【物理】2023-2024學(xué)年魯科版選擇性必修第二冊 常見傳感器的工作原理 課件

第1節(jié)常見傳感器的工作原理核心素養(yǎng)目標CONTENTS目錄新知預(yù)覽·抓必備素養(yǎng)浸潤·提能力知能演練·重落實課時跟蹤檢測新知預(yù)覽·抓必備高效學(xué)習(xí)夯基固本1知識點一初識傳感器1．定義：能夠感受

，并將其按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(主要是

)的器件或裝置，我們稱之為

。2．作用：能將被測的

轉(zhuǎn)換成為各種易于測量的電學(xué)量。3．組成：傳感器主要有

和

組成。4．傳感器的工作原理：非電學(xué)量→

→

→電學(xué)量。知識點二

敏感元件1．光敏元件(1)光敏電阻是一種典型的

，廣泛應(yīng)用于光敏傳感器中。(2)光敏電阻是用金屬硫化物等

材料制成的。其特點為光照越強，電阻值

。(3)光敏元件是利用某些物質(zhì)在光照射下

隨之變化的特性制成的。外界信息電信號傳感器非電學(xué)量敏感元件轉(zhuǎn)換元件敏感元件轉(zhuǎn)換元件光敏元件半導(dǎo)體越小電學(xué)特性2．熱敏元件(1)定義：溫度傳感器可以將熱學(xué)量的變化轉(zhuǎn)換為電學(xué)量的變化。(2)特性：NTC熱敏電阻的阻值隨溫度的升高而

，因此又稱為

溫度系數(shù)熱阻電阻；PTC熱敏電阻的阻值隨溫度的升高而

。金屬熱電阻的電阻率一般隨溫度升高而

。3．磁敏元件(1)定義：霍爾元件可以將磁學(xué)量的變化轉(zhuǎn)換為電學(xué)量的變化。減小負增大增大材料傳感器能夠感受外界信息，并將其按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(主要是電信號)，樓道聲控?zé)?、感?yīng)門、電飯鍋等都是傳感器的應(yīng)用。(1)所有傳感器都是由半導(dǎo)體材料制成的。

(

)(2)傳感器不能感知聲音信號。

(

)(3)傳感器只能通過感知電壓的變化來傳遞信號。

(

)(4)光敏電阻的阻值只會隨人造光的強弱而變化，不能感知自然光的變化。

(

)(5)隨溫度的升高，熱敏電阻的阻值一定是增大的。

(

)(6)負溫度系數(shù)的熱敏電阻在溫度升高時其阻值變小。

(

)(7)霍爾元件一共有兩個電極，電壓這個電學(xué)量就是通過這兩個電極輸出的。

(

)×××××√×素養(yǎng)浸潤·提能力互動探究重難突破2干簧管的結(jié)構(gòu)很簡單，如圖甲所示，它只是玻璃管內(nèi)封入兩個軟磁性材料制成的簧片，接入圖乙電路，當(dāng)磁體靠近干簧管時：(1)會發(fā)生什么現(xiàn)象，為什么？提示：小燈泡會發(fā)光，因為兩個簧片被磁化而接通。(2)干簧管的作用是什么？提示：干簧管起到了開關(guān)的作用。1．傳感器的組成和工作流程(1)傳感器的組成①敏感元件：相當(dāng)于人的感覺器官，是傳感器的核心部分，是利用材料的某種敏感效應(yīng)(如熱敏、光敏、壓敏、力敏，濕敏等)制成的。②轉(zhuǎn)換元件：傳感器中能將敏感元件輸出且與被測物理量成一定關(guān)系的非電信號轉(zhuǎn)換成電信號的電子元件。(2)傳感器的工作流程2．傳感器的原理傳感器感受的通常是非電學(xué)量，如力、溫度、位移、濃度、速度、酸堿度等，而輸出的通常是電學(xué)量，如電壓、電流、電荷量等。這些輸出的信號是非常微弱的，通常需要經(jīng)過放大后，再傳送給控制系統(tǒng)產(chǎn)生各種控制動作?！镜淅?】(多選)美國科學(xué)家WillardS．Boyle與GeorgeE．Smith因電荷耦合器件(CCD)的重要發(fā)明榮獲2009年度諾貝爾物理學(xué)獎。CCD是將光學(xué)量轉(zhuǎn)變成電學(xué)量的傳感器。下列器件可作為傳感器的有

