高中物理人教版 (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教学设计

这是一份高中物理人教版 (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教学设计，共7页。教案主要包含了知识与技能，过程与方法，情感态度与价值观，电容式位移传感器等内容，欢迎下载使用。

教学目标
一、知识与技能
1、了解用敏感元件制作传感器的简单工作原理。
2、知道非电学量转换成电学量的技术含义。
二、过程与方法
1、通过对实验的观察、思考和探究，知道常见传感器的工作原理。
2、通过科学思维、特定推理，了解敏感元件的构造及广泛应用。
3、通过对常见传感器的工作原理及应用的学习，培养学生物理观念、科学思维、实验探究的学科素养。
三、情感态度与价值观
1、拓宽学生的思维，探讨科技发展给人类带来的利与弊。
2、引导学生经历科学思维的过程，养成科学思维的习惯，培养学生的科学态度与责任。
重点难点
1、理解并掌握光敏电阻、金属热电阻、热敏电阻以及电阻应变片的特点及应用。（重点）
2、理解不同传感器的工作原理。（难点）
教学准备
多媒体课件
教学过程
一、导入新课：
【新课导入】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。光传感器的应用也十分广泛，如电脑上的鼠标器、路灯的自动控制及火灾报警器等。
这节课我们就来学习常见的传感器的应用实例。
二、讲授新课：
1、光敏电阻
【教师提问】（1）我们生活中常用的鼠标器就是应用了光传感器的原理，那么鼠标器有什么主要组成？
（2）鼠标器中光传感器的主要部件是什么？。
（3）鼠标器的工作原理？
【学生回答】（1）鼠标器的内部结构包括：滚轴x，滚轴y，滚球，码盘，电路板。
（2）鼠标器的光传感器主要由红外发射管、红外接收管、滚轴、滚轮组成。
（3）工作原理：当鼠标在左面上滚动时，滚球的运动通过滚轴带动两个码盘转动，红外接收管就收到断续的红外线脉冲，输出相应的电脉冲信号。计算机分别统计x、y两个方向的脉冲信号，处理后就使屏幕上的光标产生相应的位移。
【教师引导】光敏电阻产生变化的原因：半导体材料受到的光照增强时，会有更多的电子获得能量成为自由电子，同时空穴增多，即载流子数增多，于是导电性明显地增强，电阻减小。
2、金属热电阻和热敏电阻
【教师引导】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，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。
【演示实验】取一个报废的日光灯启辉器，去掉外壳，敲碎氖泡的玻璃，可以看到一个U型的双金属片，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。
把这个启动器用到温控开关，可以控制小灯泡的亮和灭。
【学生活动】做实验，观察实验现象。
【教师提示】电熨斗就装有双金属片温度传感器。这种传感器的作用是控制电路的通断。
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？
（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？
【学生回答】（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，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。
【教师总结】（1）热敏电阻由半导体材料制成，其电阻随温度的变化明显，温度升高电阻减小，如图甲所示为某一热敏电阻的电阻随温度变化的特性曲线。
甲 乙
（2）金属热电阻：有些金属的电阻率随温度的升高而增大，这样的电阻也可以制作温度传感器，称为热电阻，如图乙所示为某金属导线电阻的温度特性曲线。
3、电阻应变片
【提出问题】（1）电子秤使用的测力装置是什么？它是由什么元件组成的？
（2）简述力传感器的工作原理。
（3）应变片能够把什么力学量转化为什么电学量？
【学生讨论】思考并回答问题。
【教师补充】（1）电子秤的测力装置是力传感器，它是由一个金属梁和两个应变片一起组成了测力部分。
