人教版(新教材)高中物理選擇性必修2學(xué)案：5 1-5 2 認(rèn)識傳感器 常見傳感器的工作原理及應(yīng)用

人教版(新教材)高中物理選擇性必修第二冊PAGEPAGE1第1節(jié)認(rèn)識傳感器第2節(jié)常見傳感器的工作原理及應(yīng)用學(xué)習(xí)目標(biāo)要求核心素養(yǎng)和關(guān)鍵能力1.知道傳感器的概念和工作原理。2.知道光敏電阻、熱敏電阻的特性和應(yīng)用。3.了解霍爾元件的原理。4.會分析傳感器在生產(chǎn)生活中的應(yīng)用。1.科學(xué)思維通過對傳感器工作原理的理解，體會將非電學(xué)量轉(zhuǎn)化為電學(xué)量的方法。2.關(guān)鍵能力科學(xué)探究能力。一、認(rèn)識傳感器1．傳感器的定義：能夠感受諸如力、溫度、光、聲、化學(xué)成分等被測量，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可用信號輸出。通常是電壓、電流等電學(xué)量，或轉(zhuǎn)換為電路的通斷。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，可以很方便地進(jìn)行測量、傳輸、處理和控制。3．傳感器的組成：傳感器的基本部分一般由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件組成。4．傳感器應(yīng)用的一般模式〖判一判〗(1)傳感器可以把非電學(xué)量轉(zhuǎn)換為電學(xué)量。(√)(2)傳感器可以把力學(xué)量(如形變量)轉(zhuǎn)變成電學(xué)量。(√)(3)傳感器可以把熱學(xué)量轉(zhuǎn)變成電學(xué)量。(√)(4)傳感器可以把光學(xué)量轉(zhuǎn)變成電學(xué)量。(√)二、光敏電阻1．特點(diǎn)：光照越強(qiáng)，電阻越小。2．原理：無光照時(shí)，載流子少，導(dǎo)電性能不好；隨著光照的增強(qiáng)，載流子增多，導(dǎo)電性變好。3．作用：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。三、金屬熱電阻和熱敏電阻1．熱敏電阻：用半導(dǎo)體材料制成?？煞譃檎郎囟认禂?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)隨溫度升高電阻減小。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。〖判一判〗(1)光敏電阻的阻值隨光線的強(qiáng)弱變化，光照越強(qiáng)電阻越小。(√)(2)熱敏電阻在溫度升高時(shí)阻值變小。(×)(3)金屬熱電阻在溫度升高時(shí)阻值變小。(×)(4)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。(×)(5)熱敏電阻和金屬熱電阻都能把溫度這個(gè)熱學(xué)量轉(zhuǎn)換為電阻這個(gè)電學(xué)量。(√)四、電阻應(yīng)變片1．電阻應(yīng)變片的工作原理(1)金屬的電阻應(yīng)變效應(yīng)：金屬導(dǎo)體在外力作用下發(fā)生機(jī)械形變，導(dǎo)體的長度，橫截面積變化從而引起電阻變化。(2)半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)：單晶半導(dǎo)體材料沿某一軸向受到外力作用時(shí)，其電阻率發(fā)生變化。2．力傳感器——電子秤(1)組成：由金屬梁和電阻應(yīng)變片組成。(2)工作原理(3)作用：應(yīng)變片將物體形變這個(gè)力學(xué)量轉(zhuǎn)換為電壓這個(gè)電學(xué)量。