（新课标）2020版高中物理 第六章 传感器 1 传感器课件 选修3-2

第六章传感器6．1传感器及其工作原理学习重点考查热度了解什么是传感器，知道非电学量转化为电学量的技术意义★★★知道传感器中常见的三种敏感元件光敏电阻、热敏电阻和霍尔元件及其它们的工作原理★★★★了解传感器的应用★★★基础梳理一、传感器1．传感器传感器：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．传感器输入量输出量工作原理硅光电池光电压光电效应光电二极管光电压光电效应湿敏电阻湿度电压(电阻)湿敏材料的电阻随湿度的变化而变化话筒声音电流电磁感应加速度传感器加速度电压电磁感应测速发电机速度电流(电压)电磁感应热电偶温度电压热电效应酒精气体传感器酒精气体电阻化学反应后引起电阻变化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、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．传感器的工作原理如下所示：非电学量→敏感元件→转换器件→转换电路→电学量二、常见传感器1．光敏电阻(1)特点：光敏电阻在被光照射时电阻发生变化，光照增强时，电阻减小；光照减弱时，电阻增大．(2)原因：制作光敏电阻的硫化镉是一种半导体材料，无光照时，载流子极少，导电性能较差；随着光照的增强，载流子增多，导电性能增强．(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．(4)光电计数器：下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，R2两端电压的减小，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．2．热敏电阻和金属热电阻热敏电阻(N型)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R­T图象制作材料半导体金属导电原理自由电子和空穴等载流子自由电子优点灵敏度较好化学稳定性好，测温范围大，但灵敏度较差作用将温度这个热学量转换为电阻这个电学量三、霍尔元件1．构造很小的矩形半导体薄片上，制作四个电极E、F、M、N.2．霍尔电压如图所示，E、F间通入恒定电流I，同时外加与薄片垂直的磁场B，则M、N间出现霍尔电压UH，UH＝kIBd.3．作用把磁感应强度这个磁学量转换为电压这个电学量．4．工作原理外部磁场的洛伦兹力使运动的载流子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，UH＝kIBd.UH的变化与B成正比是霍尔元件能把磁学量转换成电学量的原因．问：霍尔元件的两侧电压UH＝kIBd是怎样得出的？答：霍尔元件是在一个很小的矩形半导体(例如砷化铟)薄片上，制作4个电极E、F、M、N而成(如图所示)．若在E、F间通入恒定的电流I，同时外加与薄片垂直的匀强磁场B，薄片中的载流子就在洛伦兹力的作用下发生偏转，使M、N间出现电压U.霍尔元件的上的电压U与电流I、磁感应强度B的关系，设霍尔元件长为a，宽为b，厚为d，则当薄片中载流子达到稳定状态时，f洛＝Eq，即qBv＝Ubq，又因I＝nqsv＝nqbdv，所以U＝IBnqd，即U＝kIBd(k为霍尔系数)．因此，我们就可以根据电压U的变化得知磁感应强度的变化．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．四、传感器问题分析方法1．以传感器为桥梁可以将多方面的物理知识整合在一起，在实际问题中既可以直接考查传感器知识，也可以考查敏感元件的敏感特性，几种传感器及与其相联系的物理知识，如下表．传感器种类敏感元件与之相联系的物理知识光电传感器光敏电阻直流电路动态分析温度传感器热敏电阻直流电路问题力传感器压敏电阻等力学、运动学与直流电路电容传感器电容器力、运动与含容电路2.分析传感器问题要注意四点(1)感受量分析要明确传感器所感受的物理量，如力、热、光、磁、声等．(2)输出信号分析明确传感器的敏感元件，分析它的输入信号及输出信号，以及输入信号与输出信号间的变化规律．(3)电路结构分析认真分析传感器所在的电路结构，在熟悉常用电子元件工作特点的基础上，分析电路输出信号与输入信号间的规律．(4)执行机构工作分析传感器的应用，不仅包含非电学量如何向电学量转化的过程，还包含根据所获得的信息控制执行机构进行工作的过程.规律方法规律鸟瞰考点热度规律一：热敏电阻与光敏电阻问题★★★规律二：霍尔效应★★★★规律三：电容式传感器★★★规律一热敏电阻与光敏电阻问题1．温度传感器一般使用的是热敏电阻，负温度系数的热敏电阻的阻值随温度升高而减小，正温度系数的热敏电阻的阻值随温度升高而增大，在解答有关温度传感器的应用问题时应注意区分这一性质．2．光传感器利用的是光敏电阻，光敏电阻的电阻值随光照强度升高而减小．3．温度传感器和光传感器的应用问题往往是利用闭合电路欧姆定律进行动态分析．动态分析的思维流程：(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【分析】解决此类题首先要判断光敏电阻阻值的变化，然后再根据闭合电路欧姆定律及部分电路欧姆定律，从局部→整体→局部的观点分析各物理量变化即可．