高中物理粵教版 (2019)選擇性必修第二冊(cè)第五章傳感器第一節(jié) 傳感器及其工作原理教課課件ppt-課件下載-教習(xí)網(wǎng)

第一節(jié)　傳感器及其工作原理[核心素養(yǎng)·明目標(biāo)]核心素養(yǎng)學(xué)習(xí)目標(biāo)物理觀念知道什么是傳感器，知道傳感器的組成和作用科學(xué)態(tài)度與責(zé)任了解傳感器的分類；知道溫度傳感器、光電傳感器的工作原理及作用知識(shí)點(diǎn)一　傳感器及其分類1．定義：能感受被測量的信息，并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成電信號(hào)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、與被測物理量成一定關(guān)系的非電信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)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(dòng)圈式傳感器、磁電式傳感器、差動(dòng)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。知識(shí)點(diǎn)二　傳感器的原理1．溫度傳感器的原理。(1)溫度傳感器：將溫度變化轉(zhuǎn)換為電學(xué)量變化的裝置，它通過測量傳感器元件的電學(xué)量隨溫度變化來實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的測量。(2)熱敏電阻：利用半導(dǎo)體材料的阻值隨溫度變化而變化的特性實(shí)現(xiàn)溫度的測量，其電阻大小與溫度高低有關(guān)，溫度變化，電阻有明顯變化。2．光電傳感器的原理。(1)光電傳感器：將光學(xué)量變化轉(zhuǎn)化為電學(xué)量變化的裝置。 (2)光敏電阻：光電傳感器的敏感元件，其阻值隨光照的增強(qiáng)而減小。1．思考判斷(正確的打“√”，錯(cuò)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)，電阻越小。 (√)(5)熱敏電阻一定是隨溫度的升高，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．所有傳感器都是由半導(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(cuò)誤，D正確。]3．(多選)美國科學(xué)家Willard S．Boyle與George E．Smith因電荷耦合器件(CCD)的重要發(fā)明榮獲2009年度諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。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，并能把它們按照一定的規(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(cuò)誤；熱敏電阻的溫度變化時(shí)，其電阻會(huì)發(fā)生變化，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(gè)非電學(xué)量轉(zhuǎn)換成電壓這個(gè)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(cuò)誤。] 考點(diǎn)1　傳感器的原理和分類有自動(dòng)控制功能的蔬菜大棚，要靠傳感器感知作物生長所需的各種信息。如圖所示為蔬菜大棚內(nèi)信息采集與自動(dòng)控制示意圖。試結(jié)合圖中信息思考，在蔬菜種植大棚中要用到哪些傳感器？[提示]　需要五種傳感器：光傳感器、濕度傳感器、溫度傳感器、氣敏傳感器、溫敏傳感器。【典例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)量敏感元件轉(zhuǎn)換元件轉(zhuǎn)換電路電學(xué)量，因此A、B、D錯(cuò)誤，C正確。](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)量的變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡妼W(xué)量的變化。(2)傳感器輸出的電學(xué)量可能為電流、電壓、電路通斷等，不一定是電壓。(3)敏感元件只是傳感器的一個(gè)關(guān)鍵部分，并不一定就是一個(gè)完整的傳感器。[跟進(jìn)訓(xùn)練]1．(多選)關(guān)于傳感器的作用，下列說法正確的是(　　)A．通常的傳感器可以直接用來進(jìn)行自動(dòng)控制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．傳感器可以將所有感受到的信息都轉(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所有信息都轉(zhuǎn)換為電學(xué)量。故B、C正確。] 考點(diǎn)2　光敏電阻和熱敏電阻的特性如圖所示為光敏電阻自動(dòng)計(jì)數(shù)器的示意圖，其中R1為光敏電阻，R2為定值電阻。此光電計(jì)數(shù)器的基本工作原理是什么？[提示]　當(dāng)光被物體擋住時(shí)，R1的電阻增大，電路中的電流減小，R2兩端的電壓減小，信號(hào)處理系統(tǒng)得到低電壓，每通過一個(gè)物體就獲得一次低電壓，計(jì)數(shù)一次。