2傳感器及其工作原理同步學(xué)案

選修3-2第六章傳感器（人教版）§傳感器及其工作原理（同步學(xué)案）一、學(xué)習(xí)目標(biāo)1.了解什么是傳感器，知道非電學(xué)量轉(zhuǎn)化為電學(xué)量的技術(shù)意義。2．知道常見的三種敏感元件光敏電阻、熱敏電阻和霍爾元件及其它們的工作原理。3．了解電容式傳感器的應(yīng)用。二、重點(diǎn)難點(diǎn)1.重點(diǎn)：各種傳感器的應(yīng)用原理及結(jié)構(gòu)。2.難點(diǎn)：各種傳感器的應(yīng)用原理及結(jié)構(gòu)。三、學(xué)法指導(dǎo)通過本節(jié)課學(xué)習(xí)了解傳感器應(yīng)用的一般模式；通過實(shí)驗(yàn)結(jié)合物理學(xué)的知識，探究電子秤、話筒、電熨斗等的工作原理，從而了解力傳感器、聲傳感器和溫度傳感器的一般應(yīng)用，進(jìn)一步總結(jié)出傳感器應(yīng)用的一般模式。培養(yǎng)動手能力，提高創(chuàng)新意識，提高物理理論知識與實(shí)際相結(jié)合的綜合實(shí)踐能?，F(xiàn)在把本節(jié)課的內(nèi)容認(rèn)真的看一遍。看好以后可以查閱一下資料，最后完成本學(xué)案。四、自主學(xué)習(xí)1．什么是傳感器？2．三種常見的敏感元件（1）光敏電阻=1\*GB3①材料及構(gòu)造：=2\*GB3②工作原理：=3\*GB3③功能：把__________（光學(xué)量）轉(zhuǎn)換為______（電學(xué)量）。（2）熱敏電阻和金屬熱電阻=1\*GB3①熱敏電阻a）材料：b）特點(diǎn)：=2\*GB3②金屬熱電阻a）材料：b）特點(diǎn)：=3\*GB3③工作原理：=4\*GB3④功能：把_______（量）轉(zhuǎn)換為_______（電學(xué)量）。（3）霍爾元件=1\*GB3①材料及構(gòu)造：=2\*GB3②霍爾電壓：____________________。=3\*GB3③工作原理：=4\*GB3④功能：把_________（量）轉(zhuǎn)換為（電學(xué)量）。3．電容式傳感器你能判斷以下各電容式傳感器是把什么量轉(zhuǎn)化為電容這個電學(xué)量的？五、典型例題例1.傳感器是一種采集信息的重要器件．如圖所示是一種測定壓力的電容式傳感器．當(dāng)待測壓力F作用于可動膜片電極時，可使膜片產(chǎn)生形變，引起電容的變化，將電容器、靈敏電流計(jì)和電源串聯(lián)成閉合電路，那么（）A．當(dāng)F向上壓膜片電極時，電容將減小B．當(dāng)F向上壓膜片電極時，電容將增大C．若電流計(jì)有示數(shù)，則壓力F發(fā)生變化D．若電流計(jì)有示數(shù)，則壓力F不發(fā)生變化解析：當(dāng)F向上壓膜片電極時，膜片電極與固定電極的距離減小，所以電容增大。同時電容器充電，引起電路的微小電流的產(chǎn)生，靈敏電流計(jì)有示數(shù)，則說明壓力F發(fā)生變化。所以答案選B、C。例2.試推導(dǎo)霍爾電壓的表達(dá)式UB＝kIN/d解析：設(shè)載流子的電荷量為q，沿電流方向定向運(yùn)動的平均速率為v，單位體積內(nèi)自由移動的載流子數(shù)為n，垂直電流方向?qū)w板的橫向?qū)挾葹閍，則電流的微觀表達(dá)式為①載流子在磁場中受到的洛倫茲力載流子在洛倫茲力作用下側(cè)移，兩個側(cè)面出現(xiàn)電勢差載流子受到的電場力為當(dāng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時，洛倫茲力與電場力平衡，即②由①②式得③式中的nq與導(dǎo)體的材料有關(guān)，對于確定的導(dǎo)體，nq是常數(shù)。令則上式可寫為④六、課堂練習(xí)1．利用半導(dǎo)體材料可以制成()A．標(biāo)準(zhǔn)電阻B．熱敏電阻C．光敏電阻D．溫度報警器2．