高中物理1 傳感器及其工作原理學案-學案下載-教習網(wǎng)

[學習目標] 1.了解傳感器的定義，感受傳感器的應用技術在信息時代的作用與意義． 2.知道將非電學量轉(zhuǎn)化為電學量的意義．(重點) 3.了解光敏電阻、熱敏電阻和霍爾元件的性能、工作原理及作用．(重點、難點)
一、傳感器
1．傳感器的定義
能夠感受諸如力、溫度、光、聲、化學成分等物理量，并能把它們按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換為便于傳送和處理的另一個物理量(通常是電壓、電流等電學量)，或轉(zhuǎn)換為電路的通斷的元件．
2．非電學量轉(zhuǎn)換為電學量的意義
把非電學量轉(zhuǎn)換為電學量，可以方便地進行測量、傳輸、處理和控制．
3．注意
(1)傳感器的發(fā)展十分迅速，其品種已達數(shù)萬種，我們學習了解的只是最基本的幾種而已．
(2)不能認為傳感器輸出的一定是電信號．
二、光敏電阻
1．特點：光照越強，電阻越?。?br>2．原因：光敏電阻的構成物質(zhì)為半導體材料，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，導電性變好．
3．作用：把光照強弱這個光學量轉(zhuǎn)換為電阻這個電學量．
三、熱敏電阻和金屬熱電阻
1．熱敏電阻
熱敏電阻由半導體材料制成，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，稱為熱電阻，如圖乙所示為某金屬導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
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溫度系數(shù)(NTC)熱敏電阻器．
四、霍爾元件
1．構造：如圖所示，在一個很小的矩形半導體(例如砷化銦)薄片上，制作四個電極E、F、M、N，就成為一個霍爾元件．
2．工作原理：在E、F間通入恒定的電流I, 同時外加與薄片垂直的磁場B，則薄片中的載流子就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，稱為霍爾電壓UH.
3．霍爾電壓：UH＝keq \f(IB,d).
(1)其中d為薄片的厚度，k為霍爾系數(shù)，其大小與薄片的材料有關．
(2)一個霍爾元件的d、k為定值，再保持I恒定，則UH的變化就與B成正比．
4．作用：把磁感應強度這個磁學量轉(zhuǎn)換為電壓這個電學量．
[說明] 霍爾電壓的推導
設上圖中MN方向長度為l2，則qeq \f(UH,l2)＝qvB.
根據(jù)電流的微觀解釋，I＝nqSv，
整理后，得UH＝eq \f(IB,nqd).
令k＝eq \f(1,nq)，則UH＝keq \f(IB,d).
UH與B成正比，因此霍爾元件能把磁學量轉(zhuǎn)換成電學量．
1．思考判斷(正確的打“√”，錯誤的打“×”)
(1)所有傳感器的材料都是由半導體材料做成的．(×)
(2)傳感器是把非電學量轉(zhuǎn)換為電學量的元件．(√)
(3)隨著光照的增強，光敏電阻的電阻值逐漸增大．(×)
(4)只有熱敏電阻才能把溫度這個熱學量轉(zhuǎn)換為電阻這個電學量．(×)
(5)霍爾元件工作時，產(chǎn)生的電壓與外加的磁感應強度成正比．(√)
2．有一電學元件，溫度升高時電阻卻大幅度地減小，則這種元件使用的材料可能是( )
A．金屬導體 B．絕緣體
C．半導體 D．超導體
C [金屬導體的電阻隨溫度的升高而增大，超導體的電阻幾乎為零，半導體(如熱敏電阻)的阻值隨溫度的升高而大幅度地減?。甝
3．關于傳感器及其作用，下列說法正確的是( )
A．傳感器一定是把非電學量轉(zhuǎn)換為電學量
B．傳感器一定是把非電學量轉(zhuǎn)換為電路的通斷
C．傳感器把非電學量轉(zhuǎn)換為電學量是為了方便地進行測量、傳輸、處理和控制
D．電磁感應是把磁學的量轉(zhuǎn)換為電學的量，所以電磁感應也是傳感器
