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.ppt

1传感器及其工作原理 读一读 思一思 辨一辨 议一议 一 什么是传感器阅读教材第52页 什么是传感器 部分 知道什么是传感器 1 什么是传感器 答案 能够感受诸如力 温度 光 声 化学成分等物理量 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 电流等电学量 或转换为电路的通断的元件 2 传感器的作用是什么 答案 把非电学量转换为电学量 3 把非电学量转换为电学量的好处是什么 答案 可以方便地进行测量 传输 处理和控制 读一读 思一思 辨一辨 议一议 二 光敏电阻阅读教材第53页 光敏电阻 部分 初步了解光敏电阻的工作原理 1 为什么光强度不同时 硫化镉制成的光敏电阻的阻值不同 答案 因为硫化镉的电阻率与所受光照的强度有关 2 硫化镉在光照射时电阻率发生变化的原因是什么 答案 硫化镉是一种半导体材料 无光照时 载流子极少 导电性能不好 随着光照的增强 载流子增多 导电性变好 3 光敏电阻的作用是什么 答案 光敏电阻能够把光照强弱这个光学量转换为电阻这个电学量 读一读 思一思 辨一辨 议一议 三 热敏电阻和金属热电阻阅读教材第54页 热敏电阻和金属热电阻 知道热敏电阻和金属热电阻的区别 1 什么是热电阻 温度升高时 它的电阻怎样变化 答案 用金属丝制作温度传感器 称为热电阻 2 什么是热敏电阻 温度升高时 它的电阻怎样变化 答案 半导体在温度上升时导电能力增强 可用半导体材料制作热敏电阻 温度升高时 热敏电阻的阻值减小 3 热敏电阻和金属热电阻相比各有什么优缺点 答案 热敏电阻灵敏度好 但测温范围小 金属热电阻化学稳定性好 测温范围大 但灵敏度较差 4 热敏电阻和金属热电阻的作用是什么 答案 热敏电阻和金属热电阻能够把温度这个热学量转换为电阻这个电学量 读一读 思一思 辨一辨 议一议 四 霍耳元件阅读教材第55页 霍耳元件 知道霍耳元件的组成及霍耳电压的概念 理解霍耳电压的作用 1 霍耳元件有哪些部分组成 答案 在一个很小的矩形半导体薄片上 制作4个电极e f m n 就成为一个霍尔元件 2 什么是霍耳电压 写出霍耳电压的表达式 答案 霍耳元件通以电流时 由于洛伦兹力的作用 载流子向着电流与磁场都垂直的方向漂移 在霍耳元件两侧出现了电压 称为霍耳电压 3 霍耳元件的作用是什么 答案 把磁感应强度这个磁学量转换为电压这个电学量 读一读 思一思 辨一辨 议一议 1 思考辨析 1 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 解析 霍尔元件一共有四个电极 两个用来输入恒定电流 两个用来输出电压 答案 2 霍尔电压与组成霍尔元件的材料无关 解析 霍尔电压与组成霍尔元件的材料有关 答案 3 霍尔元件能够把磁感应强度这个磁学量转化为电压这个电学量 解析 霍尔元件能够把磁感应强度这个磁学量转换为电压这个电学量 答案 读一读 思一思 辨一辨 议一议 2 探究讨论 1 请同学们思考讨论一下 你家里哪些地方用到了传感器 答案 冰箱 空调 电视 电饭锅 压力锅 电水壶 电磁炉 太阳能自动上水装置 坐便器冲水装置 防盗报警器 照明灯遥控开关 防盗门电子锁等 2 热敏电阻是温度传感器中的重要元件 是不是所有的热敏电阻的阻值都随温度的升高而减小 答案 不是 正温度系数热敏电阻器 ptc 在温度升高时电阻值增大 负温度系数热敏电阻器 ntc 在温度升高时电阻值减小 探究一 探究二 探究三 当堂检测 问题导引 名师精讲 典例剖析 探究四 传感器干簧管结构 如图甲所示 它只是玻璃管内封入的两个软磁性材料制成的簧片 接入图乙电路 当磁铁靠近干簧管时 会发生什么现象 为什么 干簧管的作用是什么 要点提示 灯泡会亮 因为当磁铁靠近干簧管时 两个簧片被磁化而接通 干簧管起到开关的作用 是一种能够感知磁场的传感器 探究一 探究二 探究三 问题导引 名师精讲 典例剖析 当堂检测 探究四 1 传感器的工作流程非电学量 敏感元件 转换元件 转换电路 电学量2 传感器的组成 1 敏感元件相当于人的感觉器官 是传感器的核心部分 是利用材料的某种敏感效应 如热敏 光敏 压敏 力敏 湿敏等 制成的 2 转换元件是传感器中能将敏感元件输出的 与被测物理量成一定关系的非电信号转换成电信号的电子元件 3 转换电路是将转换元件输出的不易测量的电学量转换成易于测量的电学量 如电压 电流 电阻等 探究一 探究二 探究三 问题导引 名师精讲 典例剖析 当堂检测 探究四 例题1 传感器是把非电学量 如速度 温度 压力等 的变化转换成电学量的变化的一种元件 