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(shí)，會(huì)有更多的電子獲得能量成為自由電子，同時(shí)也形成更多的空穴，于是導(dǎo)電性能明顯增強(qiáng)。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，其電阻值隨溫度變化發(fā)生明顯變化的電阻。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)的熱敏電阻隨溫度升高，電阻增大；負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻隨溫度升高，電阻減小。(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，稱為金屬熱電阻。熱敏電阻或金屬熱電阻都能夠把溫度這個(gè)熱學(xué)量轉(zhuǎn)換為電阻這個(gè)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。【典例2】　如圖所示，R1、R2為定值電阻，L為電阻絲，R3為光敏電阻，當(dāng)照射光強(qiáng)度增大時(shí)，下列選項(xiàng)中不正確的是(　　)A．電壓表的示數(shù)增大B．R2中電流減小C．電阻絲的功率增大D．電路的路端電壓增大D　[當(dāng)光照強(qiáng)度增大時(shí)，R3阻值減小，外電路電阻隨R3的減小而減小，干路電流增大，R1兩端電壓因干路電流增大而增大，同時(shí)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；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?。唤Y(jié)合干路電流增大知流過電阻絲的電流必增大，則電阻絲的功率增大，故本題答案為D。]含傳感器電路的分析方法(1)判斷電路的整體連接特點(diǎn)。(2)由敏感元件電阻的變化判斷出整個(gè)電路總電阻的變化。(3)根據(jù)閉合電路歐姆定律判斷干路中電流的變化。(4)根據(jù)電路串并聯(lián)特點(diǎn)和歐姆定律判斷出各部分電路電壓和電流的變化，進(jìn)而得出電壓表、電流表示數(shù)的變化和各部分功率的變化。[跟進(jìn)訓(xùn)練]2．如圖所示是觀察電阻值隨溫度變化情況的示意圖。現(xiàn)把杯中的水由冷水變?yōu)闊崴?/span>，關(guān)于歐姆表的讀數(shù)變化情況正確的是(設(shè)水對(duì)電阻阻值的影響不計(jì))(　　)A．如果R為金屬熱電阻，讀數(shù)變大，且變化非常明顯B．如果R為金屬熱電阻，讀數(shù)變小，且變化不明顯C．如果R為用半導(dǎo)體材料制成的熱敏電阻，讀數(shù)變化非常明顯D．如果R為用半導(dǎo)體材料制成的熱敏電阻，讀數(shù)變化不明顯C　[金屬熱電阻的阻值隨溫度的升高而增大，但靈敏度較差，而熱敏電阻的阻值隨溫度的升高而減小，且靈敏度高，故選項(xiàng)C正確。] 考點(diǎn)3　霍爾效應(yīng)的應(yīng)用如圖所示的霍爾元件能把磁學(xué)量轉(zhuǎn)換成電學(xué)量，電壓UH與磁感應(yīng)強(qiáng)度B滿足什么關(guān)系？[提示]　設(shè)題圖中MN方向長度為l2，則q＝qvB，根據(jù)電流的微觀表達(dá)式I＝nqSv，整理后，得UH＝，令k＝，則UH＝k，故UH與B成正比。1．霍爾效應(yīng)廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體材料的測試和研究中。例如用霍爾效應(yīng)可以確定一種半導(dǎo)體材料是電子型還是空穴型。半導(dǎo)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(yīng)為研究半導(dǎo)體載流子濃度的變化提供了重要的方法。2．利用霍爾效應(yīng)做成的霍爾元件有很多方面的用途：例如測量磁感應(yīng)強(qiáng)度，測量直流和交流電路中的電流和功率，轉(zhuǎn)換信號(hào)，如把直流轉(zhuǎn)換成交流并對(duì)它進(jìn)行調(diào)制，放大直流或交流信號(hào)等。【典例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(yùn)動(dòng)形成。下列說法正確的是(　　)A．M點(diǎn)電勢比N點(diǎn)電勢高B．用霍爾元件可以測量地磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度C．用霍爾元件能夠把磁學(xué)量轉(zhuǎn)換為電學(xué)量D．若保持電流I恒定，則霍爾電壓UH與B成正比BCD　[當(dāng)正電荷定向運(yùn)動(dòng)形成電流時(shí)，正電荷在洛倫茲力作用下向N極聚集，M極感應(yīng)出等量的負(fù)電荷，所以M點(diǎn)電勢比N點(diǎn)電勢低，選項(xiàng)A錯(cuò)誤；根據(jù)霍爾元件的特點(diǎn)可知，選項(xiàng)B、C正確；因霍爾電壓UH＝k，保持電流I恒定時(shí)，霍爾電壓UH與B成正比，選項(xiàng)D正確。 ][跟進(jìn)訓(xùn)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)，相對(duì)于一個(gè)霍爾元件d、k為定值，如果保持電流I恒定，則可以驗(yàn)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(gè)磁極逐漸靠近霍爾元件的工作面時(shí)，UH將變大B．