C [傳感器是指一種元件或裝置，它能感受力、溫度、光、聲、磁、化學成分等非電學量，并能把它們按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換為電壓、電流等電學量，或轉(zhuǎn)換為電路的通斷；其作用和目的是更方便地測量、傳輸、處理、控制非電學量，找出非電學量和電學量之間的對應關系．電磁感應是原理，不是元件和裝置，不能稱為傳感器．]
1.傳感器的核心元件
(1)敏感元件：相當于人的感覺器官，直接感受被測量，并將其變換成與被測量成一定關系的易于測量的物理量，如溫度、位移等．
(2)轉(zhuǎn)換元件：也稱為傳感元件，通常不直接感受被測量，而是將敏感元件輸出的物理量轉(zhuǎn)換成電學量輸出．
(3)轉(zhuǎn)換電路：是將轉(zhuǎn)換元件輸出的電學量轉(zhuǎn)換成易于測量的電學量，如電壓、電流等．
2．傳感器的工作原理
傳感器感受的通常是非電學量，如壓力、溫度、位移、濃度、速度、酸堿度等，而它輸出的通常是電學量，如電壓、電流、電荷量等，這些輸出信號是非常微弱的，通常要經(jīng)過放大后再輸送給控制系統(tǒng)產(chǎn)生各種控制動作．傳感器的工作原理如下所示：
eq \x(非電學量)→eq \x(敏感元件)→eq \x(轉(zhuǎn)換器件)→eq \x(轉(zhuǎn)換電路)→eq \x(電學量)
3．分類
【例1】全面了解汽車的運行狀態(tài)(速度、水箱溫度、油量)是確保汽車安全行駛和駕駛員安全的舉措之一，為模仿汽車油表原理，某同學自制一種測定油箱油量多少或變化多少的裝置．如圖所示，其中電源電壓保持不變，R是滑動變阻器，它的金屬滑片是金屬桿的一端．該同學在裝置中使用了一只電壓表(圖中沒有畫出)，通過觀察電壓表示數(shù)，可以了解油量情況，你認為電壓表應該接在圖中的________兩點之間，按照你的接法請回答：當油箱中油量減少時，電壓表的示數(shù)將________(選填“增大”或“減小”)．
[解析] 由題圖可知當油箱內(nèi)液面高度變化時，R的金屬滑片將會移動，從而引起R兩端電壓的變化，且當R′?R時，UR＝IR可視為UR與R成正比，所以電壓表應接在b、c兩點之間；當油量減少時，電壓表示數(shù)將增大．
[答案] b、c 增大
傳感器問題的分析思路
不同類型的傳感器，其工作原理一般不同，但所有的傳感器都是把非電學量的變化轉(zhuǎn)換為電學量的變化．因此我們可以根據(jù)電學量的變化來推測相關量的變化．
1．壓敏電阻的阻值隨所受壓力的增大而減小，有位同學利用壓敏電阻設計了判斷小車運動狀態(tài)的裝置，其工作原理如圖甲所示，將壓敏電阻和一塊擋板固定在絕緣小車上，中間放置一個絕緣重球．小車向右做直線運動過程中，電流表示數(shù)如圖乙所示，下列判斷正確的是( )
A．從t1到t2時間內(nèi)，小車做勻速直線運動
B．從t1到t2時間內(nèi)，小車做勻加速直線運動
C．從t2到t3時間內(nèi)，小車做勻速直線運動
D．從t2到t3時間內(nèi)，小車做勻加速直線運動
D [在0～t1內(nèi)，I恒定，壓敏電阻阻值不變，由小球的受力不變可知，小車可能做勻速或勻加速直線運動，在t1～t2內(nèi)，I變大，壓敏電阻阻值變小，壓力變大，小車做變加速運動，A、B錯誤；在t2～t3內(nèi)，I不變，壓力恒定，小車做勻加速直線運動，C錯誤，D正確．]
1.熱敏電阻特性驗證實驗設計
(1)實驗器材：熱敏電阻、燒杯(備有冷、熱水)、溫度計、鐵架臺、多用電表、開關、導線．
(2)實驗步驟
①如圖所示，將一個熱敏電阻連入電路中，用多用電表歐姆擋測其電阻，記錄溫度、電阻值；
②將熱敏電阻放入裝有少量冷水并插入溫度計的燒杯中，記錄溫度、電阻值；
③分幾次向燒杯中倒入熱水，觀察不同溫度下熱敏電阻的阻值；
④根據(jù)實驗數(shù)據(jù)說明熱敏電阻隨溫度變化的情況．
(3)實驗結(jié)論：熱敏電阻的阻值隨溫度的升高而減小，而且阻值的變化是非線性的．
2．光敏電阻特性驗證實驗設計
(1)實驗器材：光敏電阻、多用電表、導線、開關．
(2)實驗步驟
