【同步】高中物理魯科版(2019)選擇性必修2：第5章傳感器及其應(yīng)用本章整合課件

第5章本章整合知識(shí)網(wǎng)絡(luò)·體系構(gòu)建專題突破·歸納整合目錄索引

知識(shí)網(wǎng)絡(luò)·體系構(gòu)建專題突破·歸納整合專題一傳感器及常見(jiàn)敏感元件1.傳感器:傳感器是能夠把易感受的力、溫度、光、聲、化學(xué)成分等非電學(xué)量按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換為容易進(jìn)行測(cè)量、傳輸、處理和控制的電壓、電流等電學(xué)量或轉(zhuǎn)換為電路通斷的一類元件。原理如下所示:2.光敏電阻:光敏電阻是用半導(dǎo)體材料制成的,其特點(diǎn)是在被光照射時(shí)電阻會(huì)發(fā)生變化,光照增強(qiáng)電阻減小,光照減弱電阻增大,其作用是把光學(xué)量轉(zhuǎn)換為電學(xué)量。3.熱敏電阻和金屬熱電阻:金屬熱電阻的電阻率隨溫度升高而增大。其特點(diǎn)是化學(xué)穩(wěn)定性好,測(cè)溫范圍大,但靈敏度較差。熱敏電阻是由半導(dǎo)體材料制成的,其電阻率對(duì)溫度非常敏感。熱敏電阻有正溫度系數(shù)(PTC熱敏電阻)、負(fù)溫度系數(shù)(NTC熱敏電阻)兩種。正溫度系數(shù)的熱敏電阻的阻值隨溫度升高而增大,負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻的阻值隨溫度升高而減小。金屬熱電阻和熱敏電阻都能把熱學(xué)量轉(zhuǎn)換為電學(xué)量。4.電容器:平行板電容器的電容大小與極板正對(duì)面積、極板間距及電介質(zhì)材料有關(guān),電容器可以感知引起電容變化的任一外界信息并將其轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的電容變化。例如,當(dāng)極板受力時(shí)會(huì)改變極板間距,從而引起電容變化。5.霍爾元件:霍爾元件能把磁感應(yīng)強(qiáng)度這一磁學(xué)量轉(zhuǎn)換成電壓這一電學(xué)量,典例1

某一熱敏電阻(電阻值隨溫度的改變而改變,且對(duì)溫度很敏感)的I-U關(guān)系曲線圖如圖甲所示。(1)為了通過(guò)測(cè)量得到如圖甲所示I-U關(guān)系的完整曲線,在圖乙和圖丙兩個(gè)電路中應(yīng)選擇的是

;簡(jiǎn)要說(shuō)明理由:_______________________________________________。(電源電動(dòng)勢(shì)為9V,內(nèi)阻不計(jì),滑動(dòng)變阻器的阻值為0~100Ω)

圖乙

電路電壓可從0調(diào)到所需電壓,電壓調(diào)節(jié)范圍大

(2)在如圖丁所示電路中,電源電壓恒為9V,電流表讀數(shù)為70mA,定值電阻R1=250Ω。由熱敏電阻的I-U關(guān)系曲線可知,熱敏電阻兩端的電壓為

V;電阻R2的阻值為

Ω。

(3)舉出一個(gè)可以應(yīng)用熱敏電阻的例子:

。

5.4105.9恒溫箱,自動(dòng)孵化器,熱敏溫度計(jì)等解析

(1)由于I-U關(guān)系圖線中電壓從0調(diào)至所需電壓,電壓調(diào)節(jié)范圍大,所以應(yīng)選擇圖乙。(2)由題圖丙知,R2與熱敏電阻串聯(lián)后與R1并聯(lián)接在9

V電源上,總電流I=70

mA,R1=250

Ω。設(shè)通過(guò)熱敏電阻的電流為I2,通過(guò)R1的電流為I1,則I=I1+I2,(3)應(yīng)用熱敏電阻的例子很多,如恒溫箱、自動(dòng)孵化器、熱敏溫度計(jì)等。

