人教版高中物理选修3-2：传感器及其工作原理-课件3

精彩回眸同学们，今天我们学习第六章传感器，首先请大家回顾一下前几章的有关知识，然后回答下面的几个问题：1．实验室用的小灯泡灯丝的2．I－U特性曲线可用以下哪3．个图象来表示()【答案】A【解析】灯丝在通电后一定会发热，当温度达到一定值时才会发出可见光，这时温度能达到很高，因此必须考虑到灯丝的电阻将随温度的变化而变化．随着电压的升高，电流增大，灯丝的电功率将会增大，温度升高，电阻率也将随之增大，电阻增大．U越大，I－U曲线上对应点于原点连线的斜率必然越小，选A.图6－1－12.(双选)1999年7月12日日本原子能公司所属的郭贺湾核电站由于水管破裂导致高辐射冷却剂外泄，在检测此次事故中，应用于把非电流变化(冷却剂外泄使管中液面变化)转化为电信号的自动化测量技术．如图6－1－1所示是一种通过检测电容的变化来检测液面高低的仪器原理图容器中装有导电液体，是电容器的一个电极，中间的芯柱是电容器的另一个电极，芯柱外面套有绝缘管(塑料或橡皮)作为电介质，电容器的两个电极分别用导线接在指示器上，指示器上显示的是电容的大小，从电容的大小就可知容器中液面位置的高低，对此，以下说法正确的是()A．如果指示器显示出电容增大了，则两电极正对面积增大，液面必升高B．如果指示器显示出电容减小了，则两电极正对面积增大，液面必升高C．如果指示器显示出电容增大了，则两电极正对面积减小，液面必降低D．如果指示器显示出电容减小了，则两电极正对面积减小，液面必降低【答案】AD【解析】芯柱和导电液之间的距离未变，液面的升降影响着它们的正对面积，若液面上升，正对面积增大，电容也就增大．故A、D正确．新知梳理一、什么是传感器1．定义：感受________量，并能把它们按照一定的规律转换为________量，或转换为电路的________的一类元件．2．工作原理非电学电学通断二、光敏电阻1．特点：电阻值随光照增强而________．2．原因分析：光敏电阻由半导体材料制成，无光照时，载流子________，导电性能________；随着光照的增强，载流子________，导电性________．3．作用：把____________这个光学量转换为________这个电学量．减小极少不好增多变好光照强弱电阻三、热敏电阻和金属热电阻比较内容热敏电阻金属热电阻特点电阻率随温度升高而________电阻率随温度升高而________________制作材料________________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氧化锰铂温度电阻四、霍尔元件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_________作用下，向着与电流和_________都垂直的方向漂移，使M、N间出现________(如图6－1－2所示)．图6－1－2洛伦兹力磁场电压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________比．4．作用：把_________________这个磁学量转换为________这个电学量．kIBd正磁感应强度电压探究1光敏电阻、热敏电阻、霍尔元件特性成因是什么？元件产生变化的原因光敏电阻半导体材料受到的光照增强时，会有更多的电子获得能量成为自由电子，同时也形成更多的空穴，即载流子数增多，于是导电性明显地增强，电阻减小热敏电阻对于负温度系数的热敏电阻，温度升高时，有更多的电子获得能量成为自由电子，同时空穴增多，即载流子数增多，于是导电性明显地增强，电阻减小霍尔元件霍尔元件两极间通入恒定的电流，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的作用下，向着与电流和磁场都垂直的方向漂移，在另两极上形成电压特别提醒：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．1．金属的电阻率随温度的升高而______．用金属丝可以制作______传感器，称为______．2．与金属不同的是，有些半导体的导电能力随温度的升高而______，故可以用半导体材料制作__________．3．霍尔元件是能够把磁学量______________转换为电学量______的传感器元件．增大温度热电阻增强热敏电阻磁感应强度电压探究2热敏电阻和金属热电阻有什么区别？项目电阻导电原理电阻随温度变化优点热敏电阻自由电子和空穴等载流子灵敏度较好金属热电阻自由电子的定向移动化学稳定性好，测温范围大4．与热敏电阻相比，金属热电阻的______________好，测温范围______，但______较差．化学稳定性大灵敏度探究3霍尔元件的工作原理是怎样的？图6－1－3霍尔元件就是利用霍尔效应来设计的．一个矩形霍尔材料薄片，在其前、后、左、右分别引出一个电极，如图6－1－3所示，沿PQ方向通入电流I，垂直于薄片加匀强磁场B，则在MN间会出现电势差U.设薄片厚度为d，PQ方向长度为l1，MN方向为l2.薄片中的带电粒子即载流子受到磁场力发生偏转，使N侧与M侧产生电势差，造成材料薄片内部出现电场，载流子同时受到电场力与磁场力作用．当磁场力与电场力平衡时，MN间电势差达到恒定，qUl2＝qvB.设一个载流子带电荷量为e.根据电流的微观解释I＝neSv.整理后，得U＝IBned.令k＝1ne，因为n为材料单位体积的带电粒子个数，e为单个带电粒子的电荷量，它们均为常数，所以U＝kIBd.U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了．5．如图6－1－4所示，截面为矩形的金属导体，放在磁场中，当导体中通有电流时，导体的上、下表面的电势的关系为()图6－1－4A．