2024-2025學(xué)年高中物理第六章傳感器1傳感器及其工作原理學(xué)案新人教版選修3-2

PAGE12-1傳感器及其工作原理1．傳感器(1)定義：能夠感受諸如力、溫度、光、聲、化學(xué)成分等非電學(xué)量，并能把它們依據(jù)肯定的規(guī)律轉(zhuǎn)換為電壓、電流等電學(xué)量，或轉(zhuǎn)換為電路的通斷的元件．(2)傳感器的原理：eq\x(非電學(xué)量)→eq\x(\a\al(傳感器,敏感元件、轉(zhuǎn)換器件、轉(zhuǎn)換電路))→eq\x(電學(xué)量)現(xiàn)今，無人機(jī)已進(jìn)入好用階段，你猜想無人機(jī)上應(yīng)當(dāng)有哪些傳感器？提示：無人機(jī)上應(yīng)當(dāng)有能感知速度、加速度、角速度、距離、力、光照等物理量的傳感器．2．干簧管結(jié)構(gòu)：如圖，它只是玻璃管內(nèi)封入的兩個軟磁性材料制成的簧片．作用：在電路中起到開關(guān)的作用，它是一種能夠感知磁場的傳感器．3．光敏電阻(1)特點(diǎn)：光照越強(qiáng)，電阻越?。?2)緣由：無光照時，載流子少，導(dǎo)電性能不好；隨著光照的增加，載流子增多，導(dǎo)電性變好．(3)作用：把光照強(qiáng)弱這個光學(xué)量轉(zhuǎn)換為電阻這個電學(xué)量．4．熱敏電阻和金屬熱電阻日常生活中哪些用電器是利用熱敏電阻、光敏電阻實現(xiàn)自動限制的？提示：利用熱敏電阻的有：冰箱啟動器、電飯鍋等；利用光敏電阻的有：照相機(jī)、光控開關(guān)、報警器、驗鈔機(jī)等．5．霍爾元件(1)構(gòu)造：很小的矩形半導(dǎo)體薄片上，制作四個電極E、F、M、N.(2)霍爾電壓：如圖所示，E、F間通入恒定電流I，同時外加與薄片垂直的磁場B，則M、N間出現(xiàn)霍爾電壓UH，UH＝keq\f(IB,d).(3)作用：把磁感應(yīng)強(qiáng)度這個磁學(xué)量轉(zhuǎn)換為電壓這個電學(xué)量．考點(diǎn)一傳感器的工作原理1．傳感器傳感器能夠感受諸如位移、力、溫度、光、聲、化學(xué)成分等非電信息，并能把它們依據(jù)肯定的規(guī)律轉(zhuǎn)換為電壓、電流、電阻等電信息，或轉(zhuǎn)化為電路的通斷．傳感器是通過測量外界的物理量、化學(xué)量或生物量來捕獲和識別信息，并將被測量的非電信息轉(zhuǎn)換成電信息的裝置．2．傳感器的基本原理傳感器感受的通常是非電信息，而它輸出的通常是電信息，不過這些輸出信號往往是特別微弱的，一般須要經(jīng)過放大后，再輸送給限制系統(tǒng)產(chǎn)生各種限制動作．其工作過程可由下圖表示．(1)非電信息：如位移、力、溫度、光、聲、化學(xué)成分、濃度、酸堿度等．(2)敏感元件：是傳感器的核心，相當(dāng)于人的感覺器官，能干脆感受被測量的非電信息并將其轉(zhuǎn)換成與被測量的非電信息有肯定關(guān)系的易于測量的物理量．(3)轉(zhuǎn)換元件：通常不能干脆感受被測量的非電信息，而是將敏感元件輸出的物理量轉(zhuǎn)換為電信號輸出．(4)轉(zhuǎn)換電路：將轉(zhuǎn)換元件輸出的電信號轉(zhuǎn)換成易于測量的電信息．(5)電信息：如電壓、電流、電阻等．【例1】全面了解汽車的運(yùn)行狀態(tài)(速度、水箱溫度、油量)是確保汽車平安行駛和駕駛員平安的舉措之一，為了仿照汽車油表原理，自制一種測定油箱油量多少或改變多少的裝置．如圖所示，其中電源電壓保持不變，R是滑動變阻器，它的金屬滑片是金屬桿的一端．小陽同學(xué)在裝置中運(yùn)用了一只電壓表(圖中沒有畫出)，通過視察電壓表示數(shù)，可以了解油量狀況，你認(rèn)為電壓表應(yīng)當(dāng)接在圖中的________(選填“a、b”“b、c”或“c、d”)兩點(diǎn)之間，依據(jù)你的接法請回答：當(dāng)油箱中油量削減時，電壓表的示數(shù)將________(選填“增大”或“減小”)．