2018-2019學(xué)年高中物理 第三章 傳感器 1 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　溫度傳感器和光傳感器 [學(xué)習(xí)目標(biāo)定位]　1.知道傳感器的定義，理解其工作原理.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． 1．用多用電表測電阻時，首先選擇歐姆擋，然后進(jìn)行歐姆調(diào)零，指針指在表盤的中值附近測得的阻值較準(zhǔn)確． 2．電阻率ρ是反映材料導(dǎo)電性能好壞的物理量，電阻率越小，導(dǎo)電性能越好，定義式為ρ＝. 3．平行板電容器的電容C＝. 一、傳感器 1．定義：把被測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)：由敏感元件和處理電路組成． 二、敏感元件的原理 敏感元件就其感知外界信息的原理而言，可分為如下幾類： 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別功能． 三、溫度傳感器 1．熱雙金屬片溫度傳感器：針對熱雙金屬片對溫度的感知表現(xiàn)為形變的特性，常常用在溫度控制裝置中． 2．熱電阻傳感器：電阻與溫度關(guān)系為R＝R0(1＋θt)． 3．熱敏電阻傳感器： (1)NTC熱敏電阻：溫度升高，電阻減?。? (2)PTC熱敏電阻：溫度升高，電阻增大． 四、光傳感器 1．原理：有些金屬或半導(dǎo)體材料在電路中受到光照時，產(chǎn)生電流或電壓，實現(xiàn)光信號向電信號的轉(zhuǎn)化． 2．應(yīng)用：光電式煙塵濃度計、光電式轉(zhuǎn)速表. 一、傳感器 [問題設(shè)計] 在現(xiàn)代生活中，我們時刻能感受到自動控制帶給我們的便利，如馬路上的路燈夜晚發(fā)光白天自動熄滅；當(dāng)你走近自動門時它會自動打開，當(dāng)你離開時它會自動關(guān)閉；電冰箱啟動后，會自動控制壓縮機(jī)工作，使冰箱內(nèi)保持所設(shè)定的低溫……，這其中的“機(jī)關(guān)”是什么？ 答案　在這些電路中分別安裝了不同的傳感器． [要點提煉] 1．各種傳感器的作用都是把非電學(xué)量轉(zhuǎn)換成電學(xué)量． 2．傳感器的結(jié)構(gòu) ―→ 3．敏感元件能直接感受非電信息，并把其變換成易于測量的物理量，形成電信號．常見的敏感元件有力敏元件、光敏元件、熱敏元件、磁敏元件、氣敏元件等． 4．處理電路能把微小的信號進(jìn)行放大，并除去干擾信號，使敏感元件輸出的電信號轉(zhuǎn)變成便于顯示、記錄、處理和控制的電學(xué)量． 二、敏感元件的原理 [問題設(shè)計] 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(jī)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(jī)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．如圖2所示連接電路．把磁鐵靠近或遠(yuǎn)離干簧管，觀察電路中所發(fā)生的現(xiàn)象．你認(rèn)為干簧管起了什么作用？ 圖2 答案　把磁鐵靠近干簧管時，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，電路連通，燈亮．因此，干簧管串聯(lián)在電路中就成為一個由磁場控制的開關(guān)． [要點提煉] 1．熱敏電阻是用半導(dǎo)體材料制成的，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．干簧管是一種能感知磁場的敏感元件，在電路中的作用就是個由磁場控制的開關(guān)． 三、溫度傳感器 [問題設(shè)計] 如圖3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． 圖3 (1)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？ (2)熨燙棉麻衣物需要設(shè)定較高的溫度，熨燙絲綢衣物需要設(shè)定較低的溫度，這是如何利用調(diào)溫旋鈕來實現(xiàn)的？ 答案　(1)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． (2)熨燙棉麻衣物需要設(shè)定較高的溫度，也就是要求雙金屬片彎曲程度較大時，兩觸點分離，所以應(yīng)使調(diào)溫旋鈕下旋．反之熨燙絲綢衣物需要設(shè)定較低的溫度，應(yīng)使調(diào)溫旋鈕上旋． [要點提煉] 1．熱雙金屬片溫度傳感器是由兩種膨脹系數(shù)相差較大的不同金屬片焊接或軋制成一體后組成．它對溫度的感知表現(xiàn)為熱雙金屬片的形變，可以用它控制電路的通斷． 2．熱敏電阻：用半導(dǎo)體材料制成．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增大． (2)負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻(如氧化錳熱敏電阻)隨溫度升高電阻減?。? 3．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． 4．熱敏電阻和金屬熱電阻都能夠把溫度這個熱學(xué)量轉(zhuǎn)換為電阻這個電學(xué)量．金屬熱電阻的化學(xué)穩(wěn)定性好，測溫范圍大，但靈敏度較差． 四、光傳感器 1．自動門和公共場所的非觸摸式自動水龍頭利用了紅外光傳感器． 2．在環(huán)境監(jiān)測、火災(zāi)報警等裝置中通常利用光電式煙塵濃度計工作． 3．在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、交通運(yùn)輸?shù)刃袠I(yè)中較多地采用光電式轉(zhuǎn)速表進(jìn)行轉(zhuǎn)數(shù)的測量． 一、對傳感器的認(rèn)識 例1　如圖4是一種測定油箱油量多少或變化多少的裝置． 圖4 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． (1)你認(rèn)為電壓表應(yīng)該接在圖中的________兩點之間，按照你的接法請回答：當(dāng)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(dāng)油量變化時，電壓表的示數(shù)變化有何不同？ 解析　(1)由題圖可知當(dāng)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(dāng)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(dāng)把電壓表接在c、d兩點間，電壓表示數(shù)減小時，表示油量在減少． (2)①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??；油量減少時，R增大，電壓表的示數(shù)增大． ②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?。? 答案　(1)c、d　減小　(2)見解析 二、對熱敏電阻的認(rèn)識及應(yīng)用 例2　如圖5所示為某一熱敏電阻(電阻值隨溫度的改變而改變，且對溫度很敏感)的I－U關(guān)系曲線圖． 圖5 (1)為了通過測量得到圖示的I－U關(guān)系的完整曲線，在圖6甲、乙兩個電路中應(yīng)選擇的是圖________；簡要說明理由：________________________________________________ ________________________________________________________________________. (電源電動勢為9 V，內(nèi)阻不計，滑動變阻器的阻值為0～100 Ω) 圖6 (2)在圖丙所示電路中，電源電壓恒為9 V，電流表讀數(shù)為70 mA，定值電阻R1＝250 Ω.