高中物理 第6章 傳感器 第1節(jié) 傳感器及其工作原理課件 新人教版選修3-2

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1、第 六 章 傳 感 器第一節(jié)傳感器及其工作原理 知道什么是傳感器知道什么是光敏電阻，熱敏電阻，金屬熱電阻以及霍爾元件了解傳感器的工作原理 遙感衛(wèi)星能在高空一覽無(wú)遺地觀測(cè)地貌植被；計(jì)算機(jī)的顯示屏上能實(shí)時(shí)顯示遠(yuǎn)隔千里的畫面；機(jī)器人能替代人完成各種復(fù)雜的勞動(dòng)。這些現(xiàn)代化設(shè)備，有的復(fù)雜龐大，有的簡(jiǎn)單精巧，但它們都需要一種裝置傳感器來(lái)獲取信息。那么，什么是傳感器？它為什么能獲取信息，工作原理又是什么呢？這一節(jié)我們就來(lái)探究這些問(wèn)題。 1 知 識(shí) 自 主 梳 理2 重 點(diǎn) 難 點(diǎn) 突 破3 考 點(diǎn) 題 型 設(shè) 計(jì)4 易 錯(cuò) 案 例 剖 析5 課 堂 知 識(shí) 結(jié) 構(gòu)6 隨 堂 鞏 固 提 升7 課 時(shí) 作 業(yè)

2、 知 識(shí) 自 主 梳 理 1定 義傳感器是這樣一類元件：它能夠感受諸如力、_、化學(xué)成分等_量，并能把它們按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換為電壓、電流等電學(xué)量，或轉(zhuǎn)化為電路的_的元件。2工 作 原 理 傳 感 器知 識(shí) 點(diǎn) 1溫度、光、聲 非電學(xué) 通斷 1特 點(diǎn)電阻值隨光照增強(qiáng)而_。2原 理光敏電阻由半導(dǎo)體材料制成，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_。3作 用光敏電阻能夠把_這個(gè)光學(xué)量轉(zhuǎn)換為_(kāi)這個(gè)電學(xué)量。光 敏 電 阻知 識(shí) 點(diǎn) 2減小 不好 增多 變好 光照強(qiáng)弱 電阻 熱 敏 電 阻 和 金 屬 熱 電 阻知 識(shí) 點(diǎn) 3氧化錳熱敏電阻金屬熱電阻特點(diǎn)電阻率隨溫度的升高而_電阻

3、率隨溫度的升高而_制作材料半導(dǎo)體金屬優(yōu)點(diǎn)靈敏度好化學(xué)穩(wěn)定性好，測(cè)溫_作用將_這個(gè)熱學(xué)量轉(zhuǎn)換為_(kāi)這個(gè)電學(xué)量減小 增大 范圍大 溫度 電阻 1組 成在一個(gè)很小的矩形_薄片上，制作4個(gè)電極E、F、M、N，就成為一個(gè)霍爾元件。2原 理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時(shí)，薄片中的載流子就在_作用下，向著與電流和磁場(chǎng)都_的方向漂移，使M、N間出現(xiàn)電壓(如圖所示)霍 爾 元 件知 識(shí) 點(diǎn) 4半導(dǎo)體 洛倫茲力 垂直 3霍 爾 電 壓UH_，d為薄片厚度，k為霍爾系數(shù)。一個(gè)霍爾元件的d、k為定值，若保持I恒定，則UH的變化就與B成正比。4作 用霍爾元件能夠把_這個(gè)磁學(xué)量轉(zhuǎn)換為_(kāi)這個(gè)電學(xué)量。磁感

4、應(yīng)強(qiáng)度 電壓 重 點(diǎn) 難 點(diǎn) 突 破 一 、 傳 感 器 的 工 作 原 理 3轉(zhuǎn) 換 元 件是傳感器中能將敏感元件輸出的，與被測(cè)物理量成一定關(guān)系的非電信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的電子元件。4轉(zhuǎn) 換 電 路是將轉(zhuǎn)換元件輸出的不易測(cè)量的電學(xué)量轉(zhuǎn)換成易于測(cè)量的電學(xué)量，如電壓、電流、電阻等。 1光 敏 電 阻(1)光敏電阻在被光照射時(shí)電阻發(fā)生變化，這樣光敏電阻可以把光照強(qiáng)弱轉(zhuǎn)換為電阻大小這個(gè)電學(xué)量。(2)光敏電阻的電阻隨光照的增強(qiáng)而減小。光敏電阻一般由半導(dǎo)體材料做成，當(dāng)半導(dǎo)體材料受到光照時(shí)，會(huì)有更多的電子獲得能量成為自由電子，同時(shí)也形成更多的空穴，于是導(dǎo)電性能明顯增強(qiáng)。二 、 常 見(jiàn) 的 傳 感 器 元 器

