（通用版）2018-2019版高中物理 第六章 傳感器 6.1 傳感器及其工作原理學案 新人教版選修3-2.doc

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1　傳感器及其工作原理 [學習目標]　1.了解什么是傳感器，感受傳感技術在信息時代的作用與意義.2.知道將非電學量轉化為電學量的意義.3.了解光敏電阻、熱敏電阻、金屬熱電阻和霍爾元件的性能，知道其工作原理及作用． 一、傳感器及工作原理 1．傳感器的定義：能夠感受諸如力、溫度、光、聲、化學成分等物理量，并能把它們按照一定的規(guī)律轉換為便于傳送和處理的另一個物理量(通常是電壓、電流等電學量)，或轉換為電路的通斷的元件． 2．非電學量轉換為電學量的意義：把非電學量轉換為電學量，可以方便地進行測量、傳輸、處理和控制． 二、光敏電阻的特點及工作原理 1．當半導體材料受到光照或者溫度升高時，會有更多的電子獲得能量成為自由電子，同時也形成更多的空穴，于是導電能力明顯增強． 2．光敏電阻是用半導體材料(如硫化鎘)制成的．它的特點是光照越強，電阻越?。軌虬压庹諒娙踹@個光學量轉換為電阻這個電學量． 三、熱敏電阻和金屬熱電阻的特點 1．熱敏電阻：用半導體材料制成．可分為正溫度系數(shù)的熱敏電阻和負溫度系數(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)隨溫度升高電阻減小． 2．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． 四、霍爾元件的特點 1．霍爾元件在電流、電壓穩(wěn)定時，載流子所受電場力和洛倫茲力二力平衡． 2．霍爾電壓：UH＝k(d為薄片的厚度，k為霍爾系數(shù))．其中UH的變化與B成正比，所以霍爾元件能把磁感應強度這個磁學量轉換成電壓這個電學量． [即學即用] 1．判斷下列說法的正誤． (1)傳感器可以把非電學量轉化為電學量．(　√　) (2)光敏電阻的阻值隨光照的強弱而變化，光照越強電阻越大．(　　) (3)熱敏電阻一般用半導體材料制作，導電能力隨溫度的升高而增強，但靈敏度低．(　　) (4)霍爾元件一共有兩個電極，電壓這個電學量就通過這兩個電極輸出．(　　) 2．如圖1所示，R1為定值電阻，R2為負溫度系數(shù)的熱敏電阻，L為小燈泡，當溫度降低時，電流表的讀數(shù)________(填“變大”或“變小”)，小燈泡的亮度________(填“變亮”或“變暗”)． 圖1 答案　變小　變亮 一、傳感器 [導學探究]　干簧管結構：如圖2所示，它只是玻璃管內封入的兩個軟磁性材料制成的簧片，接入圖3電路，當條形磁鐵靠近干簧管時： 　 　　　　 圖2　　　　　　　　　圖3 (1)會發(fā)生什么現(xiàn)象，為什么？ (2)干簧管的作用是什么？ 答案　(1)燈泡會亮，因為當條形磁鐵靠近干簧管時，兩個簧片被磁化而接通． (2)干簧管起到開關的作用，是一種能夠感知磁場的傳感器． [知識深化] 1．傳感器的原理 →→ 2．在分析傳感器時要明確 (1)核心元件是什么； (2)是怎樣將非電學量轉化為電學量； (3)是如何顯示或控制開關的． 例1　如圖4是一種測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是滑動變阻器，它的金屬滑片是金屬桿的一端．在裝置中使用了一只電壓表(圖中沒有畫出)，通過觀察電壓表示數(shù)可以了解油量情況．若將電壓表分別接在b、c之間與c、d之間，當油量變化時，電壓表的示數(shù)如何變化？ 