高二物理人教版选修3-2：第六章 1 传感器及其工作原理

,第六章,传感器,学案1传感器及其工作原理,目标定位,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.,知识探究,自我检测,一、什么是传感器,问题设计,如图1所示，小盒子A的侧面露出一个小灯泡，盒外没有开关，但是把磁铁B放到盒子上面，灯泡就会发光，把磁铁移走，灯泡熄灭.,知识探究,图1,盒子里有什么样的装置，才能出现这样的现象？,答案盒子里用到了干簧管.把干簧管串入电路，当磁铁靠近干簧管时，两个簧片被磁化而接通，所以干簧管能起到开关的作用.,要点提炼,1.干簧管结构：如图2所示，它只是玻璃管内封入的两个制成的簧片.作用：在电路中起到的作用，它是一种能够的传感器.,图2,软磁性材料,开关,感知磁场,2.传感器定义：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.,物理,电学,通断,3.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.4.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.,非电学量,控制,二、光敏电阻,问题设计,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3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？,图3,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.,要点提炼,1.光敏电阻：把电阻率与所受光照强度有关的物质(如硫化镉)涂敷在绝缘板上，在其表面再用银浆涂敷两个互不相连的栅状电极，这样就制成了一个光敏电阻.2.原理：无光照时，极少，导电性能；随着的增强，载流子，导电性变好.3.特点：光照越强，电阻越.4.作用：把这个光学量转换为这个电学量.,载流子,不好,光照,增多,小,光照强弱,电阻,三、热敏电阻和金属热电阻,问题设计,如图4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？,图4,答案由于酒精挥发，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.,要点提炼,1.热敏电阻：用电阻随温度变化非常明显的材料如(氧化锰)制成.按热敏电阻阻值随温度变化的规律，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.(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.,半导体,增大,减小,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.3.热敏电阻和金属热电阻都能够把这个热学量转换为这个电学量.金属热电阻的稳定性好，测温范围，但较差.,升高,温度,温度,电阻,化学,大,灵敏度,四、霍尔元件,问题设计,如图5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，则薄片中的载流子就在洛伦兹力的作用下，向着与电流和磁场都垂直的方向移动，使M、N间出现了电压，称为霍尔电压UH.试推导其表达式.,图5,答案设薄片厚度为d，EF方向长度为l1，MN方向长度为l2，薄片中的载流子受到洛伦兹力发生偏转，使半导体内部出现电场，载流子同时受到电场力和洛伦兹力的作用，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InqvS，Sl2d,1.组成：在一个很小的矩形半导体薄片上，制作四个电极E、F、M、N，就成为一个霍尔元件.2.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.霍尔元件在电流、电压稳定时，载流子所受和二力平衡.,要点提炼,洛伦兹力,电压,电场力,洛伦兹力,UH,B,电压,4.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.,典例精析,一、对传感器的认识,例1如图6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.,图6,(1)若把一只电压表接在c、d之间当油箱中油量减少时，电压表的示数将(选填“增大”或“减小”).,解析当油量减少时，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，电压表示数减小时，表示油量在减小.,减小,(2)将电压表接在b、c之间，当油箱中油量减少时，电压表的示数将(选填“增大”或“减小”).,解析把电压表接在b、c之间，油量减少时，R增大，电压表的示数增大.,增大,二、对光敏电阻、热敏电阻的认识及应用,例2如图7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7,解析当光强度增大时，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.由路端电压减小，而R1两端电压增大知，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,三、对霍尔元件的认识及应用,例3如图8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)(),图8,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,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UH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,课堂要点小结,1.(对传感器的认识)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制成的B.金属材料也可以制成传感器C.传感器主要是通过感知电压的变化来传递信号的D.水银温度计是一种传感器,1,2,3,自我检测,解析大多数传感器是由半导体材料制成的，某些金属也可以制成传感器，如金属热电阻，故A错，B对；传感器将非电学量转换为电学量，因此传感器感知的应该是“非电信号”，故C错；水银温度计能感受热学量，但不能把热学量转化为电学量，因此不是传感器，故D错.答案B,1,2,3,1,2,3,2.(对光敏电阻、热敏电阻的认识及电路分析)如图9所示电路中，电源电动势为E，内阻为r，RT为负温度系数热敏电阻，RG为光敏电阻，闭合开关后，小灯泡L正常发光，由于环境改变(光照或温度)，发现小灯泡