（新課標）2018-2019學年高考物理 主題四 傳感器 4.1 傳感器及其工作原理課件 新人教版選修3-2.ppt

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4 1傳感器及其工作原理 一 什么是傳感器1 傳感器的定義 能夠感受諸如力 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 和處理的另一個物理量 通常是電壓 電流等 量 或轉(zhuǎn)換為電路的 的元件 2 非電學量轉(zhuǎn)換為電學量的意義 把 轉(zhuǎn)換為電學量 可以方便地進行測量 傳輸 處理和 溫度 傳送 電學 通斷 非電學量 控制 思考判斷 1 傳感器可以把非電學量轉(zhuǎn)換為電學量 2 傳感器可以把力學量 如形變量 轉(zhuǎn)變成電學量 3 傳感器可以把熱學量轉(zhuǎn)變成電學量 4 傳感器可以把光學量轉(zhuǎn)變成電學量 5 傳感器可以把電學量轉(zhuǎn)變成力學量 二 光敏電阻1 特點 光照越強 電阻 2 原理 無光照時 載流子少 導電性能 隨著光照的增強 載流子 導電性 3 作用 把 這個光學量轉(zhuǎn)換為 這個電學量 越小 不好 增多 變好 光照強弱 電阻 思考判斷 1 光敏電阻的阻值隨光線的強弱變化 光照越強電阻越小 2 有光照在光敏電阻上 電阻上的自由電子會發(fā)生定向移動 3 光敏電阻的阻值只會隨人造光的強弱而變化 不能感知自然光的變化 三 熱敏電阻和金屬熱電阻1 熱敏電阻 用 材料制成 可分為正溫度系數(shù)的熱敏電阻和負溫度系數(shù)的熱敏電阻 1 正溫度系數(shù)的熱敏電阻隨溫度升高電阻 2 負溫度系數(shù)的熱敏電阻 如氧化錳熱敏電阻 隨溫度升高電阻 2 金屬熱電阻 金屬的電阻率隨溫度 而增大 利用這一特性 金屬絲也可以制作成 傳感器 稱為熱電阻 半導體 增大 減小 升高 溫度 思考判斷 1 熱敏電阻在溫度升高時阻值變小 2 金屬熱電阻在溫度升高時阻值變小 3 熱敏電阻一般用半導體材料制作 導電能力隨溫度的升高而增強 但靈敏度低 4 金屬熱電阻隨溫度的升高導電能力增強 它的化學穩(wěn)定性好 測量范圍大 5 熱敏電阻和金屬熱電阻都能把溫度這個熱學量轉(zhuǎn)換為電阻這個電學量 四 霍爾元件1 霍爾電壓 正 圖12 作用把 這個磁學量轉(zhuǎn)換為 這個電學量 電壓 磁感應強度 思考判斷 1 霍爾元件一共有兩個電極 電壓這個電學量就通過這兩個電極輸出 2 把霍爾元件放入磁場中 由于電磁感應現(xiàn)象 在元件的電極間產(chǎn)生感應電動勢 3 霍爾電壓與組成霍爾元件的材料無關(guān) 5 霍爾元件可以感知磁感應強度 對傳感器的理解 1 傳感器的組成和工作流程 1 傳感器的組成 敏感元件 相當于人的感覺器官 是傳感器的核心部分 是利用材料的某種敏感效應 如熱敏 光敏 壓敏 力敏 濕敏等 制成的 轉(zhuǎn)換元件 將敏感元件輸出的與被測物理量成一定關(guān)系的非電信號轉(zhuǎn)換成電信號的電子元件 要點歸納 轉(zhuǎn)換電路 將轉(zhuǎn)換元件輸出的不易測量的電學量轉(zhuǎn)換成易于測量的電學量 如電壓 電流 電阻等或電路的通斷 2 傳感器的工作流程 2 傳感器的原理 傳感器感受的通常是非電學量 如力 溫度 位移 濃度 速度 酸堿度等 而輸出的通常是電學量 如電壓 電流 電荷量等 這些輸出的信號是非常微弱的 通常需要經(jīng)過放大后 再傳送給控制系統(tǒng)產(chǎn)生各種控制動作 例1 如圖2所示 是電容式話筒的示意圖 它是利用電容制成的傳感器 話筒的振動膜前面有薄薄的金屬層 膜后距膜幾十微米處有一金屬板 振動膜上的金屬層和這個金屬板構(gòu)成電容器的兩極 在兩極間加一電壓U 人對著話筒說話時 振動膜前后振動 使電容發(fā)生變化 從而使聲音信號被話筒轉(zhuǎn)化為電信號 其中導致電容變化的原因是電容器兩板間的 圖2 精典示例 A 距離變化B 正對面積變化C 電介質(zhì)變化D 電壓變化解析振動膜前后振動 使振動膜上的金屬層與金屬板間的距離發(fā)生變化 從而將聲音信號轉(zhuǎn)化為電信號 故選項A正確 答案A 針對訓練1 當你走近某些賓館 酒樓的大門時 門就會自動為你打開 當你走進門之后 門又在你身后自動關(guān)上 你覺得這可能是將下列哪種外界信息轉(zhuǎn)換為有用的信息 A 溫度B 運動C 人D 光線解析自動門的自動控制要求靈敏 可靠 若以溫度控制 人的體溫與夏季氣溫接近 則在夏季自動門將無法使用 自動門實際使用的是紅外線傳感器 紅外線屬于不可見光 人在白天或黑夜均發(fā)出紅外線 傳感器接收到人體發(fā)出的紅外線后傳給自動控制裝置的電動機 實現(xiàn)自動開 