（选必2）5.1 认识传感器（教案1）

skybamboo

第5章　传感器
第1节　认识传感器


本节初步了解基础学科与科技应用的关系，体会传感器在生活、生产、科技领域的种种益处，激发学生的学习兴趣，拓展学生的知识视野，并加强物理与社会发展的联系。


【物理观念】了解基础学科与科技应用的关系。

• 【科学思维】了解什么是传感器，知道非电学量转化为电学量的技术意义，学习科学研究方法，培养学生的观察能力、实践能力和创新思维能力。
  

【科学探究】通过观察、思考和探究，让学生在了解传感器、熟悉传感器工作原理的同时，经历科学探究过程。
【科学态度与责任】通过动手实验，培养学生实事求是的科学态度、团队合作精神和创新意识。


【教学重点】认识传感器，了解传感器与社会发展的关系，理解并掌握传感器的三种常见敏感元件的工作原理。
【教学难点】分析传感器的简单应用电路。

• 【引入新课】
  

• 想一想：
  

• 小盒子 A 的侧面露出一个小灯泡，盒外没有开关。如果把磁体 B 放到盒子上面，灯泡就会发光，把磁体移走，灯泡熄灭。盒子里有什么样的装置，才能出现这样的现象？
  

• 
  

•     原来，小盒子中有一种叫作“干簧管”的元件（图甲），它的结构很简单，玻璃管内封入了两个软磁性材料制成的簧片。当磁体靠近干簧管时（图乙），两个簧
  

• 片被磁化而接通，所以干簧管能起到开关的作用，操纵开关的是磁场这只看不见的“手”。干簧管是一种能够感知磁场的传感器。那么，到底什么是传感器？
  

•    
  

• 【进行新课】
  

探究点一、神奇的传感器

• 传感器：能够感受诸如力、温度、光、声、化学成分等被测量，并能把它们按照一定的规律转换为便于传送和处理的可用信号输出。
  

• 传感器是电子控制系统获取外部信息的唯一途径。
  

• 传感器的作用：获得外界输入信息，并将非电量信息转成电信号输出。
  

• 下面我们来看几个生活中的实例
  

•       
  

•          自动门                                    酒精浓度检测
  

•   
  

• 人的感觉器官与传感器的类比
  

• 
  

• 【思考与讨论】
  

• 传感器的使用使我们的生活更加方便、安全和舒适。生活中，你还发现哪些地方使用了传感器？
  

• 请你根据需要大胆地设想：在家里、学校和生活的社区，什么地方应该安装传感器？
  

• 这些传感器要起什么作用？
  

探究点二、传感器的种类
各类传感器：




智能手机中的部分传感器
探究点三、传感器的组成与应用模式
传感器的一般结构   

         
    敏感元件：是指能直接感受或响应外界被测非电学量的部分；转换元件是指能将敏感元件输出的信号直接转换成电信号的部分。它们分别完成检测和转换两个基本功能。
      并不是所有传感器都能够明显地区分敏感元件和转换元件。如果敏感元件直接输出的是电学量，它就同时兼为转换元件。这种敏感元件和转换元件二者合一的传感器是很多的。如左图的热电偶温度计。

  
热电偶温度计
老师引出：
如何应用从传感器获得的信号呢？
可以用指针式电表或数字屏等显示测量的数据；也可以用来驱动继电器或其他元件，来执行诸如打开管道的阀门、开通或关闭电动机等动作；还可以由计算机对获得的数据进行处理，发出更复杂的指令。


传感器的一般模式
【思考与讨论】
话筒是一种能够将声音信号转换为电信号的传感器。图  乙是电容式话筒的组成结构示意图，话筒的振动膜片涂有薄薄的金属层，膜后相距几十微米有一个金属片（固定电极），它们构成电容器的两个极板。电容式话筒利用电容器的电容与极板间距离的关系来工作。你能根据它的工作过程说说各组成元件的作用吗？

