2019-2020年高中物理 第3章 第1、2節(jié) 傳感器 溫度傳感器和光傳感器學(xué)案 教科版選修3-2.doc
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2019-2020年高中物理 第3章 第1、2節(jié) 傳感器 溫度傳感器和光傳感器學(xué)案 教科版選修3-2 [目標(biāo)定位] 1.知道傳感器的定義,理解其工作原理.2.了解熱敏電阻、敏感元件的特性.3.了解幾種溫度傳感器及光傳感器的原理. 一、傳感器 [問題設(shè)計] 在現(xiàn)代生活中,我們時刻能感受到自動控制帶給我們的便利.如馬路上的路燈夜晚發(fā)光,白天自動熄滅;當(dāng)你走近自動門時它會自動打開,當(dāng)你離開時它會自動關(guān)閉;電冰箱啟動后,會自動控制壓縮機(jī)工作,使冰箱內(nèi)保持所設(shè)定的低溫……,這其中的“機(jī)關(guān)”是什么? 答案 在這些電路中分別安裝了不同的傳感器. [要點提煉] 1.定義:把被測的非電信息,按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成與之對應(yīng)的電信息的器件或裝置. 2.傳感器的結(jié)構(gòu)―→ 3.敏感元件能直接感受非電信息,并把其變換成易于測量的物理量,形成電信號.常見的敏感元件有力敏元件、光敏元件、熱敏元件、磁敏元件、氣敏元件等. 4.處理電路能把微小的信號進(jìn)行放大,并除去干擾信號,使敏感元件輸出的電信號轉(zhuǎn)變成便于顯示、記錄、處理和控制的電學(xué)量. 二、敏感元件的原理 [問題設(shè)計] 1. 如圖1所示,將多用電表的選擇開關(guān)置于歐姆擋,再將多用電表的兩支表筆與負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻Rt的兩端相連,這時表針恰好指在刻度盤的正中央.若在Rt上擦一些酒精,表針將如何擺動?若用吹風(fēng)機(jī)將熱風(fēng)吹向電阻,表針將如何擺動? 圖1 答案 由于酒精蒸發(fā),熱敏電阻Rt溫度降低,電阻值增大,指針應(yīng)向左偏;用吹風(fēng)機(jī)將熱風(fēng)吹向電阻Rt,電阻Rt溫度升高,電阻值減小,指針將向右偏. 2.如圖2所示連接電路,把磁鐵靠近或遠(yuǎn)離干簧管,觀察電路中所發(fā)生的現(xiàn)象.你認(rèn)為干簧管起了什么作用? 圖2 答案 把磁鐵靠近干簧管時,簧片在磁場的作用下會磁化為異名磁極相對的磁鐵.當(dāng)磁力大于簧片的彈力時,兩者緊密地接觸,電路連通,燈亮.因此,干簧管串聯(lián)在電路中就成為一個由磁場控制的開關(guān). [要點提煉] 1.熱敏電阻是用半導(dǎo)體材料制成的,它具有電阻隨溫度靈敏變化的特性,可以實現(xiàn)對溫度的測量. 2.干簧管是一種能感知磁場的敏感元件,在電路中的作用就是一個由磁場控制的開關(guān). 三、溫度傳感器 [問題設(shè)計] 如圖3所示為電熨斗的構(gòu)造,其中雙金屬片上層金屬的熱膨脹系數(shù)大于下層金屬. 圖3 (1)常溫下,電熨斗的上、下觸點應(yīng)當(dāng)是接觸的還是分離的?當(dāng)溫度過高時雙金屬片將怎樣起作用? (2)熨燙棉麻衣物需要設(shè)定較高的溫度,熨燙絲綢衣物需要設(shè)定較低的溫度,這是如何利用調(diào)溫旋鈕來實現(xiàn)的? 答案 (1)常溫時,電熨斗的上、下觸點接觸,這樣電熨斗接通電源后能進(jìn)行加熱.當(dāng)溫度過高時雙金屬片膨脹,因上層的熱膨脹系數(shù)較大,故上層膨脹的厲害,雙金屬片向下彎曲,彎曲到一定程度后,兩觸點分離,電路斷開,電熱絲停止加熱;當(dāng)溫度降低后,雙金屬片恢復(fù)原狀,重新接通電路加熱. (2)熨燙棉麻衣物需要設(shè)定較高的溫度,也就是要求雙金屬片彎曲程度較大時,兩觸點分離,所以應(yīng)使調(diào)溫旋鈕下旋.