解答本題時，可按以下思路分析：eq\x(\a\al(變阻器的,連接方式))→eq\x(\a\al(電阻,改變))→eq\x(\a\al(電流,改變))→eq\x(\a\al(電壓,改變))[答案]b、c增大[解析]由題圖可知當(dāng)油箱內(nèi)液面高度改變時，R的金屬滑片將會移動，從而引起R兩端電壓的改變，所以電壓表接在b、c之間，當(dāng)油量削減時，電壓表示數(shù)將增大．總結(jié)提能(1)各類傳感器工作原理雖不完全相同，但都是把非電學(xué)量轉(zhuǎn)換為電學(xué)量．(2)傳感器輸出的電學(xué)量有電流、電壓及電路通斷等多種形式．(3)解此類問題的基本思路：分析電路結(jié)構(gòu)→探討電阻的改變→推斷(計算)電流、電壓的改變．為解決樓道里的照明問題，在樓道內(nèi)安裝一個傳感器與限制電燈的電路相接．當(dāng)樓道內(nèi)有人走動而發(fā)出聲響時，電燈即與電源接通而發(fā)光，這種傳感器為聲電傳感器，它輸入的是聲信號，經(jīng)傳感器轉(zhuǎn)換后，輸出的是電信號．解析：樓道內(nèi)的電燈是聲控的，通過聲音限制把聲信號轉(zhuǎn)化為電信號．考點(diǎn)二光敏電阻熱敏電阻和金屬電阻1．光敏電阻(1)作用光敏電阻在被光照耀時電阻會發(fā)生改變，這樣光敏電阻可以把光照強(qiáng)弱這個光學(xué)量轉(zhuǎn)換為電阻大小這個電學(xué)量．(2)改變特點(diǎn)光敏電阻一般由半導(dǎo)體材料制成，當(dāng)半導(dǎo)體材料受到光照耀時，電阻發(fā)生改變．緣由是無光照時，載流子極少，導(dǎo)電性能不好；隨著光照的增加，載流子增多，導(dǎo)電性增加．2．熱敏電阻和金屬熱電阻(1)熱敏電阻①熱敏電阻一般是用半導(dǎo)體材料制成的，其電阻值隨溫度的改變特別明顯．如圖所示為某一熱敏電阻的電阻－溫度特性圖線．②熱敏電阻的兩種型號及其特點(diǎn)熱敏電阻是電阻值隨溫度改變而改變的敏感元件．在其工作溫度范圍內(nèi)，電阻值隨溫度上升而增大的是正溫度系數(shù)(PTC)熱敏電阻；電阻值隨溫度上升而減小的是負(fù)溫度系數(shù)(NTC)熱敏電阻．常用的是負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻．(2)金屬熱電阻有些金屬的電阻率隨溫度的上升而增大，這樣的金屬也可以制成溫度傳感器，稱為熱電阻．留意：與熱敏電阻相比，金屬熱電阻的化學(xué)穩(wěn)定性好，測溫范圍大，但靈敏度較差．1.光電傳感器,光電傳感器是一種能感受光信號，并依據(jù)肯定規(guī)律把光信號轉(zhuǎn)換成電信號的器件或裝置.,常見的光電傳感器除了光敏電阻外，還有光敏晶體管、光電二極管、光電三極管等，它們都是利用某些物質(zhì)在光照耀下電學(xué)特性隨之改變的性質(zhì)制成的.,2.溫度傳感器,溫度傳感器是一種能將溫度改變轉(zhuǎn)換成電學(xué)量改變的裝置.它通過測量傳感器元件的電學(xué)量隨溫度的改變來實現(xiàn)溫度的測量.,常見的溫度傳感器有熱敏電阻和熱電偶等.【例2】如圖所示的電路中，電源兩端的電壓恒定，L為小燈泡，R為光敏電阻，LED為發(fā)光二極管(電流越大，發(fā)出的光越強(qiáng))，且R與LED的距離不變，下列說法正確的是()A．當(dāng)滑片P向左移動時，燈泡消耗的功率增大B．當(dāng)滑片P向左移動時，燈泡消耗的功率減小C．當(dāng)滑片P向右移動時，燈泡消耗的功率可能不變D．無論怎樣移動滑片P，燈泡消耗的功率都不變解答本題的基本思路如下：[答案]A[解析]當(dāng)滑片P向左移動時，滑動變阻器接入電路的電阻減小，流過發(fā)光二極管的電流增大，發(fā)光二極管發(fā)出的光增加，光敏電阻的阻值減小，流過燈泡的電流增大，燈泡消耗的功率增大，選項A正確，B錯誤；當(dāng)滑片P向右移動時，發(fā)光二極管所在支路的電阻增大，電流減小，發(fā)光二極管發(fā)出的光減弱，光敏電阻的阻值增大，流過燈泡的電流減小，燈泡消耗的功率減小，選項C、D錯誤．