高中物理第六章传感器传感器及其工作原理课件人教版

第六章传感器1传感器及其工作原理学习目标重点难点1.知道什么是传感器.2.知道什么是光敏电阻、热敏电阻、金属热电阻及霍尔元件.3.理解传感器的工作原理.重点传感器工作原理的理解.难点传感器工作原理的理解.知识点一什么是传感器提炼知识1．定义能够感受诸如力、温度、光、声、化学成分等物理量，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、电流等电学量)，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，可以方便地进行测量、传输、处理和控制．判断正误(1)传感器可以将力学量(如形变量)转换为电学量．(√)(2)传感器可以将热学量转变成电学量．(√)(3)传感器可以将电学量转变成力学量．(×)小试身手1．下列说法不正确的是()A．传感器担负着信息采集的任务B．干簧管是一种能够感知磁场的传感器C．传感器不是电视遥控接收器的主要元件D．传感器是把力、温度、光、声、化学成分转换为电信号的主要工具解析：传感器的任务就是采集信息，A对；干簧管的主要构造是由平行不接触的两个极易被磁化的软铁片组成的，它靠近磁场时被磁化后相互吸引而接触，B对；由传感器的定义知D对．答案：C知识点二光敏电阻、热敏电阻和金属热电阻提炼知识1．光敏电阻(1)特点：光照越强，电阻越小．(2)原因：无光照时，载流子少，导电性能不好；随着光照的增强，载流子增多，导电性变好．(3)作用：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项目氧化锰热敏电阻金属热电阻特点电阻率随温度的升高而减小电阻率随温度的升高而增大制作材料半导体金属铂和铜优点灵敏度好化学稳定性好，测温范围大作用将温度这个热学量转换为电阻这个电学量判断正误(1)有光照射时，光敏电阻的阻值变大．(×)(2)热敏电阻在温度升高时阻值变小．(√)(3)金属热电阻在温度升高时阻值变小．(×)小试身手2．关于光敏电阻，下列说法不正确的是()A．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B．硫化镉是一种半导体材料，无光照射时，载流子极少，导电性能不好C．硫化镉是一种半导体材料，无光照射时，载流子较少，导电性能良好D．半导体材料的硫化镉，随着光照的增强，载流子增多，导电性能变好解析：对光敏电阻，光照强度变化时，电阻值随之变化．A对；对半导体材料的硫化镉，无光照射时载流子极少，导电性能差，光照增强时，载流子明显增多，导电性能变好，B、D对，C错．答案：C知识点三霍尔元件提炼知识1．组成在一个很小的矩形半导体薄片上，制作4个电极E、F、M、N，就成为一个霍尔元件．2．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)．3．霍尔电压UH＝______，d为薄片厚度，k为霍尔系数，一个霍尔元件的d、k为定值，若保持I恒定，则UH的变化就与B成正比．4．作用把磁感应强度这个磁学量转换为电压这个电学量．kIBd判断正误(1)霍尔元件一共有两个电极，电压这个电学量就通过这两个电极输出．(×)(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换为电压这个电学量．(√)小试身手3.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，故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＝UcB，D正确．答案：D拓展一光敏电阻、热敏电阻的特性1.如图所示，小盒子A的侧面露出一个小灯泡，盒外没有开关，但是把磁铁B放到盒子上面，灯泡就会发光，把磁铁移走，灯泡便熄灭．盒子里有什么样的装置，才能出现这样的现象？提示：盒子里用到了干簧管．如图，把干簧管串入电路，当磁铁靠近干簧管时两个簧片被磁化而接通，所以干簧管能起到开关的作用．2．在工厂生产车间的生产线上安装计数器后，就可以准确得知生产产品的数量．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．此光电计数器的基本工作原理是什么？提示：当光被物件挡住时，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，每通过一个物件就获得一次低电压，并计数一次．1．光敏电阻．(1)光敏电阻的特性．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．