高中物理5.1《揭開傳感器的“面紗”》5.2《常見傳感器的工作原理》課件 （魯科選修3-2）

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歡迎進入物理課堂 第1節(jié)揭開傳感器的 面紗 第2節(jié)常見傳感器的工作原理 課標定位 學習目標 1 知道什么是傳感器 2 了解傳感器的分類情況 3 知道光電傳感器的原理 了解光電傳感器在生活中的應用 4 知道溫度傳感器的原理 了解溫度傳感器在生活中的應用 重點難點 1 傳感器的基本原理及其構造 光敏電阻和熱敏電阻的特性 2 設計制作簡易溫度報警器 核心要點突破 課堂互動講練 知能優(yōu)化訓練 第1 2節(jié) 課前自主學案 課前自主學案 一 什么是傳感器1 定義 能夠感受 并將其按照一定的規(guī)律轉換成 的器件或裝置 2 功能 傳感器通常用在自動測量和自動控制系統(tǒng)中 擔負著信息 和 的任務 把 量轉化為 量 外界信息 電信號 采集 轉化 非電學 電學 二 種類繁多的傳感器1 分類按傳感器的 的不同 把傳感器分為 傳感器 傳感器和生物傳感器 2 構造傳感器一般由 和 組成 有時還需要加輔助電源 工作原理 物理 化學 敏感元件 轉換元件 轉換電路 3 傳感器各組成部分的作用 1 元件是傳感器的 部分 是利用材料的某種 制成的 2 轉換元件是傳感器中將 信號轉換成 的電子元件 3 的作用是將轉換電路得到的 轉換成易于傳輸或測量的 輸出 敏感 核心 敏感效應 非電 電信號 電信號 轉換電路 電學量 三 光電傳感器的原理1 光電傳感器的定義光電傳感器是一種能夠感受 并按照一定規(guī)律把 轉換成 的器件或裝置 2 光電傳感器的敏感元件光電傳感器的敏感元件主要有 等 它們都是利用某些物質在光照下 隨之變化的性質制成的 3 光敏電阻的構造及特性光敏電阻是用金屬硫化物等 材料制成的 入射光強 則電阻 入射光弱則電阻 光信號 光信號 電信號 光敏電阻 光敏晶體管 光電池 電阻率 半導體 減小 增大 四 探究溫度傳感器的原理1 溫度傳感器的定義及其敏感元件溫度傳感器是一種將 轉化為 的裝置 溫度傳感器中常見敏感元件有 和 等 它們都是利用敏感元件的某種電學特性隨 變化而變化的特性制成的 2 熱敏電阻的構造及特性熱敏電阻是用 材料制成的 其電阻值隨溫度變化明顯 NTC熱敏電阻 負溫度系數(shù) 的阻值 隨溫度升高而 PTC熱敏電阻的阻值隨溫度升高而 金屬熱電阻的電阻率一般隨溫度升高而 溫度 電學量 熱敏電阻 熱電偶 溫度 半導體 減小 增大 增大 五 電容式傳感器電容式傳感器以各種類型的 為敏感元件 它將被測量的非電學量的變化 轉化成 的變化 根據(jù)改變電容的方式不同 電容式傳感器可分為變 式 變 式和變 式三種 電容器 電容 間隙 極板面積 介電常數(shù) 核心要點突破 一 常見傳感器及應用模式1 常見的傳感器傳感器種類繁多 具體功能各不相同 下表給出一些常見的傳感器及其工作原理 2 三類傳感器的比較 1 三類傳感器 物理傳感器 利用物質的物理性質和物理效應感知并檢測出待測對象信息的傳感器 主要應用于像位移 溫度 速度 加速度 壓力等物理量的轉化 化學傳感器 利用化學反應識別和檢測信息的傳感器 主要應用于環(huán)境保護 火災報警 醫(yī)療衛(wèi)生和家用電器等方面 生物傳感器 利用生物化學反應識別和檢測信息的傳感器 如組織傳感器 細胞傳感器 酶傳感器等 生物傳感器專一性好 易操作 設備簡單 測量快速準確 使用范圍廣 2 三類傳感器的異同 相同點 都能將感受到的非電學量信息轉化成電學量 都是利用敏感元件的某種敏感效應制成的 不同點 三類傳感器的工作原理不同 所利用的敏感元件的敏感效應不同 生物傳感器與物理傳感器和化學傳感器的最大區(qū)別在于生物傳感器的感受器中含有生命物質 3 傳感器的一般應用模式傳感器是將所感受到的物理量 如力 熱 光等 轉換成便于測量的量 一般是電學量 的一類元件 其工作過程是 通過對某一物理量敏感的元件 將感受到的物理量按一定規(guī)律轉換成便于測量的量 