人教版高中物理选择性必修第二册第5章传感器1认识传感器2常见传感器的工作原理及应用课件

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第五章1　认识传感器　2　常见传感器的工作原理及应用1.知道什么是传感器,理解传感器的工作原理。(物理观念)2.掌握制作传感器的常用元件:光敏电阻、热敏电阻、金属热电阻、电阻应变片的基本特性及工作原理。(物理观念)3.体会传感器将非电学量转化为电学量的意义。(科学思维)4.了解传感器在生产、生活中的应用。(科学思维)基础落实·必备知识全过关重难探究·能力素养全提升目录索引 学以致用·随堂检测全达标基础落实·必备知识全过关一、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。通常转换成的可用信号是　　　　、　　　等电学量,或转换为　　　　　　。把　　　　　转换为　　　　,可以很方便地进行测量、传输、处理和控制。 二、传感器的种类根据被测量的不同,可分为　　　、　　、　　　、　　　、　　　　　、　　　　等传感器;根据具体工作原理的不同,可分为　　　　　　、　　　　　、　　　　　、　　　　　、　　　　　、　　　　　、　　　　　　等传感器。 电压 电流电路的通断非电学量电学量声光压力位移加速度温度电阻式电容式电感式光电式热电式压电式磁电式三、传感器的组成与应用模式 敏感转换四、光敏电阻1.光敏电阻是　　　　　　　　中常见的光敏元件。 2.硫化镉是一种半导体材料,无光照时,载流子　　　　,导电性能　　;随着光照的增强,载流子　　　　,导电性变　　。 3.光敏电阻能够把　　　　　　这个光学量转换为　　　这个电学量。 光电传感器极少差增多好光照强弱电阻五、金属热电阻和热敏电阻1.温度能明显地影响金属导体和半导体材料的导电性能。　 　　　　和　　　　　　　　就是传感器中常见的感知温度的敏感元件。 2.金属的电阻率随温度的升高而　　　　,用金属丝可以制作温度传感器,称为　　　　　　。 3.金属热电阻和热敏电阻都能够把　　　　这个热学量转换为_________　　　　这个电学量。 金属热电阻热敏电阻增大热电阻温度电阻六、电阻应变片1.金属导体在外力作用下发生机械形变(伸长或缩短)时,其电阻随着它所受机械形变的变化而发生变化的现象,称为金属的电阻应变效应。2.除了金属电阻应变片外,常用的电阻应变片还有半导体电阻应变片,它的工作原理是基于半导体材料的　　　　　　　　。 3.电阻应变片能够把　　　　　　　这个力学量转换为　　　　这个电学量。 4.光敏电阻、热敏电阻、电阻应变片等电阻式传感器的工作共性是通过测量　　　　的变化来确定外界非电学量的变化。 压阻效应物体形变电阻电阻情境链接火灾探测器的核心元件为光敏电阻,当烟雾在空气中的浓度超过设定值时,可以触发报警,并对外发出声光报警信号。此时传感器是将什么量进行转化的?火灾探测器 提示 传感器是将烟雾产生的光学量转化为电路的电学量,使电路接通,从而对外发出声光报警信号。教材拓展为解决楼道里的照明问题,在楼道内安装一个传感器与控制电灯的电路连接。当楼道内有人走动而发出声响时,电灯即与电源接通而发光,这种传感器是什么传感器,它的输入、输出信号各是什么?提示 是声电传感器,输入的是声信号,输出的是电信号。 易错辨析(1)金属热电阻随温度的升高导电能力增强,它的化学稳定性好,测量范围大。(　　)(2)霍尔电压与组成霍尔元件的材料无关。(　　)(3)霍尔元件能够把磁感应强度这个磁学量转化为电压这个电学量。(　　)(4)光敏电阻的阻值随光照的强弱而变化,光照越强电阻越大。(　　)× 提示 金属热电阻随温度的升高导电能力减弱。 提示 霍尔电压与组成霍尔元件的材料有关。 提示 光敏电阻的阻值随光照的强弱而变化,光照越强电阻越小。 × √ × 重难探究·能力素养全提升探究点一　对传感器的认识干簧管结构:如图甲所示,它只是玻璃管内封入的两个软磁性材料制成的簧片。将干簧管接入图乙电路,当磁铁靠近干簧管时,会发生什么现象,为什么?干簧管的作用是什么?