2019-2020学年高中物理 第5章 传感器及其应用 第1节 揭开传感器的“面纱”第2节 常见传感器的工作原理学案 鲁科版选修3-2

1 第第 1 1 节节 揭开传感器的揭开传感器的 面纱面纱 第第 2 2 节节 常见传感器的工作原常见传感器的工作原 理理 1 知道什么是传感器 感受传感器的作用和意义 2 知道光敏电阻和热敏电 阻的特性 了解它们的用途 3 知道非电学量转换成电学量的技术意义 一 揭开传感器的 面纱 1 什么是传感器 1 定义 能够感受外界信息 并将其按照一定的规律转换成电信号的器件或装置 2 意义 利用传感器可以方便地进行自动测量 自动控制等 2 种类繁多的传感器 1 种类 按传感器工作原理的不同分为物理传感器 化学传感器和生物传感器 2 传感器的结构 非电学量 敏感 元件 转换 元件 转换 电路电学量 1 电冰箱的自动控温装置是一个传感器 2 用钥匙打开房门是利用了传感器 3 四川地震时使用的生命探测仪利用了生物传感器 提示 1 2 3 二 常见传感器的工作原理 1 光电传感器的原理 1 光电传感器 把光信号转换成电信号的器件或装置 2 光敏电阻 光敏电阻器是用金属硫化物等半导体材料制成的 特点 光照越强 电阻越小 光敏电阻器一般用于光的测量和光的控制 2 2 探究温度传感器的原理 1 温度传感器 将温度变化转换为电学量变化的装置 2 热敏电阻 ntc 热敏电阻的阻值随温度的升高而减小 ptc 热敏电阻的阻值随温度 的升高而增大 如图所示 r1是光敏电阻 当光照增强时 ab端电压如何变化 提示 光照增强 r1阻值变小 由i 知 电路中电流增大 而uab ir2 e r r1 r2 所以uab增大 传感器的结构及分类 学生用书 p59 1 传感器的结构 传感器的一般组成结构如图所示 非电学量敏感元件转换元件 转换 电路电学量 1 敏感元件 相当于人的感觉器官 直接感受被测量并将其变换成与被测量成一定关 系的易于测量的物理量 2 转换元件 也称为传感元件 通常不直接感受被测量 而是将敏感元件输出的物理 量转换成电学量输出 3 转换电路 将转换元件输出的电学量转换成易于测量的电学量 如电压 电流等 2 传感器的分类 传感器按照工作原理的不同可以分为以下三类 分类工作原理举例 物理传感器 利用物质的物理性质和物理效应 感知并检测出待测对象信息 压电传感器 温度传感器 电感 传感器 电容传感器等 化学传感器利用化学反应识别和检测信息气敏传感器 湿敏传感器等 3 生物传感器 利用生物化学反应识别和检测信 息 酶传感器 组织传感器 细胞传 感器等 下列说法正确的是 a 凡将非电学量转化为电学量的传感器都是物理传感器 b 湿敏传感器只能是物理传感器 c 物理传感器只能将采集到的信息转化为电压输出 d 物理传感器利用的是物质的物理性质和物理效应 解析 各种传感器虽然工作原理不同 但基本功能相似 多数是将非电学量转化为 电学量 故 a 错 湿敏传感器为化学传感器 故 b 错 传感器既可将信息转化为电压输出 也可转化为电流 电阻等输出 故 c 错 由物理传感器定义知 d 对 答案 d 1 中国牛奶行业曾经历了一次严峻考验 许多牛奶制品中被检测出 化学原料三聚氰胺 在多种检测三聚氰胺的方法中有一种 酶标法检测 若这种检测方法 使用了传感器 应为传感器中的哪一类 a 物理传感器 b 化学传感器 c 生物传感器 d 温度传感器 解析 选 c 检测方法为酶标法 所以其原理应该是利用了生物酶 故应为生物传感器 所以 c 正确 1 传感器的种类繁多 但一般都是将感受到的非电学量转换成电学量 其核心结构是 敏感元件 转换元件 转换电路 解决该类问题的关键是能够充分理解传感器的概念 2 物理传感器 化学传感器 生物传感器是按照敏感元件工作原理的不同进行分类的 敏感元件相当于人的感觉器官 直接感受被测量的量并将其转换成与被测量的量成一定关 系的易于测量的量 传感器的应用 学生用书 p60 1 传感器应用的一般模式 4 