2018-2019學(xué)年高中物理 第六章 傳感器 6.1 傳感器及其工作原理課件 新人教版選修3-2.ppt

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第六章傳感器1傳感器及其工作原理,【自主預(yù)習(xí)】1.傳感器:(1)定義:能夠感受諸如力、溫度、光、聲、化學(xué)成分等_______,并能把它們按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換為便于傳送和處理的電壓、電流等_______,或轉(zhuǎn)換為電路_____的元件。,物理量,物理量,通斷,(2)意義:把非電學(xué)量轉(zhuǎn)換為電學(xué)量,可以方便地進(jìn)行_____、傳輸、處理和_____。2.光敏電阻:(1)特點(diǎn):光照越強(qiáng),電阻_____,光照越弱,電阻_____。(2)原因:無(wú)光照時(shí),載流子極少,導(dǎo)電性能_____;隨著光照的增強(qiáng),載流子_____,導(dǎo)電性能_____。(3)作用:把光照強(qiáng)弱這個(gè)光學(xué)量轉(zhuǎn)換為_(kāi)____這個(gè)電學(xué)量。,測(cè)量,控制,越小,越大,不好,增多,變好,電阻,3.熱敏電阻和金屬熱電阻:,減小,增大,金屬,電阻,4.霍爾元件:(1)構(gòu)造:在很小的半導(dǎo)體薄片上,制作四個(gè)電極E、F、M、N。(2)霍爾電壓:如圖,E、F間通入恒定電流I,同時(shí)外加與薄片垂直的磁場(chǎng)B,則M、N間出現(xiàn)霍爾電壓UH,UH=_____。,(3)作用:把磁感應(yīng)強(qiáng)度這個(gè)磁學(xué)量轉(zhuǎn)換為_(kāi)____這個(gè)電學(xué)量。,電壓,【預(yù)習(xí)小測(cè)】1.(多選)傳感器擔(dān)負(fù)著信息采集的任務(wù),它可以()A.將力學(xué)量(如形變量)轉(zhuǎn)變成電學(xué)量B.將熱學(xué)量轉(zhuǎn)變成電學(xué)量C.將光學(xué)量轉(zhuǎn)變成電學(xué)量D.將電學(xué)量轉(zhuǎn)變成力學(xué)量,【解析】選A、B、C。傳感器是將所感受到的不便于測(cè)量的物理量(如力、熱、光、聲等)轉(zhuǎn)換成便于測(cè)量的物理量(一般是電學(xué)量)的一類元件。故選項(xiàng)A、B、C對(duì),選項(xiàng)D錯(cuò)。,2.(多選)許多樓道照明燈具有這樣的功能:天黑時(shí),出現(xiàn)聲音它就開(kāi)啟;而白天,即使有聲音它也沒(méi)有反應(yīng),它的控制電路中接入了哪些傳感器()A.溫度傳感器B.光傳感器C.聲音傳感器D.熱傳感器,【解析】選B、C。根據(jù)題意,天黑時(shí),出現(xiàn)聲音它就開(kāi)啟;而白天,即使有聲音它也沒(méi)有反應(yīng),故電路中有光傳感器,即使天黑,沒(méi)有聲音燈也不亮,故用到了聲音傳感器。即控制電路中接入了光傳感器、聲音傳感器。故選B、C。,3.關(guān)于光敏電阻和熱敏電阻,下列說(shuō)法中正確的是()A.光敏電阻是用半導(dǎo)體材料制成的,其阻值隨光照增強(qiáng)而減小,隨光照的減弱而增大B.光敏電阻是能把光照強(qiáng)度這個(gè)光學(xué)量轉(zhuǎn)換為電流這個(gè)電學(xué)量的傳感器,C.熱敏電阻是用金屬鉑制成的,它對(duì)溫度感知很靈敏D.熱敏電阻是把熱量這個(gè)熱學(xué)量轉(zhuǎn)換為電阻這個(gè)電學(xué)量的傳感器,【解析】選A。光敏電阻是把光強(qiáng)轉(zhuǎn)換為電阻的元件;熱敏電阻是把溫度轉(zhuǎn)換為電阻的元件,故B、D錯(cuò)誤;熱敏電阻和光敏電阻都是由半導(dǎo)體材料制成的,半導(dǎo)體具有光敏性和熱敏性,金屬鉑與熱敏電阻相反,故C錯(cuò)誤。,4.