2024-2025学年高中物理第三章传感器2温度传感器和光传感器学案教科版选修3-2

PAGE15-温度传感器和光传感器目标导航核心素养1.了解双金属片、热电阻和热敏电阻传感器的特性和工作原理。2.知道光传感器的工作原理和实际应用。3.体会温度传感器和光传感器如何将非电信息转化为电信息以及在应用中的设计思路。物理观念:热敏电阻、光敏电阻科学探究:通过试验知道热敏电阻、光敏电阻的特性科学思维:图像法科学看法与责任:知道火灾报警器在现实生活的重要作用必备学问·自主学习一、温度传感器1.热双金属片温度传感器:(1)原理:不同金属的膨胀系数不同,将两种膨胀系数相差较大的不同金属片焊接或轧制成为一体后,温度上升时,由于两面金属膨胀程度不同,双金属片受热变形,并且向膨胀系数小的一方弯曲。(2)应用:日光灯启动器,电机过热爱护器等。2.热电阻传感器:(1)原理:金属丝的电阻随温度上升而增大。(2)电阻与温度的关系:R=R0(1+θt)。(3)应用:测温度、测流量。3.热敏电阻传感器:(1)NTC热敏电阻:温度上升,电阻减小。常用于测温、温度限制或过热爱护。(2)PTC热敏电阻:温度上升,电阻增大。在某个特定温度旁边时电阻急剧变更,适用于制成热爱护开关。二、光传感器(1)光敏电阻是靠什么导电的?(2)光敏电阻的阻值随光强如何变更?提示:(1)制作光敏电阻的材料是半导体,半导体是靠空穴和自由电子即载流子导电的。(2)光敏电阻的阻值随光线的强弱而变更,光照越强电阻越小。1.作用:光传感器是转换光信号的传感器。2.原理:有些金属或半导体材料,在电路中受到光照时,产生电流或电压,实现光信号向电信号的转化。3.应用:自动门、光电式烟尘浓度计、光电式转速表。关键实力·合作学习学问点一光敏电阻的特性1.探究光敏电阻的特性:(1)试验器材:电压直流电源、滑动变阻器、小灯泡、多用电表、光敏电阻、导线、黑纸。(2)试验步骤:①将光敏电阻、多用电表、小灯泡、滑动变阻器按如图所示电路连接好,并将多用电表置于“×100”②先测出在室内自然光的照耀下光敏电阻的阻值,并记录数据。③打开电源,让小灯泡发光,调整小灯泡的亮度使之渐渐变亮,视察表盘指针显示电阻阻值的状况,并记录。④用黑纸遮光,视察表盘指针显示电阻阻值的状况,并记录。(3)数据处理:把记录的结果填入表中,依据记录数据分析光敏电阻的特性。光照强度弱中强无光照耀阻值/Ω结论:光敏电阻的阻值被光照耀时发生变更,光照增加电阻变小,光照减弱电阻变大。2.相识光敏电阻:(1)光敏电阻的材料是一种半导体,无光照时,载流子极少,导电性能不好;随着光照的增加,载流子增多,导电性能变好。(2)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。它就像人的眼睛,可以看到光线的强弱。光线愈强,阻值愈低。一般光敏电阻的阻值在不受光照时是受光照时的100～1000倍。(3)光敏电阻灵敏度高、体积小、重量轻、性能稳定、价格便宜,因此在自动化技术中应用特别广泛。3.光传感器的应用——火灾报警器:(1)如图所示为利用烟雾对光的散射来工作的一种火灾报警器,其工作原理是:带孔的罩子内装有发光二极管LED、光电三极管和不透亮的挡板。平常,光电三极管收不到LED发出的光,呈现高电阻状态。(2)烟雾进入罩内后对光有散射作用,使部分光线照耀到光电三极管上,其电阻变小。与传感器连接的电路检测出这种变更,就会发出警报。光敏电阻的导电特性【典例】机器人装有作为眼睛的“传感器”,如同大脑的“限制器”,以及可以行走的“执行器”,在它遇到障碍物前会自动避让并刚好转弯。下列有关该机器人“眼睛”的说法中正确的是 ()A.该机器人“眼睛”利用了光传感器B.该机器人“眼睛”利用了力传感器C.该机器人“眼睛”利用了温度传感器D.该机器人“眼睛”利用了声音传感器【解析】选A。