總結(jié)提能對于光敏電阻、熱敏電阻與電路相結(jié)合的試題，首先要駕馭阻值隨光照或溫度改變的狀況，其次要會應(yīng)用閉合電路或部分電路歐姆定律分析電路中的電流、電壓、功率的改變狀況．如圖所示，將多用電表的選擇開關(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的兩端相連，這時表針恰好指在刻度盤的正中間．若往RT上擦一些酒精，表針將向左(填“左”或“右”)移動；若用吹風(fēng)機(jī)將熱風(fēng)吹向電阻，表針將向右(填“左”或“右”)移動．解析：若往RT上擦一些酒精，由于酒精蒸發(fā)吸熱，熱敏電阻RT溫度降低，電阻值增大，所以電流減小，指針應(yīng)向左偏；用吹風(fēng)機(jī)將熱風(fēng)吹向電阻，電阻RT溫度上升，電阻值減小，電流增大，指針向右偏．考點(diǎn)三霍爾元件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．霍爾元件能夠把磁感應(yīng)強(qiáng)度這個磁學(xué)量轉(zhuǎn)換為電壓這個電學(xué)量．2．霍爾電壓如上圖所示，在E、F間通入恒定電流I，同時外加與薄片垂直的磁場B，則薄片中的載流子同時受到電場力和磁場力的作用．當(dāng)電場力與磁場力平衡時，M、N間電勢差達(dá)到恒定．設(shè)薄片厚度為d，EF方向長度為l1，MN方向長度為l2，則qeq\f(UH,l2)＝qvB.又因為電流的微觀表達(dá)式為I＝nqSv，所以UH＝eq\f(IB,nqd).因為同一材料單位體積內(nèi)載流子的個數(shù)n、單個載流子的電荷量q均為定值，令k＝eq\f(1,nq)，所以UH＝keq\f(IB,d)(霍爾電壓)留意：載流子依據(jù)霍爾材料的不同而不同，其中金屬導(dǎo)體的載流子為電子，而半導(dǎo)體的載流子因材料不同而不同．1.霍爾電壓UH＝keq\f(IB,d)中，k為霍爾系數(shù)，其大小與薄片的材料有關(guān).,2.推斷電勢的凹凸時要留意載流子是正電荷還是負(fù)電荷.【例3】[多選]霍爾元件是一種基于霍爾效應(yīng)的磁傳感器，已發(fā)展成為品種多樣的磁傳感器品族，得到廣泛的應(yīng)用．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(yùn)動形成．下列說法正確的是()A．M點(diǎn)電勢比N點(diǎn)電勢高B．用霍爾元件可以測量地磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)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成正比解答本題的關(guān)鍵是弄清以下兩點(diǎn)：(1)要推斷M點(diǎn)電勢與N點(diǎn)電勢的凹凸，須要用左手定則推斷正電荷在洛倫茲力作用下運(yùn)動的方向；(2)駕馭霍爾電壓的公式UH＝keq\f(IB,d)并理解各個物理量的含義．[答案]BCD[解析]當(dāng)正電荷定向運(yùn)動形成電流時，正電荷在洛倫茲力作用下向N極聚集，M極感應(yīng)出等量的負(fù)電荷，所以M點(diǎn)電勢比N點(diǎn)電勢低，選項A錯誤；依據(jù)霍爾元件的特點(diǎn)可知，選項B、C正確；因霍爾電壓UH＝keq\f(IB,d)，保持電流I恒定時，霍爾電壓UH與B成正比，選項D正確．總結(jié)提能霍爾元件兩極間通入恒定的電流，同時外加與薄片垂直的磁場時，則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方向都垂直的方向漂移，在兩極上形成電壓(霍爾電壓)．電動自行車是一種應(yīng)用廣泛的交通工具，其速度限制是通過轉(zhuǎn)動右把手實現(xiàn)的，這種轉(zhuǎn)動把手稱為“霍爾轉(zhuǎn)把”，屬于傳感器非接觸限制．轉(zhuǎn)把內(nèi)部有永久磁鐵和霍爾器件等，截面如圖甲．