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視頻標(biāo)簽：傳感器,及其工作原理

所屬欄目：高中物理優(yōu)質(zhì)課視頻

視頻課題：高中物理人教版選修3-2-6.1傳感器及其工作原理-浙江省 - 寧波

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高中物理人教版選修3-2-6.1傳感器及其工作原理-浙江省 - 寧波

傳感器——機(jī)械感知世界的感官
人教版 選修《3-2》第6章
 
教學(xué)目標(biāo)：
1．知識(shí)與技能
  （1）知道什么是傳感器；
  （2）了解光敏電阻、熱敏電阻、干簧管的工作原理；
  （3）會(huì)嘗試?yán)�用材料或元件的特性研發(fā)傳感器。
  2．過(guò)程與方法：通過(guò)實(shí)驗(yàn)，知道常見(jiàn)傳感器的工作原理。
  3．情感態(tài)度與價(jià)值觀：在實(shí)驗(yàn)中通過(guò)設(shè)計(jì)、組裝和調(diào)試，增強(qiáng)理論聯(lián)系實(shí)際的意識(shí)，激發(fā)學(xué)生興趣，培養(yǎng)良好的科學(xué)態(tài)度。并對(duì)傳感器中的應(yīng)用激發(fā)科學(xué)探究的興趣。
教學(xué)重點(diǎn)：認(rèn)識(shí)各種常見(jiàn)的傳感器；了解光敏電阻、熱敏電阻、霍爾元件的工作原理，能有傳感器研發(fā)的基礎(chǔ)觀念。
教學(xué)難點(diǎn)：光敏電阻、熱敏電阻、霍爾元件的工作原理。
教學(xué)方法：實(shí)驗(yàn)法、觀察法、邏輯法、歸納法。
教    具：磁鐵、干簧管、各種常見(jiàn)傳感器、光敏電阻、熱敏電阻、多用電表、電流計(jì)、數(shù)字計(jì)數(shù)器，面包板、發(fā)光二極管等。
教學(xué)過(guò)程：
一、新課導(dǎo)入
自然賦予人類各種感覺(jué)器官，用眼睛看繽紛世界，用耳朵傾聽(tīng)天籟之音，用舌頭嘗遍天下美食…..
（1）人類感知外界環(huán)境、對(duì)象通過(guò)感官的感知，動(dòng)物亦是如此；
（2）視頻植物界撲蠅草；
（3）演示掃地機(jī)在桌面清掃，防墜落能力；
提出問(wèn)題：機(jī)器感知世界的能力依靠什么？
超聲波測(cè)距傳感器用于避障和防墜、陀螺儀加速度傳感器用于保持平衡、光敏傳感器用于檢測(cè)和區(qū)分區(qū)域、紅外線傳感器低電量自動(dòng)返回充電功能…….，傳感器是機(jī)器感知世界的“感官”
二、基于光敏電阻初識(shí)傳感器
（一）實(shí)驗(yàn)探究：對(duì)光敏感的元件
         通過(guò)學(xué)生實(shí)驗(yàn)，探究光敏電阻對(duì)光的感知能力。
實(shí)驗(yàn)1：利用多用電表探測(cè)光敏電阻受光面在暴露和被遮蓋的情況下電阻的差異；
實(shí)驗(yàn)2：學(xué)生涉及電路，利用發(fā)光二極管的亮度體現(xiàn)光敏電阻在不同光強(qiáng)度下電阻的變化。事先簡(jiǎn)介光敏電阻的受光面、簡(jiǎn)介實(shí)驗(yàn)中涉及的發(fā)光二極管和面包板的使用。
 
 
（二）由光敏電阻構(gòu)成的光電控制開(kāi)關(guān)電路分析
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

當(dāng)光照強(qiáng)度下降到特定值時(shí)，光敏電阻阻值升高使VT1導(dǎo)通，VT2的激勵(lì)電流使繼電器K的敞開(kāi)觸點(diǎn)閉合，常閉觸點(diǎn)斷開(kāi)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)外電路的控制。
光敏電阻主要用于各種光電控制系統(tǒng)，如光電自動(dòng)開(kāi)關(guān)門(mén)戶，航標(biāo)燈、路燈和其他照明系統(tǒng)的自動(dòng)亮滅，自動(dòng)給水和自動(dòng)停水裝置，機(jī)械上的自動(dòng)保護(hù)裝置和“位置檢測(cè)器”。
（三）通過(guò)演示成品實(shí)驗(yàn)和示例傳感器的應(yīng)用，加深對(duì)傳感器的體驗(yàn)。
1.由光敏電阻構(gòu)成的煙霧報(bào)警器和計(jì)數(shù)器演示