方法技巧

應(yīng)明確變阻器滿足以下條件時(shí),變阻器應(yīng)采用分壓式接法:①實(shí)驗(yàn)要求電流或電壓從零調(diào)或?qū)嶒?yàn)要求電流調(diào)節(jié)范圍足夠大;②當(dāng)變阻器的全電阻遠(yuǎn)小于待測(cè)電阻時(shí)。針對(duì)訓(xùn)練1如圖甲所示,條形碼掃描筆的原理是掃描筆頭在條形碼上勻速移動(dòng)時(shí),遇到黑色線條,發(fā)光二極管發(fā)出的光線將被吸收,光敏三極管接收不到反射光,呈高阻抗;遇到白色間隔,光線被反射到光敏三極管,三極管呈低阻抗。光敏三極管將條形碼變成一個(gè)個(gè)電脈沖信號(hào),信號(hào)經(jīng)信號(hào)處理系統(tǒng)處理,即完成對(duì)條形碼信息的識(shí)別,等效電路圖如圖乙所示,其中R為光敏三極管的等效電阻,R0為定值電阻,下列判斷正確的是(

)A.當(dāng)掃描筆頭在黑色線條上移動(dòng)時(shí),信號(hào)處理系統(tǒng)獲得高電壓B.當(dāng)掃描筆頭在白色間隔上移動(dòng)時(shí),信號(hào)處理系統(tǒng)獲得高電壓C.掃描速度對(duì)信號(hào)處理系統(tǒng)接收到的電壓信號(hào)無(wú)影響D.掃描筆頭外殼出現(xiàn)破損時(shí)仍然能正常工作答案

B解析

信號(hào)處理系統(tǒng)獲得的電壓是R0兩端的電壓,當(dāng)掃描筆頭在黑色線條上移動(dòng)時(shí),R相當(dāng)于大電阻,根據(jù)閉合電路歐姆定律,回路電流很小,R0兩端的電壓很低,信號(hào)處理系統(tǒng)獲得低電壓;當(dāng)掃描筆頭在白色間隔上移動(dòng)時(shí),R相當(dāng)于小電阻,回路電流較大,R0兩端的電壓較高,信號(hào)處理系統(tǒng)獲得高電壓,A錯(cuò)誤,B正確;如果掃描速度發(fā)生變化,在信號(hào)處理系統(tǒng)中高低電壓的時(shí)間間隔就會(huì)發(fā)生變化,若掃描速度過(guò)快,可能無(wú)法正確判斷黑、白條紋寬度,出現(xiàn)錯(cuò)誤識(shí)別信息,C錯(cuò)誤;掃描筆頭外殼出現(xiàn)破損時(shí),外面的光就會(huì)進(jìn)入光敏三極管,從而出現(xiàn)錯(cuò)誤信息,導(dǎo)致掃描筆不能正常工作,D錯(cuò)誤。專題二傳感器在實(shí)際問(wèn)題中的應(yīng)用以傳感器為橋梁可以將多方面的物理知識(shí)整合在一起,在實(shí)際問(wèn)題中既可以直接考查傳感器知識(shí),也可以考查敏感元件的敏感特性。幾種傳感器及與其相聯(lián)系的物理知識(shí),如表:傳感器種類敏感元件與之相聯(lián)系的物理知識(shí)光傳感器光敏電阻直流電路動(dòng)態(tài)分析溫度傳感器熱敏電阻直流電路問(wèn)題力傳感器力敏電阻力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)與直流電路電容傳感器電容器力、運(yùn)動(dòng)與含電容電路典例2

材料的電阻隨壓力的變化而變化的現(xiàn)象稱為“壓阻效應(yīng)”,利用這種效應(yīng)可以測(cè)量壓力大小。若圖甲為某力敏元件在室溫下的電阻—壓力特性曲線,其中RF、R0分別表示有、無(wú)壓力時(shí)壓敏電阻的阻值。為了測(cè)量壓力F,需先測(cè)量力敏元件處于壓力中的電阻值RF。請(qǐng)按要求完成下列實(shí)驗(yàn)。(1)設(shè)計(jì)一個(gè)可以測(cè)量處于壓力中的該力敏元件阻值的電路,在圖乙的虛線框中畫出實(shí)驗(yàn)電路原理圖(壓敏電阻及所給壓力已給出,待測(cè)壓力大小約為0.4×102~0.8×102N,不考慮壓力對(duì)電路其他部分的影響),要求誤差較小,提供的器材如下:A.力敏元件:無(wú)壓力時(shí)阻值R0=6000ΩB.滑動(dòng)變阻器R:最大阻值為200ΩC.電流表A:量程2.5mA,內(nèi)阻約30ΩD.電壓表V:量程3V,內(nèi)阻約3kΩE.直流電源E:電動(dòng)勢(shì)3V,內(nèi)阻很小F.開關(guān)S,導(dǎo)線若干答案