①用多用電表歐姆擋兩表筆與光敏電阻兩端連接，測光敏電阻值如圖所示；
②手張開(或用黑紙)放在光敏電阻上，擋住部分光線，再測光敏電阻的阻值；
③全部擋住光線，再測光敏電阻的阻值．
(3)實驗結(jié)論：光敏電阻的阻值隨光照強度的減弱而增大，而且阻值的變化是非線性的．
【例2】溫度傳感器廣泛應用于室內(nèi)空調(diào)、電冰箱和微波爐等家用產(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，電源的電動勢E＝9.0 V，內(nèi)電阻可忽略不計；G為靈敏電流表，內(nèi)阻Rg保持不變；R為熱敏電阻，其電阻值與溫度的變化關系如圖乙的R-t圖線所示，閉合開關，當R的溫度等于120 ℃時，電流表示數(shù)I1＝3 mA，求：
甲乙
(1)電流表G的內(nèi)阻Rg；
(2)當電流表的示數(shù)I2＝1.8 mA時，熱敏電阻R的溫度．
[解析] (1)由題圖乙知熱敏電阻R的溫度在120 ℃時，電阻為2 kΩ，閉合電路的電流為I1＝3 mA
根據(jù)閉合電路歐姆定律得：
Rg＝eq \f(E,I1)－R＝(eq \f(9,3×10－3)－2×103) Ω＝1 000 Ω.
(2)當電流表的示數(shù)I2＝1.8 mA時
R＝eq \f(E,I2)－Rg＝(eq \f(9,1.8×10－3)－1×103) Ω＝4 000 Ω
由題圖乙可知當熱敏電阻R阻值為4 000 Ω時的溫度為20 ℃
[答案] (1)1 000 Ω (2)20 ℃
2.(多選)如圖所示，R1、R2為定值電阻，L為小燈泡，R3為光敏電阻，當照射光強度增大時( )
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
ABC [當照射光強度增大時，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，同時內(nèi)電壓增大，故電路路端電壓減小，而電壓表的示數(shù)增大，A項正確，D項錯誤；由路端電壓減小，而R1兩端電壓增大知，R2兩端電壓必減小，則R2中電流減小，故B項正確；結(jié)合干路電流增大知流過小燈泡的電流必增大，則小燈泡的功率增大，C項正確．]
1.霍爾效應廣泛應用于半導體材料的測試和研究中．例如用霍爾效應可以確定一種半導體材料是電子型還是空穴型．半導體內(nèi)載流子的濃度受溫度、雜質(zhì)以及其他因素的影響很大，因此霍爾效應為研究半導體載流子濃度的變化提供了重要的方法．
2．利用霍爾效應做成的霍爾元件有很多方面的用途：例如測量磁感應強度，測量直流和交流電路中的電流和功率，轉(zhuǎn)換信號，如把直流轉(zhuǎn)換成交流并對它進行調(diào)制，放大直流或交流信號等．
【例3】 (多選)如圖所示為某霍爾元件的工作原理示意圖，該元件中電流I由正電荷的定向運動形成．下列說法正確的是( )
A．M點電勢比N點電勢高
B．用霍爾元件可以測量地磁場的磁感應強度
C．用霍爾元件能夠把磁學量轉(zhuǎn)換為電學量
D．若保持電流I恒定，則霍爾電壓UH與B成正比
BCD [當正電荷定向運動形成電流時，正電荷在洛倫茲力作用下向N極聚集，M極感應出等量的負電荷，所以M點電勢比N點電勢低，選項A錯誤；根據(jù)霍爾元件的特點可知，選項B、C正確；因霍爾電壓UH＝keq \f(IB,d)，保持電流I恒定時，霍爾電壓UH與B成正比，選項D正確．]
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)，相對于一個霍爾元件d、k為定值，如果保持電流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時，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
ABD [一個磁極靠近霍爾元件工作面時，B增強，由UH＝keq \f(IB,d)，知UH將變大，A正確；地球兩極處磁場可看作與地面垂直，所以工作面應保持水平，B正確；赤道處磁場可看作與地面平行，所以工作面應保持豎直，C錯誤；若磁場與工作面夾角為θ，則應有qvBsin θ＝qeq \f(UH,d)，可見θ變化時，UH將變化，D正確．]
