2019-2020学年高中物理 第4章 传感器与现代社会 1 传感器的原理 2 探究热敏电阻的温度特性曲线精练（含解析）沪教版选修3-2

传感器的原理 探究热敏电阻的温度特性曲线1知道什么是传感器；知道传感器的工作原理(重点)2知道什么是光敏电阻和热敏电阻3通过实验的方式获得对传感器的感性认识4会探究热敏电阻的温度特性曲线(重点难点)一、什么是传感器传感器是通过测量外界的物理量、化学量或生物量来捕捉和识别信息，并将被测量的非电学量转换成电学量的装置它一般包括敏感元件和转换电路二、探究传感器的原理1研究光敏电阻的导电特性：光敏电阻是利用阻值随光照强度的变化而变化的材料制成的，一般具有这种特性的是半导体材料，有的半导体材料在光照的情况下会产生电压，可制成光电池光敏电阻的阻值随光照强度的增加而减小2热敏电阻：由半导体材料制成，有两种热敏电阻，一种是负温度系数的，它的电阻随温度的升高而减小，像ntc热敏电阻；另一种是正温度系数的，它的电阻随温度的升高而增大，像ptc热敏电阻三、传感器的类型传感器可分为物理型、化学型和生物型三类1物理型传感器主要是根据被测物理量变化时，敏感元件的电学量(如电压、电阻、电容等)发生明显变化的特性制成的2化学型传感器是用能把化学物质的成分、浓度等化学量转换为电学量的敏感元件制成的3生物型传感器是利用生物体组织的各种生物、化学与物理效应制成的，有酶传感器、免疫传感器、抗原体传感器等当你走近自动门时，为什么门会自动打开？电饭煲为什么能自动加热和保温食物而不把食物烧焦？为什么电梯的两门靠拢接触到人体时，门又会自动打开而不会伤人？提示：以上现象都归功于“传感器”传感器的结构及其原理1传感器的概念：传感器是通过测量外界的物理量、化学量或生物量来捕捉和识别信息，并将被测量的非电学量转换成电学量的装置2传感器的结构3传感器的基本原理传感器感受的通常是非电学量，而它输出的通常是电学量，不过这些输出信号往往是非常微弱的，一般需要经过放大后，再输送给控制系统产生各种控制动作其工作过程可由图表示 (1)非电学量：如位移、力、温度、光、声、化学成分、浓度、酸碱度等(2)敏感元件：是传感器的核心，相当于人的感觉器官，能直接感受被测量的非电学量并将其转换成与被测量的非电学量有一定关系的易于测量的物理量(3)转换元件：通常不能直接感受被测量的非电学量，而是将敏感元件输出的物理量转换为电信号输出(4)转换电路：将转换元件输出的电信号转换成易于测量的电学量(5)电学量：如电压、电流、电阻等(多选)随着科学技术的进步，社会的发展，人们研制了各种传感器，这使人们获取信息的领域更宽广、更深入，下列关于传感器的说法正确的是()a传感器是一种联络、传递感情的设备b传感器是一种感知、探测物理量的工具c传感器测量的不一定是物理量，也可以是化学量或生物量d传感器是将被测量的非电学量转换成电学量思路点拨 传感器是借助敏感元件将非电学量转化为电学量的装置解析传感器是通过敏感元件将外界的物理量、化学量或生物量等非电学量转换成电学量的装置，所以它一般包括敏感元件(也就是探测器)和转换电路答案cd传感器的本质传感器是将所感受到的一种物理量转换成便于检测的另一种物理量的器件 1用遥控器调换电视机的频道的过程，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控器解析：选a红外线报警装置是感应红外线转换成电学量，从而引起报警而遥控器调换电视机的频道的过程，也发出红外线，故a正确；走廊照明灯的声控开关，实际是将声波转化成电信号的过程，故b不正确；自动洗衣机中的压力传感装置，是将压力转化成电信号的过程，故c不正确；电饭煲中控制加热和保温的温控器，是将温度转化成电信号的过程，故d不正确研究光敏电阻的导电特性1实验设计(1)实验器材：多用电表、光敏电阻、导线、黑纸、开关(2)实验步骤用多用电表欧姆挡两表笔与在室内自然光照射下的光敏电阻两端连接，测光敏电阻阻值，电路如图所示把手张开(或用黑纸)放在光敏电阻上，挡住部分光线，测光敏电阻阻值全部挡住光线，测光敏电阻阻值将所测数据填入下表中光照强度强中弱r/2实验结论：光敏电阻的阻值随照射光强度的增强而减小光敏电阻在被光照射时电阻发生变化，原因是构成物质为半导体材料，无光照时，载流子极少，导电性能不好，随光照的增强，载