人教版(新教材)高中物理选择性必修2学案：5 1 认识传感器-5 2常见传感器的工作原理及应用

人教版(新教材)高中物理选择性必修第二册PAGEPAGE11认识传感器2常见传感器的工作原理及应用〖学习目标〗1.知道什么是传感器，了解传感器的种类.2.知道传感器的组成与应用模式.3.知道光敏电阻、金属热电阻、热敏电阻、电阻应变片的工作原理及应用．一、传感器及其工作原理1．传感器的定义：能够感受诸如力、温度、光、声、化学成分等被测量，并能把它们按照一定的规律转换为便于传送和处理的可用信号输出．通常是电压、电流等电学量，或转换为电路的通断．2．非电学量转换为电学量的意义：把非电学量转换为电学量，可以很方便地进行测量、传输、处理和控制．3．传感器的组成：传感器的基本部分一般由敏感元件、转换元件组成．4．传感器应用的一般模式：二、光敏电阻光敏电阻在被光照射时电阻发生变化，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．三、金属热电阻和热敏电阻1．金属热电阻：金属的电阻率随温度的升高而增大，利用这一特性，金属丝可以制作成温度传感器，称为热电阻．2．热敏电阻：用半导体材料制成，氧化锰制成的热敏电阻的阻值随温度的升高而减小．四、电阻应变片1．电阻应变效应：金属导体在外力作用下发生机械形变时，其电阻也随之变化的现象．2．电阻应变片：电阻应变片有金属电阻应变片和半导体电阻应变片，半导体电阻应变片的工作原理是基于半导体材料的压阻效应．3．电阻应变片能够把物体形变这个力学量转换为电阻这个电学量．判断下列说法的正误．(1)传感器可以把非电学量转化为电学量．(√)(2)光敏电阻的阻值随光照的强弱而变化，光照越强电阻越大．(×)(3)热敏电阻一般用半导体材料制作，导电能力随温度的升高而增强，但灵敏度低．(×)(4)电阻应变片能够把物体的形变情况转变为电阻的变化．(√)一、传感器导学探究干簧管结构：如图1甲所示，玻璃管内封入了两个软磁性材料制成的簧片，接入图乙电路，当条形磁体靠近干簧管时：图1(1)会发生什么现象，为什么？(2)干簧管的作用是什么？〖答案〗(1)灯泡会亮，因为当条形磁体靠近干簧管时，两个簧片被磁化而接通．(2)干簧管起到开关的作用，是一种能够感知磁场的传感器．知识深化1．传感器的核心元件(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：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．传感器的工作原理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．传感器的工作原理如下所示：eq\x(非电学量)→eq\x(敏感元件)→eq\x(转换元件)→eq\x(转换电路)→eq\x(电学量)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〖答案〗B〖解析〗传感器材料分为半导体材料、陶瓷材料、金属材料和有机材料等，A错误，B正确；传感器一定是通过非电学量转换成电学量来传递信号的，C错误；水银温度计根据热胀冷缩来测量温度，不是传感器，D错误．许多办公楼及宿舍楼的楼梯上的电灯白天不亮，到了晚上能够自动做到“人来即亮，人走即灭”，其神奇功能在于控制灯的“开关”传感器，下列有关该传感器的说法正确的是()A．该传感器能够测量的物理量是位移和温度B．该传感器能够测量的物理量是位移和光强C．该传感器能够测量的物理量是光强和声音D．该传感器能够测量的物理量是压力和位移〖答案〗C〖解析〗楼道中安装了自动灯光控制系统，白天灯不亮与光传感器有关；晚上有人经过时，灯自动亮起来，与声音有关，是声传感器，所以该传感器能够测量的物理量是光强和声音，C正确．二、光敏电阻及其应用导学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2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2〖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．知识深化1．光敏电阻一般由半导体材料制成，当半导体材料受到光照时，载流子增多，导电性能明显增强，光敏电阻把光照的强弱转换为电阻的大小．2．光敏电阻的阻值随光照强度的增强而明显减小．它能够把光照强弱这个光学量转换为电阻这个电学量．(多选)如图3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()图3A．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〖答案〗ABC〖解析〗当入射光强度增大时，R3阻值减小，外电路总电阻随R3的减小而减小，由闭合电路欧姆定律知，干路电流增大，R1两端电压增大，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；因路端电压减小，且R1两端电压增大，故R2两端电压必减小，则R2中电流减小，B项正确；因干路电流增大，且R2中电流减小，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．