新教材2023年高中物理第5章傳感器2.常見(jiàn)傳感器的工作原理及應(yīng)用教師用書(shū)新人教版選擇性必修第二冊(cè)

2．常見(jiàn)傳感器的工作原理及應(yīng)用1．了解光敏電阻工作原理及作用。2．了解熱敏電阻和金屬熱電阻工作原理及作用。3．了解電阻應(yīng)變片在電子秤上的應(yīng)用。4．了解電容在傳感器中應(yīng)用。知識(shí)點(diǎn)一光敏電阻1．特點(diǎn)：光照越強(qiáng)，電阻越小。2．原因：光敏電阻的構(gòu)成物質(zhì)為半導(dǎo)體材料，無(wú)光照時(shí)，載流子極少，導(dǎo)電性能不好；隨著光照的增強(qiáng)，載流子增多，導(dǎo)電性變好。3．作用：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。光敏電阻隨光照強(qiáng)度變化電阻變化是因?yàn)楣饷綦娮枋前雽?dǎo)體，光照引起載流子數(shù)變化。1：思考辨析(正確的打“√”，錯(cuò)誤的打“×”)(1)隨著光照的增強(qiáng)，光敏電阻的電阻值逐漸增大。 ()(2)宇宙飛船使用各類(lèi)傳感器，智能化地感知各種信息。其中感知宇航員體溫變化的是光傳感器。 ()[答案](1)×(2)×知識(shí)點(diǎn)二熱敏電阻和金屬熱電阻1．熱敏電阻。熱敏電阻由半導(dǎo)體材料制成，其電阻隨溫度的變化明顯，溫度升高電阻減小，如圖甲所示為某一熱敏電阻的電阻隨溫度變化的特性曲線。甲乙2．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，稱(chēng)為熱電阻，如圖乙所示為某金屬導(dǎo)線電阻的溫度特性曲線。3．熱敏電阻與金屬熱電阻的區(qū)別。種類(lèi)熱敏電阻金屬熱電阻特點(diǎn)電阻隨溫度的變化而變化且非常明顯電阻率隨溫度的升高而增大制作材料半導(dǎo)體金屬導(dǎo)體優(yōu)點(diǎn)靈敏度好化學(xué)穩(wěn)定性好，測(cè)溫范圍大作用能夠?qū)囟冗@個(gè)熱學(xué)量轉(zhuǎn)換為電阻這個(gè)電學(xué)量4．注意：在工作溫度范圍內(nèi)，電阻值隨溫度上升而增加的是正溫度系數(shù)(PTC)熱敏電阻器；電阻值隨溫度上升而減小的是負(fù)溫度系數(shù)(NTC)熱敏電阻器。熱敏電阻是由半導(dǎo)體材料制成的，其電阻變化比較明顯。2：思考辨析(正確的打“√”，錯(cuò)誤的打“×”)(1)熱敏電阻是由金屬制成的，對(duì)溫度感知靈敏。 ()(2)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。 ()[答案](1)×(2)×知識(shí)點(diǎn)三力傳感器的應(yīng)用——電子秤1．組成及敏感元件：由金屬梁和電阻應(yīng)變片組成，敏感元件是電阻應(yīng)變片。2．工作原理3．作用：電阻應(yīng)變片將物體形變這個(gè)力學(xué)量轉(zhuǎn)換為電阻這個(gè)電學(xué)量。力傳感器不僅可以測(cè)量壓力，也可以測(cè)量拉力。3：思考辨析(正確的打“√”，錯(cuò)誤的打“×”)(1)電子秤是應(yīng)用了力傳感器。 ()(2)交通警察用來(lái)檢測(cè)駕駛員酒精含量的檢測(cè)器使用的傳感器是壓力傳感器。 ()[答案](1)√(2)×聲控?zé)粲幸环N有趣的現(xiàn)象，那就是光線充足時(shí)，任你發(fā)出多大的聲音都不亮；但在黑夜，輕輕一聲它就發(fā)出亮光，這是為什么呢？這就是本節(jié)課要解決的問(wèn)題?？键c(diǎn)1電阻式傳感器的應(yīng)用分析1．電阻式傳感器性能比較種類(lèi)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，在弱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優(yōu)點(diǎn)靈敏度好測(cè)溫范圍大靈敏度好靈敏度好原理溫度影響電阻率無(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R＝ρeq\f(L,S)應(yīng)用空調(diào)機(jī)電飯煲照相機(jī)電子秤2．熱敏電阻和金屬熱電阻隨溫度變化的特點(diǎn)(1)熱敏電阻：用半導(dǎo)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①所示為某熱敏電阻的電阻隨溫度變化的特性曲線。(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②所示，這樣的電阻也可以制作溫度傳感器。