探究1傳感器的理解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：將敏感元件輸出的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。③轉(zhuǎn)換電路：將轉(zhuǎn)換元件輸出的不易測量的電學(xué)量轉(zhuǎn)換成易于測量的電學(xué)量，如電壓、電流、電阻等或電路的通斷。(2)傳感器的工作流程eq\x(非電學(xué)量)→eq\x(敏感元件)→eq\x(轉(zhuǎn)換元件)→eq\x(轉(zhuǎn)換電路)→eq\x(電學(xué)量)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?！祭?〗關(guān)于傳感器工作的一般流程，下列說法中正確的是()A．非電學(xué)量→敏感元件→轉(zhuǎn)換電路→電學(xué)量→轉(zhuǎn)換元件B．電學(xué)量→敏感元件→轉(zhuǎn)換電路→轉(zhuǎn)換元件→非電學(xué)量C．非電學(xué)量→敏感元件→轉(zhuǎn)換元件→轉(zhuǎn)換電路→電學(xué)量D．非電學(xué)量→轉(zhuǎn)換電路→轉(zhuǎn)換元件→敏感元件→電學(xué)量〖答案〗C〖解析〗傳感器工作的一般流程為：非電學(xué)量被敏感元件感知，然后通過轉(zhuǎn)換元件轉(zhuǎn)換成電信號，再通過轉(zhuǎn)換電路將此信號轉(zhuǎn)換成易于傳輸或測量的電學(xué)量，故A、B、D錯(cuò)誤，C正確。探究2敏感元件的特性及應(yīng)用光敏電阻、熱敏電阻、霍爾元件特點(diǎn)對比元件特點(diǎn)光敏電阻半導(dǎo)體材料受到的光照增強(qiáng)時(shí)，會有更多的電子獲得能量成為自由電子，即載流子數(shù)增多，于是導(dǎo)電性明顯地增強(qiáng)，電阻減小熱敏電阻和金屬熱電阻(1)熱敏電阻：指用半導(dǎo)體材料制成，電阻值隨溫度變化發(fā)生明顯變化的電阻。如圖線①所示為某熱敏電阻的電阻—溫度特性曲線。(2)金屬熱電阻：有些金屬的電阻率隨溫度的升高而增大，如圖線②所示，這樣的電阻也可以制作溫度傳感器。熱敏電阻或金屬熱電阻都能夠把溫度這個(gè)熱學(xué)量轉(zhuǎn)換為電阻這個(gè)電學(xué)量，但相比而言，金屬熱電阻的化學(xué)穩(wěn)定性好，測溫范圍大，而熱敏電阻的靈敏度較好?；魻栐魻栐蓸O間通入恒定的電流，同時(shí)外加與薄片垂直的磁場B時(shí)，薄片中的載流子就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，在兩極上形成穩(wěn)定的電壓UH＝eq\f(kIB,d)?！祭?〗(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)照射光強(qiáng)度減弱時(shí)()A．電壓表的示數(shù)增大B．R2中電流增大C．小燈泡的功率增大D．電路的路端電壓增大〖答案〗BD〖解析〗由圖可知，L與R3串聯(lián)后與R2并聯(lián)，再與R1串聯(lián)；當(dāng)光照減弱時(shí)，光敏電阻的阻值增大，則電路中總電阻增大，總電流減小，由U＝E－Ir可知，路端電壓增大，因電流減小，則R1兩端的電壓減小，R2兩端的電壓增大，R2中電流增大，則流過燈泡的電流減小，故燈泡的功率減小，故選項(xiàng)B、D正確?！祭?〗(2021·四川南充市川綿外國語高二期末)某同學(xué)準(zhǔn)備用一種熱敏電阻制作一只電阻溫度計(jì)。他先通過實(shí)驗(yàn)描繪出一段該熱敏電阻的I－U曲線，如圖甲所示，再將該熱敏電阻Rt與某一定值電阻串聯(lián)接在電路中，用理想電壓表與定值電阻并聯(lián)，并在電壓表的表盤上標(biāo)注溫度值，制成電阻溫度計(jì)，如圖乙所示。