金屬鉑的電阻值對(duì)溫度高低非常敏感,圖中可能表示金屬鉑電阻的U-I圖線是(),【解析】選B。金屬鉑導(dǎo)體的電阻對(duì)溫度的變化很敏感,電阻隨溫度的升高而增大,在一定溫度下其U-I圖線是非線性的,且圖線的斜率越來(lái)越大,故B正確。,主題一什么是傳感器【互動(dòng)探究】干簧管、色標(biāo)傳感器、溫度傳感器及力傳感器等都是生活和生產(chǎn)中常用的傳感器。請(qǐng)結(jié)合上述傳感器思考下列問(wèn)題,(1)干簧管的工作原理及在電路中的作用是什么?提示:干簧管可以感受外界磁場(chǎng),當(dāng)干簧管的兩個(gè)鐵質(zhì)簧片處在磁場(chǎng)中時(shí),兩個(gè)簧片被磁化,在磁力的作用下由原來(lái)的分離狀態(tài)變成閉合狀態(tài),磁場(chǎng)減弱時(shí)兩個(gè)簧片又分開(kāi),它在電路中的作用就是一個(gè)磁控開(kāi)關(guān)。,(2)舉例說(shuō)明:不便于測(cè)量和控制的非電學(xué)量有哪些?便于測(cè)量和控制的電學(xué)量有哪些?不便于測(cè)量和控制的非電學(xué)量主要有__________________________________________等,便于測(cè)量和控制的電學(xué)量有___________等。,角度、位移、速,度、壓力、溫度、聲強(qiáng)、光照,電壓、電流,(3)傳感器最基本的作用是什么?傳感器的工作過(guò)程是怎樣的?傳感器最基本的作用是________________________________,其工作過(guò)程為:________________________________________________。,將被測(cè)量的非電學(xué)量轉(zhuǎn)換成電,學(xué)量,非電學(xué)量→敏感元件→轉(zhuǎn)換元件,→轉(zhuǎn)換電路→電學(xué)量,【探究總結(jié)】1.傳感器的定義:能感受規(guī)定的被測(cè)量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用信號(hào)的器件或裝置,通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成。傳感器是以一定的精度和規(guī)律把被測(cè)量轉(zhuǎn)換為與之有確定關(guān)系的、便于研究的某種物理量的測(cè)量裝置。,2.傳感器的功能與人類器官的對(duì)應(yīng)關(guān)系:人們?yōu)榱藦耐饨绔@取信息,必須借助于感覺(jué)器官。而在研究自然現(xiàn)象和規(guī)律以及生產(chǎn)活動(dòng)中就需要大量的傳感器。因此可以說(shuō),傳感器是人類五官的延長(zhǎng),又稱之為電五官。傳感器的功能可與人類5大感覺(jué)器官相比擬:,光敏傳感器——視覺(jué)聲敏傳感器——聽(tīng)覺(jué)氣敏傳感器——嗅覺(jué)化學(xué)傳感器——味覺(jué)流體傳感器——觸覺(jué),【典例示范】幾年前,中國(guó)牛奶行業(yè)經(jīng)歷了一次嚴(yán)峻考驗(yàn),許多牛奶制品中被檢測(cè)出化學(xué)原料三聚氰胺。在多種檢測(cè)三聚氰胺的方法中有一種“酶標(biāo)法檢測(cè)”,若這種檢測(cè)方法使用了傳感器,應(yīng)為傳感器中的哪一類()A.物理傳感器B.化學(xué)傳感器C.生物傳感器D.溫度傳感器,【解析】選C。檢測(cè)方法為酶標(biāo)法,故其原理是利用了生物酶,應(yīng)為生物傳感器,C正確。,【探究訓(xùn)練】1.為了防止火災(zāi)的發(fā)生,在賓館房間的天花板上大多裝有一個(gè)傳感器,該傳感器是()A.氣體傳感器B.光敏電阻傳感器C.壓力傳感器D.煙霧傳感器,【解析】選D?；馂?zāi)報(bào)警器當(dāng)有煙霧時(shí),經(jīng)過(guò)漫反射,將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào),從而發(fā)出警報(bào),所以該傳感器是用光傳感器實(shí)現(xiàn)報(bào)警的,從而制成煙霧傳感器,故A、B、C錯(cuò)誤,D正確。