高中物理 6.1傳感器及其工作原理導(dǎo)學(xué)案 新人教版選修3-2.docVIP

第六章 傳感器第一節(jié) 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，知道非電學(xué)量轉(zhuǎn)化為電學(xué)量的技術(shù)意義；2、知道傳感器中常見的三種敏感元件光敏電阻、熱敏電阻和霍爾元件及其它們的工作原理。3、了解傳感器的應(yīng)用。4、通過對(duì)實(shí)驗(yàn)的觀察、思考和探究，讓學(xué)生在了解傳感器、熟悉傳感器工作原理的同時(shí)，經(jīng)歷科學(xué)探究過程，學(xué)習(xí)科學(xué)研究方法，培養(yǎng)學(xué)生的觀察能力、實(shí)踐能力和創(chuàng)新思維能力。【重點(diǎn)、難點(diǎn)】理解并掌握傳感器的三種常見敏感元件的工作原理。分析并設(shè)計(jì)傳感器的應(yīng)用電路。預(yù)習(xí)案【自主學(xué)習(xí)】1、傳感器是能夠把易感受的力、溫度、光、聲、化學(xué)成分等_按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換為容易進(jìn)行測(cè)量，傳輸處理和控制的電壓、電流等_、或轉(zhuǎn)換為電路的_的一類元件2、光敏電阻的特性：_，光敏電阻能夠把_這個(gè)光學(xué)量轉(zhuǎn)換為_這個(gè)電學(xué)量3、金屬熱電阻的電阻率隨溫度的升高而_，熱敏電阻的電阻率隨溫度的升高而_，金屬熱電阻和熱敏電阻都可以制作_傳感器與熱敏電阻相比，金屬熱電阻的_，測(cè)溫范圍_，但_較差4、如圖1所示，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_.式中_為薄片的厚度，_為霍爾系數(shù)，它的大小與薄片的材料有關(guān)圖15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(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的6霍爾元件能轉(zhuǎn)換哪個(gè)物理量()a把溫度這個(gè)熱學(xué)量轉(zhuǎn)換成電阻這個(gè)電學(xué)量b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c把力這個(gè)力學(xué)量轉(zhuǎn)換成電壓這個(gè)電學(xué)量d把光照強(qiáng)弱這個(gè)光學(xué)量轉(zhuǎn)換成電阻這個(gè)電學(xué)量【學(xué)始于疑】探究案【合作探究】（一）傳感器 1、概念：_。 2、原理圖： 3、三種常見的敏感元件 （1）光敏電阻 材料及構(gòu)造 工作原理 功能：把_（光學(xué)量）轉(zhuǎn)換為_（電學(xué)量）。 （2）熱敏電阻和金屬熱電阻 熱敏電阻 a）材料 b）特點(diǎn) c）功能：把_轉(zhuǎn)換為_（電學(xué)量）。 d）分類： 正溫度系數(shù)ptc熱敏電阻（特點(diǎn)） 負(fù)溫度系數(shù)ntc熱敏電阻（特點(diǎn)） 金屬熱電阻 a）材料 b）特點(diǎn) c）功能：把_轉(zhuǎn)換為_（電學(xué)量）。 （3）霍爾元件 材料及構(gòu)造 霍爾電壓：_。 推導(dǎo)： 功能：把_（磁學(xué)量）轉(zhuǎn)換為_（電學(xué)量）。傳感器功能：能將力、溫度、光、聲、物質(zhì)成分等_轉(zhuǎn)化為_的元件。