202X屆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

1、1傳感器及其工作原理傳感器及其工作原理讀一讀思一思辨一辨議一議一、什么是傳感器閱讀教材第52頁“什么是傳感器”部分,知道什么是傳感器。1.什么是傳感器?答案:能夠感受諸如力、溫度、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)換為便于傳送和處理的另一個物理量(通常是電壓、電流等電學量),或轉(zhuǎn)換為電路的通斷的元件。2.傳感器的作用是什么?答案:把非電學量轉(zhuǎn)換為電學量。3.把非電學量轉(zhuǎn)換為電學量的好處是什么?答案:可以方便地進行測量、傳輸、處理和控制。讀一讀思一思辨一辨議一議二、光敏電阻閱讀教材第53頁“光敏電阻”部分,初步了解光敏電阻的工作原理。1.為什么光強度不同時,硫化鎘制成的光敏電阻

2、的阻值不同?答案:因為硫化鎘的電阻率與所受光照的強度有關(guān)。2.硫化鎘在光照射時電阻率發(fā)生變化的原因是什么?答案:硫化鎘是一種半導體材料,無光照時,載流子極少,導電性能不好;隨著光照的增強,載流子增多,導電性變好。3.光敏電阻的作用是什么?答案:光敏電阻能夠把光照強弱這個光學量轉(zhuǎn)換為電阻這個電學量。讀一讀思一思辨一辨議一議三、熱敏電阻和金屬熱電阻閱讀教材第54頁“熱敏電阻和金屬熱電阻”,知道熱敏電阻和金屬熱電阻的區(qū)別。1.什么是熱電阻?溫度升高時,它的電阻怎樣變化?答案:用金屬絲制作溫度傳感器,稱為熱電阻。2.什么是熱敏電阻?溫度升高時,它的電阻怎樣變化?答案:半導體在溫度上升時導電能力增強,可

3、用半導體材料制作熱敏電阻。溫度升高時,熱敏電阻的阻值減小。3.熱敏電阻和金屬熱電阻相比各有什么優(yōu)缺點?答案:熱敏電阻靈敏度好,但測溫范圍小,金屬熱電阻化學穩(wěn)定性好,測溫范圍大,但靈敏度較差。4.熱敏電阻和金屬熱電阻的作用是什么?答案:熱敏電阻和金屬熱電阻能夠把溫度這個熱學量轉(zhuǎn)換為電阻這個電學量。讀一讀思一思辨一辨議一議四、霍耳元件閱讀教材第55頁“霍耳元件”,知道霍耳元件的組成及霍耳電壓的概念,理解霍耳電壓的作用。1.霍耳元件有哪些部分組成?答案:在一個很小的矩形半導體薄片上,制作4個電極E、F、M、N,就成為一個霍爾元件。2.什么是霍耳電壓?寫出霍耳電壓的表達式。答案:霍耳元件通以電流時,由

4、于洛倫茲力的作用,載流子向著電流與磁場都垂直的方向漂移,在霍耳元件兩側(cè)出現(xiàn)了電壓,稱為霍耳電壓。3.霍耳元件的作用是什么?答案:把磁感應強度這個磁學量轉(zhuǎn)換為電壓這個電學量。讀一讀思一思辨一辨議一議1.思考辨析。(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。 ()解析:霍爾元件一共有四個電極,兩個用來輸入恒定電流,兩個用來輸出電壓。答案:(2)霍爾電壓與組成霍爾元件的材料無關(guān)。 ()解析:霍爾電壓與組成霍爾元件的材料有關(guān)。答案:(3)霍爾元件能夠把磁感應強度這個磁學量轉(zhuǎn)化為電壓這個電學量。 ()解析:霍爾元件能夠把磁感應強度這個磁學量轉(zhuǎn)換為電壓這個電學量。答案:讀一讀思一思辨

