（通用版）2018-2019版高中物理 第三章 傳感器 3.1-3.2 傳感器 溫度傳感器和光傳感器學(xué)案 教科版選修3-2.doc

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1　傳感器 2　溫度傳感器和光傳感器 [學(xué)習(xí)目標(biāo)]　1.了解什么是傳感器，感受傳感技術(shù)在信息時(shí)代的作用與意義.2.了解熱敏電阻、敏感元件的特性.3.了解幾種溫度傳感器及光傳感器的原理. 一、傳感器 1.定義：把被測(cè)的非電信息，按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成與之對(duì)應(yīng)的電信息的器件或裝置. 2.組成：一般由敏感元件和處理電路組成. (1)敏感元件：將要測(cè)量的非電信息變換成易于測(cè)量的物理量，形成電信號(hào). (2)處理電路：將敏感元件輸出的電信號(hào)轉(zhuǎn)換成便于顯示、記錄、處理和控制的電學(xué)量. 3.敏感元件的原理 (1)物理類：基于力、熱、光、電磁和聲等物理效應(yīng)； (2)化學(xué)類：基于化學(xué)反應(yīng)的原理； (3)生物類：基于酶、抗體和激素等分子識(shí)別功能. 二、溫度傳感器 1.分類 (1)熱雙金屬片溫度傳感器. (2)熱電阻傳感器. (3)熱敏電阻傳感器. ①NTC型：電阻值隨溫度升高而減小. ②PTC型：電阻值隨溫度升高而增大. 2.作用 將溫度變化轉(zhuǎn)換為電學(xué)量變化，通過測(cè)量傳感器元件的電學(xué)量隨溫度的變化來實(shí)現(xiàn)溫度的測(cè)量. 三、光傳感器 1.原理：某些金屬或半導(dǎo)體材料，在電路中受到光照時(shí)，產(chǎn)生電流或電壓，實(shí)現(xiàn)光信號(hào)向電信號(hào)的轉(zhuǎn)化. 2.作用：感知光線的變化或場(chǎng)景的變換，使“機(jī)器”作出反應(yīng). [即學(xué)即用] 1.判斷下列說法的正誤. (1)傳感器可以把非電學(xué)量轉(zhuǎn)化為電學(xué)量.(　√　) (2)熱敏電阻的阻值隨溫度的升高而增大.(　　) (3)干簧管可以感知磁場(chǎng)，接入電路，相當(dāng)于開關(guān)的作用.(　√　) (4)光敏電阻的阻值隨光線的強(qiáng)弱而變化，光照越強(qiáng)電阻越小.(　√　) 2.如圖1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)，電流表的讀數(shù)________(填“變大”或“變小”)，小燈泡的亮度________(填“變亮”或“變暗”). 圖1 答案　變小　變亮 一、傳感器 [導(dǎo)學(xué)探究]　當(dāng)你走進(jìn)一座大樓時(shí)，大堂的自動(dòng)門是如何“看到”你而自動(dòng)打開的？ 答案　人體發(fā)出的紅外線被傳感器接收后傳給自動(dòng)控制裝置的電動(dòng)機(jī)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)開關(guān)門. [知識(shí)深化] 1.傳感器的原理： → → 2.在分析傳感器時(shí)要明確： (1)核心元件是什么； (2)是怎樣將非電學(xué)量轉(zhuǎn)化為電學(xué)量的； (3)是如何顯示或控制開關(guān)的. 例1　如圖2是一種測(cè)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.若將電壓表分別接在b、c之間與c、d之間，當(dāng)油量變化時(shí)，電壓表的示數(shù)如何變化？ 圖2 答案　見解析 解析　把電壓表接在b、c之間，油量增加時(shí)，R減小，電壓表的示數(shù)減??；油量減少時(shí)，R增大，電壓表的示數(shù)增大.把電壓表接在c、d之間，油量增加時(shí)，R減小，電路中電流增大，則R′兩端的電壓增大，電壓表的示數(shù)增大，同理，油量減少時(shí)，電壓表的示數(shù)減小. 二、溫度傳感器 [導(dǎo)學(xué)探究]　如圖3所示，將多用電表的選擇開關(guān)置于歐姆擋，再將電表的兩支表筆與負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻RT(溫度升高，電阻減小)的兩端相連，這時(shí)表針恰好指在刻度盤的正中央.若在RT上擦一些酒精，表針將如何偏轉(zhuǎn)？若用吹風(fēng)機(jī)將熱風(fēng)吹向熱敏電阻，表針將如何偏轉(zhuǎn)？ 圖3 答案　由于酒精蒸發(fā)，熱敏電阻RT溫度降低，電阻值增大，表針將向左偏；用吹風(fēng)機(jī)將熱風(fēng)吹向熱敏電阻，熱敏電阻RT溫度升高，電阻值減小，表針將向右偏. [知識(shí)深化] 1.溫度傳感器的作用：將溫度的變化轉(zhuǎn)換為電學(xué)量的變化. 2.常見的溫度傳感器 (1)熱雙金屬片溫度傳感器 ①原理：兩種膨脹系數(shù)相差較大的不同金屬片制成一體，溫度升高時(shí)，雙金屬片變形，可控制電路的通斷. ②應(yīng)用：日光燈啟動(dòng)器，電機(jī)、電冰箱保護(hù)等. (2)熱電阻傳感器 ①原理：用金屬絲制作的感溫電阻叫熱電阻，當(dāng)外界溫度t發(fā)生變化時(shí)，其電阻值按R＝R0(1＋θt)的規(guī)律變化(θ為溫度系數(shù)，R0為t＝0 ℃時(shí)導(dǎo)體的電阻). ②應(yīng)用：測(cè)溫度、測(cè)流量等. (3)熱敏電阻傳感器 ①原理：半導(dǎo)體熱敏電阻的阻值隨溫度的變化而變化. ②應(yīng)用：測(cè)溫、溫度控制或過熱保護(hù)等. ③分類：正溫度系數(shù)的熱敏電阻(PTC)，它的電阻隨溫度升高而增大. 