新教材人教版選擇性必修第二冊(cè)第五章2常見(jiàn)傳感器的工作原理及應(yīng)用課件（46張）

2.常見(jiàn)傳感器的工作原理及應(yīng)用第五章2021內(nèi)容索引0102課前篇自主預(yù)習(xí)課堂篇探究學(xué)習(xí)學(xué)習(xí)目標(biāo)思維導(dǎo)圖1.通過(guò)實(shí)驗(yàn),了解常見(jiàn)傳感器的工作原理,會(huì)利用傳感器制作簡(jiǎn)單的自動(dòng)裝置。(科學(xué)思維)2.認(rèn)識(shí)簡(jiǎn)單的自動(dòng)控制電路。(科學(xué)思維)課前篇自主預(yù)習(xí)必備知識(shí)一、光敏電阻1.光敏電阻是用硫化鎘做成的,光照強(qiáng)度不同時(shí)電阻不同,光敏電阻是光傳感器中常見(jiàn)的光敏元件。2.硫化鎘是一種半導(dǎo)體材料,無(wú)光照時(shí),載流子極少,導(dǎo)電性能差;隨著光照的增強(qiáng),載流子增多,導(dǎo)電性變好。3.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。二、金屬熱電阻和熱敏電阻1.除了光照以外,溫度也能明顯地影響金屬導(dǎo)體和半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電性能。金屬熱電阻和熱敏電阻就是傳感器中常見(jiàn)的感知溫度的敏感元件。2.金屬的電阻率隨溫度的升高而增大,用金屬絲可以制作溫度傳感器,稱為熱電阻。3.有些半導(dǎo)體在溫度上升時(shí)導(dǎo)電能力增強(qiáng),因此可以用半導(dǎo)體材料制作熱敏電阻。4.金屬熱電阻和熱敏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。三、電阻應(yīng)變片1.金屬導(dǎo)體在外力作用下發(fā)生機(jī)械形變(伸長(zhǎng)或縮短)時(shí),其電阻隨著它所受機(jī)械形變的變化而發(fā)生變化的現(xiàn)象,稱為金屬的電阻應(yīng)變效應(yīng)。2.除了金屬電阻應(yīng)變片外,常用的電阻應(yīng)變片還有半導(dǎo)體電阻應(yīng)變片,它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(gè)力學(xué)量轉(zhuǎn)換為電阻這個(gè)電學(xué)量。4.常用的一種力傳感器是由金屬梁和電阻應(yīng)變片組成的,稱為應(yīng)變式力傳感器。5.光敏電阻、熱敏電阻、電阻應(yīng)變片等電阻式傳感器的工作共性是通過(guò)測(cè)量電阻的變化來(lái)確定外界非電學(xué)量的變化。6.電容器的電容C決定于極板的正對(duì)面積S、極板間的距離d以及極板間的電介質(zhì)這三個(gè)因素。如果某個(gè)物理量的變化能引起上述某個(gè)因素的變化,從而引起電容的變化,那么,通過(guò)測(cè)定電容器的電容就可以確定這個(gè)物理量的變化,由此可以制成電容式傳感器。自我檢測(cè)1.判斷正誤,判斷結(jié)果為錯(cuò)誤的小題請(qǐng)說(shuō)明原因。(1)金屬熱電阻隨溫度的升高導(dǎo)電能力增強(qiáng),它的化學(xué)穩(wěn)定性好,測(cè)量范圍大。(

)解析

金屬熱電阻隨溫度的升高導(dǎo)電能力減弱。答案

×(2)熱敏電阻和金屬熱電阻都能把溫度這個(gè)熱學(xué)量轉(zhuǎn)換成電阻這個(gè)電學(xué)量。(

)答案

√(3)霍爾電壓與組成霍爾元件的材料無(wú)關(guān)。(

)解析

霍爾電壓與組成霍爾元件的材料有關(guān)。答案

×(4)霍爾元件能夠把磁感應(yīng)強(qiáng)度這個(gè)磁學(xué)量轉(zhuǎn)化為電壓這個(gè)電學(xué)量。(

)答案

√(5)光敏電阻的阻值隨光照的強(qiáng)弱而變化,光照越強(qiáng)電阻越大。(

)解析

光敏電阻的阻值隨光照的強(qiáng)弱而變化,光照越強(qiáng)電阻越小。答案

×(6)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?

