论文部分内容阅读
【摘 要】传感器技术是当今世界一项令人瞩目的高新技术之一，它与通信技术、计算机技术构成信息产业的三大支柱，其水平高低已经成为衡量一个国家科技发展水平的重要标志。
【关键词】新课程；传感器
传感器技术是当今世界一项令人瞩目的高新技术之一，它与通信技术、计算机技术构成信息产业的三大支柱，其水平高低已经成为衡量一个国家科技发展水平的重要标志。随着科学技术的发展，传感器的应用已越来越普及，因此传感器这部分内容的引入，也就成了《课程标准》中“在课程内容上体现时代性”的一个标志。本文结合自己在教学中的一些感受，就传感器这一章节内容上做了一些探讨。
一、传感器的引入体现了新课改的要求
《新课程课标》将传感器列为选修3-2模块的二级主题，集中体现了它对科学、技术与社会的密切关系。选取这样一个具有时代气氛的内容，主要是传感器已经广泛地应用到现代的生产和生活的诸多方面，像家用的电饭煲，电视的遥控器，楼梯的声控开关，收费站的记重收费测量仪等，传感器已成为进行测量和控制不可缺少的元器件。
传感器这一章的内容非常丰富，但是在教学要求上不同于技术课程。它侧重于物理原理在传感器技术中的应用，让学生通过观察，了解运用传感器解决生活和生产中的某些需求的过程，体会到应用技术的重要性，了解和学习一些比较简单的技术知识。
二、传感器的教与资源实例
1.传感器的工作原理
传感器感受到的通常是非电学量，如压力、温度、位移、浓度、速度等，而它输出的通常是电学量，如电压值、电流值、电荷量等，这些输出信号非常微弱，通常要经过放大后再送给控制系统产生各种控制动作。
2.常见的传感器元件
（1）热敏电阻：是由半导体材料制成的，常态时其阻值约为10kΩ，其电阻率随温度的升高时，电阻率显著减小。
（2）光敏电阻：是由硫化镉这种由半导体材料制成，在没有光照射下的情况下，载流子极少，导电性能不好，其电阻值可以达到几十兆欧姆。但在光照情况下载流子增多，导电性能变好，其电阻率显著减小，电阻可以达到几千欧姆。
（3）金属热电阻：金属热电阻对温度的敏感元件是金属丝，其内部的导电物质是自由电子，当温度升高时，金属的电阻率升高，导电能力减弱。
（4）感温铁氧体：是由氧化锰、氧化锌和氧化铁混合烧制而成的，在常温下，感温铁氧体具有铁磁性，能够被磁铁吸引，但是温度上升居里点到（103℃）时，就会失去铁磁性，不能被磁铁吸引了。
（5）PTC元件：是由钛酸铍半导体材料制成的电阻器，其电阻率ρ与温度t的变化关系如图1所示，由于这种特性，PTC元件具有发热和控温双重功能。
（6）霍尔元件：霍尔元件能够把磁感应强度转换为电压，当电流一定时，霍尔电压与磁感应强度成正比。
3.传感器元件的教学
在教学过程中，要求学生能够熟悉并掌握这些传感器元件的特性。如在介绍光敏电阻时，可以让学生用试验的方法来探究光敏电阻的特性：将一只光敏电阻接到多用电表的两端，电表置于倍率为100的欧姆挡，在室内自然光的照射下，其电阻约有多大？然后把这个光敏电阻放到太阳光下直接照射，再重复相同的试验，测量出电阻值约为多大？这样学生就很容易得出光敏电阻与光照强度之间的关系，以加强学生的记忆。
学生在熟悉这些传感器元件的特性以后，教师要再配以适当的例题以巩固学生对传感器元件的理解。如图2所示，将万用表的选择开关置于“欧姆”挡，再将电表的两支表笔与一热敏电阻Rt的两端相连，这时表针恰好指在刻度盘的正中间。若往Rt上擦一些酒精，表针将向______（填“左”或“右”）移动；若用吹风机将热风吹向电阻，表针将向______（填“左”或“右”）移动。
解析：①在热敏电阻上擦一些酒精后，酒精挥发后使热敏电阻的温度降低，温度降低热敏电阻的阻值增大，所以表针要往左偏转。②用热吹风机吹向热敏电阻，使电阻的温度升高，电阻值减小，表针向右偏转。
本题不但使学生巩固了热敏电阻随温度变化的特点，还复习了欧姆表表盘刻度的特点，起到很好的“一石二鸟”作用。
4.传感器的应用
（1）力传感器的应用——电子秤