要点提示 灯泡会亮,因为当磁铁靠近干簧管时,两个簧片被磁化而接通;干簧管起到开关的作用,是一种能够感知磁场的传感器。1.传感器的工作流程 非电学量 → 敏感元件→ 转换元件→ 转换电路→ 电学量2.传感器的组成(1)敏感元件相当于人的感觉器官,是传感器的核心部分,是利用材料的某种敏感效应(如热敏、光敏、压敏、力敏、湿敏等)制成的。(2)转换元件是传感器中能将敏感元件输出的,与被测物理量成一定关系的非电信号转换成电信号的电子元件。(3)转换电路是将转换元件输出的不易测量的电学量转换成易于测量的电学量,如电压、电流、电阻等。【例1】 全面了解汽车的运行状态(速度、水箱温度、油量)是确保汽车安全行驶和驾驶员安全的举措之一,为模仿汽车油表原理,某同学自制一种测定油箱油量多少或变化多少的装置。如图乙所示,其中电源电压保持不变,R是滑动变阻器,它的金属滑片是金属杆的一端,R'是定值电阻,R'≫R。该同学在装置中使用了一只电压表(图中没有画出),通过观察电压表示数,可以了解油量情况,你认为电压表应该接在图中的　　　　两点之间,请按照你的接法回答:当油箱中油量减少时,电压表的示数将　　　　(选填“增大”或“减小”)。 b、c　增大 解析 由题图可知当油箱内液面高度变化时,R的金属滑片将会移动,从而引起R两端电压的变化,且当R'≫R时,UR=IR,可视为UR与R成正比,所以电压表应接在b、c两点之间;当油量减少时,R的金属滑片上移,接入电路的电阻增大,电压表示数将增大。1.力敏电阻的阻值随所受压力的增大而减小,有位同学利用力敏电阻设计了判断小车运动状态的装置,其工作原理如图甲所示,将力敏电阻和一块挡板固定在绝缘小车上,中间放置一个绝缘重球。小车向右做直线运动过程中,电流表示数如图乙所示,下列判断正确的是(　　)A.从t1到t2时间内,小车做匀速直线运动B.从t1到t2时间内,小车做匀加速直线运动C.从t2到t3时间内,小车做匀速直线运动D.从t2到t3时间内,小车做匀加速直线运动D 解析 在0~t1内,I恒定,力敏电阻阻值不变,由小球的受力不变可知,小车可能做匀速或匀加速直线运动,在t1~t2内,I变大,力敏电阻阻值变小,压力变大,小车做变加速运动,A、B均错误;在t2~t3内,I不变,压力恒定,小车做匀加速直线运动,C错误,D正确。探究点二　对敏感元件的认识在工厂生产车间的生产线上安装计数器后,就可以准确地得知生产产品的数量,如图所示为光敏电阻自动计数器示意图,其中R1为光敏电阻,R2为定值电阻。此光电计数器的基本工作原理是什么?要点提示 当光被产品挡住时,R1电阻增大,电路中电流减小,R2两端电压减小,信号处理系统得到低电压。每通过一个产品就获得一次低电压,以此计数。1.光敏电阻的特点及工作原理(1)当半导体材料受到光照或者温度升高时,会有更多的电子获得能量成为自由电子,同时也形成更多的空穴,于是导电能力明显增强。(2)光敏电阻是用半导体材料(如硫化镉)制成的。它的特点是光照越强,电阻越小。它能够把光照强弱这个光学量转换为电阻这个电学量。2.热敏电阻和金属热电阻的特点(1)热敏电阻:用半导体材料制成。(2)金属热电阻:金属的电阻率随温度升高而增大,利用这一特性,金属丝也可以制作成温度传感器,称为热电阻。(3)热敏电阻和金属热电阻的区别 3.霍尔元件的工作原理与特点(1)霍尔元件的工作原理:E、F间通入恒定的电流I,同时外加与薄片垂直的磁场B时,薄片中的载流子就在洛伦兹力作用下,向着与电流和磁场都垂直的方向漂移,使M、N间出现电压(如图所示)。(2)霍尔元件在电流、电压稳定时,载流子所受电场力和洛伦兹力二力平衡。(3)霍尔电压:UH=k (d为薄片的厚度,k为霍尔系数)。当电流I一定时,UH与B成正比,所以霍尔元件能把磁学量转换成电学量。【例2】 传感器已广泛应用在生产、生活中,下列关于传感器的说法正确的是(　　)A.火警报警器使用了压力传感器B.冰箱控温系统使用了温度传感器C.商场里的自动门使用了光传感器D.