2024-2025學(xué)年高中物理第3章傳感器第1節(jié)認(rèn)識傳感器第2節(jié)傳感器的原理學(xué)案粵教版選修3-2

PAGE8-第一節(jié)相識傳感器其次節(jié)傳感器的原理[學(xué)習(xí)目標(biāo)]1.了解傳感器的概念，知道非電學(xué)量轉(zhuǎn)換成電學(xué)量的技術(shù)意義．(重點(diǎn))2.了解傳感器的基本結(jié)構(gòu)及各部分的作用.3.知道光敏電阻、熱敏電阻的工作原理，感悟基礎(chǔ)學(xué)問學(xué)習(xí)和應(yīng)用的重要性．(重點(diǎn))4.通過試驗(yàn)視察和分析，了解傳感器的工作原理．(難點(diǎn))一、傳感器及其分類1．定義：能感受規(guī)定的被測量，并依據(jù)肯定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成電信號的器件或裝置．2．傳感器的組成：傳感器一般由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件和轉(zhuǎn)換電路三部分組成．(1)敏感元件：相當(dāng)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(yīng)(如熱敏、光敏、壓敏、力敏、濕敏等)制成的．(2)轉(zhuǎn)換元件：是傳感器中能將敏感元件輸出的、與被測物理量成肯定關(guān)系的非電信號轉(zhuǎn)換成電信號的電子元件．(3)轉(zhuǎn)換電路：是將轉(zhuǎn)換元件輸出的不易測量的電學(xué)量轉(zhuǎn)換成易于測量的電學(xué)量，如電壓、電流、頻率等．3．傳感器的分類(1)按被測量分類：加速度傳感器、速度傳感器、壓力傳感器、溫度傳感器、負(fù)荷傳感器、扭矩傳感器等．(2)按工作原理分類：電阻應(yīng)變式傳感器、壓電式傳感器、電容式傳感器、渦流式傳感器、動圈式傳感器、磁電式傳感器、差動變壓器式傳感器等．(3)按能量傳遞方式分類：有源傳感器和無源傳感器．二、傳感器的原理1．溫度傳感器的原理(1)溫度傳感器：將溫度改變轉(zhuǎn)換為電學(xué)量改變的裝置，它通過測量傳感器元件的電學(xué)量隨溫度改變來實(shí)現(xiàn)對溫度的測量．(2)熱敏電阻：利用半導(dǎo)體材料的阻值隨溫度改變而改變的特性實(shí)現(xiàn)溫度測量的，其電阻大小與溫度凹凸有關(guān)，溫度改變，電阻有明顯改變．2．光電傳感器的原理(1)光電傳感器：將光學(xué)量改變轉(zhuǎn)化為電學(xué)量改變的裝置．(2)應(yīng)用：路燈光電自動開關(guān)電路和紅外樓道照明開關(guān)電路．(3)光敏電阻：光電傳感器的敏感元件，其阻值隨光照的增加而減?。?．思索推斷(正確的打“√”，錯誤的打“×”)(1)傳感器是一種聯(lián)絡(luò)傳遞感性的設(shè)備．(×)(2)傳感器是一種感知、探測物理量的工具．(×)(3)傳感器是將被測量的非電學(xué)量轉(zhuǎn)換成電學(xué)量的器件或裝置．(√)(4)光敏電阻受到的光照越強(qiáng)，電阻越?。?√)(5)熱敏電阻肯定是隨溫度的上升，其阻值增大．(×)2．關(guān)于傳感器，下列說法不正確的是()A．傳感器通常是將非電學(xué)量轉(zhuǎn)化為電學(xué)量的裝置B．壓力傳感器是將力學(xué)量轉(zhuǎn)化為電學(xué)量的裝置C．全部傳感器都是由半導(dǎo)體材料制成的D．傳感器廣泛應(yīng)用于信息采集系統(tǒng)C[傳感器通常是通過非電學(xué)量轉(zhuǎn)換成電學(xué)量來傳遞信息的，A正確；壓力傳感器是將力學(xué)量轉(zhuǎn)化為電學(xué)量的裝置，B正確；用來制作傳感器的材料有半導(dǎo)體材料、陶瓷材料、金屬材料和有機(jī)材料等，傳感器廣泛應(yīng)用于信息采集系統(tǒng)，故C錯誤，D正確．]3．美國科學(xué)家WillardS．Boyle與GeorgeE．Smith因電荷耦合器件(CCD)的重要獨(dú)創(chuàng)榮獲2009年度諾貝爾物理學(xué)獎．