传感器作为一种采集信息的重要器件，其主要应用之一是测定压力，如图3所示是一种测定压力的传感器，现将这种传感器接到图4的电路中进行试验，（电流从电流表正接线柱流入时指针向右偏）若F变大，则电路内是否有电流产生？如果有，电流表的指针向哪偏转？
解析：电容器电容的决定因素是极板的正队面积S、极板间电介质ε、板间距离d，由电容的公式C=εs/4πkd，当待测压力F变大时，膜片产生形变，ε、s不变，d变小，从而引起电容变大；又因为电容器、灵敏电流计和电源串联成闭合电路，Q=CU，U等于电源的电动势不变，所以电容器的带电荷量Q增加，即电容器充电，电流计有示数，电流从电流表的正接线柱流进，指针向右偏转。
（2）声传感器的应用——话筒
话筒是一种把声信号转换为电信号的传感器，电容式话筒的工作原理如图5所示。薄金属膜M和固定电极N形成一个电容器，Q是两个绝缘支架，电容器被直流电源充电后，当声波冲击薄金属M而使指振动时，电容器两极间距离的变化而导致电容的大小发生变化，电容器的电荷量也随之变化，电路中形成电流，于是电阻R两端就输出了与声音变化规律相同的电压。
（3）光传感器的应用——火灾报警器
如图6所示为利用烟雾对光的散射作用而工作的一种火灾报警器，其工作原理为：带孔的外罩内装有发光二极管LED、光电三极管和不透光的挡板。平时，光电三极管不能收到LED发出的光，呈现高电阻状态，当有火灾危险时，有烟雾进入罩内，由于烟雾对光的散射作用，此时可以使部分光线照射到光电三极管上，光电三极管的电阻由此变小，与传感器连接的电路检测出这种变化，就会发出警报。 （4）温度传感器的应用——电饭锅
电饭煲是应用了温度传感器，它的主要元件是感温铁氧体，它的特点是常温下具有磁性，能够被磁体吸引，但是当温度上升到103℃时，就失去了铁磁性，不能被磁铁吸引了。如图7所示是电饭煲的电路图，S1是一个温控开关，手动闭合后，当此开关达到居里点（103℃）时会自动断开；S2是一个自动温控开关，当温度低于70℃时，会自动闭合；温度高于80℃时会自动断开，红灯是加热时指示灯，黄灯是保温时的指示灯，分流电阻R1=R2=500Ω，加热电阻丝R3= 50Ω，亮灯电阻不计。
（1）分析电饭煲的工作原理；
（2）计算加热和保温两种状态下，电饭煲消耗的电功率之比；
解析：（1）电饭煲通上电源以后，S2自动闭合，同时手动闭合S1，此时黄灯和R1处于短路，故黄灯熄灭红灯亮，电饭煲处于加热状态。温度上升到80℃时，S2自动断开，但是S1闭合，黄灯和R1仍处于短路状态，电饭煲内的温度继续上升。等饭蒸熟后温度上升到103℃时，开关S1自动断开，此时黄灯和电阻R开始工作，电饭煲处于保温状态。当温度降至70℃时，S2自动闭合，电饭煲重新加热，温度达到80℃ 时，S2又自动断开，再次处于保温状态。
（2）加热时电饭煲消耗的功率P1=U21/R并，保温时电饭煲消耗的功率P2=U2/（R1+R并），两式中R并=R2R3/（R2+R3）= 500/11Ω，所以P1/P2=（R1+R并）/R并=12
三、进行探究式学习，培养创新思维
在教学实验中，我们注重通过实验再现科学发现的过程，从而让学生体验到“猜想—验证—归纳”的科学探究过程，传感器的应用大大提高了这种探究过程的实效。在学生了解了一些传感器元件的特性、掌握了一些传感器在实际生活中的应用以后，就可以让学生自己来设计实验，探究一些感器元件的特性。比如让学生设计电路来探究热敏电阻的特性，可以先让学生自行设计并设计表格，通过数据和R-T图像的方法就能探究热敏电阻的阻值是随温度而变化的情况。
通过这种探究式的学习，可以激发学生兴趣，从而确立学生的学习动机。教师也可以为学生准备一系列以传感器为实验手段的趣味实验，让学生亲自动手操作，观察实验现象。通过学生自己设计实验，可以激发学生的学习兴趣，能亲身感受到传感器的作用。
【参考文献】
[1]物理选修3-2教师教学用书.北京：人们教育出版社，2008.114～115
[2]倪建云.浅析几种常见的温度传感器.物理教师.江苏：苏州恒久印务有限公司出版，2008.6
