2018-2019學年高中物理 第六章 傳感器 6.1 傳感器及其工作原理課件 新人教版選修3-2.ppt

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第六章傳感器1傳感器及其工作原理,【自主預習】1.傳感器:(1)定義:能夠感受諸如力、溫度、光、聲、化學成分等_______,并能把它們按照一定的規(guī)律轉換為便于傳送和處理的電壓、電流等_______,或轉換為電路_____的元件。,物理量,物理量,通斷,(2)意義:把非電學量轉換為電學量,可以方便地進行_____、傳輸、處理和_____。2.光敏電阻:(1)特點:光照越強,電阻_____,光照越弱,電阻_____。(2)原因:無光照時,載流子極少,導電性能_____;隨著光照的增強,載流子_____,導電性能_____。(3)作用:把光照強弱這個光學量轉換為_____這個電學量。,測量,控制,越小,越大,不好,增多,變好,電阻,3.熱敏電阻和金屬熱電阻:,減小,增大,金屬,電阻,4.霍爾元件:(1)構造:在很小的半導體薄片上,制作四個電極E、F、M、N。(2)霍爾電壓:如圖,E、F間通入恒定電流I,同時外加與薄片垂直的磁場B,則M、N間出現(xiàn)霍爾電壓UH,UH=_____。,(3)作用:把磁感應強度這個磁學量轉換為_____這個電學量。,電壓,【預習小測】1.(多選)傳感器擔負著信息采集的任務,它可以()A.將力學量(如形變量)轉變成電學量B.將熱學量轉變成電學量C.將光學量轉變成電學量D.將電學量轉變成力學量,【解析】選A、B、C。傳感器是將所感受到的不便于測量的物理量(如力、熱、光、聲等)轉換成便于測量的物理量(一般是電學量)的一類元件。故選項A、B、C對,選項D錯。,2.(多選)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;而白天,即使有聲音它也沒有反應,它的控制電路中接入了哪些傳感器()A.溫度傳感器B.光傳感器C.聲音傳感器D.熱傳感器,【解析】選B、C。根據題意,天黑時,出現(xiàn)聲音它就開啟;而白天,即使有聲音它也沒有反應,故電路中有光傳感器,即使天黑,沒有聲音燈也不亮,故用到了聲音傳感器。即控制電路中接入了光傳感器、聲音傳感器。故選B、C。,3.關于光敏電阻和熱敏電阻,下列說法中正確的是()A.光敏電阻是用半導體材料制成的,其阻值隨光照增強而減小,隨光照的減弱而增大B.光敏電阻是能把光照強度這個光學量轉換為電流這個電學量的傳感器,C.熱敏電阻是用金屬鉑制成的,它對溫度感知很靈敏D.熱敏電阻是把熱量這個熱學量轉換為電阻這個電學量的傳感器,【解析】選A。光敏電阻是把光強轉換為電阻的元件;熱敏電阻是把溫度轉換為電阻的元件,故B、D錯誤;熱敏電阻和光敏電阻都是由半導體材料制成的,半導體具有光敏性和熱敏性,金屬鉑與熱敏電阻相反,故C錯誤。,4.金屬鉑的電阻值對溫度高低非常敏感,圖中可能表示金屬鉑電阻的U-I圖線是(),【解析】選B。金屬鉑導體的電阻對溫度的變化很敏感,電阻隨溫度的升高而增大,在一定溫度下其U-I圖線是非線性的,且圖線的斜率越來越大,故B正確。,主題一什么是傳感器【互動探究】干簧管、色標傳感器、溫度傳感器及力傳感器等都是生活和生產中常用的傳感器。請結合上述傳感器思考下列問題,(1)干簧管的工作原理及在電路中的作用是什么?提示:干簧管可以感受外界磁場,當干簧管的兩個鐵質簧片處在磁場中時,兩個簧片被磁化,在磁力的作用下由原來的分離狀態(tài)變成閉合狀態(tài),磁場減弱時兩個簧片又分開,它在電路中的作用就是一個磁控開關。