2022年秋新教材高中物理第五章傳感器第一二節(jié)傳感器及其工作原理傳感器的應(yīng)用課件粵教版選擇性必修第二冊

第五章

傳感器第一、二節(jié)傳感器及其工作原理傳感器的應(yīng)用核心素養(yǎng)點(diǎn)擊

物理觀念(1)感受傳感器，知道傳感器是把非電學(xué)量轉(zhuǎn)換成電學(xué)量的器件或裝置。(2)了解光敏電組、金屬熱電組、熱敏電阻和電阻應(yīng)變片等材料的物理特性，知道利用其特性可以制作傳感器的敏感元件。(3)了解生活中、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中、工業(yè)生產(chǎn)中、航天航空中的傳感器?？茖W(xué)思維(1)體會(huì)傳感器將非電學(xué)量轉(zhuǎn)化為電學(xué)量的物理意義。(2)通過對(duì)傳感器原理和應(yīng)用的了解，體會(huì)傳感器在實(shí)際應(yīng)用中的價(jià)值?？茖W(xué)探究探究傳感器的工作原理及傳感器在實(shí)際應(yīng)用中的一般模式?？茖W(xué)態(tài)度與責(zé)任體會(huì)傳感器在某些方面可以代替甚至超過人類對(duì)自然的感知，能夠改變?nèi)祟惖纳a(chǎn)生活方式。續(xù)表一、傳感器及其分類1．填一填(1)傳感器：能夠感受到被測量的信息，并將其按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)化為可用信號(hào)的器件或裝置。(2)傳感器組成：一般由

元件、轉(zhuǎn)換元件和轉(zhuǎn)換電路三部分組成。如圖所示：敏感(3)傳感器的分類

①物理傳感器：利用被測物理量(如壓力、溫度、位移、亮度等)變化時(shí)，敏感元件的

量(如電阻、電壓、電容等)發(fā)生明顯變化的特性制成的傳感器，如壓電傳感器、光電傳感器、加速度傳感器、溫度傳感器等。

②化學(xué)傳感器：基于化學(xué)反應(yīng)的原理，將化學(xué)物質(zhì)的成分、

等化學(xué)信息轉(zhuǎn)化為電學(xué)量的傳感器，如半導(dǎo)體氣體傳感器、濕敏傳感器、離子傳感器等。

③生物傳感器：基于酶、抗體和

等分子識(shí)別功能，并將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)進(jìn)行檢測的傳感器，如酶傳感器、細(xì)胞傳感器、免疫傳感器等。電學(xué)濃度激素2．判一判(1)傳感器是把非電學(xué)量轉(zhuǎn)換為電學(xué)量的元件。

()(2)傳感器只能感受溫度和光兩個(gè)物理量。

()(3)傳感器能夠?qū)⒎请妼W(xué)量轉(zhuǎn)化為電學(xué)量，其核心部件是敏感元件。

()3．想一想如圖是交警正在用酒精檢測儀測量司機(jī)呼出氣體的酒精濃度。

為什么傳感器一般都是將感受到的非電學(xué)量轉(zhuǎn)換成電學(xué)量呢？

提示：電學(xué)量具有易測量，易控制，測量精度和速度較高，

易放大、反饋、存儲(chǔ)和可遠(yuǎn)距離傳輸?shù)忍攸c(diǎn)。特別是電信號(hào)能方便地與計(jì)算機(jī)連接而進(jìn)行信息處理，所以傳感器一般都是將感受到的非電學(xué)量轉(zhuǎn)換成電學(xué)量?！獭痢潭?、溫度傳感器和光電傳感器的原理1．填一填(1)溫度傳感器的原理