CCD是將光學(xué)量轉(zhuǎn)變成電學(xué)量的傳感器．下列器件可作為傳感器的有()A．發(fā)光二極管 B．熱敏電阻C．霍爾元件 D．干電池BC[傳感器是指能夠感受諸如力、溫度、光、聲、化學(xué)成分等非電學(xué)量，并能把它們依據(jù)肯定的規(guī)律轉(zhuǎn)換為電壓、電流等電學(xué)量的元件．發(fā)光二極管是將電能轉(zhuǎn)化為光能的元件，不是傳感器，選項(xiàng)A錯誤；熱敏電阻的溫度改變時，其電阻會發(fā)生改變，能把熱學(xué)量轉(zhuǎn)換成電學(xué)量，可作為傳感器，選項(xiàng)B正確；霍爾元件能夠把磁感應(yīng)強(qiáng)度這個非電學(xué)量轉(zhuǎn)換成電壓這個電學(xué)量，可作為傳感器，選項(xiàng)C正確；干電池是一種電源，不是傳感器，選項(xiàng)D錯誤．],傳感器的應(yīng)用及其工作原理的理解1.傳感器的工作流程eq\x(\a\al(非電,學(xué)量))eq\x(\a\al(敏感,元件))eq\x(\a\al(轉(zhuǎn)換,元件))eq\x(\a\al(轉(zhuǎn)換,電路))eq\x(電學(xué)量)2．幾種常用傳感器對比傳感器名稱輸入(感受)的物理量或化學(xué)量輸出的物理量可能的工作原理氣體壓強(qiáng)傳感器壓強(qiáng)電壓(電流)力電轉(zhuǎn)換硅光電池光電壓光電效應(yīng)光電二極管光電壓光電效應(yīng)濕敏電阻濕度電壓(電阻)感濕材料受濕電阻改變話筒聲音電流電磁感應(yīng)加速度傳感器加速度電壓電磁感應(yīng)【例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C[傳感器工作的一般流程為非電學(xué)量eq\o(→,\s\up7(被))敏感元件eq\o(→,\s\up15(感知，然后通過))轉(zhuǎn)換元件eq\o(→,\s\up15(轉(zhuǎn)換成電信號，再通過))轉(zhuǎn)換電路eq\o(→,\s\up15(將此信號轉(zhuǎn)換成易于傳輸或測量的))電學(xué)量，因此A、B、D錯，C對．](1)不同的傳感器的工作原理不同，但都是通過敏感元件把非電學(xué)量的改變轉(zhuǎn)變?yōu)殡妼W(xué)量的改變．(2)傳感器輸出的電學(xué)量可能為電流、電壓、電路通斷等，不肯定是電壓．(3)敏感元件只是傳感器的一個關(guān)鍵部分，并不肯定就是一個完整的傳感器．訓(xùn)練角度1傳感器的相識1．(多選)關(guān)于傳感器的作用，下列說法正確的是()A．通常的傳感器可以干脆用來進(jìn)行自動限制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息轉(zhuǎn)換為電學(xué)量D．傳感器可以將全部感受到的信息都轉(zhuǎn)換為電學(xué)量BC[傳感器的作用主要是用來采集信息并將采集到的信息轉(zhuǎn)換成便于測量的量；但并不是將其感受到的全部信息都轉(zhuǎn)換為電學(xué)量．故B、C正確．]訓(xùn)練角度2非電學(xué)量與電學(xué)量的轉(zhuǎn)換2．已知磁敏電阻在沒有磁場時電阻很小，有磁場時電阻變大，并且磁場越強(qiáng)阻值越大．為探測磁場的有無，利用磁敏電阻作為傳感器設(shè)計了如圖所示的電路，電源的電動勢E和內(nèi)阻r不變，在沒有磁場時調(diào)整變阻器R使電燈L正常發(fā)光，若探測裝置從無磁場區(qū)進(jìn)入強(qiáng)磁場區(qū)．則()A．電燈L變暗 B．電燈L亮度不變C．電流表的示數(shù)增大 D．電流表的示數(shù)減小D[探測裝置從無磁場區(qū)進(jìn)入強(qiáng)磁場區(qū)，磁敏電阻阻值變大，則閉合電路的總電阻R總變大，由閉合電路歐姆定律知，電路中的電流I＝eq\f(E,R總)減小，電流表的示數(shù)減小，故選項(xiàng)C錯誤，D正確；由U燈＝E－Ir可知U燈變大，電燈L變亮，故選項(xiàng)A、B錯誤．],對光敏電阻、熱敏電阻的理解1.