同步備課套餐之物理教科3-2講義：第3章傳感器 1 2

學(xué)必求其心得，業(yè)必貴于專精學(xué)必求其心得，業(yè)必貴于專精學(xué)必求其心得，業(yè)必貴于專精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［導(dǎo)學(xué)探究]當(dāng)你走進(jìn)一座大樓時，大堂的自動門是如何“看到"你而自動打開的？答案人體發(fā)出的紅外線被傳感器接收后傳給自動控制裝置的電動機，實現(xiàn)自動開關(guān)門．[知識梳理］傳感器的定義及結(jié)構(gòu)(1）傳感器通常是把被測量的非電信息，按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成與之對應(yīng)的電信息的器件或裝置．（2)結(jié)構(gòu)：eq\o(→,\s\up7(非電信息））eq\x(敏感元件)→eq\x(處理電路)eq\o（→,\s\up7（電信息))[即學(xué)即用](多選）傳感器擔(dān)負(fù)著信息采集的任務(wù),它可以（)A．將力學(xué)量（如形變量)轉(zhuǎn)變成電學(xué)量B．將熱學(xué)量轉(zhuǎn)變成電學(xué)量C．將光學(xué)量轉(zhuǎn)變成電學(xué)量D．將電學(xué)量轉(zhuǎn)變成力學(xué)量答案ABC解析傳感器是將所感受到的不便于測量的物理量（如力、熱、光、聲等)轉(zhuǎn)換成便于測量的物理量（一般是電學(xué)量)的一類元件，故選項A、B、C對，D錯．二、敏感元件的原理［導(dǎo)學(xué)探究]1。如圖1所示,將多用電表的選擇開關(guān)置于歐姆擋，再將多用電表的兩支表筆與負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻RT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，表針將如何擺動？若用吹風(fēng)機將熱風(fēng)吹向電阻，表針將如何擺動？圖1答案由于酒精蒸發(fā),熱敏電阻RT溫度降低，電阻值增大，指針應(yīng)向左偏;用吹風(fēng)機將熱風(fēng)吹向電阻,電阻RT溫度升高，電阻值減小，指針將向右偏．2．干簧管的結(jié)構(gòu)如圖2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3電路，當(dāng)磁鐵靠近干簧管時:圖2圖3(1）會發(fā)生什么現(xiàn)象，為什么？（2）干簧管的作用是什么？答案（1）燈泡會亮，因為當(dāng)磁鐵靠近干簧管時,兩個簧片被磁化而接通．(2)干簧管起到開關(guān)的作用，是一種能夠感知磁場的傳感器．［知識梳理]1．熱敏電阻：用半導(dǎo)體材料制成，它具有電阻隨溫度靈敏變化的特性，可以實現(xiàn)對溫度的測量．2．干簧管：是能感知磁場的敏感元件，其玻璃管內(nèi)的兩個鐵磁體簧片在磁場的作用下會磁化為異名磁極相對的磁鐵．當(dāng)磁力大于簧片的彈力時，兩者緊密地接觸．干簧管串聯(lián)在電路中就成為一個由磁場控制的開關(guān)．[即學(xué)即用］判斷下列說法的正誤．（1）熱敏電阻的阻值隨溫度的升高而增大．（×）（2)熱敏電阻傳感器可以將溫度這個熱學(xué)量的測量轉(zhuǎn)變?yōu)殡妼W(xué)量的測量．（√）(3)干簧管可以感知磁場，接入電路,相當(dāng)于開關(guān)的作用．（√）三、溫度傳感器[導(dǎo)學(xué)探究]如圖4所示為電熨斗的構(gòu)造，其中雙金屬片上層金屬的熱膨脹系數(shù)大于下層金屬．常溫下,電熨斗的上、下觸點應(yīng)當(dāng)是接觸的還是分離的?當(dāng)溫度過高時雙金屬片將怎樣起作用？圖4答案常溫時，電熨斗的上、下觸點接觸，這樣電熨斗接通電源后能進(jìn)行加熱．當(dāng)溫度過高時雙金屬片膨脹,因上層的熱膨脹系數(shù)較大,故上層膨脹的厲害，雙金屬片向下彎曲，彎曲到一定程度后，兩觸點分離，電路斷開，電熱絲停止加熱；當(dāng)溫度降低后，雙金屬片恢復(fù)原狀,重新接通電路加熱．[知識梳理]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，雙金屬片變形，可控制電路的通斷．②應(yīng)用:日光燈啟動器,電機、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，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℃時導(dǎo)體的電阻）．②應(yīng)用：測溫度、測流量等．(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，其熱敏特性在上節(jié)已有探究．②應(yīng)用：測量、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?。甗即學(xué)即用]判斷下列說法的正誤．（1）熱敏電阻在溫度升高時阻值變?。?×）(2)金屬熱電阻在溫度升高時阻值變?。ā粒?)金屬熱電阻的化學(xué)穩(wěn)定性好,測溫范圍大．（√）（4）熱敏電阻用半導(dǎo)體材料制作，所以沒有金屬熱電阻的靈敏度高．（×)四、光傳感器[導(dǎo)學(xué)探究]如圖5所示為光電式煙塵濃度計的原理圖，請閱讀教材,然后簡述其工作原理．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)生作為被測煙塵濃度的參比信號．