下列說法中正確的是()A．從圖甲可知，該熱敏電阻的阻值隨溫度的升高而增大B．圖乙中電壓表的指針偏轉(zhuǎn)角越大，溫度越高C．溫度越高，整個(gè)電路消耗的功率越小D．若熱敏電阻的阻值隨溫度均勻變化，則表盤上標(biāo)注溫度刻度也一定是均勻的〖答案〗B〖解析〗I－U圖像上的點(diǎn)與原點(diǎn)連線的斜率的倒數(shù)表示電阻，由甲圖可知，I越大，電阻越小，而溫度越高，則熱敏電阻的阻值隨溫度的升高而減小，選項(xiàng)A錯(cuò)誤；溫度越高，Rt阻值越小，熱敏電阻Rt與定值電阻R串聯(lián)接在電路中，電路中電流越大，R的電壓越大，電壓表的指針偏轉(zhuǎn)角越大，因此電壓表的指針偏轉(zhuǎn)角越大，溫度值越大，選項(xiàng)B正確；溫度越高，電路中電流越大，由P＝IE可知，整個(gè)電路消耗的功率越大，選項(xiàng)C錯(cuò)誤；若熱敏電阻的阻值隨溫度線性變化，由閉合電路歐姆定律I＝eq\f(E,R＋Rt＋r)，可知電路中電流I隨溫度是非線性變化的，由電壓表的示數(shù)U＝IR可知，U隨溫度是非線性變化的，因此表盤標(biāo)注溫度刻度一定是不均勻的，選項(xiàng)D錯(cuò)誤?！坚槍τ?xùn)練1〗(2021·重慶市育才中學(xué)期中)霍爾元件是一種磁傳感器，是實(shí)際生活中的重要元件之一。如圖所示為長度一定的霍爾元件，在該元件中通有方向從E到F的恒定電流I，在空間加一豎直向下的勻強(qiáng)磁場，磁感應(yīng)強(qiáng)度大小為B，霍爾元件中的載流子為負(fù)電荷。則下列說法正確的是()A．該元件能把電學(xué)量轉(zhuǎn)化為磁學(xué)量B．左表面的電勢高于右表面C．如果用該元件測赤道處的磁場，應(yīng)保持元件上表面呈水平狀態(tài)D．如果霍爾元件中的電流大小不變，則左、右表面的電勢差與磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度成正比〖答案〗D〖解析〗霍爾元件是把磁學(xué)量轉(zhuǎn)換為電學(xué)量，A錯(cuò)誤；由于霍爾元件中的載流子為負(fù)電荷，則負(fù)電荷的運(yùn)動方向由F到E，由左手定則可知負(fù)電荷向左表面偏轉(zhuǎn)，則右表面的電勢高，B錯(cuò)誤；如果用該元件測赤道處的磁場，由于地磁場與水平面平行，因此如果霍爾元件的上表面保持水平，則無電壓產(chǎn)生，C錯(cuò)誤；根據(jù)qvB＝qeq\f(U,d)得，U＝Bdv，又I＝nqSv，聯(lián)立解得U＝eq\f(IBd,nqS)，可知保持電流不變，則左、右表面的電勢差與磁感應(yīng)強(qiáng)度成正比，D正確。探究3力傳感器和其他傳感器〖例4〗有一種測量人體重的電子秤，其原理圖如圖中的虛線所示。它主要由三部分構(gòu)成：踏板和壓力杠桿ABO、壓力傳感器R(一個(gè)阻值可隨壓力大小而變化的電阻器)、顯示體重的儀表(其實(shí)質(zhì)是電流表)。其中AO∶BO＝5∶1。已知壓力傳感器的電阻與其所受壓力的關(guān)系如下表所示：壓力F/N050100150200250300…電阻R/Ω300270240210180150120…設(shè)踏板的杠桿組件的質(zhì)量不計(jì)，接通電源后，壓力傳感器兩端電壓恒為4.68V，則：(1)利用表中數(shù)據(jù)歸納出電阻R隨壓力F變化的函數(shù)關(guān)系式；(2)該秤零刻度線(即踏板空載時(shí)的刻度線)應(yīng)標(biāo)在電流表刻度盤多少毫安處？(3)如果某人站在踏板上，電流表刻度盤示數(shù)為20mA，這個(gè)人的體重是多少？