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111 選修3-2第六章第2節(jié)：傳感器的應(yīng)用（一）學(xué)案 課前預(yù)習(xí)學(xué)案 【預(yù)習(xí)目標(biāo)】：了解傳感器應(yīng)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(gòu)造 ②工作原理 ③功能：把__________（光學(xué)量）轉(zhuǎn)換為______（電學(xué)量）。 （2）熱敏電阻和金屬熱電阻 ①熱敏電阻 a）材料 b）特點(diǎn) c）功能：把_______轉(zhuǎn)換為_______（電學(xué)量）。 d）分類： 正溫度系數(shù)PTC熱敏電阻（特點(diǎn)） 負(fù)溫度系數(shù)NTC熱敏電阻（特點(diǎn)） ②金屬熱電阻 a）材料 b）特點(diǎn) c）功能：把_______轉(zhuǎn)換為_______（電學(xué)量）。 （3）霍爾元件 ①材料及構(gòu)造 ②霍爾電壓：_________________________。 推導(dǎo)： ③功能：把_________（磁學(xué)量）轉(zhuǎn)換為_______（電學(xué)量）。傳感器功能：能將力、溫度、光、聲、物質(zhì)成分等_________轉(zhuǎn)化為______的元件。 課內(nèi)探究學(xué)案 【學(xué)習(xí)目標(biāo)】 （1）、了解傳感器應(yīng)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(shè)計(jì)簡單的有關(guān)傳感器應(yīng)用的控制電路。 （4）、通過實(shí)驗(yàn)結(jié)合物理學(xué)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(yīng)用，進(jìn)一步總結(jié)出傳感器應(yīng)用的一般模式。 （5）、通過實(shí)驗(yàn)激發(fā)的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)動(dòng)手能力，提高創(chuàng)新意識，提高物理理論知識與實(shí)際相結(jié)合的綜合實(shí)踐能力。 【學(xué)習(xí)重點(diǎn)】：各種傳感器的應(yīng)用原理及結(jié)構(gòu)。 【學(xué)習(xí)難點(diǎn)】：各種傳感器的應(yīng)用原理及結(jié)構(gòu)。 【學(xué)習(xí)方法】：探究實(shí)驗(yàn) 【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(zhuǎn)化為電學(xué)量的元件？ 1、傳感器應(yīng)用的一般模式 閱讀教材開頭幾段，然后合上書，在練習(xí)本上畫出傳感器應(yīng)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(jìn)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(xí)本上畫出傳感器應(yīng)用的一般模式示意圖。 傳感器 2、下面學(xué)習(xí)幾個(gè)傳感器應(yīng)用的實(shí)例。 （1）．力傳感器的應(yīng)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(yīng)變片能夠把什么力學(xué)量轉(zhuǎn)化為什么電學(xué)量？ （2）．聲傳感器的應(yīng)用——話筒 閱讀教材56頁有關(guān)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(dòng)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(diǎn)是什么？ 問題8：駐極體話筒的工作原理是什么？有何優(yōu)點(diǎn)？ 閱讀教材，思考并回答問題。 指出：駐極體話筒利用了電介質(zhì)的 現(xiàn)象：將電介質(zhì)放入電場中，在前后兩個(gè)表面上會分別出現(xiàn) 與 的現(xiàn)象．某些電介質(zhì)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(shí)驗(yàn)： 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(zhuǎn)換為電信號的過程。 觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。 結(jié)論： （3）．溫度傳感器的應(yīng)用——電熨斗 溫度傳感器是應(yīng)用最廣泛的傳感器之一，它能把溫度的高低轉(zhuǎn)變成電信號，通常是利用物體的某一物理性質(zhì)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(shí)驗(yàn)：取一個(gè)報(bào)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(gè)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(gòu)成一對觸點(diǎn)，常溫下觸點(diǎn)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(fù)原狀，兩個(gè)觸點(diǎn)分離。 把這個(gè)啟動(dòng)器用到溫控開關(guān)，可以控制小燈泡的 。 做實(shí)驗(yàn)，觀察實(shí)驗(yàn)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(jié)構(gòu)圖（如圖所示） 思考與討論： （1）常溫下，上、下觸點(diǎn)應(yīng)是接觸的還是分離的？