,(2)舉例說明:不便于測量和控制的非電學量有哪些?便于測量和控制的電學量有哪些?不便于測量和控制的非電學量主要有__________________________________________等,便于測量和控制的電學量有___________等。,角度、位移、速,度、壓力、溫度、聲強、光照,電壓、電流,(3)傳感器最基本的作用是什么?傳感器的工作過程是怎樣的?傳感器最基本的作用是________________________________,其工作過程為:________________________________________________。,將被測量的非電學量轉換成電,學量,非電學量→敏感元件→轉換元件,→轉換電路→電學量,【探究總結】1.傳感器的定義:能感受規(guī)定的被測量并按照一定的規(guī)律轉換成可用信號的器件或裝置,通常由敏感元件和轉換元件組成。傳感器是以一定的精度和規(guī)律把被測量轉換為與之有確定關系的、便于研究的某種物理量的測量裝置。,2.傳感器的功能與人類器官的對應關系:人們?yōu)榱藦耐饨绔@取信息,必須借助于感覺器官。而在研究自然現(xiàn)象和規(guī)律以及生產活動中就需要大量的傳感器。因此可以說,傳感器是人類五官的延長,又稱之為電五官。傳感器的功能可與人類5大感覺器官相比擬:,光敏傳感器——視覺聲敏傳感器——聽覺氣敏傳感器——嗅覺化學傳感器——味覺流體傳感器——觸覺,【典例示范】幾年前,中國牛奶行業(yè)經歷了一次嚴峻考驗,許多牛奶制品中被檢測出化學原料三聚氰胺。在多種檢測三聚氰胺的方法中有一種“酶標法檢測”,若這種檢測方法使用了傳感器,應為傳感器中的哪一類()A.物理傳感器B.化學傳感器C.生物傳感器D.溫度傳感器,【解析】選C。檢測方法為酶標法,故其原理是利用了生物酶,應為生物傳感器,C正確。,【探究訓練】1.為了防止火災的發(fā)生,在賓館房間的天花板上大多裝有一個傳感器,該傳感器是()A.氣體傳感器B.光敏電阻傳感器C.壓力傳感器D.煙霧傳感器,【解析】選D。火災報警器當有煙霧時,經過漫反射,將光信號轉換成電信號,從而發(fā)出警報,所以該傳感器是用光傳感器實現(xiàn)報警的,從而制成煙霧傳感器,故A、B、C錯誤,D正確。,2.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是滑動變阻器,它的金屬滑片是金屬桿的一端。當油箱中油量減少時,電壓表的示數(shù)將如何變化?,【解析】由題圖可知,當油箱內液面高度變化時,R的金屬滑片將會移動,從而引起R′兩端電壓的變化。當油量減少時,R的數(shù)值會增大,電路中的電流會減小,c、d間的電壓會減小。答案:減小,【補償訓練】1.有一些星級賓館的洗手間裝有自動干手機,洗手后將濕手靠近,機內的傳感器就開通電熱器加熱,有熱空氣從機內噴出,將濕手烘干,手靠近干手機能使傳感器工作,是因為()A.改變濕度B.改變溫度C.改變磁場D.改變電容,【解析】選D。根據自動干手機工作的特征,手靠近干手機時電熱器開始工作,手撤離后電熱器停止工作,人是一種導體,可以與其他導體構成電容器,手靠近時相當于連接一個電容器,可以確定干手機內設有電容式傳感器,由于手的靠近改變了電容的大小,故選項D正確;用濕度和溫度來驅動電熱器工作,理論上可行,但是假如干手機是由于溫度、濕度的變化而工作就成了室內烘干機。,2.傳感器是把非電學物理量(如位移、壓力、流量、聲強等)轉換成電學量的一種元件。