在自动控制中有着相当广泛的应用 有一种测量人的体重的电子秤 其测量部分的原理图如图中的虚线框所示 它主要由压力传感器r 电阻值会随所受压力大小发生变化的可变电阻 显示体重大小的仪表a 实质是理想的电流表 组成 探究一 探究二 探究三 问题导引 名师精讲 典例剖析 当堂检测 探究四 压力传感器表面能承受的最大压强为1 107pa 且已知压力传感器r的电阻与所受压力的关系如下表所示 设踏板和压杆的质量可以忽略不计 接通电源后 压力传感器两端的电压恒为4 8v g取10m s2 请回答 1 该秤零起点 即踏板空载时 的刻度线应标在电流表刻度盘a处 2 如果某人站在该秤踏板上 电流表刻度盘的示数为20ma 则这个人的体重是kg 探究一 探究二 探究三 问题导引 名师精讲 典例剖析 当堂检测 探究四 归纳总结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的 3 是如何显示或控制开关的 探究一 探究二 探究三 问题导引 名师精讲 典例剖析 当堂检测 探究四 变式训练1如图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 1 你认为电压表应该接在图中的两点之间 按照你的接法请回答 当油箱中油量减少时 电压表的示数将 选填 增大 或 减小 2 将电压表分别接在b c之间与c d之间 当油量变化时 电压表的示数变化有何不同 探究一 探究二 探究三 问题导引 名师精讲 典例剖析 当堂检测 探究四 解析 1 由题图可知当油箱内液面高度变化时 r的金属滑片将会移动 从而引起r两端电压的变化 当油量减少时 r的数值会增大 电路中的电流会减小 c d间的电压会减小 当把电压表接在c d两点间 电压表的示数减小时 表示油量在减少 2 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 答案 1 c d减小 2 见解析 探究一 探究二 探究三 问题导引 名师精讲 典例剖析 当堂检测 探究四 光敏电阻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 光敏电阻自动计数器的示意图如图所示 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 要点提示 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 探究一 探究二 探究三 问题导引 名师精讲 典例剖析 当堂检测 探究四 光敏电阻的特点及工作原理 1 当半导体材料受到光照或者温度升高时 会有更多的电子获得能量成为自由电子 同时也形成更多的空穴 于是导电能力明显增强 2 光敏电阻是用半导体材料 如硫化镉 制成的 它的特点是光照越强 电阻越小 它能够把光照强弱这个光学量转换为电阻这个电学量 探究一 探究二 探究三 问题导引 名师精讲 典例剖析 当堂检测 探究四 例题2 多选 如图所示 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解析 当入射光强度增大时 r3阻值减小 外电路电阻随r3的减小而减小 r1两端电压因干路电流增大而增大 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 答案 abc 探究一 探究二 探究三 问题导引 名师精讲 典例剖析 当堂检测 探究四 归纳总结解决含有光敏电阻的直流电路动态分析问题 1 明确热敏电阻 光敏电阻的电阻特性 2 解题思路 探究一 探究二 探究三 问题导引 名师精讲 典例剖析 当堂检测 探究四 变式训练2如图所示 将一光敏电阻接入多用电表两表笔上 将多用电表的选择开关置于欧姆挡 用光照射光敏电阻时表针的偏角为 现用手掌挡住部分光线 表针的偏角变为 则可判断 a b d 不能确定解析 光敏电阻的阻值随光照强度的增强而减小 用手掌挡住部分光线 阻值变大 指针自左向右偏转角度变小 故b正确 答案 b 探究一 探究二 探究三 问题导引 名师精讲 典例剖析 当堂检测 探究四 热敏电阻和金属热电阻如图所示 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 要点提示 由于酒精蒸发 热敏电阻rt温度降低 电阻值增大 指针将向左偏 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 指针将向右偏 探究一 探究二 探究三 问题导引 名师精讲 典例剖析 当堂检测 探究四 热敏电阻和金属热电阻的特点 1 热敏电阻 用半导体材料制成 2 