流子增多，导电性变好光敏电阻是能够把光照强弱这个光学量转换为电阻这个电学量的元件(多选)如图所示，r1、r2为定值电阻，l为小灯泡，r3为光敏电阻，当光照强度增大时()a电压表的示数增大br2中的电流减小c小灯泡的功率增大d电路中的路端电压增大思路点拨解析当光强增大时，r3的阻值减小，外电路电阻随r3的减小而减小，随之是干路电流增大，r1上的电压增大，所以v的示数增大；同时内电压增大，路端电压减小，所以有r2并联的整部分电压减小，使通过r2的电流减小，因此通过灯泡支路的电流是增大的，故有小灯泡变亮，即功率增大选项a、b、c正确答案abc此类问题是借助敏感元件的特性考查电路的动态分析做此类问题时，一定要看清是哪种敏感元件，明确敏感元件随非电学量的变化特性，这是解题的关键 2如图所示是用斯密特触发器控制某宿舍楼道内照明灯的示意图，试说明其工作原理解析：天较亮时，光敏电阻rg阻值较小，斯密特触发器输入端a电势较低，则输出端y输出高电平，线圈中无电流，工作电路不通天较暗时，光敏电阻rg电阻增大，斯密特触发器输入端a电势升高，当升高到一定值，输出端y由高电平突然跳到低电平，有电流通过线圈f，电磁继电器工作，接通工作电路，使照明灯自动开启天明后，rg阻值减小，斯密特触发器输入端a电势逐渐降低，降到一定值，输出端y突然由低电平跳到高电平，则线圈f不再有电流，电磁继电器自动切断工作电路的电源，照明灯熄灭答案：见解析探究热敏电阻的温度特性曲线1实验设计(1)用多用电表的欧姆挡直接测量热敏电阻随温度的变化特性，方法简便，误差大(2)伏安法测量热敏电阻的温度特性曲线2采用伏安法测量(1)器材：电压表、电流表、电源、滑动变阻器、固定电阻、热敏电阻、开关和导线若干；温度计、水槽、电加热装置和开水冷水各一份(2)原理：采用水浴法改变热敏电阻的温度(如图甲)用伏安法测量电阻(如图乙)甲乙(3)测量步骤：将热敏电阻用塑料薄膜包裹一层，防止水浴时电阻的引线与水接触，连接好如图所示电路将水槽里的水兑成10 ，将热敏电阻放入水中，稍等片刻，闭合开关，读出电压表、电流表、温度计的示数将水温兑成20 、30 、40 、50 90 ，各测量一次，计算出各温度下对应的电阻(4)设计表格，将上述方法取得的数据填入表格(5)数据处理，在坐标纸上做出rt图像3热敏电阻的rt图像热敏电阻所用材料根据其温度特性可分为三类：(1)正温度系数的热敏材料(ptc)，它的电阻随温度升高而增大(2)负温度系数的热敏材料(ntc)，它的电阻随温度升高而减小(3)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)内急剧下降这三类热敏材料电阻率的温度特性曲线如图所示可见，ptc和ctc型热敏电阻在一定的温度范围内，阻值随温度急剧变化，常用作开关元件，ntc型热敏电阻的阻值随温度升高而减小尤其要注意的是在温度测量中使用最多的就是ntc型热敏电阻，我们常说的热敏电阻也是指这一类要注意区别热敏电阻和金属热电阻，热敏电阻用半导体材料制成，其电阻值随温度变化明显，温度升高电阻减小；而金属的电阻率随温度的升高而增大，这样的金属电阻也可以制作温度传感器，称为热电阻热敏电阻的灵敏性好，但化学稳定性较差；金属热电阻的化学稳定性好，测温范围大，但灵敏性较差(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dr1消耗的功率增大解题探究 (1)环境温度降低时，热敏电阻的阻值如何变化？(2)电容器两端的电压等于哪个元件两端的电压？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ueir，电压表的读数u增大，b正确；又由u1ir1及p1i2r1可知u1变小，r1消耗的功率p1变小，d错误；电容器两板间的电压u2uu1，u2变大，由场强e，qcu2可知q、e都增大，故a正确，c错误答案ab3如图所示是观察电阻值随温度变化情况的示意图现把杯中的水由冷水变为热水，关于欧姆表的读数变化情况正确的是(设水对电阻阻值的影响不计)()a如果r为金属热电阻，读数变大，且变化非常明显b如果r为金属热电阻，读数变小，且变化不明显c如果r为用半导体材料制成的热敏电阻，读数变化非常明显d如果r为用半导体材料制成的热敏