高二物理人教版選修3-2課件：第六章1傳感器及其工作原理

1、第六章傳感器學(xué)案1傳感器及其工作原理目標(biāo)定位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.知道將非電學(xué)量轉(zhuǎn)化為電學(xué)量的意義.3.了解光敏電阻、熱敏電阻、金屬熱電阻和霍爾元件 的性能，知道其工作原理及作用.知識(shí)探究自我檢測(cè)一、什么是傳感器 問(wèn)題設(shè)計(jì)如圖1所示，小盒子A的側(cè)面露出一個(gè)小燈泡，盒外沒(méi)有開(kāi)關(guān)，但是把磁鐵B放到盒子上面，燈泡就會(huì)發(fā)光，把磁鐵移走，燈泡熄滅.知識(shí)探究圖1盒子里有什么樣的裝置，才能出現(xiàn)這樣的現(xiàn)象？答案盒子里用到了干簧管.把干簧管串入電路，當(dāng)磁鐵靠近干簧管時(shí)，兩個(gè)簧片被磁化而接通，所以干簧管能起到開(kāi)關(guān)的作用.要點(diǎn)提煉1.干簧管結(jié)構(gòu)：如圖2所示，它只是玻璃管內(nèi)封

2、入的兩個(gè) 制成的簧片.作用：在電路中起到 的作用，它是一種能夠 的傳感器.圖2軟磁性材料開(kāi)關(guān)感知磁場(chǎng)2.傳感器定義：能夠感受諸如力、溫度、光、聲、化學(xué)成分等 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另一個(gè)物理量(通常是電壓、電流等 量)，或轉(zhuǎn)換為電路的 的元件.物理電學(xué)通斷3.非電學(xué)量轉(zhuǎn)換為電學(xué)量的意義：把 轉(zhuǎn)換為電學(xué)量，可以方便地進(jìn)行測(cè)量、傳輸、處理和 .4.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(kāi)關(guān)的.非電學(xué)量控制二、光敏電阻 問(wèn)題設(shè)計(jì)在工廠生產(chǎn)車(chē)間的生產(chǎn)線上安裝計(jì)數(shù)器后，就可以準(zhǔn)確得知生產(chǎn)產(chǎn)品的數(shù)量，如圖3所示為

3、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？圖3答案當(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(guò)一個(gè)產(chǎn)品就獲得一次低電壓，并計(jì)數(shù)一次.要點(diǎn)提煉1.光敏電阻：把電阻率與所受光照強(qiáng)度有關(guān)的物質(zhì)(如硫化鎘)涂敷在絕緣板上，在其表面再用銀漿涂敷兩個(gè)互不相連的柵狀電極，這樣就制成了一個(gè)光敏電阻.2.原理：無(wú)光照時(shí)， 極少，導(dǎo)電性能 ；隨著 的增強(qiáng)，載流子 ，導(dǎo)電性變好.3.特點(diǎn)：光照越強(qiáng)，電阻越 .4.作用：把 這個(gè)光學(xué)量轉(zhuǎn)換為 這個(gè)電學(xué)量.載流子不好光照增多小光照強(qiáng)弱電阻三、熱敏電阻和金屬熱電阻

4、問(wèn)題設(shè)計(jì)如圖4所示，將多用電表的選擇開(kāi)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(pán)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4答案由于酒精揮發(fā)，熱敏電阻RT溫度降低，電阻值增大，指針將向左偏；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，指針將向右偏.要點(diǎn)提煉1.熱敏電阻：用電阻隨溫度變化非常明顯的 材料如(氧化錳)制成.按熱敏電阻阻值隨溫度變化的規(guī)律，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.(1)正溫度系數(shù)的熱敏電阻隨溫度升高電阻 .(

5、2)負(fù)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 .半導(dǎo)體增大減小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(chēng)為熱電阻.3.熱敏電阻和金屬熱電阻都能夠把 這個(gè)熱學(xué)量轉(zhuǎn)換為 這個(gè)電學(xué)量.金屬熱電阻的 穩(wěn)定性好，測(cè)溫范圍 ，但 較差.升高溫度溫度電阻化學(xué)大靈敏度四、霍爾元件 問(wèn)題設(shè)計(jì)如圖5所示，在矩形半導(dǎo)體薄片E、F間通入恒定的電流I，同時(shí)外加與薄片垂直的磁場(chǎng)B，則薄片中的載流子就在洛倫茲力的作用下，向著與電流和磁場(chǎng)都垂直的方向移動(dòng)，使M、N間出現(xiàn)了電壓，稱(chēng)為霍爾電壓UH.試推導(dǎo)其表達(dá)式.圖5答案設(shè)薄片厚度為d，EF方向長(zhǎng)度為l1，MN方向長(zhǎng)度

