2020版高中物理 第六章 1 传感器及其工作原理课件 新人教版选修3-2

第六章传感器1传感器及其工作原理[学习目标]1.了解传感器的概念,知道将非电学量转换成电学量的技术的意义.2.了解光敏电阻、热敏电阻、金属热电阻和霍尔元件的性能,知道其工作原理及作用.3.了解传感器的常用元件的特征.课前预习掌握新知知识梳理一、传感器1.传感器: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),或转换为电路的的一类元件.2.工作原理非电学量→传感器(敏感元件、转换器件、转换电路)→电学量二、光敏电阻1.特点:电阻值随光照增强而.非电学电学通断减小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.三、热敏电阻和金属热电阻1.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,温度升高电阻,如图(甲)所示为某一热敏电阻的电阻随温度变化的特性曲线.极少不好增多变好光照强弱电阻减小2.金属热电阻有些金属的电阻率随温度的升高而,这样的电阻也可以制作温度传感器,称为热电阻,如图(乙)所示为某金属导线电阻的温度特性曲线.3.热敏电阻与金属热电阻的区别热敏电阻金属热电阻特点电阻随温度的变化而变化且非常明显电阻率随温度的升高而增大制作材料半导体金属导体优点灵敏度好化学稳定性好,测温范围大作用能够将温度这个热学量转换为电阻这个电学量增大注意: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.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的作用下,向着与电流和都垂直的方向漂移,使M,N间出现(如图).洛伦兹力磁场电压3.霍尔电压:UH=kIBd,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就与B成比.正4.作用:把这个物理量转换为这个电学量.磁感应强度电压科学思维1.思考判断(1)传感器一定是把非电学量转换为电路的通断.()×(2)干簧管是作为磁控元件以实现自动控制的.()(3)半导体制成的热敏元件温度升高时电阻大幅度变化.()(4)热敏电阻一般用半导体材料制作,导电能力随温度的升高而增强,但灵敏度低.()(5)霍尔元件可以感知磁感应强度.()(6)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.()(7)在UH=kIBd中,k为霍尔系数,它的大小与薄片的材料有关.()√√×√×√2.思维探究(1)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?(2)热敏电阻的阻值是否一定随温度的升高而减小?答案:(1)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)不一定,有的随温度的升高而增大(PTC元件),有的随温度的升高而减小(NTC元件).(3)如图所示为矩形金属薄片,水平放入竖直向下的磁场中,当电流的方向如图所示时,试分析N,M两侧面电势的高低.答案:(3)对于金属薄片,真正参与导电的是电子,当通入题图所示的电流时,电子沿电流的反方向移动,因此受到的洛伦兹力指向N,N侧面聚集负电荷,电势较低,M侧面带正电荷,电势较高,即φMφN.课堂探究突破要点要点一传感器的认识[探究导学]干簧管结构:如图(甲)所示,它只是玻璃管内封入的两个软磁性材料制成的簧片,接入图(乙)电路,当条形磁铁靠近干簧管时:(1)会发生什么现象,为什么?(2)干簧管的作用是什么?答案:(1)灯泡会亮,因为当条形磁铁靠近干簧管时,两个簧片被磁化而接通.(2)干簧管起到开关的作用,是一种能够感知磁场的传感器.[要点归纳]1.传感器的组成一般是由敏感元件、转换元件和转换电路组成,有时还需要有辅助电源.(1)敏感元件:相当于人的感觉器官,是传感器的核心部分,是利用材料的某种敏感效应(如热敏、光敏、压敏、湿敏等)制成的.(2)转换元件: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.(3)转换电路:将转换元件输出的不易测量的非电学量(如力、温度、位移、浓度、速度、酸碱度等)转换成易于测量的电学量(如电压、电流、电阻等).2.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3.注意(1)传感器的发展十分迅速,其品种已达数万种,我们学习了解的只是最基本的几种而已.(2)不能认为传感器输出的一定是电信号.[例1]如图所示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A思维导图:根据电容的公式C=r4πSkd和C=QU,按以下思路进行分析.压力F作用下→d变化→C变化→Q变化→回路中产生电流解析:压力F作用时,极板间距d变小,由C=r4πSkd,电容器电容C变大,又根据Q=CU,极板带电荷量变大,所以电容器应充电,灵敏电流计中产生由正接线柱流入的电流,所以指针将右偏.F不变时,极板保持固定后,充电结束,指针回到零刻度.