開啟電源時，在霍爾器件的上、下面之間加肯定的電壓，形成電流，如圖乙．隨著轉(zhuǎn)把的轉(zhuǎn)動，其內(nèi)部的永久磁鐵也跟著轉(zhuǎn)動，霍爾器件能輸出限制車速的電壓，已知電壓與車速關(guān)系如圖丙．以下關(guān)于“霍爾轉(zhuǎn)把”敘述正確的是(B)A．為提高限制的靈敏度，永久磁鐵的上、下端分別為N、S極B．按圖甲順時針轉(zhuǎn)動電動車的右把手，車速將變快C．圖乙中從霍爾器件的左、右側(cè)面輸出限制車速的霍爾電壓D．若霍爾器件的上、下面之間所加電壓正負(fù)極性對調(diào)，將影響車速限制解析：由于在霍爾器件的上、下面之間加肯定的電壓，形成電流，當(dāng)永久磁鐵的上、下端分別為N、S極時，磁場方向與電子的移動方向平行，則電子不受洛倫茲力作用，則霍爾器件不能輸出限制車速的霍爾電壓，故A錯誤；當(dāng)按圖甲順時針轉(zhuǎn)動電動車的右把手，霍爾器件四周的磁場增加，則霍爾器件輸出限制車速的霍爾電壓增大，因此車速將變快，故B正確；依據(jù)題意，結(jié)合圖乙的示意圖，則永久磁鐵的N、S極可能在左、右側(cè)面，或在前、后表面，因此從霍爾器件輸出限制車速的霍爾電壓，不肯定在霍爾器件的左、右側(cè)面，也可能在前、后面，故C錯誤；當(dāng)霍爾器件的上、下面之間所加電壓正負(fù)極性對調(diào)，從霍爾器件輸出限制車速的霍爾電壓正負(fù)號相反，由圖丙可知，不會影響車速限制，故D錯誤.1．關(guān)于傳感器的下列說法正確的是(B)A．全部傳感器的材料都是由半導(dǎo)體材料做成的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改變來傳遞信號的D．以上說法都不正確解析：半導(dǎo)體材料可以制成傳感器，其他材料也可以制成傳感器，如金屬氧化物氧化錳就可以制成溫度計，所以A錯，B正確，傳感器不但能感知電壓的改變，還能感受力、溫度、光、聲、化學(xué)成分等非電學(xué)量，所以C錯．2．[多選]下列說法正確的是(ABD)A．傳感器擔(dān)負(fù)著信息采集的任務(wù)B．干簧管是一種能夠感知磁場的傳感器C．傳感器不是電視遙控接收器的主要元件D．傳感器是把力、溫度、光、聲、化學(xué)成分轉(zhuǎn)換為電信號的主要工具解析：傳感器的任務(wù)就是采集信息，A對；干簧管的主要構(gòu)造是由平行不接觸的兩個極易被磁化的軟鐵片組成的，它靠近磁場時被磁化后相互吸引而接觸，B對；由傳感器的定義知D對．3．人類放射的繞地球運(yùn)轉(zhuǎn)的全部航天器，在軌道上工作時都須要電能，所須要的電能都是由太陽能電池把太陽能轉(zhuǎn)化為電能得到的，要求太陽能電池板總是對準(zhǔn)太陽，為達(dá)到這一要求應(yīng)利用下列哪種傳感器來感知太陽方位(B)A．力傳感器 B．光傳感器C．溫度傳感器 D．生物傳感器解析：太陽帆的有效采光面積不同，所產(chǎn)生的電流不同，當(dāng)電流最大時正對太陽，所以應(yīng)用的是光傳感器，選項B正確，選項A、C、D錯誤．4．[多選]如圖甲所示，打開電流傳感器和電壓傳感器，將磁鐵置于螺線管正上方距海綿墊高為h處由靜止釋放，磁鐵穿過螺線管后掉落到海綿墊上并靜止．若磁鐵下落過程中受到的磁阻力遠(yuǎn)小于磁鐵重力，且不發(fā)生轉(zhuǎn)動，不計線圈電阻．圖乙是計算機(jī)熒屏上顯示的UI－t曲線，其中的兩個峰值是磁鐵剛進(jìn)入螺線管內(nèi)部和剛從內(nèi)部出來時產(chǎn)生的．下列說法正確的是(BD)A．若僅增大h，兩個峰值間的時間間隔會增大B．若僅減小h，兩個峰值都會減小C．若僅減小h，兩個峰值可能會相等D．若僅減小滑動變阻器接入電路中的電阻值，兩個峰值都會增大解析：若僅增大h，磁鐵經(jīng)過螺線管的時間減小，兩個峰值間的時間間隔會減小，故A錯誤；僅減小h時，磁鐵進(jìn)入螺線管的速度減小，導(dǎo)致螺線管中磁通量的改變率減小，因此兩個峰值都會減小，且兩個峰值不行能相等，故B正確，C錯誤；依據(jù)閉合電路歐姆定