圖4 答案　見解析 解析　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)減小；油量減少時，R增大，電壓表的示數(shù)增大．把電壓表接在c、d之間，油量增加時，R減小，電路中電流增大，則R′兩端的電壓增大，電壓表的示數(shù)增大，同理，油量減少時，電壓表的示數(shù)減?。? 二、光敏電阻 [導學探究]　在工廠生產(chǎn)車間的生產(chǎn)線上安裝計數(shù)器后，就可以準確得知生產(chǎn)產(chǎn)品的數(shù)量，如圖5所示為光敏電阻自動計數(shù)器的示意圖，其中R1為光敏電阻，R2為定值電阻．此光電計數(shù)器的基本工作原理是什么？ 圖5 答案　當光被產(chǎn)品擋住時，R1電阻增大，電路中電流減小，R2兩端電壓減小，信號處理系統(tǒng)得到低電壓，每通過一個產(chǎn)品就獲得一次低電壓，并計數(shù)一次． 例2　(多選)如圖6所示，R1、R2為定值電阻，L為小燈泡，R3為光敏電阻，當入射光強度增大時(　　) 圖6 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 答案　ABC 解析　當入射光強度增大時，R3阻值減小，外電路總電阻隨R3的減小而減小，由閉合電路歐姆定律知，干路電流增大，R1兩端電壓增大，從而電壓表的示數(shù)增大，同時內電壓增大，故電路的路端電壓減小，A項正確，D項錯誤．因路端電壓減小，而R1兩端電壓增大，故R2兩端電壓必減小，則R2中電流減小，故B項正確．結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． 三、熱敏電阻和金屬熱電阻 [導學探究]　如圖7所示，將多用電表的選擇開關置于歐姆擋，再將電表的兩支表筆與負溫度系數(shù)的熱敏電阻RT(溫度升高，電阻減小)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，表針將如何偏轉？若用吹風機將熱風吹向熱敏電阻，表針將如何偏轉？ 圖7 答案　由于酒精蒸發(fā)，熱敏電阻RT溫度降低，電阻值增大，表針將向左偏；用吹風機將熱風吹向熱敏電阻，熱敏電阻RT溫度升高，電阻值減小，表針將向右偏． 例3　(多選)在溫控電路中，通過熱敏電阻阻值隨溫度的變化可實現(xiàn)對電路相關物理量的控制．如圖8所示電路，R1為定值電阻，R2為半導體熱敏電阻(溫度越高電阻越小)，C為電 容器．當環(huán)境溫度降低時(　　) 圖8 A．電容器C的帶電荷量增大 B．電壓表的讀數(shù)增大 C．電容器C兩板間的電場強度減小 D．R1消耗的功率增大 答案　AB 解析　當環(huán)境溫度降低時，R2變大，電路的總電阻變大，由I＝知I變小，又U＝E－Ir，電壓表的讀數(shù)U增大，B正確；又由P1＝I2R1可知，R1消耗的功率P1變小，D錯誤；電容器兩板間的電壓U2＝U－U1，U1＝IR1，可知U1變小，U2變大，由場強E′＝，Q＝CU2可知Q、E′都增大，故A正確，C錯誤． 含有熱敏電阻、光敏電阻電路的動態(tài)分析步驟 1．明確熱敏電阻(或光敏電阻)的阻值隨溫度(或光照強度)的增加是增大還是減小． 2．分析整個回路的電阻的增減、電流的增減． 3．分析部分電路的電壓、電流如何變化． 四、霍爾元件 [導學探究]　如圖9所示，在矩形半導體薄片E、F間通入恒定的電流I，同時外加與薄片垂直的磁場B，則M、N間會出現(xiàn)電壓，稱為霍爾電壓UH. 圖9 (1)分析為什么會出現(xiàn)電壓． (2)試推導UH的表達式． 