(

)A．發(fā)光二極管

B．熱敏電阻C．霍爾元件 D．干電池解析傳感器是指能夠感受諸如力、溫度、光、聲、化學(xué)成分等非電學(xué)量，并能把它們按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換為電壓、電流等電學(xué)量的元件。發(fā)光二極管是將電能轉(zhuǎn)化為光能的元件，不是傳感器，選項A錯誤；熱敏電阻的溫度變化時，其電阻會發(fā)生變化，能把熱學(xué)量轉(zhuǎn)換成電學(xué)量，可作為傳感器，選項B正確；霍爾元件能夠把磁感應(yīng)強度這個非電學(xué)量轉(zhuǎn)換成電壓這個電學(xué)量，可作為傳感器，選項C正確；干電池是一種電源，不是傳感器，選項D錯誤。BC|方法技巧|傳感器問題的分析思路(1)明確傳感器的類型，了解傳感器的工作原理。(2)確定傳感器中的什么量變化時可以引起電學(xué)量的變化。(3)根據(jù)電學(xué)量的變化確定相關(guān)物理量的變化。

1．全自動洗衣機設(shè)有多段式水位自動感應(yīng)裝置，該裝置采用的可能是下列哪種類型的傳感器

(

)A．壓力傳感器 B．紅外線傳感器C．溫度傳感器 D．生物傳感器解析：洗衣機設(shè)有多段式水位自動感應(yīng)裝置，是通過不同量的水所產(chǎn)生的壓力轉(zhuǎn)換成電學(xué)量，運用的是壓力傳感器，故A正確，B、C、D錯誤。A2．壓敏電阻的阻值隨所受壓力的增大而減小，有位同學(xué)利用壓敏電阻設(shè)計了判斷小車運動狀態(tài)的裝置，其工作原理如圖甲所示，將壓敏電阻和一塊擋板固定在絕緣小車上，中間放置一個絕緣重球。小車向右做直線運動過程中，電流表示數(shù)如圖乙所示，下列判斷正確的是

(

)A．從t1到t2時間內(nèi)，小車做勻速直線運動B．從t1到t2時間內(nèi)，小車做勻加速直線運動C．從t2到t3時間內(nèi)，小車做勻速直線運動D．從t2到t3時間內(nèi)，小車做勻加速直線運動D解析：在0～t1內(nèi)，I恒定，壓敏電阻阻值不變，由小球的受力不變可知，小車可能做勻速或勻加速直線運動，在t1～t2內(nèi)，I變大，壓敏電阻阻值變小，壓力變大，小車做變加速運動，A、B錯誤；在t2～t3內(nèi)，I不變，壓力恒定，小車做勻加速直線運動，C錯誤，D正確。某興趣小組為了研究電子溫控裝置，將熱敏電阻R1(負溫度系數(shù))、定值電阻R2以及電壓表和電流表連入如圖所示的電路中，熱敏電阻的阻值隨溫度的升高而減小。(1)閉合開關(guān)S后，溫度升高時，電流表的示數(shù)如何變化？提示：溫度升高時，熱敏電阻的阻值變小，干路的電流變大，所以電流表的示數(shù)變大。(2)閉合開關(guān)S后，溫度降低時，電壓表的示數(shù)如何變化？提示：溫度降低，熱敏電阻的阻值變大，干路中的電流變小，R2兩端的電壓變小，電壓表的示數(shù)變小。2．霍爾元件及工作原理(1)霍爾元件如圖所示，在一個很小的矩形半導(dǎo)體(例如砷化銦)薄片上，制作四個電極E、F、M、N，它就成了一個霍爾元件?！镜淅?】(多選)如圖所示是某居住小區(qū)門口利用光敏電阻設(shè)計的行人監(jiān)控裝置，R1為光敏電阻、R2為定值電阻，A、B接監(jiān)控裝置，則