)答案

√2.許多樓道照明燈具有這樣的功能:天黑時(shí),出現(xiàn)聲音它就開(kāi)啟;而在白天,即使有聲音它也沒(méi)有反應(yīng),它的控制電路中可能接入的傳感器是(

)①溫度傳感器

②光傳感器

③聲音傳感器

④熱傳感器A.①② B.②③

C.③④ D.②④解析

樓道燈控制電路中安裝有光聲控延時(shí)開(kāi)關(guān),它裝有光敏感元件,用于感知外界光線的強(qiáng)弱,還安裝有聲敏感元件用于感知外界聲響。當(dāng)白天外界光線較強(qiáng)時(shí),光聲控延時(shí)開(kāi)關(guān)總處于斷開(kāi)狀態(tài),燈不亮;當(dāng)夜晚光線較弱且有聲響時(shí)光聲控延時(shí)開(kāi)關(guān)處于導(dǎo)通狀態(tài),燈亮,延時(shí)一段時(shí)間后,開(kāi)關(guān)斷開(kāi),燈熄滅。答案

B課堂篇探究學(xué)習(xí)探究一光敏電阻情境探究實(shí)驗(yàn):將一只光敏電阻接到多用電表的兩端,電表置于倍率為100的歐姆擋。觀察在室內(nèi)自然光照射下的電阻值,用手掌遮光時(shí)的電阻值,用陽(yáng)光直接照射時(shí)的電阻值。(1)觀察到的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象是什么?(2)該實(shí)驗(yàn)?zāi)艿贸鍪裁唇Y(jié)論?要點(diǎn)提示

(1)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象:同一只光敏電阻,用多用電表測(cè)量其阻值,用手掌遮光時(shí),電阻值較大,在室內(nèi)自然光的照射下電阻值變小,改用陽(yáng)光直接照射時(shí),電阻值變得更小。(2)實(shí)驗(yàn)結(jié)論:光敏電阻的阻值隨光照強(qiáng)度的增強(qiáng)而明顯減小。知識(shí)歸納光敏電阻的特點(diǎn)及工作原理(1)當(dāng)半導(dǎo)體材料受到光照或者溫度升高時(shí),會(huì)有更多的電子獲得能量成為自由電子,同時(shí)也形成更多的空穴,于是導(dǎo)電能力明顯增強(qiáng)。(2)光敏電阻是用半導(dǎo)體材料(如硫化鎘)制成的。它的特點(diǎn)是光照越強(qiáng),電阻越小。它能夠把光照強(qiáng)弱這個(gè)光學(xué)量轉(zhuǎn)換為電阻這個(gè)電學(xué)量。實(shí)例引導(dǎo)例1(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(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D.電路的路端電壓增大解析

當(dāng)入射光強(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,從而電壓表的示數(shù)增大,同時(shí)內(nèi)電壓增大,故電路的路端電壓減小,A項(xiàng)正確,D項(xiàng)錯(cuò)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,故B項(xiàng)正確。結(jié)合干路電流增大、R2中電流減小,知流過(guò)小燈泡的電流必增大,故小燈泡的功率增大,C項(xiàng)正確。答案

ABC規(guī)律方法

解決含有光敏電阻的直流電路動(dòng)態(tài)分析問(wèn)題(1)明確光敏電阻的電阻特性;(2)解題思路:變式訓(xùn)練

1如圖所示,將一光敏電阻接入多用電表兩表筆上,將多用電表的選擇開(kāi)關(guān)置于歐姆擋,用光照射光敏電阻時(shí)表針自左向右的偏角為θ,現(xiàn)用手掌擋住部分光線,表針自左向右的偏角變?yōu)棣?,則可判斷(

)A.θ'=θ B.θ'<θC.θ'>θ D.不能確定解析

光敏電阻的阻值隨光照強(qiáng)度的增強(qiáng)而減小,用手掌擋住部分光線,阻值變大,指針自左向右偏轉(zhuǎn)角度變小,故B正確。答案

B探究二熱敏電阻和金屬熱電阻情境探究如圖所示,將多用電表的選擇開(kāi)關(guān)置于歐姆擋,再將電表的兩支表筆與負(fù)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(shí)表針恰好指在刻度盤(pán)的正中央。若在RT上擦一些酒精,表針將如何偏轉(zhuǎn)?若用吹風(fēng)機(jī)將熱風(fēng)吹向熱敏電阻,表針將如何偏轉(zhuǎn)?要點(diǎn)提示

由于酒精蒸發(fā),熱敏電阻RT溫度降低,電阻值增大,指針將向左偏;用吹風(fēng)機(jī)將熱風(fēng)吹向熱敏電阻,熱敏電阻RT溫度升高,電阻值減小,指針將向右偏。知識(shí)歸納熱敏電阻和金屬熱電阻的特點(diǎn)(1)熱敏電阻:用半導(dǎo)體材料制成。(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。(3)熱敏電阻和金屬熱電阻的區(qū)別

分類熱敏電阻金屬熱電阻特點(diǎn)負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻,電阻率隨溫度的升高而減小電阻率隨溫度的升高而增大R-T圖像(負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻)分類熱敏電阻金屬熱電阻制作材料半導(dǎo)體金屬導(dǎo)電原理自由電子和空穴等載流子自由電子的定向移動(dòng)優(yōu)

點(diǎn)靈敏度較好化學(xué)穩(wěn)定性好,測(cè)溫范圍大,但靈敏度較差作

用將溫度這個(gè)熱學(xué)量轉(zhuǎn)換為電阻這個(gè)電學(xué)量實(shí)例引導(dǎo)例2

如圖所示,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)(

)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(qiáng)D.小燈泡的亮度變?nèi)踅馕?/p>