电阻，读数变化不明显解析：选c金属热电阻的阻值随温度的升高而增大，但灵敏度较差，而热敏电阻的阻值随温度的升高电阻减小，且灵敏度高，故选项c正确随堂检测1(多选)关于传感器及其作用，下列说法中正确的是()a传感器一般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，所以利用电磁感应现象工作的动圈式话筒也是传感器解析：选acd根据传感器的概念和工作原理可以判断a、c正确b选项中不一定把非电学量转化为电路的通断，还有其他的表现形式，故b错误动圈式话筒利用电磁感应将声音转化为电流，是传感器，d正确2(多选)美国科学家willard sboyle与george esmith因电荷耦合器件(ccd)的重要发明荣获2009年度诺贝尔物理学奖ccd是将光学量转变成电学量的传感器下列器件可作为传感器的有()a发光二极管b热敏电阻c霍尔元件 d干电池解析：选bc发光二极管有单向导电性，a错；热敏电阻和霍尔元件都可作为传感器，b、c对；干电池是电源，d错3夜间，居民楼的楼道里只是偶尔有人经过，“长明灯”会造成浪费科研人员利用“光敏”材料制成“光控开关”天黑时自动闭合，天亮时自动断开；利用“声敏”材料制成“声控开关”当有人走动发出声音时自动闭合，无人走动时自动断开若将这两种开关配合使用，就可以使楼道里的灯变得“聪明”这种“聪明”的电路是图中的()解析：选d在白天，一般是不需要灯照明的；天黑以后，特别是夜深人静时，一般也是不需要灯照明的，也就是说天黑且人在楼道里走动时需要照明对于选项a，“声控开关”闭合时，发生短路；对于选项b，不管是“光控开关”，还是“声控开关”各自闭合都能让灯发光，节能的目的达不到；对于选项c，“光控开关”闭合时，发生短路；对于选项d，“光控开关”与“声控开关”同时闭合时，灯才亮，所以达到了节能的目的4如图是一个火警报警装置的逻辑电路图，rt是一个热敏电阻，低温时电阻值很大，高温时电阻值很小，r是一个阻值较小的分压电阻(1)要做到低温时电铃不响，火警时产生高温，电铃响起，在图中虚线处应接入怎样的元件？(2)为什么高温时电铃会被接通？(3)为了提高该电路的灵敏度，即报警温度调得稍低些，r的值应大一些还是小一些？解析：(1)温度较低时rt的阻值很大，r比rt小得多，因此p、x之间电压较大要求此时电铃不响，表明输出给电铃的电压应该较小，输入与输出相反，可见虚线处元件应是“非”门(2)高温时rt的阻值减小，p、x之间电压降低，输入低电压时，从“非”门输出的是高电压，电铃响起(3)由前面分析可知，若r较大，由于它的分压作用，rt两端的电压降低，则外界温度不太高时，就能使p、x之间电压降低到低电压输入，电铃就能发声，因此r较大时，反应较灵敏答案：见解析5如图甲为在温度为10 左右的环境中工作的某自动恒温箱原理简图，箱内的电阻r120 k，r210 k，r340 k，rt为热敏电阻，它的电阻随温度变化的图线如图乙所示当a、b端电压uab0时，电压鉴别器使s断开，停止加热，恒温箱内的温度恒定在多少？解析：设电路两端电压为u，当uab0时，根据串联电路分压规律有r1r3，解得rt20 k，由图乙可知，当rt20 k时，t35 答案：35 课时作业一、单项选择题1关于传感器的下列说法中正确的有()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传感器主要是通过感知电压的变化来传递信号的d以上说法都不正确解析：选b半导体材料可以制成传感器，其他材料也可以制成传感器，如金属氧化物氧化锰就可以制成温度计，所以选项a错误，b正确；传感器不但能感知电压的变化，还能感知力、温度、光、声、化学成分等非电学量的变化，所以选项c错误2传感器根据检测量的不同，可以分为物理型、化学型和生物型三类下列说法中正确的是()a物理型传感器就是能把被测量量转换成物理量的传感器b化学型传感器就是能把被测量量转换成化学量的传感器c生物型传感器就是能把被测量量转换成生物量的传感器d能把化学物质的成分、浓度等化学量转换成电学量的传感器是化学传感器解析：选d物理型、化学型和生物型传感器都是把被测量量转换成电流、电压、电容等电学量的传感器，它们的区别在于物理型传感器检测的是非电学的物理量，化学型传感器检测的是化学物质的成分、浓度等化学量，而生物型传感器则是利用生物机体组织的各种效应来制成的3如图所示，将一光敏电阻连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，可判断()a