如圖所示為一種電容式傳感器,電路可將聲音信號轉化為電信號。電路中a、b構成一個電容器,b是固定不動的金屬板,a是能在聲波驅動下沿水平方向振動的鍍有金屬層的振動膜。若聲源S發(fā)出頻率恒定的聲波使a振動,則a在振動過程中(),A.a、b板之間的電場強度不變B.a、b板所帶的電荷量不變C.電路中始終有方向不變的電流D.向右位移最大時,電容器的電容最大,【解析】選D。a、b始終跟電源相連,電勢差U不變,由于a、b間距離變化,由E=知場強變化,A錯誤;由C=知d變化時C變化,a向右位移最大時,電容最大,D正確;由Q=CU知a、b所帶電荷量變化,電路中電流方向改變,B、C錯誤。,主題二傳感器的幾種敏感元件【互動探究】1.光敏電阻、金屬熱電阻、熱敏電阻、霍爾元件有什么不同?,提示:,越小,增多,減小,越大,增大,增大,越小,增多,減小,越大,減少,增大,正比,2.電容式位移傳感器的工作原理是什么?提示:電容器內部的電介質發(fā)生位移時,會導致電容器的電容發(fā)生變化,就能夠把物體的位移這個力學量轉換為電容這個電學量。,3.樓道照明燈一般都裝有光聲控延時開關,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。據此判斷,光聲控延時開關里面安裝有哪些種類的敏感元件?各有什么作用?,提示:光聲控延時開關中安裝有光敏元件,用于感知外界光線的強弱;還安裝有聲敏元件,用于感知外界聲響。,【探究總結】1.敏感元件:敏感元件指能夠靈敏地感受被測量并做出響應的元件,是傳感器中能直接感受被測量的部分。它是傳感器的重要組成部分,敏銳地感受某種物理、化學、生物信息并將其轉換為電信號。有些傳感器,它的敏感元件與轉換元件合并在一起。例如,半導體氣體、濕度、溫度和壓力傳感器等。,2.敏感元件的種類:(1)光敏元件:電阻值隨入射光(一般指可見光)強弱而變化的敏感元件。通常入射光增強時,電阻值減小。(2)力敏元件:隨外界壓力改變而變化的敏感元件。力敏元件種類繁多,如電阻式力敏元件、電容式力敏元件、壓電式力敏元件等。,(3)磁敏元件:一種磁電轉換元件,包括霍爾元件、磁阻元件、磁敏二極管、磁敏晶體管等。(4)氣敏元件:電參數(shù)隨外界氣體種類和濃度變化而變化的敏感元件。(5)濕敏元件:隨環(huán)境濕度變化而變化的敏感元件。,【拓展延伸】常見電容式傳感器,【典例示范】廣泛應用于室內空調、電冰箱和微波爐等家用電器中的溫度傳感器,是利用熱敏電阻的阻值隨溫度變化而變化的特性工作的。在圖甲中,電源的電動勢E=9.0V,內電阻不可忽略,為內阻不計的靈敏電流表,R0為保護電阻,R為熱敏電阻,其電阻值與溫度變化關系如圖乙的R-t圖象所示。則熱敏電阻R與攝氏溫度t的關系為,R=;閉合電鍵S,當R的溫度等于40℃時,電流表示數(shù)I1=2.25mA,則當電流表的示數(shù)I2=3.6mA時,熱敏電阻R的溫度是℃。,【解題指南】解答本題要把握以下三點:(1)溫度傳感器就是一只可變電阻。(2)可變電阻的阻值隨溫度升高而減小,并且是阻值隨溫度線性變化。(3)根據閉合電路的歐姆定律,建立起電阻與電流的關系,結合電阻與溫度的關系,就能找到電流與溫度的關系。,【解析】設熱敏電阻R與攝氏溫度t的關系式為R=kt+b,在R-t圖象上取兩點,如取40℃對應的電阻3.5kΩ,120℃對應的電阻2kΩ,代入R=kt+b得,3500=k40+b,2000=k120+b,聯(lián)立解得k=-18.75,b=4.25103,所以該熱敏電阻的R-t關系式為R=-18.75t+4.25103。