見(jiàn)解析圖

(2)正確接線后,將力敏元件置于待測(cè)壓力下,通過(guò)力敏元件的電流是1.33mA,電壓表的示數(shù)如圖丙所示,則電壓表的讀數(shù)為

V。

(3)此時(shí)力敏元件的阻值為

Ω;結(jié)合圖甲可知待測(cè)壓力的大小F=

N。(計(jì)算結(jié)果均保留兩位有效數(shù)字)

2.001.5×10360解析

(1)根據(jù)題述對(duì)實(shí)驗(yàn)電路的要求,應(yīng)該采用分壓式接法、電流表內(nèi)接的電路,原理圖如圖所示。(2)根據(jù)電壓表讀數(shù)規(guī)則,電壓表讀數(shù)為2.00

V。

針對(duì)訓(xùn)練2為了研究光敏電阻在室內(nèi)正常光照射和室外強(qiáng)光照射時(shí)電阻的大小關(guān)系,某同學(xué)用如圖甲所示的電路進(jìn)行實(shí)驗(yàn),得出兩種U-I圖線,如圖乙所示。(1)根據(jù)U-I圖線可知正常光照射時(shí)光敏電阻的阻值為

Ω,強(qiáng)光照射時(shí)電阻為

Ω。

(2)若實(shí)驗(yàn)中所用電壓表的內(nèi)阻約為5kΩ,毫安表的內(nèi)阻約為100Ω,考慮到電表內(nèi)阻對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響,此實(shí)驗(yàn)中

(選填“正常光照射時(shí)”或“強(qiáng)光照射時(shí)”)測(cè)得的電阻誤差較大。若測(cè)量這種光照下的電阻,則需將實(shí)物圖中毫安表的連接方式采用

(選填“內(nèi)接”或“外接”)法進(jìn)行實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)結(jié)果較為準(zhǔn)確。

3000200強(qiáng)光照射時(shí)

外接

解析

(1)光敏電阻的阻值隨光照的增強(qiáng)而減小,結(jié)合題圖乙知正常光照射(2)實(shí)驗(yàn)電路采用的是毫安表內(nèi)接法,測(cè)得的結(jié)果比真實(shí)值偏大,當(dāng)待測(cè)電阻遠(yuǎn)大于毫安表內(nèi)阻時(shí)實(shí)驗(yàn)誤差較小,所以強(qiáng)光照射時(shí)誤差較大;強(qiáng)光照射時(shí)采用毫安表外接法實(shí)驗(yàn)結(jié)果較為準(zhǔn)確。專題三利用傳感器制作簡(jiǎn)單的自動(dòng)控制裝置1.敏感元件:相當(dāng)于人的感覺(jué)器官,直接感受被測(cè)量,并將其變換成與被測(cè)量成一定關(guān)系的易于測(cè)量的物理量。2.轉(zhuǎn)換元件:也稱為傳感元件,通常不直接感受被測(cè)量,而是將敏感元件輸出的物理量轉(zhuǎn)換成電學(xué)量輸出。3.轉(zhuǎn)換電路:是將轉(zhuǎn)換元件輸出的電學(xué)量轉(zhuǎn)換成易于測(cè)量的電學(xué)量,如電壓、電流等。典例3

已知一熱敏電阻當(dāng)溫度從10℃升至60℃時(shí)阻值從幾千歐姆降至幾百歐姆,某同學(xué)利用伏安法測(cè)量其阻值隨溫度的變化關(guān)系。所用器材:電源E、開關(guān)S、滑動(dòng)變阻器R(最大阻值為20Ω)、電壓表(可視為理想電表)和毫安表(內(nèi)阻約為100Ω)。(1)在所給的器材符號(hào)之間畫出連線,組成測(cè)量電路圖。答案

