高中物理人教版 (2019)选择性必修 第二册2 常见传感器的工作原理及应用教学课件ppt

这是一份高中物理人教版 (2019)选择性必修 第二册2 常见传感器的工作原理及应用教学课件ppt，共50页。PPT课件主要包含了知识点一光敏电阻，光照强弱，知识点三电阻应变片，机械形变，电阻应变效应，力传感器，应变式力，答案ABC，答案120℃，探究三电阻应变片等内容，欢迎下载使用。
2　常见传感器的工作原理及应用
1.特点:光照越强,电阻 .2.原因:光敏电阻的构成物质为半导体材料,无光照时,载流子极少,导电性能 ;随着光照的增强,载流子增多,导电性 .3.作用:光敏电阻能够把 这个光学量转换为 这个电学量.
知识点二　金属热电阻和热敏电阻
1.下图为金属热电阻和热敏电阻的电阻随温度变化的关系图,根据图像说一说金属热电阻和热敏电阻有什么相同点和不同点.
2.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,因此可以用金属热电阻和热敏电阻制成传感器用于测量 .
答案:相同点:金属热电阻和热敏电阻都是感知温度的敏感元件,阻值都随温度的变化而变化.不同点:金属热电阻的阻值随温度的升高而增大,阻值与温度的关系为线性关系;热敏电阻的阻值随温度的升高而减小,二者之间的关系为非线性关系,热敏电阻一般是用半导体材料做成的.
1.金属的电阻应变效应:金属导体在 作用下发生机械形变(伸长或缩短)时,其 随着它所受 的变化而发生变化的现象.2.金属电阻应变片就是利用金属的 原理制成的.3.半导体电阻应变片:它的工作原理是基于半导体材料的 .效应.4.半导体电阻应变片能够把物体的 这个力学量转换为 这个电学量.
5.电子秤所使用的测力器件是 .常用的一种力传感器是由金属梁和电阻应变片组成的,其结构如图所示,称为 传感器.
1.光敏电阻受到的光照越强,电阻越小.( )2.非接触式测温仪不用直接接触就能感知人的体温,是应用了光敏电阻作为敏感元件.( )3.热敏电阻的阻值一定随温度的升高而增大.( )4.温度传感器只能用金属热电阻不能用热敏电阻.( )5.有光照在光敏电阻上,电阻上的自由电子会发生定向移动.( )6.金属电阻应变片受拉力或压力时,其电阻率的变化导致其电阻变化.( )
探究一　光敏电阻与光电传感器
实验:将一只光敏电阻接到多用电表的两端,选择开关置于倍率为×100的电阻挡,如图所示.
答案:光敏电阻在被不同强度的光照射时电阻发生变化.光照增强电阻变小,光照减弱电阻变大.
1.观察在阳光直接照射下、在室内自然光的照射下、用手掌遮光时光敏电阻的阻值如何变化.
2.换用一只普通的电阻,小心地把它表面的漆层除去一些,使里面的导电膜露出来接受光照.重做上述实验,电阻变化吗?如何解释上面的现象?
答案:电阻不变.光敏电阻上涂敷的硫化镉是一种半导体材料,无光照时,载流子极少,导电性能差;随着光照增强,载流子增多,导电性能变好.
3.如图所示是利用光敏电阻自动计数的原理示意图,其中A是发光仪器,B是接收光信号的仪器,B中的主要器件是由光敏电阻组成的光电传感器.请讨论并尝试解释光电计数器的计数原理是什么.
答案:当传送带上没有物品挡住由A射向B的光信号时,光敏电阻的阻值较小,由闭合电路欧姆定律可知供给信号处理系统的电压变低;当传送带上有物品挡住由A射向B的光信号时,光敏电阻的阻值变大,供给信号处理系统的电压变高.这种高低交替变化的信号经过处理,就会转化为相应的数字,实现自动计数的功能.
1.电流载体称为载流子.在物理学中,载流子指可以自由移动的带有电荷的物质微粒,如电子和离子.在电场作用下能做定向运动的带电粒子有导体中的自由电子,电解液中的正、负离子,放电气体中的离子等.2.光敏电阻一般由半导体材料制成,当半导体材料受到光照时,导电性能明显增强,所以光敏电阻的阻值随光照的增强而减小.3.光电传感器的敏感元件一般是光敏电阻,光电传感器是将光的强弱变化转换为电学量变化的装置.4.光电传感器的应用:路灯光电自动开关电路、楼道自动照明开关电路、光电计数器等.