由熱敏電阻的I－U關(guān)系曲線可知，熱敏電阻兩端的電壓為________ V；電阻R2的阻值為________ Ω. (3)舉出一個可以應(yīng)用熱敏電阻的例子：______________________________________. 解析　(1)應(yīng)選擇圖甲，原因是圖甲所示電路電壓可從0調(diào)到所需電壓，調(diào)節(jié)范圍較大(或圖乙所示電路不能測得0附近的數(shù)據(jù))． (2)根據(jù)歐姆定律可得 I1＝＝ A＝0.036 A 所以I2＝I－I1＝0.07 A－0.036 A＝0.034 A. 由熱敏電阻的I－U關(guān)系曲線可知， 當(dāng)I＝0.034 A＝34 mA時，UT＝5.2 V 所以R2＝＝ Ω≈111.8 Ω. 答案　(1)甲　原因見解析 (2)5.2　111.8 (3)熱敏溫度計(提出其他實例，只要合理均對) 三、對光傳感器的認(rèn)識及應(yīng)用 例3　如圖7所示為光電式煙塵濃度計的原理圖，試說明其工作原理． 圖7 解析　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．一束光線直接到達(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．另一束光線經(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因散射而衰減，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，說明煙塵濃度較大，因此可用兩者之比，算出被測煙塵的濃度． 答案　見解析 例4　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(qiáng)度增大時(　　) 圖8 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(dāng)光強(qiáng)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，即電壓表的示數(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．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 1．(對傳感器的認(rèn)識)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．(對電容式傳感器的認(rèn)識)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9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(　　) 圖9 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 答案　D 解析　甲圖角度變化能導(dǎo)致極板正對面積變化；乙圖液面高度變化能導(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；丁圖中位置變化導(dǎo)致電介質(zhì)變化．所以，甲、乙、丙、丁分別是測角度、液面高度、壓力、位移的物理量．故選D. 3．(對光敏電阻、熱敏電阻的認(rèn)識及電路分析)如圖10所示電路中，電源電動勢為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)現(xiàn)小燈泡亮度變暗，則引起小燈泡變暗的原因可能是(　　) 圖10 A．溫度不變，光照增強(qiáng) B．溫度升高，光照不變 C．溫度降低，光照增強(qiáng) D．溫度升高，光照減弱 答案　AC 4．(對光傳感器的認(rèn)識)煙霧散射火災(zāi)報警器使用的是(　　) A．光傳感器 B．溫度傳感器 C．紅外傳感器 D．超場波傳感器 答案　A 解析　煙霧散射火災(zāi)報警器是煙霧進(jìn)入報警器后，光被散射，照到報警器中的光傳感器上，使電路接通，報警器工作，發(fā)出警報，A對，B、C、D錯． 題組一　對傳感器的認(rèn)識 1．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，選項D錯． 2．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． 3.如圖1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1 A．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． 題組二　對熱敏電阻、金屬熱電阻的認(rèn)識及電路分析 4.如圖2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2 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．如圖3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(　　) 圖3 A．R1兩端的電壓增大 B．電流表的示數(shù)增大 C．小燈泡的亮度變強(qiáng) D．小燈泡的亮度變?nèi)? 答案　C 解析　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(dāng)溫度降低時，熱敏電阻R2電阻值增大，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(qiáng)，R1兩端的電壓減小，故只有C正確． 題組三　對光傳感器的認(rèn)識及電路分析 6．遙控器能調(diào)換電視機(jī)頻道，利用的是光傳感器．下列屬于應(yīng)用這類傳感器的是(　　) A．紅外報警裝置 B．金屬電阻溫度計 C．電子電路中使用的“干簧管” D．霍爾元件 答案　A 解析　紅外報警裝置是利用的光敏電阻制成的光傳感器，A正確；金屬電阻溫度計是利用的熱敏電阻制成的傳感器，B錯誤；干簧管利用的熱敏電阻，C錯誤；霍爾元件利用的是霍爾效應(yīng)，D錯誤． 7．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)特性制成了自動點亮、熄滅的裝置，實現(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 答案　B 解析　燈要求夜晚亮、白天熄．則白天有光，黑夜沒有光，則是由光導(dǎo)致電路的電流變化，所以電路中光傳感器導(dǎo)致電阻變化，實現(xiàn)自動控制，因此是利用半導(dǎo)體的光敏性，故選B. 8．如圖4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(qiáng)時電阻變小)，下列說法中正確的是 (　　) 圖4 A．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(qiáng)度有關(guān)，光照強(qiáng)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的光信號時，光敏電阻的阻值變大，電路中電流變小，電源內(nèi)阻上的電壓變小，路端電壓變大，所以電壓表讀數(shù)變大，選項D正確． 9.如圖5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5 A．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．