2 光电传感器的应用原理 1 光敏电阻的特点 阻值随光照强度的增大而减小 2 光敏电阻的机理 光敏电阻一般由半导体材料制成 当半导体材料受到光照而温度 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 导电性能变好 电阻变小 3 温度传感器的应用原理 1 热敏电阻 特点 热敏电阻的阻值大小与温度的高低有关 温度变化 阻值有明显变化 分类 由半导体材料制成 其导电性能对温度的变化很敏感 热敏电阻所用材料根 据其温度特性可分为三类 正温度系数热敏电阻 负温度系数热敏电阻和临界温度系数热 敏电阻 a 正温度系数的热敏材料 ptc 它的电阻随温度上升而增大 b 负温度系数的热敏材料 ntc 它的电阻随温度的上升而减小 c 临界温度系数的热敏材料 ctc 它的电阻在很小的温度范围 临界 内急剧减小 2 金属热电阻 特点 电阻率随温度的升高而增大 命题视角 1 光敏电阻特性的应用 多选 如图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 a 当有光照射r1时 信号处理系统获得高电压 b 当有光照射r1时 信号处理系统获得低电压 c 信号处理系统每获得一次低电压就计数一次 d 以上说法都不对 解析 当光照射光敏电阻r1时 光敏电阻r1的阻值减小 回路中电流增大 r2两端 5 的电压升高 信号处理系统得到高电压 计数器每次由高电压转到低电压 就计一次数 从而能达到计数的目的 答案 ac 命题视角 2 热敏电阻特性的应用 温度传感器广泛应用于室内空调 电冰箱和微波炉等家用电器中 它是利用热 敏电阻的阻值随温度变化而变化的特性工作的 在图甲中 电源的电动势e 9 0 v 内阻 可忽略不计 g 为灵敏电流表 内阻r保持不变 r0为保护电阻 r为热敏电阻 其电阻值 与温度变化的关系如图乙所示 试写出热敏电阻的阻值随温度变化的关系式 闭合开关 s 当r的温度等于 40 时 电流表示数i1 2 25 ma 则当电流表的示数i2 3 6 ma 时 热敏电阻r的温度是多少摄氏度 解题探究 1 该热敏电阻是正温度系数的热敏电阻还是负温度系数的热敏电阻 2 该电路是否满足欧姆定律 解析 题中的r t图象是直线 根据数学知识可写出热敏电阻的阻值r与温度t的 关系式为r kt b 由图象知t1 0 时 r1 4 25 k 得b 4 25 再根据t2 120 时 r2 2 k 得k 0 018 75 所以r与t的关系式为r 0 018 75t 4 25 k 根据题中的r t图象 t3 40 时 热敏电阻的阻值r3 3 5 k 有 e i1 r r0 r3 电流i2 3 6 ma 时 设热敏电阻的阻值为r4 有e i2 r r0 r4 代入数据可解得r4 2 k 由题中的r t图象或将r4 2 k 代入r与t的关系式可得 t4 120 答案 r 0 018 75t 4 25 k 120 命题视角 3 含光敏 热敏 电路的动态分析问题 如图所示是一火警报警器的一部分电路示意图 其中r2为用 ntc 半导体热敏材 料制成的传感器 电流表为值班室的显示器 a b之间接报警器 当传感器r2所在处出现 火情时 显示器的电流i 报警器两端的电压u的变化情况是 6 a i变大 u变大 b i变小 u变小 c i变小 u变大 d i变大 u变小 解题探究 1 ntc 半导体热敏材料制成的r2其电阻随温度如何变化 2 r2在电路中的位置及电路结构 解析 当r2处出现火情时 ntc 热敏材料制成的传感器的电阻将减小 则此时电路 中的总电阻减小 由闭合电路欧姆定律可知 外电路电压将减小 u减小 电路中的总电 流增大 所以r1上的电压增大 显示器两端的电压将减小 电流i减小 b 正确 答案 b 解决含有热敏 光敏 电阻的动态分析问题的思路 1 应明确热敏 光敏 电阻的电阻特性 2 根据闭合电路欧姆定律及串 并联电路的性质来分析电路中某一电阻变化而引起的 