高中物理人教版 (2019)选择性必修 第二册第五章 传感器2 常见传感器的工作原理及应用教学演示课件ppt

这是一份高中物理人教版 (2019)选择性必修 第二册第五章 传感器2 常见传感器的工作原理及应用教学演示课件ppt，共60页。PPT课件主要包含了课前·基础认知，课堂·重难突破，素养·目标定位，随堂训练，知识概览等内容，欢迎下载使用。

目 标 素 养1.了解光敏电阻的性能、工作原理及作用。2.了解金属热电阻和热敏电阻的性能、工作原理及作用。3.了解电阻应变片的性能、工作原理及作用。
一、光敏电阻1.材料:半导体材料,例如硫化镉。 2.特点:光照越强,电阻越小。3.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,导电性能差;随着光照的增强,载流子增多,导电性变好。4.作用:把光照强弱这个光学量转换为电阻这个电学量。
5.应用:光电计数器自动计数,装置如图所示。
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,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。
微思考 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,电阻值很大;在强光的照射下,电阻值很小。换用一只普通的电阻,小心地把电阻表面的漆涂层除去一些,使里面的导电膜露出来接受光照。对普通电阻重复对光敏电阻的操作,结果相同吗?提示:不相同。普通电阻的阻值与光照的强度无关。
二、金属热电阻和热敏电阻1.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,称为热电阻。图甲为某金属导线电阻的温度特性曲线。
2.热敏电阻。热敏电阻由半导体材料制成,其电阻随温度的变化明显,有些热敏电阻温度升高电阻减小,图乙为某一热敏电阻的电阻随温度变化的特性曲线。
3.注意:在工作温度范围内,电阻值随温度上升而增加的是正温度系数(PTC)热敏电阻器;电阻值随温度上升而减小的是负温度系数(NTC)热敏电阻器。
微探究 某同学准备用一种热敏电阻制作一只电阻温度计。他先通过实验描绘出一段该热敏电阻的I-U曲线,如图甲所示,再将该热敏电阻RT,与某一定值电阻串联接在电路中,用理想电压表与定值电阻并联,并在电压表的表盘上标注温度值,制成电阻温度计,如图乙所示。探究下面问题:(1)温度升高时,该热敏电阻的阻值怎样变化?(2)图乙中电压表的指针偏转角大小,与温度高低有什么关系?(3)若热敏电阻的阻值随温度均匀变化,则表盘上标注温度刻度是否是均匀的?
提示:(1)I-U图像上的点与原点连线的斜率的倒数表示电阻,由题图甲可知,I越大,电阻越小,而温度越高,则热敏电阻的阻值随温度的升高而减小。(2)温度越高,RT阻值越小,热敏电阻RT与定值电阻R串联接在电路中,电路中电流越大,R的电压越大,电压表的指针偏转角越大,因此电压表的指针偏转角越大,温度值越高。(3)若热敏电阻的阻值随温度线性变化,由闭合电路欧姆定律得 可知电路中电流I随温度是非线性变化的,由电压表的示数U=IR可知,U随温度是非线性变化的,因此表盘标注温度刻度一定是不均匀的。