5、一辨議一議2.探究討論。(1)請同學們思考討論一下,你家里哪些地方用到了傳感器?答案:冰箱、空調(diào)、電視、電飯鍋、壓力鍋、電水壺、電磁爐、太陽能自動上水裝置、坐便器沖水裝置、防盜報警器、照明燈遙控開關(guān)、防盜門電子鎖等。(2)熱敏電阻是溫度傳感器中的重要元件,是不是所有的熱敏電阻的阻值都隨溫度的升高而減小?答案:不是。正溫度系數(shù)熱敏電阻器(PTC)在溫度升高時電阻值增大,負溫度系數(shù)熱敏電阻器(NTC)在溫度升高時電阻值減小。探究一探究二探究三當堂檢測問題導引名師精講典例剖析探究四傳感器傳感器干簧管結(jié)構(gòu):如圖甲所示,它只是玻璃管內(nèi)封入的兩個軟磁性材料制成的簧片,接入圖乙電路,當磁鐵靠近干簧管時:會發(fā)

6、生什么現(xiàn)象,為什么?干簧管的作用是什么?要點提示:燈泡會亮,因為當磁鐵靠近干簧管時,兩個簧片被磁化而接通;干簧管起到開關(guān)的作用,是一種能夠感知磁場的傳感器。探究一探究二探究三問題導引名師精講典例剖析當堂檢測探究四1.傳感器的工作流程非電學量敏感元件轉(zhuǎn)換元件轉(zhuǎn)換電路電學量2.傳感器的組成(1)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。(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)系的非電信號轉(zhuǎn)換成電信號的電子元件。(3)轉(zhuǎn)換電路是將轉(zhuǎn)換元件輸出的不易測量的電學量轉(zhuǎn)換成易于測量的電學量,如電壓、電流、電阻等

7、。探究一探究二探究三問題導引名師精講典例剖析當堂檢測探究四【例題1】 傳感器是把非電學量(如速度、溫度、壓力等)的變化轉(zhuǎn)換成電學量的變化的一種元件,在自動控制中有著相當廣泛的應用。有一種測量人的體重的電子秤,其測量部分的原理圖如圖中的虛線框所示,它主要由壓力傳感器R(電阻值會隨所受壓力大小發(fā)生變化的可變電阻)、顯示體重大小的儀表A(實質(zhì)是理想的電流表)組成。探究一探究二探究三問題導引名師精講典例剖析當堂檢測探究四壓力傳感器表面能承受的最大壓強為1107 Pa,且已知壓力傳感器R的電阻與所受壓力的關(guān)系如下表所示。設踏板和壓桿的質(zhì)量可以忽略不計,接通電源后,壓力傳感器兩端的電壓恒為4.8 V,g取

8、10 m/s2。請回答:(1)該秤零起點(即踏板空載時)的刻度線應標在電流表刻度盤 A處。 (2)如果某人站在該秤踏板上,電流表刻度盤的示數(shù)為20 mA,則這個人的體重是 kg。 探究一探究二探究三問題導引名師精講典例剖析當堂檢測探究四歸納總結(jié)在分析傳感器時要明確(1)核心元件是什么;(2)是怎樣將非電學量轉(zhuǎn)化為電學量的;(3)是如何顯示或控制開關(guān)的。探究一探究二探究三問題導引名師精講典例剖析當堂檢測探究四變式訓練變式訓練1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。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),

9、可以了解油量情況。(1)你認為電壓表應該接在圖中的兩點之間,按照你的接法請回答:當油箱中油量減少時,電壓表的示數(shù)將(選填“增大”或“減小”)。 (2)將電壓表分別接在b、c之間與c、d之間,當油量變化時,電壓表的示數(shù)變化有何不同?探究一探究二探究三問題導引名師精講典例剖析當堂檢測探究四解析:(1)由題圖可知當油箱內(nèi)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。當把電壓表接在c、d兩點間,電壓表的示數(shù)減小時,表示油量在減少。(2)把電壓表接在b、c之間,油量增加時,R減小,電壓表的示數(shù)減小;油量減少時,R增