一般由敏感元件 轉換元件 轉換電路三個部分組成 如圖5 1 1所示 圖5 1 1 即時應用 即時突破 小試牛刀 1 關于傳感器 下列說法不正確的是 A 傳感器是將非電學量轉化為電學量的裝置B 壓力傳感器是將力學量轉化為電學量的裝置C 話筒中的傳感器將電信號轉化成聲音信號D 傳感器廣泛應用于信息采集系統(tǒng) 解析 選C 傳感器是這樣一類元件 它能夠感受外界信息 并將其按照一定的規(guī)律轉換成電信息的器件或裝置 即將非電學量轉化為電學量的元件 故A對 壓力傳感器就是將力學量轉化為電學量的裝置 B對 話筒中的傳感器是聲傳感器 它將聲音信號轉化成電信號 不是將電信號轉化成聲音信號 C錯 傳感器應用在自動測量和自動控制系統(tǒng)中 擔負著信息采集和轉化任務 故D對 二 光電傳感器的原理及光敏電阻1 光電傳感器 是一種能夠感受光信號 并按照一定規(guī)律把光信號轉換成電信號的器件或裝置 2 光敏電阻 在被光照射時電阻發(fā)生變化 可以把光照強弱轉換為電阻大小這個電學量 3 半導體的導電機理 以半導體材料硅為例說明半導體的導電機理 圖5 1 2是硅原子排列示意圖 每個原子的最外層有4個電子 由于熱運動或其他原因 其中極少數(shù)電子可能獲得較大的能量 掙脫原子的束縛而成為自由電子 這樣 在原來的地方就留下一個空位 稱為 空穴 空穴相當于一個正電荷 當這個空穴由附近原子中的電子來填補時 就出現(xiàn)了一個新的空穴 這種變化相當于空穴在移動 圖5 1 2 如果有了外電場 自由電子和空穴會向相反的方向做定向移動 于是在半導體中形成了電流 自由電子和空穴都叫做載流子 4 光敏電阻的特性當光敏電阻受到光照射時 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 于是導電性明顯地增強 電阻減小 不受光照射時的電阻阻值是受光照射時的100倍 1000倍 即時應用 即時突破 小試牛刀 2 如圖5 1 3所示 將多用電表的選擇開關置于歐姆擋 再將電表的兩支表筆分別與光敏電阻RG的兩端相連 這時表針恰好指在刻度盤的中央 若用不透光的黑紙將RG包裹起來 表針將向 填 左 或 右 轉動 若用手電筒光照射RG 表針將向 填 左 或 右 轉動 圖5 1 3 解析 歐姆表的表盤刻度最右邊是0 最左邊是無窮大 將RG包裹起來 光敏電阻受光照變弱 電阻增大 指針向左轉動 用手電筒照射RG時 光敏電阻受光照變強 電阻減小 指針向右偏轉 答案 左右 三 溫度傳感器的原理及熱敏電阻1 溫度傳感器溫度傳感器是一種將溫度變化轉換為電學量變化的裝置 常見的溫度傳感器有熱敏電阻和熱電偶等 2 熱敏電阻熱敏電阻由半導體材料制成 當半導體材料的溫度升高時 必定接收了外界的能量 自己的內能增加 加劇內部分子 或原子 的熱運動 使很多束縛電荷變?yōu)樽杂呻姾?載流子增多 增強了導電性 熱敏電阻有溫度系數(shù)大 靈敏度極高 反應迅速 體積小 壽命長等優(yōu)點 3 熱敏電阻的兩種類型熱敏電阻的電阻率隨溫度變化而明顯變化 常見的有兩種類型 1 正溫度系數(shù)熱敏電阻 PTC熱敏電阻 這種熱敏電阻的電阻率隨溫度升高而增大 其特性與金屬熱電阻相似 其電阻隨溫度的變化圖象如圖5 1 4所示 圖5 1 4圖5 1 5 2 負溫度系數(shù)熱敏電阻 NTC熱敏電阻 這種熱敏電阻的電阻率隨溫度升高而明顯減小 其電阻隨溫度的變化圖象如圖5 1 5所示 4 熱敏電阻的用途熱敏電阻可以將溫度這一非電學量的變化轉化為電阻的變化 進而轉化為電流或電壓這些電學量的變化 理論上說 所有與溫度有關的問題都可以使用熱敏電阻 熱敏電阻的靈敏性好但穩(wěn)定性較差 測溫范圍較小 即時應用 即時突破 小試牛刀 3 如圖5 1 6所示 將萬用電表的選擇開關置于 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的兩端相連 這時表針恰好指在刻度盤的正中間 若往Rt上擦一些酒精 表針將向 填 左 或 右 移動 