高中物理 第六章第一节 传感器及其工作原理课件 新人教版选修32.ppt

教学教法分析 课前自主导学 当堂双基达标 课后知能检测 教学方案设计 课堂互动探究 1传感器及其工作原理 课标要求1 知道非电学量转换成电学量的技术意义 2 通过实验 知道常见传感器的工作原理 课标解读1 通过观察一些现象和常见的事例 初步形成传感器的概念 感受传感技术在信息时代的作用与意义 2 介绍光敏电阻 热敏电阻和霍尔元件三种敏感元件 通过实验知道它们的性能 了解其工作原理 感悟基础知识学习和应用的重要性 3 知道非电学量转换成电学量的技术意义 进一步拓展学生的思维 进一步探讨科技发展给人类带来的利与弊 教学地位本节知识在高考中尽管很少直接命题 但它是物理的基本知识 是以后学习的基础 而且本节内容与日常生活 高科技发展有紧密的联系 学习时应引起足够的重视 新课导入建议随着 神舟 八号飞船的顺利升空 并进行了与 天宫 一号的完美对接 我国首次交会对接任务圆满完成 意味着继美 俄之后 我国成为第三个独立掌握交会对接技术的国家 为我国今后开展更大规模的空间探索奠定扎实的技术基础 同时 神舟 八号飞船上的两个特殊乘客也引起了媒体的热议 据航天员系统副总设计师王宪民介绍 不载人的 神舟 八号上载有两个形体假人随之上天 模拟航天员绑在飞船内 已开始按程序发出拟人生理信号 你知道模拟航天员是怎样工作的吗 通过本节课的学习 我们就能了解一些相关的知识 教学流程设计 1 基本知识 1 传感器 定义 能够感受诸如力 温度 光 声 化学成分等 并能把它们按照一定的规律转换为电压 电流等 或转换为 的元件 非电学量 电学量 电路的通断 非电学量转换为电学量的意义 把非电学量转换为电学量 可以方便地进行 传输 和 2 光敏电阻 特点 光照越强 电阻 原因 无光照时 载流子极 导电性能 随着光照的增强 载流子 导电性 作用 把 这个光学量转换为 这个电学量 测量 处理 控制 越小 少 不好 增多 变好 光照强弱 电阻 2 思考判断 1 传感器一定是把非电学量转换为电路的通断 2 干簧管是作为电控元件以实现自动控制的 3 光敏电阻本身就是一种传感器 3 探究交流干簧管是由什么组成的 它是一种能感知什么的传感器 提示 由玻璃管内封入的两个软磁性材料制成的簧片构成 当磁体靠近干簧管时 两个簧片被磁化而接通 起开关作用 干簧管是一种能感知磁场的传感器 1 基本知识 减小 半导体 增大 金属 温度 电阻 2 思考判断 1 热敏电阻是用金属铂制成的 它对温度的感知很灵敏 2 半导体制成的热敏元件温度升高时电阻大幅度变化 3 金属热电阻的温度升高时电阻升高 3 探究交流热敏电阻的阻值是否一定随温度的升高而减小 提示 不一定 有的随温度的升高而增大 ptc元件 有的随温度的升高而减小 ntc元件 1 基本知识 1 构造 很小的矩形半导体薄片上 制作四个电极e f m n 3 作用 把 这个磁学量转换为 这个电学量 磁感应强度 电压 2 思考判断 1 霍尔电压稳定时 载流子所受静电力和洛伦兹力平衡 2 在中 k为霍尔系数 它的大小与薄片的材料有关 3 霍尔元件可以感知磁感应强度 3 探究交流如图6 1 2所示为矩形金属薄片 水平放入竖直向下的磁场中 当电流的方向如图所示时 试分析n m两侧面电势的高低 提示 对于金属薄片 真正参与导电的是电子 当通如题图所示的电流时 电子沿电流的反方向移动 因此受到的洛伦兹力指向n n侧面聚集负电荷 电势较低 m侧面带正电荷 电势较高 即 m n 问题导思 1 传感器是如何将非电学量转化为电学量的 2 光电传感器 温度传感器是如何转换信号的 3 电容式传感器的原理是什么 1 传感器的工作原理 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 2 传感器的分类 1 光电传感器 光敏电阻光敏电阻一般为半导体材料做成 当光敏电阻受到光照时 导电性能明显增强 光敏电阻把光照的强弱转换为电阻大小 2 温度传感器 热敏电阻和金属热电阻 热敏电阻 指用半导体材料制成 其电阻值随温度变化发生明显变化的电阻 如图6 1 3所示2为某热敏电阻的r t特性曲线 金属热电阻 有些金属的电阻率随温度的升高而增大 这样的电阻称为金属热电阻 如图所示1为某金属热电阻的r t特性曲线 热敏电阻或金属热电阻都能够把温度这个热学量转换为电阻这个电学量 但相对而言 金属热电阻的化学稳定性好 测温范围大 而热敏电阻的灵敏度较好 3 电容式传感器 原理 电容器的电容c取决于极板正对面积s 极板间距离d及极板间电介质这几个因素 如果某一物理量 如角度 位移s 深度h等 的变化能引起上述某一因素的变化 从而引起电容的变化 那么测定电容器的电容就可以确定上述物理量的变化 常见电容式传感器 如图6 1 4所示 2014 扬州中学高二检测 