10、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,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,電壓表的示數(shù)減小。答案:(1)c、d減小(2)見解析探究一探究二探究三問題導引名師精講典例剖析當堂檢測探究四光敏電阻光敏電阻在工廠生產(chǎn)車間的生產(chǎn)線上安裝計數(shù)器后,就可以準確得知生產(chǎn)產(chǎn)品的數(shù)量,光敏電阻自動計數(shù)器的示意圖如圖所示,其中R1為光敏電阻,R2為定值電阻。此光電計數(shù)器的基本工作原理是什么?要點提示:當光被產(chǎn)品擋住時,R1電阻增大,電路中電流減小,R2兩端電壓減小,信號處理系統(tǒng)得到低電壓,每通過一個產(chǎn)品就獲得一次低電壓,并計數(shù)一次。探究一探究二探究三問

11、題導引名師精講典例剖析當堂檢測探究四光敏電阻的特點及工作原理(1)當半導體材料受到光照或者溫度升高時,會有更多的電子獲得能量成為自由電子,同時也形成更多的空穴,于是導電能力明顯增強。(2)光敏電阻是用半導體材料(如硫化鎘)制成的。它的特點是光照越強,電阻越小。它能夠把光照強弱這個光學量轉(zhuǎn)換為電阻這個電學量。探究一探究二探究三問題導引名師精講典例剖析當堂檢測探究四【例題2】 (多選)如圖所示,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()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解析:當入射光強度增大時,R3阻值減小,外電路電阻隨R

12、3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,同時內(nèi)電壓增大,故電路的路端電壓減小,A項正確,D項錯誤。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項正確。答案:ABC探究一探究二探究三問題導引名師精講典例剖析當堂檢測探究四歸納總結(jié)解決含有光敏電阻的直流電路動態(tài)分析問題(1)明確熱敏電阻、光敏電阻的電阻特性;(2)解題思路:探究一探究二探究三問題導引名師精講典例剖析當堂檢測探究四變式訓練變式訓練2如圖所示,將一光敏電阻接入多用電表兩表筆上,將多用電表的選擇開關(guān)置

13、于歐姆擋,用光照射光敏電阻時表針的偏角為,現(xiàn)用手掌擋住部分光線,表針的偏角變?yōu)?則可判斷()A.=B.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,指針自左向右偏轉(zhuǎn)角度變小,故B正確。答案:B探究一探究二探究三問題導引名師精講典例剖析當堂檢測探究四熱敏電阻和金屬熱電阻熱敏電阻和金屬熱電阻如圖所示,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)?若用吹風機將熱風吹向熱敏電阻,表針將如何偏轉(zhuǎn)?要點提示:由于酒精蒸發(fā),熱敏電阻RT

14、溫度降低,電阻值增大,指針將向左偏;用吹風機將熱風吹向熱敏電阻,熱敏電阻RT溫度升高,電阻值減小,指針將向右偏。探究一探究二探究三問題導引名師精講典例剖析當堂檢測探究四熱敏電阻和金屬熱電阻的特點(1)熱敏電阻:用半導體材料制成。(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)別探究一探究二探究三問題導引名師精講典例剖析當堂檢測探究四探究一探究二探究三問題導引名師精講典例剖析當堂檢測探究四【例題3】 如圖所示,R1為定值電阻,R2為負溫度系數(shù)的熱敏電阻,L為小燈泡,當溫度降低時()A.R1兩端的電壓增大B.電流

15、表的示數(shù)增大C.小燈泡的亮度變強D.小燈泡的亮度變?nèi)踅馕?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,當溫度降低時,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,R1兩端的電壓減小,故只有C正確。答案:C探究一探究二探究三問題導引名師精講典例剖析當堂檢測探究四歸納總結(jié)按熱敏電阻隨溫度變化的規(guī)律,熱敏電阻可分為正溫度系數(shù)的熱敏電阻和負溫度系數(shù)的熱敏電阻,正溫度系數(shù)的熱敏電阻隨溫度升高電阻增大,負溫度系數(shù)的熱敏電阻隨溫度升高電阻減小。探究一探究二探究三問題導引名師精講典例剖析當堂檢測探究四變式訓練變式訓練3如圖所示,由電源、小燈泡、電阻絲、開關(guān)

