高二物理（人教版）教学课件 选择性必修二 第五章 第1、2节　认识传感器　常见传感器的工作原理及应用

第五章传感器认识传感器常见传感器的工作原理及应用(强基课—逐点理清物理观念)第1、2节课标要求学习目标1.知道非电学量转换成电学量的技术意义。2.通过实验,了解常见传感器的工作原理。3.列举传感器在生产生活中的应用。1.知道力传感器、温度传感器、光传感器的应用。2.对传感器的应用实例理解分析。3.通过演示实验,探究电子秤、电熨斗、电饭锅、火灾报警器的工作原理。1逐点清(一)认识传感器2逐点清(二)常见传感器的工作原理及应用3逐点清(三)霍尔元件电容式传感器4课时跟踪检测CONTENTS目录逐点清(一)认识传感器1.传感器(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。通常转换成的可用信号是电压、电流等______量,或转换为电路的_______。多维度理解电学通断(2)把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、_______、处理和_______。2.传感器的组成:传感器的基本部分一般由_________、_________组成。3.传感器应用的一般模式传输控制敏感元件转换元件1.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全方位练明√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;传感器是通过把非电学量转换成电学量来传递信号的,C错误;水银温度计不能向外输出信号,不是传感器,D错误。2.(多选)关于传感器的作用,下列说法正确的是

(

)A.通常的传感器可以直接用来进行自动控制B.传感器可以用来采集信息C.传感器可以将感受到的一些信号转换为电学量D.传感器可以将感受到的所有信号都转换为电学量√√解析:传感器一定是通过把非电学量转换成电学量来传递信号的,不能实现自动控制,故A错误;由于传感器可将非电学量转换成电学量,因此传感器也可以用来采集信息,故B正确;传感器可以将感受到的一些信号转换为电学量,但并不是将感受到的所有信号都转换为电学量,故C正确,D错误。3.某电容式话筒的原理示意图如图所示,E为电源,R为电阻,薄片P和Q为两金属极板。对着话筒说话时,P振动而Q可视为不动,在P向左运动的过程中

(

)A.P、Q构成的电容器的电容增大B.P上电荷量保持不变C.M点的电势比N点的低D.M点的电势比N点的高√

逐点清(二)常见传感器的

工作原理及应用1.光敏电阻(1)特点:光照越强,电阻______。(2)原理:无光照时,载流子极少,导电性能_____;随着光照的增强,载流子______,导电性_____。(3)作用:把___________这个光学量转换为_____这个电学量。多维度理解越小差增多变好光照强弱电阻2.金属热电阻金属的电阻率随温度的升高而增大,用金属丝可以制作______传感器,称为热电阻,如图所示为某金属导线电阻的温度特性曲线。温度3.热敏电阻热敏电阻由半导体材料制成,其电阻随温度的变化非常______,如图所示为某一热敏电阻的电阻值随温度变化的特性曲线。明显4.电阻应变片(1)电阻应变片的工作原理①金属的电阻应变效应:金属导体在外力作用下发生机械形变(伸长或缩短)时,其电阻随着它所受机械形变的变化而发生变化。②半导体材料的压阻效应:当单晶半导体材料沿某一轴向受到外力作用时,其电阻率发生变化。(2)力传感器——电子秤①组成:由金属梁和电阻应变片组成。②工作原理③作用:力传感器将_________这个力学量转换为_____这个电学量。电阻电压物体形变电压

光敏电阻、金属热电阻和热敏电阻对比分析

特性原因光敏电阻光照越强,电阻越小光照增强,载流子增多,电阻减小金属热电阻温度越高,电阻越大温度升高,金属电阻率增大,电阻增大热敏电阻负温度系数的热敏电阻温度越高,电阻越小温度升高,载流子增多,电阻减小正温度系数的热敏电阻温度越高,电阻越大温度升高,载流子减少,电阻增大续表1.(多选)有定值电阻、热敏电阻、光敏电阻三只元件,将这三只元件分别接入如图所示电路中的A、B两点后,用黑纸包住元件或者把元件置入热水中,观察电阻表的示数,下列说法中正确的是

(

)A.置入热水中与不置入热水中相比,电阻表示数变化较大的一定是热敏电阻B.置入热水中与不置入热水中相比,电阻表示数不变化的一定是定值电阻全方位练明√C.用黑纸包住与不用黑纸包住相比,电阻表示数变化较大的一定是光敏电阻D.用黑纸包住与不用黑纸包住相比,电阻表示数不变化的一定是定值电阻解析:热敏电阻的阻值随温度的变化而变化,定值电阻和光敏电阻的阻值不随温度发生变化,故A正确,B错误;光敏电阻的阻值随光照强度的变化而变化,而定值电阻和热敏电阻的阻值不随光照强度的变化而变化,故C正确,D错误。√2.(多选)下列关于电子秤中应变式力传感器的说法正确的是