三、电阻应变片1.电阻应变效应。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。金属电阻应变片就是利用这一原理制成的。2.电阻应变片及类型。电阻应变片是利用电阻应变效应制成的,它是一种使用广泛的力敏元件,能够把物体形变这个力学量转换为电阻这个电学量。电阻应变片有金属电阻应变片和半导体电阻应变片两种类型。
3.力传感器的应用——电子秤。(1)组成及敏感元件:由金属梁和应变片组成,敏感元件是应变片。(2)工作原理:
(3)作用:应变片将物体形变这个力学量转换为电压这个电学量。
微判断(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)热敏电阻和金属热电阻都能把温度这个热学量转换成电阻这个电学量。(　　)(3)应变片是由导体材料制成。(　　)(4)当金属应变片的表面拉伸时,其电阻变大;反之,变小。(　　)
一 观察光敏电阻特性
重难归纳【实验目的】通过实验了解光敏电阻的特性。【实验原理】闭合电路的欧姆定律,用多用电表进行测量和观察。【实验器材】光敏电阻、普通电阻、多用电表、导线。
【实验步骤】1.在室内自然光照射下,用多用电表欧姆挡两表笔与光敏电阻两端连接,测光敏电阻阻值,如图所示。并记录电阻值。
2.用手张开(或用黑纸)放在光敏电阻上,挡住部分光线,再测光敏电阻的阻值,并记录电阻值。3.全部挡住光线,再测光敏电阻的阻值,并记录电阻值。
4.换用一只普通电阻,小心地把它的漆层去除一些,使里面导电膜露出来接受光照。5.先在室内光照射、再遮挡部分光线、然后全部挡住光线,分别测量普通电阻的阻值。【数据处理】观察记录的电阻值,分析光敏电阻和普通电阻的特性。【实验结论】光敏电阻的阻值随光照强度的减弱而增大,而且阻值变化是非线性的。普通电阻的阻值与光照强弱没有关系。
典例剖析【例1】 (多选)下图是用光敏电阻LDR和灯泡制成的一种简易水污染指示器,下列说法正确的是(　　)A.严重污染时,LDR是高电阻B.轻度污染时,LDR是高电阻C.无论污染程度如何,LDR的电阻不变,阻值大小由材料本身因素决定D.该仪器的使用会因为白天和晚上受到影响答案:AD
解析:严重污染时,透过污水照到LDR上的光线较少,LDR电阻较大,选项A正确,B错误。LDR由半导体材料制成,受光照影响电阻会发生变化,选项C错误。白天和晚上自然光强弱不同,或多或少会影响LDR的电阻,选项D正确。
学以致用1.(多选)下图是某居住小区门口利用光敏电阻设计的行人监控装置,R1为光敏电阻、R2为定值电阻,A、B接监控装置,则(　　)A.当有人通过而遮住光线时,A、B之间电压升高B.当有人通过而遮住光线时,A、B之间电压降低C.当仅增大R2的阻值时,可增大A、B之间的电压D.当仅减小R2的阻值时,可增大A、B之间的电压答案:BC
解析:R1是光敏电阻,当有人通过而遮住光线时,R1的阻值变大,回路中的电流I减小,A、B间的电压U=IR2减小,故选项A错误,B正确。由闭合电路欧姆定律得U=E-I(R1+r),当仅增大R2的阻值时,电路中的电流减小,A、B间的电压U增大,故选项C正确。当减小R2的阻值时,电路中的电流增大,A、B间的电压U减小,故选项D错误。
二 金属热电阻和热敏电阻
重难归纳1.热敏电阻与金属热电阻的对比。
2.光敏电阻、热敏电阻特点对比。
如图所示,将多用电表的选择开关置于欧姆挡,再将电表的两支表笔与负温度系数的热敏电阻RT(温度升高,电阻减小)的两端相连,这时表针恰好指在刻度盘的正中央。若在RT上擦一些酒精,表针将如何偏转?若用吹风机将热风吹向热敏电阻,表针将如何偏转?