關(guān)門 故選項D正確 答案D 對敏感元件的認識 光敏電阻 熱敏電阻 霍爾元件特點對比 要點歸納 例2 多選 在溫控電路中 通過熱敏電阻阻值隨溫度的變化可實現(xiàn)對電路相關(guān)物理量的控制 如圖3所示電路 R1為定值電阻 R2為半導體熱敏電阻 溫度越高電阻越小 C為電容器 當環(huán)境溫度降低時 圖3A 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兩板間的電場強度減小D R1消耗的功率增大 精典示例 答案AB 例3 如圖4所示 將一光敏電阻接在多用電表兩表筆上 將多用電表的選擇開關(guān)置于歐姆擋 用光照射光敏電阻時 表針自左向右的偏角為 現(xiàn)用手掌擋住部分光線 表針自左向右的偏角為 則可判斷 A B C D 不能確定解析光敏電阻的阻值隨光照強度的增強而減小 用手掌擋住部分光線 阻值變大 由歐姆擋的特點知 指針左偏 故指針自左向右的偏轉(zhuǎn)角度變小 故選項B正確 答案B 圖4 含有熱敏電阻 光敏電阻電路的動態(tài)分析步驟 1 明確熱敏電阻 或光敏電阻 的阻值隨溫度 或光線強弱 是增大還是減小 2 分析整個回路的電阻的增減 電流的增減 3 分析部分電路的電壓 電流如何變化 例4 多選 如圖5所示是霍爾元件的示意圖 一塊通電的銅板放在磁場中 板面垂直于磁場 板內(nèi)通有如圖所示方向的電流 a b是銅板上 下邊緣的兩點 則 圖5A 電勢 a bB 電勢 b aC 電流增大時 a b 增大D 其他條件不變 將銅板改為NaCl溶液時 電勢結(jié)果仍然一樣 答案AC 針對訓練2 多選 如圖6所示 R1 R2為定值電阻 L為小燈泡 R3為光敏電阻 當入射光強度增大時 圖6A 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 答案ABC 1 傳感器的理解 多選 下列說法正確的是 A 傳感器擔負著信息采集的任務(wù)B 干簧管是一種能夠感知磁場的傳感器C 傳感器不是電視遙控接收器的主要元件D 傳感器是把力 溫度 光 聲 化學成分轉(zhuǎn)換為電信號的主要工具解析傳感器的任務(wù)就是采集信息 選項A正確 干簧管的主要構(gòu)造是由平時不接觸的兩個極易被磁化的軟鐵片組成的 它們靠近磁場時被磁化后相互吸引而接觸 選項B正確 由傳感器的定義知 選項D正確 答案ABD 2 傳感器的應用 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(nèi)的傳感器就開通電熱器加熱 有熱空氣從機內(nèi)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 改變電容解析根據(jù)自動干手機工作的特征 手靠近干手機電熱器工作 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(gòu)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(nèi)設(shè)有電容式傳感器 由于手的靠近改變了電容大小 故選項D正確 用濕度和溫度來驅(qū)動電熱器工作 理論上可行 但是假如干手機是由于溫度 濕度的變化工作就成了室內(nèi)烘干機 選項A B C錯誤 答案D 3 傳感器的理解 多選 美國科學家Willards Boyle與GeorgeE Smith因電荷耦合器件 CCD 的重要發(fā)明榮獲2009年度諾貝爾物理學獎 CCD是將光學量轉(zhuǎn)變成電學量的傳感器 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 干電池解析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 并把它們按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換為電壓 電流等電學量的元件 發(fā)光二極管是電學元件 是電能轉(zhuǎn)換成光能的元件 不是傳感器 選項A錯誤 干電池是一種電源 不是傳感器 選項D錯誤 熱敏電阻受熱時 其電阻會發(fā)生變化 能把熱學量轉(zhuǎn)換成電學量 是傳感器 選項B正確 霍爾元件能夠把磁感應強度這個非電學量轉(zhuǎn)換成電壓這個電學量 是傳感器 選項C正確 答案BC 4 熱敏電阻和金屬熱電阻的特性 熱敏電阻常用于溫度控制或過熱保護裝置中 如圖7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 解析由R t圖象可知 該熱敏電阻的阻值R在溫度上升時變小 因此其導電能力增強 該熱敏電阻相對于金屬熱電阻而言 對溫度變化的響應更敏感 答案增強敏感 圖7