遇到障碍物会绕开,说明该机器人“眼睛”利用了光传感器,故选A。1.街道旁的路灯利用半导体的电学特性制成了白天自动熄灭,夜晚自动点亮的装置,该装置的工作原理是应用了半导体的 ()A.热敏性 B.压敏性C.光敏性 D.三个特性同时应用【解析】选C。路灯要求夜晚亮、白天熄。白天有光,黑夜没有光,则是由光导致电路的电流变更,所以电路中光传感器导致电阻变更,实现自动限制,因此是利用半导体的光敏性,故C正确、A、B、D错误。故选C。2.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.当有人通过而遮挡光线时,A、B之间电压上升B.当有人通过而遮挡光线时,A、B之间电压降低C.当仅增大R2的阻值时,可减小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【解析】选B。R1是光敏电阻,有光照耀时,电阻变小,当有人通过遮挡光线时,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项错误;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。3.光传感器是一种传感装置,在自动限制中发挥着重要作用,主要是应用了半导体材料制成的光敏电阻,某试验小组用光敏电阻做试验:(1)为了探讨光敏电阻在室内正常光照耀和室外强光源照耀时电阻的大小关系,用图甲所示电路进行试验,得出两种U-I图线如图乙所示。依据U-I图线可知正常光照耀时间敏电阻阻值为Ω,强光源照耀时电阻为Ω;

(2)若试验中所用电压表的内阻约为7kΩ,毫安表的内阻约为300Ω,考虑到电表内阻对试验结果的影响,为了减小误差,用图甲所示电路进行试验,用(选填“正常光”或“强光”)照耀时测得的电阻误差较小;

(3)在下列有关其他电阻应用的说法中,正确的是。

A.热敏电阻可应用于温度测控装置中B.光敏电阻是一种光电传感器C.电阻丝可应用于电热设备中D.电阻在电路中主要起到通过直流、阻碍沟通的作用【解析】(1)因为光敏电阻的阻值随光照强度的上升而减小,故由乙图可知b图像是强光源照耀,a图像是正常光照耀,故Ra=6000Ω,Rb=400Ω;(2)用图甲所示电路进行试验,毫安表采纳的是内接法,强光照耀时,光敏电阻与毫安表的内阻相差不大,这样两者电压相差不大,故造成误差大;而正常光照时,光敏电阻远大于毫安表的内阻,毫安表分得电压较小,误差较小。(3)热敏电阻对温度很敏感,光敏电阻对光照很敏感,电阻丝可用于电加热,这很常见,选项A、B、C正确;沟通电、直流电均可通过电阻,电阻对它们均可产生阻碍作用,选项D错误。答案:(1)6000400(2)正常光(3)A、B、C【加固训练】1.利用光敏电阻制作的光传感器,记录了传送带上工件的输送状况,如图甲所示为某工厂成品包装车间的光传感记录器,光传感器B能接收到发光元件A发出的光,每当工件拦住A发出的光时,光传感器就输出一个电信号,并在屏幕上显示出电信号与时间的关系,如图乙所示。若传送带始终匀速运动,每两个工件间的距离为0.2m,A.传送带运动的速度是0.1B.传送带运动的速度是0.4m/sC.该传送带每小时输送3D.该传送带每小时输送7200个工件【解析】选C。从图乙可以知道:每间隔1s的时间光传感器就输出一个电信号,而在这一段时间内传送带运动了两个工件之间的距离,所以传送带运动的速度是v=m/s=0.2m/s。故A、B错误;传送带每小时传送的距离为s=vt=0.2×3600m=720m,工件个数为n==3600个2.(多选)如图所示,R是光敏电阻,当它受到的光照强度增大时 ()A.灯泡L变暗B.光敏电阻R上的电压增大C.电压表V的读数减小D.电容器C的带电荷量增大【解析】选C、D。