【成才之路】高中物理 第六章 传感器第一节 传感器及其工作原理课件 新人教版选修3-2

●知识导航在日常生活中我们可能有这样的经历：当走近自动门时，门会自动打开；电梯关门，当两门靠拢到接触人体时，门又会重新自动打开……这是由于传感器在起作用，传感器是自动化控制装置中必不可少的器件，在信息技术高速发展的电子计算机广泛应用的今天，传感器发挥着越来越重要的作用．本章共三节．第一节“传感器及其工作原理”，主要讲述了什么是传感器及制作传感器的常用元件的特征．第二节“传感器的应用”介绍了传感器感受的通常是非电学量，而它输出的大多是电学量，这些输出信号是非常微弱的，一般要经过放大等处理后，再通过控制系统产生各种控制动作．讲述了传感器的应用已经渗透到环境保护、交通运输、航天、军事以及家庭生活等各个领域．第三节“实验：传感器的应用”，主要讲述了传感器在工农业生产中的应用，如光控开关、温度报警器等．本章重点：传感器的工作原理，传感器的应用以及应用控制．本章难点：传感器的应用实例．●学法指导本章知识与我们的生活息息相关，在学习过程中既要熟记各种敏感元件的特性，又要结合实例认真体会传感器在实际中的应用，努力培养理论联系实际的能力和动手能力；同时应注意观察身边与传感器有关的例子，并通过查资料或上网了解它们的工作原理，培养自己的观察能力和自学能力．●考纲须知※知道什么是传感器※知道什么是光敏电阻，热敏电阻，金属热电阻以及霍尔元件※了解传感器的工作原理遥感卫星能在高空一览无遗地观测地貌植被；计算机的显示屏上能实时显示远隔千里的画面；机器人能替代人完成各种复杂的劳动．这些现代化设备，有的复杂庞大，有的简单精巧，但它们都需要一种装置——传感器来获取信息．那么，什么是传感器？它为什么能获取信息，工作原理又是什么呢？1．干簧管是一种________的传感器．2．传感器是一种能够感受诸如力、温度、光、声、化学成分等________，并能把它们按照一定的规律转换为电压、电流等________，或转换为________的一类元件．3．光敏电阻能够把________转换为________．4．热敏电阻或金属热电阻能够把________转换为________这个电学量．5．霍尔元件能够把________转换为________这个电学量．答案：1.能够感知磁场2．非电学量；电学量；电路的通断3．光照强弱这个光学量；电阻这个电学量4．温度这个热学量；电阻5．磁感应强度这个磁学量；电压(1)传感器是这样一类元件：它能够感受诸如力、温度、光、声、化学成分等非电学量，并能把它们按照一定的规律转换为电压、电流等电学量，或转化为电路的通断．(2)传感器的工作原理传感器感受的通常是非电学量，如压力、温度、位移、浓度、酸碱度等，而它输出的通常是电学量，如电压值、电流值、电荷量等，这些输出信号是非常微弱的，通常要经过放大后，再送给控制系统产生各种控制动作．传感器原理如下图所示．现代信息技术与自动控制中为什么要将非电学量转换成电学量？答案：电学量具有便于控制、便于处理(放大、衰减和波形整理等)，便于显示和储存，也便于远距离传输等技术方面的优点．尤其是将电学量与计算机技术结合，可以方便地实现信息的采集、处理、输出的自动化和智能化，所以把非电学量转换成电学量进行信息收集.(1)光敏电阻①特点：光敏电阻在被光照射时电阻发生变化．②原因：硫化镉是一种半导体材料，无光照时，载流子极少，导电性能不好；随着光照的增强，载流子增多，导电性变好．③作用：光敏电阻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(常用的一种热电阻是用铂制作的)．特点：金属热电阻的化学稳定性好，测温范围大，但灵敏度较差．②热敏电阻：温度上升时，有些半导体的导电能力增强，因此可以用半导体材料制作热敏电阻(用氧化锰等金属氧化物烧结而成的)．特点：它的电阻随温度的变化非常明显．③作用：热敏电阻或金属热电阻能够把温度这个热学量转换为电阻这个电学量．(3)霍尔元件①霍尔电压UH＝kIB/d，式中d为薄片的厚度，k为霍尔系数，它的大小与薄片的材料有关．②特点：霍尔元件能够把磁感应强度这个磁学量转换为电压这个电学量．(2010·北师大附中高二期中)许多楼道照明灯具有这样的功能：天黑时，出现声音它就开启；而在白天，即使有声音它也没有反应，它的控制电路中可能接入的传感器是()①温度传感器②光传感器③声音传感器④热传感器A．①②B．②③C．③④D．②④答案：B(2010·江苏启东中学高二期中)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性，请你在下图的实物图上连线．