高中物理 第六章 传感器 6.1 传感器及其工作原理课件 新人教版选修32.pptVIP

1传感器及其工作原理 第六章传感器 学习目标 1 了解什么是传感器 感受传感技术在信息时代的作用与意义 2 知道将非电学量转化为电学量的意义 3 了解光敏电阻 热敏电阻 金属热电阻和霍尔元件的性能 知道其工作原理及作用 内容索引 自主预习预习新知夯实基础 重点探究启迪思维探究重点 达标检测检测评价达标过关 自主预习 一 传感器及工作原理1 传感器的定义 能够感受诸如力 温度 光 声 化学成分等 量 并能把它们按照一定的规律转换为便于传送和处理的另一个物理量 通常是电压 电流等量 或转换为电路的的元件 2 非电学量转换为电学量的意义 把转换为电学量 可以方便地进行测量 传输 处理和 物理 电学 通断 控制 非电学量 二 光敏电阻的特点及工作原理1 当半导体材料受到或者温度时 会有更多的电子获得能量成为电子 同时也形成更多的空穴 于是导电能力明显增强 2 光敏电阻是用材料 如硫化镉 制成的 它的特点是光照越强 电阻越 它能够把这个光学量转换为这个电学量 光照 升高 自由 半导体 小 光照强弱 电阻 三 热敏电阻和金属热电阻的特点1 热敏电阻 用材料制成 可分为正温度系数的热敏电阻和负温度系数的热敏电阻 1 正温度系数的热敏电阻随温度升高电阻 2 负温度系数的热敏电阻 如氧化锰热敏电阻 随温度升高电阻 2 金属热电阻 金属的电阻率随温度而增大 利用这一特性 金属丝也可以制作成传感器 称为热电阻 半导体 增大 升高 减小 温度 四 霍尔元件的特点1 霍尔元件在电流 电压稳定时 载流子所受和二力平衡 2 霍尔电压 uh k d为薄片的厚度 k为霍尔系数 其中的变化与成正比 所以霍尔元件能把磁感应强度这个磁学量转换成电压这个电学量 电场力 洛伦兹力 b uh 即学即用 1 判断下列说法的正误 1 传感器可以把非电学量转化为电学量 2 光敏电阻的阻值随光照的强弱而变化 光照越强电阻越大 3 热敏电阻一般用半导体材料制作 导电能力随温度的升高而增强 但灵敏度低 4 霍尔元件一共有两个电极 电压这个电学量就通过这两个电极输出 答案 2 如图1所示 r1为定值电阻 r2为负温度系数的热敏电阻 l为小灯泡 当温度降低时 电流表的读数 填 变大 或 变小 小灯泡的亮度 填 变亮 或 变暗 答案 图1 变小 变亮 重点探究 导学探究 干簧管结构 如图2所示 它只是玻璃管内封入的两个软磁性材料制成的簧片 接入图3电路 当条形磁铁靠近干簧管时 一 传感器 答案灯泡会亮 因为当条形磁铁靠近干簧管时 两个簧片被磁化而接通 图2图3 1 会发生什么现象 为什么 答案 2 干簧管的作用是什么 答案干簧管起到开关的作用 是一种能够感知磁场的传感器 图2图3 答案 知识深化 1 传感器的原理 非电学量 传感器 敏感元件 转换器件 转换电路 电学量 2 在分析传感器时要明确 1 核心元件是什么 2 是怎样将非电学量转化为电学量 3 是如何显示或控制开关的 解析把电压表接在b c之间 油量增加时 r减小 电压表的示数减小 油量减少时 r增大 电压表的示数增大 把电压表接在c d之间 油量增加时 r减小 电路中电流增大 则r 两端的电压增大 电压表的示数增大 同理 油量减少时 电压表的示数减小 例1如图4是一种测定油箱油量多少或变化多少的装置 其中电源电压保持不变 r是滑动变阻器 它的金属滑片是金属杆的一端 在装置中使用了一只电压表 图中没有画出 通过观察电压表示数可以了解油量情况 若将电压表分别接在b c之间与c d之间 当油量变化时 电压表的示数如何变化 图4 答案见解析 答案 解析 导学探究 在工厂生产车间的生产线上安装计数器后 就可以准确得知生产产品的数量 如图5所示为光敏电阻自动计数器的示意图 其中r1为光敏电阻 r2为定值电阻 此光电计数器的基本工作原理是什么 二 光敏电阻 图5 答案 答案当光被产品挡住时 r1电阻增大 电路中电流减小 r2两端电压减小 信号处理系统得到低电压 每通过一个产品就获得一次低电压 并计数一次 例2 多选 如图6所示 r1 r2为定值电阻 l为小灯泡 r3为光敏电阻 当入射光强度增大时a 电压表的示数增大b r2中电流减小c 小灯泡的功率增大d 电路的路端电压增大 图6 解析 答案 解析当入射光强度增大时 r3阻值减小 外电路总电阻随r3的减小而减小 由闭合电路欧姆定律知 干路电流增大 r1两端电压增大 从而电压表的示数增大 同时内电压增大 故电路的路端电压减小 a项正确 d项错误 因路端电压减小 而r1两端电压增大 故r2两端电压必减小 则r2中电流减小 