2019-2020学年高中物理 第6章 传感器 1 传感器及其工作原理课件 新人教版选修3-2

第1节传感器及其工作原理第六章传感器1.知道什么是传感器，理解传感器工作原理。2．掌握制作传感器常用元件：光敏电阻、热敏电阻、金属热电阻、霍尔元件的基本特性及工作原理。3．初步掌握各种常用元件的简单应用。1．传感器按照一定的规律把非电学量转化为电学量，可以很方便地进行测量、传输、处理和控制。2．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。3．热敏电阻和金属热电阻能把温度这个热学量转换为电阻这个电学量。4．电容式位移传感器能把物体位移这个力学量转换为电容这个电学量。5．霍尔元件能把磁感应强度这个磁学量转换为电压这个电学量。01课前自主学习一、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电压、电流等________量，或转换为电路的________的元件。2．非电学量转换为电学量的意义把___________转换为电学量，可以方便地进行测量、传输、处理和________。□1非电学□2电学□3通断□4非电学量□5控制二、光敏电阻1．特点光照越强，电阻________。2．原理无光照时，载流子________，导电性能________；随着________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。□1越小□2极少□3不好□4光照□5增多□6光照强弱□7电阻想一想声控灯有一种有趣的现象，那就是光线充足时，任你发出多大的声音都不亮；但在黑夜，轻轻一声它就发出亮光，这是为什么呢？提示：声控灯全名应该为——声光控灯，原来声控灯中有光控电路，使其在光线足够的时候不工作，所以声控灯的控制盒实际上是声、光同时控制的，起到日熄夜亮的控制作用，以节约用电。三、热敏电阻和金属热电阻四、霍尔元件1．构造很小的矩形__________薄片上，制作四个电极E、F、M、N。□1半导体2．霍尔电压如图，E、F间通入恒定电流I，同时外加与薄片垂直的________，则M、N间出现电压，称为霍尔电压UH，UH＝______，式中d为薄片的厚度，k为霍尔系数，k的大小与薄片的材料有关。□3kIBd□2磁场B3．作用把_____________这个磁学量转换为________这个电学量。□4磁感应强度□5电压判一判(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。()×√提示：霍尔元件一共有四个电极，两个用来输入恒定电流，两个用来输出电压。×提示：霍尔电压与组成霍尔元件的材料有关。02课堂合作探究考点传感器1．实验探究(1)探究过程：将磁铁B靠近或远离盒子，观察盒内灯的发光情况，并分析原因。如图甲所示。(2)现象：磁铁B靠近时，灯泡就会发光；把磁铁移走，灯泡熄灭。(3)分析论证：磁铁B靠近干簧管时，两个簧片被磁化而接通电路。如图乙所示。(4)结论：干簧管将盒子周围磁场的有无转化为电路的通断。2．传感器(1)传感器的作用：能像人的感觉器官那样感受外界信息，并能按照一定的规律和要求，把这些信息转换成可用的输出信息的器件和装置，叫做传感器。传感器是各种测量和自动控制系统的“感觉器官”。(2)传感器原理：传感器感受的通常是非电学量，如压力、温度、位移、浓度、速度、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。3．传感器的工作流程非电学量→敏感元件→转换电路→电学量4．分类(1)按传感器所测量物理量分为：位移、力、速度、温度、流量、气体成分等传感器。(2)按传感器工作原理分为：压电、电容、电感、磁电、光电、热电等传感器。例1(多选)关于干簧管，下列说法正确的是()A．干簧管接入电路中相当于电阻的作用B．干簧管是根据热胀冷缩的原理制成的C．干簧管接入电路中相当于开关的作用D．