第五章1　認(rèn)識(shí)傳感器　2　常見傳感器的工作原理及應(yīng)用1.知道什么是傳感器,理解傳感器的工作原理。(物理觀念)2.掌握制作傳感器的常用元件:光敏電阻、熱敏電阻、金屬熱電阻、電阻應(yīng)變片的基本特性及工作原理。(物理觀念)3.體會(huì)傳感器將非電學(xué)量轉(zhuǎn)化為電學(xué)量的意義。(科學(xué)思維)4.了解傳感器在生產(chǎn)、生活中的應(yīng)用。(科學(xué)思維)基礎(chǔ)落實(shí)·必備知識(shí)全過關(guān)重難探究·能力素養(yǎng)全提升目錄索引 學(xué)以致用·隨堂檢測全達(dá)標(biāo)基礎(chǔ)落實(shí)·必備知識(shí)全過關(guān)一、神奇的傳感器傳感器能夠感受諸如力、溫度、光、聲、化學(xué)成分等被測量,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可用信號(hào)輸出。通常轉(zhuǎn)換成的可用信號(hào)是　　　　、　　　等電學(xué)量,或轉(zhuǎn)換為　　　　　　。把　　　　　轉(zhuǎn)換為　　　　,可以很方便地進(jìn)行測量、傳輸、處理和控制。?二、傳感器的種類根據(jù)被測量的不同,可分為　　　、　　、　　　、　　　、　　　　　、　　　　等傳感器;根據(jù)具體工作原理的不同,可分為　　　　　　、　　　　　、　　　　　、　　　　　、　　　　　、　　　　　、　　　　　　等傳感器。?電壓 電流電路的通斷非電學(xué)量電學(xué)量聲光壓力位移加速度溫度電阻式電容式電感式光電式熱電式壓電式磁電式三、傳感器的組成與應(yīng)用模式 敏感轉(zhuǎn)換四、光敏電阻1.光敏電阻是　　　　　　　　中常見的光敏元件。?2.硫化鎘是一種半導(dǎo)體材料,無光照時(shí),載流子　　　　,導(dǎo)電性能　　;隨著光照的增強(qiáng),載流子　　　　,導(dǎo)電性變　　。?3.光敏電阻能夠把　　　　　　這個(gè)光學(xué)量轉(zhuǎn)換為　　　這個(gè)電學(xué)量。?光電傳感器極少差增多好光照強(qiáng)弱電阻五、金屬熱電阻和熱敏電阻1.溫度能明顯地影響金屬導(dǎo)體和半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電性能?！? 　　　　和　　　　　　　　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　　　　,用金屬絲可以制作溫度傳感器,稱為　　　　　　。?3.金屬熱電阻和熱敏電阻都能夠把　　　　這個(gè)熱學(xué)量轉(zhuǎn)換為_________　　　　這個(gè)電學(xué)量。?金屬熱電阻熱敏電阻增大熱電阻溫度電阻六、電阻應(yīng)變片1.金屬導(dǎo)體在外力作用下發(fā)生機(jī)械形變(伸長或縮短)時(shí),其電阻隨著它所受機(jī)械形變的變化而發(fā)生變化的現(xiàn)象,稱為金屬的電阻應(yīng)變效應(yīng)。2.除了金屬電阻應(yīng)變片外,常用的電阻應(yīng)變片還有半導(dǎo)體電阻應(yīng)變片,它的工作原理是基于半導(dǎo)體材料的　　　　　　　　。?3.電阻應(yīng)變片能夠把　　　　　　　這個(gè)力學(xué)量轉(zhuǎn)換為　　　　這個(gè)電學(xué)量。?4.光敏電阻、熱敏電阻、電阻應(yīng)變片等電阻式傳感器的工作共性是通過測量　　　　的變化來確定外界非電學(xué)量的變化。?壓阻效應(yīng)物體形變電阻電阻情境鏈接火災(zāi)探測器的核心元件為光敏電阻,當(dāng)煙霧在空氣中的濃度超過設(shè)定值時(shí),可以觸發(fā)報(bào)警,并對外發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)。此時(shí)傳感器是將什么量進(jìn)行轉(zhuǎn)化的?火災(zāi)探測器 提示 傳感器是將煙霧產(chǎn)生的光學(xué)量轉(zhuǎn)化為電路的電學(xué)量,使電路接通,從而對外發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)。教材拓展為解決樓道里的照明問題,在樓道內(nèi)安裝一個(gè)傳感器與控制電燈的電路連接。當(dāng)樓道內(nèi)有人走動(dòng)而發(fā)出聲響時(shí),電燈即與電源接通而發(fā)光,這種傳感器是什么傳感器,它的輸入、輸出信號(hào)各是什么?提示 是聲電傳感器,輸入的是聲信號(hào),輸出的是電信號(hào)。 易錯(cuò)辨析(1)金屬熱電阻隨溫度的升高導(dǎo)電能力增強(qiáng),它的化學(xué)穩(wěn)定性好,測量范圍大。(　　)(2)霍爾電壓與組成霍爾元件的材料無關(guān)。(　　)(3)霍爾元件能夠把磁感應(yīng)強(qiáng)度這個(gè)磁學(xué)量轉(zhuǎn)化為電壓這個(gè)電學(xué)量。(　　)(4)光敏電阻的阻值隨光照的強(qiáng)弱而變化,光照越強(qiáng)電阻越大。(　　)× 提示 金屬熱電阻隨溫度的升高導(dǎo)電能力減弱。 提示 霍爾電壓與組成霍爾元件的材料有關(guān)。 提示 光敏電阻的阻值隨光照的強(qiáng)弱而變化,光照越強(qiáng)電阻越小。 × √ × 重難探究·能力素養(yǎng)全提升探究點(diǎn)一　對傳感器的認(rèn)識(shí)干簧管結(jié)構(gòu):如圖甲所示,它只是玻璃管內(nèi)封入的兩個(gè)軟磁性材料制成的簧片。將干簧管接入圖乙電路,當(dāng)磁鐵靠近干簧管時(shí),會(huì)發(fā)生什么現(xiàn)象,為什么?干簧管的作用是什么?要點(diǎn)提示 燈泡會(huì)亮,因?yàn)楫?dāng)磁鐵靠近干簧管時(shí),兩個(gè)簧片被磁化而接通;干簧管起到開關(guān)的作用,是一種能夠感知磁場的傳感器。1.傳感器的工作流程 非電學(xué)量 → 敏感元件→ 轉(zhuǎn)換元件→ 轉(zhuǎn)換電路→ 電學(xué)量2.傳感器的組成(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、電阻等。【例1】 全面了解汽車的運(yùn)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(xué)自制一種測定油箱油量多少或變化多少的裝置。如圖乙所示,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,R'是定值電阻,R'?R。該同學(xué)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,請按照你的接法回答: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”)。?b、c　增大 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,且當(dāng)R'?R時(shí),UR=IR,可視為UR與R成正比,所以電壓表應(yīng)接在b、c兩點(diǎn)之間;當(dāng)油量減少時(shí),R的金屬滑片上移,接入電路的電阻增大,電壓表示數(shù)將增大。1.力敏電阻的阻值隨所受壓力的增大而減小,有位同學(xué)利用力敏電阻設(shè)計(jì)了判斷小車運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的裝置,其工作原理如圖甲所示,將力敏電阻和一塊擋板固定在絕緣小車上,中間放置一個(gè)絕緣重球。小車向右做直線運(yùn)動(dòng)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(shí)間內(nèi),小車做勻速直線運(yùn)動(dòng)B.從t1到t2時(shí)間內(nèi),小車做勻加速直線運(yùn)動(dòng)C.從t2到t3時(shí)間內(nèi),小車做勻速直線運(yùn)動(dòng)D.從t2到t3時(shí)間內(nèi),小車做勻加速直線運(yùn)動(dòng)D 解析 在0~t1內(nèi),I恒定,力敏電阻阻值不變,由小球的受力不變可知,小車可能做勻速或勻加速直線運(yùn)動(dòng),在t1~t2內(nèi),I變大,力敏電阻阻值變小,壓力變大,小車做變加速運(yùn)動(dòng),A、B均錯(cuò)誤;在t2~t3內(nèi),I不變,壓力恒定,小車做勻加速直線運(yùn)動(dòng),C錯(cuò)誤,D正確。探究點(diǎn)二　對敏感元件的認(rèn)識(shí)在工廠生產(chǎn)車間的生產(chǎn)線上安裝計(jì)數(shù)器后,就可以準(zhǔn)確地得知生產(chǎn)產(chǎn)品的數(shù)量,如圖所示為光敏電阻自動(dòng)計(jì)數(shù)器示意圖,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?要點(diǎn)提示 當(dāng)光被產(chǎn)品擋住時(shí),R1電阻增大,電路中電流減小,R2兩端電壓減小,信號(hào)處理系統(tǒng)得到低電壓。每通過一個(gè)產(chǎn)品就獲得一次低電壓,以此計(jì)數(shù)。1.光敏電阻的特點(diǎn)及工作原理(1)當(dāng)半導(dǎo)體材料受到光照或者溫度升高時(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)電能力明顯增強(qiáng)。(2)光敏電阻是用半導(dǎo)體材料(如硫化鎘)制成的。它的特點(diǎn)是光照越強(qiáng),電阻越小。它能夠把光照強(qiáng)弱這個(gè)光學(xué)量轉(zhuǎn)換為電阻這個(gè)電學(xué)量。2.熱敏電阻和金屬熱電阻的特點(diǎn)(1)熱敏電阻:用半導(dǎo)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 3.霍爾元件的工作原理與特點(diǎn)(1)霍爾元件的工作原理:E、F間通入恒定的電流I,同時(shí)外加與薄片垂直的磁場B時(shí),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(shí),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(dāng)電流I一定時(shí),UH與B成正比,所以霍爾元件能把磁學(xué)量轉(zhuǎn)換成電學(xué)量?！纠?】 傳感器已廣泛應(yīng)用在生產(chǎn)、生活中,下列關(guān)于傳感器的說法正確的是(　　)A.火警報(bào)警器使用了壓力傳感器B.