(

)A．當(dāng)有人通過而遮住光線時，A、B之間電壓升高B．當(dāng)有人通過而遮住光線時，A、B之間電壓降低C．當(dāng)僅增大R2的阻值時，可增大A、B之間的電壓D．當(dāng)僅減小R2的阻值時，可增大A、B之間的電壓解析R1是光敏電阻，當(dāng)有人通過而遮住光線時，R1的阻值變大，回路中的電流I減小，A、B間的電壓U＝IR2減小，故A錯誤，B正確；由閉合電路的歐姆定律得U＝E－I(R1＋r)，當(dāng)僅增大R2的阻值時，電路中的電流減小，可得A、B間的電壓U增大，故C正確；當(dāng)減小R2的阻值時，電路中的電流增大，A、B間的電壓U減小，故D錯誤。BC|方法技巧|傳感器問題中的電路動態(tài)分析的四點注意事項(1)如果涉及光敏電阻，必須明確光照情況怎樣變化，從而判斷出其阻值的變化。(2)如果涉及熱敏電阻，必須明確是正溫度系數(shù)還是負溫度系數(shù)的熱敏電阻及溫度變化情況，從而判斷其阻值的變化。(3)如果是其他元件引起的電路變化可具體問題具體分析。(4)結(jié)合電路結(jié)構(gòu)特點及局部阻值的變化，根據(jù)閉合電路的歐姆定律等規(guī)律分析有關(guān)物理量的變化。

1．(多選)

現(xiàn)有定值電阻、熱敏電阻、光敏電阻三只元件，將這三只元件分別接入如圖所示電路中的A、B兩點后，用黑紙包住元件或者把元件置入熱水中，觀察歐姆表的示數(shù)，下列說法中正確的是

(

)A．置入熱水中與不置入熱水中相比，歐姆表示數(shù)變化較大的一定是熱敏電阻B．置入熱水中與不置入熱水中相比，歐姆表示數(shù)不變化的一定是定值電阻C．用黑紙包住與不用黑紙包住相比，歐姆表示數(shù)變化較大的一定是光敏電阻D．用黑紙包住與不用黑紙包住相比，歐姆表示數(shù)相同的一定是定值電阻AC解析：熱敏電阻的阻值隨溫度的變化而變化，定值電阻和光敏電阻的阻值不隨溫度發(fā)生變化，故A正確，B錯誤；光敏電阻的阻值隨光照的變化而變化，而定值電阻和熱敏電阻的阻值不隨光照的變化而變化，故C正確，D錯誤。2．(多選)如圖所示為某霍爾元件的工作原理示意圖，該元件中電流I由正電荷的定向運動形成。下列說法正確的是

(

)A．M點電勢比N點電勢高B．用霍爾元件可以測量地磁場的磁感應(yīng)強度C．用霍爾元件能夠把磁學(xué)量轉(zhuǎn)換為電學(xué)量D．若保持電流I恒定，則霍爾電壓UH與B成正比BCD|要點回眸|知能演練·重落實內(nèi)化知識鞏固技能31．許多辦公樓及宿舍樓的樓梯上的燈到了晚上能夠自動做到“人來即亮，人走即滅”，其神奇功能在于控制燈“開關(guān)”的傳感器。下列有關(guān)該傳感器的說法正確的是

(

)A．該傳感器能夠測量的物理量是位移和溫度B．該傳感器能夠測量的物理量是位移和光強C．該傳感器能夠測量的物理量是光強和聲音D．該傳感器能夠測量的物理量是壓力和位移解析：樓道中安裝了自動燈光控制系統(tǒng)，白天燈不亮，和光傳感器有關(guān)；晚上有人經(jīng)過時，燈自動亮起來，與聲音有關(guān)，是聲傳感器。所以該傳感器能夠測量的物理量是光強和聲音，C正確。C2．如圖所示，電吉他的弦是磁性物質(zhì)。當(dāng)弦振動時，線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電流，感應(yīng)電流輸送到放大器、喇叭，然后把聲音播放出來。下列說法正確的是

