2017-2018學(xué)年高中物理 第三章 傳感器 2 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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2 溫度傳感器和光傳感器 [目標(biāo)定位] 1.了解各種溫度傳感器的工作原理、特點(diǎn)和應(yīng)用.2.了解各種光傳感器的工作原理、特點(diǎn)和應(yīng)用. 一、溫度傳感器 1.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(shí)，雙金屬片變形，可控制電路的通斷. ②應(yīng)用：日光燈啟動(dòng)器，電機(jī)、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(shí)，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(shí)導(dǎo)體的電阻). ②應(yīng)用：測(cè)溫度、測(cè)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(cè)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小. 深度思考 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??？ 答案 不是.正溫度系數(shù)熱敏電阻(PTC)在溫度升高時(shí)電阻值增大，負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻(NTC)在溫度升高時(shí)電阻值減小. 例1 傳感器在日常生活中的應(yīng)用越來越廣泛，溫度傳感器(實(shí)質(zhì)是自動(dòng)開關(guān))是其中的一種．某一食品消毒柜就是利用溫度傳感器來自動(dòng)控制電路的．常溫下，該溫度傳感器是閉合的；當(dāng)溫度達(dá)到某一設(shè)定值時(shí)，傳感器自動(dòng)斷開，從而切斷整個(gè)電路．下列關(guān)于該消毒柜的幾種電路圖中(圖中S為電源開關(guān))，連接正確的是( ) 解析 A電路中，當(dāng)溫度升高到某一設(shè)定值時(shí)，電路會(huì)斷開；B、C、D電路中，溫度升高到某一設(shè)定值時(shí)，傳感器會(huì)斷開，但整個(gè)電路不會(huì)斷開．電源開關(guān)S閉合后，消毒柜開始工作，當(dāng)溫度達(dá)到某一設(shè)定值時(shí)，傳感器自動(dòng)斷開，整個(gè)電路也斷開，所以A選項(xiàng)正確． 答案 A 二、光傳感器 1.光電傳感器是指將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的一類傳感器，一般以光敏電阻為主要元件，因?yàn)楣饷綦娮桦娮柚惦S光照增強(qiáng)而減小，將光敏電阻連接到電路中時(shí)，光照改變就會(huì)引起電路中其他電學(xué)量的改變，從而將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào). 2.應(yīng)用：光電式煙塵濃度計(jì)、光電式轉(zhuǎn)速表. 例2 如圖1所示為光電式煙塵濃度計(jì)的原理圖，試說明其工作原理. 圖1 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.一路光線直接到達(dá)光電轉(zhuǎn)換電路7上，產(chǎn)生作為被測(cè)煙塵濃度的參比信號(hào).另一路光線經(jīng)反射鏡4穿過被測(cè)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(hào)U1、U2，如果U1＝U2，說明被測(cè)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(cè)煙塵的濃度. 答案 見解析 例3 如圖2所示，R1、R2為定值電阻，L為小燈泡，R3為光敏電阻，當(dāng)照射光強(qiáng)度增大時(shí)( ) 圖2 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)照射光強(qiáng)度增大時(shí)，R3阻值減小，外電路總電阻隨R3的減小而減小，R1兩端電壓因干路電流增大而增大，電壓表的示數(shù)增大，同時(shí)內(nèi)電壓增大，故電路路端電壓減小，A項(xiàng)正確，D項(xiàng)錯(cuò)誤；由路端電壓減小，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)合干路電流增大知流過小燈泡的電流必增大，則小燈泡的功率增大，故C項(xiàng)正確. 答案 ABC 解決含有熱敏電阻、光敏電阻的直流電路動(dòng)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：R局→R總→I總→U端? 1.(溫度傳感器的應(yīng)用)(多選)如圖3所示為電阻R隨溫度t變化的圖線，下列說法中正確的是( ) 圖3 A.圖線1是熱敏電阻的圖線，它是用金屬材料制成的 B.圖線2是熱敏電阻的圖線，它是用半導(dǎo)體材料制成的 C.圖線1的材料化學(xué)穩(wěn)定性好、測(cè)溫范圍大、靈敏度高 D.