冰箱控溫系統(tǒng)使用了溫度傳感器C.商場里的自動(dòng)門使用了光傳感器D.夜間自動(dòng)打開的路燈使用了溫度傳感器B解析 火警報(bào)警器使用了溫度傳感器,故A錯(cuò)誤;冰箱控溫系統(tǒng)使用了溫度傳感器,故B正確;一般人體都有恒定的體溫,會(huì)發(fā)出特定波長的紅外線,被動(dòng)式紅外探頭就是靠探測人體發(fā)射的紅外線而進(jìn)行工作的,人走向門口時(shí),門會(huì)自動(dòng)打開,是因?yàn)榘惭b了紅外線傳感器,從而能感知紅外線,導(dǎo)致門被打開,故C錯(cuò)誤;燈要求夜晚亮、白天熄,而白天有光,黑夜沒有光,所以電路中光傳感器導(dǎo)致電阻變化,實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制,因此是利用光電傳感器,故D錯(cuò)誤。2.如圖所示,R1為定值電阻,R2為負(fù)溫度系數(shù)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)魿解析 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(qiáng),R1兩端的電壓減小,故只有C正確。學(xué)以致用·隨堂檢測全達(dá)標(biāo)123451.(對傳感器的認(rèn)識(shí))非觸摸式自動(dòng)感應(yīng)水龍頭如圖所示,其應(yīng)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B解析 自動(dòng)感應(yīng)水龍頭應(yīng)用的是光電傳感器。 123452.(熱敏電阻電路動(dòng)態(tài)分析)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,下列說法正確的是(　　)A.變大B.變小C.先變大再變小最后不變D.先變小再變大最后不變D12345解析 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)知,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。123453.(熱敏電阻電路動(dòng)態(tài)分析)(多選)在溫控電路中,通過熱敏電阻阻值隨溫度的變化可實(shí)現(xiàn)對電路相關(guān)物理量的控制。如圖所示電路,R1為定值電阻,R2為半導(dǎo)體熱敏電阻(溫度越高電阻越小),C為電容器。當(dāng)環(huán)境溫度降低時(shí)(　　)A.電容器C的帶電荷量增大B.電壓表的讀數(shù)增大C.電容器C兩板間的電場強(qiáng)度減小D.R1消耗的功率增大AB12345解析 當(dāng)環(huán)境溫度降低時(shí),R2變大,電路的總電阻變大,由I= 知I變小,又U=E-Ir,電壓表的讀數(shù)U增大,B正確;又由P1=I2R1可知,R1消耗的功率P1變小,D錯(cuò)誤;電容器兩板間的電壓U2=U-U1,U1=IR1,可知U1變小,U2變大,由電場強(qiáng)度E'= ,Q=CU2可知Q、E'都增大,故A正確,C錯(cuò)誤。123454.(霍爾元件)(多選)霍爾元件的示意圖如圖所示,一塊通電的銅板放在磁場中,銅板的前、后板面垂直于磁場,板內(nèi)通有如圖方向的電流,a、b是銅板上、下邊緣的兩點(diǎn),則(　　)A.電勢φa>φbB.電勢φb>φaC.B一定,電流增大時(shí),|φa-φb|增大D.其他條件不變,將銅板改為NaCl溶液時(shí),電勢結(jié)果仍然一樣AC12345解析 銅板中的自由電荷是電子,電子定向移動(dòng)的方向與電流的方向相反,由左手定則可判斷出電子因受洛倫茲力作用向b側(cè)偏轉(zhuǎn),所以φa>φb,A正確,B錯(cuò)誤;因|φa-φb|=k ,所以B一定,電流增大時(shí),|φa-φb|增大,C正確;若將銅板改為NaCl溶液,溶液中的正、負(fù)離子均向b側(cè)偏轉(zhuǎn),|φa-φb|=0,即不產(chǎn)生霍爾效應(yīng),故D錯(cuò)誤。123455.(霍爾元件)(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(gè)霍爾元件,d、k為定值,如果保持I恒定,則可以驗(yàn)證UH隨B的變化情況。以下說法正確的是(工作面是指較大的平面)(　　 )A.將永磁體的一個(gè)磁極逐漸靠近霍爾元件的工作面,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ABD12345解析 將永磁體的磁極逐漸靠近霍爾元件的工作面時(shí),B增大,I恒定,由公式UH= 知UH將變大,選項(xiàng)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(yīng)保持水平,使B與工作面垂直,選項(xiàng)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方向時(shí),B才與工作面垂直,選項(xiàng)C錯(cuò)誤;改變磁感線與霍爾元件工作面的夾角,B垂直工作面的大小發(fā)生變化,UH將發(fā)生變化,選項(xiàng)D正確。

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