5、件 2熱 敏 電 阻 和 金 屬 熱 電 阻(1)熱敏電阻用半導(dǎo)體材料制成，其電阻值隨溫度變化明顯，如圖所示，為某一熱敏電阻的“RT”特性曲線。(2)熱敏電阻的兩種型號(hào)及其特性熱敏電阻器是電阻值隨溫度變化而變化的敏感元件。在工作溫度范圍內(nèi)，電阻值隨溫度上升而增大的是正溫度系數(shù)(PTC)熱敏電阻器；電阻值隨溫度上升而減小的是負(fù)溫度系數(shù)(NTC)熱敏電阻器。 (3)熱敏電阻的用途熱敏電阻器的用途十分廣泛，主要應(yīng)用于：利用溫度特性來(lái)測(cè)量溫度、控制溫度和元件、器件、電路的溫度補(bǔ)償；利用非線性特性完成穩(wěn)壓、限幅、開(kāi)關(guān)、過(guò)流保護(hù)作用；利用不同媒質(zhì)中熱耗散特性的差異測(cè)量流量、流速、液面等。(4)金屬熱電阻有

6、些金屬的電阻率隨溫度的升高而增大，這樣的電阻也可以制作溫度傳感器，稱為金屬熱電阻。如上圖中的為金屬熱電阻“RT”特性曲線。相比而言，金屬熱電阻化學(xué)穩(wěn)定性好，測(cè)溫范圍大，而熱敏電阻的靈敏度較好。 解 析 ：電路中安裝了光聲控延時(shí)開(kāi)關(guān)，光聲控延時(shí)開(kāi)關(guān)中安裝有光敏感元件，用于感知外界光線的強(qiáng)弱。還安裝有聲敏感元件，用于感知外界聲響。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。 3霍 爾 元 件(1)霍爾效應(yīng)如圖所示，厚度為h，寬度為d的導(dǎo)體放在與之垂直的磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的均勻磁場(chǎng)中。當(dāng)電流通過(guò)

7、導(dǎo)體時(shí)，在導(dǎo)體的上側(cè)面A與下側(cè)面A之間會(huì)產(chǎn)生電勢(shì)差，這種現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)。 解 析 ：相對(duì)于機(jī)械斷電器而言，霍爾式點(diǎn)火脈沖發(fā)生器無(wú)磨損、免維護(hù)，能夠適應(yīng)惡劣的工作環(huán)境，能夠較大幅度提高發(fā)動(dòng)機(jī)的性能。 4電 容(1)原理：電容器的電容C決定于極板正對(duì)面積S、極板間距離d及極板間電介質(zhì)這幾個(gè)因素，如果某一物理量(如角度、位移s、深度h等)的變化能引起上述某一因素的變化，從而引起電容的變化，那么測(cè)定電容器的電容就可以確定上述物理量的變化。(2)用途 例如：圖(1)是用來(lái)測(cè)定角度的電容式傳感器，當(dāng)動(dòng)片與定片之間的角度發(fā)生變化時(shí)，引起極板正對(duì)面積S的變化，使電容C發(fā)生變化，知道C的變化，就可以知道的變化

8、情況。圖(2)是測(cè)定液面高度h的電容式傳感器，在導(dǎo)線芯的外面涂上一層絕緣物質(zhì)，放入導(dǎo)電液體中，導(dǎo)線芯和導(dǎo)電液體構(gòu)成電容器的兩個(gè)極，導(dǎo)線芯外面的絕緣物質(zhì)就是電介質(zhì)，液面高度h發(fā)生變化時(shí)，引起正對(duì)面積發(fā)生變化，使電容C發(fā)生變化。知道C的變化，就可以知道h的變化情況。 圖(3)是測(cè)定壓力F的電容式傳感器，待測(cè)壓力F作用于可動(dòng)膜片電極上的時(shí)候，膜片發(fā)生形變，使極板間距離d發(fā)生變化，引起電容C的變化，知道C的變化，就可以知道F的變化情況。圖(4)是測(cè)定位移x的電容式傳感器，隨著電介質(zhì)進(jìn)入極板間的長(zhǎng)度發(fā)生變化，電容C發(fā)生變化，知道C的變化，就可以知道x的變化情況。 解 析 ：人體是一種導(dǎo)體，可以與其他導(dǎo)體

9、構(gòu)成電容器。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大小，使干手機(jī)工作。 考 點(diǎn) 題 型 設(shè) 計(jì) 題 型 1 對(duì) 傳 感 器 工 作 原 理 的 理 解D 解 析 ：自動(dòng)門的自動(dòng)控制要求靈敏、可靠，若以溫度控制，人的體溫與夏季氣溫接近，則在夏季自動(dòng)門將無(wú)法使用。自動(dòng)門實(shí)際使用的是紅外線傳感器，紅外線屬于不可見(jiàn)光，人在白天或黑夜均發(fā)出紅外線，傳感器接收到人體發(fā)出的紅外線后傳給自動(dòng)控制裝置的電動(dòng)機(jī)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)開(kāi)、關(guān)門。故選項(xiàng)D正確。 ABC 解 析 ：由題目中的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象可知，鎢絲的電阻隨溫度的升高而增大，隨溫度的降低而減小，利用了鎢絲的物理性質(zhì)；從而可以制成溫度傳感器，傳感器能夠把溫度這個(gè)熱