閉合電鍵S,當R的溫度等于40℃時,熱敏電阻R的阻值為3.5kΩ,電流表示數(shù)I1=2.25mA,由閉合電路歐姆定律得,E=I1(R0+r+3500Ω),則當電流表的示數(shù)I2=3.6mA時,E=I2(R0+r+R),聯(lián)立解得R=2kΩ,由題圖乙得熱敏電阻R的溫度是120℃。答案:-18.75t+4.25103120,【探究訓練】1.(2018杭州高二檢測)下列有關各種電阻應用的說法中錯誤的是()A.熱敏電阻可應用于溫度測控裝置中B.光敏電阻是一種光電傳感器C.電阻絲可應用于電熱設備中D.電阻在電路中主要起到通過直流、阻礙交流的作用,【解析】選D。熱敏電阻的原理是通過已知某電阻的電阻值與溫度的函數(shù)關系,測得該熱敏電阻的值即可獲取溫度,從而應用于溫度測控裝置中,A說法正確;光敏電阻是將光信號與電信號進行轉換的傳感器,B說法正確;電阻絲通過電流會產生熱效應,可應用于電熱設備中,C說法正確;電阻對直流和交流均起到阻礙的作用,D說法錯誤。,2.(2018成都高二檢測)傳感器是把非電學量轉換成電學量的一種元件。如圖所示,乙、丙是兩種常見的電容式傳感器,現(xiàn)將乙、丙兩種傳感器分別接到圖甲的電路中進行實驗(電流從電流表正接線柱流入時指針向右偏),下列實驗現(xiàn)象中正確的是(),A.當乙傳感器接入電路實驗時,若F變小,則電流表指針向右偏轉B.當乙傳感器接入電路實驗時,若F變大,則電流表指針向左偏轉C.當丙傳感器接入電路實驗時,若液體深度h變大,則電流表指針向左偏D.當丙傳感器接入電路實驗時,若液體深度h變小,則電流表指針向左偏,【解析】選D。當乙傳感器接入電路實驗時,若F變小,電容器兩極板間的距離增大,根據電容的決定式C=得知,電容減小,而電壓不變,則由Q=CU可知,電容器所帶的電量減小,電容器放電,電路中有順時針方向的電流,則電流表指針向左偏轉,故A錯誤;當乙傳感器接入電路實驗時,若F變大,電容器兩極板間的距離減小,根據電容的決定式C=得知,電容增大,而電壓,不變,則由Q=CU可知,電容器所帶的電量增加,電容器充電,電路中有逆時針方向的電流,則電流表指針向右偏轉,故B錯誤;當丙傳感器接入電路實驗時,若導電溶液深度h變大,兩電極正對面積增大,電容增大,而電壓不變,則電容器充電,電路中有逆時針方向的電流,則電流表指針向右偏轉,故C錯誤;當丙傳感器接入電路實驗時,,若導電溶液深度h變小,兩電極正對面積減小,電容減小,而電壓不變,則電容器放電,電路中有順時針方向的電流,則電流表指針向左偏轉,故D正確。,3.(2016北京高考)熱敏電阻常用于溫度控制或過熱保護裝置中。如圖為某種熱敏電阻和金屬熱電阻的阻值R隨溫度t變化的示意圖。由圖可知,這種熱敏電阻在溫度上升時導電能力(選填“增強”或“減弱”);相對金屬熱電阻而言,熱敏電阻對溫度變化的響應更(選填“敏感”或“不敏感”)。,【解析】從圖中可看出,溫度上升時,熱敏電阻的阻值越小,即對電流的阻礙作用越小,導電能力越強。從圖中還可看出在溫度變化相同時,熱敏電阻的阻值變化更大,故熱敏電阻對溫度變化的響應更敏感。答案:增強敏感,【補償訓練】如圖所示,截面為矩形的金屬導體,放在磁場中,當導體中通有電流時,導體的上下表面的電勢有什么關系()A.UM>UNB.UM=UNC.UMUN。故選A。,【通法悟道】電容式傳感器的應用(1)電容式傳感器是應用了電容器的電容跟板間距離、正對面積、電介質及引起它們改變的因素(如力、位移、壓強、聲音等)的關系,將這些非電學量轉化為電容器的電容這個電學量。,【課堂小結】,