高中物理《傳感器及其工作原理》學案11 新人教版選修3-2（通用）

1、第六章 傳感器 第一節(jié) 傳感器及其工作原理 【知能準備】傳感器：傳感器是指這樣一類元件：它能夠感受諸如力、溫度、光、聲、化學成分等_量，并能把它們按照一定的規(guī)律轉換為電壓、電流等_量，或轉換為電路的通斷。把非電學量轉換為電學量以后，就可以很方便地進行測量、傳輸、處理和控制了。傳感器一般由敏感元件和輸出部分組成，通過敏感元件獲取外界信息并轉換_信號，通過輸出部分輸出，然后經(jīng)控制器分析處理。常見的傳感器有：_、_、_、_、力傳感器、氣敏傳感器、超聲波傳感器、磁敏傳感器等。常見傳感器元件：（1）光敏電阻：光敏電阻的材料是一種半導體，無光照時，載流子極少，導電性能不好；隨著光照的增強，載流子增多，導電

2、性能變好，光敏電阻能夠把_這個光學量轉換為電阻這個電學量。它就象人的眼睛，可以看到光線的強弱。（2）金屬熱電阻和熱敏電阻：金屬熱電阻的電阻率隨溫度的升高而_，用金屬絲可以制作_。它能把_這個熱學量轉換為_這個電學量。熱敏電阻的電阻率則可以隨溫度的升高而_或_。與熱敏電阻相比，金屬熱電阻的_好，測溫范圍_，但_較差。（3）電容式位移傳感器能夠把物體的_這個力學量轉換為_這個電學量。OTR（4）霍爾元件能夠把_這個磁學量轉換為電壓這個電學量【同步導學】一、疑難分析1光敏電阻：光敏電阻的材料是一種半導體，無光照射時，載流子極少，導電性能能不好；隨著光照的增強，載流子增多，導電性能變好，即光敏電阻值隨

3、光照增強而減小。光敏電阻能夠把光照強弱這個光學量轉換為電阻大小這個電學量。圖12熱敏電阻：用半導體材料制成，其電阻隨溫度變化明顯，溫度升高電阻減小，如圖1為某一熱敏電阻溫度特性曲線。熱敏電阻的靈敏度較好。3金屬熱電阻：有些金屬的電阻率隨溫度的升高而增大，這樣的電阻也可以制作溫度傳感器。金屬熱電阻的化學穩(wěn)定性好，測溫范圍大。UBCDEFI4霍爾元件：如圖2所示，在一個很小的矩形半導體薄片上，制作四個電極C、D、E、F，就制成為一個霍爾元件?；魻栐軌虬汛鸥袘獜姸冗@個磁學量轉換為電壓這個電學量。 霍爾電壓： 其中k為比例系數(shù)，稱為霍爾系數(shù)，其大小與薄片的材料有關。一個霍爾元件的厚度d、比例系數(shù)k

4、為定值，再保持I恒定，則電壓UH的變化就與B成正比，因此，霍爾元件又稱磁敏元件。二、方法點撥圖2霍爾效應的原理：外部磁場使運動的載流子受到洛侖茲力，在導體板的一側聚集，在導體板的另一側會出現(xiàn)多余的另一種電荷，從而形成橫向的電場；橫向電場對電子施加與洛侖茲力相反的靜電力，當靜電力與洛侖茲力達到平衡時，導體板兩側會形成穩(wěn)定的電壓.設圖中CD方向長度為L2，則： 根據(jù)電流的微觀解釋 Inqsv ， 整理后，得： 令 ，因為n為材料單位體積的帶電粒子個數(shù)，q為單個帶電粒子的電荷量，它們均為常數(shù)，所以有：三、典型例題：圖3例1如圖3所示，將萬用表的選擇開關置于“歐姆”擋，再將電表的兩支表筆與一熱敏電阻R

5、t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_（填“左”或“右”）移動；若用吹風機將熱風吹向電阻，表針將向_（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，指針應向左偏；用吹風機將熱風吹向電阻，電阻Rt溫度升高，電阻值減小，電流增大，指針向右偏。左，右。例2傳感器是一種采集信息的重要器件。如圖4所示是一種測定壓力的電容式傳感器。當待測壓力F作用于可動膜片電極時，可使膜片產(chǎn)生形變，引起電容的變化，將電容器、靈敏電流計和電源串聯(lián)成閉合電路，那么（ ）圖4A當F向上壓膜片電極時，電容將減小B當F

6、向上壓膜片電極時，電容將增大C若電流計有示數(shù)，則壓力F發(fā)生變化D若電流計有示數(shù)，則壓力F不發(fā)生變化解析：當F向上壓膜片電極時，電容器的電容將增大，電流計有示數(shù)，則壓力F發(fā)生了變化。 答案：BC圖5例3如圖所示，有電流I流過長方體金屬塊，金屬塊寬度為d，高為b，有一磁感應強度為B的勻強磁場垂直于紙面向里，金屬塊單位體積內的自由電子數(shù)為n，試問金屬塊上、下表面哪面電勢高？電勢差是多少？（此題描述的是著名的霍爾效應現(xiàn)象）解析：因為自由電荷為電子，故由左手定則可判斷電子向上偏，則上表面聚集負電荷，下表面帶多余的正電荷，故下表面電勢高，設其穩(wěn)定電壓為U。LR圖6當運動電荷所受電場力與洛倫茲力平衡時，即q