10、學(xué)量轉(zhuǎn)換為電阻這個(gè)電學(xué)量，故A、B、C正確，D錯(cuò)誤，故選ABC。 題 型 2 熱 敏 電 阻 的 特 性左右 解 析 ：將剛從冰箱中取出的雪糕靠近并接觸熱敏電阻，NTC熱敏電阻是負(fù)溫度系數(shù)的，降低溫度，其電阻變大，表針向左偏轉(zhuǎn)；將一杯熱水靠近并接觸熱敏電阻，熱敏電阻的溫度升高，其電阻變小，指針將向右偏轉(zhuǎn)。點(diǎn) 評(píng) ：此類問(wèn)題一定要弄清熱敏電阻是負(fù)溫度系數(shù)還是正溫度系數(shù)的。另外金屬熱電阻都是正溫度系數(shù)的。 BD 解 析 ：金屬導(dǎo)體隨著溫度升高，電阻率變大，從而導(dǎo)致電阻增大，對(duì)于半導(dǎo)體材料，電阻隨著溫度升高而減小，因此由圖可知，圖線1表示金屬導(dǎo)體的電阻隨溫度的變化，圖線2表示半導(dǎo)體材料的電阻隨溫度的

11、變化，圖線1為金屬熱電阻其化學(xué)穩(wěn)定性好，測(cè)溫范圍大，但靈敏度較差；圖線2為熱敏電阻，其化學(xué)穩(wěn)定性差、測(cè)溫范圍小、靈敏度高；故AC錯(cuò)誤，BD正確。 題 型 3 光 敏 電 阻 的 特 性 及 應(yīng) 用BC A當(dāng)有光照射R1時(shí)，信號(hào)處理系統(tǒng)獲得低電壓B當(dāng)有光照射R1時(shí)，信號(hào)處理系統(tǒng)獲得高電壓C信號(hào)處理系統(tǒng)每獲得一次低電壓就計(jì)數(shù)一次D信號(hào)處理系統(tǒng)每獲得一次高電壓就計(jì)數(shù)一次 B 題 型 4 霍 爾 元 件 和 干 簧 管CD A磁場(chǎng)無(wú)論是什么方向，c、f兩端都會(huì)有電勢(shì)差B只要保持磁感應(yīng)強(qiáng)度大小不變，無(wú)論怎樣改變磁場(chǎng)的方向，c、f兩端的電勢(shì)差都不會(huì)發(fā)生變化C當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度大小不變時(shí)，c、f兩端的電勢(shì)差會(huì)隨所

12、加磁場(chǎng)方向的變化而變化D在加上某一方向的磁場(chǎng)后，如果c、f兩端有電勢(shì)差，其數(shù)值會(huì)隨磁感應(yīng)強(qiáng)度的增大而增大 解 析 ：霍爾元件的工作原理是磁場(chǎng)對(duì)運(yùn)動(dòng)電荷會(huì)產(chǎn)生力的作用，但當(dāng)電荷運(yùn)動(dòng)的方向與磁場(chǎng)方向平行時(shí)，就不會(huì)受到磁場(chǎng)力的作用，c、f兩端就不會(huì)產(chǎn)生電勢(shì)差，選項(xiàng)AB錯(cuò)誤，選項(xiàng)C正確；當(dāng)有磁場(chǎng)時(shí)，如果c、f兩端產(chǎn)生電勢(shì)差，其數(shù)值會(huì)隨磁感應(yīng)強(qiáng)度的增大而增大，選項(xiàng)D正確。 CD 易 錯(cuò) 案 例 剖 析 D 易 錯(cuò) 分 析 ：本題易錯(cuò)選項(xiàng)及錯(cuò)誤原因分析如下：易錯(cuò)選項(xiàng)錯(cuò)誤原因A誤認(rèn)為電容器始終和電源相連，電壓不變，那么電場(chǎng)強(qiáng)度就不變B忽略了電容器的電容受板間距離的影響，誤認(rèn)為電容不變，板間電壓不變，從而極板上帶電量不變C誤認(rèn)為振動(dòng)膜a只是向里振動(dòng)，由于U不變，C變大，則Q變大，電容器始終處于充電狀態(tài) 課 堂 知 識(shí) 結(jié) 構(gòu) 隨 堂 鞏 固 提 升 課 時(shí) 作 業(yè)