b d不能确定和的关系解析：选b光敏电阻的阻值随光照强度的增强而减小，开始时有光照射，光敏电阻的阻值较小，当用手掌挡住部分光线时，光敏电阻的阻值增大，因为欧姆表的零刻度在表盘的右侧，所以欧姆表测电阻时，阻值越大，指针张角越小，所以选项b正确4如图所示为一测定液面高低的传感器示意图，a为固定的导体芯，b为导体芯外面的一层绝缘物质，c为导电液体，把传感器接到图示电路中，已知灵敏电流表指针偏转方向与电流方向相同如果发现指针正向右偏转，则导电液体深度h的变化为()a正在增大 b正在减小c不变 d无法确定解析：选b由电源极性及电流方向可知，a、b构成的电容器上的电荷量减小，据c，电容c在减小，可推知正对面积s减小，即h在减小故选b5如图是一火警报警装置的一部分电路示意图，其中r2是半导体热敏传感器，它的电阻随温度升高而减小，a、b接报警器当传感器r2所在处出现火情时，电流表的电流i和a、b两端电压u与出现火情前相比()ai变大，u变大 bi变小，u变小ci变小，u变大 di变大，u变小解析：选d当r2随温度升高而减小时，电路的总电阻减小，总电流增大，电源两端的电压减小，r1两端的电压增大，r3两端的电压减小，r3的电流减小，r2的电流增大故d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，l为小灯泡，当温度降低时()ar1两端的电压增大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cr2与l并联后与r1串联，并与电源组成闭合回路，当热敏电阻温度降低时，电阻r2增大，外电阻增大，外电压增大，电流表示数减小，r1两端电压减小，l两端电压增大，亮度变强，答案为c二、多项选择题7有些热敏电阻的材料是正温度系数的，对此，下列理解正确的是()a正温度系数的热敏材料只对0 以上的温度敏感b正温度系数的热敏材料的电阻随着温度的上升而正比例增加c正温度系数的热敏材料的电阻随着温度的上升而增加d正温度系数的热敏材料的电阻也会随着温度的降低而减小解析：选cd正温度系数的热敏材料的电阻随着温度的上升而增加，而不一定是正比例增加，更不是只对0 以上的温度敏感，其“正”字指其阻值与温度同方向变化，既然正温度系数的热敏材料的电阻能随着温度的上升而增加，也能随着温度的降低而减少8计算机光驱的主要部分是激光头，它可以发射脉冲激光信号，激光扫描光盘时，激光头利用光敏电阻自动计数器将反射回来的脉冲信号传输给信号处理系统，再通过计算机显示出相应信息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()a当有光照射r1时，处理系统获得低电压b当有光照射r1时，处理系统获得高电压c信号处理系统每获得一次低电压就计数一次d信号处理系统每获得一次高电压就计数一次解析：选bd当光敏电阻有光照射时，电阻减小，故当有光照射r1时，r1减小，则电阻r2上的电压变大，故处理系统获得高电压，选项b正确，a错误；信号处理系统每获得一次高电压就计数一次，故c错误，d正确9有定值电阻、光敏电阻、热敏电阻三只元件分别接入如图所示电路中a、b两点后，用黑纸包住元件置于热水中，观察欧姆表的示数，下列说法中正确的是()a置于热水中与不置于热水中相比，欧姆表示数变化较大，这只元件一定是热敏电阻b置于热水中与不置于热水中相比，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：选ac热敏电阻的阻值随温度变化，定值电阻和光敏电阻的阻值不随温度变化，光敏电阻的阻值随光照条件变化定值电阻和热敏电阻的阻值不随光照条件变化10如图所示是用光敏电阻ldr和灯泡制成的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该仪器的使用会因为白天和晚上受到影响解析：选ad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