2015-2016学年高中物理 第六章 第1节 传感器及其工作原理课件 新人教版选修3-2

1．传感器(1)定义：能够感受诸如力、温度、光、声、化学成分等量，并能把它们按照一定的规律转换为便于传送和处理的另一个物理量(通常是电压、电流等量)，或转换为电路的通断的元件。(2)非电学量转换为电学量的意义：把非电学量转换为电学量，可以方便地进行、传输、处理和。物理电学测量控制有一种电水壶为了防止烧干后引起事故，在水壶上安装了传感器，当壶中的水减少到一定程度时，就会自动断电，这种水壶上安装了什么样的传感器？解析：这种水壶上安装了压力传感器。当水壶中的水减少到一定程度时，压力减小，压力传感器使电路断开，起保护作用。2．光敏电阻(1)特点：在被光照时发生变化。(2)原因：无光照时，载流子少，导电性能不好；随着光照的增强，载流子，导电性变好。(3)作用：把这个光学量转换为这个电学量。电阻增多光照强度电阻3．热敏电阻和金属热电阻氧化锰热敏电阻金属热电阻特点电阻率随温度的升高而电阻率随温度的升高而制作材料半导体优点灵敏度好化学稳定性好，测温范围大作用将这个热学量转换为这个电学量减小增大金属温度电阻传感器是将非电学量转换为电学量的装置，请列举日常生活中见到的传感器。解析：马路两旁的自动控制路灯开关的装置，楼道内的声控灯装置，有些汽车、电动车上安装的自动报警装置等。4．霍尔元件(1)构造：如图所示，在一个很小的矩形半导体(例如砷化铟)薄片上，制作四个电极E、F、M、N，就成为一个霍尔元件。(2)工作原理:在E、F间通入恒定的电流I,同时外加与薄片垂直的磁场B，则薄片中的载流子就在洛伦兹力的作用下,向着与电流和磁场都的方向漂移，使M、N间出现了电压，称为霍尔电压UH。(3)霍尔电压：UH＝kIBd。①其中d为的厚度，k为系数，其大小与薄片的材料有关；②一个霍尔元件的d、k为定值，再保持I恒定，则UH的变化就与B成正比。(4)作用：把这个磁学量转换为这个电学量。垂直薄片霍尔磁感应强度电压1．核心元件(1)敏感元件是利用材料的某种敏感效应(如热敏、光敏、压敏、力敏、湿敏)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。考点一传感器的核心元件、组成及分类2．组成传感器的一般工作过程是：通过对某一物理量敏感的元件，将感受到的物理量按一定规律转换成便于测量的量。一般由敏感元件、转换元件、转换电路三个部分组成。3．分类传感器按照工作原理的不同可以分为以下三类：分类工作原理举例物理传感器利用物质的物理性质和物理效应感知并检测出待测对象信息压电传感器、温度传感器、光电传感器、电感传感器、电容传感器等化学传感器利用化学反应识别和检测信息气敏传感器、湿敏传感器等生物传感器利用生物化学反应识别和检测信号酶传感器、组织传感器、细胞传感器等[典例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。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，按照你的接法请回答：当油箱中油量减少时，电压表的示数将________(填“增大”或“减小”)。[思路探究]变阻器的连接方式―→电阻变化―→电流变化―→电压变化[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之间，当油量减少时，电压表示数将增大。[答案]b、c增大1．传感器是将能感受的物理量(如力、热、光、声等)转换成便于测量的量(一般是电学量)的一类元件，在自动控制中有相当广泛的应用，如图所示的装置是一种测定液面高度的电容式传感器。金属芯线与导电液体构成一个电容器，从电容C大小的变化情况就能反映出液面高度h的高低情况，则两者的关系是()①C增大表示h增大②C增大表示h减小③C减小表示h减小④C减小表示h增大A．只有①正确B．只有①、③正确C．只有②正确D．只有②、④正确解析：液面高度的变化，相当于电容器极板正对面积的变化。当h增大时，相当于正对面积增大，则电容应增大；当h减小时，相当于正对面积减小，电容C应减小，B正确。答案：选B1．光敏电阻(1)特点：光敏电阻一般由硫化镉等半导体材料做成，无光照时载流子极少，导电性能不好，随着光照增强，载流子增多，导电性变好。(2)特性：光敏电阻的电阻随光照的增强而减小。光敏电阻在被光照射时电阻发生变化，这样光敏电阻可以把光照强弱转换为电阻大小这个电学量。考点二光敏电阻和热敏电阻的应用2．热敏电阻和金属热电阻(1)热敏电阻：指用半导体材料制成，其电阻值随温度的变化非常明显。如图所示为某热敏电阻的电阻——温度特性曲线。