傳感器在實驗探究中的應用

◇江蘇吳長標1蔣天林2(特級教師)

傳感器是生活和生產(chǎn)中各種測量、控制所不可缺少的元件,體現(xiàn)了它對科學、技術與社會的密切關系．在教學中側重于物理原理的理解和傳感器在技術中的應用,讓學生通過實驗的觀察,了解傳感器的工作原理和在生活和生產(chǎn)中的基本應用．用傳感器進行的實驗探究活動,其突出的優(yōu)點是能測出不易測出的物理量．我們在高二新課程物理教學中,師生共同設計和制作了各式控制裝置,引發(fā)了學生很大的探索興趣,突破了“傳感器”新增內(nèi)容的教學難點,取得了極佳的教學效果．下面以霍耳元件為例加以說明.霍耳元件是一個四端元件,其中兩端為輸入控制電流,另兩端為輸出霍爾電壓,可用電壓表來檢測．

1工作原理

在教學中側重于讓學生理解霍耳元件的物理原理,為進一步實驗探究和實驗設計奠定理論基礎．

圖1

2實驗探究

通過霍耳元件傳感器實驗的具體操作,讓學生了解霍耳元件的工作原理及在生活、生產(chǎn)中的實際應用,達到從生活走向物理,從物理走向社會的效果．

圖2

(1) 某研究學習小組的同學用霍耳元件測量某地磁感應強度,準備的儀器有電源E、滑動變阻器,電流表和電壓表．請根據(jù)所給的器材,在實物圖3上連線．

圖3　　　　　　　　　圖4

(2) 為了較準確地測量出該地的磁感應強度,該同學把霍耳元件的BD端通過數(shù)據(jù)采集器連接到計算機中,用計算機自動讀出霍耳電壓的大?。驗椴恢涝撎幋艌龅姆较?該同學隨意轉動霍耳元件,在計算機中得出的圖象如圖4所示．則同學隨意轉動霍耳元件的目的是________．

(3) 已知霍耳元件的霍耳系數(shù)k=2.0×102V·m·AT-1,d=1 mm,通過的電流恒為I=2 μA,則該地的磁感應強度為B=________．

圖5

(1) 實物連線(滑動變阻器限流分壓接法均可)如圖5所示.

(2) 使磁感應強度B和電流I垂直,且平行于寬度為d的邊,此時霍耳電壓最大．

3實驗設計

以霍耳元件傳感器為載體,讓學生經(jīng)歷科學探究過程,理解物理規(guī)律,構建物理概念,達到學以致用的效果．

例2當前大量使用的磁敏器件是霍耳元件與集成電路制在一起的磁傳感器,它有以下2種:

(1) 一種是“線性”的．它是將霍耳元件和放大器集成在一個芯片內(nèi),其輸出的電壓與感受到的磁感應強度成正比地連續(xù)變化．請你提出一種方案,利用它來測量線圈電流的大小．

(2) 另一種叫作“開關型”的,當磁場到一定程度時它才會輸出高電平,而在磁場弱到一定程度時輸出低電平(或者相反),也就是說,它只能在高、低電平之間躍變．請你提出一種方案,利用它來測量物體的轉速．

(1) 設計方案如圖6所示．在C形軟鐵芯1上繞制線圈2,霍耳傳感器3置入鐵芯的間隙中,并與數(shù)字毫伏表4相連．線圈中通入的待測電流I越強,鐵芯間隙中的磁場強度就越大,則傳感器輸出的電壓越大,即輸出的電壓U正比于線圈的電流I,通過輸出電壓可測量線圈電流的大小．

圖6

圖7