2. 常见传感器的工作原理（表格式教学设计）物理沪科版选择性必修第二册

第2节 常见传感器的工作原理 年级 高二年级 学科 物理 教师 课题 第2节 常见传感器的工作原理 教学 目标 物理观念 了解什么是磁传感器、温度传感器、力传感器、气敏传感器、压电陶瓷片传感器。 科学思维 通过对磁传感器、温度传感器等传感器的工作原理的分析，了解传感器将非电学量转化为电学量的物理过程,培养学生理论联系实际的思维习惯。 科学探究 通过对实验的观察、思考和探究，知道磁传感器、温度传感器等这些传感器的工作原理，广泛了解传感器在社会生产中的应用。 科学态度 与责任 在了解传感器的原理和应用的同时，知道已学知识在生活、生产、科技中的价值,增强学习兴趣,培养良好的科学态度。 教学 重难点 1.了解各种传感器的工作原理(重点)。 2.知道不同传感器在实际生活中应用时所涉及的物理原理(重点)。 教学过程 教师活动 学生活动 导入新课 教师：传感器为高新技术与人工智能的发展担当重任。我们对传感器并不陌生，在很多物理实验中我们已使用过传感器，除了电流传感器、电压传感器直接“感知”电学量之外，其他如位移传感器、力传感器等都是把需要测量的物理量转化为电信号而显示出来的。它们究竟是利用哪些物理原理来实现信号转换的呢？下面简介一些常见传感器的工作原理。 学生课前预习。 新课讲授 1.磁传感器测磁感应强度的原理 教师：用来测定磁感应强度B的磁传感器的主要部分由半导体材料构成。 常用的半导体材料分为两类，一类材料中的自由电荷是正电荷，另一类材料中的自由电荷是负电荷。 如图所示，高为h、宽为d的半导体(自由电荷是电子或正电荷)置于匀强磁场B中，当电流通过半导体时，在导体的上表面A和下表面A'之间产生电势差，这种现象称为霍尔效应，此电压称为霍尔电压。 外部磁场使运动的载流子受到洛伦兹力的作用，在导体板的一侧聚集,在导体板的另一侧会出现多余的另一种电荷，从而形成横向电场;横向电场对电子施加与洛伦兹力方向相反的静电力，当静电力与洛伦兹力平衡时，导体板左右两侧会形成稳定的电压。要如何测定磁感应强度B呢？ 学生：当自由电荷所受电场力和洛伦兹力平衡时，A、A'间的电势差(U)保持稳定，由qvB＝q，I＝nqSv，S＝hd，联立得B＝。 教师：令k＝，则B＝。其中k为比例系数,称为霍尔系数，它的大小与薄片的材料有关;一个霍尔元件的d、k为定值,再保持I恒定,则U的变化就与B成正比。 于是可以通过测定霍尔元件两侧面的电势差来确定磁感应强度的大小。磁传感器就是运用这个原理制成的。 2.温度传感器的测温原理 教师：半导体材料的电阻随温度显著变化，因此常被制成热敏电阻。常见热敏电阻如图所示。 将热敏电阻接在稳压电源两端，测量通过电阻的电流，即可计算阻值，从而推得温度。温度传感器就是根据这一原理来工作的。 提问：请阅读教材，说说热敏电阻主要有哪些种类？ 学生：热敏电阻包括正温度系数（PTC）、负温度系数（NTC）和临界温度电阻（CTR）三大类。 教师：各类热敏电阻的阻值随温度变化的特性曲线如图所示。 热敏电阻灵敏度高、反应快、使用方便，但通电后自身发热影响阻值， 因此测量操作必须迅速，并且通常用于测量精度要求不高的场合。 3.力传感器的测力原理 教师：力传感器是一种将力信号转变为电信号输出，即将力学量转换为电学量的电子元件。如图所示是电子台秤和实验用的力传感器。 力传感器的敏感元件是悬臂梁和应变片。 播放应变片测力原理视频。 教师：力在生活与技术中有着广泛的应用，测量力大小的力传感器的种类很多。请同学们查阅资料，说说常见力传感器的种类有哪些？ 学生：应变管式力传感器、膜片式力传感器、组合式应变压力传感器。 4.气敏传感器测气体浓度的原理 气敏传感器是用来检测气体浓度和成分的传感器，如图所示。 