夜间自动打开的路灯使用了温度传感器B解析 火警报警器使用了温度传感器,故A错误;冰箱控温系统使用了温度传感器,故B正确;一般人体都有恒定的体温,会发出特定波长的红外线,被动式红外探头就是靠探测人体发射的红外线而进行工作的,人走向门口时,门会自动打开,是因为安装了红外线传感器,从而能感知红外线,导致门被打开,故C错误;灯要求夜晚亮、白天熄,而白天有光,黑夜没有光,所以电路中光传感器导致电阻变化,实现自动控制,因此是利用光电传感器,故D错误。2.如图所示,R1为定值电阻,R2为负温度系数的热敏电阻,L为小灯泡,当温度降低时(　　)A.R1两端的电压增大B.电流表的示数增大C.小灯泡的亮度变强D.小灯泡的亮度变弱C解析 R2与灯泡L并联后再与R1串联,与电源构成闭合电路,当温度降低时,热敏电阻R2阻值增大,外电路电阻增大,电流表读数减小,灯泡L两端的电压增大,灯泡的亮度变强,R1两端的电压减小,故只有C正确。学以致用·随堂检测全达标123451.(对传感器的认识)非触摸式自动感应水龙头如图所示,其应用的传感器是(　　)A.压力传感器 B.光电传感器C.生物传感器 D.温度传感器B解析 自动感应水龙头应用的是光电传感器。 123452.(热敏电阻电路动态分析)如图所示,RT为负温度系数的热敏电阻,R为定值电阻。若往RT上擦些酒精,在环境温度不变的情况下,关于电压表示数的变化情况,下列说法正确的是(　　)A.变大B.变小C.先变大再变小最后不变D.先变小再变大最后不变D12345解析 往RT上擦酒精后,酒精蒸发吸热,热敏电阻RT温度降低,电阻值增大,根据串联电路的分压特点知,电压表示数变小。当酒精蒸发完毕后,RT的温度逐渐升高到环境温度后不变,所以热敏电阻的阻值逐渐变小,最后不变,故电压表的示数将逐渐变大,最后不变。所以选项D正确。123453.(热敏电阻电路动态分析)(多选)在温控电路中,通过热敏电阻阻值随温度的变化可实现对电路相关物理量的控制。如图所示电路,R1为定值电阻,R2为半导体热敏电阻(温度越高电阻越小),C为电容器。当环境温度降低时(　　)A.电容器C的带电荷量增大B.电压表的读数增大C.电容器C两板间的电场强度减小D.R1消耗的功率增大AB12345解析 当环境温度降低时,R2变大,电路的总电阻变大,由I= 知I变小,又U=E-Ir,电压表的读数U增大,B正确;又由P1=I2R1可知,R1消耗的功率P1变小,D错误;电容器两板间的电压U2=U-U1,U1=IR1,可知U1变小,U2变大,由电场强度E'= ,Q=CU2可知Q、E'都增大,故A正确,C错误。123454.(霍尔元件)(多选)霍尔元件的示意图如图所示,一块通电的铜板放在磁场中,铜板的前、后板面垂直于磁场,板内通有如图方向的电流,a、b是铜板上、下边缘的两点,则(　　)A.电势φa>φbB.电势φb>φaC.B一定,电流增大时,|φa-φb|增大D.其他条件不变,将铜板改为NaCl溶液时,电势结果仍然一样AC12345解析 铜板中的自由电荷是电子,电子定向移动的方向与电流的方向相反,由左手定则可判断出电子因受洛伦兹力作用向b侧偏转,所以φa>φb,A正确,B错误;因|φa-φb|=k ,所以B一定,电流增大时,|φa-φb|增大,C正确;若将铜板改为NaCl溶液,溶液中的正、负离子均向b侧偏转,|φa-φb|=0,即不产生霍尔效应,故D错误。123455.(霍尔元件)(多选)如图所示是霍尔元件的工作原理示意图,如果用d表示薄片的厚度,k为霍尔系数,对于一个霍尔元件,d、k为定值,如果保持I恒定,则可以验证UH随B的变化情况。以下说法正确的是(工作面是指较大的平面)(　　 )A.将永磁体的一个磁极逐渐靠近霍尔元件的工作面,UH将变大B.在测定地球两极的磁场强弱时,霍尔元件的工作面应保持水平C.在测定地球赤道上的磁场强弱时,霍尔元件的工作面应保持水平D.改变磁感线与霍尔元件工作面的夹角,UH将发生变化ABD12345解析 将永磁体的磁极逐渐靠近霍尔元件的工作面时,B增大,I恒定,由公式UH= 知UH将变大,选项A正确;地球两极的磁场方向在竖直方向上,所以霍尔元件的工作面应保持水平,使B与工作面垂直,选项B正确;地球赤道上的磁场沿水平方向,只有霍尔元件的工作面在竖直方向且垂直于南北方向时,B才与工作面垂直,选项C错误;改变磁感线与霍尔元件工作面的夹角,B垂直工作面的大小发生变化,UH将发生变化,选项D正确。