[3]步步高高考总复习用书.吉林：延边人们出版社，2008.355
（作者单位：江苏省吴江市汾湖经济开发区高级中学）
【关键词】新课程；传感器
传感器技术是当今世界一项令人瞩目的高新技术之一，它与通信技术、计算机技术构成信息产业的三大支柱，其水平高低已经成为衡量一个国家科技发展水平的重要标志。随着科学技术的发展，传感器的应用已越来越普及，因此传感器这部分内容的引入，也就成了《课程标准》中“在课程内容上体现时代性”的一个标志。本文结合自己在教学中的一些感受，就传感器这一章节内容上做了一些探讨。
一、传感器的引入体现了新课改的要求
《新课程课标》将传感器列为选修3-2模块的二级主题，集中体现了它对科学、技术与社会的密切关系。选取这样一个具有时代气氛的内容，主要是传感器已经广泛地应用到现代的生产和生活的诸多方面，像家用的电饭煲，电视的遥控器，楼梯的声控开关，收费站的记重收费测量仪等，传感器已成为进行测量和控制不可缺少的元器件。
传感器这一章的内容非常丰富，但是在教学要求上不同于技术课程。它侧重于物理原理在传感器技术中的应用，让学生通过观察，了解运用传感器解决生活和生产中的某些需求的过程，体会到应用技术的重要性，了解和学习一些比较简单的技术知识。
二、传感器的教与资源实例
1.传感器的工作原理
传感器感受到的通常是非电学量，如压力、温度、位移、浓度、速度等，而它输出的通常是电学量，如电压值、电流值、电荷量等，这些输出信号非常微弱，通常要经过放大后再送给控制系统产生各种控制动作。
2.常见的传感器元件
（1）热敏电阻：是由半导体材料制成的，常态时其阻值约为10kΩ，其电阻率随温度的升高时，电阻率显著减小。
（2）光敏电阻：是由硫化镉这种由半导体材料制成，在没有光照射下的情况下，载流子极少，导电性能不好，其电阻值可以达到几十兆欧姆。但在光照情况下载流子增多，导电性能变好，其电阻率显著减小，电阻可以达到几千欧姆。
（3）金属热电阻：金属热电阻对温度的敏感元件是金属丝，其内部的导电物质是自由电子，当温度升高时，金属的电阻率升高，导电能力减弱。
（4）感温铁氧体：是由氧化锰、氧化锌和氧化铁混合烧制而成的，在常温下，感温铁氧体具有铁磁性，能够被磁铁吸引，但是温度上升居里点到（103℃）时，就会失去铁磁性，不能被磁铁吸引了。
（5）PTC元件：是由钛酸铍半导体材料制成的电阻器，其电阻率ρ与温度t的变化关系如图1所示，由于这种特性，PTC元件具有发热和控温双重功能。
（6）霍尔元件：霍尔元件能够把磁感应强度转换为电压，当电流一定时，霍尔电压与磁感应强度成正比。
3.传感器元件的教学
在教学过程中，要求学生能够熟悉并掌握这些传感器元件的特性。如在介绍光敏电阻时，可以让学生用试验的方法来探究光敏电阻的特性：将一只光敏电阻接到多用电表的两端，电表置于倍率为100的欧姆挡，在室内自然光的照射下，其电阻约有多大？然后把这个光敏电阻放到太阳光下直接照射，再重复相同的试验，测量出电阻值约为多大？这样学生就很容易得出光敏电阻与光照强度之间的关系，以加强学生的记忆。
学生在熟悉这些传感器元件的特性以后，教师要再配以适当的例题以巩固学生对传感器元件的理解。如图2所示，将万用表的选择开关置于“欧姆”挡，再将电表的两支表笔与一热敏电阻Rt的两端相连，这时表针恰好指在刻度盘的正中间。若往Rt上擦一些酒精，表针将向______（填“左”或“右”）移动；若用吹风机将热风吹向电阻，表针将向______（填“左”或“右”）移动。
解析：①在热敏电阻上擦一些酒精后，酒精挥发后使热敏电阻的温度降低，温度降低热敏电阻的阻值增大，所以表针要往左偏转。②用热吹风机吹向热敏电阻，使电阻的温度升高，电阻值减小，表针向右偏转。
本题不但使学生巩固了热敏电阻随温度变化的特点，还复习了欧姆表表盘刻度的特点，起到很好的“一石二鸟”作用。
4.传感器的应用
（1）力传感器的应用——电子秤
传感器作为一种采集信息的重要器件，其主要应用之一是测定压力，如图3所示是一种测定压力的传感器，现将这种传感器接到图4的电路中进行试验，（电流从电流表正接线柱流入时指针向右偏）若F变大，则电路内是否有电流产生？如果有，电流表的指针向哪偏转？