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。请同学们查阅资料，说说常见气敏传感器的种类有哪些？ 学生：离子传感器、气体传感器。 教师：离子传感器、气体传感器具体应用如图所示。 5.用压电陶瓷片制作传感器的原理 教师：某些晶体在变化的外力作用下，表面会出现等量异号电荷，外力稳定或撤去外力后，表面又恢复电中性，这种现象称为压电效应。压电陶瓷片就是根据这一效应制成的。常见的应用有电子秤，如图所示。 实验演示：把如图所示的压电陶瓷片与电压传感器连接，在计算机上观察电压—时间图像。 提问：通过实验，同学们能得出什么结论？ 学生：陶瓷片具有压电效应，其输出电压与所受压力的大小相关。 教师：压电陶瓷只能进行动态测量，无法完成静态测量。 学生思考并回答问题。 根据教师的讲解推导霍尔电压的变化规律。 在教师的引导下，分析讨论热敏电阻的阻值随温度变化的特性曲线的特点。 学生观察实验现象，得出实验结论。 课 堂 练 习 1．如图所示，一电路通过热敏电阻实现自动控制电灯亮度，电源的电动势为，内阻为，为热敏电阻，、和灯泡的电阻均保持不变。查阅资料知：热敏电阻分为正温度系数（PTC）和负温度系数（NTC）两类，PTC热敏电阻的电阻值随温度升高而增大，NTC热敏电阻的电阻值随温度升高而减小。下列说法正确的是(　　) A．若环境温度升高时，电流表示数减小，则为NTC热敏电阻 B．若环境温度升高时，电流表示数减小，则两端的电压减小 C．若环境温度升高时，电流表示数增大，则灯泡的功率增大 D．若环境温度升高时，电流表示数增大，则流过灯泡的电流减小 答案　D 解析　A．若环境温度升高时，电流表示数减小，即干路中的总电流I减小，说明外电路的总电阻增大，根据外电路的结构分析，可知Rt增大，故Rt随温度的升高而增大，所以Rt为PTC热敏电阻，故A错误；B．若环境温度升高时，电流表示数减小，即干路中的总电流I减小，根据闭合电路欧姆定律有可知外电路的路端电压增大，而R1两端的电压，故R1两端的电压增大，故B错误；CD．若环境温度升高时，电流表示数增大，即干路中的总电流I增大，根据闭合电路欧姆定律有，可知外电路的路端电压减小；对定值电阻R1有，可知流过定值电阻R1的电流I1减小；根据，可知流过定值电阻R0的电流I0增大；对定值电阻R0有，可知定值电阻R0两端的电压U0增大；根据，可知灯泡与Rt并联部分电路的电压U并减小，对灯泡，根据,可知灯泡的功率PL减小；对灯泡，根据，可知流过灯泡的电流IL减小，故C错误，D正确。故选D。 2．煤气管道是否漏气通常使用气敏电阻传感器来检测，如图甲所示。某气敏电阻的阻值随空气中煤气浓度的增大而减小，某同学用该气敏电阻R1设计了如图乙所示的电路，R为变阻器，a、b间接报警装置。当a、b间电压高于某临界值时，装置将发出警报，则(　　) A．煤气浓度越高，a、b间电压越低 B．调整变阻器R的阻值会影响报警装置的灵敏度 C．煤气浓度越高，电源的功率越小 D．煤气浓度越高，流过R的电流越小 答案　B 解析　ACD．煤气浓度越高气敏电阻R1阻值越小，电路总电阻越小电路电流I越大变阳器两端电压越大，即ab间电压越大，电源的功率越大，故ACD错误；B．调整变阻器R的阻值会改变煤气浓度一定时ab间的电压，会影响报警装置的灵敏度，故B正确。故选B。 3．图一为某超声波发生器中的核心元件—压电陶瓷片。为使得压电陶瓷片发生超声振动，需要给它通入同频率的高频电信号。图二为高频电信号发生原理图，已知某时刻电流i的方向指向A极板，且正在增大，下列说法正确的是(　　) A．A极板带负电 B．线圈L两端的电压在增大 C．磁场能正在转化为电场能 D．减小自感系数L，可以减小超声振动的频率 答案　A 解析　A．