街旁的路燈，江海里的航標(biāo)都要求在夜晚亮，白天熄，利用半導(dǎo)體的電學(xué)特性制成了自動點(diǎn)亮、熄滅的裝置，實(shí)現(xiàn)了自動控制，這是利用半導(dǎo)體的()A．壓敏性B．光敏性C．熱敏性D．三種特性都利用3.如圖是觀察電阻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()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4.如圖6－1－12所示，Rt為半導(dǎo)體熱敏電阻，其他電阻都是普通的電阻，當(dāng)燈泡L的亮度變暗時，說明()A．環(huán)境溫度變高B．環(huán)境溫度變低C．環(huán)境溫度不變D．都有可能5．如圖所示，是一個測定液面高度的傳感器，在導(dǎo)線芯的外面涂上一層絕緣物質(zhì)，放在導(dǎo)電液體中，導(dǎo)線芯和導(dǎo)電液體構(gòu)成電容器的兩極，把這兩極接入外電路，當(dāng)外電路中的電流變化說明電容值增大時，則導(dǎo)電液體的深度h變化為()A．h增大B．h減小C．h不變D．無法確定6.如圖所示為測定壓力的電容式傳感器，將平行板電容器、靈敏電流表(零刻度在中間)和電源串聯(lián)成閉合回路，當(dāng)壓力F作用于可動膜片電極上時，膜片發(fā)生形變，引起電容的變化，導(dǎo)致靈敏電流表指針偏轉(zhuǎn)，在對膜片開始施加壓力使膜片電極從圖中的虛線推到圖中實(shí)線位置并保持固定的過程中，靈敏電流表指針偏轉(zhuǎn)情況為(電流從電流表正接線柱流入時指針向右偏)A．向右偏到某一刻度后回到零刻度B．向左偏到某一刻度后回到零刻度C．向右偏到某一刻度后不動D．向左偏到某一刻度后不動7．如圖所示為光敏電阻自動計(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()A．當(dāng)有光照射R1時，信號處理系統(tǒng)獲得高電壓B．當(dāng)有光照射R1時，信號處理系統(tǒng)獲得低電壓C．信號處理系統(tǒng)每獲得一次低電壓就計(jì)數(shù)一次D．信號處理系統(tǒng)每獲得一次高電壓就計(jì)數(shù)一次8.如圖6－1－16所示，R3是光敏電阻，當(dāng)開關(guān)S閉合后在沒有光照射時，a、b兩點(diǎn)等電勢，當(dāng)用光照射電阻R3時，則()A．R3的電阻變小，a點(diǎn)電勢高于b點(diǎn)電勢B．R3的電阻變小，a點(diǎn)電勢低于b點(diǎn)電勢C．R3的電阻變大，a點(diǎn)電勢高于b點(diǎn)電勢D．R3的電阻變大，a點(diǎn)電勢低于b點(diǎn)電勢9．電容式傳感器是用來將各種非電信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柕难b置，由于電容器的電容C取決于極板正對面積S、極板間距離d以及極板間的電介質(zhì)這幾個因素，當(dāng)某一物理量發(fā)生變化時就能引起上述某個因素的變化，從而又可推出另一物理量的值，如圖所示是四種電容式傳感器的示意圖，關(guān)于這四種傳感器的作用，下列說法不正確的是()A．甲圖的傳感器可以用來測量角度B．乙圖的傳感器可以用來測量液面的高度C．丙圖的傳感器可以用來測量壓力D．丁圖的傳感器可以用來測量速度10．如圖所示，有電流I流過長方體金屬塊，金屬塊寬度為d，高為b，有一磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)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，試問金屬塊上、下表面哪面電勢高？電勢差是多少？11.如圖所示，有的計(jì)算機(jī)鍵盤的每一個鍵下面都連一小塊金屬片，與該金屬片隔有一定空隙的是另一塊小的固定金屬片，這兩塊金屬片組成一個小電容器．