提示:由于酒精蒸发,热敏电阻RT温度降低,阻值增大,表针将向左偏;用吹风机将热风吹向热敏电阻,热敏电阻RT温度升高,阻值减小,表针将向右偏。
典例剖析【例2】下图是一火灾报警器的一部分电路示意图,其中R2为用半导体热敏电阻(阻值随温度的升高而减小)制成的传感器,电流表为值班室的显示器,a、b之间接报警器。当传感器R2所在处出现火情时,显示器的电流I、报警器两端的电压U的变化情况是(　　)A.I变大、U变大B.I变小、U变小C.I变小、U变大D.I变大、U变小答案:B
解析:当R2处出现火情时,热敏电阻的阻值将减小,则此时电路中的总电阻减小,由闭合电路欧姆定律可知,路端电压将减小,报警器的电压U减小;电路中的总电流增大,所以R1两端的电压增大,由于路端电压减小,则并联部分的电压减小,通过R3的电流I变小,所以显示器的电流I变小,选项B正确。
特别提醒含有热敏电阻的电路的动态分析顺序。
学以致用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.小灯泡的亮度变弱答案:C
解析:R2与小灯泡并联后与R1串联,与电源构成闭合电路,当温度降低时,热敏电阻R2的阻值增大,外电路电阻增大,电流表示数变小,R1两端电压减小,小灯泡两端电压增大,小灯泡亮度变强,故选项C正确,A、B、D错误。
三 观察热敏电阻特性
重难归纳方案1:(简易实验)将多用电表的选择开关调到电阻挡(注意选择适当的倍率),将一只热敏电阻(负温度系数)连接到多用电表表笔的两端。分别用手和冷水改变热敏电阻的温度 ,观察电阻的变化情况。实验结果:随着温度的升高,热敏电阻的阻值在减小。
方案2:【实验原理】热敏电阻的电阻率会随着温度的升高而变化。【实验器材】半导体热敏电阻(负温度系数)、多用电表、温度计、铁架台、烧杯、凉水和热水。
【实验步骤】1.按实验原理图甲安装好实验器材,将热敏电阻绝缘处理;当烧杯中水温发生变化时,热敏电阻的阻值将发生相应变化。
2.把多用电表置于欧姆挡,并选择适当的量程测出烧杯中没有水时热敏电阻的阻值,并记下温度计的示数。3.向烧杯中注入少量的冷水,使热敏电阻浸没在冷水中,记下温度计的示数和多用电表测量的热敏电阻的阻值。4.将热水分几次注入烧杯中,测出不同温度下热敏电阻的阻值,并记录。
【数据处理】在图乙所示坐标系中,粗略画出热敏电阻的阻值随温度变化的图线。
【实验结论】热敏电阻的阻值随温度的升高而减小,随温度的降低而增大。【注意事项】实验时,加热水后要等一会儿再测热敏电阻阻值,以使电阻温度与水的温度相同,并同时读出水温。
典例剖析【例3】某实验小组探究一种热敏电阻的温度特性。现有器材:直流恒流电源(在正常工作状态下输出的电流恒定)、电压表、待测热敏电阻、保温容器、温度计、开关和导线等。
(1)若用上述器材测量热敏电阻的阻值随温度变化的特征,请你在图甲中的实物图上连线。(2)实验的主要步骤:①正确连接电路,在保温容器中注入适量冷水,接通电源,调节并记录电源输出的电流值;②在保温容器中添加少量热水,待温度稳定后,闭合开关,记录　　　　和　　　　的数值,断开开关; ③重复第②步操作若干次,测得多组数据。(3)实验小组算得该热敏电阻在不同温度下的阻值,并据此绘得如图乙所示的R-t关系图像,请根据图像写出该热敏电阻的R-t关系式:R=　　　　+　　　　t(Ω)(保留3位有效数字)。 
答案:(1)如图所示。
(2)温度计　电压表　(3)100　0.400
解析:(2)水温改变后,热敏电阻的阻值会变化,在电流不变的情况下,电压表的示数随之改变。每次待温度稳定后,闭合开关,需要记录温度计和电压表的数值。(3)从题图乙知R与t成线性关系,且纵轴上截距(当t=0 ℃时) R=100 Ω;当t=10 ℃时,R=104 Ω;当t=70 ℃时R=128 Ω,所以斜率 ,所以R=100+0.400t(Ω)。