(2)金属热电阻：有些金属的电阻率随温度的升高而增大，这样的电阻也可以制作温度传感器，称为金属热电阻。如铂电阻温度计。(3)二者的区别与联系：热敏电阻或金属热电阻都能够把温度这个热学量转换为电阻这个电学量。相比而言，金属热电阻的化学稳定性好，测温范围大，但灵敏度较差，而热敏电阻的灵敏度较好。(4)用途：热敏电阻是一种灵敏度极高的温度传感器，在测温过程中反应非常快。电子体温计及家用电器(电脑、空调、冰箱等)的温度传感器，主要使用热敏电阻。[典例2]如图所示是一火警报警器的一部分电路示意图，其中R2为用NTC半导体热敏材料制成的传感器，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[思路探究](1)明确NTC半导体热敏材料制成的R2其电阻随温度如何变化。(2)知道R2在电路中的位置及电路结构。[解析]当R2处出现火情时，NTC热敏材料制成的传感器的电阻将减小，则此时电路中的总电阻减小，由闭合电路欧姆定律可知：外电路电压将减小，U减小；电路中的总电流增大，所以R1上的电压增大，显示器两端的电压将减小，电流I减小，B正确。[答案]B【总结提能】解决含有热敏(光敏)电阻的动态分析问题的思路(1)应明确热敏(光敏)电阻的电阻特性。(2)根据闭合电路欧姆定律及串、并联电路的性质来分析电路中某一电阻变化而引起的整个电路中各部分电学量的变化情况。(3)基本流程：R局→R总→I总→U端→R局。2.[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，外电路电阻随R3的减小而减小，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，而电压表的示数增大，A项正确，D项错误；由路端电压减小，而R1两端电压增大知，R2两端电压必减小，则R2中电流减小，故B项正确；结合干路电流增大知流过小灯泡的电流必增大，则小灯泡的功率增大，C项正确。故选A、B、C。答案：选ABC解析：半导体材料可以制成传感器，其他材料也可以制成传感器，如金属氧化物氧化锰就可以制成温度计，A错误，B正确；传感器不但能感知电压的变化，还能感受力、温度、光、声、化学成分等非电学量，C错误。1．下列关于传感器的说法中正确的是()A．所有传感器的材料都是由半导体材料做成的B．金属材料也可以制成传感器C．传感器主要是通过感知电压的变化来传递信号的D．以上说法都不正确答案：选B2．[多选]用多用电表的同一挡位测量热敏电阻和光敏电阻的阻值时，下列说法正确的是()A．测热敏电阻时，温度越高，多用电表指针偏角越大B．测热敏电阻时，温度越高，多用电表指针偏角越小C．测光敏电阻时，光照越弱，多用电表指针偏角越大D．测光敏电阻时，光照越弱，多用电表指针偏角越小解析：根据热敏电阻的特点，温度越高电阻越小，多用表指针偏角越大，A对，B错；由光敏电阻的特点，光照越弱，电阻越大，偏角越小，C错，D对。答案：选AD3.为监测某化工厂的污水排放量，技术人员在该厂的排污管末端安装了如图所示的流量计。该装置由绝缘材料制成，长、宽、高分别为a、b、c，左右两端开口。在垂直于上下底面方向加磁感应强度大小为B的匀强磁场，在前后两个内侧面分别固定有金属板作为电极。污水充满管口从左向右流经该装置时，电压表将显示两个电极间的电压U。若用Q表示污水流量(单位时间内排出的污水体积)，下列说法中正确的是()A．若污水中正离子较多，则前表面比后表面电势高B．若污水中负离子较多，则前表面比后表面电势高C．污水中离子浓度越高电压表的示数将越大D．污水流量Q与U成正比，与a、b无关解析：由左手定则可以判断出正离子较多时，正离子受到的洛伦兹力使其向后表面偏转聚集而导致后表面电势升高，同理负离子较多时，负离子向前表面偏转聚集而导致前表面电势低，A、B错误；设前、后表面间的最高电压为U，则qUb＝qvB，所以U＝vBb，由此可知U与离子浓度无关，故C错，因Q＝vbc，而U＝vBb，所以Q＝Uc/B，D正确。答案：选D4．[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，以下说法中正确的是()A．将永磁体的一个磁极逐渐靠近霍尔元件的工作面时，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将发生变化解析：磁体的磁极靠近霍尔元件的工作面时，B增强，由UH＝kIBd知UH将变大，A正确；在两极附近，磁场近似与地面垂直，所以霍尔元件的工作面应保持水平，B正确；在赤道上，磁场与地面平行，所以工作面应保持竖直，C错误；当改变磁场与工作面的夹角时，垂直于工作面的磁感应强度减小，UH将发生改变，D项正确。答案：选ABD