整个电路中各部分电学量的变化情况 3 基本流程 r局 r总 i总 u端 i局 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 当照射光强度增大时 a 电压表的示数增大 b r2中电流强度减小 c 小灯泡的功率增大 d 电路的路端电压增大 解析 选 abc 光的强度是被测量 光敏电阻r3为光敏感元件 同时也是转换器件 当 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 7 而增大 同时内电压增大 故电路路端电压减小 而电压表的示数增大 a 项正确 d 项错 误 由路端电压减小 而r1两端电压增大 可知r2两端电压必减小 则r2中电流减小 b 项正确 结合干路电流增大知流过小灯泡的电流必增大 则小灯泡的功率增大 c 项正 确 传感器与力 电知识的综合 学生用书 p61 如图所示是一种悬球式加速度仪 它可以用来测定沿水平轨道运动的列车的加 速度 金属球的质量为m 它系在金属丝的下端 金属丝的上端悬挂在o点 ab是一根长 为l的均匀电阻丝 其阻值为r 金属丝与电阻丝接触良好 摩擦不计 电阻丝的中心c 焊接一根导线 从o点也引出一根导线 两线之间接入一个电压表 v 金属丝和导线电阻不 计 图中虚线oc与ab垂直 且oc h 电阻丝ab接在电压为u的直流稳压电源上 整 个装置固定在列车中并使ab沿车前进的方向 列车静止时金属丝呈竖直状态 当列车加速 或减速前进时 金属丝将偏离竖直方向 从电压表 v 的读数变化可以测出加速度的大小 当列车向右做匀加速直线运动时 试导出加速度a与电压表读数u 的关系式 用 u u l h及重力加速度g等表示 思路点拨 解此题的关键有两点 1 电压表的测量范围 2 小车和悬球有相同的加速度 解析 设列车加速度为a时 小球偏离竖直方向 角 此时小球受力情况如图所示 根据牛顿第二定律得 mgtan ma 因为 tan dc h 8 由 两式得a g dc h 设列车加速度为a时 电压表读数为u u u rdc rab dc l 由 得dc u l u 代入 得a g u l uh 答案 a g u l uh 本题是科技产品与电路结合的新颖题 本题既是对电路的考查 又是对牛顿第二定律 的考查 题目中隐含条件是串联电路的分压原理 本题旨在对应用物理知识解决实际问题 能力的考查 3 用如图所示的装置可以测量汽车在水平路面上做匀加速直线运动 的加速度 该装置是在矩形箱子的前 后壁上各安装一个由力敏电阻组成的压力传感 器 用两根相同的轻弹簧夹着一个质量为 2 0 kg 的滑块 滑块可无摩擦滑动 两弹簧的另 一端分别压在传感器a b上 其压力大小可直接从传感器的液晶显示屏上读出 现将装置 沿运动方向固定在汽车上 传感器b在前 传感器a在后 汽车静止时 传感器a b的示 数均为 10 0 n 取g 10 m s2 1 若传感器a的示数为 14 0 n b的示数为 6 0 n 求此时汽车的加速度大小和方 向 2 当汽车以怎样的加速度运动时 传感器a的示数为零 解析 1 如图所示 依题意得左侧弹簧对滑块向右的推力f1 14 0 n 右侧弹簧对 滑块向左的推力f2 6 0 n 滑块所受合力产生加速度a1 根据牛顿第二定律有 f1 f2 ma1 得 a1 m s2 4 0 m s2 f1 f2 m 14 0 6 0 2 0 a1与f1同方向 即向前 向右 9 2 a传感器的读数恰为零 即左侧弹簧的弹力f 1 0 因两弹簧相同 左弹簧伸长 多少 右弹簧就缩短多少 所以右弹簧的弹力变为f 2 20 0 n 滑块所受合力产生加速 度a2 由牛顿第二定律得f合 f 2 ma2得a2 10 0 m s2 方向向左 f 2 m 答案 1 4 0 m s2 方向向右 2 以方向向左 大小为 10 0 m s2的加速度运动 随堂检测 学生用书 p62 1 关于传感器工作的一般流程 下列说法中正确的是 a 非电学量 