当光照强度增大时,光敏电阻阻值减小,外电路总电阻减小,依据欧姆定律得知,总电流I增大,灯泡变亮,故A错误;电流增大,电源内阻所占电压增大,路端电压减小,所以电压表的示数减小,而灯泡两端电压增大,所以光敏电阻R上的电压减小,故B错误,C正确;灯泡两端电压,即电容器两端电压增大,依据Q=UC可知,电容器C的带电量增大,故D正确,故选C、D。3.如图所示的电路中,R为光敏电阻(增大照耀光的强度电阻会减小)、C为电容器,灯泡L的额定电压为50V,志向变压器原、副线圈的匝数比为2∶1。闭合电键S,在a、b两端输入正弦交变电压U=100sin10πt(V),则下列说法正确的是 ()A.灯泡会正常发光B.光敏电阻中的电流和灯泡中的电流相等C.增大照耀光的强度照耀光敏电阻,灯泡会变亮D.断开电键S,灯泡会熄灭【解析】选C。由题可知,原线圈两端的电压的有效值为100V,依据变压比,副线圈两端的电压为50V,由于电容器和电阻都会阻碍电流,因此灯泡两端的电压小于50V,不会正常发光,A错误;由于电容器能通沟通电,因此电阻R中的电流小于灯泡中的电流,B错误;增大照耀光的强度照耀光敏电阻,光敏电阻的阻值减小,对电流的阻碍减小,因此灯泡中的电流增大,灯泡会变亮,C正确;断开电键S,由于电容器能通过沟通电,因此灯泡不会熄灭,D错误。故选C。学问点二热敏电阻的特性1.探究热敏电阻:(1)试验器材:热敏电阻、多用电表、铁架台、烧杯、冷水、热水、导线等。(2)试验步骤:①按图连接好电路,将热敏电阻绝缘处理。②把多用电表置于“欧姆”挡,并选择合适的挡位测出烧杯中没有水时热敏电阻的阻值,并登记此时温度计的示数。③向烧杯中注入少量的冷水,使热敏电阻浸没在冷水中,登记温度计的示数和多用电表测量的热敏电阻的阻值。④将热水分几次注入烧杯中,测出不同温度下热敏电阻的阻值,并记录。(3)数据处理:①依据记录数据,把测量到的温度值和电阻值填入表中,分析热敏电阻的特性。次数温度/℃电阻/Ω②在坐标系中,粗略画出热敏电阻的阻值随温度变更的图线。2.金属热电阻和热敏电阻:金属热电阻的电阻率随温度的上升而增大,用金属丝可以制作温度传感器,称为热电阻。它能把温度这个热学量转换为电阻这个电学量。热敏电阻的电阻率则可以随温度的上升而上升或降低。热敏电阻主要有两种:(1)正温度系数热敏电阻(PTC):指在某一温度下电阻急剧增加、具有正温度系数的热敏电阻,可特地用作恒定温度传感器(甲图)。(2)负温度系数热敏电阻(NTC):指随温度的上升电阻呈指数关系减小、具有负温度系数的热敏电阻(乙图)。3.热敏电阻的应用:(1)热敏电阻是开发早、种类多、发展较成熟的敏感元件。热敏电阻由半导体陶瓷材料组成,利用的原理是温度引起电阻变更,由于半导体热敏电阻有独特的性能,所以在应用方面,它不仅可以作为测量元件(如测量温度、流量、液位等),还可以作为限制元件(如热敏开关、限流器)和电路补偿元件。(2)热敏电阻广泛用于家用电器、电力工业、通讯、军事科学、宇航等多个领域,发展前景极其广袤。【典例】某同学通过试验探究热敏电阻阻值随温度的变更规律,他得到了该热敏电阻的伏安特性曲线图甲。(1)由图可知,热敏电阻的阻值随温度上升而。(选填“变大”或“变小”)

(2)他将这个热敏电阻接入图乙所示的电路中,其中R1为定值电阻,R2为该热敏电阻,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】(1)电阻的定义式为R=,则可知I-U图线的斜率的倒数等于电阻大小。由题图甲可以看出,随着电压上升,电阻温度上升,电阻变小。(2)R2与灯L并联后与R1串联,与电源构成闭合电路,当热敏电阻温度降低时,电阻增大,外电路电阻增大,电流表读数变小,灯L两端电压增大,灯泡亮度变强,R1两端电压减小,故A、B、D错误,C正确。答案:(1)变小(2)C1.