7、=qvB又因為導體中的電流IneSvnevbd故U答案：下表面電勢高 電勢差為例4如圖6所示是彩色電視接收機的消磁電路示意圖，R是金屬熱敏電阻（溫度升高，電阻增大；溫度降低后電阻減?。?，L是消磁線圈，試說明此電路的工作過程。解析：打開彩色電視接收機的時候，消磁電路同時接通，熱敏電阻溫度低，處于冷狀態(tài)，其電阻值很小，又由于消磁線圈電阻值也很小，所以有很大的電流通過消磁線圈，這個大電流產(chǎn)生很強的磁場作用于顯像管上，達到給顯像管消磁的目的。對顯像管的消磁過程時間很短，因此完成消磁后必須切斷消磁線圈的電流，電壓不能加在消磁線圈上，這一過程產(chǎn)生的電功率很大，使熱敏電阻的溫度升高，導致熱敏電阻的阻值很大，

8、在熱敏電阻上產(chǎn)生的電功率減小，使熱敏電阻（后來隨著熱敏電阻的溫度降低，其電阻值減小，但是這時消磁線圈的電壓不再加上，是由熱敏電阻內部的裝置控制的）的阻值減小。同步檢測：1簡單的說，光敏電阻就是一個簡單的_傳感器，熱敏電阻就是一個簡單的_傳感器。2為解決樓道的照明，在樓道內安裝一個傳感器與電燈控制電路的相接。當樓道內有走動而發(fā)出聲響時，電燈即與電源接通而發(fā)光，這種傳感器為_傳感器，它輸入的是_信號，經(jīng)傳感器轉換后，輸出的是_信號。3如圖所示，是一個測定液面高度的傳感器，在導線芯的外面涂上一層絕緣物質，放在導電液體中，導線芯和導電液構成電容品的兩極，把這兩極接入外電路中的電流變化說明電容值增大時，

9、則導電液體的深度h變化為（ ）Ah增大 Bh減小 Ch不變 D無法確定第4題R1R2第3題圖54如圖所示，R1為定值電阻，R2為熱敏電阻，L為小燈泡，當溫度降低時（ ）AR1兩端的電壓增大B電流表的示數(shù)增大C小燈泡的亮度變強D小燈泡的亮度變弱5如圖所示，為一種測定角度的傳感器，當彼此絕緣的金屬板構成的動片與定片之間的角度發(fā)生變化時，試分析傳感器是如何將它的這種變化轉化為電學量的。第5題綜合評價：1關于光敏電阻，下列說法正確的是（ ）A光敏電阻能夠把光照強弱這個光學量轉換為電阻這個電學量B硫化鎘是一種半導體材料，無光照射時，載流子極少，導電性能不好C硫化鎘是一種半導體材料，無光照射時，載流子較少

10、，導電性能良好D半導體材料的硫化鎘，隨著光照的增強，載流子增多，導電性能變好2霍爾元件能轉換哪兩個量（ ）A把溫度這個熱學量轉換為電阻這個電學量B把磁感應強度這個磁學量轉換為電壓這個電學量C把力轉換為電壓這個電學量D把光照強弱這個光學量轉換為電阻這個電學量如圖所示是測定位移的電容式傳感器，其工作原理是哪個量的變化，造成其電容的變化（ ）A電介質進入極板的長度第3題B兩極板間距C兩極板正對面積第4題R2R1R3D極板所帶電量如圖所示，、為定值電阻，是小燈泡，為光敏電阻，當照射光強度增大時，（ ）A電壓表的示數(shù)增大B中電流減小C小燈泡的功率增大第5題R3R4R1R2D電路的路端電壓增大5如圖所示，

11、是光敏電阻，當開關閉合后在沒有光照射時，a、b兩點等電勢，當用光照射電阻時，則（ ）A的電阻變小，a點電勢高于b點電勢B的電阻變小，a點電勢低于b點電勢C的電阻變小，a點電勢等于b點電勢D的電阻變大，a點電勢低于b點電勢6有一電學元件，溫度升高時電阻卻大幅度減小，則這種元件可能是（ ）A金屬導體 B絕緣體 C半導體 D超導體7如圖是觀察電阻值隨溫度變化情況示意圖。現(xiàn)把杯中的水由冷水變?yōu)闊崴?，關于歐姆表的讀數(shù)變化情況正確的是（ ）A如果R為金屬熱電阻，讀數(shù)變大，且變化非常明顯B如果R為金屬熱電阻，讀數(shù)變小，且變化不明顯第7題C如果R為熱敏電阻（用半導體材料制作），讀數(shù)變化非常明顯D如果R為熱敏電

12、阻（用半導體材料制作），讀數(shù)變化不明顯8如圖是霍爾元件的工作原理示意圖，用d表示薄片的厚度，k為霍爾系數(shù)，對于一個霍爾元件d、k為定值，如果保持I恒定，則可以驗證UH隨B的變化情況。以下說法中正確的是（ ）A將永磁體的一個磁極逐漸靠近霍爾元件的工作面，UH將變大B在測定地球兩極的磁場強弱時，霍爾元件的工作面應保持水平第8題C在測定地球赤道上的磁場強弱時，霍爾元件的工作面應保持水平D改變磁感線與霍爾元件工作面的夾角，UH將發(fā)生變化9如圖所示寬度為d，厚度為h的金屬板放在垂直于它的磁感應強度為B的勻強磁場中，當有電流I通過金屬板時，在金屬板上側面A和下側面間產(chǎn)生電勢差，這種現(xiàn)象叫霍爾效應，若金屬板內自由電子密度為n，則產(chǎn)生的電