敏感元件 转换电路 电学量 转换元件 b 电学量 敏感元件 转换电路 转换元件 非电学量 c 非电学量 敏感元件 转换元件 转换电路 电学量 d 非电学量 转换电路 转换元件 敏感元件 电学量 解析 选 c 传感器工作的一般流程为 非电学量敏感元件 被 转换元件转换电路 感知 然后通过 转换成电信号 再通过 电学量 因此 a b d 错误 c 正确 将此信号转换成易于传输或测量的 2 关于物理传感器 化学传感器和生物传感器的下列说法中 正确的是 a 物理传感器是利用材料的某种物理性质工作的 因而只能用于机械加工行业不能用 于化工领域 b 化学传感器是利用某种化学反应来工作的 因而只能输出某种化学物质而不能输出 电学量 c 生物传感器的适用范围广 可在任意温度条件下工作 d 生物传感器由于含有生命物质 因而对使用传感器的环境条件有一定要求 解析 选 d 不论哪种传感器都可以将非电学量转换成电学量输出 故 b 错 物理传感 器在化工领域也可以使用 如温度传感器等 故 a 错 生物传感器能够使用的前提是感受 器中的生命物质保持生物活性 故 c 错 d 对 3 多选 用遥控器调换电视频道的过程 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 10 b 街道上照明灯的光控开关 c 自动洗衣机中的压力传感器 d 电饭煲中控制加热和保温的温控器 解析 选 ab 红外报警装置和街道上照明灯的光控开关都是把光信号转化为电信号 所以 a b 正确 c 为把压力信号转化为电信号 d 为把温度信号转化为电信号 所以 c d 错误 4 在输液时 药液有时会从针口流出体外 为了及时发现 设计了一种报警装置 电 路如图所示 m是贴在针口处的传感器 接触到药液时其电阻rm发生变化 导致s两端电 压u增大 装置发出警报 此时 a rm变大 且r越大 u增大越明显 b rm变大 且r越小 u增大越明显 c rm变小 且r越大 u增大越明显 d rm变小 且r越小 u增大越明显 解析 选 c 当rm变大时 回路的总电阻r总变大 根据i总 得干路中的电流变 e r总 小 s两端的电压u i总rs变小 故选项 a b 错误 当rm变小时 回路的总电阻r总 rs变小 根据i总 得干路中的电流变大 s两端的电压u i总rs变大 而 1 1 r 1 rm e r总 且r越大 rm变小时 对回路的总电阻变化的影响越明显 故选项 c 正确 选项 d 错误 课时作业 学生用书 p103 单独成册 一 单项选择题 1 关于传感器的作用 下列说法中正确的是 a 通常的传感器可以直接用来进行自动控制 b 传感器可以用来采集信息 c 传感器可以将感受到的一些信号转换为力学量 d 传感器可以将所有感受到的信号转换为电学量 11 解析 选 b 通常的传感器输出的电信号非常微弱 要经过放大 再送给控制系统产生 各种控制动作 选项 a 错误 传感器通过采集力 温度 光 声 磁场 化学成分等信息 按一定规律转换为电压 电流 电阻等电学量或电路的通断 传感器并不能将所有非电学 量都转换为电学量 故选项 b 正确 选项 c d 错误 2 传感器的种类多种多样 其性能也各不相同 空调机在室内温度达到设定的温度后 会自动停止工作 空调机内使用的传感器是 a 生物传感器 b 红外传感器 c 温度传感器 d 压力传感器 解析 选 c 空调机是根据温度调节工作状态的 所以其内部使用了温度传感器 故选 项 c 正确 3 街旁的路灯 江海里的航标都要求在夜晚亮 白天熄 实现了自动控制 这是利用 半导体的 a 压敏性 b 光敏性 c 热敏性 d 三种特性都利用 解析 选 b 街旁的路灯和江海里的航标 都是利用了半导体的光敏性 夜晚电阻大 白天电阻小 控制了电路的通断 故选项 b 正确 4 关于光敏电阻和热敏电阻 下列说法中正确的是 a 光敏电阻是用半导体材料制成的 其阻值随光照增强而减小 随光照的减弱而增大 b 