1．傳感器可以進行信息采集并把采集到的信息轉(zhuǎn)換為易于控制的量，其工作過程可能是( )
A．將力學量(如形變量)轉(zhuǎn)換成磁學量
B．將電學量轉(zhuǎn)換成熱學量
C．將光學量轉(zhuǎn)換成電學量
D．將電學量轉(zhuǎn)換成力學量
C [傳感器是指能夠感受諸如力、溫度、光、聲、化學成分等非電學量，并能把它們按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換為電壓、電流等電學量或轉(zhuǎn)換為控制電路的通斷的一類元件，故只有C項正確．]
2．有一電學元件，溫度升高時其電阻減小，這種元件可能是( )
A．金屬導體 B．光敏電阻
C．NTC熱敏電阻 D．PTC熱敏電阻
C [金屬導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錯誤．]
3．關于傳感器的下列說法正確的是( )
A．所有傳感器的材料都是由半導體材料做成的
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的
D．以上說法都不正確
B [半導體材料可以制成傳感器，其他材料也可以制成傳感器，如金屬氧化物氧化錳就可以制成溫度計，所以選項A錯誤，選項B正確；傳感器不但能感知電壓的變化，還能感受力、溫度、光、聲、化學成分等非電學量的變化，所以選項C錯誤．]
4．(多選)電子電路中常用到一種稱為“干簧管”的元件(如圖所示)，它的結(jié)構很簡單，只是玻璃管內(nèi)封入的兩個軟磁性材料制成的簧片．當磁體靠近干簧管時，兩個簧片被磁化而接通，所以干簧管能起到開關的作用，操縱開關的是磁場這只看不見的“手”．關于干簧管，下列說法正確的是( )
A．干簧管接入電路中相當于電阻的作用
B．干簧管是根據(jù)熱脹冷縮的原理制成的
C．兩個磁性材料制成的簧片接通的原因是被磁化后相互吸引
D．干簧管接入電路中相當于開關的作用
CD [當磁體靠近干簧管時，兩個簧片被磁化相互吸引而接通，故選項B錯誤，選項C正確；當磁體遠離干簧管時，軟磁性材料制成的簧片失去磁性，所以兩簧片又分開，因此干簧管在電路中相當于開關的作用，選項A錯誤，選項D正確．]
5．(多選)有定值電壓、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
AC [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錯誤．]
熱敏電阻
金屬熱電阻
特點
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
半導體
金屬導體
優(yōu)點
靈敏度好
化學穩(wěn)定性好，測溫范圍大
作用
能夠?qū)囟冗@個熱學量轉(zhuǎn)換為電阻這個電學量
傳感器的原理和分類
工作原理
舉例
物理傳感器
利用物質(zhì)的物理性質(zhì)和物理效應感知并檢測出待測對象信息
壓電傳感器、溫度傳感器、光電傳感器、電感傳感器、電容傳感器等
化學傳感器
利用化學反應識別和檢測信息
氣敏傳感器、濕敏傳感器等
生物傳感器
利用生物化學反應識別和檢測信號
酶傳感器、組織傳感器、細胞傳感器等
驗證光敏電阻和熱敏電阻的特性
霍爾效應的應用
課堂小結(jié)
知識脈絡
1.傳感器按照一定的規(guī)律把非電學量轉(zhuǎn)化為電學量，可以很方便地進行測量、傳輸、處理和控制．
2．光敏電阻能夠把光照強弱這個光學量轉(zhuǎn)換為電阻這個電學量．
3．熱敏電阻和金屬熱電阻能把溫度這個熱學量轉(zhuǎn)換為電阻這個電學量．
4．電容式位移傳感器能把物體位移這個力學量轉(zhuǎn)換為電容這個電學量．
5．霍爾元件能把磁感應強度這個磁學量轉(zhuǎn)換為電壓這個電學量.

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