(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，________，________，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R－t关系图线(如图所示)，请根据图线写出该热敏电阻的R－t关系式：R＝________＋________t(Ω)(保留3位有效数字)．解析：本题考查考生对基本电路的了解和基本仪器的使用，考查推理能力、实验与探究能力、实际应用能力．(1)如图所示(2)②读取温度计示数，读取电压表示数(3)1000.400根据R＝UI就可解出不同温度下热敏电阻的阻值，并利用图线得出图线的斜率．在图象上取两点，当t1＝10℃时，R1＝104Ω，当t2＝60℃时，R2＝124Ω，R－t图象的斜率为R2－R1t2－t1＝0.400；将图线延长，交于原点，说明t＝0℃时的电阻为100Ω，故R－t关系式为R＝100＋0.400t(Ω)答案：(1)见上图(2)②记录电压表电压值温度计数值(3)100(0.400±0.05)如图所示，将万用表的选择开关置于“欧姆”挡，再将电表的两支表笔与负温度系数的热敏电阻Rt的两端相连，这时表针恰好指刻度盘正中间．若往Rt上擦一些酒精，表针将向______(填“左”或“右”)移动；若用吹风机将热风吹向电阻，表针将向______(填“左”或“右”)移动．解析：若往Rt上擦一些酒精，由于酒精蒸发吸热，热敏电阻Rt温度降低，电阻值增大，所以电流减小，指针应向左偏；用吹风机将热风吹向电阻，电阻Rt温度升高，电阻值减小，电流增大，指针向右偏．答案：左右点评：(1)负温度系数热敏电阻是指热敏电阻的阻值随温度的升高而减小的电阻．(2)欧姆表的表盘刻度最右侧为0Ω，最左侧为最大值.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中电流强度减小C．小灯泡的功率增大D．电路的路端电压降低解析：当照射光强度增大时，R3减小，整个电路中的总电阻变小，总电流变大，电压表示数增大，而路端电压减小，R2上的电压变小，通过R2的电流减小，流过小灯泡的电流增大，故选项A、B、C、D均正确．答案：ABCD点评：光敏电阻的阻值随光照强度的增加而减小．(2010·山东齐河高二期中)如图所示为光敏电阻自动计数器的示意图，其中R1为光敏电阻，R2为定值电阻．那么当有光照射R1时，信号处理系统获得________(填高电压或者低电压)，信号处理系统每获得一次________(填高电压或者低电压)就记数一次．答案：高电压低电压解析：R1为光敏电阻，当有光照射时，R1的阻值变小，R2上的电压变大，信号处理系统获得高电压．当传送带上的物体挡住光时，信号处理系统获得低电压.如图所示，有电流I流过长方体金属块，金属块宽度为d，高为b，有一磁感应强度为B的匀强磁场垂直于纸面向里，金属块单位体积内的自由电子数为n，试问金属块上、下表面哪面电势高？电势差是多少？(此题描述的是著名的霍尔效应现象)．解析：当电流在导体中流动时，运动电荷在洛伦兹力作用下，分别向导体上、下表面聚集，在导体中形成电场，其中上表面带负电，电势低，随着正、负电荷不断向两表面积累，电场增强，当运动电荷所受电场力与洛伦兹力平衡时，即qE＝qvB时，电荷将不再向上或向下偏转，上、下表面间形成稳定电压．因为自由电荷为电子，故由左手定则可判定电子向上偏，则上表面聚集负电荷，下表面带多余等量的正电荷，故下表面电势高，设其稳定电压为U.当运动电荷所受电场力与洛伦兹力平衡时，即qUb＝qvB又因为导体中的电流I＝neSv＝nev·bd，故U＝IBned点评：①判断电势高低时注意载流子是正电荷还是负电荷．②由以上计算得上、下两表面间的电压稳定时U＝IBnde，其中n为单位体积内的自由电荷数，e为电子电荷量，对固定的材料而言为定值，若令k＝1ne，则U＝kIBd，此即课本所给出的公式．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，如果保持电流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将发生变化答案：ABD解析：一个磁极靠近霍尔元件工作面时，B增强，由UH＝kIBd，知UH将变大，A正确；两极处磁场可看作与地面垂直，所以工作面应保持水平，B正确；赤道处磁场可看作与地面平行，所以工作面应保持竖直，C错误；若磁场与工作面夹角为θ，则应有qvBsinθ＝UHdq，可见θ变化时，UH将变化，D正确．