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1、
第二節(jié) 常見傳感器的工作原理
三維教學(xué)目標(biāo)
1、知識與技能
(1)知道什么是傳感器;
(2)了解光敏電阻、熱敏電阻、霍爾元件的工作原理;
(3)會使用霍爾電壓公式。
2、過程與方法:通過實驗,知道常見傳感器的工作原理。
3、情感態(tài)度與價值觀:通過已有知識在傳感器中的應(yīng)用激發(fā)科學(xué)探究的興趣。
教學(xué)重點(diǎn):認(rèn)識各種常見的傳感器;了解光敏電阻、熱敏電阻、霍爾元件的工作原理。
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:實驗法、觀察法、歸納法。
教學(xué)手段:磁鐵、干簧管、各種常見傳感器、光敏電阻、熱敏電阻、霍爾元件、多用電表、熱水、冷水、臺燈、投影儀等。
教學(xué)
2、過程:
(一)引入新課
引導(dǎo)學(xué)生看教材中“勇氣號”火星探測器的彩色照片;列舉生活中的一些自動控制實例,如遙控器控制電視開關(guān)、日光控制路燈的開關(guān)、聲音強(qiáng)弱控制走廊照明燈開關(guān)等,激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣,引出課題。
列舉自己知道的自動控制的其他實例。如當(dāng)走近自動門時,門會自動打開;電梯關(guān)門,當(dāng)兩門靠攏到接觸人體時,門又會重新自動打開等等。
(二)進(jìn)行新課
1、什么是傳感器
演示實驗:
揭示實驗“奧秘”:盒子里用到了一種稱為“干簧管”的元件。介紹干簧管的構(gòu)造和工作原理,干簧管是一種能夠感知磁場的傳感器。引導(dǎo)學(xué)生閱讀教材2、3段,思考
問題1:
(1)什么
3、是傳感器?
(2)傳感器的作用是什么?
答:傳感器是指這樣一類元件:它能夠感知諸如力、溫度、光、聲、化學(xué)成分等非電學(xué)量,并把它們按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)化成電壓、電流等電學(xué)量,或轉(zhuǎn)化為電路的通斷。傳感器的作用是把非電學(xué)量轉(zhuǎn)化為電學(xué)量或電路的通斷,從而實現(xiàn)很方便地測量、傳輸、處理和控制。
出示幾種常見的傳感器,增加學(xué)生的感性認(rèn)識。
為了制作傳感器,常常需要一些元器件,下面看幾個實例:
2、光敏電阻
介紹光敏電阻的外形和構(gòu)造。如圖6.1-4
現(xiàn)象:光敏電阻在被光照射時電阻發(fā)生明顯變化。普通電阻則不會發(fā)生變化。
閱讀教材中的內(nèi)容,思考問題:
(1)光敏電阻的電阻率與
4、什么有關(guān)?
(2)光敏電阻受到光照時會發(fā)生什么變化?怎樣解釋?
(3)光敏電阻能夠?qū)⑹裁戳哭D(zhuǎn)化為什么量?
答:
(1)光敏電阻的電阻率與光照強(qiáng)度有關(guān)。
(2)光敏電阻受到光照時電阻會變小。硫化鎘是一種半導(dǎo)體材料,無光照時,載流子極少,導(dǎo)電性能不好;隨著光照增強(qiáng),載流子增多,導(dǎo)電性能變好。
(3)光敏電阻能夠?qū)⒐鈱W(xué)量轉(zhuǎn)化為電阻這個電學(xué)量。
3、熱敏電阻和金屬熱電阻
閱讀教材有關(guān)內(nèi)容,思考問題3:
(1)金屬導(dǎo)體與半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電性能與溫度的變化關(guān)系是否相同?
(2)熱敏電阻和金屬熱電阻各有哪些優(yōu)缺點(diǎn)?
(3)熱敏電阻和金屬熱電阻能夠?qū)⑹裁戳哭D(zhuǎn)化為什么量?