干簧管是作为电控元件以实现自动控制的1.干簧管的作用是什么？2．干簧管的工作原理是什么？提示：干簧管在电路中的作用相当于自动开关。提示：干簧管的两个簧片在外加磁场的作用下被磁化成相反磁性的磁极而连通，没有外加磁场时两簧片失去磁性而分开。[解析]干簧管能感知磁场，是因为两个簧片由软磁性材料制成，当周围存在磁场时，两个簧片被磁化，就会相互吸引，可当作开关来使用，作为控制元件以实现自动控制，选C、D。分析传感器时要明确的问题(1)核心元件是什么；(2)是怎样将非电学量转化为电学量的；(3)是如何显示或控制开关的。[变式训练1]如图是一种测定油箱油量的装置。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。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________(选填“c、d”或“a、b”)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”)。c、d减小解析由题图可知当油箱内液面高度变化时，滑动变阻器R的金属滑片将会移动，从而引起R两端电压的变化。当油量减少时，滑动变阻器R的阻值会增大，电路中的电流会减小，c、d间的电压会减小。当把电压表接在c、d两点间，电压表数值减小时，表示油量在减小。考点光敏电阻的特性1．实验探究实验1：将一只光敏电阻接到多用电表的两端，电表置于倍率为100的欧姆挡，在室内自然光的照射下，电阻值约为多大？用手掌遮光时，电阻值又是多大？用阳光直接照射呢？(1)实验现象：同一只光敏电阻，用多用电表测量其阻值，用手掌遮光时，电阻值较大，在室内自然光的照射下电阻值变小，改用阳光直接照射时，电阻值变得更小。(2)实验结论：通过上述实验我们得到：光敏电阻的阻值随光照强度的增强而明显减小。实验2：一只普通的电阻，小心地把电阻器表面的漆层除去一些，使里面的导电膜露出来接受光照，重做上述实验，结果相同吗？(1)实验现象：普通电阻在有光照和无光照的情况下其阻值是相同的。(2)实验结论：普通电阻的阻值不受光照强度的影响，而光敏电阻的阻值随光照强度的变化发生明显的变化。2．半导体的导电原理如图是硅原子排列示意图，每个原子的最外层有4个电子。由于热运动或其他原因，其中极少数电子可能获得较大的能量，挣脱原子的束缚而成为自由电子。这样，在原来的地方就留下一个空位，称为“空穴”。空穴相当于一个正电荷。当这个空穴由附近原子中的电子来填补时，就出现了一个新的空穴，这种变化相当于空穴在移动。如果有了外电场，自由电子和空穴会向相反的方向做定向移动，于是在半导体中形成了电流。自由电子和空穴都叫做载流子。当半导体材料受到光照或者温度升高时，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，半导体中会有更多的载流子，于是导电性能明显地增强。3．光敏电阻的特性(1)阻值特点：阻值随光照强度的增大而减小。(2)导电机理：光敏电阻一般由半导体材料做成，当半导体材料受到光照时，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，导电性能变好，电阻变小。(3)作用：光敏电阻能够把光照强弱这个光学量转换为电阻大小这个电学量。4．光电计数器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。当光被工件挡住时，R1阻值增大，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，通过一个工件就获得一次低电压，计数一次。例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中电流强度减小C．小灯泡的功率增大D．电路的路端电压减小1.光敏电阻的特点是什么？2．光敏电阻在电路中有什么作用？提示：光敏电阻一般由半导体材料制成，其阻值随光照强度的增大而减小，随光照强度的减小而增大。