解析：电容器电容的决定因素是极板的正队面积S、极板间电介质ε、板间距离d，由电容的公式C=εs/4πkd，当待测压力F变大时，膜片产生形变，ε、s不变，d变小，从而引起电容变大；又因为电容器、灵敏电流计和电源串联成闭合电路，Q=CU，U等于电源的电动势不变，所以电容器的带电荷量Q增加，即电容器充电，电流计有示数，电流从电流表的正接线柱流进，指针向右偏转。
（2）声传感器的应用——话筒
话筒是一种把声信号转换为电信号的传感器，电容式话筒的工作原理如图5所示。薄金属膜M和固定电极N形成一个电容器，Q是两个绝缘支架，电容器被直流电源充电后，当声波冲击薄金属M而使指振动时，电容器两极间距离的变化而导致电容的大小发生变化，电容器的电荷量也随之变化，电路中形成电流，于是电阻R两端就输出了与声音变化规律相同的电压。
（3）光传感器的应用——火灾报警器
如图6所示为利用烟雾对光的散射作用而工作的一种火灾报警器，其工作原理为：带孔的外罩内装有发光二极管LED、光电三极管和不透光的挡板。平时，光电三极管不能收到LED发出的光，呈现高电阻状态，当有火灾危险时，有烟雾进入罩内，由于烟雾对光的散射作用，此时可以使部分光线照射到光电三极管上，光电三极管的电阻由此变小，与传感器连接的电路检测出这种变化，就会发出警报。 （4）温度传感器的应用——电饭锅
电饭煲是应用了温度传感器，它的主要元件是感温铁氧体，它的特点是常温下具有磁性，能够被磁体吸引，但是当温度上升到103℃时，就失去了铁磁性，不能被磁铁吸引了。如图7所示是电饭煲的电路图，S1是一个温控开关，手动闭合后，当此开关达到居里点（103℃）时会自动断开；S2是一个自动温控开关，当温度低于70℃时，会自动闭合；温度高于80℃时会自动断开，红灯是加热时指示灯，黄灯是保温时的指示灯，分流电阻R1=R2=500Ω，加热电阻丝R3= 50Ω，亮灯电阻不计。
（1）分析电饭煲的工作原理；
（2）计算加热和保温两种状态下，电饭煲消耗的电功率之比；
解析：（1）电饭煲通上电源以后，S2自动闭合，同时手动闭合S1，此时黄灯和R1处于短路，故黄灯熄灭红灯亮，电饭煲处于加热状态。温度上升到80℃时，S2自动断开，但是S1闭合，黄灯和R1仍处于短路状态，电饭煲内的温度继续上升。等饭蒸熟后温度上升到103℃时，开关S1自动断开，此时黄灯和电阻R开始工作，电饭煲处于保温状态。当温度降至70℃时，S2自动闭合，电饭煲重新加热，温度达到80℃ 时，S2又自动断开，再次处于保温状态。
（2）加热时电饭煲消耗的功率P1=U21/R并，保温时电饭煲消耗的功率P2=U2/（R1+R并），两式中R并=R2R3/（R2+R3）= 500/11Ω，所以P1/P2=（R1+R并）/R并=12
三、进行探究式学习，培养创新思维
在教学实验中，我们注重通过实验再现科学发现的过程，从而让学生体验到“猜想—验证—归纳”的科学探究过程，传感器的应用大大提高了这种探究过程的实效。在学生了解了一些传感器元件的特性、掌握了一些传感器在实际生活中的应用以后，就可以让学生自己来设计实验，探究一些感器元件的特性。比如让学生设计电路来探究热敏电阻的特性，可以先让学生自行设计并设计表格，通过数据和R-T图像的方法就能探究热敏电阻的阻值是随温度而变化的情况。
通过这种探究式的学习，可以激发学生兴趣，从而确立学生的学习动机。教师也可以为学生准备一系列以传感器为实验手段的趣味实验，让学生亲自动手操作，观察实验现象。通过学生自己设计实验，可以激发学生的学习兴趣，能亲身感受到传感器的作用。
【参考文献】
[1]物理选修3-2教师教学用书.北京：人们教育出版社，2008.114～115
[2]倪建云.浅析几种常见的温度传感器.物理教师.江苏：苏州恒久印务有限公司出版，2008.6
[3]步步高高考总复习用书.吉林：延边人们出版社，2008.355
（作者单位：江苏省吴江市汾湖经济开发区高级中学）