答案　(1)薄片中的載流子在洛倫茲力的作用下，向著與電流和磁場都垂直的方向漂移，使M、N間出現(xiàn)了電壓． (2)設薄片厚度為d，EF方向長度為l1，MN方向長度為l2，受力分析如圖 當洛倫茲力與電場力平衡時，M、N間電勢差達到穩(wěn)定． 即q＝qvB 再根據(jù)電流的微觀表達式I＝nqvS，S＝l2d 整理得：UH＝ 令k＝，其中n為材料單位體積的載流子的個數(shù)，q為單個載流子的電荷量，它們均為常數(shù)． 則有UH＝k. [知識深化] 霍爾電勢高低的判斷方法：利用左手定則，即磁感線垂直穿入手心，四指指向電流方向，拇指指的方向為載流子的受力方向，若載流子是正電荷，則拇指所指的面為高電勢面，若載流子是負電荷，則拇指所指的面為低電勢面． 例4　如圖10所示，截面為矩形的金屬導體，放在磁場中，當導體中通有電流時，導體的上、下表面的電勢的關系(上板為M，下板為N)是(　　) 圖10 A．φM>φN B．φM＝φN C．φM<φN D．無法判斷 答案　A 解析　霍爾效應形成的原因是因為帶電粒子在磁場中受到洛倫茲力作用而定向移動形成的．金屬導體的載流子是電子，根據(jù)左手定則，電子受到向下的洛倫茲力作用，向N板運動，則M板剩下正電荷，所以φM>φN.故選A. 1．(對傳感器的理解)在電梯門口放置一障礙物，會發(fā)現(xiàn)電梯門不停地開關，這是由于在電梯門上裝有的傳感器是(　　) A．光傳感器 B．溫度傳感器 C．聲傳感器 D．磁傳感器 答案　A 2．(光敏電阻的特性)如圖11所示的電路中，電源兩端的電壓恒定，L為小燈泡，R為光敏電阻，R和L之間用擋板(未畫出)隔開，LED為發(fā)光二極管(電流越大，發(fā)出的光越強)，且R與LED間距不變，下列說法中正確的是(　　) 圖11 A．當滑動觸頭P向左移動時，L消耗的功率增大 B．當滑動觸頭P向左移動時，L消耗的功率減小 C．當滑動觸頭P向右移動時，L消耗的功率可能不變 D．無論怎樣移動滑動觸頭P，L消耗的功率都不變 答案　A 解析　滑動觸頭P左移，滑動變阻器接入電路的電阻減小，流過二極管的電流增大，從而發(fā)光增強，使光敏電阻R減小，最終達到增大流過燈泡的電流的效果． 3．(熱敏電阻的特性)如圖12所示，R1為定值電阻，R2為負溫度系數(shù)的熱敏電阻，L為小燈泡，當溫度降低時(　　) 圖12 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 D．小燈泡的亮度變弱 答案　C 解析　R2與燈泡L并聯(lián)后與R1串聯(lián)，然后與電流表、電源構成閉合電路，當熱敏電阻R2溫度降低時，它的電阻值增大，外電路電阻增大，電流表讀數(shù)減小，R1兩端電壓減小，燈泡L兩端電壓增大，燈泡亮度變強，故C正確，A、B、D均錯誤． 4．(霍爾元件的認識及應用)(多選)如圖13所示是霍爾元件的示意圖，一塊通電的銅板放在磁場中，銅板的前、后板面垂直于磁場，板內通有如圖方向的電流，a、b是銅板上、下邊緣的兩點，則(　　) 圖13 A．電勢φa＞φb B．電勢φb＞φa C．僅電流增大時，|φa－φb|增大 D．其他條件不變，將銅板改為NaCl溶液時，電勢結果仍然一樣 答案　BC 解析　銅板中的自由電荷是電子，電子定向移動的方向與電流的方向相反，由左手定則可判斷出電子因受洛倫茲力作用向a側偏轉，所以φb＞φa，B正確，A錯誤；因|φa－φb|＝k，所以電流增大時，|φa－φb|增大，C正確；若將銅板改為NaCl溶液，溶液中的正、負離子均向a側偏轉，|φa－φb|＝0，即不產(chǎn)生霍爾效應，故D錯誤．