三、金属热电阻和热敏电阻及其应用导学探究如图4所示，将多用电表的选择开关置于欧姆挡，再将多用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，多用电表指针将如何偏转？若用吹风机将热风吹向热敏电阻，多用电表指针将如何偏转？图4〖答案〗由于酒精挥发，热敏电阻RT温度降低，电阻值增大，多用电表指针将向左偏；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，多用电表指针将向右偏．知识深化1．金属热电阻：金属导体的电阻随温度的升高而增大，如图5图线①所示．2．热敏电阻(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5线②所示为某热敏电阻的电阻—温度特性曲线．图5(2)热敏电阻分正温度系数和负温度系数热敏电阻两类，电阻值随温度升高而增大的是正温度系数(PTC)热敏电阻；电阻值随温度升高而减小的是负温度系数(NTC)热敏电阻．常用的是负温度系数热敏电阻．(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6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()图6A．电容器C的带电荷量增大B．电压表的读数增大C．电容器C两板间的电场强度减小D．R1消耗的功率增大〖答案〗AB〖解析〗当环境温度降低时，R2的阻值变大，电路的总电阻变大，由I＝eq\f(E,R总)可知I变小，又U＝E－Ir，则电压表的读数增大，B正确；由P1＝I2R1可知，R1消耗的功率P1变小，D错误；电容器C两板间的电压U2＝U－U1，U1＝IR1，可知U1变小，U2变大，由场强E′＝eq\f(U2,d)，Q＝CU2可知，Q、E′都增大，故A正确，C错误．四、电阻应变片导学探究如图7所示是一个应变式力传感器，弹簧钢制成的梁形元件右端固定，在梁的上下表面各贴一个应变片．结合力传感器的特点，叙述它的工作原理．图7〖答案〗在梁的自由端施力F，则梁发生弯曲，上表面拉伸，下表面压缩，上表面应变片的电阻变大，下表面应变片的电阻变小．力F越大，弯曲形变越大，应变片的电阻变化就越大．如果让应变片中通过的电流保持恒定，那么上表面应变片两端的电压变大，下表面应变片两端的电压变小．传感器把这两个电压的差值输出．力F越大，输出的电压差值也就越大．有一种测量人体重的电子秤，其原理图如图8中的虚线所示．它主要由三部分构成：踏板和压力杠杆ABO、压力传感器R(一个阻值可随压力大小而变化的电阻器)、显示体重的仪表(其实质是电流表)．其中AO∶BO＝5∶1.已知压力传感器的电阻与其所受压力的关系如下表所示：压力F/N050100150200250300…电阻R/Ω300270240210180150120…图8设踏板的杠杆组件的质量不计，接通电源后，压力传感器两端电压恒为4.68V，则：(1)利用表中数据归纳出电阻R随压力F变化的函数关系式；(2)该秤零刻度线(即踏板空载时的刻度线)应标在电流表刻度盘多少毫安处？(3)如果某人站在踏板上，电流表刻度盘示数为20mA，这个人的体重是多少？(取g＝10N/kg)〖答案〗(1)R＝300－0.6F(2)15.6mA(3)55kg〖解析〗(1)由表中数据可归纳得出：R＝300－0.6F.(2)依题意可知，电子秤空载时压力传感器受到的压力为零，电阻R1＝300Ω，电路中的电流为I1＝eq\f(U,R1)＝eq\f(4.68,300)A＝15.6mA，所以该秤零刻度线应标在电流表刻度盘的15.6mA处．(3)当电流表刻度盘的读数为I2＝20mA时，压力传感器的电阻R2＝eq\f(U,I2)＝eq\f(4.68,20×10－3)Ω＝234Ω，由R＝300－0.6F，解得F2＝110N.再由F2·AO＝G·BO，可得G＝550N.故人的体重为m＝eq\f(G,g)＝55kg.A．非电信息→敏感元件→处理电路→电信息B．电信息→处理电路→敏感元件→非电信息C．非电信息→敏感元件→电信息→处理电路D．非电信息→处理电路→敏感元件→电信息〖答案〗A2.(光敏电阻的应用)如图9所示，R3是光敏电阻(光照增强时电阻变小)，当开关S闭合后，在没有光照射时，a、b两点等电势．当用光照射电阻R3时，则(电源内阻不计)()图9A．a点电势高于b点电势B．a点电势低于b点电势C．a点电势等于b点电势D．a点电势和b点电势的大小无法比较〖答案〗A〖解析〗当用光照射电阻R3时，R3电阻变小，R3两端电压减小，故a点电势升高，因其他电阻的阻值不变，所以a点电势高于b点电势，故A正确．3．(热敏电阻的特性)(2020·如东中学阶段性检测)某温控电路的原理如图10所示，RM是负温度系数的热敏电阻，R是滑动变阻器，某种仪器要求在15～27℃的环境中工作．