當(dāng)溫度過高時(shí)，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(shè)定不同的溫度，這是如何使用調(diào)溫旋鈕來實(shí)現(xiàn)的？ （4）、拓展：溫度傳感器的另一應(yīng)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(jié)構(gòu)，銅質(zhì)的測溫泡1，細(xì)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(gòu)成一個(gè)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(qiáng)增大時(shí)，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(dòng)觸點(diǎn)盒靜觸點(diǎn)，控制制冷壓縮機(jī)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(jī)箱上的軸。凸輪8是由設(shè)定溫度的旋鈕控制的，逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)凸輪連桿上端右移，從而加大對彈簧7的拉力。 自動(dòng)控溫原理：如圖所示是某種電冰箱內(nèi)溫度控制器的結(jié)構(gòu)，銅制的測溫泡1、細(xì)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(gòu)成了一個(gè)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(qiáng)增大時(shí)，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(dòng)觸點(diǎn)和靜觸點(diǎn)，控制制冷壓縮機(jī)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(jī)箱上的軸，凸輪8是由設(shè)定溫度的旋鈕控制的，逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)凸輪連桿上端右移，從而加大對彈簧7的拉力。當(dāng)冷藏室里的溫度升高時(shí)，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(dòng)彈簧片4向左轉(zhuǎn)動(dòng)，使5、6接觸，控制的壓縮機(jī)電路開始工作制冷，當(dāng)溫度下降到一定程度，氯甲烷受冷收縮，5、6又分開，制冷結(jié)束，直到下次溫度升高再重復(fù)上述過程。 溫度設(shè)定原理：將凸輪8逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，凸輪將連桿9向右頂，使得彈簧7彈力增大，此時(shí)要將5、6觸點(diǎn)接通，所需要的力就要大些，溫度要高一些，即溫控?fù)鯌?yīng)低一些（例如1級），順時(shí)針旋轉(zhuǎn)凸輪8，控制的溫度低一些，控溫?fù)跻咭恍? 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(yùn)動(dòng)的加速度．該裝置是在矩形箱子的前、后壁上各安裝一個(gè)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(gè)質(zhì)量為2.0 kg的滑塊可無摩擦滑動(dòng)，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(yùn)動(dòng)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(shí)，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(shí)汽車的加速度大小和方向． （2）當(dāng)汽車以怎樣的加速度運(yùn)動(dòng)時(shí)，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(dòng)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(dòng)膜上的金屬層和這個(gè)金屬板構(gòu)成電容器的兩極，在兩極間加一電壓U，人對著話筒說話時(shí)，振動(dòng)膜前后振動(dòng)，使電容發(fā)生變化，導(dǎo)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(zhuǎn)化為電信號，其中導(dǎo)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(dòng)膜 外電路 圖5 （A）距離變化 （B）正對面積變化 （C）介質(zhì)變化 （D）電壓變化 課后練習(xí)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(gòu)成一個(gè)簡單的自動(dòng)報(bào)警線路，當(dāng)溫度過高時(shí)，由繼電器接通電路報(bào)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(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻，L為小燈泡，當(dāng)溫度降低時(shí)（ ） 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(qiáng) D.小燈泡的亮度變?nèi)? 3．下列說法正確的是 （ ） A、應(yīng)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(yīng)變片，它多用金屬材料制成，是一種敏感元件 C、應(yīng)變片能把力學(xué)量―――物體形變轉(zhuǎn)換為電學(xué)量―――電壓 D、所有電子秤都應(yīng)用了應(yīng)變式力傳感器 4．