特别提醒按热敏电阻随温度变化的规律,热敏电阻可分为正温度系数的热敏电阻和负温度系数的热敏电阻,正温度系数的热敏电阻随温度升高电阻增大,负温度系数的热敏电阻随温度升高电阻减小。
学以致用3.传感器担负着信息采集的任务,在自动控制中发挥着重要作用,传感器能够将感受到的物理量(如温度、光、声等)转换成便于测量的量(通常是电学量),例如热敏传感器,主要是应用了半导体材料制成的热敏电阻,某种热敏电阻阻值随温度变化的图线如图甲所示,图乙是由该热敏电阻RT作为传感器制作的简单自动报警器的线路图。
(1)为了使温度过高时报警器响铃,c应接在　　　　(选填“a”或“b”)处。 (2)若使启动报警器的温度提高些,应将滑动变阻器滑片P向　　　　(选填“左”或“右”)移动。 (3)如果在调试报警器最低报警温度时,无论如何调节滑动变阻器滑片P都不能使报警器工作,且电路连接完好,各电路元件都能处于工作状态,则造成工作电路不能正常工作的原因可能是　　　　　　　　　　　　　。(写出一种可能即可)
答案:(1)a(2)左(3)电源提供的电流太小,导致电磁铁的磁性太弱;弹簧的劲度系数太大,电磁铁的吸引力小于弹力
解析:(1)根据题图甲可得,该热敏电阻的阻值随温度的升高而减小,为了使温度过高时报警器响铃,则应选择电磁铁将衔铁吸下时电路接通,即c应该接在a处。(2)若使启动报警器的温度提高些,则相当于减小临界状态时热敏电阻的阻值,为了使电路中电流仍等于刚好接通时的电流,应增大滑动变阻器接入电路的阻值,则应将滑动变阻器滑片P向左移动。(3)在最低报警温度时不能报警,说明此时电路中产生的电流不能使衔铁与a接触,这可能由多种原因造成,如:①电源提供的电流太小,导致电磁铁的磁性太弱;②弹簧的劲度系数太大,电磁铁的吸引力小于弹力等。
四 电阻应变片、电容式位移传感器、霍尔元件
重难归纳1.应变式力传感器。(1)应变式力传感器的构造。如图所示,应变式力传感器由金属梁和应变片组成。其中,应变片是一种敏感元件。
(2)应变式力传感器的工作原理。如上图所示,弹簧钢制成的梁形元件右端固定,在梁的上下表面各贴一个应变片,在梁的自由端施力F,则梁发生弯曲,上表面拉伸,下表面压缩,上表面应变片的电阻变大,下表面应变片的电阻变小。F越大,弯曲形变越大,应变片的阻值变化就越大。如果让应变片中通过的电流保持恒定,则上表面应变片两端的电压变大,下表面应变片两端的电压变小。因此可得,力F越大,输出的电压差值就越大。
2.电容式传感器。(1)工作原理。电容器的电容决定于极板间的正对面积S、极板间距d、极板间的电介质这几个因素。如果某个物理量(如角度θ、位移x、深度H等)的变化引起上述某个因素的变化,从而引起电容的变化,通过电容的变化就可以确定上述物理量的变化,这种电容器称为电容式传感器。
(2)常见电容式传感器。
3.霍尔元件。(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,载流子所受静电力和洛伦兹力二力平衡。(3)霍尔电压:UH= (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。
图甲表示某力敏元件的阻值R随所受压力变化的情况。把这个力敏元件与秤台、电池、电流表组合起来(图乙),用力敏元件作为承重的载体,把电流表的刻度改为相应的质量刻度,就得到了一个简易电子秤。那么,mA与mB对应物体的质量哪个应标在电流较大的刻度上?物体的质量与电流是否是线性关系?