如图6 1 5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 下列描述正确的是 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 审题指导 解析 r2与灯l并联后与r1串联 与电源构成闭合电路 当温度降低时 电阻r2增大 外电路电阻增大 外电路电压增大 电流表读数减小 r1两端电压减小 灯l电压增大 灯泡亮度变强 故c正确 其余各项均错 答案 c 热敏电阻 光敏电阻问题常与直流电路相联系 串 并联电路的特点 动态分析成为这一类问题考查的热点内容 1 2014 日照高二检测 如图6 1 6所示 由电源 小灯泡 金属电阻丝 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 温度升高 金属电阻丝电阻率增大 电阻增大 电路中电流减小 灯泡亮度减弱 答案 c 问题导思 1 霍尔电压是怎样形成的 如何计算霍尔电压 2 如何判断霍尔电势的高低 2 如何判断霍尔电势的高低 外部磁场的洛伦兹力使运动的载流子在导体板的一侧聚集 在导体板的另一侧会出现多余的另一种电荷 从而形成横向电场 横向电场对电子施加与洛伦兹力方向相反的静电力 当静电力与洛伦兹力达到平衡时 导体板左右两侧会形成稳定的电压 un un的变化与b成正比是霍尔元件能把磁学量转换成电学量的原因 如图6 1 7所示 厚度为h 宽为d的导体板放在垂直于它的磁感应强度为b的匀强磁场中 当电流通过导体板时 在导体板的上侧面a和下侧面a 之间会产生电势差 这种现象称为霍尔效应 实验表明 当磁场不太强时电势差u 电流i和b的关系为u k 式中的比例系数k称为霍尔系数 霍尔效应可解释如下 外部磁场的洛伦兹力使运动的电子聚集在导体板的一侧 在导体板的另一侧出现多余的正电荷 从而形成横向电场 横向电场对电子施加与洛伦兹力方向相反的静电力 当静电力与洛伦兹力达到平衡时 导体板上下两侧之间就会形成稳定的电势差 设电流i是电子定向运动形成的 电子的平均定向速度为v 电荷量为e 回答下列问题 1 达到稳定的状态时 导体板上侧面a的电势 填 高于 低于 或 等于 下侧面a 的电势 2 电子所受的洛伦兹力的大小为 3 当导体板上下两侧之间的电势差为u时 电子所受静电力的大小为 4 由静电力和洛伦兹力平衡的条件 证明霍尔系数k 审题指导 理解霍尔现象 熟练应用左手定则判定电荷偏转方向是解答本题的关键 解析 1 首先分析电流通过导体板时的微观物理过程 由于导体板放在垂直于它的磁感应强度为b的匀强磁场中 电流是电子的定向运动形成的 电流方向从左到右 电子运动的方向从右到左 根据左手定则可判断电子受到的洛伦兹力的方向向上 电子向a板聚集 a 板出现多余的正电荷 所以a板电势低于a 板电势 应填 低于 不能把电子向左定向移动形成向右的电流等效成正电荷向右移动来判定a 和a的电势高低 要按实际电荷的电性 移动方向 磁场方向判定电荷偏转方向 比较电势高低 2 多选 如图6 1 8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 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 与b成正比 将永磁体的一个磁极逐渐靠近霍尔元件的工作面 磁性增强 所以uh将变大 地球两极的磁场方向垂直指向地面 因此 霍尔元件的工作面应保持水平 地球赤道上的磁场方向沿南北水平方向 因此 霍尔元件的工作面应保持竖直 改变磁感线与霍尔元件工作面的夹角 垂直霍尔元件的磁场方向的垂直分量将变化 因此uh也将发生变化 答案 abd 传感器是一种采集信息的重要器件 如图6 1 9是由电容器作为传感器来测定压力变化的电路 当待测压力作用于膜片电极上时 下列说法中正确的是 若f向下压膜片电极 电路中有从a到b的电流 若f向下压膜片电极 电路中有从b到a的电流 若f向下压膜片电极 电路中不会有电流产生 若电流表有示数 说明压力f发生变化 若电流表有示数 说明压力f不会发生变化 电容器电容c变大 根据q cu知 极板带电量将增大 电容器充电 电路中有从b到a的电流 说法 正确 若电流表有示数 说明电容器有充放电 极板带电量发生变化 根据q cu知 电容器电容c发生变化 从而判断出作用在可动膜片电极上的压力f发生变化 说法 正确 故a项正确 答案 a 电容式传感器可以将非电学量 如 介质的变化 距离的变化 正对面积的变化 转化为电信号 根据这一原理 利用电容式传感器也可以测定距离 面积等物理量 如果板间距离的变化是由压力引起的 那么也可以利用电容式传感器测压力 电容式传感器实际上是一个多功能传感器 可用来做压力 转角 位移 压强 声音等传感器 电容式传感器具有体积小 