当环境温度偏高或偏低时，控制器会自动启动降温或升温设备．下列说法正确的是()图10A．环境温度降低，RM的阻值减小B．环境温度升高，Uab变大C．滑片P向下移动时，Uab变大D．调节滑片P的位置能改变降温和升温设备启动时的临界温度〖答案〗D〖解析〗环境温度降低时，RM的阻值变大，A错误；环境温度升高，RM的阻值减小，则Uab变小，B错误；滑片P向下移动时，接入电路中的电阻变大，回路电流减小，则Uab变小，C错误；由C可知，调节滑片P的位置能改变临界温度，D正确．4．(电阻应变片、力传感器的应用)压敏电阻的阻值随所受压力的增大而减小，有位同学设计了利用压敏电阻判断竖直升降机运动状态的装置，其工作原理图如图11甲所示，将压敏电阻固定在升降机底板上，其上放置一个物块，在升降机运动的过程中，电流表示数如图乙所示，已知升降机静止时电流表的示数为I1.下列判断正确的是()图11A．0到t1时间内，升降机一定静止B．t1到t2时间内，升降机可能做匀加速直线运动C．t1到t2时间内，升降机运动时的加速度在变化D．t2到t3时间内，升降机可能向下匀速运动〖答案〗C1认识传感器2常见传感器的工作原理及应用〖学习目标〗1.知道什么是传感器，了解传感器的种类.2.知道传感器的组成与应用模式.3.知道光敏电阻、金属热电阻、热敏电阻、电阻应变片的工作原理及应用．一、传感器及其工作原理1．传感器的定义：能够感受诸如力、温度、光、声、化学成分等被测量，并能把它们按照一定的规律转换为便于传送和处理的可用信号输出．通常是电压、电流等电学量，或转换为电路的通断．2．非电学量转换为电学量的意义：把非电学量转换为电学量，可以很方便地进行测量、传输、处理和控制．3．传感器的组成：传感器的基本部分一般由敏感元件、转换元件组成．4．传感器应用的一般模式：二、光敏电阻光敏电阻在被光照射时电阻发生变化，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．三、金属热电阻和热敏电阻1．金属热电阻：金属的电阻率随温度的升高而增大，利用这一特性，金属丝可以制作成温度传感器，称为热电阻．2．热敏电阻：用半导体材料制成，氧化锰制成的热敏电阻的阻值随温度的升高而减小．四、电阻应变片1．电阻应变效应：金属导体在外力作用下发生机械形变时，其电阻也随之变化的现象．2．电阻应变片：电阻应变片有金属电阻应变片和半导体电阻应变片，半导体电阻应变片的工作原理是基于半导体材料的压阻效应．3．电阻应变片能够把物体形变这个力学量转换为电阻这个电学量．判断下列说法的正误．(1)传感器可以把非电学量转化为电学量．(√)(2)光敏电阻的阻值随光照的强弱而变化，光照越强电阻越大．(×)(3)热敏电阻一般用半导体材料制作，导电能力随温度的升高而增强，但灵敏度低．(×)(4)电阻应变片能够把物体的形变情况转变为电阻的变化．(√)一、传感器导学探究干簧管结构：如图1甲所示，玻璃管内封入了两个软磁性材料制成的簧片，接入图乙电路，当条形磁体靠近干簧管时：图1(1)会发生什么现象，为什么？(2)干簧管的作用是什么？〖答案〗(1)灯泡会亮，因为当条形磁体靠近干簧管时，两个簧片被磁化而接通．(2)干簧管起到开关的作用，是一种能够感知磁场的传感器．知识深化1．传感器的核心元件(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：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．传感器的工作原理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．传感器的工作原理如下所示：eq\x(非电学量)→eq\x(敏感元件)→eq\x(转换元件)→eq\x(转换电路)→eq\x(电学量)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〖答案〗B〖解析〗传感器材料分为半导体材料、陶瓷材料、金属材料和有机材料等，A错误，B正确；传感器一定是通过非电学量转换成电学量来传递信号的，C错误；水银温度计根据热胀冷缩来测量温度，不是传感器，D错误．许多办公楼及宿舍楼的楼梯上的电灯白天不亮，到了晚上能够自动做到“人来即亮，人走即灭”，其神奇功能在于控制灯的“开关”传感器，下列有关该传感器的说法正确的是()A．该传感器能够测量的物理量是位移和温度B．该传感器能够测量的物理量是位移和光强C．该传感器能够测量的物理量是光强和声音D．该传感器能够测量的物理量是压力和位移〖答案〗C〖解析〗楼道中安装了自动灯光控制系统，白天灯不亮与光传感器有关；晚上有人经过时，灯自动亮起来，与声音有关，是声传感器，所以该传感器能够测量的物理量是光强和声音，C正确．二、光敏电阻及其应用导学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2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2〖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．