反之,熨燙絲綢衣物需要設(shè)定較低的溫度,應(yīng)使調(diào)溫旋鈕上旋. [要點提煉] 1.熱雙金屬片溫度傳感器是由兩種膨脹系數(shù)相差較大的不同金屬片焊接或軋制成一體后組成.它對溫度的感知表現(xiàn)為熱雙金屬片的形變,可以用它控制電路的通斷. 2.熱敏電阻:用半導(dǎo)體材料制成.按熱敏電阻阻值隨溫度變化的規(guī)律,熱敏電阻可分為正溫度系數(shù)的熱敏電阻和負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻. (1)正溫度系數(shù)的熱敏電阻隨溫度升高電阻增大. (2)負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻(如氧化錳熱敏電阻)隨溫度升高電阻減?。? 3.金屬熱電阻:金屬的電阻率隨溫度升高而增大,利用這一特性,金屬絲也可以制作成溫度傳感器,稱為熱電阻. 4.熱敏電阻和金屬熱電阻都能夠把溫度這個熱學(xué)量轉(zhuǎn)換為電阻這個電學(xué)量.金屬熱電阻的化學(xué)穩(wěn)定性好,測溫范圍大,但靈敏度較差. 四、光傳感器 1.原理:有些金屬或半導(dǎo)體材料在電路中受到光照時,產(chǎn)生電流或電壓,實現(xiàn)光信號向電信號的轉(zhuǎn)化. 2.應(yīng)用: (1)自動門和公共場所的非觸摸式自動水龍頭利用了紅外光傳感器. (2)在環(huán)境監(jiān)測、火災(zāi)報警等裝置中通常利用光電式煙塵濃度計工作. (3)在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、交通運(yùn)輸?shù)刃袠I(yè)中較多地采用光電式轉(zhuǎn)速表進(jìn)行轉(zhuǎn)數(shù)的測量. 一、對傳感器的認(rèn)識 例1 如圖4是一種測定油箱油量多少或變化多少的裝置. 圖4 其中電源電壓保持不變,R是滑動變阻器,它的金屬滑片是金屬桿的一端. (1)若把一只電壓表接在c、d之間,當(dāng)油箱中油量減少時,電壓表的示數(shù)將________(選填“增大”或“減小”). (2)將電壓表接在b、c之間,當(dāng)油量減少時,電壓表的示數(shù)將________(選填“增大”或“減小”). 解析 (1)由題圖可知當(dāng)油箱內(nèi)液面高度變化時,R的金屬滑片將會移動,從而引起R兩端電壓的變化.當(dāng)油量減少時,R的數(shù)值會增大,電路中的電流會減小,c、d間的電壓會減?。?dāng)把電壓表接在c、d兩點間,電壓表示數(shù)減小時,表示油量在減少. (2)把電壓表接在b、c之間,油量增加時,R減小,電壓表的示數(shù)減?。挥土繙p少時,R增大,電壓表的示數(shù)增大. 答案 (1)減小 (2)增大 二、對熱敏電阻的認(rèn)識及應(yīng)用 例2 一熱敏電阻在溫度為80 ℃時阻值很大,當(dāng)溫度達(dá)到100 ℃時阻值就很小,今用一電阻絲給水加熱,并配以熱敏電阻以保持水溫在80 ℃到100 ℃之間,可將電阻絲與熱敏電阻并聯(lián),一并放入水中,如圖5所示,圖中R1為熱敏電阻,R2為電阻絲,請簡述其工作原理. 圖5 解析 開始水溫較低時,R1阻值較大,電阻絲R2對水進(jìn)行加熱;當(dāng)水溫達(dá)到100 ℃左右時,R1阻值變得很小,R2被短路,將停止加熱;當(dāng)溫度降低到80 ℃時,R1阻值又變得很大,R2又開始加熱,這樣就可達(dá)到保溫的效果. 答案 見解析 三、對光傳感器的認(rèn)識及應(yīng)用 例3 如圖6所示為光電式煙塵濃度計的原理圖,試說明其工作原理. 