【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三项．【答案】ABC规律二霍尔效应1．无论载流子是电子和正电荷，在判断侧面电势高低的时候，统一用左手定则，只要四指指向电流方向，那么拇指指向的方向就是电子或正电荷受力方向，从而由载流子的性质迅速判断电势高低．2．由电势高低和电流方向迅速判断载流子的性质．3．测单位体积的自由电荷数目．4．由公式UH＝kIBd分析磁场的变化以及磁场的情况．(多选)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【解析】磁体的磁极靠近霍尔元件的工作面时，B增强，由UH＝kIBd知UH将变大，A项正确；在两极附近，磁场近似与地面垂直，所以霍尔元件的工作面应保持水平，B项正确；在赤道上，磁场与地面平行，所以工作面应保持垂直，C项错误；当改变磁场与工作面的夹角时，垂直于工作面的磁感应强度减小，UH将发生改变，D项正确．【答案】ABD规律三电容式传感器1．原理电容器的电容取决于极板间的正对面积S、极板间距d、极板间的电介质这几个因素．如果某个物理量(如角度θ、位移x、深度H等)的变化引起上述某个因素的变化，从而引起电容的变化，通过电容的变化就可以确定上述物理量的变化，这种电容器称为电容式传感器．2．常见的电容式传感器名称图示原理测定角度θ的电容式传感器当动片与定片之间的角度θ发生变化时，引起极板正对面积S的变化，使电容C发生变化，知道C的变化，就可以知道θ的变化情况测定液面高度h的电容式传感器在导线芯的外面涂上一层绝缘物质，放入导电液体中，导线芯和导电液体构成电容器的两个极，导线芯外面的绝缘物质就是电介质，液面高度h发生变化时，引起正对面积发生变化，使电容C发生变化，知道C的变化，就可以知道h的变化情况测定压力F的电容式传感器待测压力F作用于可动膜片电极上的时候，膜片发生形变，使极板间距离d发生变化，引起电容C的变化，知道C的变化，就可以知道F的变化情况测定位移x的电容式传感器随着电介质进入极板间的长度发生变化，电容C发生变化，知道C的变化，就可以知道x的变化情况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【解析】压力F作用时，极板间距d变小，由C＝εrS4πkd，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A项．【答案】A如图所示是一种水位自动报警器的原理示意图，当杯中的水的水位到达金属块B时，出现的情况是()A．L1灯亮B．L2灯亮C．L1、L2两灯同时亮D．L1、L2两灯都不亮【解析】由电路结构可以看出，当杯中的水的水位到达金属块B时，左侧电路被接通，这样螺线管就产生磁场，相当于一个磁铁，对与弹簧相连的衔铁产生吸引作用，使之向下移动，这样L2所在电路被接通，故B项正确．【答案】B聚焦高考(1)基本考查点为：传感器、光敏电阻、热敏电阻、霍尔元件．(2)难点：霍尔元件．(3)常考点：传感器、霍尔元件．(4)常考题型：常以选择题形式考查，难度较低．1．(2008·江苏)2007年度诺贝尔物理学奖授予了法国和德国的两位科学家，以表彰他们发现“巨磁电阻效应”．基于巨磁电阻效应开发的用于读取硬盘数据的技术，被认为是纳米技术的第一次真正应用．在下列有关其它电阻应用的说法中．错误的是()A．热敏电阻可应用于温度测控装置中B．光敏电阻是一种光电传感器C．电阻丝可应用于电热设备中D．电阻在电路中主要起到通过直流、阻碍交流的作用【解析】热敏电阻的原理是通过已知某电阻的电阻值与温度的函数关系，测得该热敏电阻的值即可获取温度，从而应用于温度测控装置中，A项正确；光敏电阻是将光信号与电信号进行转换的传感器，B项正确；电阻丝通过电流会产生热效应，可应用于电热设备中，C项正确；电阻对直流和交流均起到阻碍的作用，D项错误．【答案】D2．遥控器能调换电视机频道，利用的是光传感器．下列属于应用这类传感器的是()A．红外报警装置B．金属电阻温度计C．电子电路中使用的“干簧管”D．霍尔元件【解析】红外报警装置是利用的光敏电阻制成的光传感器，A项正确；金属电阻温度计是利用的热敏电阻制成的传感器，B项错误；干簧管利用的热敏电阻，C项错误；霍尔元件利用的是霍尔效应，D项错误．【答案】A3.(2016·浙江)如图所示为一种常见的身高体重测量仪．测量仪顶部向下发射波速为v的超声波，超声波经反射后返回，被测量仪接收，测量仪记录发射和接收的时间间隔．质量为M0的测重台置于压力传感器上，传感器输出电压与作用在其上的压力成正比．当测重台没有站人时，测量仪记录的时间间隔为t0，输出电压为U0，某同学站上测重台，测量仪记录的时间间隔为t，输出电压为U，则该同学的身高和质量分别为()A．v(t0－t)，M0U0UB.12v(t0－t)，M0U0UC．v(t0－t)，M0U0(U－U0)D.12v(t0－t)，M0U0(U－U0)【解析】当测重台没有站人时，则2x＝vt0；站人时：2(x－h)＝vt；解得h＝12v(t0－t)；无人站立时：U0＝kM0g；有人时：U＝k(M0g＋mg)；解得m＝M0U0(U－U0)，故D项正确．【答案】D4．(2008·重庆)如图(1)是某同学设计的电容式速度传感器原理图，其中上板为固定极板，下板