知识深化1．光敏电阻一般由半导体材料制成，当半导体材料受到光照时，载流子增多，导电性能明显增强，光敏电阻把光照的强弱转换为电阻的大小．2．光敏电阻的阻值随光照强度的增强而明显减小．它能够把光照强弱这个光学量转换为电阻这个电学量．(多选)如图3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()图3A．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〖答案〗ABC〖解析〗当入射光强度增大时，R3阻值减小，外电路总电阻随R3的减小而减小，由闭合电路欧姆定律知，干路电流增大，R1两端电压增大，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；因路端电压减小，且R1两端电压增大，故R2两端电压必减小，则R2中电流减小，B项正确；因干路电流增大，且R2中电流减小，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．三、金属热电阻和热敏电阻及其应用导学探究如图4所示，将多用电表的选择开关置于欧姆挡，再将多用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，多用电表指针将如何偏转？若用吹风机将热风吹向热敏电阻，多用电表指针将如何偏转？图4〖答案〗由于酒精挥发，热敏电阻RT温度降低，电阻值增大，多用电表指针将向左偏；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，多用电表指针将向右偏．知识深化1．金属热电阻：金属导体的电阻随温度的升高而增大，如图5图线①所示．2．热敏电阻(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5线②所示为某热敏电阻的电阻—温度特性曲线．图5(2)热敏电阻分正温度系数和负温度系数热敏电阻两类，电阻值随温度升高而增大的是正温度系数(PTC)热敏电阻；电阻值随温度升高而减小的是负温度系数(NTC)热敏电阻．常用的是负温度系数热敏电阻．(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6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()图6A．电容器C的带电荷量增大B．电压表的读数增大C．电容器C两板间的电场强度减小D．R1消耗的功率增大〖答案〗AB〖解析〗当环境温度降低时，R2的阻值变大，电路的总电阻变大，由I＝eq\f(E,R总)可知I变小，又U＝E－Ir，则电压表的读数增大，B正确；由P1＝I2R1可知，R1消耗的功率P1变小，D错误；电容器C两板间的电压U2＝U－U1，U1＝IR1，可知U1变小，U2变大，由场强E′＝eq\f(U2,d)，Q＝CU2可知，Q、E′都增大，故A正确，C错误．四、电阻应变片导学探究如图7所示是一个应变式力传感器，弹簧钢制成的梁形元件右端固定，在梁的上下表面各贴一个应变片．结合力传感器的特点，叙述它的工作原理．图7〖答案〗在梁的自由端施力F，则梁发生弯曲，上表面拉伸，下表面压缩，上表面应变片的电阻变大，下表面应变片的电阻变小．力F越大，弯曲形变越大，应变片的电阻变化就越大．如果让应变片中通过的电流保持恒定，那么上表面应变片两端的电压变大，下表面应变片两端的电压变小．传感器把这两个电压的差值输出．力F越大，输出的电压差值也就越大．有一种测量人体重的电子秤，其原理图如图8中的虚线所示．它主要由三部分构成：踏板和压力杠杆ABO、压力传感器R(一个阻值可随压力大小而变化的电阻器)、显示体重的仪表(其实质是电流表)．其中AO∶BO＝5∶1.已知压力传感器的电阻与其所受压力的关系如下表所示：压力F/N050100150200250300…电阻R/Ω300270240210180150120…图8设踏板的杠杆组件的质量不计，接通电源后，压力传感器两端电压恒为4.68V，则：(1)利用表中数据归纳出电阻R随压力F变化的函数关系式；(2)该秤零刻度线(即踏板空载时的刻度线)应标在电流表刻度盘多少毫安处？(3)如果某人站在踏板上，电流表刻度盘示数为20mA，这个人的体重是多少？(取g＝10N/kg)〖答案〗(1)R＝300－0.6F(2)15.6mA(3)55kg〖解析〗(1)由表中数据可归纳得出：R＝300－0.6F.(2)依题意可知，电子秤空载时压力传感器受到的压力为零，电阻R1＝300Ω，电路中的电流为I1＝eq\f(U,R1)＝eq\f(4.68,300)A＝15.6mA，所以该秤零刻度线应标在电流表刻度盘的15.6mA处．(3)当电流表刻度盘的读数为I2＝20mA时，压力传感器的电阻R2＝eq\f(U,I2)＝eq\f(4.68,20