,2.如圖是一種測(cè)定油箱油量多少或變化多少的裝置。其中電源電壓保持不變,R是滑動(dòng)變阻器,它的金屬滑片是金屬桿的一端。當(dāng)油箱中油量減少時(shí),電壓表的示數(shù)將如何變化?,【解析】由題圖可知,當(dāng)油箱內(nèi)液面高度變化時(shí),R的金屬滑片將會(huì)移動(dòng),從而引起R′兩端電壓的變化。當(dāng)油量減少時(shí),R的數(shù)值會(huì)增大,電路中的電流會(huì)減小,c、d間的電壓會(huì)減小。答案:減小,【補(bǔ)償訓(xùn)練】1.有一些星級(jí)賓館的洗手間裝有自動(dòng)干手機(jī),洗手后將濕手靠近,機(jī)內(nèi)的傳感器就開(kāi)通電熱器加熱,有熱空氣從機(jī)內(nèi)噴出,將濕手烘干,手靠近干手機(jī)能使傳感器工作,是因?yàn)?)A.改變濕度B.改變溫度C.改變磁場(chǎng)D.改變電容,【解析】選D。根據(jù)自動(dòng)干手機(jī)工作的特征,手靠近干手機(jī)時(shí)電熱器開(kāi)始工作,手撤離后電熱器停止工作,人是一種導(dǎo)體,可以與其他導(dǎo)體構(gòu)成電容器,手靠近時(shí)相當(dāng)于連接一個(gè)電容器,可以確定干手機(jī)內(nèi)設(shè)有電容式傳感器,由于手的靠近改變了電容的大小,故選項(xiàng)D正確;用濕度和溫度來(lái)驅(qū)動(dòng)電熱器工作,理論上可行,但是假如干手機(jī)是由于溫度、濕度的變化而工作就成了室內(nèi)烘干機(jī)。,2.傳感器是把非電學(xué)物理量(如位移、壓力、流量、聲強(qiáng)等)轉(zhuǎn)換成電學(xué)量的一種元件。如圖所示為一種電容式傳感器,電路可將聲音信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。電路中a、b構(gòu)成一個(gè)電容器,b是固定不動(dòng)的金屬板,a是能在聲波驅(qū)動(dòng)下沿水平方向振動(dòng)的鍍有金屬層的振動(dòng)膜。若聲源S發(fā)出頻率恒定的聲波使a振動(dòng),則a在振動(dòng)過(guò)程中(),A.a、b板之間的電場(chǎng)強(qiáng)度不變B.a、b板所帶的電荷量不變C.電路中始終有方向不變的電流D.向右位移最大時(shí),電容器的電容最大,【解析】選D。a、b始終跟電源相連,電勢(shì)差U不變,由于a、b間距離變化,由E=知場(chǎng)強(qiáng)變化,A錯(cuò)誤;由C=知d變化時(shí)C變化,a向右位移最大時(shí),電容最大,D正確;由Q=CU知a、b所帶電荷量變化,電路中電流方向改變,B、C錯(cuò)誤。,主題二傳感器的幾種敏感元件【互動(dòng)探究】1.光敏電阻、金屬熱電阻、熱敏電阻、霍爾元件有什么不同?,提示:,越小,增多,減小,越大,增大,增大,越小,增多,減小,越大,減少,增大,正比,2.電容式位移傳感器的工作原理是什么?提示:電容器內(nèi)部的電介質(zhì)發(fā)生位移時(shí),會(huì)導(dǎo)致電容器的電容發(fā)生變化,就能夠把物體的位移這個(gè)力學(xué)量轉(zhuǎn)換為電容這個(gè)電學(xué)量。,3.樓道照明燈一般都裝有光聲控延時(shí)開(kāi)關(guān),當(dāng)白天外界光線較強(qiáng)時(shí),光聲控延時(shí)開(kāi)關(guān)總處于斷開(kāi)狀態(tài),燈不亮;當(dāng)夜晚光線較弱且有聲響時(shí)光聲控延時(shí)開(kāi)關(guān)處于導(dǎo)通狀態(tài),燈亮,延時(shí)一段時(shí)間后,開(kāi)關(guān)斷開(kāi),燈熄滅。據(jù)此判斷,光聲控延時(shí)開(kāi)關(guān)里面安裝有哪些種類的敏感元件?