16、組成的電路中,當閉合開關(guān)S后,小燈泡正常發(fā)光,若用酒精燈加熱電阻絲時,發(fā)現(xiàn)小燈泡亮度變暗,發(fā)生這一現(xiàn)象的主要原因是()A.小燈泡的電阻發(fā)生了變化B.小燈泡燈絲的電阻率隨溫度發(fā)生了變化C.電阻絲的電阻率隨溫度發(fā)生了變化D.電源的電壓隨溫度發(fā)生了變化解析:電阻絲的電阻率隨溫度的升高而增大,電阻也增大,電路中電流減小,根據(jù)P=I2R知,小燈泡的實際功率減小,所以變暗。答案:C探究一探究二探究三問題導引名師精講典例剖析當堂檢測探究四霍耳元件霍耳元件如圖所示,在矩形半導體薄片E、F間通入恒定的電流I,同時外加與薄片垂直的磁場B,則M、N間會出現(xiàn)電壓,稱為霍爾電壓UH。(1)分析為什么會出現(xiàn)電壓。(2)試

17、推導UH的表達式。探究一探究二探究三問題導引名師精講典例剖析當堂檢測探究四探究一探究二探究三當堂檢測探究四問題導引名師精講典例剖析霍爾元件的工作原理與特點 (1)霍耳元件的工作原理:E、F間通入恒定的電流I,同時外加與薄片垂直的磁場B時,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,載流子所受電場力和洛倫茲力二力平衡。(3)霍爾電壓: (d為薄片的厚度,k為霍爾系數(shù))。其中UH與B成正比,所以霍爾元件能把磁學量轉(zhuǎn)換成電學量。探究一探究二探究三當堂檢測探究四問題導引名師精講典例剖析【例題4】 如圖所示,有電流

18、I流過長方體金屬塊,金屬塊寬為d,高為b,有一磁感應強度為B的勻強磁場垂直于紙面向里,金屬塊單位體積內(nèi)的自由電子數(shù)為n,問:金屬塊上、下表面哪面電勢高?電勢差是多少?探究一探究二探究三當堂檢測探究四問題導引名師精講典例剖析歸納總結(jié)霍爾電勢高低的判斷方法由左手定則判斷帶電粒子的受力方向,如果帶電粒子是正電荷,則拇指所指的面為高電勢面,如果是負電荷,則拇指所指的面為低電勢面,但無論是正電荷還是負電荷,四指指的都是電流方向,即正電荷定向移動的方向,負電荷定向移動的反方向。在判斷電勢高低時一定要注意載流子是正電荷還是負電荷。探究一探究二探究三當堂檢測探究四問題導引名師精講典例剖析變式訓練變式訓練4 (

19、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),對于一個霍爾元件d、k為定值,如果保持I恒定,則可以驗證UH隨B的變化情況。以下說法中正確的是(工作面是指較大的平面)()A.將永磁體的一個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弱時,霍爾元件的工作面應保持水平C.在測定地球赤道上的磁場強弱時,霍爾元件的工作面應保持水平D.改變磁感線與霍爾元件工作面的夾角,UH將發(fā)生變化探究一探究二探究三當堂檢測探究四問題導引名師精講典例剖析解析:將永磁體的磁極逐漸靠近霍爾元件的工作面時,B增大,I恒定,由公式 知UH將變大,選項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保持水平,使B與工作面垂直,選項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時,B才與工作面垂直,選項C錯誤;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D正確。答案:ABD探究三探究一探究二1234當堂檢測探究四1.(對傳感器的理解)用遙控器調(diào)換電視機頻道的過程,實際上就是傳感器把光信號轉(zhuǎn)化為電信號的過程。下列屬于這類傳感器的是()A.紅外報警裝置B.走廊照明燈的聲控開關(guān)C.自動洗衣機中的壓力傳感裝置D.電飯煲中控制加