(

)A．電吉他是光電傳感器B．電吉他是溫度傳感器C.電吉他是磁電傳感器D．弦改用尼龍材料原理不變解析：物理傳感器利用的是物理效應(yīng)，比如光電效應(yīng)、磁電效應(yīng)等，能將被測信號量的微小變化轉(zhuǎn)換成電信號。本題中當(dāng)弦振動時，線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電流，把弦振動時磁場的變化這種非電學(xué)量轉(zhuǎn)換為電流這種電學(xué)量，屬于磁電傳感器，故C正確，A、B、D錯誤。C3．(多選)如圖所示，R1、R2為定值電阻，L為小燈泡，

R3為光敏電阻，當(dāng)入射光強度增大時

(

)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，電壓表的示數(shù)增大，同時內(nèi)電壓增大，電路的路端電壓減小，A正確，D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，B正確；結(jié)合干路電流增大和R2中電流減小知流過小燈泡的電流必增大，小燈泡的功率增大，C正確。ABC4．(多選)霍爾元件的示意圖如圖所示。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)通有圖示方向的電流，a、b是銅板上、下邊緣的兩點，則

(

)A．電勢φa＞φbB．電勢φb＞φaC．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，a、b兩點電勢高低情況仍然一樣BC課時跟蹤檢測41．有一電學(xué)元件，溫度升高時其電阻減小，這種元件可能是

(

)A．金屬導(dǎo)體

B．光敏電阻C．NTC熱敏電阻 D．PTC熱敏電阻解析：金屬導(dǎo)體電阻值一般隨溫度升高而增大，光敏電阻的阻值是隨光照強度的增大而減小，PTC熱敏電阻的阻值隨溫度的升高而增大，只有NTC熱敏電阻的阻值隨溫度的升高而減小，C正確，A、B、D錯誤。C2．關(guān)于光敏電阻和熱敏電阻，下列說法中正確的是

(

)A．光敏電阻是用半導(dǎo)體材料制成的，其阻值隨光照增強而減小，隨光照的減弱而增大B．光敏電阻是能把光照強度這個光學(xué)量轉(zhuǎn)換為電流這個電學(xué)量的傳感器C．熱敏電阻是用金屬鉑制成的，它對溫度感知很靈敏D．熱敏電阻是把熱量這個熱學(xué)量轉(zhuǎn)換為電阻這個電學(xué)量的傳感器解析：光敏電阻是把光強轉(zhuǎn)換為電阻的元件，熱敏電阻是把溫度轉(zhuǎn)換為電阻的元件，故B、D錯誤；熱敏電阻和光敏電阻都是半導(dǎo)體材料制成的，半導(dǎo)體具有光敏性和熱敏性，金屬鉑與熱敏電阻的阻值隨溫度的變化趨勢相反，故C錯誤；由光敏電阻的特性知A正確。A3．居民樓的樓道里，夜里只是偶爾有人經(jīng)過，電燈如果總是亮著會造成很大浪費。科研人員利用“光敏”材料制成“光控開關(guān)”，天黑時自動閉合，天亮?xí)r自動斷開；利用“聲敏”材料制成“聲控開關(guān)”，當(dāng)有人走動發(fā)出聲音時自動閉合，無人走動時自動斷開。若將這兩種開關(guān)配合使用，下列電路符合要求的是

(

)解析：根據(jù)題意可得，聲控開關(guān)和光控開關(guān)串聯(lián)后共同控制燈泡，即用導(dǎo)線將各元件依次連接起來，故選D。D4．許多飲水機，可以保證出水溫度恒定，采取的方法是

