傳感器在實(shí)驗(yàn)探究中的應(yīng)用

◇江蘇吳長(zhǎng)標(biāo)1蔣天林2(特級(jí)教師)

傳感器是生活和生產(chǎn)中各種測(cè)量、控制所不可缺少的元件,體現(xiàn)了它對(duì)科學(xué)、技術(shù)與社會(huì)的密切關(guān)系．在教學(xué)中側(cè)重于物理原理的理解和傳感器在技術(shù)中的應(yīng)用,讓學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn)的觀(guān)察,了解傳感器的工作原理和在生活和生產(chǎn)中的基本應(yīng)用．用傳感器進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)探究活動(dòng),其突出的優(yōu)點(diǎn)是能測(cè)出不易測(cè)出的物理量．我們?cè)诟叨抡n程物理教學(xué)中,師生共同設(shè)計(jì)和制作了各式控制裝置,引發(fā)了學(xué)生很大的探索興趣,突破了“傳感器”新增內(nèi)容的教學(xué)難點(diǎn),取得了極佳的教學(xué)效果．下面以霍耳元件為例加以說(shuō)明.霍耳元件是一個(gè)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(lái)檢測(cè)．

1工作原理

在教學(xué)中側(cè)重于讓學(xué)生理解霍耳元件的物理原理,為進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)探究和實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)奠定理論基礎(chǔ)．

圖1

2實(shí)驗(yàn)探究

通過(guò)霍耳元件傳感器實(shí)驗(yàn)的具體操作,讓學(xué)生了解霍耳元件的工作原理及在生活、生產(chǎn)中的實(shí)際應(yīng)用,達(dá)到從生活走向物理,從物理走向社會(huì)的效果．

圖2

(1) 某研究學(xué)習(xí)小組的同學(xué)用霍耳元件測(cè)量某地磁感應(yīng)強(qiáng)度,準(zhǔn)備的儀器有電源E、滑動(dòng)變阻器,電流表和電壓表．請(qǐng)根據(jù)所給的器材,在實(shí)物圖3上連線(xiàn)．

圖3　　　　　　　　　圖4

(2) 為了較準(zhǔn)確地測(cè)量出該地的磁感應(yīng)強(qiáng)度,該同學(xué)把霍耳元件的BD端通過(guò)數(shù)據(jù)采集器連接到計(jì)算機(jī)中,用計(jì)算機(jī)自動(dòng)讀出霍耳電壓的大?。?yàn)椴恢涝撎幋艌?chǎng)的方向,該同學(xué)隨意轉(zhuǎn)動(dòng)霍耳元件,在計(jì)算機(jī)中得出的圖象如圖4所示．則同學(xué)隨意轉(zhuǎn)動(dòng)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(guò)的電流恒為I=2 μA,則該地的磁感應(yīng)強(qiáng)度為B=________．

圖5

(1) 實(shí)物連線(xiàn)(滑動(dòng)變阻器限流分壓接法均可)如圖5所示.

(2) 使磁感應(yīng)強(qiáng)度B和電流I垂直,且平行于寬度為d的邊,此時(shí)霍耳電壓最大．

3實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

以霍耳元件傳感器為載體,讓學(xué)生經(jīng)歷科學(xué)探究過(guò)程,理解物理規(guī)律,構(gòu)建物理概念,達(dá)到學(xué)以致用的效果．

例2當(dāng)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(xiàn)性”的．它是將霍耳元件和放大器集成在一個(gè)芯片內(nèi),其輸出的電壓與感受到的磁感應(yīng)強(qiáng)度成正比地連續(xù)變化．請(qǐng)你提出一種方案,利用它來(lái)測(cè)量線(xiàn)圈電流的大?。?/p>

(2) 另一種叫作“開(kāi)關(guān)型”的,當(dāng)磁場(chǎng)到一定程度時(shí)它才會(huì)輸出高電平,而在磁場(chǎng)弱到一定程度時(shí)輸出低電平(或者相反),也就是說(shuō),它只能在高、低電平之間躍變．請(qǐng)你提出一種方案,利用它來(lái)測(cè)量物體的轉(zhuǎn)速．

(1) 設(shè)計(jì)方案如圖6所示．在C形軟鐵芯1上繞制線(xiàn)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(xiàn)圈中通入的待測(cè)電流I越強(qiáng),鐵芯間隙中的磁場(chǎng)強(qiáng)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(xiàn)圈的電流I,通過(guò)輸出電壓可測(cè)量線(xiàn)圈電流的大?。?/p>

圖6

圖7