①溫度傳感器：將

變化轉(zhuǎn)換為電學(xué)量變化的裝置。

②溫度傳感器中的敏感元件：

電阻、熱電偶、熱雙金屬片等。

③熱敏電阻的分類： a．正溫度系數(shù)熱敏電阻：阻值隨溫度的上升而

。 b．負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻：阻值隨溫度的上升而

。 c．臨界溫度系數(shù)熱敏電阻：阻值在很小的溫度范圍內(nèi)急劇

。溫度熱敏增加下降下降(2)光電傳感器的原理

①光電傳感器：能夠感受光信號(hào)，并按照一定規(guī)律把光信號(hào)轉(zhuǎn)化成電信號(hào)的傳感器。

②光敏電阻：是光電傳感器的敏感元件，其電阻隨光照的增強(qiáng)而

。

③光電傳感器中的敏感元件：光敏電阻、光電池、光敏

等。2．判一判(1)光敏電阻隨著光照的增強(qiáng)，導(dǎo)電性變好。

()(2)熱敏電阻能夠把熱學(xué)量轉(zhuǎn)換為電學(xué)量。

()(3)只有熱敏電阻才能把溫度這個(gè)熱學(xué)量轉(zhuǎn)換為電阻這個(gè)電學(xué)量。

()減小晶體管√×√3．選一選有一電學(xué)元件，溫度升高時(shí)其電阻減小，這種元件可能是

(

)A．金屬導(dǎo)體 B．光敏電阻C．熱敏電阻 D．霍爾元件解析：金屬導(dǎo)體電阻一般隨溫度升高而增大，光敏阻是隨光照強(qiáng)度的增大而減小，正溫度系數(shù)熱敏電阻的阻值隨溫度的升高而增大，負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻的阻值隨溫度的升高而減小，霍爾元件隨磁感應(yīng)強(qiáng)度的增大其兩端的電壓增大，故C正確，A、B、D錯(cuò)誤。答案：C

三、傳感器的應(yīng)用1．填一填(1)生活中的傳感器

①與溫度控制相關(guān)的家用電器：電飯煲、電冰箱、微波爐、

、消毒碗柜等。

②與紅外線傳感器相關(guān)的應(yīng)用：自動(dòng)門、家電

、非接觸紅外測溫儀以及防盜、防火報(bào)警器等。

③與光敏傳感器相關(guān)的應(yīng)用：照相機(jī)。

④與壓力傳感器相關(guān)的應(yīng)用：家用便攜式電子秤。空調(diào)機(jī)遙控器(2)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的傳感器

①濕度傳感器的應(yīng)用：無人管理的自動(dòng)噴灌系統(tǒng)。

②溫度傳感器的應(yīng)用：自動(dòng)

的蔬菜大棚。

③現(xiàn)代糧庫采用溫度傳感器和濕度傳感器，通過通風(fēng)裝置進(jìn)行自動(dòng)控制，有效地減少糧庫里的霉變。(3)工業(yè)生產(chǎn)中的傳感器

①汽車生產(chǎn)線上的焊接機(jī)器人是

傳感器、力學(xué)傳感器、溫度傳感器、電弧傳感器等的聯(lián)合應(yīng)用。

②埋入式

傳感器安置在大橋或水壩中，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測大橋或水壩的裂痕等安全隱患。控溫視覺光纖(4)航天航空中的傳感器

①運(yùn)載火箭上應(yīng)用的壓力傳感器。

②哈勃空間望遠(yuǎn)鏡上應(yīng)用的高精度光學(xué)傳感器。

③載人飛船中應(yīng)用的

傳感器。2．判一判(1)酒店自動(dòng)門應(yīng)用了紅外線傳感器。

()(2)電冰箱用于控制壓縮機(jī)工作的溫控系統(tǒng)中用到了溫度傳感器。

()(3)汽車自動(dòng)化生產(chǎn)線上用于焊接的機(jī)器人只利用了力學(xué)傳感器。

()生理√×√3．選一選類人型機(jī)器人裝有作為眼睛的“傳感器”、猶如大腦的“控制器”以及可以行走的“執(zhí)行器”，在它碰到障礙物前會(huì)自動(dòng)避讓，并及時(shí)轉(zhuǎn)彎。下列有關(guān)該機(jī)器人“眼睛”的說法正確的是

(

)A．是力傳感器 B．是光傳感器C．是溫度傳感器 D．是聲音傳感器解析：碰到障礙物前會(huì)自動(dòng)避讓，說明它是光傳感器，B正確，A、C、D錯(cuò)誤。答案：B

探究(一)傳感器的工作原理[問題驅(qū)動(dòng)]CPU溫度是由CPU內(nèi)置的溫度傳感器偵測到溫度之后傳達(dá)給BIOS顯示出來，由BIOS依據(jù)溫度高低來決定散熱風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速。(1)CPU溫度傳感器的作用是什么？主要由什么元件組成？(2)CPU溫度傳感器的存在對(duì)電腦有什么意義？提示：(1)將非電學(xué)量溫度轉(zhuǎn)化為電學(xué)量輸出給BIOS，主要由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成。(2)及時(shí)將CPU溫度傳遞給電腦，防止因CPU溫度過高而出現(xiàn)死機(jī)現(xiàn)象?！局仉y釋解】傳感器感受的通常是非電學(xué)量，如壓力、溫度、位移、濃度、酸堿度等，而它輸出的通常是電學(xué)量，如電壓值、電流值、電荷量等，這些輸出信號(hào)是非常微弱的，通常要經(jīng)過放大后，再送給控制系統(tǒng)產(chǎn)生各種控制動(dòng)作。傳感器的工作原理如下所示。