(

)A．持續(xù)加溫B．設(shè)定程式，固定各次加溫時間及加熱時間間隔C．水溫低于設(shè)定溫度時加熱，達到設(shè)定溫度時停止加熱D．人工控制加溫按鈕解析：飲水機溫度控制系統(tǒng)以調(diào)節(jié)飲水機中水的溫度為目的，其輸入?yún)?shù)主要是水溫信號和設(shè)置的設(shè)定溫度。輸出信號主要是溫度顯示、聲光報警和執(zhí)行加熱。工作時傳感器將溫度傳給單片機，當(dāng)水溫低于設(shè)定溫度時，單片機控制加熱模塊加熱，當(dāng)溫度高于設(shè)定溫度時，繼電器斷開，加熱停止，從而實現(xiàn)溫度控制的目的，故選C。C5．(多選)如圖為電阻R隨溫度T變化的圖線。下列說法中正

確的是

(

)A．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對應(yīng)的材料化學(xué)穩(wěn)定性好、測溫范圍大、靈敏度高D．圖線2對應(yīng)的材料化學(xué)穩(wěn)定性差、測溫范圍小、靈敏度高解析：金屬熱電阻的阻值隨溫度升高而增大，半導(dǎo)體材料的熱敏電阻的阻值隨溫度升高而減小，所以A錯誤，B正確；圖線1對應(yīng)的材料化學(xué)穩(wěn)定性好但靈敏度低，圖線2對應(yīng)的材料化學(xué)穩(wěn)定性差但靈敏度高，所以C錯誤，D正確。BD6．如圖所示，R1為定值電阻，R2為負溫度系數(shù)的熱敏電阻(負溫度系數(shù)熱敏電阻是指阻值隨溫度的升高而減小的熱敏電阻)，L為小燈泡，當(dāng)溫度降低時

(

)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?nèi)踅馕觯篟2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電阻值增大，外電路電阻增大，電流表讀數(shù)減小，燈泡L兩端的電壓增大，燈泡的亮度變強，R1兩端的電壓減小，故只有C正確。C7．如圖所示是一火警報警器的一部分電路示意圖，其中R2為用半導(dǎo)體熱敏電阻(阻值隨溫度的升高而減小)制成的傳感器，電流表為值班室的顯示器，a、b之間接報警器。當(dāng)傳感器R2所在處出現(xiàn)火情時，顯示器的電流I、報警器兩端的電壓U的變化情況是

(

)A．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變小解析：當(dāng)R2處出現(xiàn)火情時，熱敏電阻的阻值將減小，則此時電路中的總電阻減小，由閉合電路的歐姆定律可知，路端電壓將減小，電路中的總電流增大，所以R1兩端的電壓增大，由于路端電壓減小，則并聯(lián)部分的電壓減小，通過R3的電流I變小，所以顯示器的電流I變小，報警器的電壓U變小，故B正確。B8．(多選)小型電磁繼電器的構(gòu)造示意圖如圖所示，其中L為含鐵芯的線圈，P為可繞O點轉(zhuǎn)動的鐵片，K為彈簧，S為一對觸頭，A、B、C、D為四個接線柱。繼電器與傳感器配合，可完成自動控制的

要求，其工作方式是

(

)A．A、B間接控制電路，C、D間接被控電路B．A、B間接被控電路，C、D間接控制電路C．流過L的電流減小時，C、D間電路斷開D．流過L的電流增大時，C、D間電路斷開解析：當(dāng)A、B間導(dǎo)通時，通電螺線管吸引鐵片P，此時C、D間電路接通，所以A、B間接控制電路，C、D間接被控電路，A正確，B錯誤；流過L的電流減小時，通電螺線管磁性減弱，彈簧把鐵片P拉開，C、D間電路斷開，C正確，D錯誤。AC9．如圖甲是某生產(chǎn)流水線上的產(chǎn)品輸送及計數(shù)裝置示意圖，其中S為激光源，R1為光敏電阻(有光照射時，阻值較?。粺o光照射時，阻值較大)，R2為定值保護電阻，a、b間接“示波器”(示波器的接入對電路無影響)。水平傳送帶勻速前進，每當(dāng)傳