【典例1】(多选)如图所示,R1、R2为定值电阻,L为小灯泡,R3为光敏电阻,当照射光强度增大时(　　)
A.电压表的示数增大　　　　B.R2中电流减小C.小灯泡的电功率增大 D.电路的路端电压增大
解析:当照射光强度增大时,R3阻值减小,外电路总电阻随R3的减小而减小,干路电流增大,R1两端电压因干路电流增大而增大,同时内电压增大,故电路路端电压减小,电压表的示数增大,选项A正确,选项D错误.由路端电压减小,R1两端电压增大知,R2两端电压必减小,则R2中电流减小,选项B正确.结合干路电流增大知,流过小灯泡的电流必增大,小灯泡的电功率增大,选项C正确.
含光敏电阻电路的动态分析思路
探究二　 金属热电阻、热敏电阻与温度传感器
实验:将多用电表的选择开关置于电阻挡,再将多用电表的两支表笔与负温度系数热敏电阻的两端相连,这时指针恰好指在刻度盘的正中央.1.若在该热敏电阻上擦一些酒精,则指针将如何偏转?热敏电阻的阻值如何变化?为什么出现这种现象?
答案:指针将向左偏.热敏电阻的阻值增大.因为酒精蒸发吸热,负温度系数热敏电阻温度降低.
2.若用吹风机向该热敏电阻吹热风,则指针将如何偏转?热敏电阻的阻值如何变化?为什么出现这种现象?以上现象说明什么?
答案:指针将向右偏.热敏电阻的阻值减小.因为用吹风机向该热敏电阻吹热风时,热敏电阻温度升高.以上现象说明热敏电阻的阻值与温度有关.
3.用上述热敏电阻制成的液位报警装置的原理示意图如图所示,该装置是由电源、热敏电阻、小灯泡组成的闭合电路.当液面高于热敏电阻的高度时,指示灯不亮(图甲).当液体减少、热敏电阻露出液面一定程度时,指示灯亮(图乙).你能说明一下液位报警装置的原理吗?
答案:若给热敏电阻通以一定的电流,热敏电阻会发热.当液面高于热敏电阻的高度时,热敏电阻发出的热量会被液体带走,温度基本不变,阻值较大,指示灯不亮.当液体减少、热敏电阻露出液面一定程度时,发热导致它的温度上升、阻值较小,指示灯亮.
1.热敏电阻.热敏电阻是用半导体材料制成的.热敏电阻的阻值随温度的升高不一定减小.正温度系数(PTC)热敏电阻,其阻值随温度的升高而增大,而负温度系数(NTC)热敏电阻,其阻值随温度的升高而减小.若题目中无特别说明,一般是指负温度系数的热敏电阻.
2.金属热电阻.金属的电阻率随温度的升高而增大,用金属丝可以制作温度传感器,称为金属热电阻.3.温度传感器中的敏感元件是热敏电阻或金属热电阻,两种元件都能够把温度这个热学量转换为电阻这个电学量,但相比而言,金属热电阻的化学稳定性好,测温范围大,而热敏电阻的灵敏度较好.
【典例2】温度传感器广泛应用于室内空调、电冰箱等家用电器中,它是利用热敏电阻的阻值随温度的变化而变化的特性来工作的.如图甲所示,电源的电动势E=9 V,内阻不计;G为灵敏电流表,内阻Rg保持不变;RT为热敏电阻,其阻值与温度的关系如图乙所示.闭合S,当RT的温度等于20 ℃时,电流表示数I1=2 mA;当电流表的示数I2=3.6 mA时,热敏电阻的温度是多少?
下图为应变式力传感器的工作原理图,金属梁的上下两侧各贴一个金属电阻应变片,金属梁右端固定,在左端施加力F时,金属梁弯曲,上下贴的金属电阻应变片也发生相应的形变.
1.金属梁受图中所示的作用力F时向下弯曲,金属梁上下的金属电阻应变片受到的是压力还是拉力?形变情况如何?电阻如何变化?
2.如果让金属电阻应变片中通过的电流恒定,那么上下金属电阻应变片两端的电压如何变化?电压的差值与金属梁上施加的作用力有什么关系?
答案:上方金属电阻应变片两端的电压增大,下方金属电阻应变片两端的电压减小.金属梁上施加的作用力越大,应变片的形变越大,电阻变化越大,电压差值越大.
1.应变式力传感器的工作原理.
2.常见传感器的比较.