典例1某電容式話筒的原理示意圖如圖所示，E為電源，R為電阻，薄片P和Q為兩金屬極板。對(duì)著話筒說話時(shí)，P振動(dòng)而Q可視為不動(dòng)，在P向左運(yùn)動(dòng)的過程中

(

)A．P、Q構(gòu)成的電容器的電容增大B．P上電荷量保持不變C．M點(diǎn)的電勢比N點(diǎn)的低D．M點(diǎn)的電勢比N點(diǎn)的高分析傳感器時(shí)要明確的問題(1)核心元件是什么；(2)是怎樣將非電學(xué)量轉(zhuǎn)化為電學(xué)量的；(3)是如何顯示或控制開關(guān)的?！舅仞B(yǎng)訓(xùn)練】1．關(guān)于傳感器工作的一般流程，下列說法中正確的是

(

)A．非電學(xué)量→敏感元件→轉(zhuǎn)換電路→電學(xué)量→轉(zhuǎn)換元件B．電學(xué)量→敏感元件→轉(zhuǎn)換電路→轉(zhuǎn)換元件→非電學(xué)量C．非電學(xué)量→敏感元件→轉(zhuǎn)換元件→轉(zhuǎn)換電路→電學(xué)量D．非電學(xué)量→轉(zhuǎn)換電路→轉(zhuǎn)換元件→敏感元件→電學(xué)量2．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變化來傳遞信號(hào)的D．以上說法都不正確解析：大多數(shù)傳感器是由半導(dǎo)體材料做成的，某些金屬也可以做傳感器，如金屬熱電阻。傳感器將非電學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)換為電學(xué)信號(hào)，因此傳感器感知的應(yīng)該是“非電學(xué)信號(hào)”。故只有B正確。答案：B

3．(多選)關(guān)于傳感器，下列說法正確的是

(

)A．麥克風(fēng)工作時(shí)，將感受到的聲音信號(hào)轉(zhuǎn)化成電信號(hào)B．電子秤工作時(shí)，將感受到的壓力信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)C．煙霧傳感器工作時(shí)，將感受到的煙霧濃度信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)報(bào)警D．聲控?zé)艄ぷ鲿r(shí)，將感受到的聲音信號(hào)轉(zhuǎn)化為電能給燈泡供電解析：傳感器是一種信號(hào)轉(zhuǎn)換器，通常將感受到的外界信息按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)，麥克風(fēng)工作時(shí)將聲音信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，電子秤工作時(shí)將受到的物體的壓力大小的信息轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，煙霧傳感器工作時(shí)將感受到的環(huán)境中的煙霧濃度信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)報(bào)警，選項(xiàng)A、B、C正確；聲控?zé)艄ぷ鲿r(shí)利用聲控開關(guān)控制電路的通斷，將聲音信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，并不是給燈泡供電，選項(xiàng)D錯(cuò)誤。答案：ABC

探究(二)電阻式傳感器的應(yīng)用分析[問題驅(qū)動(dòng)]如圖是應(yīng)變片的原理及力學(xué)傳感器的應(yīng)用的圖片。(1)電子秤的敏感元件是什么？(2)電阻應(yīng)變片是怎樣把非電學(xué)量轉(zhuǎn)化為電學(xué)量的？提示：(1)電阻應(yīng)變片。(2)當(dāng)電阻應(yīng)變片長度和橫截面積發(fā)生變化時(shí)，由電阻定律可知電阻發(fā)生變化?！局仉y釋解】1．電阻式傳感器性能比較

