人教版(新教材)高中物理選擇性必修2學(xué)案：5 1 認識傳感器-5 2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PAGEPAGE11認識傳感器2常見傳感器的工作原理及應(yīng)用〖學(xué)習(xí)目標〗1.知道什么是傳感器，了解傳感器的種類.2.知道傳感器的組成與應(yīng)用模式.3.知道光敏電阻、金屬熱電阻、熱敏電阻、電阻應(yīng)變片的工作原理及應(yīng)用．一、傳感器及其工作原理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：二、光敏電阻光敏電阻在被光照射時電阻發(fā)生變化，光敏電阻能夠把光照強弱這個光學(xué)量轉(zhuǎn)換為電阻這個電學(xué)量．三、金屬熱電阻和熱敏電阻1．金屬熱電阻：金屬的電阻率隨溫度的升高而增大，利用這一特性，金屬絲可以制作成溫度傳感器，稱為熱電阻．2．熱敏電阻：用半導(dǎo)體材料制成，氧化錳制成的熱敏電阻的阻值隨溫度的升高而減?。?、電阻應(yīng)變片1．電阻應(yīng)變效應(yīng)：金屬導(dǎo)體在外力作用下發(fā)生機械形變時，其電阻也隨之變化的現(xiàn)象．2．電阻應(yīng)變片：電阻應(yīng)變片有金屬電阻應(yīng)變片和半導(dǎo)體電阻應(yīng)變片，半導(dǎo)體電阻應(yīng)變片的工作原理是基于半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)．3．電阻應(yīng)變片能夠把物體形變這個力學(xué)量轉(zhuǎn)換為電阻這個電學(xué)量．判斷下列說法的正誤．(1)傳感器可以把非電學(xué)量轉(zhuǎn)化為電學(xué)量．(√)(2)光敏電阻的阻值隨光照的強弱而變化，光照越強電阻越大．(×)(3)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，但靈敏度低．(×)(4)電阻應(yīng)變片能夠把物體的形變情況轉(zhuǎn)變?yōu)殡娮璧淖兓?√)一、傳感器導(dǎo)學(xué)探究干簧管結(jié)構(gòu)：如圖1甲所示，玻璃管內(nèi)封入了兩個軟磁性材料制成的簧片，接入圖乙電路，當條形磁體靠近干簧管時：圖1(1)會發(fā)生什么現(xiàn)象，為什么？(2)干簧管的作用是什么？〖答案〗(1)燈泡會亮，因為當條形磁體靠近干簧管時，兩個簧片被磁化而接通．(2)干簧管起到開關(guān)的作用，是一種能夠感知磁場的傳感器．知識深化1．傳感器的核心元件(1)敏感元件：相當于人的感覺器官，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：是傳感器中能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．2．傳感器的工作原理傳感器感受的通常是非電學(xué)量，如壓力、溫度、位移、濃度、速度、酸堿度等，而它輸出的通常是電學(xué)量，如電壓、電流、電荷量等．這些輸出信號是非常微弱的，通常要經(jīng)過放大后再輸送給控制系統(tǒng)產(chǎn)生各種控制動作．傳感器的工作原理如下所示：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)關(guān)于傳感器，下列說法正確的是()A．所有傳感器都是由半導(dǎo)體材料制成的B．金屬材料也可以制成傳感器C．傳感器主要是通過感知電壓的變化來傳遞信號的D．水銀溫度計是一種傳感器〖答案〗B〖解析〗傳感器材料分為半導(dǎo)體材料、陶瓷材料、金屬材料和有機材料等，A錯誤，B正確；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，C錯誤；水銀溫度計根據(jù)熱脹冷縮來測量溫度，不是傳感器，D錯誤．許多辦公樓及宿舍樓的樓梯上的電燈白天不亮，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的“開關(guān)”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〖答案〗C〖解析〗樓道中安裝了自動燈光控制系統(tǒng)，白天燈不亮與光傳感器有關(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．二、光敏電阻及其應(yīng)用導(dǎo)學(xué)探究在工廠生產(chǎn)車間的生產(chǎn)線上安裝計數(shù)器后，就可以準確得知生產(chǎn)產(chǎn)品的數(shù)量，如圖2所示為光敏電阻自動計數(shù)器的示意圖，其中R1為光敏電阻，R2為定值電阻．此光電計數(shù)器的基本工作原理是什么？圖2〖答案〗當光被產(chǎn)品擋住時，R1電阻增大，電路中電流減小，R2兩端電壓減小，信號處理系統(tǒng)得到低電壓，每通過一個產(chǎn)品就獲得一次低電壓，并計數(shù)一次．知識深化1．光敏電阻一般由半導(dǎo)體材料制成，當半導(dǎo)體材料受到光照時，載流子增多，導(dǎo)電性能明顯增強，光敏電阻把光照的強弱轉(zhuǎn)換為電阻的大?。?．光敏電阻的阻值隨光照強度的增強而明顯減?。軌虬压庹諒娙踹@個光學(xué)量轉(zhuǎn)換為電阻這個電學(xué)量．(多選)如圖3所示，R1、R2為定值電阻，L為小燈泡，R3為光敏電阻，當入射光強度增大時()圖3A．