故b项正确 结合干路电流增大知流过小灯泡的电流必增大 故小灯泡的功率增大 c项正确 导学探究 如图7所示 将多用电表的选择开关置于欧姆挡 再将电表的两支表笔与负温度系数的热敏电阻rt 温度升高 电阻减小 的两端相连 这时表针恰好指在刻度盘的正中央 若在rt上擦一些酒精 表针将如何偏转 若用吹风机将热风吹向热敏电阻 表针将如何偏转 三 热敏电阻和金属热电阻 图7 答案 答案由于酒精蒸发 热敏电阻rt温度降低 电阻值增大 表针将向左偏 用吹风机将热风吹向热敏电阻 热敏电阻rt温度升高 电阻值减小 表针将向右偏 例3 多选 在温控电路中 通过热敏电阻阻值随温度的变化可实现对电路相关物理量的控制 如图8所示电路 r1为定值电阻 r2为半导体热敏电阻 温度越高电阻越小 c为电容器 当环境温度降低时a 电容器c的带电荷量增大b 电压表的读数增大c 电容器c两板间的电场强度减小d r1消耗的功率增大 图8 答案 解析 解析当环境温度降低时 r2变大 电路的总电阻变大 由i 知i变小 又u e ir 电压表的读数u增大 b正确 又由p1 i2r1可知 r1消耗的功率p1变小 d错误 电容器两板间的电压u2 u u1 u1 ir1 可知u1变小 u2变大 由场强e q cu2可知q e 都增大 故a正确 c错误 含有热敏电阻 光敏电阻电路的动态分析步骤1 明确热敏电阻 或光敏电阻 的阻值随温度 或光照强度 的增加是增大还是减小 2 分析整个回路的电阻的增减 电流的增减 3 分析部分电路的电压 电流如何变化 导学探究 如图9所示 在矩形半导体薄片e f间通入恒定的电流i 同时外加与薄片垂直的磁场b 则m n间会出现电压 称为霍尔电压uh 1 分析为什么会出现电压 四 霍尔元件 图7 答案 答案薄片中的载流子在洛伦兹力的作用下 向着与电流和磁场都垂直的方向漂移 使m n间出现了电压 2 试推导uh的表达式 图7 答案 答案设薄片厚度为d ef方向长度为l1 mn方向长度为l2 受力分析如图当洛伦兹力与电场力平衡时 m n间电势差达到稳定 再根据电流的微观表达式i nqvs s l2d 令k 其中n为材料单位体积的载流子的个数 q为单个载流子的电荷量 它们均为常数 则有 知识深化 霍尔电势高低的判断方法 利用左手定则 即磁感线垂直穿入手心 四指指向电流方向 拇指指的方向为载流子的受力方向 若载流子是正电荷 则拇指所指的面为高电势面 若载流子是负电荷 则拇指所指的面为低电势面 例4如图10所示 截面为矩形的金属导体 放在磁场中 当导体中通有电流时 导体的上 下表面的电势的关系 上板为m 下板为n 是a m nb m nc m nd 无法判断 图10 解析霍尔效应形成的原因是因为带电粒子在磁场中受到洛伦兹力作用而定向移动形成的 金属导体的载流子是电子 根据左手定则 电子受到向下的洛伦兹力作用 向n板运动 则m板剩下正电荷 所以 m n 故选a 答案 解析 达标检测 1 对传感器的理解 在电梯门口放置一障碍物 会发现电梯门不停地开关 这是由于在电梯门上装有的传感器是a 光传感器b 温度传感器c 声传感器d 磁传感器 答案 1 2 3 4 解析滑动触头p左移 滑动变阻器接入电路的电阻减小 流过二极管的电流增大 从而发光增强 使光敏电阻r减小 最终达到增大流过灯泡的电流的效果 2 光敏电阻的特性 如图11所示的电路中 电源两端的电压恒定 l为小灯泡 r为光敏电阻 r和l之间用挡板 未画出 隔开 led为发光二极管 电流越大 发出的光越强 且r与led间距不变 下列说法中正确的是a 当滑动触头p向左移动时 l消耗的功率增大b 当滑动触头p向左移动时 l消耗的功率减小c 当滑动触头p向右移动时 l消耗的功率可能不变d 无论怎样移动滑动触头p l消耗的功率都不变 图11 答案 解析 1 2 3 4 解析r2与灯泡l并联后与r1串联 然后与电流表 电源构成闭合电路 当热敏电阻r2温度降低时 它的电阻值增大 外电路电阻增大 电流表读数减小 r1两端电压减小 灯泡l两端电压增大 灯泡亮度变强 故c正确 a b d均错误 3 热敏电阻的特性 如图12所示 r1为定值电阻 r2为负温度系数的热敏电阻 l为小灯泡 当温度降低时a r1两端的电压增大b 电流表的示数增大c 小灯泡的亮度变强d 小灯泡的亮度变弱 答案 解析 图12 1 2 3 4 4 霍尔元件的认识及应用 多选 如图13所示是霍尔元件的示意图 一块通电的铜板放在磁场中 铜板的前 后板面垂直于磁场 板内通有如图方向的电流 a b是铜板上 下边缘的两点 则a 电势 a bb 电势 b ac 仅电流增大时 a b 增大d