新教材人教版選擇性必修第二冊第五章2常見傳感器的工作原理及應用課件（46張）

2.常見傳感器的工作原理及應用第五章2021內(nèi)容索引0102課前篇自主預習課堂篇探究學習學習目標思維導圖1.通過實驗,了解常見傳感器的工作原理,會利用傳感器制作簡單的自動裝置。(科學思維)2.認識簡單的自動控制電路。(科學思維)課前篇自主預習必備知識一、光敏電阻1.光敏電阻是用硫化鎘做成的,光照強度不同時電阻不同,光敏電阻是光傳感器中常見的光敏元件。2.硫化鎘是一種半導體材料,無光照時,載流子極少,導電性能差;隨著光照的增強,載流子增多,導電性變好。3.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。二、金屬熱電阻和熱敏電阻1.除了光照以外,溫度也能明顯地影響金屬導體和半導體材料的導電性能。金屬熱電阻和熱敏電阻就是傳感器中常見的感知溫度的敏感元件。2.金屬的電阻率隨溫度的升高而增大,用金屬絲可以制作溫度傳感器,稱為熱電阻。3.有些半導體在溫度上升時導電能力增強,因此可以用半導體材料制作熱敏電阻。4.金屬熱電阻和熱敏電阻都能夠把溫度這個熱學量轉換為電阻這個電學量。三、電阻應變片1.金屬導體在外力作用下發(fā)生機械形變(伸長或縮短)時,其電阻隨著它所受機械形變的變化而發(fā)生變化的現(xiàn)象,稱為金屬的電阻應變效應。2.除了金屬電阻應變片外,常用的電阻應變片還有半導體電阻應變片,它的工作原理是基于半導體材料的壓阻效應。3.電阻應變片能夠把物體形變這個力學量轉換為電阻這個電學量。4.常用的一種力傳感器是由金屬梁和電阻應變片組成的,稱為應變式力傳感器。5.光敏電阻、熱敏電阻、電阻應變片等電阻式傳感器的工作共性是通過測量電阻的變化來確定外界非電學量的變化。6.電容器的電容C決定于極板的正對面積S、極板間的距離d以及極板間的電介質這三個因素。如果某個物理量的變化能引起上述某個因素的變化,從而引起電容的變化,那么,通過測定電容器的電容就可以確定這個物理量的變化,由此可以制成電容式傳感器。自我檢測1.判斷正誤,判斷結果為錯誤的小題請說明原因。(1)金屬熱電阻隨溫度的升高導電能力增強,它的化學穩(wěn)定性好,測量范圍大。(

)解析

金屬熱電阻隨溫度的升高導電能力減弱。答案

×(2)熱敏電阻和金屬熱電阻都能把溫度這個熱學量轉換成電阻這個電學量。(

)答案

√(3)霍爾電壓與組成霍爾元件的材料無關。(

)解析

霍爾電壓與組成霍爾元件的材料有關。答案

×(4)霍爾元件能夠把磁感應強度這個磁學量轉化為電壓這個電學量。(

)答案

√(5)光敏電阻的阻值隨光照的強弱而變化,光照越強電阻越大。(

)解析

光敏電阻的阻值隨光照的強弱而變化,光照越強電阻越小。答案

×(6)電阻應變片能夠把物體的形變情況轉變?yōu)殡娮璧淖兓?

)答案

√2.許多樓道照明燈具有這樣的功能:天黑時,出現(xiàn)聲音它就開啟;而在白天,即使有聲音它也沒有反應,它的控制電路中可能接入的傳感器是(

)①溫度傳感器

②光傳感器

③聲音傳感器

④熱傳感器A.①② B.②③

C.③④ D.②④解析

樓道燈控制電路中安裝有光聲控延時開關,它裝有光敏感元件,用于感知外界光線的強弱,還安裝有聲敏感元件用于感知外界聲響。當白天外界光線較強時,光聲控延時開關總處于斷開狀態(tài),燈不亮;當夜晚光線較弱且有聲響時光聲控延時開關處于導通狀態(tài),燈亮,延時一段時間后,開關斷開,燈熄滅。答案