(

)A.应变片都是由半导体材料制成的B.当应变片拉伸时,其电阻变大;反之变小C.传感器输出的是应变片上的电压D.外力越大,输出的电压差值也越大√√解析:常见的电阻应变片有金属电阻应变片和半导体电阻应变片,故A错误;当应变片拉伸时,其电阻变大,反之变小,故B正确;传感器输出的是上、下两应变片上电压的差值,并且随着外力的增大,输出的电压差值也增大,故C错误,D正确。3.(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√√√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,同时电源内阻分压增大,故电路的路端电压减小,A正确,D错误;因电路的路端电压减小,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正确。逐点清(三)

霍尔元件

电容式传感器1.霍尔元件及工作原理(1)霍尔元件如图所示,在一个很小的矩形半导体(如砷化铟)薄片上,制作四个电极E、F、M、N,它就成了一个霍尔元件。多维度理解

2.常见电容式传感器名称示意图及原理分析测定角度θ的电容式传感器当动片与定片之间的角度θ发生变化时,引起极板正对面积S的变化,使电容C发生变化,知道电容C的变化情况,就可以知道角度θ的变化情况测定液面高度h的电容式传感器在导线芯的外面涂上一层绝缘物质,放入导电液体中,导线芯和导电液体构成电容器的两个极,导线芯外面的绝缘物质就是电介质,液面高度h发生变化时,引起正对面积变化,使电容C发生变化,知道电容C的变化情况,就可以知道液面高度h的变化情况续表测定压力F的电容式传感器待测压力F作用于可动膜片的电极上时,膜片发生形变,使极板间距离d发生变化,引起电容C的变化,知道电容C的变化情况,就可以知道压力F的变化情况续表测定位移x的电容式传感器随着电介质板进入极板间的长度发生变化,电容C发生变化,知道电容C的变化情况,就可以知道位移x的变化情况续表[典例]

霍尔元件是实际生活中的重要元件之一,广泛应用于测量和自动化技术等领域。如图所示为一长度一定的霍尔元件,磁感应强度为B的匀强磁场垂直于霍尔元件的工作面向下,在元件中通入图示从E到F方向的电流I,元件中的载流子带负电,下列说法正确的是

(

)A.该元件能把电学量转换为磁学量B.该元件C面的电势高于D面的C.如果用该元件测地球赤道处地磁场的磁感应强度,应保持工作面水平D.如果流过霍尔元件的电流大小不变,则元件C、D面的电势差与磁场的磁感应强度成正比√

全方位练明

√√2.(选自鲁科版教材课后练习)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升降机运动状态的装置,其工作原理如图所示。将压敏电阻固定在升降机底板上,其上放置一个物块,在升降机运动过程的某一段时间内,发现电流表的示数I不变,且I大于升降机静止时电流表的示数I0,在这段时间内

(

)A.升降机可能匀速上升B.升降机一定匀减速上升C.升降机一定处于失重状态D.通过压敏电阻的电流一定比电梯静止时大解析:I>I0,说明R两端分压变大,电源内阻分压变小,总电流变小,总电阻变大,则压敏电阻的阻值变大了,其所受压力减小,物块所受支持力小于重力,处于失重状态,可能加速下降或减速上升,A、B错误,C正确;由于总电流变小,电流表示数变大,则通过压敏电阻的电流比电梯静止时小,D错误。√课时跟踪检测123456789101112A级——基础达标1.当你走近某些宾馆、酒楼的大门时,门就会自动为你打开;当你走进门之后,门又在你身后自动关上。你觉得这可能是将下列哪种外界信息转换为有用的信息(

)A.温度 B.运动C.人 D.光线√6789101112解析:自动门的自动控制要求灵敏、可靠,若以温度控制,人的体温与夏季气温接近,则在夏季自动门将无法使用。自动门实际使用的是红外线传感器,人在白天或黑夜均发出红外线,传感器接收到人体发出的红外线后传给自动控制装置的电动机,实现自动开、关门,D正确。123451567891011122.某楼梯口的电灯开关装有传感器,天黑时,出现声音才能发光,而白天即使有声音,电灯也不能发光,该开关中有两种传感器,它们可能是

(

)A.热敏电阻和光敏电阻 B.金属热电阻和光敏电阻C.热敏电阻和霍尔元件 D.光敏电阻和驻极体话筒解析:两种传感器分别把声音信号转换为电信号、把光信号转换为电信号,D正确。234√1567891011123.(多选)如图为握力器原理示意图,握力器把手上的连杆与弹簧一起上下移动,握力的大小可通过一定的换算关系由电流表的示数获得。当人紧握握力器时,如果握力越大,下列判断正确的有