圖6 解析 光源1發(fā)出的光線經(jīng)半透半反鏡3,分成兩束強(qiáng)度相等的光線.一束光線直接到達(dá)光電轉(zhuǎn)換電路7上,產(chǎn)生作為被測煙塵濃度的參比信號.另一束光線經(jīng)反射鏡4穿過被測煙塵5到達(dá)光電轉(zhuǎn)換電路6上,其中一部分光線被煙塵吸收或因散射而衰減,煙塵濃度越高,光線的衰減量越大,到達(dá)光電轉(zhuǎn)換電路6的光就越弱.兩路光線分別轉(zhuǎn)換成電壓信號U1、U2,如果U1=U2,說明被測的光路上沒有煙塵;相反,如果U1、U2相差較大,說明煙塵濃度較大,因此可用兩者之比,算出被測煙塵的濃度. 答案 見解析 例4 如圖7所示,R1、R2為定值電阻,L為小燈泡,R3為光敏電阻,當(dāng)入射光強(qiáng)度增大時( ) 圖7 A.電壓表的示數(shù)增大 B.R2中電流減小 C.小燈泡的功率增大 D.電路的路端電壓增大 解析 當(dāng)入射光強(qiáng)度增大時,R3阻值減小,外電路電阻隨R3的減小而減小,R1兩端電壓因干路電流增大而增大,即電壓表的示數(shù)增大,同時內(nèi)電壓增大,故電路的路端電壓減小,A項正確,D項錯誤.由路端電壓減小,而R1兩端電壓增大知,R2兩端電壓必減小,則R2中電流減小,故B項正確.結(jié)合干路電流增大知,流過小燈泡的電流必增大,故小燈泡的功率增大,C項正確. 答案 ABC 1.(對傳感器的認(rèn)識)關(guān)于傳感器,下列說法正確的是( ) A.所有傳感器都是由半導(dǎo)體材料制成的 B.金屬材料也可以制成傳感器 C.傳感器主要是通過感知電壓的變化來傳遞信號的 D.水銀溫度計是一種傳感器 答案 B 解析 大多數(shù)傳感器是由半導(dǎo)體材料制成的,某些金屬也可以制成傳感器,如金屬熱電阻,故A錯,B對;傳感器將非電學(xué)量轉(zhuǎn)換為電學(xué)量,因此傳感器感知的應(yīng)該是“非電信號”,故C錯;水銀溫度計能感受熱學(xué)量,但不能把熱學(xué)量轉(zhuǎn)化為電學(xué)量,因此不是傳感器,故D錯. 2.(對電容式傳感器的認(rèn)識)電容式傳感器是用來將各種非電信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柕难b置,由于電容器的電容C取決于極板正對面積S、極板間距離d以及極板間的電介質(zhì)這幾個因素,當(dāng)某一物理量發(fā)生變化時就能引起上述某個因素的變化,從而又可推出另一物理量的值.如圖8所示是四種電容式傳感器的示意圖,關(guān)于這四種傳感器的作用,下列說法不正確的是( ) 圖8 A.甲圖的傳感器可以用來測量角度 B.乙圖的傳感器可以用來測量液面高度 C.丙圖的傳感器可以用來測量壓力 D.丁圖的傳感器可以用來測量速度 答案 D 解析 甲圖角度變化能導(dǎo)致極板正對面積變化;乙圖液面高度變化能導(dǎo)致極板正對面積變化;丙圖壓力F變化能導(dǎo)致極板間距變化;丁圖中位置變化導(dǎo)致電介質(zhì)變化.所以,甲、乙、丙、丁分別是測角度、液面高度、壓力、位移的傳感器,故選D. 3. (對光敏電阻、熱敏電阻的認(rèn)識及電路分析)如圖9所示電路中,電源電動勢為E,內(nèi)阻為r,Rt為負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻,Rg為光敏電阻,閉合開關(guān)后,小燈泡L正常發(fā)光,由于環(huán)境改變(光照或溫度),發(fā)現(xiàn)小燈泡亮度變暗,則引起小燈泡變暗的原因可能是( ) 圖9 A.溫度不變,光照增強(qiáng) B.溫度升高,光照不變 C.溫度降低,光照增強(qiáng) D.溫度升高,光照減弱 答案 AC 4.(對光傳感器的認(rèn)識)煙霧散射火災(zāi)報警器使用的是( ) A.光傳感器 B.溫度傳感器 C.紅外傳感器 D.