高中物理人教版2第六章傳感器1傳感器及其工作原理 獲獎(jiǎng)作品

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(guò)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(guò)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(shuō)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=1\*GB3①材料及構(gòu)造=2\*GB3②工作原理=3\*GB3③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=1\*GB3①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)）=2\*GB3②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=1\*GB3①材料及構(gòu)造=2\*GB3②霍爾電壓：_________________________。推導(dǎo)：=3\*GB3③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?！菊n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(lái)，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4A．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)?．如圖5所示為電阻R隨溫度T變化的圖線，下列說(shuō)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(guò)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(wèn)：金屬塊上、下表面哪面電勢(shì)高？電勢(shì)差是多少？圖66．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(shuō)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9A．I變大，U變大B．I變小，U變小C．I變小，U變大D．I變大，U變小【課后鞏固】1．關(guān)于光敏電阻，下列說(shuō)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３．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．兩極板間距第3題C．兩極板正對(duì)面積第4題R第4題R2R1R3４．如圖所示，Ｒ１、Ｒ２為定值電阻，Ｌ是小燈泡，Ｒ３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．Ｒ２中電流減小C．小燈泡的功率增大第5題R第5題R3R4R1R25．如圖所示，Ｒ３是光敏電阻，當(dāng)開關(guān)Ｓ閉合后在沒(méi)有光照射時(shí)，a、b兩點(diǎn)等電勢(shì)，當(dāng)用光照射電阻Ｒ３時(shí)，則（）A．Ｒ３的電阻變小，a點(diǎn)電勢(shì)高于b點(diǎn)電勢(shì)B．Ｒ３的電阻變小，a點(diǎn)電勢(shì)低于b點(diǎn)電勢(shì)C．Ｒ３的電阻變小，a點(diǎn)電勢(shì)等于b點(diǎn)電勢(shì)D．Ｒ３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)變化非常明顯第7題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(shuō)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)保持水平第8題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(guò)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＝___________第9題【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4．keq\f(IB,d)dk5．CD[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(lái)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．]6．B[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，UH＝keq\f(IB,d)，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(lái)，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(guò)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．3．C[R2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．4．BD[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eq\f(IB,ned)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eeq\f(U,b)＝evB，又因?yàn)閷?dǎo)體中的電流I＝neSv＝nev·bd，故U＝eq\f(IB,ned).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QE＝QvB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．6．ABD[根據(jù)公式UH＝keq\f(IB,d)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UH＝keq\f(IB,d).7．ABC[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(guò)小