該電容器的電容C可用公式C＝eeq\f(S,d)計(jì)算，式中常量e＝9×10－12F·m－1，S表示金屬片的正對面積，d表示兩金屬片間的距離．當(dāng)鍵被按下時，此小電容器的電容發(fā)生變化，與之相連的電子線路就能檢測出哪個鍵被按下了，從而給出相應(yīng)的信號．設(shè)每個金屬片的正對面積為50mm2，鍵未按下時兩金屬片的距離為0.6mm.如果電容變化了pF，電子線路恰能檢測出必要的信號，則鍵至少要被按下多少mm?12．角速度計(jì)可測得航天器自轉(zhuǎn)的角速度ω，其結(jié)構(gòu)如圖所示，當(dāng)系統(tǒng)繞OO′軸轉(zhuǎn)動時，元件A在光滑桿上發(fā)生滑動，并輸出電信號成為航天器的制導(dǎo)信號源．已知A質(zhì)量為m，彈簧的勁度系數(shù)為k，原長為L0，電源電動勢為E，內(nèi)阻不計(jì)，滑動變阻器總長為L，電阻分布均勻，系統(tǒng)靜止時滑動變阻器滑動觸頭P在中點(diǎn)，與固定接頭Q正對，當(dāng)系統(tǒng)以角速度ω轉(zhuǎn)動時，求：(1)彈簧形變量x與ω的關(guān)系式．(2)電壓表的示數(shù)U與角速度ω的函數(shù)關(guān)系．參考答案1．BCD2．B3.解析：選C.若為金屬熱電阻，溫度升高后，電阻變大，讀數(shù)變化不明顯，A、B錯誤．若為熱敏電阻，讀數(shù)將明顯變化，C對D錯．4.解析：選B.當(dāng)燈泡L的亮度變暗時，說明通過燈泡L的電流變小，Rt變大，只有環(huán)境溫度變低，Rt才變大，所以選B.5．解析：選A.由題意知，導(dǎo)線芯和導(dǎo)電液體構(gòu)成電容器的兩極，類似于平行板電容器的兩極，當(dāng)液面高度發(fā)生變化時相當(dāng)于兩極正對面積發(fā)生變化，會引起電容的變化，與平行板電容器類比可得，導(dǎo)電液體深度h增大時，導(dǎo)線芯和導(dǎo)電液體正對面積增大，電容器的電容值變大．6.解析：選A.壓力F作用時，極板間距d變小，由C＝eq\f(εS,4πkd)，電容器電容C變大，又根據(jù)Q＝CU，極板帶電量變大，所以電容器應(yīng)充電，靈敏電流計(jì)中產(chǎn)生由正接線柱流入的電流，所以指針將右偏，極板保持固定后，充電結(jié)束，指針回到零刻度．7．解析：選AC.當(dāng)光照射到光敏電阻R1上時，R1電阻減小，電路中電流增大，R2兩端電壓升高，信號處理系統(tǒng)得到高電壓，計(jì)數(shù)器每由高電壓轉(zhuǎn)到低電壓，就計(jì)一個數(shù)，從而達(dá)到自動計(jì)數(shù)目的，由以上分析選項(xiàng)A、C正確．8.解析：選A.光照射R3時，由光敏電阻特性，R3的電阻變小，所以UR3減小，a點(diǎn)電勢升高，即a點(diǎn)電勢高于b點(diǎn)電勢，A正確．9．解析：選D.甲圖角度變化能導(dǎo)致極板正對面積變化；乙圖高度變化能導(dǎo)致極板正對面積變化；丙圖F變化能導(dǎo)致極板間距變化；丁圖物體位置變化導(dǎo)致電介質(zhì)變化．所以，甲、乙、丙、丁分別是測角度、高度、壓力、位移的物理量．10．解析：因?yàn)樽杂呻姾蔀殡娮?，故由左手定則可判定電子向上偏，則上表面聚集負(fù)電荷，下表面帶等量的正電荷，故下表面電勢高，設(shè)其穩(wěn)定電壓為U當(dāng)運(yùn)動電荷所受電場力與洛倫茲力平衡時qeq\f(U,b)＝qvB又I＝neSv＝nev·bd故U＝eq\f(IB,ned)答案：下表面eq\f(IB,ned)11.解析：計(jì)算機(jī)鍵盤是一個電容傳感器，由題意知是改變兩極板間距改變電容，得到相應(yīng)的電信號．又因兩極板間距減小，電容變大，設(shè)原間距為d0，當(dāng)間距為d時，電子線路恰能檢測出必要的信號，則根據(jù)C＝eeq\f(S,d)，有ΔC＝eS(eq\f(1,d)－eq\f(1,d0))，得d＝eq\f(eSd0,ΔC·d0＋eS)，代入數(shù)據(jù)得d＝eq\f(9×10－12×50×10－6××10－3,×10－12××10