某时刻电流正在增大，说明电容器正在放电，根据电流方向，可判断A带负电，故A正确；B．电容器正在放电，则电容器电压减小，则线圈L两端的电压在减小，故B错误；C．电容器正在放电，则电场能正在转化为磁场能，故C错误；D．根据，减小自感系数L，可以增大超声振动的频率，故D错误。故选A。 4．图（a）中的金属片和金属丝为力传感器的敏感元件。上、下表面的金属丝分别为R1和R2，当金属片受力弯曲时，其中一根金属丝被拉长，另一根被压缩。 当金属片右端向下受力F弯曲时，上表面的金属丝R1阻值____。 A．减小 B．不变 C．增大 答案　C 解析　当金属片右端向下受力F弯曲时，上表面的金属丝被拉长，横截面积减小，根据可知，阻值增大，故选C。 5．如图所示，厚度为h，宽度为d的导体板放在垂直于它的磁感应强度为B的匀强磁场中，当电流通过导体时，在导体板的上侧面A和下侧面A′之间会产生电势差，这种现象称为霍尔效应。实验表明，当磁场不太强时，电势差U、电流I和B的关系为，式中的比例系数k称为霍尔系数。霍尔效应可解释如下：外部磁场的洛伦兹力使运动的电子聚集在导体板的一侧，在导体板的另一侧会出现多余的正电荷，从而形成横向电场。横向电场对电子施加与洛伦兹力方向相反的静电力，当静电力与洛伦兹力达到平衡时，导体板上下两侧之间就会形成稳定的电势差。设电流I是由电子的定向流动形成的，电子的平均定向速度为v，电荷量为e，回答下列问题： （1）达到稳定状态时，导体板上侧面A的电势 下侧面A′的电势（填“高于”“低于”或“等于”）； （2）电子所受的洛伦兹力的大小为 ； （3）当导体板上下两侧之间的电势差为U时，电子所受静电力的大小为 。 答案　 低于 evB 解析　（1）[1]导体的电子定向移动形成电流，电子的运动方向与电流方向相反，电流方向向右，则电子向左运动，由左手定则判断，电子会偏向A端面，板上出现等量的正电荷，电场线向上，所以上侧面A的电势低于下侧面的电势； （2）[2]电子所受的洛伦兹力的大小为 （3）[3]电子所受静电力的大小为 课 堂 小 结 板 书 设 计 第2节 常见传感器的工作原理 1.磁传感器测磁感应强度的原理 构成：由半导体材料构成。 原理：当自由电荷所受电场力和洛伦兹力平衡时，A、A'间的电势差(U)保持稳定，由qvB＝q，I＝nqSv，S＝hd，联立得B＝。令k＝，则B＝。其中k为比例系数,称为霍尔系数，它的大小与薄片的材料有关;一个霍尔元件的d、k为定值,再保持I恒定,则U的变化就与B成正比。 2.温度传感器的测温原理 构成：由热敏电阻构成。 原理：将热敏电阻接在稳压电源两端，测量通过电阻的电流，即可计算阻值，从而推得温度。 种类：热敏电阻包括正温度系数（PTC）、负温度系数（NTC）和临界温度电阻（CTR）。 3.力传感器的测力原理 构成：由悬臂梁和应变片构成。 原理：将力信号转变为电信号输出。 种类：应变管式力传感器、膜片式力传感器、组合式应变压力传感器。 4.气敏传感器测气体浓度的原理 构成：由气敏传感器构成。 原理：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。 种类：离子传感器、气体传感器。 5.用压电陶瓷片制作传感器的原理 构成：由压电陶瓷片构成。 原理：根据压电效应制成。 作业 布置 1.完成教材课后作业：“问题与思考”。 2.配套分层作业。 教学反思 本节传感器原理教学通过霍尔效应演示实验成功建立“非电量→电信号”的转换概念，教学中增加结构动画演示、设计Arduino信号采集对比实验。利用探究式教学提高教学有效性。 1 / 1 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司 $