各有什么作用?,提示:光聲控延時(shí)開(kāi)關(guān)中安裝有光敏元件,用于感知外界光線的強(qiáng)弱;還安裝有聲敏元件,用于感知外界聲響。,【探究總結(jié)】1.敏感元件:敏感元件指能夠靈敏地感受被測(cè)量并做出響應(yīng)的元件,是傳感器中能直接感受被測(cè)量的部分。它是傳感器的重要組成部分,敏銳地感受某種物理、化學(xué)、生物信息并將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。有些傳感器,它的敏感元件與轉(zhuǎn)換元件合并在一起。例如,半導(dǎo)體氣體、濕度、溫度和壓力傳感器等。,2.敏感元件的種類:(1)光敏元件:電阻值隨入射光(一般指可見(jiàn)光)強(qiáng)弱而變化的敏感元件。通常入射光增強(qiáng)時(shí),電阻值減小。(2)力敏元件:隨外界壓力改變而變化的敏感元件。力敏元件種類繁多,如電阻式力敏元件、電容式力敏元件、壓電式力敏元件等。,(3)磁敏元件:一種磁電轉(zhuǎn)換元件,包括霍爾元件、磁阻元件、磁敏二極管、磁敏晶體管等。(4)氣敏元件:電參數(shù)隨外界氣體種類和濃度變化而變化的敏感元件。(5)濕敏元件:隨環(huán)境濕度變化而變化的敏感元件。,【拓展延伸】常見(jiàn)電容式傳感器,【典例示范】廣泛應(yīng)用于室內(nèi)空調(diào)、電冰箱和微波爐等家用電器中的溫度傳感器,是利用熱敏電阻的阻值隨溫度變化而變化的特性工作的。在圖甲中,電源的電動(dòng)勢(shì)E=9.0V,內(nèi)電阻不可忽略,為內(nèi)阻不計(jì)的靈敏電流表,R0為保護(hù)電阻,R為熱敏電阻,其電阻值與溫度變化關(guān)系如圖乙的R-t圖象所示。則熱敏電阻R與攝氏溫度t的關(guān)系為,R=;閉合電鍵S,當(dāng)R的溫度等于40℃時(shí),電流表示數(shù)I1=2.25mA,則當(dāng)電流表的示數(shù)I2=3.6mA時(shí),熱敏電阻R的溫度是℃。,【解題指南】解答本題要把握以下三點(diǎn):(1)溫度傳感器就是一只可變電阻。(2)可變電阻的阻值隨溫度升高而減小,并且是阻值隨溫度線性變化。(3)根據(jù)閉合電路的歐姆定律,建立起電阻與電流的關(guān)系,結(jié)合電阻與溫度的關(guān)系,就能找到電流與溫度的關(guān)系。,【解析】設(shè)熱敏電阻R與攝氏溫度t的關(guān)系式為R=kt+b,在R-t圖象上取兩點(diǎn),如取40℃對(duì)應(yīng)的電阻3.5kΩ,120℃對(duì)應(yīng)的電阻2kΩ,代入R=kt+b得,3500=k40+b,2000=k120+b,聯(lián)立解得k=-18.75,b=4.25103,所以該熱敏電阻的R-t關(guān)系式為R=-18.75t+4.25103。閉合電鍵S,當(dāng)R的溫度等于40℃時(shí),熱敏電阻R的阻值為3.5kΩ,電流表示數(shù)I1=2.25mA,由閉合電路歐姆定律得,E=I1(R0+r+3500Ω),則當(dāng)電流表的示數(shù)I2=3.6mA時(shí),E=I2(R0+r+R),聯(lián)立解得R=2kΩ,由題圖乙得熱敏電阻R的溫度是120℃。答案:-18.75t+4.25103120,【探究訓(xùn)練】1.(2018杭州高二檢測(cè))下列有關(guān)各種電阻應(yīng)用的說(shuō)法中錯(cuò)誤的是()A.熱敏電阻可應(yīng)用于溫度測(cè)控裝置中B.光敏電阻是一種光電傳感器C.電阻絲可應(yīng)用于電熱設(shè)備中D.電阻在電路中主要起到通過(guò)直流、阻礙交流的作用,【解析】選D。熱敏電阻的原理是通過(guò)已知某電阻的電阻值與溫度的函數(shù)關(guān)系,測(cè)得該熱敏電阻的值即可獲取溫度,從而應(yīng)用于溫度測(cè)控裝置中,A說(shuō)法正確;光敏電阻是將光信號(hào)與電信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換的傳感器,B說(shuō)法正確;電阻絲通過(guò)電流會(huì)產(chǎn)生熱效應(yīng),可應(yīng)用于電熱設(shè)備中,C說(shuō)法正確;電阻對(duì)直流和交流均起到阻礙的作用,D說(shuō)法錯(cuò)誤。