（2）在金属梁没有力的情况下，金属梁处于水平状态，梁的上下应变片的长度没变且相等，两应变片的电阻大小也相等，当给金属梁施加竖直向下的力时，金属梁会向下弯曲，使得金属梁上面的应变片被拉长，电阻变大，两端电压也变大，而下边的应变片被挤压收缩，电阻变小，两端的电压也减小，使得两应变片两端电压值不相等，存在差值，控制电路就通过这个差值，经过放大电路将差值信号放大，再在显示器上显示出数字，即力F的大小。
（3）应变片能够将形变这个力学量转化为电阻这个电学量。
4、电容式位移传感器
【教师提问】电容式话筒是将声音信号转换为电信号的传感器，它的敏感元件是什么？是如何实现将声信号转换为电信号的？
【学生回答】电容式话筒是由振动膜和固定电极作为两级的一个电容器，敏感元件是振动膜，当声波使振动膜和固定电极间的距离发生变化的时候，电容器的电容改变，将声信号转换为电容这个电学量。
【教师补充】可见，当极板间的距离d发生变化的时候，电容器的电容变化，就可以将非电学量转换成电容这个电学量。同样，如果极板的正对面积S、极板间的电介质发生变化，也会引起电容的变化，那么通过测定电容器的电容就可以确定相应物理量的变化情况，由此可制成电容式传感器。
课堂练习
1、下列情况中，应用温度传感器的是( )
A.夜间自动打开的路灯 B.商场里的自动玻璃门
C.电视遥控器D.自动恒温冰箱
答案：D
2、如图所示，R3是光敏电阻，当开关S闭合后，在没有光照射时，a、b两点电势相等。当用光照射电阻R3时，则( )
A.R3的电阻变小，a点电势高于b点电势
B.R3的电阻变小，a点电势低于b点电势
C.R3的电阻变大，a点电势高于b点电势
D.R3的电阻变大，a点电势低于b点电势
答案：A
3、霍尔元件是磁传感器，是实际生活中的重要元件之一。如图所示为长度一定的霍尔元件，在该元件中通有方向从E到F的恒定电流I，现在空间加一竖直向下的匀强磁场，磁感应强度大小为B，其中元件中的载流子为带负电的电荷。 则下列说法正确的是( )
A.该元件能把电学量转化为磁学量
B.左表面的电势高于右表面
C.如果用该元件测赤道处的磁场，应保持平面呈水平状态
D.如果在霍尔元件中的电流大小不变，则左右表面的电势差与磁场的磁感应强度成正比
答案：D
4、金属热电阻和热敏电阻都能把温度这个热学量转换为电阻这个电学量，所以都可以用做温度传感器。它们的电阻随温度的变化规律如图所示。下列说法正确的是( )
A.图线a是金属热电阻的电阻随温度变化的曲线，用它来测量温度，测量范围大，稳定性好
B.图线a是金属热电阻的电阻随温度变化的曲线，它的电阻随温度的变化非常明显
C.图线b是热敏电阻的电阻随温度变化的曲线，用它来测量温度，测量范围大，稳定性好
D.图线b是热敏电阻的电阻随温度变化的曲线，它的电阻随温度的变化非常明显
答案：AD
5、如图所示为一种微小位移传感器的原理图。1是待测的物体，软铁芯2插在线圈3中并且可以随着物体1在线圈中平移，G为频率一定的正弦交流信号源，A为交流电流表。现将开关S闭合，下列说法正确的是( )
A.该传感器可以将待测物体位移的变化量转换成电路中电流的变化量
B.若待测物体向右平移，电流表的示数将减小
C.若待测物体向左平移，电流表的示数将减小
D.若将信号源换成电压一定的直流电源，该传感器仍可测量出待测物体的位移变化量
答案：AC
板书设计
5.2 常见传感器的工作原理及应用
一、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为半导体材料，无光照时，载流子极少，导电性能不好；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。
二、金属热电阻和热敏电阻
1、热敏电阻
热敏电阻由半导体材料制成，其电阻随温度的变化明显，温度升高电阻减小，如图甲所示为某一热敏电阻的电阻随温度变化的特性曲线。
甲 乙
2、金属热电阻
有些金属的电阻率随温度的升高而增大，这样的电阻也可以制作温度传感器，称为热电阻，如图乙所示为某金属导线电阻的温度特性曲线。
三、电阻应变片：将物体形变这个力学量转换为电阻这个电学量。
四、电容式位移传感器：把物体的位移这个力学量转换为电容这个电学量。
教学后记
引导学生对本节多学知识进行自主交流探究，根据学生表述，查漏补缺，并有针对性地进行讲解补充。