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〖答案〗ABC〖解析〗當入射光強度增大時，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，故電路的路端電壓減小，A項正確，D項錯誤；因路端電壓減小，且R1兩端電壓增大，故R2兩端電壓必減小，則R2中電流減小，B項正確；因干路電流增大，且R2中電流減小，知流過小燈泡的電流必增大，故小燈泡的功率增大，C項正確．三、金屬熱電阻和熱敏電阻及其應(yīng)用導(dǎo)學(xué)探究如圖4所示，將多用電表的選擇開關(guān)置于歐姆擋，再將多用電表的兩支表筆與負溫度系數(shù)的熱敏電阻RT(溫度升高，電阻減小)的兩端相連，這時表針恰好指在刻度盤的正中央．若在RT上擦一些酒精，多用電表指針將如何偏轉(zhuǎn)？若用吹風(fēng)機將熱風(fēng)吹向熱敏電阻，多用電表指針將如何偏轉(zhuǎn)？圖4〖答案〗由于酒精揮發(fā)，熱敏電阻RT溫度降低，電阻值增大，多用電表指針將向左偏；用吹風(fēng)機將熱風(fēng)吹向熱敏電阻，熱敏電阻RT溫度升高，電阻值減小，多用電表指針將向右偏．知識深化1．金屬熱電阻：金屬導(dǎo)體的電阻隨溫度的升高而增大，如圖5圖線①所示．2．熱敏電阻(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5線②所示為某熱敏電阻的電阻—溫度特性曲線．圖5(2)熱敏電阻分正溫度系數(shù)和負溫度系數(shù)熱敏電阻兩類，電阻值隨溫度升高而增大的是正溫度系數(shù)(PTC)熱敏電阻；電阻值隨溫度升高而減小的是負溫度系數(shù)(NTC)熱敏電阻．常用的是負溫度系數(shù)熱敏電阻．(多選)在溫控電路中，通過熱敏電阻阻值隨溫度的變化可實現(xiàn)對電路相關(guān)物理量的控制．如圖6所示電路，R1為定值電阻，R2為半導(dǎo)體熱敏電阻(溫度越高，電阻越小)，C為電容器．當環(huán)境溫度降低時()圖6A．電容器C的帶電荷量增大B．電壓表的讀數(shù)增大C．電容器C兩板間的電場強度減小D．R1消耗的功率增大〖答案〗AB〖解析〗當環(huán)境溫度降低時，R2的阻值變大，電路的總電阻變大，由I＝eq\f(E,R總)可知I變小，又U＝E－Ir，則電壓表的讀數(shù)增大，B正確；由P1＝I2R1可知，R1消耗的功率P1變小，D錯誤；電容器C兩板間的電壓U2＝U－U1，U1＝IR1，可知U1變小，U2變大，由場強E′＝eq\f(U2,d)，Q＝CU2可知，Q、E′都增大，故A正確，C錯誤．四、電阻應(yīng)變片導(dǎo)學(xué)探究如圖7所示是一個應(yīng)變式力傳感器，彈簧鋼制成的梁形元件右端固定，在梁的上下表面各貼一個應(yīng)變片．結(jié)合力傳感器的特點，敘述它的工作原理．圖7〖答案〗在梁的自由端施力F，則梁發(fā)生彎曲，上表面拉伸，下表面壓縮，上表面應(yīng)變片的電阻變大，下表面應(yīng)變片的電阻變?。越大，彎曲形變越大，應(yīng)變片的電阻變化就越大．如果讓應(yīng)變片中通過的電流保持恒定，那么上表面應(yīng)變片兩端的電壓變大，下表面應(yīng)變片兩端的電壓變?。畟鞲衅靼堰@兩個電壓的差值輸出．力F越大，輸出的電壓差值也就越大．有一種測量人體重的電子秤，其原理圖如圖8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(一個阻值可隨壓力大小而變化的電阻器)、顯示體重的儀表(其實質(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…圖8設(shè)踏板的杠桿組件的質(zhì)量不計，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(即踏板空載時的刻度線)應(yīng)標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)標在電流表刻度盤的15.6mA處．(3)當電流表刻度盤的讀數(shù)為I2＝20mA時，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.A．非電信息→敏感元件→處理電路→電信息B．電信息→處理電路→敏感元件→非電信息C．非電信息→敏感元件→電信息→處理電路D．非電信息→處理電路→敏感元件→電信息〖答案〗A2.(光敏電阻的應(yīng)用)如圖9所示，R3是光敏電阻(光照增強時電阻變小)，當開關(guān)S閉合后，在沒有光照射時，a、b兩點等電勢．當用光照射電阻R3時，則(電源內(nèi)阻不計)()圖9A．a(chǎn)點電勢高于b點電勢B．a(chǎn)點電勢低于b點電勢C．a(chǎn)點電勢等于b點電勢D．a(chǎn)點電勢和b點電勢的大小無法比較〖答案〗A〖解析〗當用光照射電阻R3時，R3電阻變小，R3兩端電壓減小，故a點電勢升高，因其他電阻的阻值不變，所以a點電勢高于b點電勢，故A正確．3．(熱敏電阻的特性)(2020·如東中學(xué)階段性檢測)某溫控電路的原理如圖10所示，RM是負溫度系數(shù)的熱敏電阻，R是滑動變阻器，某種儀器要求在15～27℃的環(huán)境中工作．當環(huán)境溫度偏高或偏低時，控制器會自動啟動降溫或升溫設(shè)備．下列說法正確的是()圖10A．環(huán)境溫度降低，RM的阻值減小B．環(huán)境溫度升高，Uab變大C．滑片P向下移動時，Uab變大D．調(diào)節(jié)滑片P的位置能改變降溫和升溫設(shè)備啟動時的臨界溫度〖答案〗D〖解析〗環(huán)境溫度降低時，RM的阻值變大，A錯誤；環(huán)境溫度升高，RM的阻值減小，則Uab變小，B錯誤；滑片P向下移動時，接入電路中的電阻變大，回路電流減小，則Uab變小，C錯誤；由C可知，調(diào)節(jié)滑片P的位置能改變臨界溫度，D正確．4．(電阻應(yīng)變片、