让物理走进生活------《传感器的应用》复习教案

陈新华】 发表于 2015-09-25 09:26:00 点击: 【字体: 收藏

 

一.地位和作用

传感器是新人教版高中物理教材32模块中最后一章,是新教材中才出现的新内容。《普通高中物理课程标准》中的的教学要求是:

1)知道非电学量转化成电学量的技术意义。

2)通过实验,知道常见传感器的工作原理。

3)列举传感器在生产生活中的应用。

并给出了两条建议:

1)调查日常生活中传感器的应用,对其中的一种的工作原理、技术意义、经济效益进行分析。

2)利用传感器制作简单的自动控制装置。

2010年的物理学科《考试说明》中关于传感器的考点只有1个:第63考点,传感器。这个考点为Ι级要求。也就是说对所列知识要了解其内容及其含义,并能在有关问题中识别和直接使用。不难看出,高考对这一部分内容的能力要求不高,一般不可能作为计算题出现在高考试卷中。

二.学情分析

学生在高二对传感器的内容已经学习过,对向种传感器的原理和应用也有了一定的了解,并且在生活中他们会经常用到各种传感器,有非常丰富的实际应用经验。

三.设计思想

传感器这一章,从内容来看:有点像科普知识,所以在教学中应多与生活和社会生产的应用相结合,让学生拓宽视野,消除学生对它的神秘感。由于它是选修32模块中的内容,所以是必考内容。但因为它探究性很强,对能力要求过高,也不太适合作为实验题和计算题考查。因此它最适合出现在选择题中。

四.教学目标

1)知道非电学量转化成电学量的技术意义。

2)通过实验,知道常见传感器的工作原理。

3)列举传感器在生产生活中的应用。

五.教学重点难点

1)知道常见传感器的工作原理。

2)能知道简单的自动控制装置原理。

六.教学过程设计

1)引入

走廊里的灯为什么在夜晚的时候人走过就能自动亮?电饭煲为什么到了米饭熟时开关就能自动关闭?火警报警器是如何实现自动报警的?为什么当我们的手靠近时,干手机能自动吹暖风?新课程改革后的高中物理新教材3-2第六章《传感器》的内容,正好弥补了多年来我们中学物理教材的不足,使我们所学的物理知识更接近实际生活、生产,使物理学科和现代电子科技紧密联系在一起。本章内容通过传感器在生活、生产与技术中的应用实例分析,拓展了学生的思维,增强了学生的科学素养,培养了科技创新意识,更加激发了学生学习物理的兴趣。

传感器是一种将非电学物理量(如位移、速度、压力、温度、湿度、流量、声强、光强等)转换成电学量(如电流、电压、电容、电阻等)的一种元件,起测量、传输、自动控制作用。它是由敏感元件、转换器件、转换电路三部分组成。传感器是指这样一类元件:它能够感受诸如力、温度、光、声、化学成分等非电学量,并能把它们按照一定的规律转换为电压、电流等电学量,或转换为电路的通断。传感器品种较多,原理各异,如何使同学们对传感器的工作原理、分类情况有一个总体的了解呢?

2)复习教学过程

我们可以根据传感元件感受到的不同的非电学量和电学量之间的转化情况,把传感器归纳如下:

1温度传感器的应用

如图所示温度报警器的工作电路,试分析其工作原理。

要使热敏电阻在感测到更高的温度时才报警,应该把R1的阻值调大些还是调小些?

工作原理分析: 从图中可以看到R1为滑动变阻器,下端接地,可以看作电势为零。RT为热敏电阻,正常温度时,热敏电阻RT阻值较大,两端电压较高,R1两端电压较低,A为低电位,为逻辑“非”门,Y为高电位,蜂鸣器电压较小,蜂鸣器不报警。当温度升高时,热敏电阻RT电阻变小,两端电压较低,R1电压升高,A点电势升高,为高电位,Y变为低电位,蜂鸣器两端电压变大,蜂鸣器响起来报警。

要使热敏电阻在感测到更高的温度时才报警,即在原来报警的温度点蜂鸣器不响,则蜂鸣器两端电压较低,Y为高电位,A为低电位,R1上电压较低,则需将R1调小些。

归纳总结:温度传感器是利用热敏电阻的阻值会随温度的变化而变化的原理工作的,这样实现了温度这一非电学量和电阻这一电学量的转化,把温度和电学知识结合起来了。日常生活中各种家用电器如空调、冰箱、热水器、饮水机、电饭煲、电熨斗等的温度控制,以及火灾报警器、恒温箱等的工作原理都是类似的。

2、光传感器的应用

如图所示是光控电路,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 330 kΩ,试分析其工作原理.

要想在天更暗时路灯才会亮,应该把R1的阻值调大些还是调小些?