(取g＝10N/kg)〖答案〗(1)R＝300－0.6F(2)15.6mA(3)55kg〖解析〗(1)由表中數(shù)據(jù)可歸納得出R＝300－0.6F。(2)依題意可知，電子秤空載時(shí)壓力傳感器受到的壓力為零，電阻R1＝300Ω，電路中的電流為I1＝eq\f(U,R1)＝eq\f(4.68,300)A＝15.6mA，所以該秤零刻度線應(yīng)標(biāo)在電流表刻度盤的15.6mA處。(3)當(dāng)電流表刻度盤的讀數(shù)為I2＝20mA時(shí)，壓力傳感器的電阻R2＝eq\f(U,I2)＝eq\f(4.68,20×10－3)Ω＝234Ω由R＝300－0.6F，解得F2＝110N再由F2·AO＝G·BO，可得G＝550N故人的體重為m＝eq\f(G,g)＝55kg?！坚槍τ?xùn)練2〗(多選)電容式傳感器是將非電信號轉(zhuǎn)換為電信號的裝置。由于電容器的電容C取決于極板正對面積S、極板間距離d以及極板間的電介質(zhì)這幾個(gè)因素，當(dāng)某一物理量發(fā)生變化時(shí)就能引起上述某個(gè)因素的變化，從而引起電容的變化，如圖所示是四個(gè)電容式傳感器的示意圖，關(guān)于這四個(gè)傳感器的作用，下列說法正確的是()A．甲圖的傳感器可以用來測量角度B．乙圖的傳感器可以用來測量液面的高度C．丙圖的傳感器可以用來測量壓力D．丁圖的傳感器只能用來測量速度〖答案〗ABC1．(傳感器的理解)(多選)關(guān)于傳感器的作用，下列說法正確的是()A．通常的傳感器可以直接用來進(jìn)行自動控制B．傳感器可以用來采集信息C．傳感器可以將感受到的一些信號轉(zhuǎn)換為電學(xué)量D．傳感器可以將所有感受到的信號都轉(zhuǎn)換為電學(xué)量〖答案〗BC〖解析〗傳感器一定是通過非電學(xué)量轉(zhuǎn)換成電學(xué)量來傳遞信號的，不能實(shí)現(xiàn)自動控制，所以A錯(cuò)誤；由于傳感器可將非電學(xué)量轉(zhuǎn)換成電學(xué)量，因此傳感器也可以用來采集信息，所以B正確；傳感器可以將感受到的一些信號轉(zhuǎn)換為電學(xué)量，但并不是將所有感受到的信號都轉(zhuǎn)換為電學(xué)量，所以C正確，D錯(cuò)誤。2．(敏感元件的特性及應(yīng)用)某樓梯口的電燈開關(guān)裝有傳感器，天黑時(shí)，出現(xiàn)聲音才能發(fā)光，而白天即使有聲音，電燈也不能發(fā)光，該開關(guān)中有兩種傳感器，它們可能是()A．光敏電阻和駐極體話筒 B．金屬熱電阻和光敏電阻C．熱敏電阻和霍爾元件 D．熱敏電阻和光敏電阻〖答案〗A〖解析〗根據(jù)題意，天黑時(shí)，出現(xiàn)聲音它就開啟；而白天，即使有聲音它也沒有反應(yīng)，故電路中有光傳感器，即使天黑，沒聲音燈也不亮，故用到了聲音傳感器。即控制電路中接入了光傳感器、聲音傳感器，話筒就是聲音傳感器，故A正確，B、C、D錯(cuò)誤。3．(力傳感器)(2021·龍巖市漳平一中月考)如圖是安裝在潛水器上深度表的電路簡圖，顯示器由電流表(電阻不計(jì))改裝而成，壓力傳感器的電阻隨壓力的增大而減小，電源電動勢不變，內(nèi)阻為r，定值電阻阻值為R0，在潛水器下潛過程中，電路中有關(guān)物理量的變化情況是()A．通過顯示器的電流減小B．R0兩端的電壓增大C．傳感器兩端的電壓增大D．電路的總功率減小〖答案〗B〖解析〗在潛水器下潛過程中，壓力傳感器受到的壓力越來越大，壓力傳感器的電阻隨壓力的增大而減小，所以電路中的總電阻減小，由閉合電路歐姆定律I＝eq\f(E,R傳＋R0＋r)可知電路中的總電流增大，即通過顯示器的電流增大，故A錯(cuò)誤；R0兩端的電壓U＝IR0增大，故B正確；傳感器兩端的電壓U傳＝E－I(R0＋r)，由于I增大，E、R0、r都不變，則傳感器兩端的電壓減小，故C錯(cuò)誤；由P＝EI可知，電路的總功率增大，故