若用吹風機將熱風吹向電阻 表針將向 填 左 或 右 移動 圖5 1 6 解析 若往Rt上擦一些酒精 由于酒精蒸發(fā)吸熱 熱敏電阻Rt溫度降低 電阻值增大 指針應向左偏 用吹風機將熱風吹向電阻 電阻Rt溫度升高 電阻值減小 指針向右偏 答案 左右 課堂互動講練 全面了解汽車的運行狀態(tài) 速度 水箱溫度 油量 是確保汽車安全行駛和駕駛員安全的舉措之一 為模仿汽車油表原理 自制一種測定油箱油量多少或變化多少的裝置 如圖5 1 7所示 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 小陽同學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 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 填 增大 或 減小 對傳感器原理的認識 圖5 1 7 精講精析 由題圖可知當油箱內液面高度變化時 R的金屬滑片將會移動 從而引起R兩端電壓的變化 且當R R時 UR IR可視為UR與R成正比 所以電壓表應接在b c之間 當油量減少時 電壓表示數(shù)將增大 答案 b c增大 方法總結 1 各類傳感器工作原理雖不完全相同 但都是把非電學量轉換為電學量 2 傳感器輸出的電學量有電流 電壓及電路通斷等多種形式 3 解此類問題的基本思路 分析電路結構 研究電阻的變化 判斷 計算 電流 電壓的變化 如圖5 1 8所示為光敏電阻自動計數(shù)器的示意圖 其中R1為光敏電阻 R2為定值電阻 此光電計數(shù)器的基本工作原理是 圖5 1 8 當有光照射R1時 信號處理系統(tǒng)獲得高電壓 當有光照射R1時 信號處理系統(tǒng)獲得低電壓 信號處理系統(tǒng)每獲得一次低電壓就計數(shù)一次 信號處理系統(tǒng)每獲得一次高電壓就計數(shù)一次A B C D 精講精析 R1為光敏電阻 當有光照射時 R1的阻值變小 R2上的電壓變大 信號處理系統(tǒng)獲得高電壓 由題意知 當傳送帶上的物體擋住光時 信號處理系統(tǒng)獲得低電壓 這種電壓高低交替變化的信號轉化為相應的數(shù)字 實現(xiàn)自動計數(shù)的功能 達到自動計數(shù)的目的 故 說法正確 答案 A 方法總結 對含光電傳感器的電路一般按以下思路分析 1 判斷電路的整體連接特點 2 由光敏電阻的變化判斷出整個電路總電阻的變化 3 根據(jù)閉合電路歐姆定律判斷干路中電流的變化 4 根據(jù)電路串并聯(lián)特點和歐姆定律判出各部分電路電壓和電流的變化 進而得出電壓表 電流表示數(shù)的變化和各部分功率的變化 類型三 熱敏電阻的應用 如圖5 1 9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 圖5 1 9 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D 小燈泡的亮度變弱 思路點撥 自主解答 R2與燈L并聯(lián)后與R1串聯(lián) 與電源構成閉合電路 當熱敏電阻溫度降低時 電阻R2增大 外電路電阻增大 電流表讀數(shù)減小 路端電壓 E Ir 變大 R1兩端電壓 IR1 變小 燈L電壓 E Ir IR1 變大 燈泡亮度變強 C正確 答案 C 變式訓練如圖5 1 10所示是一火警報警器的一部分電路示意圖 其中R2為用半導體熱敏電阻 阻值隨溫度的升高而減小 制成的傳感器 電流表為值班室的顯示器 a b之間接報警器 當傳感器R2所在處出現(xiàn)火情時 顯示器的電流I 報警器兩端的電壓U的變化情況是 圖5 1 10 A I變大 U變大B I變小 U變小C I變小 U變大D I變大 U變小解析 選B 當傳感器R2所在處出現(xiàn)火情時 半導體熱敏電阻R2的阻值減小 通過電源的電流增大 報警器兩端的電壓U減小 值班室的顯示器的電流減小 同學們 來學校和回家的路上要注意安全 同學們 來學校和回家的路上要注意安全