超場波傳感器 答案 A 解析 煙霧散射火災(zāi)報警器是煙霧進(jìn)入報警器后,光被散射,照到報警器中的光傳感器上,使電路接通,報警器工作,發(fā)出警報,A對,B、C、D錯. 題組一 對傳感器的認(rèn)識 1.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 答案 ABC 解析 傳感器是將所感受到的不便于測量的物理量(如力、熱、光、聲等)轉(zhuǎn)換成便于測量的物理量(一般是電學(xué)量)的一類元件,故選項A、B、C對,選項D錯. 2.關(guān)于干簧管,下列說法正確的是 ( ) A.干簧管接入電路中相當(dāng)于電阻的作用 B.干簧管是根據(jù)熱脹冷縮的原理制成的 C.干簧管接入電路中相當(dāng)于開關(guān)的作用 D.干簧管是作為電控元件以實現(xiàn)自動控制的 答案 CD 解析 干簧管能感知磁場,是因為當(dāng)兩個簧片所處位置的磁場方向相同時,兩個簧片被磁化而接通,所以是做開關(guān)來使用的,當(dāng)磁場靠近或遠(yuǎn)離的時候,就會實現(xiàn)閉合或斷開. 3. 如圖1所示是電容式話筒的示意圖,它是利用電容制成的傳感器,話筒的振動膜前面有薄薄的金屬涂層,膜后距膜幾十微米處有一金屬板,振動膜上的金屬涂層和這個金屬板構(gòu)成電容器的兩極.在兩極間加一電壓U,人對著話筒說話時,振動膜前后振動,使電容發(fā)生變化,從而使聲音信號被話筒轉(zhuǎn)化為電信號,其中導(dǎo)致電容變化的原因是電容器兩板間的 ( ) 圖1 A.距離變化 B.正對面積變化 C.電介質(zhì)變化 D.電壓變化 答案 A 解析 振動膜前后振動,使振動膜上的金屬涂層與金屬板間的距離發(fā)生變化,從而將聲音信號轉(zhuǎn)化為電信號. 題組二 對熱敏電阻、金屬熱電阻的認(rèn)識及電路分析 4. 如圖2所示是觀察電阻R的阻值隨溫度變化情況的示意圖,現(xiàn)在把杯中的水由冷水變?yōu)闊崴?,關(guān)于歐姆表的讀數(shù)變化情況正確的是( ) 圖2 A.如果R為金屬熱電阻,讀數(shù)變大,且變化非常明顯 B.如果R為金屬熱電阻,讀數(shù)變小,且變化不明顯 C.如果R為熱敏電阻(用半導(dǎo)體材料制作),讀數(shù)變化非常明顯 D.如果R為熱敏電阻(用半導(dǎo)體材料制作),讀數(shù)變化不明顯 答案 C 解析 如果R為金屬熱電阻,則讀數(shù)變大,但不會非常明顯,故A、B均錯;如果R為熱敏電阻,讀數(shù)變化非常明顯,故C對,D錯. 5. 如圖3所示,R1為定值電阻,R2為負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻,L為小燈泡,當(dāng)溫度降低時( ) 圖3 A.R1兩端的電壓增大 B.電流表的示數(shù)增大 C.小燈泡的亮度變強(qiáng) D.小燈泡的亮度變?nèi)? 答案 C 解析 R2與燈泡L并聯(lián)后再與R1串聯(lián),與電源構(gòu)成閉合電路,當(dāng)溫度降低時,熱敏電阻R2的阻值增大,外電路電阻增大,電流表讀數(shù)減小,R1兩端的電壓減小,燈泡L兩端的電壓增大,燈泡的亮度變強(qiáng),故只有C正確. 6. 如圖4所示,Rt為負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻,R為定值電阻,若往Rt上擦些酒精,在環(huán)境溫度不變的情況下,關(guān)于電壓表示數(shù)的變化情況,下列說法中正確的是( ) 圖4 A.變大 B.變小 C.先變大后變小再不變 D.先變小后變大再不變 答案 D 解析 往Rt上擦酒精后,酒精蒸發(fā)吸熱,熱敏電阻Rt溫度降低,電阻值增大,根據(jù)串聯(lián)電路的分壓特點,電壓表示數(shù)變?。?dāng)酒精蒸發(fā)完畢后,Rt的溫度逐漸升高到環(huán)境溫度后不變,所以熱敏電阻Rt的阻值逐漸變小,最后不變,故電壓表的示數(shù)將逐漸變大,最后不變,所以選項D正確. 