 
 
 
 
 
 
 
 
 

2. （1）光敏電阻在厚度檢測(cè)器中的使用
（2）測(cè)光能讓攝像師更好的權(quán)衡拍攝的曝光量，以獲取更優(yōu)的視覺(jué)效果

 
 
 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

三、傳感器概念的界定
基于以上對(duì)光敏電阻的認(rèn)識(shí)，提出傳感器的感念，并延伸拓展。
能夠感受規(guī)定的被測(cè)量并按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的器件或裝置。——【國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（GB7665-87）中傳感器（Transducer/Sensor）的定義】
狹義的定義：輸入信號(hào)（待測(cè)量）輸入傳感器轉(zhuǎn)變成電信號(hào)。在明確輸出輸入的對(duì)應(yīng)關(guān)系的基礎(chǔ)上，具備一定的精確程度。
介紹輸出為電信號(hào)的原因：便于傳輸、轉(zhuǎn)換、處理、顯示。

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 “沒(méi)有傳感器就沒(méi)有現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)”的觀點(diǎn)已為全世界所公認(rèn)。以傳感器為核心的檢測(cè)系統(tǒng)就像神經(jīng)和感官一樣，源源不斷地向人類提供宏觀與微觀世界的種種信息，成為人們認(rèn)識(shí)自然、改造自然的有利工具。
四、傳感器的研發(fā)思路
(案例1) 一根金屬電阻絲，在溫度不變的情況下，由電阻定律 可知，改變電阻的因素還有長(zhǎng)度、橫截面積和溫度。
因此電阻元件還對(duì)拉壓和溫度等因素的變化敏感。
演示實(shí)驗(yàn)：自制深度測(cè)量傳感器
實(shí)驗(yàn)器材：5%的氯化鈉溶液，電流計(jì)、變阻箱和學(xué)生電源。
提出：應(yīng)變效應(yīng)和應(yīng)變片
當(dāng)被測(cè)物理量作用于彈性元件上，彈性元件在力、力矩或壓力等的作用下發(fā)生變形，產(chǎn)生相應(yīng)的應(yīng)變或位移，然后傳遞給與之相連的應(yīng)變片，引起應(yīng)變片的電阻值變化，通過(guò)測(cè)量電路變成電量輸出。輸出的電量大小反映被測(cè)量的大小。
應(yīng)變片的使用實(shí)例1：電子秤
應(yīng)變片的使用實(shí)例2：車(chē)輛過(guò)磅
  

 
 
 
 
 
 
 


 
利用金屬的電阻率隨溫度的升高而增大的金屬溫度計(jì)演示。
(案例2) 由絕緣介質(zhì)分開(kāi)的兩個(gè)平行金屬板組成的平板電容器，如果不考慮邊緣效應(yīng)，其電容量為:
當(dāng)被測(cè)參數(shù)變化使得S、 d或ε發(fā)生變化時(shí)， 電容量C也隨之變化。如果保持其中兩個(gè)參數(shù)不變，而僅改變其中一個(gè)參數(shù)， 就可把該參數(shù)的變化轉(zhuǎn)換為電容量的變化，通過(guò)測(cè)量電路就可轉(zhuǎn)換為電量輸出。電容式傳感器可分為變極距型、 變面積型和變介電常數(shù)型三種。

 
 
 

 
 
 
 
 
 
 

視頻展示：指紋采集的亮區(qū)，這小塊亮區(qū)上集成有上萬(wàn)的微型化的電容器，稱之為電容器陣列，當(dāng)手指貼在其上與其構(gòu)成了電容的另一面，由于手指平面凸凹不平，凸點(diǎn)處和凹點(diǎn)處接觸平板的實(shí)際距離大小就不一樣，形成的電容數(shù)值也就不一樣，設(shè)備根據(jù)這個(gè)原理將采集到的不同的數(shù)值匯總，就完成了指紋的采集。
五、傳感器應(yīng)用
（一）干簧管小制作展示
由發(fā)光二極管制作的光電“鋼琴”和自動(dòng)控制的電風(fēng)扇。

