【同步】高中物理鲁科版(2019)选择性必修2：第5章第1节常见传感器的工作原理课件

第5章第1节常见传感器的工作原理学习目标思维导图1.知道什么是传感器,感受传感器的作用和意义。(物理观念)2.知道光敏元件、热敏元件和磁敏元件,了解它们的用途。(科学思维)3.知道非电学量转换成电学量的技术意义。(科学思维)基础落实·必备知识全过关重难探究·能力素养全提升目录索引

学以致用·随堂检测全达标基础落实·必备知识全过关一、初识传感器1.传感器:能够感受

,并将其按照一定的规律转换成

(主要是

)的器件或装置。

2.传感器功能:传感器通常用在自动测量和自动控制系统中,担负着信息

和

任务,把

量转化为

量。

想一想为什么传感器一般都是将感受到的非电学量转换成电学量呢?外界信息

可用输出信号电信号采集转化非电学电学提示

电学量具有易测量,易控制,测量精度和速度较高,易放大、反馈、存储和可远距离传输等特点。特别是电信号能方便地与计算机连接而进行信息处理,所以传感器一般都是将感受到的非电学量转换成电学量。二、敏感元件1.光敏元件(1)特点:光照越强,电阻

。

(2)原因:光敏电阻的构成物质为半导体材料。当光照射到这些半导体物质上时,会激发半导体内部受束缚的电子,其电阻值就会发生改变。光照越强,被激发的电子数就

,电阻值就

。

越小越多越小2.热敏元件(1)热敏电阻热敏电阻是利用半导体的电阻会随温度的变化而变化的特性制成的。(2)两种热敏电阻:在工作温度范围内,电阻值随温度升高而

的是正温度系数(PTC)热敏电阻;电阻值随温度升高而

的是负温度系数(NTC)热敏电阻。

3.磁敏元件(1)霍尔元件是根据

材料的

效应制成的一种磁敏元件。

(2)霍尔元件可将

的测量转化为

的测量。

增大减小半导体霍尔磁感应强度电压想一想热敏电阻和金属热电阻都能把温度这个热学量转换为电阻这个电学量吗?提示

热敏电阻和金属热电阻都能把温度这个热学量转换为电阻这个电学量。易错辨析

判一判(1)传感器的作用是将电学量转换为非电学量。(

)(2)监测天气变化的气象卫星用到了传感器。(

)(3)所有传感器的工作原理都一样。(

)(4)传感器内部一定有某种转换元件。(

)×提示

传感器的作用是将非电学量转换为电学量。

√×提示

不同的传感器的原理不同,但都是通过敏感元件把非电学量的变化转变为电学量的变化。√即学即用

练一练1.下列有关传感器的说法正确的是(

)A.话筒是一种常用的声传感器,其作用是将电信号转换为声信号B.楼梯口的电灯开关装的两种传感器是热敏电阻和光敏电阻C.电子秤所使用的测力装置是力传感器D.半导体热敏电阻常用作温度传感器,因为温度越高,它的电阻值越大C解析

话筒是一种常用的声传感器,其作用是将声信号转换为电信号,故A错误;楼梯口的电灯开关装的两种传感器是声敏电阻和光敏电阻,故B错误;电子秤所使用的测力装置是压力传感器,故C正确;有些半导体热敏电阻的阻值随温度的升高而降低,故D错误。2.传感器已广泛应用在生产、生活中,下列关于传感器的说法正确的是(

)A.火警报警器使用了压力传感器B.冰箱控温系统使用了温度传感器C.商场里的自动门使用了光传感器D.夜间自动打开的路灯使用了温度传感器B解析

火警报警器使用了温度传感器,故A错误;冰箱控温系统使用了温度传感器,故B正确;一般人体都有恒定的体温,所以会发出特定波长的红外线,被动式红外探头就是靠探测人体发射的红外线而进行工作的,人走向门口时,门会自动打开,是因为安装了红外线传感器,从而能感知红外线,使门打开,故C错误;灯要求夜晚亮、白天熄,而白天有光,黑夜没有光,所以夜间自动打开的路灯是利用光电传感器,故D错误。重难探究·能力素养全提升探究一初识传感器情境探究为解决楼道里的照明问题,在楼道内安装一个传感器与控制电灯的电路连接。当楼道内有人走动而发出声响时,电灯即与电源接通而发光。(1)这种传感器是什么传感器?(2)它的输入信号是什么?(3)它的输出信号是什么?要点提示