(1)如圖所示。

(2)實(shí)驗(yàn)時(shí),將熱敏電阻置于溫度控制室中,記錄不同溫度下電壓表和毫安表的示數(shù),計(jì)算出相應(yīng)的熱敏電阻阻值。若某次測(cè)量中電壓表和毫安表的示數(shù)分別為5.5V和3.0mA,則此時(shí)熱敏電阻的阻值為

kΩ(保留2位有效數(shù)字)。實(shí)驗(yàn)中得到的該熱敏電阻阻值R隨溫度t變化的曲線如圖甲所示。

(3)將熱敏電阻從溫控室取出置于室溫下,測(cè)得達(dá)到熱平衡后熱敏電阻的阻值為2.2kΩ。由圖甲求得,此時(shí)室溫為

℃(保留3位有效數(shù)字)。

1.825.5(4)利用實(shí)驗(yàn)中的熱敏電阻可以制作溫控報(bào)警器,其電路的一部分如圖乙所示。圖乙中,E為直流電源(電動(dòng)勢(shì)為10V,內(nèi)阻可忽略);當(dāng)圖乙中的輸出電壓達(dá)到或超過(guò)6.0V時(shí),便觸發(fā)報(bào)警器(圖中未畫出)報(bào)警。若要求開始報(bào)警時(shí)環(huán)境溫度為50℃,則圖中

(選填“R1”或“R2”)應(yīng)使用熱敏電阻,另一固定電阻的阻值應(yīng)為

kΩ(保留2位有效數(shù)字)。

甲

乙R11.2解析

本題屬于創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)題,通過(guò)傳感器的控制作用,考查考生的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力。(1)滑動(dòng)變阻器的阻值遠(yuǎn)小于熱敏電阻的阻值,滑動(dòng)變阻器使用分壓接法;電壓表為理想電表,所以電流表使用外接法。(3)由題圖甲可得,2.2

kΩ對(duì)應(yīng)的溫度為25.5

℃。

(4)輸出電壓即R2兩端電壓達(dá)到或超過(guò)6.0

V時(shí)報(bào)警器報(bào)警,即R2兩端電壓應(yīng)隨溫度升高而變大,因?yàn)樵摕崦綦娮鑂隨溫度升高而變小,由串聯(lián)電路分壓規(guī)律知R1為熱敏電阻;由題圖甲可得,50

℃對(duì)應(yīng)的熱敏電阻阻值為0.8

kΩ,另一固定電阻R2兩端的電壓為6

V時(shí),R1兩端的電壓為4

V,則

=1.2

kΩ。方法技巧

傳感器問(wèn)題的分析思路:不同類型的傳感器,其工作原理一般不同,但所有的傳感器都是把非電學(xué)量的變化轉(zhuǎn)換為電學(xué)量的變化。因此我們可以根據(jù)電學(xué)量的變化來(lái)推測(cè)相關(guān)量的變化。類型工作原理舉例物理傳感器利用物質(zhì)的物理性質(zhì)和物理效應(yīng)感知并檢測(cè)出待測(cè)對(duì)象信息壓力傳感器、溫度傳感器、光傳感器、磁傳感器、電容傳感器等化學(xué)傳感器利用化學(xué)反應(yīng)識(shí)別和檢測(cè)信息氣敏傳感器、濕敏傳感器等生物傳感器利用生物化學(xué)反應(yīng)識(shí)別和檢測(cè)信號(hào)酶?jìng)鞲衅?、組織傳感器、細(xì)胞傳感器等針對(duì)訓(xùn)練3如圖所示是電飯煲的電路圖,S1是一個(gè)溫控開關(guān),手動(dòng)閉合后,當(dāng)此開關(guān)溫度達(dá)到居里點(diǎn)(103℃)時(shí),會(huì)自動(dòng)斷開。S2是一個(gè)自動(dòng)溫控開關(guān),當(dāng)溫度低于70℃時(shí),會(huì)自動(dòng)閉合;溫度高于80℃時(shí),會(huì)自動(dòng)斷開。紅燈是加熱時(shí)的指示燈,黃燈是保溫時(shí)的指示燈。分流電阻R1=R2=500Ω,加熱電阻絲R3=50Ω,兩燈電阻不計(jì)。(1)分析電飯煲的工作原理。(2)計(jì)算加熱和保溫兩種狀態(tài)下,電飯煲消耗的電功率之比。(3)簡(jiǎn)要回答,如果不閉合開關(guān)S1,能將飯煮熟嗎?解析

(1)電飯煲接上電源,S2自動(dòng)閉合,同時(shí)手動(dòng)閉合S1,這時(shí)黃燈短路,紅燈亮,電飯煲處于加熱狀態(tài)。加熱到80

℃時(shí),S2自動(dòng)斷開,S1仍閉合。水燒干后,溫度升高到“居里點(diǎn)”103

℃時(shí),開關(guān)S1自動(dòng)斷開,這時(shí)飯已煮熟,黃燈亮,