6、為l2，薄片中的載流子受到洛倫茲力發(fā)生偏轉(zhuǎn)，使半導(dǎo)體內(nèi)部出現(xiàn)電場(chǎng)，載流子同時(shí)受到電場(chǎng)力和洛倫茲力的作用，當(dāng)洛倫茲力與電場(chǎng)力平衡時(shí)，M、N間電勢(shì)差達(dá)到穩(wěn)定.再根據(jù)電流的微觀表達(dá)式InqvS，Sl2d1.組成：在一個(gè)很小的矩形半導(dǎo)體薄片上，制作四個(gè)電極E、F、M、N，就成為一個(gè)霍爾元件.2.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(chǎng)B時(shí)，薄片中的載流子就在 的作用下，向著與電流和磁場(chǎng)都垂直的方向漂移，使M、N間出現(xiàn) .霍爾元件在電流、電壓穩(wěn)定時(shí)，載流子所受 和 二力平衡.要點(diǎn)提煉洛倫茲力電壓電場(chǎng)力洛倫茲力UHB電壓4.霍爾電勢(shì)高低的判斷方法由左手定則判斷帶電粒子的受力方向，如果帶電粒

7、子是正電荷，則拇指所指的面為高電勢(shì)面，如果是負(fù)電荷，則拇指所指的面為低電勢(shì)面，但無(wú)論是正電荷還是負(fù)電荷，四指指的都是電流方向，即正電荷定向移動(dòng)的方向，負(fù)電荷定向移動(dòng)的反方向.典例精析一、對(duì)傳感器的認(rèn)識(shí)例1如圖6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.圖6(1)若把一只電壓表接在c、d之間當(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.減小(2)將電壓表接在b、c之間，當(dāng)油箱中油

8、量減少時(shí)，電壓表的示數(shù)將 (選填“增大”或“減小”).解析把電壓表接在b、c之間，油量減少時(shí)，R增大，電壓表的示數(shù)增大.增大二、對(duì)光敏電阻、熱敏電阻的認(rèn)識(shí)及應(yīng)用例2如圖7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)()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圖7解析當(dāng)光強(qiáng)度增大時(shí)，R3阻值減小，外電路電阻隨R3的減小而減小，R1兩端電壓因干路電流增大而增大，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.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中電流減小，故B項(xiàng)正確.結(jié)

9、合干路電流增大知流過(guò)小燈泡的電流必增大，故小燈泡的功率增大，C項(xiàng)正確.答案ABC三、對(duì)霍爾元件的認(rèn)識(shí)及應(yīng)用例3如圖8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(duì)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(shuō)法中正確的是(工作面是指較大的平面)()圖8A.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(cè)定地球兩極的磁場(chǎng)強(qiáng)弱時(shí)，霍爾元件的工作面應(yīng) 保持水平C.在測(cè)定地球赤道上的磁場(chǎng)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，

10、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(chǎng)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(chǎng)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在垂直工作面方向上的大小發(fā)生變化，UH將發(fā)生變化，選項(xiàng)D正確.答案ABD課堂要點(diǎn)小結(jié)1.(對(duì)傳感器的認(rèn)識(shí))關(guān)于傳感器，下列說(shuō)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(guò)感知電壓的變化來(lái)傳遞信號(hào)的D.水銀溫度計(jì)是一種傳感器自我檢測(cè)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).答案B2.(對(duì)光敏電阻、熱敏電阻的認(rèn)識(shí)及電路分析)如圖9所示電路中，電源電動(dòng)勢(shì)為E，內(nèi)阻為r，RT為負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻，RG為光敏電阻，閉合開(kāi)關(guān)后，小燈泡L正常發(fā)光，由于環(huán)境改變(光照或溫度)，發(fā)