（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(xué)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(xué)習(xí)目標(biāo)]　1.了解什么是傳感器，感受傳感技術(shù)在信息時(shí)代的作用與意義.2.知道將非電學(xué)量轉(zhuǎn)化為電學(xué)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(xué)成分等物理量，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另一個(gè)物理量(通常是電壓、電流等電學(xué)量)，或轉(zhuǎn)換為電路的通斷的元件． 2．非電學(xué)量轉(zhuǎn)換為電學(xué)量的意義：把非電學(xué)量轉(zhuǎn)換為電學(xué)量，可以方便地進(jìn)行測量、傳輸、處理和控制． 二、光敏電阻的特點(diǎn)及工作原理 1．當(dāng)半導(dǎo)體材料受到光照或者溫度升高時(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)電能力明顯增強(qiáng)． 2．光敏電阻是用半導(dǎo)體材料(如硫化鎘)制成的．它的特點(diǎn)是光照越強(qiáng)，電阻越?。軌虬压庹諒?qiáng)弱這個(gè)光學(xué)量轉(zhuǎn)換為電阻這個(gè)電學(xué)量． 三、熱敏電阻和金屬熱電阻的特點(diǎn) 1．熱敏電阻：用半導(dǎo)體材料制成．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?。? 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(diǎn) 1．霍爾元件在電流、電壓穩(wěn)定時(shí)，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(yīng)強(qiáng)度這個(gè)磁學(xué)量轉(zhuǎn)換成電壓這個(gè)電學(xué)量． [即學(xué)即用] 1．判斷下列說法的正誤． (1)傳感器可以把非電學(xué)量轉(zhuǎn)化為電學(xué)量．(　√　) (2)光敏電阻的阻值隨光照的強(qiáng)弱而變化，光照越強(qiáng)電阻越大．(　　) (3)熱敏電阻一般用半導(dǎo)體材料制作，導(dǎo)電能力隨溫度的升高而增強(qiáng)，但靈敏度低．(　　) (4)霍爾元件一共有兩個(gè)電極，電壓這個(gè)電學(xué)量就通過這兩個(gè)電極輸出．(　　) 2．如圖1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(shí)，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(dǎo)學(xué)探究]　干簧管結(jié)構(gòu)：如圖2所示，它只是玻璃管內(nèi)封入的兩個(gè)軟磁性材料制成的簧片，接入圖3電路，當(dāng)條形磁鐵靠近干簧管時(shí)： 　 　　　　 圖2　　　　　　　　　圖3 (1)會(huì)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(huì)亮，因?yàn)楫?dāng)條形磁鐵靠近干簧管時(shí)，兩個(gè)簧片被磁化而接通． (2)干簧管起到開關(guān)的作用，是一種能夠感知磁場的傳感器． [知識(shí)深化] 1．傳感器的原理 →→ 2．在分析傳感器時(shí)要明確 (1)核心元件是什么； (2)是怎樣將非電學(xué)量轉(zhuǎn)化為電學(xué)量； (3)是如何顯示或控制開關(guān)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(dòng)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(dāng)油量變化時(shí)，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(shí)，R減小，電壓表的示數(shù)減?。挥土繙p少時(shí)，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(shí)，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(shí)，電壓表的示數(shù)減?。? 二、光敏電阻 [導(dǎo)學(xué)探究]　在工廠生產(chǎn)車間的生產(chǎn)線上安裝計(jì)數(shù)器后，就可以準(zhǔn)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(dòng)計(jì)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(jì)數(shù)器的基本工作原理是什么？ 圖5 答案　當(dāng)光被產(chǎn)品擋住時(shí)，R1電阻增大，電路中電流減小，R2兩端電壓減小，信號(hào)處理系統(tǒng)得到低電壓，每通過一個(gè)產(chǎn)品就獲得一次低電壓，并計(jì)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(dāng)入射光強(qiáng)度增大時(shí)(　　) 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(dāng)入射光強(qiáng)度增大時(shí)，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(shí)內(nèi)電壓增大，故電路的路端電壓減小，A項(xiàng)正確，D項(xiàng)錯(cuò)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(xiàng)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(xiàng)正確． 三、熱敏電阻和金屬熱電阻 [導(dǎo)學(xué)探究]　如圖7所示，將多用電表的選擇開關(guān)置于歐姆擋，再將電表的兩支表筆與負(fù)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(shí)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(zhuǎn)？