(1)这种传感器是声电传感器。(2)它输入的是声信号。(3)输出的是电信号。知识归纳1.传感器感受的通常是非电学量,如压力、温度、位移、浓度、速度、酸碱度等,而它输出的通常是电学量,如电压、电流、电荷量等,这些输出信号是非常微弱的,通常要经过放大后再输送给控制系统产生各种控制动作。2.传感器的工作原理如下所示:非电学量→电学量

闪光语录

传感器的发展十分迅速,其品种已达数万种,我们学习了解的只是最基本的几种而已。应用体验典例1

传感器可以进行信息采集并把采集到的信息转换为易于控制的量,其工作过程可能是(

)A.将力学量(如形变量)转换成磁学量B.将电学量转换成热学量C.将光学量转换成电学量D.将电学量转换成力学量C解析

传感器是指能够感受诸如力、温度、光、声、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控制电路的通断的一类元件,故只有C项正确。针对训练1(2023广东东莞东华高级中学模拟)电容式传感器的原理图如图所示,其中某个量的变化能够引起电容的变化,现通过测定电容就可以确定上述物理量的变化。下列说法正确的是(

)A.传感器是通过电容的变化确定液面高度的变化B.传感器是通过电容的变化确定电介质厚度的变化C.液面升高,则电容器的介电常数变大D.液面升高,则电容器的正对面积变小A解析

由传感器原理图可知,液体高度变化,引起电容器的正对面积变化,从而引起电容的变化,A项正确,B项错误;电容器的介电常数由材料决定,液面升高,电容器的介电常数不变,C项错误;液面升高,电容器的正对面积变大,D项错误。探究二光敏元件情境探究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。(1)当光被产品挡住时,R1电阻怎样变化?(2)当光被产品挡住时,电路中电流怎样变化?(3)当光被产品挡住时,R2两端电压怎样变化?(4)此光电计数器为什么能计数?要点提示

(1)增大。(2)减小。(3)减小。(4)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。知识归纳1.光敏电阻的导电特性:光敏电阻一般由半导体材料做成,当半导体材料受到光照时,会有更多的电子获得能量成为自由电子,于是导电性能明显增强。2.光敏电阻特性验证实验设计(1)实验器材:光敏电阻、多用电表、导线、开关。(2)实验步骤①用多用电表欧姆挡两表笔与光敏电阻两端连接,测光敏电阻的阻值,如图所示;②手张开(或用黑纸)放在光敏电阻上,挡住部分光线,再测光敏电阻的阻值;③全部挡住光线,再测光敏电阻的阻值。(3)实验结论:光敏电阻的阻值随光照强度的减弱而增大,而且阻值的变化是非线性的。闪光语录

由光敏电阻的特性曲线可以看出,当入射光线增强时,光敏电阻的阻值减小,流过光敏电阻的电流增大。应用体验典例2

(多选)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AD解析

严重污染时,透过污水照到LDR上的光线较少,LDR电阻较大,A正确,B错误;LDR由半导体材料制成,受光照影响电阻会发生变化,C错误;白天和晚上自然光强弱不同,或多或少会影响LDR的电阻,D正确。规律方法

光敏电阻的特点1.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。2.光敏电阻器是利用半导体的光敏效应制成的一种电阻值随入射光的强弱而改变的电阻器。入射光增强,电阻减小;入射光减弱,电阻增大。针对训练2(多选)如图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(

)A.当有人通过而遮住光线时,A、B之间电压升高B.当有人通过而遮住光线时,A、B之间电压降低C.当仅增大R2的阻值时,可增大A、B之间的电压D.当仅减小R2的阻值时,可增大A、B之间的电压BC解析