B課堂篇探究學習探究一光敏電阻情境探究實驗:將一只光敏電阻接到多用電表的兩端,電表置于倍率為100的歐姆擋。觀察在室內(nèi)自然光照射下的電阻值,用手掌遮光時的電阻值,用陽光直接照射時的電阻值。(1)觀察到的實驗現(xiàn)象是什么?(2)該實驗能得出什么結論?要點提示

(1)實驗現(xiàn)象:同一只光敏電阻,用多用電表測量其阻值,用手掌遮光時,電阻值較大,在室內(nèi)自然光的照射下電阻值變小,改用陽光直接照射時,電阻值變得更小。(2)實驗結論:光敏電阻的阻值隨光照強度的增強而明顯減小。知識歸納光敏電阻的特點及工作原理(1)當半導體材料受到光照或者溫度升高時,會有更多的電子獲得能量成為自由電子,同時也形成更多的空穴,于是導電能力明顯增強。(2)光敏電阻是用半導體材料(如硫化鎘)制成的。它的特點是光照越強,電阻越小。它能夠把光照強弱這個光學量轉換為電阻這個電學量。實例引導例1(多選)如圖所示,R1、R2為定值電阻,L為小燈泡,R3為光敏電阻,當入射光強度增大時(

)A.電壓表的示數(shù)增大B.R2中電流減小C.小燈泡的功率增大D.電路的路端電壓增大解析

當入射光強度增大時,R3阻值減小,外電路電阻隨R3的減小而減小,R1兩端電壓因干路電流增大而增大,從而電壓表的示數(shù)增大,同時內(nèi)電壓增大,故電路的路端電壓減小,A項正確,D項錯誤。因路端電壓減小,而R1兩端電壓增大,故R2兩端電壓必減小,則R2中電流減小,故B項正確。結合干路電流增大、R2中電流減小,知流過小燈泡的電流必增大,故小燈泡的功率增大,C項正確。答案

ABC規(guī)律方法

解決含有光敏電阻的直流電路動態(tài)分析問題(1)明確光敏電阻的電阻特性;(2)解題思路:變式訓練

1如圖所示,將一光敏電阻接入多用電表兩表筆上,將多用電表的選擇開關置于歐姆擋,用光照射光敏電阻時表針自左向右的偏角為θ,現(xiàn)用手掌擋住部分光線,表針自左向右的偏角變?yōu)棣?,則可判斷(

)A.θ'=θ B.θ'<θC.θ'>θ D.不能確定解析

光敏電阻的阻值隨光照強度的增強而減小,用手掌擋住部分光線,阻值變大,指針自左向右偏轉角度變小,故B正確。答案

B探究二熱敏電阻和金屬熱電阻情境探究如圖所示,將多用電表的選擇開關置于歐姆擋,再將電表的兩支表筆與負溫度系數(shù)的熱敏電阻RT(溫度升高,電阻減小)的兩端相連,這時表針恰好指在刻度盤的正中央。若在RT上擦一些酒精,表針將如何偏轉?若用吹風機將熱風吹向熱敏電阻,表針將如何偏轉?要點提示

由于酒精蒸發(fā),熱敏電阻RT溫度降低,電阻值增大,指針將向左偏;用吹風機將熱風吹向熱敏電阻,熱敏電阻RT溫度升高,電阻值減小,指針將向右偏。知識歸納熱敏電阻和金屬熱電阻的特點(1)熱敏電阻:用半導體材料制成。(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。(3)熱敏電阻和金屬熱電阻的區(qū)別

分類熱敏電阻金屬熱電阻特點負溫度系數(shù)的熱敏電阻,電阻率隨溫度的升高而減小電阻率隨溫度的升高而增大R-T圖像(負溫度系數(shù)的熱敏電阻)分類熱敏電阻金屬熱電阻制作材料半導體金屬導電原理自由電子和空穴等載流子自由電子的定向移動優(yōu)

點靈敏度較好化學穩(wěn)定性好,測溫范圍大,但靈敏度較差作

用將溫度這個熱學量轉換為電阻這個電學量實例引導例2

如圖所示,R1為定值電阻,R2為負溫度系數(shù)的熱敏電阻,L為小燈泡,當溫度降低時(

)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D.小燈泡的亮度變?nèi)踅馕?/p>

R2與燈泡L并聯(lián)后再與R1串聯(lián),與電源構成閉合電路,當溫度降低時,熱敏電阻R2阻值增大,外電路電阻增大,電流表讀數(shù)減小,燈泡L兩端的電壓增大,燈泡的亮度變強,R1兩端的電壓減小,故只有C正確。答案