反应灵敏等优点 1 关于传感器 下列说法正确的是 a 所有传感器都是由半导体材料做成的b 金属材料也可以制成传感器c 干簧管是一种能够感知电场的传感器d 传感器一定是通过感知电压的变化来传递信号的 解析 金属材料和半导体材料都可以制成传感器 传感器是通过把易感受的非电学量转换为易处理和控制的电压 电流或电路的通断来传递信号的 干簧管是一种能感知磁场的传感器 答案 b 2 2014 仙桃八中高二检测 关于传感器及其作用 下列说法正确的是 a 传感器一定是把非电学量转换为电学量b 传感器一定是把非电学量转换为电路的通断c 传感器把非电学量转换为电学量是为了方便地进行测量 传输 处理和控制d 电磁感应是把磁学的量转换为电学的量 所以电磁感应也是传感器 解析 传感器是指一种元件或装置 它能感受力 温度 光 声 磁 化学成分等非电学量 并能把它们按照一定的规律转换为电压 电流等电学量 或转换为电路的通断 其作用和目的是更方便地测量 传输 处理 控制非电学量 找出非电学量和电学量之间的对应关系 电磁感应是原理 不是元件和装置 不能称为传感器 答案 c 3 多选 有定值电阻 热敏电阻 光敏电阻三只元件 将这三只元件分别接入如图6 1 10所示电路中的a b两点后 用黑纸包住元件或者把元件置入热水中 观察欧姆表的示数 下列说法中正确的是 a 置入热水中与不置入热水中相比 欧姆表示数变化较大 这只元件一定是热敏电阻b 置入热水中与不置入热水中相比 欧姆表示数不变化 这只元件一定是定值电阻 c 用黑纸包住元件与不用黑纸包住元件相比 欧姆表示数变化较大 这只元件一定是光敏电阻d 用黑纸包住元件与不用黑纸包住元件相比 欧姆表示数相同 这只元件一定是定值电阻 解析 热敏电阻的阻值随温度变化而变化 定值电阻和光敏电阻不随温度变化 光敏电阻的阻值随光照变化而变化 定值电阻和热敏电阻不随之变化 答案 ac 4 2014 杭州二中高二检测 如图6 1 11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有什么关系 a um unb um unc um und 无法判断 解析 霍尔效应是因为带电粒子在磁场中受到洛伦兹力作用做定向移动形成的 根据左手定则 电子受到向下的洛伦兹力作用 向n板运动 所以um un 答案 a 5 如图6 1 12所示为测定压力的电容式传感器 将平行板电容器 灵敏电流表 零刻度在中间 和电源串联成闭合回路 当压力f作用于可动膜片电极上时 膜片发生形变 引起电容的变化 导致灵敏电流表指针偏转 在对膜片开始施加压力使膜片电极从图中的虚线推到图中实线位置并保持固定的过程中 灵敏电流表指针偏转情况为 电流从电流表正接线柱流入时指针向右偏 a 向右偏到某一刻度后回到零刻度b 向左偏到某一刻度后回到零刻度c 向右偏到某一刻度后不动d 向左偏到某一刻度后不动 答案 a 备选习题 教师用书独具 1 多选 下述仪器或装置用到传感器的有 a 自动报警器b 电子秤c 电视遥控器d 红外线探测仪 解析 自动报警器是温度传感器或光传感器 电子秤是力传感器 电视遥控器和红外线探测仪是光传感器 答案 abcd 2 多选 许多楼道照明灯具有这样的功能 天黑时 出现声音它就开启 而白天 即使有声音它也没有反应 它的控制电路中接入了哪些传感器 a 温度传感器b 光传感器c 声音传感器d 热传感器 解析 楼道照明灯根据接收到的光信号和声音信号控制是否开启 所以其控制电路中接入了光传感器和声音传感器 答案 bc 3 为监测某化工厂的污水排放量 技术人员在该厂的排污管末端安装了如图教6 1 1所示的流量计 该装置由绝缘材料制成 长 宽 高分别为a b c 左右两端开口 在垂直于上下底面方向加磁感应强度大小为b的匀强磁场 在前后两个内侧面分别固定有金属板作为电极 污水充满管口从左向右流经该装置时 电压表将显示两个电极间的电压u 若用q表示污水流量 单位时间内排出的污水体积 下列说法中正确的是 a 若污水中正离子较多 则前表面比后表面电势高b 若污水中负离子较多 则前表面比后表面电势高c 污水中离子浓度越高 电压表的示数将越大d 污水流量q与u成正比 与a b无关 解析 这个题目主要考查电磁感应知识 与课本中本节课介绍的霍尔元件工作原理相似 等效为金属杆切割类的问题 根据u bbv v为污水的流速 b为等效切割的长度 一定要注意这个等效关系 否则就会得出错误的结论 根据右手定则可以判断出 无论污水中正离子较多还是污水中负离子较多 总是后表面比前表面电势高 电压表的示数与污水中离子浓度无关 由u bbv和q bcv可知q cu b 污水流量q与u成正比 与a b无关 答案 d 4 如图教6 1 2所示是某居住小区门口利用光敏电阻设计的行人监控装置 r1为光敏电阻 r2为定值电阻 a b接监控装置 则 当