R1是光敏电阻,当有人通过而遮住光线时,R1的阻值变大,回路中的电流I减小,A、B间的电压U=IR2减小,故A项错误,B项正确;由闭合电路欧姆定律得U=E-I(R1+r),当仅增大R2的阻值时,电路中的电流减小,A、B间的电压U增大,故C项正确;当减小R2的阻值时,电路中的电流增大,A、B间的电压U减小,故D项错误。探究三热敏元件情境探究如图所示,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。(1)若在RT上擦一些酒精,表针将如何偏转?(2)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

(1)由于酒精蒸发,热敏电阻RT温度降低,电阻值增大,表针将向左偏;(2)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,表针将向右偏。知识归纳1.热敏电阻:指用半导体材料制成,电阻值随温度变化发生明显变化的电阻。如图线①所示为某热敏电阻的电阻—温度特性曲线。2.金属热电阻:有些金属的电阻率随温度的升高而增大,如图线②所示,这样的电阻也可以制作温度传感器。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,但相比而言,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.光敏电阻、热敏电阻特点对比

元件特点光敏电阻半导体材料受到的光照增强时,会有更多的电子获得能量成为自由电子,于是导电性明显地增强,电阻减小热敏电阻对于负温度系数的热敏电阻,温度升高时,有更多的电子获得能量成为自由电子,于是导电性明显地增强,电阻减小闪光语录

热敏电阻与金属热电阻的区别元件热敏电阻金属热电阻特点电阻随温度的变化而变化且非常明显电阻率随温度的升高而增大制作材料半导体金属导体优点灵敏度好化学稳定性好,测温范围大作用能够将温度这个热学量转换为电阻这个电学量应用体验典例3

如图所示是一火警报警器的一部分电路示意图,其中RT为用半导体热敏电阻(阻值随温度的升高而减小)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RT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(

)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B解析

当RT处出现火情时,热敏电阻的阻值将减小,则此时电路中的总电阻减小,由闭合电路欧姆定律可知,电路中的总电流增大,路端电压将减小,所以R1两端的电压增大,并联部分的电压减小,通过R2的电流I变小,所以显示器的电流I变小,报警器的电压U变小,故选B。规律方法

含有热敏电阻的电路的动态分析顺序

针对训练3如图所示,R为定值电阻,RT为负温度系数的热敏电阻,L为小灯泡,当温度降低时(

)A.R两端的电压增大B.电流表的示数增大C.小灯泡的亮度变亮D.小灯泡的亮度变暗C解析

RT与小灯泡并联后再与R串联,和电源构成闭合电路,当温度降低时,热敏电阻RT的阻值增大,外电路电阻增大,电流表示数变小,R两端电压减小,小灯泡两端电压增大,小灯泡亮度变亮,故C正确,A、B、D错误。探究四磁敏元件情境探究霍尔效应是电磁效应的一种,这一现象是美国物理学家霍尔于1879年在研究金属的导电机制时发现的。霍尔元件是磁传感器,是实际生活中的重要元件之一。如图所示为长度一定的霍尔元件,在该元件中通有方向从E到F的恒定电流I,现在空间加一竖直向下的匀强磁场,磁感应强度大小为B,其中元件中的载流子为带负电的电荷。(1)霍尔元件能够把磁学量转换为什么量?(2)左、右表面的电势哪个表面高?(3)如果用该元件测赤道处的磁场,保持平面呈水平状态有电压产生吗?(4)如果在霍尔元件中的电流大小不变,则左右表面的电势差与磁场的磁感应强度成正比吗?要点提示

(1)霍尔元件能够把磁学量转换为电学量。(2)由于元件中的载流子为带负电的电荷,则负电荷的运动方向由F到E,由左手定则可知负电荷向左表面偏转,则右表面的电势高。(3)如果用该元件测赤道处的磁场,由于地磁场与水平面平行,因此如果霍尔元件的平面保持水平,则无电压产生。知识归纳1.霍尔元件能把磁感应强度这个磁学量转换为电压这个电学量。2.霍尔元件是根据半导体材料的霍尔效应制成的一种磁敏元件。一般用于电机中测定转子转速,如录像机的磁鼓,电脑中的散热风扇等,已发展成一个品种多样的磁传感器产品族,并已得到广泛的应用。闪光语录