負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻(NTC)，它的電阻隨溫度的升高而減小. 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(shí)現(xiàn)對(duì)電路相關(guān)物理量的控制.如圖4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)(　　) 圖4 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(chǎng)強(qiáng)度減小 D.R1消耗的功率增大 答案　AB 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，由場(chǎng)強(qiáng)E′＝，Q＝CU2可知，Q、E′都增大，故A正確，C錯(cuò)誤. 三、光傳感器 [導(dǎo)學(xué)探究]　如圖5所示為光電式煙塵濃度計(jì)的原理圖，請(qǐng)閱讀教材，然后簡(jiǎn)述其工作原理. 圖5 答案　光源1發(fā)出的光線經(jīng)半透半反鏡3，分成兩束強(qiáng)度相等的光線.一路光線直接到達(dá)光電轉(zhuǎn)換電路7上，產(chǎn)生作為被測(cè)煙塵濃度的參比信號(hào).另一路光線經(jīng)反射鏡4穿過被測(cè)煙塵5到達(dá)光電轉(zhuǎn)換電路6上，其中一部分光線被煙塵吸收或散射而衰減，煙塵濃度越高，光線的衰減量越大，到達(dá)光電轉(zhuǎn)換電路6的光就越弱.兩路光線分別轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)U1、U2，如果U1＝U2，說明被測(cè)的光路上沒有煙塵；相反，如果U1、U2相差較大，說明煙塵較大，因此可用兩者之比，算出被測(cè)煙塵的濃度. 例3　(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(dāng)入射光強(qiáng)度增大時(shí)(　　) 圖6 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 答案　ABC 解析　當(dāng)入射光強(qiáng)度增大時(shí)，R3阻值減小，外電路總電阻減小，由閉合電路歐姆定律知，干路電流增大，R1兩端電壓增大，從而電壓表的示數(shù)增大，同時(shí)內(nèi)電壓增大，故電路的路端電壓減小，A項(xiàng)正確，D項(xiàng)錯(cuò)誤.因路端電壓減小，而R1兩端電壓增大，故R2兩端電壓必減小，則R2中電流減小，故B項(xiàng)正確.結(jié)合干路電流增大知流過小燈泡的電流必增大，故小燈泡的功率增大，C項(xiàng)正確. 含有熱敏電阻、光敏電阻電路的動(dòng)態(tài)分析步驟： (1)明確熱敏電阻(或光敏電阻)的阻值隨溫度(或光照強(qiáng)度)的增加是增大還是減小. (2)分析整個(gè)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. 1.(對(duì)傳感器的理解)關(guān)于傳感器，下列說法正確的是 (　　) A.所有傳感器都是由半導(dǎo)體材料制成的 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(hào)的 D.水銀溫度計(jì)是一種傳感器 答案　B 解析　大多數(shù)傳感器是由半導(dǎo)體材料制成的，某些金屬也可以制成傳感器，如金屬熱電阻，故A錯(cuò)，B對(duì)；傳感器將非電學(xué)量轉(zhuǎn)換為電學(xué)量,因此傳感器感知的應(yīng)該是“非電信號(hào)”,故C錯(cuò)；水銀溫度計(jì)能感受熱學(xué)量，但不能把熱學(xué)量轉(zhuǎn)化為電學(xué)量，因此不是傳感器，故D錯(cuò). 2.(光敏電阻的特性)如圖7所示的電路中，電源兩端的電壓恒定，L為小燈泡，R為光敏電阻，R和L中間用擋板(未畫出)隔開，LED為發(fā)光二極管(電流越大，發(fā)出的光越強(qiáng))，且R與LED間距不變，下列說法中正確的是(　　) 圖7 A.當(dāng)滑動(dòng)觸頭P向左移動(dòng)時(shí)，L消耗的功率增大 B.當(dāng)滑動(dòng)觸頭P向左移動(dòng)時(shí)，L消耗的功率減小 C.當(dāng)滑動(dòng)觸頭P向右移動(dòng)時(shí)，L消耗的功率可能不變 D.無論怎樣移動(dòng)滑動(dòng)觸頭P，L消耗的功率都不變 答案　A 解析　滑動(dòng)觸頭P左移，滑動(dòng)變阻器接入電路的電阻減小，流過二極管的電流增大，從而發(fā)光增強(qiáng)，使光敏電阻R減小，最終達(dá)到增大流過燈泡的電流的效果. 3.(熱敏電阻的特性)如圖8所示是觀察電阻R的阻值隨溫度變化情況的示意圖，現(xiàn)在把杯中的水由冷水變?yōu)闊崴?，關(guān)于歐姆表的讀數(shù)變化情況正確的是(　　) 圖8 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為熱敏電阻(用半導(dǎo)體材料制作)，讀數(shù)變化非常明顯 D.如果R為熱敏電阻(用半導(dǎo)體材料制作)，讀數(shù)變化不明顯 答案　C 解析　如果R為金屬熱電阻，則讀數(shù)變大，但不會(huì)非常明顯，故A、B均錯(cuò)；如果R為熱敏電阻，讀數(shù)變化非常明顯，故C對(duì)，D錯(cuò).