如图所示,由电源、小灯泡、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,发觉小灯泡亮度变暗,发生这一现象的主要缘由是 ()A.小灯泡的电阻发生了变更B.小灯泡灯丝的电阻率随温度发生了变更C.电阻丝的电阻率随温度发生了变更D.电源的电压随温度发生了变更【解析】选C。电阻丝的电阻率随温度的上升而增大,电阻也增大,依据P=知,小灯泡的实际功率减小,所以变暗,C正确。2.(2024·武汉高二检测)某同学利用热敏电阻设计了一个“过热自动报警电路”,如图甲所示。将热敏电阻R安装在须要探测温度的地方,当环境温度正常时,继电器的上触点接触,下触点分别,指示灯亮;当环境温度超过某一值时,继电器的下触点接触,上触点分别,警铃响。图甲中继电器的供电电压U1=3V,继电器线圈用漆包线绕成,其电阻R0为40Ω。当线圈中的电流大于等于50mA时,继电器的衔铁将被吸合,警铃响。图乙是热敏电阻的阻值随温度变更的图像。(1)图甲中警铃的接线柱C应与接线柱相连,指示灯的接线柱D应与接线柱相连(均选填“A”或“B”);

(2)当环境温度上升时,热敏电阻阻值将,继电器的磁性将(均选填“增大”“减小”或“不变”),当环境温度达到℃时,警铃报警;

(3)假如要使报警电路在更低的温度就报警,下列方案可行的是 ()A.适当减小U1 B.适当增大U1C.适当减小U2 D.适当增大U2【解析】(1)由题意可知,当环境温度超过某一值时,继电器的下触点接触,上触点分别,警铃响,所以图甲中警铃的接线柱C应与接线柱B相连;当环境温度正常时,继电器的上触点接触,下触点分别,指示灯亮,所以指示灯的接线柱D应与接线柱A相连。(2)由图乙可知,当环境温度上升时,热敏电阻阻值减小,电压不变,电流将增大,对应继电器的磁性将增大;由题意可知,当线圈中的电流大于等于50mA时,继电器的衔铁将被吸合,警铃响。当电流等于50mA时,热敏电阻的阻值为R=-R0=20Ω,则由图乙可知,当热敏电阻阻值为20Ω时,温度为100℃。(3)由图乙可知,温度越低,对应热敏电阻的阻值越大,则由R=-R0可知,电流不变,要使R增大,U1须要适当增大,所以要使报警电路在更低的温度就报警,应当适当增大U1,故B正确、A错误;U2是为指示灯供应电能,所以变更报警器的报警温度与U2无关,故C、D错误。故选B。答案:(1)BA(2)减小增大100(3)B【加固训练】1.有一热敏电阻的电阻值在t1～t4的温度变更范围内,R-t图像如图所示。现将该热敏电阻接在欧姆表的两表笔上,做成一个电阻温度计。为了便于读数,再把欧姆表上的电阻值转换成温度值。现在要使该温度计对温度的变更反应较为灵敏,那么该温度计测量哪段范围内的温度较为相宜(设在t1～t4温度范围内,欧姆表的倍率不变) ()A.t1～t2B.t2～t3C.t3～t4D.【解析】选B。由题图可知热敏电阻的电阻值随温度的上升而增大,在t2～t3温度范围内,电阻值随温度的变更较大,即电阻值对温度的变更较为灵敏,故选B。2.如图所示是视察电阻值随温度变更状况的示意图。现把杯中的水由冷水变为热水,关于欧姆表的读数变更状况正确的是(设水对电阻阻值的影响不计)()A.假如R为金属热电阻,读数变大,且变更特别明显B.假如R为金属热电阻,读数变小,且变更不明显C.假如R为热敏电阻(用半导体材料制成),读数变更特别明显D.假如R为热敏电阻(用半导体材料制成),读数变更不明显【解析】选C。金属热电阻的阻值随温度的上升而增大,但灵敏度较差。而热敏电阻(用半导体材料制成)灵敏度高,所以选C。【拓展例题】考查内容:传感器的工作原理和常见敏感元件【典例】如图所示为某一热敏电阻(电阻值随温度的变更而变更,且对温度很敏感)的I-U图像。(1)为了通过测量得到如图所示I-U关系的完整曲线,在如图甲所示和如图乙所示两个电路中应选择的是图;简要说明理由:。(电源电动势为9V,内阻不计,滑动变阻器的阻值为0～100Ω)(2)在如图丙所示电路中,电源电压恒为9V,电流表读数为70mA,定值电阻R1=250Ω。由热敏电阻的I-U关系曲线可知,热敏电阻两端的电压为V;电阻R2的阻值为Ω。