霍尔元件具有许多优点,它们的结构牢固,体积小,重量轻,寿命长,安装方便,功耗小,频率高(可达1

MHz),耐震动,不怕灰尘、油污、水汽及盐雾等的污染或腐蚀。应用体验典例4

(多选)某霍尔元件的工作原理示意图如图所示,该元件中电流I由正电荷的定向运动形成。下列说法正确的是(

)A.M点电势比N点电势高B.用霍尔元件可以测量地磁场的磁感应强度C.用霍尔元件能够把磁学量转换为电学量D.若保持电流I恒定,则霍尔电压UH与B成正比BCD

解析

当正电荷定向运动形成电流时,正电荷在洛伦兹力作用下向N极聚集,M极感应出等量的负电荷,所以M点电势比N点电势低,选项A错误;根据霍尔元件的特点可知,选项B、C正确;因霍尔电压

,保持电流I恒定时,霍尔电压UH与B成正比,选项D正确。规律方法

霍尔元件的应用1.将霍尔元件放在磁场中,外部磁场就会使运动的载流子受到洛伦兹力的作用,在导体板的一侧聚集一种电荷,在导体板的另一侧相应出现多余的另一种电荷,从而形成横向电场。2.横向电场对载流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,导体板的左右两侧形成稳定的电压,即qE=qvB,此方程是解决涉及霍尔效应问题的重要依据。3.明确载流子是带正电还是带负电,并利用左手定则判断载流子的受力方向。针对训练4(多选)霍尔元件的示意图如图所示,一块通电的铜板放在磁场中,铜板的前、后板面垂直于磁场,板内通有如图方向的电流,a、b是铜板上、下边缘的两点,则(

)A.电势φa>φbB.电势φb>φaC.B一定,电流增大时,|φa-φb|增大D.其他条件不变,将铜板改为NaCl溶液时,电势结果仍然一样AC解析

铜板中的自由电荷是电子,电子定向移动的方向与电流的方向相反,由左手定则可判断出电子因受洛伦兹力作用向b侧偏转,所以φa>φb,A正确,B错误;因

,所以B一定,电流增大时,|φa-φb|增大,C正确;若将铜板改为NaCl溶液,溶液中的正、负离子均向b侧偏转,|φa-φb|=0,即不产生霍尔效应,故D选项错误。学以致用·随堂检测全达标12341.会议室和宾馆房间的天花板上装有的火灾报警器的结构原理图如图所示。罩内装有发光二极管LED、光电三极管和不透明的挡板。平时光电三极管接收不到LED发出的光,呈现高电阻状态,发生火灾时,下列说法正确的是(

)A.进入罩内的烟雾遮挡了光线,使光电三极管电阻更大,检测电路检测出变化发出警报B.发生火灾时,光电三极管温度升高,电阻变小,检测电路检测出变化发出警报C.发生火灾时,进入罩内的烟雾对光有散射作用,部分光线照到光电三极管上,电阻变小,发出警报D.以上说法均不正确C1234解析

由报警器的原理可知,发生火灾时烟雾进入罩内,使光发生散射,部分光线照在三极管上,电阻变小,与传感器相连的电路检测出这种变化,发出警报,C正确。12342.(多选)电容式话筒的工作原理如图所示。D是绝缘支架,薄金属膜M和固定电极N形成一个电容器,被直流电源充电,当声波使膜片振动时,电容发生变化,电路中形成变化的电流。当膜片向右运动的过程中有(

)A.电容变大B.电容变小C.导线AB中有向左的电流D.导线AB中有向右的电流AC解析

当膜片向右运动的过程中,相当于电容器两板间距d变小,由

可知,选项A正确,B错误;由