C變式訓練

2如圖所示,由電源、小燈泡、電阻絲、開關組成的電路中,當閉合開關S后,小燈泡正常發(fā)光,若用酒精燈加熱電阻絲時,發(fā)現(xiàn)小燈泡亮度變暗,發(fā)生這一現(xiàn)象的主要原因是(

)A.小燈泡的電阻發(fā)生了變化B.小燈泡燈絲的電阻率隨溫度發(fā)生了變化C.電阻絲的電阻率隨溫度發(fā)生了變化D.電源的電壓隨溫度發(fā)生了變化解析

電阻絲的電阻率隨溫度的升高而增大,電阻也增大,電路中電流減小,根據(jù)P=I2R知,小燈泡的實際功率減小,所以變暗。答案

C探究三霍爾元件情境探究如圖所示,在矩形半導體薄片E、F間通入恒定的電流I,同時外加與薄片垂直的磁場B,則M、N間會出現(xiàn)電壓,稱為霍爾電壓UH。(1)分析為什么會出現(xiàn)電壓。(2)試推導UH的表達式。(電流的微觀表達式I=nqvS)要點提示

(1)薄片中的載流子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,使M、N間出現(xiàn)了電壓。(2)設薄片厚度為d,EF方向長度為l1,MN方向長度為l2,受力分析如圖。

知識歸納霍爾元件的工作原理與特點(1)霍耳元件的工作原理:E、F間通入恒定的電流I,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作用下,向著與電流和磁場都垂直的方向漂移,使M、N間出現(xiàn)電壓(如圖所示)。(2)霍爾元件在電流、電壓穩(wěn)定時,載流子所受電場力和洛倫茲力二力平衡。(3)霍爾電壓:UH=k

(d為薄片的厚度,k為霍爾系數(shù))。當電流I一定時,UH與B成正比,所以霍爾元件能把磁學量轉換成電學量。實例引導例3

如圖所示,有電流I流過長方體金屬塊,金屬塊寬為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(nèi)的自由電子數(shù)為n,問:金屬塊上、下表面哪面電勢高?電勢差是多少?解析

因為自由電荷為電子,運動方向與電流方向相反,故由左手定則可判定向上偏,則上表面聚集負電荷,下表面帶等量的正電荷,故下表面電勢高,設其穩(wěn)定電壓為U,當運動的自由電子所受電場力與洛倫茲力平衡時,規(guī)律方法

霍爾電勢高低的判斷方法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,如果是負電荷,則拇指所指的面為低電勢面。在判斷電勢高低時一定要注意載流子是正電荷還是負電荷。變式訓練

3(多選)如圖所示是霍爾元件的工作原理示意圖,如果用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(工作面是指較大的平面)(

)A.將永磁體的一個磁極逐漸靠近霍爾元件的工作面,且永磁體的磁場與原磁場方向相同,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)生變化解析

將永磁體的磁極逐漸靠近霍爾元件的工作面時,且永磁體的磁場與原磁場方向相同,B增大,I恒定,由公式UH=知UH將變大,選項A正確;地球兩極的磁場方向在豎直方向上,所以霍爾元件的工作面應保持水平,使B與工作面垂直,選項B正確;地球赤道上的磁場沿水平方向,只有霍爾元件的工作面在豎直方向且垂直于南北時,B才與工作面垂直,選項C錯誤;改變磁感線與霍爾元件工作面的夾角,B在垂直工作面方向上的大小發(fā)生變化,UH將發(fā)生變化,選項D正確。答案

ABD隨堂檢測1.非觸摸式自動感應水龍頭如圖所示,其應用的傳感器是(

)A.壓力傳感器B.光電傳感器C.生物傳感器D.溫度傳感器解析

自動感應水龍頭應用的是光電傳感器。答案

B2.如圖甲所示,光敏電阻R2上加上如圖乙所示的光照,那么R2兩端的電壓變化是下列圖中的(

)解析

光敏電阻阻值隨光照的增強而減小,根據(jù)題圖知R2兩端的電壓隨光照的增強而減小,但不會是零,所以選B。答案

B3.(多選)在溫控電路中,通過熱敏電阻阻值隨溫度