【解析】(1)由于I-U图线是从0起先,所以应选择的是图甲。图甲电路电压可从0V调到所需电压,电压调整范围大。(2)由于R2与热敏电阻串联后与R1并联接在9V电源上,总电流I=70mA,R1=250Ω。设通过热敏电阻的电流为I2,通过R1的电流为I1,则I=I1+I2,故I2=I-I1=(70-×103)mA=34mA。由I-U图像查得34mA对应的电压为5.4V,R2两端电压U2=9V-5.4V=3.6V,故R2=Ω≈105.9Ω。答案:(1)甲图甲电路电压可从0V调到所需电压,电压调整范围大(2)5.4105.9课堂检测·素养达标1.关于光敏电阻,下列说法正确的是 ()A.受到光照越强,电阻越小B.受到光照越弱,电阻越小C.它的电阻与光照强弱无关D.以上说法都不正确【解析】选A。光照增加时,光敏电阻中载流体增多,所以导电实力增加,电阻越小,选项A正确。2.如图所示是利用硫化镉制成的光敏电阻自动计数器的示意图,其中A是发光仪器,B是光敏电阻,R是一般定值电阻,下列说法中正确的是 ()A.当传送带上没有物品拦住由A射向B的光信号时,光敏电阻的阻值变小,电压表读数变大B.当传送带上没有物品拦住由A射向B的光信号时,光敏电阻的阻值变大,电压表读数变小C.当传送带上有物品拦住由A射向B的光信号时,光敏电阻的阻值变小,电压表读数变小D.当传送带上有物品拦住由A射向B的光信号时,光敏电阻的阻值变大,电压表读数变大【解析】选D。光敏电阻的阻值与光照强度有关,光照强度越大,光敏电阻阻值越小。当传送带上没有物品拦住由A射向B的光信号时,光敏电阻阻值变小,电路中电流变大,电源内阻上的电压变大,路端电压变小,所以电压表读数变小,选项A、B错误;相反,当传送带上有物品拦住由A射向B的光信号时,光敏电阻的阻值变大,电路中电流变小,电源内阻上的电压变小,路端电压变大,所以电压表读数变大,选项C错误、D正确。3.(多选)下列关于传感器元件的说法正确的是 ()A.热敏电阻或金属热电阻能够把温度这个热学量转换为电阻这个电学量B.热敏电阻与金属热电阻相比,热敏电阻化学稳定性好,灵敏度较差C.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D.霍尔元件能够把磁感应强度这个磁学量转换为电压这个电学量【解析】选A、C、D。热敏电阻在温度上升时,电阻会变小,热敏电阻能把温度这个热学量转换为电阻这个电学量,金属热电阻是将温度转化为电阻,化学稳定性好,但灵敏度差,故A正确、B错误;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,故C正确;霍尔元件能够把磁感应强度这个热学量转化为电压这个电学量,故D正确。故选A、C、D。【加固训练】(多选)(2024·遵义高二检测)如图(a)所示为一种简易检测水中悬浮颗粒污染程度的指示器,它是利用光敏电阻的电学特性制成的光敏传感器。工作原理如图(b),被污染的水中常含有悬浮的颗粒,这些悬浮物会影响光的通过,当光穿过水照耀到光敏电阻上时,到达光敏电阻的光亮与水的污染程度有关。下列关于指示器的工作分析,正确的是 ()A.污染严峻时,光敏电阻阻值大B.污染严峻时,光敏电阻阻值小C.污染严峻时,指示灯亮D.污染严峻时,指示灯灭【解析】选A、D。污染严峻时,透过污水照到光敏电阻上的光线削减,光敏电阻的阻值增大,指示灯熄灭,故A、D正确,B、C错误。4.温度传感器是一种将温度变更转换为电学物理量变更的装置,它通过测量传感器元件的电学物理量随温度的变更来实现温度