題組三 對光傳感器的認(rèn)識及電路分析 7.遙控器能調(diào)換電視機(jī)頻道,利用的是光傳感器.下列屬于應(yīng)用這類傳感器的是( ) A.紅外報警裝置 B.金屬電阻溫度計 C.電子電路中使用的“干簧管” D.霍爾元件 答案 A 解析 紅外報警裝置是利用的光敏電阻制成的光傳感器,A正確;金屬電阻溫度計是利用的熱敏電阻制成的傳感器,B錯誤;干簧管利用的磁敏電阻,C錯誤;霍爾元件利用的是霍爾效應(yīng),D錯誤. 8.街旁的路燈,江海里的航標(biāo)都要求在夜晚亮,白天熄,利用半導(dǎo)體的電學(xué)特性制成了自動點亮、熄滅的裝置,實現(xiàn)了自動控制,這是利用半導(dǎo)體的( ) A.壓敏性 B.光敏性 C.熱敏性 D.三種特性都利用 答案 B 解析 燈要求夜晚亮、白天熄,白天有光,夜晚沒有光,則是由光導(dǎo)致電路的電流變化,所以電路中光傳感器導(dǎo)致電阻變化,實現(xiàn)自動控制,因此是利用半導(dǎo)體的光敏性,故選B. 9.如圖5所示,用光敏電阻LDR和燈泡制成的一種簡易水污染指示器,下列說法中正確的是( ) 圖5 A.嚴(yán)重污染時,LDR是高電阻 B.輕度污染時,LDR是高電阻 C.無論污染程度如何,LDR的電阻不變,阻值大小由材料本身因素決定 D.該儀器的使用會因為白天和晚上受到影響 答案 AD 解析 嚴(yán)重污染時,透過污水照到LDR上的光線較少,LDR電阻較大,A對,B錯;LDR由半導(dǎo)體材料制成,受光照影響電阻會發(fā)生變化,C錯;白天和晚上自然光強(qiáng)弱不同,或多或少會影響LDR的電阻,D對. 10.如圖6所示是利用硫化鎘制成的光敏電阻自動計數(shù)的示意圖,其中A是發(fā)光儀器,B是光敏電阻(光照增強(qiáng)時電阻變小),下列說法中正確的是 ( ) 圖6 A.當(dāng)傳送帶上沒有物品擋住由A射向B的光信號時,光敏電阻的阻值變小,電壓表讀數(shù)變小 B.當(dāng)傳送帶上沒有物品擋住由A射向B的光信號時,光敏電阻的阻值變大,電壓表讀數(shù)變大 C.當(dāng)傳送帶上有物品擋住由A射向B的光信號時,光敏電阻的阻值變小,電壓表讀數(shù)變小 D.當(dāng)傳送帶上有物品擋住由A射向B的光信號時,光敏電阻的阻值變大,電壓表讀數(shù)變大 答案 AD 解析 光敏電阻的阻值與光照強(qiáng)度有關(guān),光照強(qiáng)度越大,光敏電阻阻值越?。?dāng)傳送帶上沒有物品擋住由A射向B的光信號時,光敏電阻阻值變小,電路中電流變大,電源內(nèi)阻上的電壓變大,路端電壓變小,所以電壓表讀數(shù)變小,選項A正確;相反,當(dāng)傳送帶上有物品擋住由A射向B的光信號時,光敏電阻的阻值變大,電路中電流變小,電源內(nèi)阻上的電壓變小,路端電壓變大,所以電壓表讀數(shù)變大,選項D正確. 11. 如圖7所示,R3是光敏電阻(光照時電阻變小),當(dāng)開關(guān)S閉合后,在沒有光照射時,a、b兩點等電勢.當(dāng)用光照射電阻R3時,則( ) 圖7 A.a(chǎn)點電勢高于b點電勢 B.a(chǎn)點電勢低于b點電勢 C.a(chǎn)點電勢等于b點電勢 D.a(chǎn)點電勢和b點電勢的大小無法比較 答案 A 解析 R3是光敏電阻,當(dāng)有光照射時電阻變小,R3兩端電壓減小,故a點電勢升高,因其他電阻的阻值不變,所以a點電勢高于b點電勢.- 1.請仔細(xì)閱讀文檔,確保文檔完整性,對于不預(yù)覽、不比對內(nèi)容而直接下載帶來的問題本站不予受理。
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