R2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(shí),熱敏電阻R2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(qiáng),R1兩端的電壓減小,故只有C正確。答案

C變式訓(xùn)練

2如圖所示,由電源、小燈泡、電阻絲、開(kāi)關(guān)組成的電路中,當(dāng)閉合開(kāi)關(guān)S后,小燈泡正常發(fā)光,若用酒精燈加熱電阻絲時(shí),發(fā)現(xiàn)小燈泡亮度變暗,發(fā)生這一現(xiàn)象的主要原因是(

)A.小燈泡的電阻發(fā)生了變化B.小燈泡燈絲的電阻率隨溫度發(fā)生了變化C.電阻絲的電阻率隨溫度發(fā)生了變化D.電源的電壓隨溫度發(fā)生了變化解析

電阻絲的電阻率隨溫度的升高而增大,電阻也增大,電路中電流減小,根據(jù)P=I2R知,小燈泡的實(shí)際功率減小,所以變暗。答案

C探究三霍爾元件情境探究如圖所示,在矩形半導(dǎo)體薄片E、F間通入恒定的電流I,同時(shí)外加與薄片垂直的磁場(chǎng)B,則M、N間會(huì)出現(xiàn)電壓,稱為霍爾電壓UH。(1)分析為什么會(huì)出現(xiàn)電壓。(2)試推導(dǎo)UH的表達(dá)式。(電流的微觀表達(dá)式I=nqvS)要點(diǎn)提示

(1)薄片中的載流子在洛倫茲力的作用下,向著與電流和磁場(chǎng)都垂直的方向漂移,使M、N間出現(xiàn)了電壓。(2)設(shè)薄片厚度為d,EF方向長(zhǎng)度為l1,MN方向長(zhǎng)度為l2,受力分析如圖。

知識(shí)歸納霍爾元件的工作原理與特點(diǎn)(1)霍耳元件的工作原理:E、F間通入恒定的電流I,同時(shí)外加與薄片垂直的磁場(chǎng)B時(shí),薄片中的載流子就在洛倫茲力作用下,向著與電流和磁場(chǎng)都垂直的方向漂移,使M、N間出現(xiàn)電壓(如圖所示)。(2)霍爾元件在電流、電壓穩(wěn)定時(shí),載流子所受電場(chǎng)力和洛倫茲力二力平衡。(3)霍爾電壓:UH=k

(d為薄片的厚度,k為霍爾系數(shù))。當(dāng)電流I一定時(shí),UH與B成正比,所以霍爾元件能把磁學(xué)量轉(zhuǎn)換成電學(xué)量。實(shí)例引導(dǎo)例3

如圖所示,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?解析

因?yàn)樽杂呻姾蔀殡娮?運(yùn)動(dòng)方向與電流方向相反,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)的自由電子所受電場(chǎng)力與洛倫茲力平衡時(shí),規(guī)律方法

霍爾電勢(shì)高低的判斷方法由左手定則判斷帶電粒子的受力方向,如果帶電粒子是正電荷,則拇指所指的面為高電勢(shì)面,如果是負(fù)電荷,則拇指所指的面為低電勢(shì)面。在判斷電勢(shì)高低時(shí)一定要注意載流子是正電荷還是負(fù)電荷。變式訓(xùn)練

3(多選)如圖所示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)(

)A.將永磁體的一個(gè)磁極逐漸靠近霍爾元件的工作面,且永磁體的磁場(chǎng)與原磁場(chǎng)方向相同,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)生變化解析

將永磁體的磁極逐漸靠近霍爾元件的工作面時(shí),且永磁體的磁場(chǎng)與原磁場(chǎng)方向相同,B增大,I恒定,由公式UH=知UH將變大,選項(xiàng)A正確;地球兩極的磁場(chǎng)方向在豎直方向上,所以霍爾元件的工作面應(yīng)保持水平,使B與工作面垂直,選項(xiàng)B正確;地球赤道上的磁場(chǎng)沿水平方向,只有霍爾元件的工作面在豎直方向且垂直于南北時(shí),B才與工作面垂直,選項(xiàng)C錯(cuò)誤;改變磁感線與霍爾元件工作面的夾角,B在垂直工作面方向上的大小發(fā)生變化,UH將發(fā)生變化,選項(xiàng)D正確。答案

ABD隨堂檢測(cè)1.非觸摸式自動(dòng)感應(yīng)水龍頭如圖所示,其應(yīng)用的傳感器是(

)A.壓力傳感器B.光電傳感器C.生物傳感器D.溫度傳感器解析

自動(dòng)感應(yīng)水龍頭應(yīng)用的是光電傳感器。答案

B2.如圖甲所示,光敏電阻R2上加上如圖乙所示的光照,那么R2兩端的電壓變化是下列圖中的(

)解析

光敏電阻阻值隨光照的增強(qiáng)而減小,根據(jù)題圖知R2兩端的電壓隨光照的增強(qiáng)而減小,但不會(huì)是零,所以選B。答案

B3.(多選)在溫控電路中,通過(guò)熱敏電阻阻值隨溫度