金属热电阻 金属的电阻率随温度升高而增大 利用这一特性 金属丝也可以制作成温度传感器 称为热电阻 3 热敏电阻和金属热电阻的区别 探究一 探究二 探究三 问题导引 名师精讲 典例剖析 当堂检测 探究四 探究一 探究二 探究三 问题导引 名师精讲 典例剖析 当堂检测 探究四 例题3 如图所示 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 小灯泡的亮度变弱解析 r2与灯泡l并联后再与r1串联 与电源构成闭合电路 当温度降低时 热敏电阻r2阻值增大 外电路电阻增大 电流表读数减小 灯泡l两端的电压增大 灯泡的亮度变强 r1两端的电压减小 故只有c正确 答案 c 探究一 探究二 探究三 问题导引 名师精讲 典例剖析 当堂检测 探究四 归纳总结按热敏电阻随温度变化的规律 热敏电阻可分为正温度系数的热敏电阻和负温度系数的热敏电阻 正温度系数的热敏电阻随温度升高电阻增大 负温度系数的热敏电阻随温度升高电阻减小 探究一 探究二 探究三 问题导引 名师精讲 典例剖析 当堂检测 探究四 变式训练3如图所示 由电源 小灯泡 电阻丝 开关组成的电路中 当闭合开关s后 小灯泡正常发光 若用酒精灯加热电阻丝时 发现小灯泡亮度变暗 发生这一现象的主要原因是 a 小灯泡的电阻发生了变化b 小灯泡灯丝的电阻率随温度发生了变化c 电阻丝的电阻率随温度发生了变化d 电源的电压随温度发生了变化解析 电阻丝的电阻率随温度的升高而增大 电阻也增大 电路中电流减小 根据p i2r知 小灯泡的实际功率减小 所以变暗 答案 c 探究一 探究二 探究三 问题导引 名师精讲 典例剖析 当堂检测 探究四 霍耳元件如图所示 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 2 试推导uh的表达式 探究一 探究二 探究三 问题导引 名师精讲 典例剖析 当堂检测 探究四 探究一 探究二 探究三 当堂检测 探究四 问题导引 名师精讲 典例剖析 霍尔元件的工作原理与特点 1 霍耳元件的工作原理 e f间通入恒定的电流i 同时外加与薄片垂直的磁场b时 薄片中的载流子就在洛伦兹力作用下 向着与电流和磁场都垂直的方向漂移 使m n间出现电压 如图所示 2 霍尔元件在电流 电压稳定时 载流子所受电场力和洛伦兹力二力平衡 3 霍尔电压 d为薄片的厚度 k为霍尔系数 其中uh与b成正比 所以霍尔元件能把磁学量转换成电学量 探究一 探究二 探究三 当堂检测 探究四 问题导引 名师精讲 典例剖析 例题4 如图所示 有电流i流过长方体金属块 金属块宽为d 高为b 有一磁感应强度为b的匀强磁场垂直于纸面向里 金属块单位体积内的自由电子数为n 问 金属块上 下表面哪面电势高 电势差是多少 探究一 探究二 探究三 当堂检测 探究四 问题导引 名师精讲 典例剖析 归纳总结霍尔电势高低的判断方法由左手定则判断带电粒子的受力方向 如果带电粒子是正电荷 则拇指所指的面为高电势面 如果是负电荷 则拇指所指的面为低电势面 但无论是正电荷还是负电荷 四指指的都是电流方向 即正电荷定向移动的方向 负电荷定向移动的反方向 在判断电势高低时一定要注意载流子是正电荷还是负电荷 探究一 探究二 探究三 当堂检测 探究四 问题导引 名师精讲 典例剖析 变式训练4 多选 如图所示是霍尔元件的工作原理示意图 如果用d表示薄片的厚度 k为霍尔系数 对于一个霍尔元件d k为定值 如果保持i恒定 则可以验证uh随b的变化情况 以下说法中正确的是 工作面是指较大的平面 a 将永磁体的一个磁极逐渐靠近霍尔元件的工作面 uh将变大b 在测定地球两极的磁场强弱时 霍尔元件的工作面应保持水平c 在测定地球赤道上的磁场强弱时 霍尔元件的工作面应保持水平d 改变磁感线与霍尔元件工作面的夹角 uh将发生变化 探究一 探究二 探究三 当堂检测 探究四 问题导引 名师精讲 典例剖析 解析 将永磁体的磁极逐渐靠近霍尔元件的工作面时 b增大 i恒定 由公式知uh将变大 选项a正确 地球两极的磁场方向在竖直方向上 所以霍尔元件的工作面应保持水平 使b与工作面垂直 选项b正确 地球赤道上的磁场沿水平方向 只有霍尔元件的工作面在竖直方向且垂直于南北时 b才与工作面垂直 选项c错误 改变磁感线与霍尔元件工作面的夹角 b在垂直工作面方向上的大小发生变化 uh将发生变化 选项d正确 答案 abd 探究三 探究一 探究二 1 2 3 4 当堂检测 探究四 1 对传感器的理解 用遥控器调换电视机频道的过程 实际上就是传感器把光信号转化为电信号的过程 下列属于这类传感器的是 a 红外报警装置b 走廊照明灯的声控开关c 自动洗衣机中的压力传感装置d 电饭煲中控制加热和保温的温