高中物理大显身手的传感器教案1鲁科版选修.doc

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5.3 大显身手的传感器

［课时安排］1 课时
［教学目标］ ：
（一）知识与技能
1．了解传感器在洗衣机水位控制装置上的应用。
2．了解传感器在自动门上的应用。
3．了解传感器在指纹识别器上的应用。
4．了解传感器在机器人中的应用
（二）过程与方法
通过实验或演示实验，了解传感器在生产、生活中的应用。
（三）情感、态度与价值观
在了解传感器原理及应用时，知道已学知识在生活、生产、科技社会中的价值，增强学
习兴趣，培养良好的科学态度。
［教学重点］各种传感器的应用原理及结构。
［教学难点］ ：各种传感器的应用原理及结构。
［教学器材］ 投影仪、投影片 ：
［教学方法］ 实验法、观察法、讨论法。 ：
［教学过程］
（一）引入新课
师：随着人们生活水平的提高，传感器在工农业生产中的应用越来越广泛，如走廊里的
声、光控开关、温度报警器、孵小鸡用的恒温箱、路灯的自动控制、银行门口的自动门等， 都用到了传感器．传感器的工作离不开电子电路，传感器只是把非电学量转换成电学量，对
电学量的放大，处理均是通过电子元 件组成的电路来完成的．
传感器在现代科技及日常生活中发挥着重要的作用。
（二）进行新课
1．洗衣机水位控制装置：
压力传感器在洗衣机水位控制装置中的应用
2．自动门：
红外线传感器在自动门中的应用，及自动门的工作流程。
3．指纹识别器
电容传感器在指纹识别器上的应用。
4．传感器与机器人
传感器在机器人中的应用
（三）实例探究 力传感器的应用
【例 1】用如图所示的装置可以测量汽车在水平路面上做匀加速直线运动的加速度．该装
置是在矩形箱子的前、后壁上各安装一个由力敏电阻组成的压力传感器．用两根相同的轻弹 簧夹着一个质量为 2.0 kg 的滑块可无摩擦滑动，两弹簧的另一端分别压在传感器 a、b 上，
其压力大小可直接从传感器的液晶显示屏上读出． 现将装置沿运 动方向固定在汽车上，传感器 b 在前，传感器 a 在后．汽车静止
时，传感器 a、b 在的示数均为 10 N（取 g=10 m／s2） ．
（1）若传感器 a 的示数为 14 N、b 的示数为 6.0 N，求此
时汽车的加速度大小和方向．

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（2 ）当汽车以怎样的加速度运动时， 传感器 a 的示数为零．
分析：传感器上所显示出的力的大小，即弹簧对传感器的压力，据牛顿第三定律知，此
即为弹簧上的弹力大小，亦即该弹簧对滑块的弹力大小．
解： 1）如图所示，依题意：左侧弹簧对滑块向右的 推力 F1=14N，右侧弹簧对滑块的向 （
左的推力 F2=6.0 N．
滑块所受合力产生加速度 a1，根据牛顿第二定律有

得 a1 = 4 m/s2

a1 与 F1 同方向，即向前（向右） ．

（2）a 传感器的读数恰为零，即左侧弹簧的弹力 F1¢ = 0 ，因两弹簧相同，左弹簧伸长多

少，右弹簧就缩短多少，所以右弹簧的弹力变为 F2¢ = 20 N。滑块所受合力产生加速度，由牛

顿第二定律得 F2¢ = ma 2 ，a2=10m/s2，方向向左．
☆温度传感器的应用
【例 2】 在家用电热灭蚊器中，电热部分主要元件是 PTC 元件，PTC 元件是由钛酸钡等
半导体材料制成的电阻器， 电阻率 r 随温度 t 的变化关系如图所 其
示，由于这种特性，PTC 元件具有发热、保温双重功能．对此，以
下判断正确的是（ ）
①通电后，其电功率先增大，后减小 ②通电后，其电功率先 减小，后增大 ③当其产生的热量与散发的热量相等时，温度保持
在 t1 不变 ④当其产生的热量与散发的热量相等时，温度保持在
t1 和 t2 之间的某一 值不变
A．①③ B．②③ C．②④ D．①④
分析：当电热灭蚊器温度由 0 升到 t1 的过程中，电阻器的电阻率 r 随温度升高而减小，
其电阻 R 随之减小，由于加在灭蚊器上的电压 U 保持不变，灭蚊器的热功率 P 随之增大当
t=t1 时，P=P1 达到最大．当温度由 t1 升高到 t2 的过程中 r 增大，R 增大，P 减小；而温度越高，
其与外界环境温度的差别也就越大，高于环境温度的电热灭蚊器的散热功率 P′也就越大；因
此在这之间的某一温度 t3 会有 P=P3= P′，即电热功率 P 减小到等于散热功率 时，即达到保温；
当 tP′，使温度自动升高到 t3；当 t>t3，P0℃左右的环境中工作的某自动恒温箱原理简图，箱内的电
阻 R1=20 kΩ，R2=10 kΩ， 3=40 kΩ，Rt 为热敏电阻， 的电阻随温度变化的图线如图乙所示．
R 它 当
a、b 端电压 Uab<0 时，电压鉴别器会令开关 S 接通，恒温箱内的
电热丝发热 ，使箱内温度
提高；当 Uab>0 时，电压鉴
别器使 S 断开，停止加
热，恒温箱内的温度恒定
在_________℃．
解析：设电路两端电

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U

压为为 U，当 Uab=0 时，有
R1 = U
R

解得 Rt=20 k Ω
R1 + R2
R 3 + Rt 3

由图乙可知，当 Rt=20 kΩ时，t=35 ℃．
答案：35
☆光传感器的应用
【例 4】如图所示为一实验小车中利用光电脉冲测量车速和行程的装置示意图。A 为光源，
B 为光电接收器，A、B 均固定在车身上，C 为小车的车轮，D 为与 C 同轴相连的齿轮。车轮转 动时，A 发出的光束通过旋转齿轮上齿的间隙后变成脉冲光信号，被 B 接收并转换成电信号，
由电子电路记录和显示。若实验显示单位时间内脉冲数为 n， 累计脉冲数为 N，则要测出小车的速度和行程还必须测量的物
理量和数据是 ，小车速度的表达式为 v= ；
行程的表达式为 s = 。
解析：这是一道以实际问题为背景的实验题，显然无法通 过迁移课本实验中的方法来解决。但是题目给出了装置图，该 图及题文中的相关说明给我们一定提示，光束原来是连续的，
是转动的齿轮使光束变为脉冲，因此脉冲情况必定与齿轮（或车轮）的 转动有关，也就与速
度和行程有关。
根据速度的意义和车正常行驶的情况，应有 v=2pR f，其中 R 为车轮的半径，f 为 单位
n

时间内车轮转过的圈数； 若车轮的齿数为 P， 则转一圈应有 P个脉冲被 B接收到， 有 f = 因此
2pRn
P，

代入上式，有 v =
P
。


N

同样， 据行程的意义，

根
应有 s = 2pRf ， 中 f 为整个行程中车轮转过的圈数； f =

其
而
P，

所以 s = 2pRN 。可见，还必须测量的物理量和数据是车轮的半径 R 和齿轮齿数 P，速度和行
P

程的表达式如上面两式所示。

答案：车轮的半径 R 和齿轮齿数 P；


2pRn 2pRN
P；P

［教学反思］ ：

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