另一路光線經(jīng)反射鏡4穿過被測煙塵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U1、U2，如果U1＝U2，說明被測的光路上沒有煙塵,相反，如果U1、U2相差較大，說明煙塵較大，因此可用兩者之比,算出被測煙塵的濃度．［知識梳理］1．光電傳感器是指將光信號轉(zhuǎn)換為電信號的一類傳感器，一般以光敏電阻為主要元件，因為光敏電阻電阻值隨光照增強而減小，將光敏電阻連接到電路中時，光照改變就會引起電路中其他電學(xué)量的改變，從而將光信號轉(zhuǎn)換為電信號．2．應(yīng)用:光電式煙塵濃度計、光電式轉(zhuǎn)速表．[即學(xué)即用］判斷下列說法的正誤．（1）光敏電阻的阻值隨光線的強弱變化，光照越強電阻越?。ā蹋?)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．(×)一、傳感器的理解1．傳感器的原理eq\x(非電學(xué)量)→eq\x(傳感器敏感元件、轉(zhuǎn)換器件、轉(zhuǎn)換電路)→eq\x（電學(xué)量）2．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(xué)量轉(zhuǎn)化為電學(xué)量；(3)是如何顯示或控制開關(guān)的．例1如圖6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),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,電壓表的示數(shù)如何變化?圖6答案見解析解析把電壓表接在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?。?、對光敏電阻、熱敏電阻的認(rèn)識及應(yīng)用例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7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?。?C為電容器．當(dāng)環(huán)境溫度降低時()圖7A．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消耗的功率增大答案AB解析當(dāng)環(huán)境溫度降低時，R2變大,電路的總電阻變大，由I＝eq\f（E，R總）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，由場強E′＝eq\f（U2,d），Q＝CU2可知Q、E′都增大，故A正確,C錯誤．例3(多選)如圖8所示，R1、R2為定值電阻,L為小燈泡,R3為光敏電阻，當(dāng)入射光強度增大時(）圖8A．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)入射光強度增大時，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．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?。?）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．1．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的D．水銀溫度計是一種傳感器答案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,B對；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”，故C錯；水銀溫度計能感受熱學(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．2。如圖9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，LED為發(fā)光二極管（電流越大，發(fā)出的光越強）,且R與LED間距不變，下列說法中正確的是（)圖9A．當(dāng)滑動觸頭P向左移動時，L消耗的功率增大B．當(dāng)滑動觸頭P向左移動時，L消耗的功率減小C．當(dāng)滑動觸頭P向右移動時，L消耗的功率可能不變D．無論怎樣移動滑動觸頭P，L消耗的功率都不變答案A解析滑動觸頭P左移，其電阻減小,流過二極管的電流增大，從而發(fā)光增強,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．（多選)如圖10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10A．電勢φa＞φbB．電勢φb＞φaC．電流增大時，|φa－φb｜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解析銅板中的自由電荷是電子，電子定向移動的方向與電流的方向相反，由左手定則可判斷出電子因受洛倫茲力作用而向b側(cè)偏轉(zhuǎn)，所以φa＞φb，A對，B錯；因｜φa－φb|＝keq\f（IB，d），所以電流增大時，|φa－φb｜增大，C對；若將銅板改為NaCl溶液，溶液中的正、負(fù)離子均向b側(cè)偏轉(zhuǎn)，｜φa－φb|＝0，即不產(chǎn)生霍爾效應(yīng),故D選項錯誤．選擇題（1~6題為單選題,7～11題為多選題)1．霍爾元件能（)A．把溫度這個熱學(xué)量轉(zhuǎn)換成電阻這個電學(xué)量B．把磁感應(yīng)強度這個磁學(xué)量轉(zhuǎn)換成電壓這個電學(xué)量C．