提示:根据R-m关系可知R=R0-km
可知,物体质量与电流是非线性关系,且m越大,I越大,即mB对应的物体质量应标在电流较大的刻度上。
典例剖析【例4】下图为测定压力的电容式传感器,将平行板电容器、灵敏电流表(零刻度在中间)和电源串联成闭合回路。当压力F作用于可动膜片电极上时,膜片发生形变,引起电容的变化,导致灵敏电流表指针偏转。在对膜片开始施加压力使膜片电极从图中的虚线推到图中实线位置并保持固定的过程中,灵敏电流表指针偏转情况为(电流从电流表正接线柱流入时指针向右偏)(　　)
A.向右偏到某一刻度后回到零刻度B.向左偏到某一刻度后回到零刻度C.向右偏到某一刻度后不动D.向左偏到某一刻度后不动答案:A
解析:压力F作用时,极板间距d变小,由 ,电容器电容C变大,又根据Q=CU,极板的电荷量变大,所以电容器充电,灵敏电流计中通过由正接线柱流入的电流,所以指针将右偏。极板保持固定后,充电结束,指针回到零刻度。选项A正确。
特别提醒电容式传感器是应用了电容器的电容跟板间距离、正对面积、电介质及引起它们改变的因素(如力、位移、压强、声音等)的关系,将这些非电学量转化为电容器的电容这个电学量。
学以致用4.(多选)下列关于电子秤中应变式力传感器的说法正确的是(　　)A.应变片是由导体材料制成的B.当应变片的表面拉伸时,其电阻变大;反之变小C.传感器输出的是应变片上的电压D.外力越大,输出的电压值也越大答案:BD
解析:应变片多用半导体材料制成,选项A错误。当应变片拉伸时,其电阻变大,选项B正确。传感器输出的是上、下两应变片上的电压差值,并且随着外力的增大,输出的电压差值越大,选项C错误,D正确。
1.(多选)有定值电阻、热敏电阻、光敏电阻三只元件,将这三只元件分别接入如图所示电路中的A、B两点后,用黑纸包住元件或者把元件置入热水中,观察欧姆表的示数,下列说法正确的是(　　)A.置入热水中与不置入热水中相比,欧姆表示数变化较大的一定是热敏电阻B.置入热水中与不置入热水中相比,欧姆表示数不变化的一定是定值电阻C.用黑纸包住与不用黑纸包住相比,欧姆表示数变化较大的一定是光敏电阻
D.用黑纸包住与不用黑纸包住相比,欧姆表示数相同的一定是定值电阻答案:AC解析:热敏电阻的阻值随温度的变化而变化,定值电阻和光敏电阻的阻值不随温度发生变化,故选项A正确,B错误。光敏电阻的阻值随光照强度的变化而变化,而定值电阻和热敏电阻的阻值不随光照强度的变化而变化,故选项C正确,D错误。
2.如图所示,将一光敏电阻接入多用电表两表笔上,将多用电表的选择开关置于欧姆挡,用光照射光敏电阻时,表针的偏角为θ;现用手掌挡住部分光线,表针的偏角为θ',则可判断(　　)A.θ'=θB.θ'<θC.θ'>θD.不能确定答案:B解析:光敏电阻的阻值随光照强度的增强而减小,用手掌挡住部分光线,阻值变大,指针自左向右偏转角度变小,选项B正确。
3.将如图所示装置安装在沿直轨道运动的火车车厢中,使杆沿轨道方向固定,就可以对火车运动的加速度进行检测。闭合开关S,当系统静止时,穿在光滑绝缘杆上的小球停在O点,固定在小球上的滑片P停在滑动变阻器BC的正中央,此时,电压表指针指在表盘刻度中央。当火车在水平方向有加速度时,小球在光滑绝缘杆上移动,滑片P随之在滑动变阻器上移动,电压表指针发生偏转。已知,当火车向左加速运动时,电压表的指针向右偏。则(　　)
A.电压表指针向左偏,说明火车可能在向右做加速运动B.电压表指针向右偏,说明火车可能在向右做加速运动C.电压表指针向左偏,说明火车可能在向右做减速运动D.电压表指针向左偏,说明火车可能在向左做加速运动答案:A解析:因为当火车向左加速运动时,有向左的加速度,弹簧处于伸长状态,滑片P靠近滑动变阻器C端,电压表的指针向右偏,所以,当滑片P靠近滑动变阻器B端时,电压表的指针将向左偏,此时,弹簧将处于压缩状态,火车具有向右的加速度,火车可能在向右做加速运动,也可能在向左做减速运动,选项A正确,C、D错误。同理可知,选项B错误。
4.下图是自动控制电路的原理图,a、b间电压恒定,R1为光敏电阻,R2为定值电阻。当电路中的光敏电阻不受光的照射时用电器可以正常工作。
(1)当光敏电阻受光的照射时,其阻值和电流表的示数如何变化?(2)当光敏电阻受光的照射时,用电器工作状态怎样?答案:(1)减小　减小 (2)停止工作