熱敏電阻金屬熱電阻光敏電阻電阻應(yīng)變片特點(diǎn)正溫度系數(shù)的熱敏電阻，隨溫度升高電阻變大；負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻，隨溫度升高電阻減小電阻率隨溫度的升高而增加在強(qiáng)光下電阻小，在暗光下電阻大受到拉力時(shí)，電阻變大；受到壓力時(shí)，電阻變小敏感材料半導(dǎo)體金屬把硫化鎘涂敷在絕緣板上，其表面鍍銀金屬材料續(xù)表典例2溫度傳感器廣泛應(yīng)用于室內(nèi)空調(diào)、電冰箱和微波爐等家電產(chǎn)品中，它是利用熱敏電阻的阻值隨溫度的變化而變化的特性工作的。如圖甲中，電源的電動(dòng)勢E＝9.0V，內(nèi)電阻可忽略不計(jì)；G為靈敏電流表，內(nèi)阻Rg保持不變；R為熱敏電阻，其電阻值與溫度的變化關(guān)系如圖乙所示的R-t圖線，閉合開關(guān)，當(dāng)R的溫度等于120℃時(shí)，電流表示數(shù)I1＝3mA，求：(1)電流表G的內(nèi)阻Rg。(2)當(dāng)電流表的示數(shù)I2＝1.8mA時(shí)，熱敏電阻R的溫度。含傳感器的電路動(dòng)態(tài)分析的四點(diǎn)注意(1)如果涉及光敏電阻，必須明確光照情況怎樣變化，從而判斷出其阻值的變化。(2)如果涉及熱敏電阻，必須明確是正溫度系數(shù)還是負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻及溫度變化情況，從而判斷其阻值的變化。(3)如果是其他元件引起的電路變化可具體問題具體分析。(4)結(jié)合電路結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及局部阻值的變化，根據(jù)閉合電路的歐姆定律等規(guī)律分析有關(guān)物理量的變化?！舅仞B(yǎng)訓(xùn)練】1.(多選)有定值電阻、熱敏電阻、光敏電阻三只元件，將這三只元

件分別接入如圖所示電路中的A、B兩點(diǎn)后，用黑紙包住元件或

者把元件置入熱水中，觀察歐姆表的示數(shù)，下列說法中正確的是(

)A．置入熱水中與不置入熱水中相比，歐姆表示數(shù)變化較大的一定是熱敏電阻B．置入熱水中與不置入熱水中相比，歐姆表示數(shù)不變化的一定是定值電阻C．用黑紙包住與不用黑紙包住相比，歐姆表示數(shù)變化較大的一定是光敏電阻D．用黑紙包住與不用黑紙包住相比，歐姆表示數(shù)相同的一定是定值電阻解析：熱敏電阻的阻值隨溫度的變化而變化，定值電阻和光敏電阻的阻值不隨溫度發(fā)生變化，故A正確，B錯(cuò)誤；光敏電阻的阻值隨光照的變化而變化，而定值電阻和熱敏電阻的阻值不隨光照的變化而變化，故C正確，D錯(cuò)誤。答案：AC

2．(多選)在溫控電路中，通過熱敏電阻阻值隨溫度的變化可實(shí)現(xiàn)對(duì)電路相關(guān)物理量的控制。如圖所示電路，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(dāng)環(huán)境溫度降低時(shí)

(

)A．電容器C的帶電荷量增加B．電壓表的讀數(shù)增大C．電容器C兩板間的電場強(qiáng)度減小D．R1消耗的功率增大3．如圖是某同學(xué)在科技制作活動(dòng)中自制的電子秤原理圖，利用電壓表(內(nèi)電阻很大)的示數(shù)來指示物體的質(zhì)量。托盤與電阻可忽略的彈簧相連，托盤與彈簧的質(zhì)量均不計(jì)?；瑒?dòng)變阻器的滑動(dòng)端與彈簧上端連接，當(dāng)托盤中沒有放物體時(shí)，電壓表的示數(shù)為零。設(shè)變阻器的總電阻為R，總長度為L，電源電動(dòng)勢為E，內(nèi)阻為r，限流電阻為R0，彈簧的勁度系數(shù)為k，若不計(jì)一切摩擦和其他阻力。(1)求出電壓表示數(shù)Ux與所稱物體質(zhì)量m的關(guān)系式。(2)由(1)的計(jì)算結(jié)果可知，電壓表示數(shù)與待測物體質(zhì)量不成正比，不便于制作刻度。為使電壓表示數(shù)與待測物體質(zhì)量成正比，請(qǐng)利用原有器材進(jìn)行改進(jìn)，在如圖的基礎(chǔ)上完成改進(jìn)后的電路原理圖，并求出電壓表示數(shù)Ux與待測物體質(zhì)量m的關(guān)系式。探究(三)傳感器的應(yīng)用[問題驅(qū)動(dòng)]家用汽車已經(jīng)配備自動(dòng)大燈，可以自動(dòng)控制燈光的開啟和關(guān)閉，比如你白天突然進(jìn)入隧道或者清晨傍晚光線不好時(shí)，大燈自動(dòng)打開照亮前路，使行車更安全。請(qǐng)問是如何實(shí)現(xiàn)的？提示：用光控開關(guān)控制大燈開啟，光敏元件收集到光照強(qiáng)度較弱時(shí)，開關(guān)打開，大燈亮起。

