人教版(新教材)高中物理選擇性必修2學案：5 1-5 2 認識傳感器 常見傳感器的工作原理及應用

人教版(新教材)高中物理選擇性必修第二冊PAGEPAGE1第1節(jié)認識傳感器第2節(jié)常見傳感器的工作原理及應用學習目標要求核心素養(yǎng)和關鍵能力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用。3.了解霍爾元件的原理。4.會分析傳感器在生產生活中的應用。1.科學思維通過對傳感器工作原理的理解，體會將非電學量轉化為電學量的方法。2.關鍵能力科學探究能力。一、認識傳感器1．傳感器的定義：能夠感受諸如力、溫度、光、聲、化學成分等被測量，并能把它們按照一定的規(guī)律轉換為便于傳送和處理的可用信號輸出。通常是電壓、電流等電學量，或轉換為電路的通斷。2．非電學量轉換為電學量的意義：把非電學量轉換為電學量，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、轉換元件組成。4．傳感器應用的一般模式〖判一判〗(1)傳感器可以把非電學量轉換為電學量。(√)(2)傳感器可以把力學量(如形變量)轉變成電學量。(√)(3)傳感器可以把熱學量轉變成電學量。(√)(4)傳感器可以把光學量轉變成電學量。(√)二、光敏電阻1．特點：光照越強，電阻越小。2．原理：無光照時，載流子少，導電性能不好；隨著光照的增強，載流子增多，導電性變好。3．作用：把光照強弱這個光學量轉換為電阻這個電學量。三、金屬熱電阻和熱敏電阻1．熱敏電阻：用半導體材料制成?？煞譃檎郎囟认禂档臒崦綦娮韬拓摐囟认禂档臒崦綦娮?。(1)正溫度系數的熱敏電阻隨溫度升高電阻增大。(2)負溫度系數的熱敏電阻(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?！寂幸慌小?1)光敏電阻的阻值隨光線的強弱變化，光照越強電阻越小。(√)(2)熱敏電阻在溫度升高時阻值變小。(×)(3)金屬熱電阻在溫度升高時阻值變小。(×)(4)熱敏電阻一般用半導體材料制作，導電能力隨溫度的升高而增強，但靈敏度低。(×)(5)熱敏電阻和金屬熱電阻都能把溫度這個熱學量轉換為電阻這個電學量。(√)四、電阻應變片1．電阻應變片的工作原理(1)金屬的電阻應變效應：金屬導體在外力作用下發(fā)生機械形變，導體的長度，橫截面積變化從而引起電阻變化。(2)半導體材料的壓阻效應：單晶半導體材料沿某一軸向受到外力作用時，其電阻率發(fā)生變化。2．力傳感器——電子秤(1)組成：由金屬梁和電阻應變片組成。(2)工作原理(3)作用：應變片將物體形變這個力學量轉換為電壓這個電學量。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(如熱敏、光敏、壓敏、力敏、濕敏等)制成的。②轉換元件：將敏感元件輸出的與被測物理量成一定關系的非電信號轉換成電信號的電子元件。③轉換電路：將轉換元件輸出的不易測量的電學量轉換成易于測量的電學量，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(非電學量)→eq\x(敏感元件)→eq\x(轉換元件)→eq\x(轉換電路)→eq\x(電學量)2．傳感器的原理：傳感器感受的通常是非電學量，如力、溫度、位移、濃度、速度、酸堿度等，而輸出的通常是電學量，如電壓、電流、電荷量等。這些輸出的信號是非常微弱的，通常需要經過放大后，再傳送給控制系統(tǒng)產生各種控制動作?！祭?〗關于傳感器工作的一般流程，下列說法中正確的是()A．非電學量→敏感元件→轉換電路→電學量→轉換元件B．電學量→敏感元件→轉換電路→轉換元件→非電學量C．非電學量→敏感元件→轉換元件→轉換電路→電學量D．非電學量→轉換電路→轉換元件→敏感元件→電學量〖答案〗C〖解析〗傳感器工作的一般流程為：非電學量被敏感元件感知，然后通過轉換元件轉換成電信號，再通過轉換電路將此信號轉換成易于傳輸或測量的電學量，故A、B、D錯誤，C正確。探究2敏感元件的特性及應用光敏電阻、熱敏電阻、霍爾元件特點對比元件特點光敏電阻半導體材料受到的光照增強時，會有更多的電子獲得能量成為自由電子，即載流子數增多，于是導電性明顯地增強，電阻減小熱敏電阻和金屬熱電阻(1)熱敏電阻：指用半導體材料制成，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熱學量轉換為電阻這個電學量，但相比而言，金屬熱電阻的化學穩(wěn)定性好，測溫范圍大，而熱敏電阻的靈敏度較好。霍爾元件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B時，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，當照射光強度減弱時()A．電壓表的示數增大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串聯后與R2并聯，再與R1串聯；當光照減弱時，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B、D正確?！