工作原理分析:从图中可以看出R1为滑动变阻器,RG为光敏电阻,下端接地,可以认为电势为零。白天时,光线较强,RG电阻较小,两端电压较低,A为低电位,为逻辑“非”门,Y为高电位,LED电压不足,灯不亮。晚上时,光线较弱,RG电阻较大,两端电压较高,A为高电位,Y为低电位,LED两端电压增大电路导通,灯亮起来。

要想在天更暗时路灯才会亮,即在原来灯刚刚亮的光线强度下灯不亮,则LED两端电压较低,Y为高电位,A为低电位,RG两端电压较低,R1两端电压较高,应该将R1的阻值调大些。

归纳总结:光传感器是根据光敏电阻的阻值随光线强度的变化而变化的原理制成的。如自动冲水机、路灯的控制、光电计数器、烟雾报警器、鼠标器都是利用了光传感器的原理。

3、力传感器的应用

如图9所示是一种测量血压的压力传感器在工作时的示意图。薄金属片P固定有4个电阻R1R2R3R4(如图10所示),左边是它的侧面图这四个电阻连接成电路如图11所示,试回答下列问题:

1)开始时金属片中央O点未加任何压力,欲使电压表无示数,则4个电阻应满足怎样的关系?

2)当O点加一个压力F后发生形变,这时4个电阻也随之发生形变,形变后各电阻大小如何变化?

3)电阻变化后,电阻的AB两点哪点电压高?它为什么能测量电压?

P

9

F

O

P

R1

R4

R2

R3

O

10

V

R1

R2

R3

R4

B

A

11

(提示:当O点加垂直于金属片的压力后,金属片发生形变,由于电阻是固定在金属片上的(由上图),因此R1R4被拉长,R2R3被拉宽。)

解析:1)本题是电路中AB两点间电压与4个电阻的关系,由于电压表的电阻可看作无穷大,因此本电路是R1R2的串联电路与R3R4的串联电路并联,伏特表电路相当于一根电桥,要使伏特表无读数,即AB两点电势相等则有:R1/R2= R3/R4R1R4= R2R3

2)当O点加垂直于金属片的压力后,金属片发生形变,由于电阻是固定在金属片上的(由上图),因此R1R4被拉长,R2R3被拉宽,根据电阻定率,则R1R4增大,R2R3减小,显然,这时AB两点电压不再相等。

3)电阻增大,电压降增大,电阻减小,电压降减小,故在R1R2的串联电路上R1上的电压降增大,R3R4串联电路上R3电压降减小,所以A点电压高于B点电压。测量血压时,血压越高,压力F越大,金属片形变越显著,电阻变化越大,因而电压表示数越大,于是就能根据电压表示数的大小来测量血压的高低了。当然在实际上由于金属片形变较小,所以电阻变化也较小,AB两点间电压还要经过放大才能通过电表指示出来,有的还可以转换成数字显示出来。

归纳总结:力传感器是把力学量(比如:位移、质量、速度、加速度等)转化为电阻、电流、电压等电学量的原理来工作的,这样实现了力学和电学知识点的结合。利用力传感器可以测物体的重量,比如电子称、体重计、大的还可以测量汽车、火车的重量,还可以测量汽车和卷扬机的牵引力等,还可以测量物体的速度、加速度等力学量。

4、声传感器的应用

2003上海试题)唱卡拉OK用的话筒,内有传感器。其中有一种是动圈式的,它的工作原理是在弹性膜片后面粘接一个轻小的金属线圈,线圈处于永磁体的磁场中,当声波使膜片前后振动时,就将声音信号转变为电信号。下列正确的是(  )

A  该传感器是根据电流的磁效应工作的

B  该传感器是根据电磁感应原理工作的

C  膜片振动时,穿过金属线圈的磁通量不变

D  膜片振动时,金属线圈中不会产生感应电动势

工作原理分析:动圈式话筒是利用电磁感应现象制成的。当声波使金属膜片振动时,连接在膜片上的线圈随着一起振动。音圈在永磁铁的磁场里振动,其中就产生感应电流。答案选B

归纳总结:声传感器是把声音信号转化为电流的强弱来工作的,常见的声传感器有话筒、盒式录音机、声控玩具、声控路灯等。

5、电容传感器的应用

  随着人们生活质量的提高,自动干手机进入家庭洗手间,当人将湿手靠近干手机时,机内的传感器便驱动电热器加热,于是有热空气从机内喷出,将手烘干,手靠近干手机能使传感器工作,这是因为(  

A.改变了湿度     B.改变了温度       C.改变了磁场        D.改变了电容

工作原理分析:烘手机工作的原理主要是人手是导体,靠近烘手机时改变了烘手机的电容,从而影响电路的通断。电容的大小受正对面积、板间距离、介电常数等物理量的影响。因而电容传感器的应用也是非常广泛的。答案选:D

传感器的种类繁多,有时可能是以上某几种传感器的结合:比如电容式声传感器就是电容传感器和声传感器的结合,我们不可能把所有有关传感器的问题都拿出来分析,学生在学习过程中可能会遇到一些从来没有见过的题目,这时需要灵活变通的能力,可以尝试从我们归纳总结过的问题中寻找这些问题的“影子”,并尝试和其它知识点结合起来综合考虑,在一般情况下是能够得出答案的。这样,分析问题的能力就会逐渐提高的。

五﹑热点例题

“传感器”一章是新教材有别于旧教材的最具代表性的新增内容,是渗透“STS”教育的好教材。传感器的应用已非常普及,实例也随处可见,从而使我们的生活更丰富、更舒适、更方便和更安全。现略举几例加以说明。