UMUNB．UM＝UNC．UMUND．无法判断【答案】A【解析】此题考查了霍尔效应的形成原因．霍尔效应形成的原因是因为带电粒子在磁场中受到洛伦兹力作用，做定向移动形成的，根据左手定则，电子受到向下的洛伦兹力作用，向N板运动，则M板剩下正电荷，所以UMUN.图6－1－5题型1热敏电阻和金属热电阻的比较【例1】如图6－1－5所示为电阻R随温度T变化的图线，下列说法中正确的是()A．图线1是热敏电阻的图线，它是用金属材料制成的B．图线2是热敏电阻的图线，它是用半导体材料制成的C．图线1的材料化学稳定性好、测温范围大、灵敏度高D．图线2的材料化学稳定性差、测温范围小、灵敏度高思路点拨：(1)热敏电阻和金属热电阻的阻值随温度的变化方向是相反的．(2)热敏电阻随温度变化明显．解析：热敏电阻由半导体材料制成，电阻随温度升高而减小，且灵敏度高，金属热电阻随温度升高电阻增大，灵敏度不高，但测温范围大，化学性质稳定．故B、D正确．答案：BD反思领悟：牢记热敏电阻特性是解决此题的关键．热敏电阻的阻值随温度的升高不一定减小，正温度系数的热敏电阻(PTC)其阻值随温度的升高而增大．图6－1－6如图6－1－6所示，由电源、小灯泡、电阻丝、开关组成的电路中，当闭合开关S后，小灯泡正常发光，若用酒精灯加热电阻丝时，发现小灯泡亮度变化是______，发生这一现象的主要原因是()A．小灯泡的电阻发生了变化B．小灯泡灯丝的电阻率随温度发生了变化C．电阻丝的电阻率随温度发生了变化D．电源的电压随温度发生了变化【答案】变暗C【解析】电阻丝的电阻率随温度的升高而增大，电阻也增大，电路中电流减小，根据P＝I2R知，小灯泡的实际功率减小，所以变暗．题型2光敏电阻的特性图6－1－7【例2】如图6－1－7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思路点拨：当照射光强度增大时，光敏电阻阻值发生变化，然后根据直流电路的动态分析方法进行判断．解析：光的强度是被测量，光敏电阻R3为光敏感元件，同时也是转换器件．当光强度增大时，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，可知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．答案：ABC反思领悟：光敏电阻是利用半导体材料制成的，在被光照射时电阻发生变化，即随照射光强度的增加而减小．把蜂鸣器、光敏电阻、干簧管继电器开关、电源按如图6－1－8甲所示电路连接，制成光电报警装置．当报警器有光照射时，蜂鸣器发声，当没有光照或者光照很弱时，蜂鸣器不发声．①光敏电阻：光敏电阻受光照后，阻值会变小．②干簧管继电器开关：由干簧管和绕在干簧管外的线圈组成，如图乙所示，当线圈中有一定的电流时，线圈产生的磁场使密封在干簧管内的两个铁质簧片磁化，两个簧片在磁力作用下由原来的分离状态变成闭合状态．当线圈中没有电流或者电流很微弱时，磁场消失，簧片在弹力的作用下回复到分离状态．试说明光电报警器的工作原理．图6－1－8【答案】当报警器有光照射时，光敏电阻阻值减小，电路中电流增大，线圈产生的磁场使密封在干簧管内的两个铁质簧片磁化，两个簧片由原来的分离状态变成闭合状态，蜂鸣器电路接通，蜂鸣器发声．反之，当没有光照射或光照很微弱时，光敏电阻阻值很大，电路中的电流很小，干簧管内的两个铁质簧片处于分离状态，连接蜂鸣器的电路断开，蜂鸣器不发声．题型3电磁规律与霍尔元件的工作原理图6－1－9【例3】如图6－1－9所示，厚度为h、宽度为d的导体板放在垂直于它的磁感应强度为B的均匀磁场中，当电流通过导体板时，在导体板的上侧面A和下侧面A′之间会产生电势差，这种现象称为霍尔效应．实验表明，当磁场不太强时，电势差U、电流I和B的关系为U＝kIBd.式中的比例系数k称为霍尔系数．霍尔效应可解释如下：外部磁场的洛伦兹力使运动的电子聚集在导体板的一侧，在导体板的另一侧会出现多余的正电荷，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，导体板上下两侧之间就会形成稳定的电势差．设电流I是由电子的定向流动形成的，电子的平均定向速度为v，电荷量为e，回答下列问题：(1)达到稳定状态时，导体板上侧面A的电势________下侧面A′的电势(填“高于”“低于”或“等于”)．(2)电子所受的洛伦兹力的大小为________．(3)当导体板上下两侧之间的电势差为U时，电子所受静电力的大小为________．(4)由静电力和洛伦兹力平衡的条件，证明霍尔系数为k＝1ne，其中n代表导体板单位体积中电子的个数．思路点拨：(1)怎样判断电子受洛伦兹力的方向？(2)电子的偏移带来怎样的变化？(3)怎样求上下两面间的电压？解析：(1)导体中电子运动形成电流，电子运动方向与电流方向相反，利用左手定则可判定电子向A板偏，A′板上出现等量正电荷，所以A板电势低于A′板电势．(2)洛伦兹力大小F＝Bev.(3)静电力F电＝Ee＝Uhe.(4)由F＝F电得Bev＝Uhe，则U＝hvB导体中通过的电流I＝nev·d·h由U＝kIBd得hvB＝kIBd，hvB＝knevdhBd，得k＝1ne.答案：(1)低于(2)Bev(3)Uhe(4)见解析反思领悟：金属导体中能自由移动的是电子，电子向N板聚集，M板剩下正电荷．图6－1－10电磁流量计广泛应用于测量可导电流体(如污水)在管中的流量(在单位时间内通过管内横截面的流体的体积)．为了简化，假设流量计是如图6－1－10所示的横截面为长方形的一段管道，其中空部分的长、宽、高分别为图中的a、b、c.流量计的两端与输送流体的管道相连(图中虚线)．图中流量计的上下两面是金属材料，前后两面是绝缘材料．现于流量计所在处加磁感应强度为B的匀强磁场，磁