【典例3】(多选)关于应变式力传感器的说法正确的是(　　)A.应变片的材料必须是导体材料B.当金属应变片的表面拉伸时电阻变大C.传感器输出的是应变片两端的电压D.外力越大,输出的电压差值也越大
探究四　霍尔元件、电容式传感器
(一)如图所示,在一个很小的矩形半导体(或导体)薄片上,制作四个电极,它就成为一个霍尔元件.在电极E、F间通入恒定的电流I,同时外加与薄片垂直的磁感应强度为B的磁场,则在电极M、N间会出现电压,这个电压被称为霍尔电压UH.
1.M、N间为什么会出现电压?
答案:薄片中自由移动的带电粒子在洛伦兹力的作用下,向着与电流和磁场都垂直的方向漂移,使M、N间出现了电压.
2.M、N间的电压UH与什么因素有关?电流的微观表达式为I=nqvS.
(二)下图为电容式位移传感器的原理示意图,当被测物体在左、右方向发生位移时,电介质板随之在电容器两极板之间移动.如果测出了电容器电容的变化,就能知道物体位置的变化.
3.物体向右移动时,电容器电容如何变化?如何检测电容器电容的变化?
答案:物体向右移动,电容器的介电常数减小,电容器电容减小;将电容器连入电路,可以通过检测电容器是充电还是放电来判断电容器电容的变化.
1.霍尔元件把磁感应强度这个磁学量转换为电压这个电学量,除了可以用来检测磁场及其变化,还可以在各种与磁场有关的场合中使用.2.电容式位移传感器能够把物体的位移这个力学量转换为电容这个电学量.
【典例4】(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,板内通有如图所示方向的电流,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,a、b两点的电势高低不变
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,选项A正确,选项B错误.因为|φa-φb|=UH,所以B一定,电流增大时,|φa-φb|增大,选项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,故选项D错误.
1.关于光敏电阻,下列说法正确的是(　　)A.受到的光照越强,电阻越小B.受到的光照越弱,电阻越小C.它的电阻与光照无关D.以上说法都不正确
解析:光敏电阻受到的光照越强,电阻越小.
2.(2021·广东广州)空调机使室内温度达到设定值时会自动停止工作.空调机实现这一自动控制功能用到的传感器是 (　　)A.压力传感器　　　　　　B.声音传感器C.温度传感器 D.光传感器
解析:空调机使室内温度达到设定值时会自动停止工作.空调机实现这一自动控制功能用到的传感器是温度传感器,故选项C正确.
3.电容式传感器是将各种非电信号转变为电信号的装置,由于电容器的电容C取决于极板间的正对面积S、极板间的距离d以及极板间的电介质这几个因素,某一物理量发生变化能引起上述某个因素变化,就能引起电容的变化.四种电容式传感器的示意图如图所示.关于这四种传感器的作用,下列说法不正确的是(　　)
解析:甲图中角度变化能导致极板间的正对面积变化;乙图中液面高度变化能导致极板间的正对面积变化;丙图中F变化能导致极板间距离变化;丁图中位置变化导致电介质变化.所以,甲、乙、丙、丁所示的传感器分别是测角度、液面高度、压力、位移的.
A.甲图所示的传感器可以用来测量角度B.乙图所示的传感器可以用来测量液面高度C.丙图所示的传感器可以用来测量压力D.丁图所示的传感器可以直接用来测量速度
4.观察电阻阻值随温度变化情况的装置示意图如图所示.现把杯中的水由冷水变为热水,水对电阻阻值的影响不计,关于欧姆表的读数变化情况,下列说法正确的是(　　)
A.如果R为金属热电阻,那么欧姆表读数变大,且变化非常明显B.如果R为金属热电阻,那么欧姆表读数变小,且变化不明显C.如果R为用半导体材料制成的热敏电阻,那么欧姆表读数变化非常明显D.如果R为用半导体材料制成的热敏电阻,那么欧姆表读数变化不明显
解析:金属热电阻的阻值随温度的升高而增大,但灵敏度较差,而热敏电阻的阻值随温度的升高而减小,且灵敏度高,故选项C正确.
情境　一热敏电阻在温度为80 ℃时阻值很大,当温度达到100 ℃时阻值就很小,可等效为导线.现用一电阻丝给水加热,并配一热敏电阻以保持水温在80 ℃到100 ℃之间,将电阻丝与热敏电阻并联,一并放入水中,电路如图所示,图中R1为热敏电阻,R2为电阻丝.问题　请简述其工作原理.
答案:水温较低时,R1阻值较大,电阻丝R2对水进行加热,当水温达到100 ℃左右时,R1阻值变得很小,R2被短接,停止加热;当温度降低到80 ℃时,R1阻值又变得很大,R2又开始加热.这样就可以达到保温的效果.