【課堂小結(jié)/本節(jié)知識(shí)網(wǎng)絡(luò)】【當(dāng)堂檢測(cè)】1知識(shí)點(diǎn)一光敏電阻 1如圖2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分別與光敏電阻rg的兩端相連，這時(shí)表針恰好指在刻度盤的中央若用不透光的黑紙將rg包裹起來，表針將向_(填“左”或“右”)轉(zhuǎn)動(dòng)；若用手電筒的光照射rg，表針將向_(填“左”或“右”)轉(zhuǎn)動(dòng)圖22如圖3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3知識(shí)點(diǎn)二熱敏電阻和金屬熱電阻3如圖4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4 ar1兩端的電壓增大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)?如圖5所示為電阻r隨溫度t變化的圖線，下列說法中正確的是()圖5a圖線1是熱敏電阻的圖線，它是用金屬材料制成的b圖線2是熱敏電阻的圖線，它是用半導(dǎo)體材料制成的c圖線1的材料化學(xué)穩(wěn)定性好、測(cè)溫范圍大、靈敏度高d圖線2的材料化學(xué)穩(wěn)定性差、測(cè)溫范圍小、靈敏度高知識(shí)點(diǎn)三霍爾元件5如圖6所示，有電流i流過長(zhǎng)方體金屬塊，金屬塊寬為d，高為b，有一磁感應(yīng)強(qiáng)度為b的勻強(qiáng)磁場(chǎng)垂直于紙面向里，金屬塊單位體積內(nèi)的自由電子數(shù)為n，問：金屬塊上、下表面哪面電勢(shì)高？電勢(shì)差是多少？圖6 6圖7是霍爾元件的工作原理示意圖，如果用d表示薄片的厚度，k為霍爾系數(shù)，對(duì)于一個(gè)霍爾元件d、k為定值，如果保持i恒定，則可以驗(yàn)證uh隨b的變化情況以下說法中正確的是(工作面是指較大的平面)()圖7a將永磁體的一個(gè)磁極逐漸靠近霍爾元件的工作面，uh將變大b在測(cè)定地球兩極的磁場(chǎng)強(qiáng)弱時(shí)，霍爾元件的工作面應(yīng)保持水平c在測(cè)定地球赤道上的磁場(chǎng)強(qiáng)弱時(shí)，霍爾元件的工作面應(yīng)保持水平d改變磁感線與霍爾元件工作面的夾角，uh將發(fā)生變化7如圖8所示，r1、r2為定值電阻，l為小燈泡，r3為光敏電阻，當(dāng)照射光強(qiáng)度增大時(shí)()圖8a電壓表的示數(shù)增大br2中電流減小c小燈泡的功率增大d電路的路端電壓增大8如圖9所示是一火警報(bào)警裝置的部分電路示意圖，其中r2是半導(dǎo)體熱敏傳感器，它的電阻隨溫度升高而減小，a、b接報(bào)警器當(dāng)傳感器r2所在處出現(xiàn)火情時(shí)，電流表的電流i和a、b兩端兩壓u與出現(xiàn)火情前相比() 圖9ai變大，u變大 bi變小，u變小ci變小，u變大 di變大，u變小【課后鞏固】1關(guān)于光敏電阻，下列說法正確的是（ ）a光敏電阻能夠把光照強(qiáng)弱這個(gè)光學(xué)量轉(zhuǎn)換為電阻這個(gè)電學(xué)量b硫化鎘是一種半導(dǎo)體材料，無(wú)光照射時(shí)，載流子極少，導(dǎo)電性能不好c硫化鎘是一種半導(dǎo)體材料，無(wú)光照射時(shí)，載流子較少，導(dǎo)電性能良好d半導(dǎo)體材料的硫化鎘，隨著光照的增強(qiáng)，載流子增多，導(dǎo)電性能變好2霍爾元件能轉(zhuǎn)換哪兩個(gè)量（ ）a把溫度這個(gè)熱學(xué)量轉(zhuǎn)換為電阻這個(gè)電學(xué)量b把磁感應(yīng)強(qiáng)度這個(gè)磁學(xué)量轉(zhuǎn)換為電壓這個(gè)電學(xué)量c把力轉(zhuǎn)換為電壓這個(gè)電學(xué)量d把光照強(qiáng)弱這個(gè)光學(xué)量轉(zhuǎn)換為電阻這個(gè)電學(xué)量如圖所示是測(cè)定位移的電容式傳感器，其工作原理是哪個(gè)量的變化，造成其電容的變化（ ）a電介質(zhì)進(jìn)入極板的長(zhǎng)度第3題b兩極板間距c兩極板正對(duì)面積第4題r2r1r3d極板所帶電量如圖所示，、為定值電阻，是小燈泡，為光敏電阻，當(dāng)照射光強(qiáng)度增大時(shí)，（ ）a電壓表的示數(shù)增大b中電流減小c小燈泡的功率增大第5題r3r4r1r2d電路的路端電壓增大5如圖所示，是光敏電阻，當(dāng)開關(guān)閉合后在沒有光照射時(shí)，a、b兩點(diǎn)等電勢(shì)，當(dāng)用光照射電阻時(shí)，則（ ）a的電阻變小，a點(diǎn)電勢(shì)高于b點(diǎn)電勢(shì)b的電阻變小，a點(diǎn)電勢(shì)低于b點(diǎn)電勢(shì)c的電阻變小，a點(diǎn)電勢(shì)等于b點(diǎn)電勢(shì)d的電阻變大，a點(diǎn)電勢(shì)低于b點(diǎn)電勢(shì)6有一電學(xué)元件，溫度升高時(shí)電阻卻大幅度減小，則這種元件可能是（ ）a金屬導(dǎo)體 b絕緣體 c半導(dǎo)體 d超導(dǎo)體7如圖是觀察電阻值隨溫度變化情況示意圖。現(xiàn)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（ ）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，且變化不明顯第7題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8如圖是霍爾元件的工作原理示意圖，用d表示薄片的厚度，k為霍爾系數(shù)，對(duì)于一個(gè)霍爾元件d、k為定值，如果保持i恒定，則可以驗(yàn)證uh隨b的變化情況。以下說法中正確的是（ ）a將永磁體的一個(gè)磁極逐漸靠近霍爾元件的工作面，uh將變大b在測(cè)定地球兩極的磁場(chǎng)強(qiáng)弱時(shí)，霍爾元件的工作面應(yīng)保持水平第8題c在測(cè)定地球赤道上的磁場(chǎng)強(qiáng)弱時(shí)，霍爾元件的工作面應(yīng)保持水平d改變磁感線與霍爾元件工作面的夾角，uh將發(fā)生變化第9題9如圖所示寬度為d，厚度為h的金屬板放在垂直于它的磁感應(yīng)強(qiáng)度為b的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，當(dāng)有電流i通過金屬板時(shí)，在金屬板上側(cè)面a和下側(cè)面間產(chǎn)生電勢(shì)差，這種現(xiàn)象叫霍爾效應(yīng)，若金屬板內(nèi)自由電子密度為n，則產(chǎn)生的電勢(shì)差u_【答案】 自主學(xué)習(xí)：1非電學(xué)量電學(xué)量通斷2隨著光照的增強(qiáng)，載流子增多，導(dǎo)電性能變好光照強(qiáng)弱電阻3增大減小溫度化學(xué)穩(wěn)定性好大靈敏度4kdk5cd干簧管能感知磁場(chǎng)，是因?yàn)楫?dāng)兩個(gè)舌簧所處位置的磁場(chǎng)方向相同時(shí)，就會(huì)吸引，所以是做開關(guān)來使用，當(dāng)磁場(chǎng)靠近或遠(yuǎn)離的時(shí)候，就會(huì)實(shí)現(xiàn)閉合或斷開6b根據(jù)霍爾元件工作原理，載流子在洛倫茲力作用下漂移，形成霍爾電壓，uhk，所以，它將磁感應(yīng)強(qiáng)度這個(gè)磁學(xué)量轉(zhuǎn)換成電壓這個(gè)電學(xué)量，故b正確當(dāng)堂檢測(cè):1左右解析光敏電阻受光照越強(qiáng)，電阻越小，所以將rg用不透光的黑紙包起來，電阻增大，指針左偏；若用手電筒的光照射rg，電阻減小，指針右偏2見解析解析當(dāng)光被元件擋住時(shí)，光敏電阻的阻值r1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)元件就獲得一次低電壓，計(jì)數(shù)一次 