1、温度传感器

1如图是一火警报警装置的一部分电路示意图,其中R2为用半导体热敏材料制成的传感器,电流表为值班室的显示器,ab之间接报警器.当传感R2所在处出现火情时,显示器的电流I、报警器两端的电压U的变化情况是

AI变大,U变小             BI变小,U变小

CI变小,U变大             DI变大,U变小

点评:半导体热敏电阻随温度升膏而减小, 当传感R2所在处出现火情时, R2变小,这样外电组就变小,所以外电压U减小,总电流增大, R1上的电压增大,这样并联电路部分的电压就减小,所以I变小。

2、压力传感器

2. 在探究课上,小明和晓青两位同学分别设计了如甲、乙两图所示的电子秤。所用器材相同:电源电动势为、内阻不计;可变电阻长为,电阻为③轻弹簧导电,劲度系数为,其电阻不计;电压表均为理想电表。连接甲图中的电压表的导线可自由伸缩。不测量时指针均在(如图中虚线所示)。使电压表的示数与所称的重力相对应,便成为电子秤。

(1)不称重时,甲、乙两图中的电压表示数分别是多大?

(2)分别写出对应于甲、乙两种设计所称重力与电压表的示数以及的关系式。

(3)比较甲、乙两个电路,哪一个比较好?为什么?

(4)设想两种设计的电子秤测重力时可能出现的问题(只要提出问题,不必解答)

解析:(1) 甲图中的电压表示数是0;乙图中的电压表示数是

2)从图上可以看出,随着重力的增加,弹簧就要缩短,带着指针下移,电路发生变化,电压表读数也相应变化,从电压表的读数就可以知道重力的大小。

甲图的电压表是测量电阻之间的电压,根据欧姆定律和胡克定律有   整理得所称重力

乙图的电压表是测量电阻之间的电压,根据欧姆定律和胡克定律,有 ,整理得所称重力的关系为一次函数,而不是正比例函数。

3)相比之下,甲电路好。因所称重力与电压表示数成正比,表的刻度均匀。

4重力太小读不出;重力太大超出量程。

点评:自动控制、自动测量在生活中越来越普遍了。紧密联系生活是新课标的精神之一,也是亮点之一。本题巧妙地将电阻与长度的关系与弹簧弹力与长度的关系紧密联系在一起,从而设计出电子秤。这种联系的观点在创新过程中必不可少。

    3、光传感器

3. 如图613所示为光敏电阻自动计数器的示意图,其中R1为光敏电阻,R2为定值电阻。此光电计数器的基本工作原理是

A.              当有光照射R1时,信号处理系统获得高电压

B. 当有光照射R1时,信号处理系统获得低电压

C.信号处理系统每获得一次低电压就计数一次

D.信号处理系统每获得一次高电压就计数一次

点评:光敏电阻的阻值随光照强度的增大而减小。当光照射到光敏电阻R1上时,R1电阻减小,电路中电流增大。R2两端电压升高,信号处理系统得到高电压,计数器每由高电压转到低电压,就计一个数,从而达到自动计数目的,由以上分析选项AC正确。

4、综合应用

42008年高考江苏卷)2007年度诺贝尔物理学奖授予了法国和德国的两位科学家,以表彰他们发现巨磁电阻效应.基于巨磁电阻效应开发的用于读取硬盘数据的技术,被认为是纳米技术的第一次真正应用.在下列有关其它电阻应用的说法中.错误的是   (    )

A.热敏电阻可应用于温度测控装置中

B.光敏电阻是一种光电传感器

C.电阻丝可应用于电热设备中

D.电阻在电路中主要起到通过直流、阻碍交流的作用.

点评:考查基本物理常识。热敏电阻的原理是通过已知某电阻的电阻值与温度的函数关系,测得该热敏电阻的值即可获取温度,从而应用于温度测控装置中,A说法正确;光敏电阻是将光信号与电信号进行转换的传感器,B说法正确;电阻丝通过电流会产生热效应,可应用于电热设备中,C说法正确;电阻对直流和交流均起到阻碍的作用,D说法错误。

3)归纳总结

以上所举的传感器例子虽然各不相同,且在传感器问题中也只是很少的一部分,但分析思路却有共同点:因为传感器都是通过对某一物理量敏感的元件将感受到的信号按一定规律转换成电信号,故在分析过程中只要先分析该元件所处环境的变化对其的影响,再把握住该元件相对敏感信号的变化关系,就能将传感器的原理分析清楚。

七.教学反思

在实际生活中,传感器的应用非常广且越来越广,通过对传感器问题的练习,有助于提高学生的思考能力及将知识实际应用的能力,开阔学生的眼界。这节课主要讲解了常用的传感器,对物理基础一般的学生而言,这节课的内容比较容易理解。但对于班上少数物理基础较好的学生而言,这些内容就显得过于简单。所以在课后对学有余力的学生,另外再让他们在传感谢器的综合应用上做一些训练,特别是传感器和动力学的综合也是很重要的可能考查内容。