光電傳感器——光敏電阻光敏電阻一般為半導(dǎo)體材料做成，當(dāng)半導(dǎo)體材料受到光照時，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(dǎo)電性能明顯增加．光敏電阻把光照的強(qiáng)弱轉(zhuǎn)換為電阻大小．2．溫度傳感器——熱敏電阻和金屬熱電阻(1)熱敏電阻指用半導(dǎo)體材料制成，其電阻值隨溫度改變發(fā)生明顯改變的電阻．如圖所示為某熱敏電阻的電阻——溫度特性曲線．熱敏電阻可分為正溫度系數(shù)的熱敏電阻和負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻，正溫度系數(shù)的熱敏電阻隨溫度上升，電阻增大；負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻隨溫度上升，電阻減?。?2)金屬熱電阻有些金屬的電阻率隨溫度的上升而增大，這樣的電阻也可以制作溫度傳感器，稱為金屬熱電阻．熱敏電阻或金屬熱電阻都能夠把溫度這個熱學(xué)量轉(zhuǎn)換為電阻這個電學(xué)量，但相比而言，金屬熱電阻的化學(xué)穩(wěn)定性好，測溫范圍大，而熱敏電阻的靈敏度較好．【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改變而改變的特性工作的．如圖甲中，電源的電動勢E＝9.0V，內(nèi)電阻可忽視不計；G為靈敏電流表，內(nèi)阻Rg保持不變；R為熱敏電阻，其電阻值與溫度的改變關(guān)系如圖乙的R-t圖線所示，閉合開關(guān)，當(dāng)R的溫度等于120℃時，電流表示數(shù)I1＝3mA，求：甲乙(1)電流表G的內(nèi)阻Rg；(2)當(dāng)電流表的示數(shù)I2＝1.8mA時，熱敏電阻R的溫度．[解析](1)由圖乙知熱敏電阻R的溫度在120℃時，電阻為2kΩ，閉合電路的電流為I1＝3mA依據(jù)閉合電路歐姆定律得：Rg＝eq\f(E,I1)－R＝eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(9,3×10－3)－2×103))Ω＝1000Ω.(2)當(dāng)電流表的示數(shù)I2＝1.8mA時R＝eq\f(E,I2)－Rg＝eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(9,1.8×10－3)－1×103))Ω＝4000Ω由圖乙可知當(dāng)熱敏電阻R阻值為4000Ω時的溫度為20℃.[答案](1)1000Ω(2)20℃電路中涉及熱敏電阻、光敏電阻或金屬熱電阻時，熟記各種電阻阻值隨溫度改變的特點(diǎn)，然后依據(jù)動態(tài)電路問題的分析思路，由部分到整體再到部分進(jìn)行分析．訓(xùn)練角度1含光敏電阻的電路分析3．(多選)如圖所示是利用硫化鎘制成的光敏電阻自動計數(shù)的示意圖，其中A是發(fā)光儀器，B是光敏電阻(光照時電阻會變小)，下列說法中正確的是()A．當(dāng)傳送帶上沒有物品攔住由A射向B的光信號時，光敏電阻的阻值變小，電壓表讀數(shù)變小B．當(dāng)傳送帶上沒有物品攔住由A射向B的光信號時，光敏電阻的阻值變大，電壓表讀數(shù)變大C．當(dāng)傳送帶上有物品攔住由A射向B的光信號時，光敏電阻的阻值變小，電壓表讀數(shù)變小D．當(dāng)傳送帶上有物品攔住由A射向B的光信號時，光敏電阻的阻值變大，電壓表讀數(shù)變大AD[光敏電阻的阻值與光照強(qiáng)度有關(guān)，光照強(qiáng)度越大，光敏電阻阻值越小，當(dāng)傳送帶上沒有物品攔住由A射向B的光信號時，光敏電阻阻值變小，電路中電流變大，電源內(nèi)阻上的電壓變大，路端電壓變小，所以電壓表讀數(shù)變小，選項(xiàng)A正確，相反，當(dāng)傳送帶上有物品攔住由A射向B的光信號時，光敏電阻的阻值變大，電路中電流變小，電源內(nèi)阻上的電壓變小，路端電壓變大，所以電壓表讀數(shù)變大，選項(xiàng)D正確．]訓(xùn)練角度2熱敏電阻與金屬熱電阻的比較4．如圖所示是視察電阻值隨溫度改變狀況的示意圖．現(xiàn)把杯中的水由冷水變?yōu)闊崴?