【典例1】如圖所示，R1為定值電阻，R2為負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻(負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻是指阻值隨溫度的升高而減小的熱敏電阻)，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)魿[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電阻值增大，外電路電阻增大，電流表讀數(shù)減小，R1兩端的電壓減小，燈泡L兩端的電壓增大，燈泡的亮度變強(qiáng)，故只有C正確。]傳感器問(wèn)題中的電路動(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(wèn)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。eq\o([跟進(jìn)訓(xùn)練])1．(多選)如圖為電阻R隨溫度T變化的圖線。下列說(shuō)法中正確的是()A．圖線1是熱敏電阻的圖線，它是用金屬材料制成的B．圖線2是熱敏電阻的圖線，它是用半導(dǎo)體材料制成的C．圖線1對(duì)應(yīng)的材料化學(xué)穩(wěn)定性好、測(cè)溫范圍大、靈敏度高D．圖線2對(duì)應(yīng)的材料化學(xué)穩(wěn)定性差、測(cè)溫范圍小、靈敏度高BD[金屬熱電阻的阻值隨溫度升高而增大，半導(dǎo)體材料的熱敏電阻的阻值隨溫度升高而減小，所以A錯(cuò)誤，B正確；圖線1對(duì)應(yīng)的材料化學(xué)穩(wěn)定性好但靈敏度低，圖線2對(duì)應(yīng)的材料化學(xué)穩(wěn)定性差但靈敏度高，所以C錯(cuò)誤，D正確。]考點(diǎn)2電容式傳感器1．電容器的電容決定于極板間的正對(duì)面積S、極板間距d、極板間的電介質(zhì)這幾個(gè)因素。如果某個(gè)物理量(如角度θ、位移x、深度H等)的變化引起上述某個(gè)因素的變化，從而引起電容的變化，通過(guò)電容的變化就可以確定上述物理量的變化，這種電容器稱(chēng)為電容式傳感器。2．常見(jiàn)電容式傳感器名稱(chēng)傳感器原理測(cè)定角度θ的電容式傳感器當(dāng)動(dòng)片與定片之間的角度θ發(fā)生變化時(shí)，引起極板正對(duì)面積S的變化，使電容C發(fā)生變化，知道C的變化，就可以知道θ的變化情況測(cè)定液面高度h的電容式傳感器在導(dǎo)線芯的外面涂上一層絕緣物質(zhì)，放入導(dǎo)電液體中，導(dǎo)線芯和導(dǎo)電液體構(gòu)成電容器的兩個(gè)極，導(dǎo)線芯外面的絕緣物質(zhì)就是電介質(zhì)，液面高度h發(fā)生變化時(shí)，引起正對(duì)面積發(fā)生變化，使電容C發(fā)生變化，知道C的變化，就可以知道h的變化情況測(cè)定壓力F的電容式傳感器待測(cè)壓力F作用于可動(dòng)膜片電極上的時(shí)候，膜片發(fā)生形變，使極板間距離d發(fā)生變化，引起電容C的變化，知道C的變化，就可以知道F的變化情況測(cè)定位移x的電容式傳感器隨著電介質(zhì)進(jìn)入極板間的長(zhǎng)度發(fā)生變化，電容C發(fā)生變化，知道C的變化，就可以知道x的變化情況【典例2】如圖所示為測(cè)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(kāi)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(guò)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)思路點(diǎn)撥：根據(jù)電容的公式C＝eq\f(εrS,4πkd)和C＝eq\f(Q,U)，按以下思路進(jìn)行分析。A[壓力F作用時(shí)，極板間距d變小，由C＝eq\f(εrS,4πkd)，電容器電容C變大，又根據(jù)Q＝CU，極板所帶電荷量變大，所以電容器應(yīng)充電，靈敏電流計(jì)中產(chǎn)生由正接線柱流入的電流，所以指針將右偏。F不變時(shí)，極板保持固定后，充電結(jié)束，指針回到零刻度。故選A。]電容式傳感器是一種多功能傳感器，可把壓力、轉(zhuǎn)角、位移、壓強(qiáng)、聲音等非電學(xué)量轉(zhuǎn)換為電容這一電學(xué)量，分析原理時(shí)，關(guān)鍵要搞清是哪個(gè)非電學(xué)量轉(zhuǎn)換為電容，然后結(jié)合電容的決定式來(lái)分析。eq\o([跟進(jìn)訓(xùn)練])2．傳感器是將能感受的物理量(如力、熱、光、聲等)轉(zhuǎn)換成便于測(cè)量的量(一般是電學(xué)量)的一類(lèi)元件，在自動(dòng)控制中有相當(dāng)廣泛的應(yīng)用，如圖所示的裝置是一種測(cè)定液面高度的電容式傳感器。