把力這個力學(xué)量轉(zhuǎn)換成電壓這個電學(xué)量D．把光照強弱這個光學(xué)量轉(zhuǎn)換成電阻這個電學(xué)量答案B解析根據(jù)霍爾元件的工作原理，載流子在洛倫茲力作用下漂移，形成霍爾電壓UH＝keq\f（IB,d），所以，它將磁感應(yīng)強度這個磁學(xué)量轉(zhuǎn)換成電壓這個電學(xué)量,故B正確．2。如圖1所示，R3是光敏電阻(光照時電阻變小)，當(dāng)開關(guān)S閉合后,在沒有光照射時，a、b兩點等電勢．當(dāng)用光照射電阻R3時，則（)圖1A．a(chǎn)點電勢高于b點電勢B．a(chǎn)點電勢低于b點電勢C．a(chǎn)點電勢等于b點電勢D．a(chǎn)點電勢和b點電勢的大小無法比較答案A解析R3是光敏電阻，當(dāng)有光照射時電阻變小，R3兩端電壓減小，故a點電勢升高,因其他電阻的阻值不變，所以a點電勢高于b點電勢，故A正確．3.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(dǎo)致電容變化的原因是電容器兩板間的()圖2A．距離變化B．正對面積變化C．電介質(zhì)變化D．電壓變化答案A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A正確．4.如圖3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3A．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,但不會非常明顯,故A、B均錯；如果R為熱敏電阻，讀數(shù)變化非常明顯，故C對,D錯．5．溫度傳感器廣泛應(yīng)用于室內(nèi)空調(diào)、電冰箱等家用電器中，它是利用熱敏電阻的阻值隨溫度變化的特性來工作的．如圖4甲所示,電源的電動勢E＝9V，內(nèi)阻不計；G為靈敏電流表，內(nèi)阻Rg保持不變；R為熱敏電阻,其電阻阻值與溫度的變化關(guān)系如圖乙所示．閉合開關(guān)S，當(dāng)R的溫度等于20℃時，電流表的示數(shù)I1＝2mA；當(dāng)電流表的示數(shù)I2＝3。6mA時,熱敏電阻的溫度是()圖4A．60℃B．80℃C．100℃D．120℃答案D解析在20℃時，E＝（Rg＋R1)I1，得Rg＝500Ω,在溫度為t時,E＝(Rg＋R2)I2,代入數(shù)據(jù)得R2＝2000Ω，從題圖乙中可以看出t＝120℃，故選D。6。在輸液時，藥液有時會從針口流出體外,為了及時發(fā)現(xiàn)，設(shè)計了一種報警裝置，電路如圖5所示．M是貼在針口處的傳感器，接觸到藥液時其電阻RM發(fā)生變化，導(dǎo)致S兩端的電壓U增大，裝置發(fā)出警報,此時（）圖5A．RM變大，且R越大，U增大越明顯B．RM變大，且R越小，U增大越明顯C．RM變小，且R越大，U增大越明顯D．RM變小,且R越小，U增大越明顯答案C解析當(dāng)RM變大時,回路的總電阻R總變大,根據(jù)I總＝eq\f（E,R總)，得干路中的電流減小，S兩端的電壓U＝I總RS減小，故選項A、B錯誤；當(dāng)RM變小時，回路的總電阻R總變小，根據(jù)I總＝eq\f(E，R總)，得干路中的電流增大，S兩端的電壓U＝I總RS增大，而且R越大，RM變小時，對回路的總電阻變化的影響越明顯，即U增大越明顯，故選項C正確，選項D錯誤．7．關(guān)于干簧管，下列說法正確的是()A．干簧管接入電路中相當(dāng)于電阻的作用B．干簧管是根據(jù)熱脹冷縮的原理制成的C．干簧管接入電路中相當(dāng)于開關(guān)的作用D．干簧管是作為電控元件以實現(xiàn)自動控制的答案CD解析干簧管能感知磁場，是因為當(dāng)兩個簧片所處位置的磁場方向相同時，兩個簧片被磁化而接通，所以是做開關(guān)來使用的，當(dāng)磁場靠近或遠(yuǎn)離的時候，就會實現(xiàn)閉合或斷開，故C、D正確，A、B錯誤．8。如圖6所示為一種自動跳閘的閘刀開關(guān)，O是轉(zhuǎn)軸,A是絕緣手柄，C是閘刀卡口，M、N接電源線,閘刀處于垂直紙面向里、磁感應(yīng)強度B＝1T的勻強磁場中，C、O間距離為10cm。當(dāng)磁場力為0.2N時，閘刀開關(guān)會自動跳開．則要使閘刀開關(guān)能跳開，CO中通過的電流的大小和方向為(）圖6A．電流方向C→O B．電流方向O→CC．電流大小為2A D．電流大小為1A答案BC解析只有當(dāng)OC受到向左的安培力時,閘刀才能自動跳開，根據(jù)左手定則知電流的方向是O→C,CO所受安培力大小為F安＝BIL＝1×I×0.1N＝0。2N,從而解得I＝2A。9。如圖7所示是利用硫化鎘制成的光敏電阻自動計數(shù)的示意圖，其中A是發(fā)光儀器，B是光敏電阻（光照增強時電阻變小)，下列說法中正確的是(）圖7A．當(dāng)傳送帶上沒有物品擋住由A射向B的光信號時，光敏電阻的阻值變小，電壓表讀數(shù)變小B．當(dāng)傳送帶上沒有物品擋住由A射向B的光信號時,光敏電阻的阻值變大,電壓表讀數(shù)變大C．當(dāng)傳送帶上有物品擋住由A射向B的光信號時，光敏電阻的阻值變小，電壓表讀數(shù)變小D．當(dāng)傳送帶上有物品擋住由A射向B的光信號時,光敏電阻的阻值變大，電壓表讀數(shù)變大答案AD解析光敏電阻的阻值與光照強度有關(guān),光照強度越大，光敏電阻阻值越?。?dāng)傳送帶上沒有物品擋住由A射向B的光信號時,光敏電阻阻值變小，電路中電流變大,電源內(nèi)阻上的電壓變大，路端電壓變小，所以電壓表讀數(shù)變小，選項A正確；相反，當(dāng)傳送帶上有物品擋住由A射向B