,2.(2018成都高二檢測(cè))傳感器是把非電學(xué)量轉(zhuǎn)換成電學(xué)量的一種元件。如圖所示,乙、丙是兩種常見(jiàn)的電容式傳感器,現(xiàn)將乙、丙兩種傳感器分別接到圖甲的電路中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)(電流從電流表正接線柱流入時(shí)指針向右偏),下列實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象中正確的是(),A.當(dāng)乙傳感器接入電路實(shí)驗(yàn)時(shí),若F變小,則電流表指針向右偏轉(zhuǎn)B.當(dāng)乙傳感器接入電路實(shí)驗(yàn)時(shí),若F變大,則電流表指針向左偏轉(zhuǎn)C.當(dāng)丙傳感器接入電路實(shí)驗(yàn)時(shí),若液體深度h變大,則電流表指針向左偏D.當(dāng)丙傳感器接入電路實(shí)驗(yàn)時(shí),若液體深度h變小,則電流表指針向左偏,【解析】選D。當(dāng)乙傳感器接入電路實(shí)驗(yàn)時(shí),若F變小,電容器兩極板間的距離增大,根據(jù)電容的決定式C=得知,電容減小,而電壓不變,則由Q=CU可知,電容器所帶的電量減小,電容器放電,電路中有順時(shí)針?lè)较虻碾娏?則電流表指針向左偏轉(zhuǎn),故A錯(cuò)誤;當(dāng)乙傳感器接入電路實(shí)驗(yàn)時(shí),若F變大,電容器兩極板間的距離減小,根據(jù)電容的決定式C=得知,電容增大,而電壓,不變,則由Q=CU可知,電容器所帶的電量增加,電容器充電,電路中有逆時(shí)針?lè)较虻碾娏?則電流表指針向右偏轉(zhuǎn),故B錯(cuò)誤;當(dāng)丙傳感器接入電路實(shí)驗(yàn)時(shí),若導(dǎo)電溶液深度h變大,兩電極正對(duì)面積增大,電容增大,而電壓不變,則電容器充電,電路中有逆時(shí)針?lè)较虻碾娏?則電流表指針向右偏轉(zhuǎn),故C錯(cuò)誤;當(dāng)丙傳感器接入電路實(shí)驗(yàn)時(shí),,若導(dǎo)電溶液深度h變小,兩電極正對(duì)面積減小,電容減小,而電壓不變,則電容器放電,電路中有順時(shí)針?lè)较虻碾娏?則電流表指針向左偏轉(zhuǎn),故D正確。,3.(2016北京高考)熱敏電阻常用于溫度控制或過(guò)熱保護(hù)裝置中。如圖為某種熱敏電阻和金屬熱電阻的阻值R隨溫度t變化的示意圖。由圖可知,這種熱敏電阻在溫度上升時(shí)導(dǎo)電能力(選填“增強(qiáng)”或“減弱”);相對(duì)金屬熱電阻而言,熱敏電阻對(duì)溫度變化的響應(yīng)更(選填“敏感”或“不敏感”)。,【解析】從圖中可看出,溫度上升時(shí),熱敏電阻的阻值越小,即對(duì)電流的阻礙作用越小,導(dǎo)電能力越強(qiáng)。從圖中還可看出在溫度變化相同時(shí),熱敏電阻的阻值變化更大,故熱敏電阻對(duì)溫度變化的響應(yīng)更敏感。答案:增強(qiáng)敏感,【補(bǔ)償訓(xùn)練】如圖所示,截面為矩形的金屬導(dǎo)體,放在磁場(chǎng)中,當(dāng)導(dǎo)體中通有電流時(shí),導(dǎo)體的上下表面的電勢(shì)有什么關(guān)系()A.UM>UNB.UM=UNC.UMUN。故選A。,【通法悟道】電容式傳感器的應(yīng)用(1)電容式傳感器是應(yīng)用了電容器的電容跟板間距離、正對(duì)面積、電介質(zhì)及引起它們改變的因素(如力、位移、壓強(qiáng)、聲音等)的關(guān)系,將這些非電學(xué)量轉(zhuǎn)化為電容器的電容這個(gè)電學(xué)量。,【課堂小結(jié)】,