强度增大时，R3阻值减小，外电路总电阻随R3的减小而减小，由闭合电路欧姆定律知，干路电流增大，R1两端电压增大，电压表的示数增大，同时内电压增大，电路的路端电压减小，A项正确，D项错误。因路端电压减小，而R1两端电压增大，故R2两端电压必减小，则R2中电流减小，B项正确。结合干路电流增大和R2中电流减小知流过小灯泡的电流必增大，小灯泡的功率增大，C项正确。
2．[多选]霍尔元件的示意图如图所示。一块通电的铜板放在磁场中，铜板的前、后板面垂直于磁场，板内通有图示方向的电流，a、b是铜板上、下边缘的两点，则( )
A．电势φa＞φb
B．电势φb＞φa
C．仅电流增大时，|φa－φb|增大
D．其他条件不变，将铜板改为NaCl溶液时，a、b两点电势高低情况仍然一样
【答案】BC
【答案】铜板中的自由电荷是电子，电子定向移动的方向与电流的方向相反，由左手定则可判断出电子因受洛伦兹力作用向a侧偏转，所以φb＞φa，B正确，A错误；因|φa－φb|＝keq \f(IB,d)，所以电流增大时，|φa－φb|增大，C正确；若将铜板改为NaCl溶液，溶液中的正、负离子均向a侧偏转，|φa－φb|＝0，即不产生霍尔效应，故D错误。
【学后反思】本节课学习中，你有哪些收获，还有哪些问题？