學(xué)生探究實(shí)驗(yàn)：干簧管作為傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)電路的控制。
（二）電磁流量計(jì)工業(yè)應(yīng)用和3D動(dòng)畫(huà)展示。
（三）更多傳感器在生活、生產(chǎn)中的應(yīng)用視頻展示。
六、小結(jié)：
1.傳感器的作用和地位
2.常見(jiàn)傳感器的工作方式
3.傳感器與人類生活
隨堂練習(xí)：
1．關(guān)于傳感器，下列說(shuō)法正確的是(　　)
A．所有傳感器都是由半導(dǎo)體材料制成的
B．金屬材料也可以制成傳感器
C．傳感器主要是通過(guò)感知電壓的變化來(lái)傳遞信號(hào)的
D．水銀溫度計(jì)是一種傳感器
2．電容式傳感器是用來(lái)將各種非電信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)的裝置，由于電容器的電容C取決于極板正對(duì)面積S、極板間距離d以及極板間的電介質(zhì)這幾個(gè)因素，當(dāng)某一物理量發(fā)生變化時(shí)就能引起上述某個(gè)因素的變化，從而又可推出另一物理量的值．如圖所示是四種電容式傳感器的示意圖，關(guān)于這四種傳感器的作用，下列說(shuō)法不正確的是(　　)


A．甲圖的傳感器可以用來(lái)測(cè)量角度
B．乙圖的傳感器可以用來(lái)測(cè)量液面高度
C．丙圖的傳感器可以用來(lái)測(cè)量壓力
D．丁圖的傳感器可以用來(lái)測(cè)量速度
3.如圖所示電路中，電源電動(dòng)勢(shì)為E，內(nèi)阻為r，R_t為負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻，R_g為光敏電阻，閉合開(kāi)關(guān)后，小燈泡L正常發(fā)光，由于環(huán)境改變(光照或溫度)，發(fā)現(xiàn)小燈泡亮度變暗，則引起小燈泡變暗的原因可能是(　　)
A．溫度不變，光照增強(qiáng)
B．溫度升高，光照不變
C．溫度降低，光照增強(qiáng)
D．溫度升高，光照減弱
4．煙霧散射火災(zāi)報(bào)警器使用的是(　　)
A．光傳感器  B．溫度傳感器
C．紅外傳感器  D．超場(chǎng)波傳感器
5.如圖所示，R₁、R₂為定值電阻，L為小燈泡，R₃為光敏電阻，當(dāng)入射光強(qiáng)度增大時(shí)(　　)
A．電壓表的示數(shù)增大
B．R₂中電流減小
C．小燈泡的功率增大
D．電路的路端電壓增大
1. B  【解析】大多數(shù)傳感器是由半導(dǎo)體材料制成的，某些金屬也可以制成傳感器，如金屬熱電阻，故A錯(cuò)，B對(duì)；傳感器將非電學(xué)量轉(zhuǎn)換為電學(xué)量，因此傳感器感知的應(yīng)該是“非電信號(hào)”，故C錯(cuò)；水銀溫度計(jì)能感受熱學(xué)量，但不能把熱學(xué)量轉(zhuǎn)化為電學(xué)量，因此不是傳感器，故D錯(cuò)．
2. D 【解析】　甲圖角度變化能導(dǎo)致極板正對(duì)面積變化；乙圖液面高度變化能導(dǎo)致極板正對(duì)面積變化；丙圖壓力F變化能導(dǎo)致極板間距變化；丁圖中位置變化導(dǎo)致電介質(zhì)變化．所以，甲、乙、丙、丁分別是測(cè)角度、液面高度、壓力、位移的傳感器，故選D.
3. AC
4.A  【解析】　煙霧散射火災(zāi)報(bào)警器是煙霧進(jìn)入報(bào)警器后，光被散射，照到報(bào)警器中的光傳感器上，使電路接通，報(bào)警器工作，發(fā)出警報(bào)，A對(duì)，B、C、D錯(cuò)．
5. ABC  【解析】　當(dāng)入射光強(qiáng)度增大時(shí)，R₃阻值減小，外電路電阻隨R₃的減小而減小，R₁兩端電壓因干路電流增大而增大，即電壓表的示數(shù)增大，同時(shí)內(nèi)電壓增大，故電路的路端電壓減小，A項(xiàng)正確，D項(xiàng)錯(cuò)誤．由路端電壓減小，而R₁兩端電壓增大知，R₂兩端電壓必減小，則R₂中電流減小，故B項(xiàng)正確．結(jié)合干路電流增大知，流過(guò)小燈泡的電流必增大，故小燈泡的功率增大，C項(xiàng)正確．
 

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