故选项A正确.学霸笔记(2)确定传感器中的什么量变化时可以引起电学量的变化.(3)根据电学量的变化确定相关物理量的变化.传感器问题的分析思路(1)明确传感器的类型,了解传感器的工作原理.(教师备用)例1-1: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(选填“增大”或“减小”).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两点之间;当油量减少时,电压表示数将增大.答案:b,c增大[针对训练1-1]压敏电阻的阻值随所受压力的增大而减小,有位同学利用压敏电阻设计了判断小车运动状态的装置,其工作原理如图(甲)所示,将压敏电阻和一块挡板固定在绝缘小车上,中间放置一个绝缘重球.小车向右做直线运动过程中,电流表示数如图(乙)所示,下列判断正确的是()A.从t1到t2时间内,小车做匀速直线运动B.从t1到t2时间内,小车做匀加速直线运动C.从t2到t3时间内,小车做匀速直线运动D.从t2到t3时间内,小车做匀加速直线运动D解析:在0～t1内,I恒定,压敏电阻阻值不变,由小球的受力不变可知,小车可能做匀速或匀加速直线运动,在t1～t2内,I变大,压敏电阻阻值变小,压力变大,小车做变加速运动,故A,B错误;在t2～t3内,I不变,压力恒定,小车做匀加速直线运动,故C错误,D正确.要点二敏感元件的认识与使用[探究导学]某兴趣小组为了研究电子温控装置,将热敏电阻R1(负温度系数)、定值电阻R2以及电压表和电流表连入如图所示的电路中,热敏电阻的阻值随温度的升高而减小.(1)闭合开关S后,温度升高时,电流表的示数如何变化?(2)闭合开关S后,温度降低时,电压表的示数如何变化?答案:(1)温度升高时,热敏电阻的阻值变小,干路的电流变大,所以电流表的示数变大.(2)温度降低,热敏电阻的阻值变大,干路中的电流变小,R2两端的电压变小,电压表的示数变小.[要点归纳]光敏电阻、热敏电阻、霍尔元件特点对比元件特点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,即载流子数增多,于是导电性明显增强,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,即载流子数增多,于是导电性明显增强,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[例2]为了节能和环保,一些公共场所使用光控开关控制照明系统.光控开关可采用光敏电阻来控制,光敏电阻是阻值随着光的照度而发生变化的元件(照度可以反映光的强弱,光越强照度越大,照度单位为lx).某光敏电阻Rp在不同照度下的阻值如下表:照度/lx0.20.40.60.81.01.2电阻/kΩ754028232018(1)根据表中数据,请在图(甲)给定的坐标系中描绘出光敏电阻阻值随照度变化的曲线.解析:(1)根据表中的数据,在坐标纸上描点连线,得到如图所示的变化曲线.答案:见解析解析:(2)阻值随照度变化的特点:光敏电阻的阻值随光的照度的增大非线性减小.(2)从图(甲)的图线可知,光敏电阻的阻值随光的照度的增大而减小,并且这种变化是的(选填“线性”或“非线性”).答案:见解析(3)如图(乙)所示,当1,2两端所加电压上升至2V时,控制开关自动启动照明系统,请利用下列器材设计一个简单电路.给1,2两端提供电压,要求当天色渐暗照度降低至1.0lx时启动照明系统,在虚线框内完成电路原理图.(不考虑控制开关对所设计电路的影响)提供的器材如下:光敏电阻Rp(符号,阻值见图表)直流电源E(电动势3V,内阻不计)定值电阻:R1=10kΩ,R2=20kΩ,R3=40kΩ(限选其中之一并在图中标出);开关S及导线若干.解析:(3)因天色渐暗照度降低至1.0lx时启动照明系统,此时光敏电阻阻值为20kΩ,两端电压为2V,电源电动势为3V,故应加上一个分压电阻,分压电阻阻值为10kΩ,即选用R1;此电路的原理图如图所示.答案:见解析学霸笔记含有敏感元件电路的分析思路(1)明确敏感元件的电阻特性.(2)根据闭合电路欧姆定律及串、并联电路的性质分析电路中其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)思路流程:R局→R总→I总→U端→局部判断.(教师备用)例2-1: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C解析:R2与灯L并联后与R1串联,与电源构成闭合电路,当热敏电阻温度降低时,电阻R2增大,外电路电阻增大,电流表读数减小,灯L两端电压增大,灯泡亮度变强,R1两端电压减小,故选项C正确.[针对训练2-1]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B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,故B正确.随堂演练检测效果1.关于传感器及其作用,下列说法正确的是()A.传感器一定是把非电学量转换为电学量B