光敏电阻的电阻随光照的增强而减小．(2)光敏电阻的工作原理．光敏电阻在被光照射时电阻发生变化，原因是构成物质为半导体材料，无光照时，载流子极少，导电性能不好，电阻增大，随光照的增强，载流子增多，导电性能变好，电阻减小．2．热敏电阻．(1)热敏电阻．热敏电阻由半导体材料制成，其电阻值随温度的变化比较明显，温度升高电阻减小，如图所示为某一热敏电阻的电阻值随温度变化的特性曲线．(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，称为热电阻．下图为某金属导线的电阻—温度特性曲线．【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：ABC题后反思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．火灾多发季节，某同学根据学习的传感器知识设计了如图所示的火警报警系统原理图，M是一小型理想变压器，接线柱a、b接在电压u＝311sin314t(V)的正弦交流电源上，变压器右侧部分为一火警报警系统原理图，其中R2为用半导体热敏材料制成的传感器，电流表为值班室的显示器，显示通过R1的电流，电压表显示加在报警器上的电压(报警器未画出)，R3为一定值电阻．当传感器R2所在处出现火情时，以下说法中正确的是()A．的示数不变，的示数增大B．的示数增大，的示数增大C．的示数增大，的示数增大D．的示数不变，的示数减小解析：出现火情时，温度升高，R2减小，由于变压器原副线圈的电压不变，则的示数不变．副线圈的电流增大，则原线圈的电流也增大，所以的示数增大，R3的电压增大，则的示数减小，的示数减小，则A、B、C错误，D正确．答案：D拓展二霍尔效应的原理外部磁场使运动的载流子受到洛伦兹力，在导体板的一侧聚集，在导体板的另一侧会出现多余的另一种电荷，从而形成横向电场；横向电场对电子施加与洛伦兹力方向相反的静电力，当静电力与洛伦兹力达到平衡时，导体板左右两侧会形成稳定的电压，设知识点三霍尔元件原理图中MN方向长度为l2，则qUHl2＝qvB.根据电流的微观解释I＝nqSv，整理后，得UH＝IBnqd.令k＝1nq，因n为材料单位体积的带电粒子个数，q为单个带电粒子的电荷量，它们均为常数，所以UH＝kIBd.UH与B成正比，这就是为什么霍尔元件能把磁学量转换成电学量的原因．【典例2】(多选)中国科学家发现了量子反常霍尔效应，杨振宁称这一发现是诺贝尔奖级．如图所示，厚度为h，宽度为d的金属导体，当磁场方向与电流方向(自由电子定向移动形成电流)垂直时在上下表面会产生电势差，这种现象称为霍尔效应．下列说法正确的是()A．上表面的电势高于下表面B．下表面的电势高于上表面C．增大h时，上下表面的电势差增大D．增大d时，上下表面的电势差增大解析：自由电子运动方向与电流方向相反，由左手定则可判断出自由电子所受洛伦兹力方向指向上表面，上表面为低电势，所以下表面的电势高于上表面，选项B正确，A错误．由eUh＝evB可得U＝Bvh，所以增大h时，上下表面的电势差增大．选项C正确，D错误．答案：BC题后反思判断霍尔元件横向电场的电势高低，关键是先看载流子的正负，根据载流子受力平衡可得电势差为U＝IBned，若令k＝1ne(其中n和e对固定材料来说是定值)，则U＝kIBd.1.如图所示，电流I流过长方体金属块，金属块宽度为d，高为h，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？解析：因为载流子是自由电子，根据左手定则，让磁感线垂直穿过手心，四指指向电子运动的反方向(即电流方向)，拇指指向即电子受洛伦兹力的方向，则上表面积累负电荷，下表面就多余等量的正电荷，即下表面的电势高．当电场力与洛伦兹力平衡时，上、下表面的电压稳定，即：eE场＝eUh＝evB，又知导体中电流I＝nevS＝nev·hd，联立方程得U＝IBned.2．如图所示，一段长方体形导电材料，左右两端面的边长都为a和b，内有带电量为q的某种自由运动电荷．导电材料置于方向垂直于其前表面向里的匀强磁场中，内部磁感应强度大小为B.当通以从左到右的稳恒电流I时，测得导电材料上、下表面之间的电压为U，且上表面的电势比下表面的低．由此可得该导电材料单位体积内自由运动电荷数及自由运动电荷的正负分别为()A.IB|q|aU，负B.IB|q|aU，正C.IB|q|bU，负D.IB|q|bU，正解析：因为上表面的电势比下表面的低，根据左手定则，知道移动的电荷为负电荷，因qvB＝qUa，解得v＝UBa，因电流I＝nqvS＝nqvab，解得n＝IB|q|bU，故C正确，A、B、D错误，故选C.答案：C