點(diǎn)評(píng)當(dāng)光照增強(qiáng)時(shí)，光敏電阻的阻值減小，光照減弱時(shí)，光敏電阻的阻值增大即光照強(qiáng)弱的變化引起電路中電流和電壓的一系列變化3cr2與燈l并聯(lián)后與r1串聯(lián)，與電源構(gòu)成閉合電路，當(dāng)溫度降低時(shí)，熱敏電阻r2的阻值增大，外電路電阻增大，電流表讀數(shù)變小，r1兩端電壓減小，燈l兩端電壓增大，燈泡亮度變強(qiáng)，故c正確，其余各項(xiàng)均錯(cuò)點(diǎn)評(píng)熱敏電阻溫度升高，電阻減??；溫度降低，電阻增大4bd熱敏電阻由半導(dǎo)體材料制成，電阻隨溫度升高而減小，且靈敏度高，金屬熱電阻隨溫度升高電阻增大，靈敏度不高，但測(cè)溫范圍大，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定故b、d正確點(diǎn)評(píng)1.熱敏電阻和金屬熱電阻的阻值隨溫度的變化方向是相反的熱敏電阻溫度升高，電阻減小，金屬熱電阻溫度升高，電阻增大 2熱敏電阻隨溫度變化明顯金屬熱電阻的化學(xué)穩(wěn)定性好，測(cè)溫范圍大5下表面電勢(shì)高解析因?yàn)樽杂呻姾蔀殡娮?，故由左手定則可判定向上偏，則上表面聚集負(fù)電荷，下表面帶多余等量的正電荷，故下表面電勢(shì)高，設(shè)其穩(wěn)定電壓為u.當(dāng)運(yùn)動(dòng)電荷所受電場(chǎng)力與洛倫茲力平衡時(shí)，有eevb，又因?yàn)閷?dǎo)體中的電流inesvnevbd，故u.點(diǎn)評(píng)當(dāng)電流在導(dǎo)體中流動(dòng)時(shí)，運(yùn)動(dòng)電荷在洛倫茲力作用下，分別向?qū)w上、下表面聚集，在導(dǎo)體中形成電場(chǎng)，其中上表面帶負(fù)電，電勢(shì)低，隨著正、負(fù)電荷不斷向下、上表面積累，電場(chǎng)增強(qiáng)，當(dāng)運(yùn)動(dòng)電荷(q)所受電場(chǎng)力與洛倫茲力平衡時(shí)，即qeqvb時(shí)，電荷將不再向上或向下偏轉(zhuǎn)，上、下表面間形成穩(wěn)定電壓6abd根據(jù)公式uhk可以看出，當(dāng)磁極靠近霍爾元件的工作面時(shí)，b增大，uh將變大，選項(xiàng)a正確；在地球兩極附近，可以認(rèn)為地磁場(chǎng)與水平面垂直，霍爾元件的工作面保持水平，故b正確而在赤道上，地磁場(chǎng)與水平面平行若霍爾元件的工作面保持水平，則無(wú)電壓產(chǎn)生，c錯(cuò)誤；改變磁感線與霍爾元件工作面的夾角，相當(dāng)于改變了霍爾系數(shù)k，故uh將發(fā)生變化，故d正確 點(diǎn)評(píng)霍爾元件把磁感應(yīng)強(qiáng)度這個(gè)磁學(xué)量轉(zhuǎn)換為電壓這個(gè)電學(xué)量，電壓與磁感應(yīng)強(qiáng)度的關(guān)系為uhk.7abc當(dāng)光強(qiáng)度增大時(shí)，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，同時(shí)內(nèi)電壓增大，故電路路端電壓減小，而電壓表的示數(shù)增大，a項(xiàng)正確，d項(xiàng)錯(cuò)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(xiàng)正確；結(jié)合干路電流增大知流過小燈泡的電流必增大，則小燈泡的功率增大，c