提示：光敏电阻在电路中的作用相当于一个滑动变阻器，光照增强时电阻减小，反之增大。[解析]可按以下流程进行解题：解决含有光敏(热敏)电阻的动态分析问题的思路(1)应明确光敏(热敏)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→I局。[变式训练2]如图所示，将多用电表的选择开关置于欧姆挡，再将电表的两支表笔分别与光敏电阻Rt的两端相连，这时表针恰好指在刻度盘的中央。若用不透光的黑纸将Rt包裹起来，表针将向________(选填“左”或“右”)转动；若用手电筒的光照射Rt，表针将向________(选填“左”或“右”)转动。左右解析光敏电阻受光照越强，电阻越小，所以将Rt用不透光的黑纸包起来，电阻增大，指针左偏；若用手电筒的光照射Rt，电阻减小，指针右偏。考点热敏电阻和金属热电阻1．实验探究(1)实验器材：热敏电阻、多用电表、烧杯(备用冷、热水)温度计、铁架台(2)实验步骤①如图甲所示，将热敏电阻接入多用电表欧姆挡后放入装有少量冷水并插有温度计的烧杯中，记录温度、电阻值。②再分几次向烧杯中倒入热水观察不同温度下热敏电阻的阻值。把测量到的温度、电阻值填入表中。次数待测量12345t/℃R/Ω③粗略描绘出热敏电阻的阻值R随温度t变化的R－t图线。如图乙所示。(3)实验结论：热敏电阻的阻值随温度变化而发生明显变化，由图中曲线可知，变化是非均匀变化。2．热敏电阻(1)热敏电阻：用半导体材料制成，其电阻值随温度变化明显，如图所示为某一热敏电阻的电阻—温度特性曲线。(2)作用：热敏电阻可以将温度这个热学量转化为电阻这个电学量。3．金属热电阻(1)实验探究如图1所示，A、B间接有一段钨丝(从旧日光灯管中取出)，闭合开关，灯泡正常发光，当用打火机给钨丝加热时，灯泡的亮度如何变化？①实验现象：灯泡亮度明显变暗。②实验结论：钨丝的电阻随温度的升高而增大。(2)金属热电阻：金属的电阻率随温度的升高而增大，这样的电阻可以制成温度传感器，称为热电阻。如图2为某金属导线的电阻—温度特性曲线。热敏电阻和金属热电阻有何区别及联系？(1)区别：①热敏电阻和金属热电阻的导电性能与温度的变化关系不相同，热敏电阻的导电性能一般随温度的升高而增强；金属热电阻的导电性能随温度升高而降低。②热敏电阻和金属热电阻的优缺点：热敏电阻灵敏度高，但化学稳定性较差，测量范围较小；金属热电阻的化学稳定性较好，测量范围较大，但灵敏度较差。(2)联系：热敏电阻和金属热电阻都能够将温度这个热学量转换为电阻这个电学量。例3如图1所示为某一热敏电阻(电阻值随温度的改变而改变，且对温度很敏感)的I­U关系曲线图。(1)为了通过测量得到如图1所示I－U关系的完整曲线，在图2所示的a和b两个电路中应选择的是图_____。(2)在图c所示的电路中，电源电压恒为9V，当给热敏电阻加热后，电流表读数将________(填“增大”“减小”或“不变”)。a增大1.热敏电阻的特点是什么？2．热敏电阻在电路中有什么作用？提示：热敏电阻一般由半导体材料制成，其电阻值随温度的变化明显，一般随温度升高电阻减小，随温度降低电阻变大。提示：热敏电阻在电路中的作用相当于滑动变阻器，温度升高电阻减小，反之增大，把温度这一非电学量转化为电阻这一电学量，便于测量和控制。[解析]由于图中要求测量多组数据，所测电压调节范围较大，且从零开始变化，所以应选用滑动变阻器的分压式接法，故应选图a；热敏电阻温度升高时，其电阻值减小，故干路中的电流增大。实验电路中含热敏电阻时应注意的问题在实验分析中，要充分考虑热敏电阻的特点，它用半导体材料制成，其电阻随温度变化明显，温度升高电阻一般减小，热敏电阻的灵敏度较好。[变式训练3](多选)在温控电路中，通过热敏电阻阻值随温度的变化可实现对电路相关物理量的控制。如图所示电路，R1为定值电阻，R2为半导体热敏电阻(温度越高电阻越小)，C为电容器。当环境温度降低时()A．电容器C的带电量增大B．电压表的读数增大C．电容器C两板间的电场强度减小D．