在測定地球兩極的磁場強(qiáng)弱時(shí)，霍爾元件的工作面應(yīng)保持水平C．在測定地球赤道上的磁場強(qiáng)弱時(shí)，霍爾元件的工作面應(yīng)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(gè)磁極靠近霍爾元件工作面時(shí)，B增強(qiáng)，由UH＝k，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(yīng)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(yīng)保持豎直，C錯(cuò)誤；若磁場與工作面夾角為θ，則應(yīng)有qvBsin θ＝q，可見θ變化時(shí)，UH將變化，D正確。]1．(多選)下列說法正確的是(　　)A．干簧管是一種由磁場控制的開關(guān)B．樓道里的燈只有天黑時(shí)出現(xiàn)聲音才亮，說明它的控制電路中只有聲傳感器C．光敏電阻能夠把光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)D．負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻在溫度升高時(shí)電阻減小ACD　[傳感器是指將非電學(xué)量按照一定規(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(gè)軟磁性材料制成的簧片，當(dāng)有磁場靠近時(shí)，兩個(gè)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(shí)出現(xiàn)聲音才亮說明了在它的控制電路中既有光傳感器又有聲傳感器，故選項(xiàng)B錯(cuò)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)其被光照射時(shí)，電阻將發(fā)生變化，故選項(xiàng)C正確；用半導(dǎo)體材料制作的熱敏電阻，在溫度升高時(shí)，導(dǎo)電能力增強(qiáng)，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(huì)自動(dòng)停止工作，空調(diào)機(jī)內(nèi)使用的傳感器是(　　)A．生物傳感器　　　　　 B．紅外傳感器C．溫度傳感器 D．壓力傳感器C　[空調(diào)機(jī)根據(jù)溫度調(diào)節(jié)工作狀態(tài)，所以內(nèi)部使用了溫度傳感器，故選C。]3．如圖所示，RT為負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻，R為定值電阻，若往RT上擦一些酒精，在環(huán)境溫度不變的情況下，關(guān)于電壓表示數(shù)的變化情況，下列說法中正確的是(　　)A．變大B．變小C．先變大后變小再不變D．先變小后變大再不變D　[往RT上擦酒精后，酒精蒸發(fā)吸熱，熱敏電阻RT溫度降低，電阻值增大，根據(jù)串聯(lián)電路的分壓特點(diǎn)，電壓表示數(shù)變小。當(dāng)酒精蒸發(fā)完畢后，RT的溫度逐漸升高到環(huán)境溫度后不變，所以熱敏電阻的阻值逐漸變小，最后不變。故電壓表的示數(shù)將逐漸變大，最后不變。所以選項(xiàng)D正確。]4．如圖所示是某居住小區(qū)門口利用光敏電阻設(shè)計(jì)的行人監(jiān)控裝置，R1為光敏電阻、R2為定值電阻，A、B接監(jiān)控裝置。則(　　)A．當(dāng)有人通過而遮蔽光線時(shí)，A、B之間電壓升高B．當(dāng)有人通過而遮蔽光線時(shí)，A、B之間電壓降低C．當(dāng)僅增大R2的阻值時(shí)，可減小A、B之間的電壓D．當(dāng)僅減小R2的阻值時(shí)，可增大A、B之間的電壓B　[R1是光敏電阻，有光照射時(shí)，電阻變小，當(dāng)有人通過而遮蔽光線時(shí)，R1的阻值變大，回路中的電流I減小，A、B間的電壓U＝IR2減小，故A項(xiàng)錯(cuò)誤，B項(xiàng)正確；由閉合電路歐姆定律得：U＝E－I(R1＋r)，當(dāng)僅增大R2的阻值時(shí)，電路中的電流減小，A、B間的電壓U增大，故C項(xiàng)錯(cuò)誤；當(dāng)減小R2的阻值時(shí)，電路中的電流增大，A、B間的電壓U減小，故D項(xiàng)錯(cuò)誤。]5．如圖是一種測定油箱油量多少或變化多少的裝置。其中電源電壓保持不變，R是滑動(dòng)變阻器，它的金屬滑片是金屬桿的一端。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(rèn)為電壓表應(yīng)該接在圖中的________兩點(diǎn)之間，按照你的接法請(qǐng)回答：當(dāng)油箱中油量減少時(shí)，電壓表的示數(shù)將________(選填“增大”或“減小”)。[解析]　由題圖可知當(dāng)油箱內(nèi)液面高度變化時(shí)，R的金屬滑片將會(huì)移動(dòng)，從而引起R兩端電壓的變化。當(dāng)油量減少時(shí)，R的數(shù)值會(huì)增大，電路中的電流會(huì)減小，c、d間的電壓會(huì)減小。當(dāng)把電壓表接在c、d兩點(diǎn)間，電壓表示數(shù)減小時(shí)，表示油量在減小。[答案]　c、d　減小

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