金屬芯線與導(dǎo)電液體構(gòu)成一個(gè)電容器，從電容C大小的變化情況就能反映出液面高度h的高低情況，則兩者的關(guān)系是()①C增大表示h增大②C增大表示h減小③C減小表示h減?、蹸減小表示h增大A．只有①正確 B．只有①③正確C．只有②正確 D．只有②④正確B[液面高度的變化，相當(dāng)于電容器極板正對(duì)面積的變化。當(dāng)h增大時(shí)，相當(dāng)于正對(duì)面積增大，則電容應(yīng)增大；當(dāng)h減小時(shí)，相當(dāng)于正對(duì)面積減小，電容C應(yīng)減小，B正確。]1．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．NTC熱敏電阻 D．PTC熱敏電阻C[金屬導(dǎo)體電阻值一般隨溫度升高而增大，光敏電阻電阻值是隨光照強(qiáng)度的增大而減小，PTC熱敏電阻的阻值隨溫度的升高而增大，只有NTC熱敏電阻的阻值隨溫度的升高而減小，C正確，A、B、D錯(cuò)誤。]2．關(guān)于光敏電阻和熱敏電阻，下列說(shuō)法中正確的是()A．光敏電阻是用半導(dǎo)體材料制成的，其阻值隨光照增強(qiáng)而減小，隨光照的減弱而增大B．光敏電阻是能把光照強(qiáng)度這個(gè)光學(xué)量轉(zhuǎn)換為電流這個(gè)電學(xué)量的傳感器C．熱敏電阻是用金屬鉑制成的，它對(duì)溫度感知很靈敏D．熱敏電阻是把熱量這個(gè)熱學(xué)量轉(zhuǎn)換為電阻這個(gè)電學(xué)量的傳感器A[光敏電阻是把光強(qiáng)轉(zhuǎn)換為電阻的元件；熱敏電阻是把溫度轉(zhuǎn)換為電阻的元件，故B、D錯(cuò)誤；熱敏電阻和光敏電阻都是半導(dǎo)體材料制成的，半導(dǎo)體具有光敏性和熱敏性，金屬鉑與熱敏電阻的阻值隨溫度的變化趨勢(shì)相反，故C錯(cuò)誤。]3．如圖所示，電容式觸摸屏的構(gòu)造主要是在玻璃屏幕上鍍一層透明的薄膜導(dǎo)體層，再在導(dǎo)體層外加上一塊保護(hù)玻璃，電容式觸摸屏在觸摸屏四邊均鍍上狹長(zhǎng)的電極，在導(dǎo)體層內(nèi)形成一個(gè)低電壓交流電場(chǎng)。在觸摸屏幕時(shí)，由于人體是導(dǎo)體，手指與內(nèi)部導(dǎo)體層間會(huì)形成一個(gè)特殊電容(耦合電容)，四邊電極發(fā)出的電流會(huì)流向觸點(diǎn)，而電流強(qiáng)弱與手指到電極的距離成正比，位于觸摸屏后的控制器便會(huì)計(jì)算電流的比例及強(qiáng)弱，準(zhǔn)確算出觸摸點(diǎn)的位置。由以上信息可知()A．電容式觸摸屏的兩極板分別是導(dǎo)體層和手指B．當(dāng)用手觸摸屏幕時(shí)，手指與屏的接觸面積越大，電容不變C．當(dāng)用手觸摸屏幕時(shí)，手指與屏的接觸面積越大，電容越小D．如果用戴了手套的手觸摸屏幕，照樣能引起觸摸屏動(dòng)作A[電容觸摸屏在原理上把人體當(dāng)作一個(gè)電容器元件的一個(gè)極板，把導(dǎo)體層當(dāng)作另一個(gè)極板，故A正確；手指與屏的接觸面積越大，即兩個(gè)極板的正對(duì)面積越大，故電容越大，B、C錯(cuò)誤；如果戴了手套或手持不導(dǎo)電的物體觸摸時(shí)沒(méi)有反應(yīng)，這是因?yàn)槭峙c導(dǎo)體層距離較大，不能引起導(dǎo)體層電場(chǎng)的變化，D錯(cuò)誤。]4．(新題型新素養(yǎng))有一種測(cè)量壓力的電子秤，其原理如圖所示。E是內(nèi)阻不計(jì)、電動(dòng)勢(shì)為6V的電源。R0是一個(gè)阻值為300Ω的限流電阻。G是由理想電流表改裝成的指針式測(cè)力顯示器。R是一個(gè)壓敏電阻，其阻值可隨壓力大小的變化而改變，兩者關(guān)系如表所示。C是一個(gè)用來(lái)保護(hù)顯示器的電容器。秤臺(tái)的重力忽略不計(jì)。壓力F/N050100150200250300…電阻R/Ω300280260240220200180…問(wèn)題：(1)利用表中的數(shù)據(jù)，寫(xiě)出電阻R隨壓力F變化的數(shù)學(xué)關(guān)系式；(2)若電容器的耐壓值為5V，該電子秤的最大稱(chēng)量值為多少？(3)如果把電流表中電流的刻度變換成壓力刻度，則該測(cè)力顯示器的刻度是否均勻？解析：(1)由表中數(shù)據(jù)可知k＝eq\f(ΔR,ΔF)＝eq\f(－120,300)Ω/N＝－0.4Ω/N所以電阻R隨壓力F變化的數(shù)學(xué)關(guān)系式為R＝300－0.4F(Ω)。(2)R上受到的壓力越大，R的阻值越小，電容器兩極板間電壓越大，由題意知，電容器兩極板間電壓不能超過(guò)5V，所以eq\f(5,R0)＝eq\f(6,R＋R0)，解