祭?〗(2021·四川南充市川綿外國語高二期末)某同學準備用一種熱敏電阻制作一只電阻溫度計。他先通過實驗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接在電路中，用理想電壓表與定值電阻并聯，并在電壓表的表盤上標注溫度值，制成電阻溫度計，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角越大，溫度越高C．溫度越高，整個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，則表盤上標注溫度刻度也一定是均勻的〖答案〗B〖解析〗I－U圖像上的點與原點連線的斜率的倒數表示電阻，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A錯誤；溫度越高，Rt阻值越小，熱敏電阻Rt與定值電阻R串聯接在電路中，電路中電流越大，R的電壓越大，電壓表的指針偏轉角越大，因此電壓表的指針偏轉角越大，溫度值越大，選項B正確；溫度越高，電路中電流越大，由P＝IE可知，整個電路消耗的功率越大，選項C錯誤；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U＝IR可知，U隨溫度是非線性變化的，因此表盤標注溫度刻度一定是不均勻的，選項D錯誤?！坚槍τ柧?〗(2021·重慶市育才中學期中)霍爾元件是一種磁傳感器，是實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磁場，磁感應強度大小為B，霍爾元件中的載流子為負電荷。則下列說法正確的是()A．該元件能把電學量轉化為磁學量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強度成正比〖答案〗D〖解析〗霍爾元件是把磁學量轉換為電學量，A錯誤；由于霍爾元件中的載流子為負電荷，則負電荷的運動方向由F到E，由左手定則可知負電荷向左表面偏轉，則右表面的電勢高，B錯誤；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，則無電壓產生，C錯誤；根據qvB＝qeq\f(U,d)得，U＝Bdv，又I＝nqSv，聯立解得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強度成正比，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系如下表所示：壓力F/N050100150200250300…電阻R/Ω300270240210180150120…設踏板的杠桿組件的質量不計，接通電源后，壓力傳感器兩端電壓恒為4.68V，則：(1)利用表中數據歸納出電阻R隨壓力F變化的函數關系式；(2)該秤零刻度線(即踏板空載時的刻度線)應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)由表中數據可歸納得出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標在電流表刻度盤的15.6mA處。(3)當電流表刻度盤的讀數為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?！坚槍τ柧?〗(多選)電容式傳感器是將非電信號轉換為電信號的裝置。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這幾個因素，當某一物理量發(fā)生變化時就能引起上述某個因素的變化，從而引起電容的變化，如圖所示是四個電容式傳感器的示意圖，關于這四個傳感器的作用，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換為電學量D．傳感器可以將所有感受到的信號都轉換為電學量〖答案〗BC〖解析〗傳感器一定是通過非電學量轉換成電學量來傳遞信號的，不能實現自動控制，所以A錯誤；由于傳感器可將非電學量轉換成電學量，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換為電學量，但并不是將所有感受到的信號都轉換為電學量，所以C正確，D錯誤。2．(敏感元件的特性及應用)某樓梯口的電燈開關裝有傳感器，天黑時，出現聲音才能發(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〗根據題意，天黑時，出現聲音它就開啟；而白天，即使有聲音它也沒有反應，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)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錯誤；由P＝EI可知，電路的總功率增大，故