若用吹風(fēng)機(jī)將熱風(fēng)吹向熱敏電阻，表針將如何偏轉(zhuǎn)？ 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(fēng)機(jī)將熱風(fēng)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(shí)現(xiàn)對(duì)電路相關(guān)物理量的控制．如圖8所示電路，R1為定值電阻，R2為半導(dǎo)體熱敏電阻(溫度越高電阻越小)，C為電 容器．當(dāng)環(huán)境溫度降低時(shí)(　　) 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(qiáng)度減小 D．R1消耗的功率增大 答案　AB 解析　當(dāng)環(huán)境溫度降低時(shí)，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(cuò)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(qiáng)E′＝，Q＝CU2可知Q、E′都增大，故A正確，C錯(cuò)誤． 含有熱敏電阻、光敏電阻電路的動(dòng)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(qiáng)度)的增加是增大還是減小． 2．分析整個(gè)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(dǎo)學(xué)探究]　如圖9所示，在矩形半導(dǎo)體薄片E、F間通入恒定的電流I，同時(shí)外加與薄片垂直的磁場B，則M、N間會(huì)出現(xiàn)電壓，稱為霍爾電壓UH. 圖9 (1)分析為什么會(huì)出現(xiàn)電壓． (2)試推導(dǎo)UH的表達(dá)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(shè)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(dāng)洛倫茲力與電場力平衡時(shí)，M、N間電勢差達(dá)到穩(wěn)定． 即q＝qvB 再根據(jù)電流的微觀表達(dá)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(gè)數(shù)，q為單個(gè)載流子的電荷量，它們均為常數(shù)． 則有UH＝k. [知識(shí)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?yàn)檩d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(fù)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(dǎo)體，放在磁場中，當(dāng)導(dǎo)體中通有電流時(shí)，導(dǎo)體的上、下表面的電勢的關(guān)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(yīng)形成的原因是因?yàn)閹щ娏Ｗ釉诖艌鲋惺艿铰鍌惼澚ψ饔枚ㄏ蛞苿?dòng)形成的．金屬導(dǎo)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(yùn)動(dòng)，則M板剩下正電荷，所以φM>φN.故選A. 1．(對(duì)傳感器的理解)在電梯門口放置一障礙物，會(huì)發(fā)現(xiàn)電梯門不停地開關(guān)，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(qiáng))，且R與LED間距不變，下列說法中正確的是(　　) 圖11 A．當(dāng)滑動(dòng)觸頭P向左移動(dòng)時(shí)，L消耗的功率增大 B．當(dāng)滑動(dòng)觸頭P向左移動(dòng)時(shí)，L消耗的功率減小 C．當(dāng)滑動(dòng)觸頭P向右移動(dòng)時(shí)，L消耗的功率可能不變 D．無論怎樣移動(dòng)滑動(dòng)觸頭P，L消耗的功率都不變 答案　A 解析　滑動(dòng)觸頭P左移，滑動(dòng)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(qiáng)，使光敏電阻R減小，最終達(dá)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(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻，L為小燈泡，當(dāng)溫度降低時(shí)(　　) 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(qiáng) D．小燈泡的亮度變?nèi)? 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(gòu)成閉合電路，當(dāng)熱敏電阻R2溫度降低時(shí)，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(qiáng)，故C正確，A、B、D均錯(cuò)誤． 4．(霍爾元件的認(rèn)識(shí)及應(yīng)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(nèi)通有如圖方向的電流，a、b是銅板上、下邊緣的兩點(diǎn)，則(　　) 圖13 A．電勢φa＞φb B．電勢φb＞φa C．僅電流增大時(shí)，|φa－φb|增大 D．其他條件不變，將銅板改為NaCl溶液時(shí)，電勢結(jié)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(dòng)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(cè)偏轉(zhuǎn)，所以φb＞φa，B正確，A錯(cuò)誤；因|φa－φb|＝k，所以電流增大時(shí)，|φa－φb|增大，C正確；若將銅板改為NaCl溶液，溶液中的正、負(fù)離子均向a側(cè)偏轉(zhuǎn)，|φa－φb|＝0，即不產(chǎn)生霍爾效應(yīng)，故D錯(cuò)誤．