电容式话筒

【科学漫步】: 机器人
1920 年，捷克斯洛伐克作家卡佩克在一部科幻小说中构思了一个机器人，名字叫Robot。它可以不吃饭，却能不知疲倦地工作，展现了人类持续多年的一种愿望。
    1947 年，世界上第一个机器人在美国诞生。这是一台为反应堆搬运核燃料的简单机器，代替人来从事危险的工作。此后，由于现代制造业的需求，有关机器人的研究迅速发展起来。图5.1-10是几个机器人的实例。
    根据机器人的结构和功能，可以粗略地把它们分为三代。第一代机器人对外界没有感觉，只能按照编好的程序，由内部的计算机安排它的动作，例如汽车生产线上用于点焊的机器人。第二代机器人有了感觉，它身上安装的传感器能起到人的感官的作用。例如，利用光传感器能让机器人沿着地面上画出的白色轨迹运动；利用图像传感器能让机器人产生视觉来识别烧杯和铁块，当它的手拿着烧杯时，力传感器产生触觉会使它的手指感知压力和滑动，从而既能拿住又不会捏碎。第三代是智能机器人，是人们梦寐以求的，也是当前正在努力发展的。它以人工智能理论和现代信息技术为基础，能够自主地从经验中学习，不断完善自身的程序，增强自己的功能。
机器人的种类很多。应用最广泛的是工业机器人，它们能把人从繁重的体力劳动和危险的环
境中解放出来，极大地提高了生产率。服务型机器人主要用于清洁、加油、导盲、抢险等方面。它们通常具有一个移动平台，其上有操作臂，还安装了触觉、视觉、听觉及超声测距等传感器，能够识别周边的环境、判断自己的运动。医疗机器人是近些年来发展迅速的一个新领域。医疗机器人能够帮助医生做复杂的手术，减轻医生的疲劳，保证手术的精确和成功。空间机器人是最复杂、最昂贵的机器人，用于探测太空，我国探月工程中使用的玉兔号巡视器（章首图）就是一个典型代表。
    随着机器人技术的发展与进步，机器人变得越来越“聪明”，它们是否有一天会完全取代人类的工作？人类的前途是否堪忧？实际上，科技本身并没有好坏之分，是人类决定了如何去使用它。面对科技进步，人类应该衡量和思考，该如何运用这些技术才会对社会更有益，使世界变得更加美好。


课堂重点知识小结
1.传感器：能够感受诸如力、温度、光、声、化学成分等被测量，并能把它们按照一定的规律转换为便于传送和处理的可用信号输出。
2.传感器的分类：
物理传感器：包括力传感器、磁传感器、声传感器等物理传感器；
化学传感器：包括离子传感器、气体传感器等化学传感器；
生物传感器：包括酶传感器、微生物传感器，细胞传感器等生物传感器。

• 传感器的组成与应用模式：
  

• 
  

随堂练习
例1、(多选)如图电容式触摸屏的构造主要是在玻璃屏幕上镀一层透明的薄膜导体层，再在导体层外加上一块保护玻璃，电容式触摸屏在触摸屏四边均镀上狭长的电极，在导体层内形成一个低电压交流电场，在触摸屏幕时，由于人体是导体，手指与内部导体层间会形成一个特殊电容(耦合电容)，四边电极发出的电流会流向触点，而电流强弱与手指到电极的距离成正比，位于触摸屏后的控制器便会计算电流的比例及强弱，准确算出触摸点的位置。由以上信息可知，下列说法中正确的是(　  　  　)


A．电容式触摸屏的两极板分别是导体层和手指
B．当用手触摸屏幕时，手指与屏的接触面积越大，电容越大
C．当用手触摸屏幕时，手指与屏的接触面积越大，电容越小
D．当用手触摸屏幕时，手指和屏的接触面积的大小影响电容的大小

• 【答案】：ABD
  

• 【解析】：电容式触摸屏在原理上把人的手指当作一个电容器元件的一个极板，把导体层当作另一极板，故选项A正确；手指和屏的接触面积大小会影响到电容大小，接触面积越大，即两极板的正对面积越大，电容越大，故选项B、D正确，C错误。
  

• 例2、（多选）下列说法正确的是(　  　)
  

• A．传感器担负着信息采集的任务
  

• B．干簧管是一种能够感知磁场的传感器
  

• C．传感器不是电视遥控接收器的主要元件
  

• D．传感器是把力、温度、光、声、化学成分转换为电信号的主要工具
  

• 【答案】 ABD
  

【解析】　传感器的任务就是采集信息，A对；干簧管是由平行不接触的两个极易被磁化的软铁片组成的，它靠近磁场时被磁化后相互吸引而接触，B对；由传感器的定义知D对．
例3、（单选）人类发射的绕地球运转的所有航天器，在轨道上工作时都需要电能，所需要的电能都是由太阳能电池把太阳能转化为电能得到的，要求太阳能电池板总是对准太阳，为达到这一要求应利用下列哪种传感器来感知太阳方位(　)
A．力传感器            B．光传感器
C．温度传感器          D．生物传感器
【答案】　B
【解析】　太阳帆的有效采光面积不同，所产生的电流不同，当电流最大时正对太阳，所以应用的是光传感器，选项B正确，选项A、C、D错误．
例4、（单选）如图所示是一自动控制电路示意图，R1为光敏电阻，当照射到R1处的光消失时，电流表A中的电流I及ab间的电压U的变化情况是                                    (　　)


A．I变大，U变大　　　        B．I变小，U变小
C．I变小，U变大                D．I变大，U变小
【答案】： A
【解析】：光敏电阻无光照射时其阻值变大，闭合回路的干路电流I干变小，U＝E－I干r，所以U增大；由于I干变小，则UR3变小，而U增大，则U并增大；由I＝IR2＝可得，I增大，故A符合题意。