，關(guān)于歐姆表的讀數(shù)改變狀況正確的是(設(shè)水對電阻阻值的影響不計)()A．假如R為金屬熱電阻，讀數(shù)變大，且改變特別明顯B．假如R為金屬熱電阻，讀數(shù)變小，且改變不明顯C．假如R為用半導(dǎo)體材料制成的熱敏電阻，讀數(shù)改變特別明顯D．假如R為用半導(dǎo)體材料制成的熱敏電阻，讀數(shù)改變不明顯C[金屬熱電阻的阻值隨溫度的上升而增大，但靈敏度較差，而熱敏電阻的阻值隨溫度的上升而減小，且靈敏度高，故選項(xiàng)C正確．]訓(xùn)練角度3霍爾元件問題5．一種半導(dǎo)體材料稱為“霍爾材料”，用它制成的元件稱為“霍爾元件”，這種材料有可定向移動的電荷，稱為“載流子”，每個載流子的電荷量大小為1個元電荷量，即q＝1.6×10－19C，霍爾元件在自動檢測、限制領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，如錄像機(jī)中用來測量錄像磁鼓的轉(zhuǎn)速、電梯中用來檢測電梯門是否關(guān)閉以及自動限制升降電動機(jī)的電源的通斷等．在一次試驗(yàn)中，一塊霍爾材料制成的薄片寬AB＝1.0×10－2m、長BC＝4.0×10－2m、厚h＝1×10－3m，水平放置在豎直方向上的磁感應(yīng)強(qiáng)度B＝1.5T的勻強(qiáng)磁場中，BC方向通有I＝(1)假定載流子是電子，A、B兩端中哪端電勢較高？(2)薄板中形成電流I的載流子定向運(yùn)動的速率多大？[解析](1)依據(jù)左手定則可確定A端電勢高．(2)當(dāng)霍爾元件內(nèi)由于載流子有沿電流方向所在的直線定向運(yùn)動時，受洛倫茲力作用而產(chǎn)生橫向分運(yùn)動，產(chǎn)生橫向電場，橫向電場的電場力與洛倫茲力平衡時，霍爾元件橫向電壓穩(wěn)定．設(shè)載流子沿電流方向所在直線定向移動的速率為v，橫向電壓為UAB，橫向電場強(qiáng)度為E，電場力為Fe＝E·e＝eq\f(UAB,AB)·e洛倫茲力FB＝evB平衡時eq\f(UAB,AB)·e＝evB得v＝eq\f(UAB,AB·B)≈6.7×10－4m/s.[答案](1)A端(2)6.7×10－4m課堂小結(jié)知識脈絡(luò)1.傳感器依據(jù)肯定的規(guī)律把非電學(xué)量轉(zhuǎn)化為電學(xué)量，可以很便利地進(jìn)行測量、傳輸、處理和限制．2．光敏電阻能夠把光照強(qiáng)弱這個光學(xué)量轉(zhuǎn)換為電阻這個電學(xué)量．3．熱敏電阻和金屬熱電阻能把溫度這個熱學(xué)量轉(zhuǎn)換為電阻這個電學(xué)量．4．霍爾元件是一種能將磁感應(yīng)強(qiáng)這一磁學(xué)量轉(zhuǎn)換成電壓這一電學(xué)量的傳感器.1．(多選)下列說法正確的是()A．干簧管是一種由磁場限制的開關(guān)B．樓道里的燈只有天黑時出現(xiàn)聲音才亮，說明它的限制電路中只有聲傳感器C．光敏電阻能夠把光信號轉(zhuǎn)換成電信號D．負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻在溫度上升時電阻減小ACD[傳感器是指將非電學(xué)量依據(jù)肯定規(guī)律轉(zhuǎn)換成電學(xué)量的元件，干簧管是在玻璃管內(nèi)封入了兩個軟磁性材料制成的簧片，當(dāng)有磁場靠近時，兩個簧片被磁化而接通，起到了開關(guān)的作用，故選項(xiàng)A正確；樓道里的燈只有天黑時出現(xiàn)聲音才亮說明白在它的限制電路中既有光傳感器又有聲傳感器，故選項(xiàng)B錯誤；光敏電阻是用電阻率與光照強(qiáng)度有關(guān)的材料制成的，當(dāng)其被光照耀時，電阻將發(fā)生改變，故選項(xiàng)C正確；用半導(dǎo)體材料制作的熱敏電阻，在溫度上升時，導(dǎo)電實(shí)力增加，即電阻減小，故選項(xiàng)D正確．]2．傳感器的種類多種多樣，其性能也各不相同，空調(diào)機(jī)在室內(nèi)溫度達(dá)到設(shè)定的溫度后，會自動停止工作，空調(diào)機(jī)內(nèi)運(yùn)用的傳感器是()A．生物傳感器 B．紅外傳感器C．溫