關(guān)于話筒，下列說法正確的是 （ ） A、無論動(dòng)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(xué)量轉(zhuǎn)換成了電壓（或電流）――電學(xué)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(jìn)而引起輸出電壓的變化 C、動(dòng)圈式話筒利用通電線圈在磁場中受安培力振動(dòng)實(shí)現(xiàn)聲向電的轉(zhuǎn)化 D、因?yàn)轳v極體話筒價(jià)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(dòng)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(diǎn)是分享的；溫度過高時(shí)，雙金屬片發(fā)生彎曲使上下觸點(diǎn)分享 C、需要較高溫度熨燙時(shí)，要調(diào)節(jié)溫度旋鈕，使升降螺絲下移并推動(dòng)彈性銅片下移 D、電熨斗中的雙金屬片是一種半導(dǎo)體材料 6、為解決樓道的照明，在樓道內(nèi)安裝一個(gè)傳感器與電燈控制電路相接．當(dāng)樓道內(nèi)有人走動(dòng)而發(fā)出聲響時(shí)，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(zhuǎn)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(dāng)待測壓力為F作用于可動(dòng)膜片電極上時(shí)，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(dǎo)致國徽冷卻劑外流，在檢測此重大事故中應(yīng)用了非電量變化（冷卻劑外泄使管中液面變化）轉(zhuǎn)換為電信號的自動(dòng)化測量技術(shù)．如圖所示是一種測定導(dǎo)電液體深度的裝置；包著一層電介質(zhì)的金屬棒與導(dǎo)電液體形成一個(gè)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(dǎo)電液 電解質(zhì) 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(dǎo)電液體分別接電源兩極再斷開后，液體深度變化時(shí)導(dǎo)電液與金屬棒間的電壓增大反映h減小 D．將金屬棒和導(dǎo)電液體分別接電源兩極再斷開后，液體深度變化時(shí)導(dǎo)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(biāo)燈都要求夜晚亮、白天熄，利用半導(dǎo)體的電學(xué)特性制成了自動(dòng)點(diǎn)亮、熄滅的裝置，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)控制，這是利用半導(dǎo)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(dǎo)體線圈連接在電路中，則（ ） A.超導(dǎo)體線圈中有較小的電流通過 B.有強(qiáng)大的電流通過線圈，不能產(chǎn)生強(qiáng)大的磁場 C.電流通過超導(dǎo)體線圈，能產(chǎn)生強(qiáng)大的磁場 D.電流在超導(dǎo)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(diǎn)，B為常開觸點(diǎn)，當(dāng)在接線柱2、3間通入一定的電流時(shí)，電磁鐵便使銜鐵P脫離A而與B接觸，從而達(dá)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(shí)切斷外電路，實(shí)現(xiàn)對外電路的自動(dòng)控制.若要求切斷此電路的同時(shí)接通另一個(gè)外電路，則需要接通的電路應(yīng)連在____________兩個(gè)接線柱上. 12．計(jì)算機(jī)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(jì)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(dāng)鍵被按下時(shí)，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(gè)鍵被按下了，從而給出相應(yīng)的信號．設(shè)每個(gè)金屬片的正對面積為50 mm2，鍵未按下時(shí)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(dāng)電路中的光敏電阻受到光照射時(shí)，用電器__________正常工作；當(dāng)光敏電阻不受光照射時(shí)，阻值__________，電流___________，用電器___________工作. 14．如圖所示為一自動(dòng)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(xué)習(xí)小結(jié)】 本節(jié)課主要學(xué)習(xí)了以下幾個(gè)問題： 力傳感器的應(yīng)用—— 傳感器的應(yīng)用 聲傳感器的應(yīng)用—— 溫度傳感器的應(yīng)用—— 力傳感器是把力信號轉(zhuǎn)換成電信號；聲傳感器是把聲音信號轉(zhuǎn)換為電信號，而溫度傳感器往往是用來進(jìn)行自動(dòng)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(guān)，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