圖線2的材料化學(xué)穩(wěn)定性差、測(cè)溫范圍小、靈敏度高 答案 BD 2.(溫度傳感器的應(yīng)用)圖4是一火警報(bào)警器的部分電路示意圖.其中R2為用負(fù)溫度系數(shù)熱敏材料制成的傳感器，電流表為值班室的顯示器，a、b之間接報(bào)警器.當(dāng)傳感器R2所在處出現(xiàn)火情時(shí)，顯示器的電流I、報(bào)警器兩端的電壓U的變化情況是( ) 圖4 A.I變大，U變大 B.I變大，U變小 C.I變小，U變大 D.I變小，U變小 答案 D 解析 R2處出現(xiàn)火情，溫度升高，R2減小，導(dǎo)致R2兩端電壓減小，通過R3的電流減小，路端電壓U減小. 3.(光傳感器的應(yīng)用)街旁的路燈、江海里的航標(biāo)都要求在夜晚亮，白天熄，它們是利用半導(dǎo)體的電學(xué)特性制成了自動(dòng)點(diǎn)亮、熄滅的裝置，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)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 街旁的路燈和江海里的航標(biāo)，都是利用了半導(dǎo)體的光敏性，夜晚電阻大，白天電阻小，控制了電路的通斷. 4.(光傳感器的應(yīng)用)如圖5所示是會(huì)議室和賓館房間的天花板上裝有的火災(zāi)報(bào)警器的結(jié)構(gòu)原理圖：罩內(nèi)裝有發(fā)光二極管LED、光電三極管和不透明的擋板.平時(shí)光電三極管接收不到LED發(fā)出的光呈現(xiàn)高電阻狀態(tài)，發(fā)生火災(zāi)時(shí)，下列說法正確的是( ) 圖5 A.進(jìn)入罩內(nèi)的煙霧遮擋了光線，使光電三極管電阻更大，檢測(cè)電路檢測(cè)出變化發(fā)出警報(bào) B.發(fā)生火災(zāi)時(shí)，光電三極管溫度升高，電阻變小，檢測(cè)電路檢測(cè)出變化發(fā)出警報(bào) C.發(fā)生火災(zāi)時(shí)，進(jìn)入罩內(nèi)的煙霧對(duì)光有散射作用，部分光線照到光電三極管上，電阻變小，發(fā)出警報(bào) D.以上說法均不正確 答案 C 解析 由報(bào)警器的原理可知，發(fā)生火災(zāi)時(shí)煙霧進(jìn)入罩內(nèi)，使光發(fā)生散射，部分光線照在三極管上使其電阻變小，與傳感器相連的電路檢測(cè)出這種變化，發(fā)出警報(bào)，故C對(duì). 題組一 溫度傳感器 1．(多選)關(guān)于電飯鍋的說法正確的是( ) A．電飯鍋中的溫度傳感器其主要元件是氧化鐵 B．鐵氧體在常溫下具有鐵磁性，溫度很高時(shí)失去鐵磁性 C．用電飯鍋燒水，水開時(shí)能自動(dòng)斷電 D．用電飯鍋煮飯時(shí)，若溫控開關(guān)自動(dòng)斷電后，它不能自動(dòng)復(fù)位 答案 BD 解析 電飯鍋中的溫度傳感器其主要元件是鐵氧體，故A錯(cuò)，B選項(xiàng)正確；因水開時(shí)溫度約為100℃，達(dá)不到居里溫度，故不能自動(dòng)斷電，則選項(xiàng)C錯(cuò)；溫控開關(guān)只能手動(dòng)閉合，故D正確． 2.在防治“非典”期間，在機(jī)場(chǎng)、車站等交通出入口，使用了紅外線熱像儀，紅外線熱像儀通過紅外線遙感，可檢測(cè)出經(jīng)過它時(shí)的發(fā)熱病人，從而可以有效控制疫情的傳播.關(guān)于紅外線熱像儀，下列說法正確的是( ) A.選擇紅外線進(jìn)行檢測(cè)，主要是因?yàn)榧t外線具有熒光效應(yīng) B.紅外線熱像儀通過發(fā)射紅外線照射人體來檢測(cè)的 C.紅外線熱像儀同時(shí)還具有殺菌作用 D.一切物體都能發(fā)射紅外線，而且物體在不同溫度下發(fā)射的紅外線的頻率和強(qiáng)度不同 答案 D 解析 紅外線熱像儀是根據(jù)物體發(fā)射的紅外線的頻率和強(qiáng)度不同而工作的，故D正確. 3.(多選)在家用電熱滅蚊器中，電熱部分主要元件是PTC元件，PTC元件是由鈦酸鋇等半導(dǎo)體材料制成的電阻器，其電阻率ρ隨溫度t的變化關(guān)系如圖1所示，由于這種特性，使PTC元件具有發(fā)熱、保溫雙重功能.以下判斷正確的是( ) 圖1 A.通電后，其電功率先增大后減小 B.通電后，其電功率先減小后增大 C.當(dāng)其產(chǎn)生的熱量與散發(fā)的熱量相等時(shí)，溫度保持在t1不變 D.當(dāng)其產(chǎn)生的熱量與散發(fā)的熱量相等時(shí)，溫度保持在t1和t2之間的某一值不變 答案 AD 解析 當(dāng)電熱滅蚊器溫度由0升到t1的過程中，電阻器的電阻率ρ隨溫度的升高而減小，其電阻R隨之減小，由于加在電熱滅蚊器上的電壓U保持不變，電熱滅蚊器的電功率P隨之增大，當(dāng)t＝t1時(shí)，P＝P1達(dá)到最大.當(dāng)溫度由t1升高到t2的過程中，ρ增大，R增大，P減??；而溫度越高，其與外界環(huán)境溫度的差別也就越大，高于環(huán)境溫度的電熱滅蚊器的散熱功率P′也就越大；因此在這之間的某一溫度t3會(huì)有P＝P3＝P′，即電功率P減小到等于散熱功率時(shí)，即達(dá)到保溫；當(dāng)t下載提示(請(qǐng)認(rèn)真閱讀)
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