答:
(1)金
5、屬導(dǎo)體與半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電性能與溫度的變化關(guān)系不相同。金屬導(dǎo)體的導(dǎo)電性能隨溫度升高而降低;半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電性能隨溫度升高而變好。
(2)熱敏電阻靈敏度高,但化學(xué)穩(wěn)定性較差,測量范圍較小;金屬熱電阻的化學(xué)穩(wěn)定性較好,測量范圍較大,但靈敏度交差。
(3)熱敏電阻或金屬熱電阻能夠?qū)釋W(xué)量轉(zhuǎn)化為電阻這個電學(xué)量。
現(xiàn)象:熱敏電阻隨著溫度的升高電阻發(fā)生明顯變化。溫度越高,電阻值越小。
看教材54頁“說一說”欄目中的內(nèi)容。
給電容器帶上一定的電荷,然后用靜電計來檢測兩板間電勢差的變化,即可判斷電容的變化。電容式傳感器能夠把位移這個力學(xué)量轉(zhuǎn)化為電容這個電學(xué)量。
4、霍爾
6、元件
引導(dǎo)學(xué)生閱讀教材關(guān)于霍爾元件的內(nèi)容。推導(dǎo)霍爾電壓的公式。設(shè)載流子的電荷量為q,沿電流方向定向運(yùn)動的平均速率為v,單位體積內(nèi)自由移動的載流子數(shù)為n,垂直電流方向?qū)w板的橫向?qū)挾葹閍,則電流的微觀表達(dá)式為
…… ① 載流子在磁場中受到的洛倫茲力
載流子在洛倫茲力作用下側(cè)移,兩個側(cè)面出現(xiàn)電勢差,載流子受到的電場力為 當(dāng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時,洛倫茲力與電場力平衡,即……②
由①②式得……③
式中的nq與導(dǎo)體的材料有關(guān),對于確定的導(dǎo)體,nq是常數(shù)。令,則上式可寫為 ……④
一個確定的霍爾元件的d、k、為定值,再保持I不變,則UH的變化就與B成正比。這樣,霍爾元件能夠把磁感應(yīng)強(qiáng)
7、度這個磁學(xué)量轉(zhuǎn)化為電壓這個電學(xué)量。
5、課堂總結(jié)、點(diǎn)評
本節(jié)課主要學(xué)習(xí)了以下幾個問題:
1、制作傳感器需要的敏感元件光敏電阻、熱敏電阻與金屬熱電阻、霍爾元件等。
2、光敏電阻的阻值隨光的強(qiáng)度增大而減小。光敏電阻將光學(xué)量轉(zhuǎn)化為電阻這個電學(xué)量。
3、熱敏電阻的阻值隨溫度的升高不一定減小。有的熱敏電阻阻值會隨溫度的升高而增大。熱敏電阻或金屬熱電阻將溫度這個熱學(xué)量轉(zhuǎn)化為電阻這個電學(xué)量。
4、霍爾元件的霍爾電壓公式為,霍爾元件把磁感應(yīng)強(qiáng)度這個磁學(xué)量轉(zhuǎn)化為電壓這個電學(xué)量。
5、電容式傳感器能夠把位移這個力學(xué)量轉(zhuǎn)化為電容這個電學(xué)量。
6、實例探究
光敏電阻及其應(yīng)用
例1、如圖所示為光
8、敏電阻自動計數(shù)器的示意圖,其中R1為光敏電阻,R2為定值電阻.此光電計數(shù)器的基本工作原理是( )
A.當(dāng)有光照射 R1時,信號處理系統(tǒng)獲得高電壓 B.當(dāng)有光照射R1時,信號處理系統(tǒng)獲得低電壓
C.信號處理系統(tǒng)每獲得一次低電壓就記數(shù)一次 D.信號處理系統(tǒng)每獲得一次高電壓就記數(shù)一次
熱敏電阻及其應(yīng)用
例2、有定值電阻、熱敏電阻、光敏電阻三只元件,將這三只元件分別接入如圖所示電路中的A、B兩點(diǎn)后,用黑紙包住元件或者把元件置入熱水中,觀察歐姆表的示數(shù),下列說法中正確的是( )
A.置入熱水中與不置入熱水中相比,歐姆表示數(shù)變化較大,這只元件一定是熱敏電阻
B.置入熱水中與不置入熱水中相比,歐姆表示數(shù)不變化,這只元件一定是定值電阻
C.用黑紙包住元件與不用黑紙包住元件相比,歐姆表示數(shù)變化較大,這只元件一定是光敏電阻
D.用黑紙包住元件與不用黑紙包住元件相比,歐姆表示數(shù)相同,這只元件一定是定值電阻
霍爾元件及其應(yīng)用
例3、如圖所示,有電流I流過長方體金屬塊,金屬塊寬度為d,高為b,有一磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場垂直于紙面向里,金屬塊單位體積內(nèi)的自由電子數(shù)為n,試問金屬塊上、下表面哪面電勢高?電勢差是多少?(此題描述的是著名的霍爾效應(yīng)現(xiàn)象)
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