【重難釋解】1．傳感器的應(yīng)用步驟

物理傳感器是將所感受的物理量(如力、熱、光等)轉(zhuǎn)換為便于測量的電學(xué)量的器件。我們可以把傳感器的應(yīng)用過程分為三個(gè)步驟：(1)信息采集。(2)信息加工、放大、傳輸。(3)利用所獲得的信息執(zhí)行某種操作。2．分析傳感器問題要注意三點(diǎn)(1)感受量分析：要明確傳感器所感受的物理量，如力、熱、光、磁、聲等。(2)輸出信號(hào)分析：明確傳感器的敏感元件，分析它的輸入信號(hào)及輸出信號(hào)，以及輸入信號(hào)與輸出信號(hào)間的變化規(guī)律。(3)電路結(jié)構(gòu)分析：認(rèn)真分析傳感器所在的電路結(jié)構(gòu)，在熟悉常用電子元件工作特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，分析電路輸出信號(hào)與輸入信號(hào)間的規(guī)律?；魻栯妱莞叩偷呐袛喾椒?1)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面；如果是負(fù)電荷，則拇指所指的面為低電勢面，但無論是正電荷還是負(fù)電荷，四指指的都是電流方向，即正電荷定向移動(dòng)的方向，負(fù)電荷定向移動(dòng)的反方向。(2)在判斷電勢高低時(shí)一定要注意載流子是正電荷還是負(fù)電荷?！舅仞B(yǎng)訓(xùn)練】1. 如圖所示，截面為矩形的金屬導(dǎo)體，放在勻強(qiáng)磁場中，當(dāng)導(dǎo)

體中通有電流時(shí)，導(dǎo)體的上下表面的電勢有什么關(guān)系

(

)A．φM>φN

B．φM＝φNC．φM<φN D．無法判斷解析：霍爾效應(yīng)形成的原因是帶電粒子在磁場中受到洛倫茲力的作用，做定向移動(dòng)形成的，根據(jù)左手定則，金屬導(dǎo)體中自由電子受到向下的洛倫茲力作用，向N板運(yùn)動(dòng)，則M板剩下正電荷，所以φM＞φN。答案：A

2．

如圖所示為測定壓力的電容式傳感器，將平行板電容器、靈敏電流表(零刻度在中間)和電源串聯(lián)成閉合回路，當(dāng)壓力F作用于可動(dòng)膜片電極上時(shí)，膜片發(fā)生形變，引起電容的變化，導(dǎo)致靈敏電流表指針偏轉(zhuǎn)。在對(duì)膜片開始施加壓力使膜片電極從圖中的虛線推到圖中實(shí)線位置并保持固定的過程中，靈敏電流表指針偏轉(zhuǎn)情況為(電流從電流表正接線柱流入時(shí)指針向右偏) (

)A．向右偏到某一刻度后回到零刻度B．向左偏到某一刻度后回到零刻度C．向右偏到某一刻度后不動(dòng)D．向左偏到某一刻度后不動(dòng)一、培養(yǎng)創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新思維1．用光敏電阻制成的光敏傳感器有許多用處。例如，一種簡易的監(jiān)測水中懸浮顆粒污染程度的監(jiān)測器就利用了光敏電阻的特點(diǎn)(圖1)。被污染的水中常含有懸浮的顆粒，它們會(huì)影響光的通過。當(dāng)光穿過水照到光敏電阻上時(shí)，到達(dá)光敏電阻的光量與水的污染程度有關(guān)(圖2)。當(dāng)水污染嚴(yán)重時(shí)，光敏電阻受光量很小，電阻很大，指示燈不亮；當(dāng)水污染不嚴(yán)重時(shí)，光敏電阻的受光量大，電阻小，指示燈變亮。(1)嚴(yán)重污染時(shí)，光敏電阻是高電阻還是低電阻？(2)該監(jiān)測器的使用受白天和晚上的影響嗎？提示：(1)高電阻。(2)因自然光強(qiáng)弱不同，或多或少對(duì)光敏電阻的阻值產(chǎn)生影響。二、注重學(xué)以致用和思維建模2. (多選)某同學(xué)發(fā)現(xiàn)他居住的樓房中，樓梯上的過道燈

在夜晚天黑時(shí)，用力拍掌燈就亮了；而白天無論怎樣

用力拍掌，燈都不能亮。后來老師告訴他：過道燈是

由聲音傳感器和光傳感器同時(shí)來控制的，其原理圖如圖所示，