光敏电阻是能把光照强度这个光学量转换为电流这个电学量的传感器 c 热敏电阻是用金属铂制成的 它对温度感知很灵敏 d 热敏电阻是把热量这个热学量转换为电阻这个电学量的传感器 解析 选 a 光敏电阻是把光照强度转换为电阻的元件 热敏电阻是把温度转换为电阻 的元件 b d 错误 热敏电阻和光敏电阻都是半导体材料制成的 半导体具有光敏性和热 敏性 金属铂与热敏电阻相反 c 错误 5 将多用电表的选择开关置于欧姆挡 再将电表的表笔与一光敏电阻的两端相连 此 时电表的指针恰好指在表盘的中央 若用黑纸把光敏电阻包住 电表指针的偏角情况是 a 变小 b 变大 c 不变 d 不能确定 12 解析 选 a 因为光敏电阻的阻值会随光照强度的增大而减小 因此 用黑纸把光敏电 阻包住 光敏电阻的阻值变大 所以多用电表指针偏角变小 故选项 a 正确 6 如图所示 r1为定值电阻 r2为负温度系数的热敏电阻 负温度系数热敏电阻是指 阻值随温度的升高而减小的热敏电阻 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 选 c 当温度降低时 热敏电阻r2的阻值会增大 小灯泡 l 和r2是并联关系 并联部分的电阻会增大 整个电路中的总电阻会增大 根据闭合电路欧姆定律可以判断出 回路中干路的电流会减小 r1是一个定值电阻 r1两端的电压减小 所以 a 选项错误 干 路的电流减小 电流表测量的是干路电流 电流表的示数减小 所以 b 选项错误 小灯泡 两端的电压与并联部分两端的电压相等 根据串联电路分压原理 并联部分电阻阻值增大 所分得的电压增大 小灯泡两端的电压增大 小灯泡的亮度变强 所以 c 选项正确 d 选 项错误 7 如图所示 用光敏电阻 ldr 和灯泡制成一种简易水污染指示器 下列说法中正确的 是 a 严重污染时 ldr 是高电阻 b 轻度污染时 ldr 是高电阻 c 无论污染程度如何 ldr 的电阻不变 阻值大小由材料本身因素决定 d 该仪器的使用不会因为白天和晚上受到影响 解析 选 a 严重污染时 透过污水照到 ldr 上的光线较少 ldr 电阻较大 a 对 b 错 ldr 由半导体材料制成 受光照影响电阻会发生变化 c 错 白天和晚上自然光强弱不同 或多或少会影响 ldr 的电阻 d 错 13 二 多项选择题 8 如图甲所示 质量不计的弹簧竖直固定在水平面上 t 0 时刻 将一金属小球从 弹簧正上方某一高度处由静止释放 小球落到弹簧上压缩弹簧到最低点 然后又被弹起离 开弹簧 上升到一定高度后再下落 如此反复 通过安装在弹簧下端的压力传感器 测出 这一过程弹簧弹力f随时间t变化的图象如图乙所示 则 a t1时刻小球动能最大 b t2时刻小球动能为零 c t2 t3这段时间内 小球的动能先增加后减少 d t2 t3这段时间内 小球增加的动能等于弹簧减少的弹性势能 解析 选 bc 0 t1时间内小球做自由落体运动 落到弹簧上并往下运动的过程中 小 球重力与弹簧对小球弹力的合力方向先向下后向上 故小球先加速后减速 t2时刻到达最 低点 动能为 0 a 错误 b 正确 t2 t3时间内小球向上运动 合力方向先向上后向下 小球先加速后减速 动能先增加后减少 c 正确 t2 t3时间内由能量守恒知小球增加的 动能等于弹簧减少的弹性势能减去小球增加的重力势能 d 错误 9 已知磁敏电阻在没有磁场时电阻很小 有磁场时电阻变大 并且磁场越强阻值越 大 为探测磁场的有无 利用磁敏电阻作为传感器设计了如图所示电路 电源的电动势e 和内阻r不变 在没有磁场时调节变阻器r使电灯 l 正常发光 若探测装置从无磁场区进 入强磁场区 则 a 电灯 l 变暗 b 电灯 l 变亮 c 电流表的示数增大 d 电流表的示数减小 解析 选 bd 探测装置从无磁场区进入强磁场区 磁敏电阻阻值变大 则闭合电路的 总电阻r总变大 由闭合电路欧姆定律知 电路中的电流i 减小 电流表的示数减小 e r总 14 d 对 c 错 由u灯 e ir知u灯变大