(

)A.电路中电阻越大 B.电路中电阻越小C.电路中电流越小 D.电路中电流越大234√√156789101112解析:由题图可知,握力越大,滑动变阻器接入电路的电阻越小,外电路的总电阻越小,根据闭合电路欧姆定律可知,电路中电流越大,B、D正确,A、C错误。2341567891011124.(2024·陕西咸阳期中)关于传感器及其应用,下列说法中正确的是

(

)A.传感器都是利用敏感元件的电阻变化来工作的B.电脑所用的光电鼠标主要采用声传感器C.霍尔元件是把磁感应强度这个磁学量转换成电压这个电学量D.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234√156789101112解析:传感器都是利用敏感元件将非电学量转化为电学量,但不一定是电阻变化,故A错误;电脑所用的光电鼠标主要采用光传感器,故B错误;霍尔元件是把磁感应强度这个磁学量转换成电压这个电学量,故C正确;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D错误。2341567891011125.(多选)如图所示是“电容式加速度传感器”原理图,电容器的一个金属极板固定在绝缘底座上,另一块极板用弹性金属片制成,当这种加速度传感器用在上下移动的升降机中时,通过测量电容C的变化就能感知升降机加速度的变化情况。设升降机加速度为零时电容器的电容为C0,下列说法正确的是

(

)234156789101112A.当升降机加速上升时,C>C0B.当升降机减速上升时,C>C0C.当升降机减速下降时,C<C0D.当升降机加速下降时,C<C0234√√156789101112

2341567891011126.传感器广泛应用在我们的生产生活中,常用的计算机键盘就是一种传感器。如图所示,键盘上每一个键的下面都连有一小金属片,与该金属片隔有一定空气间隙的是另一小的固定金属片,这两个金属片组成一个小电容器,当键被按下时,此小电容器的电容发生变化,与之相连的电子线路就能够检测出哪个键被按下,从而给出相应的信号。这种计算机键盘使用的是

(

)234156789101112A.温度传感器 B.压力传感器C.磁传感器 D.光传感器解析:由题意可知,电容器通过受压后变形从而将压力信号转换为电信号,所以计算机键盘使用的是压力传感器,B正确,A、C、D错误。234√1567891011127.(2024·新疆乌鲁木齐期中)在电喷汽车的进气管道中,广泛地使用着一种叫“电热丝式空气流量传感器”的部件,其核心部分是一种用特殊的合金材料制作的电热丝。如图所示,当进气管道中的冷空气流速越大时,电阻R两端的电压U0就变得越高,反之,电压U0就越低。这样管道内空气的流量就转变成了可以测量的电压信号,便于汽车内的电脑系统实现自动控制。如果将这种电热丝从汽车的进气管道中取出,放在实验室中测量,得到的伏安特性曲线正确的是

(

)234156789101112

234√156789101112B级——综合应用8.(2024·河北石家庄期末)(多选)电容式加速度传感器是常见的手机感应装置,结构如图所示。质量块的上端连接轻质弹簧,下端连接电介质,弹簧与电容器固定在外框上,质量块带动电介质移动改变电容,则下列说法正确的是(

)234156789101112

234√√156789101112234

1567891011122349.(多选)如今智能手机中普遍安装了陀螺仪,它是一种加速度传感器,可集成于手机内部,用来检测手机的姿态。其工作原理如图所示,当手机运动状态改变时,固连在手机上的A部分随手机一起运动,质量块B通过弹性物体连接手机,由于惯性,运动状态不会随手机立刻发生变化,出现运动滞后,这样电容器电容值就发生了变化,变化的电容值会通过电信号传输给处理单元,就可测量手机的姿态,铺三层这种结构,就可以测出手机的前后、左右、上下以及旋转的加速度,这样就可以360°无死角检测手机运动。以下说法中正确的是

(

)156789101112A.在外太空完全失重的情况下,这种传感器仍然可以使用B.可以测量出任意情况下手机相对地面的速度C.这种探测器可以测量地磁场强度,进而进行卫星定位D.改变电容值是通过改变正对面积和板间距d来实现的234√√156789101112234解析:这种传感器的使用原理是惯性,跟重力无关,所以在外太空完全失重的情况下,这种传感器仍然可以使用,故A正确;这种探测器可以测出手机的前后、左右、上下以及旋转的加速度,不可以测量出任意情况下手机相对地面的速度,也不可以测量地磁场强度,进行卫星定位,故B、C错误;由题图可知,手机上的A部分与质量块B发生相对移动时,电容器的正对面积和板间距d发生变化,所以改变电容值是通过改变正对面积和板间距d来实现的,故D正确。15678910111223410.(2024·广东广州期中)物理学中用照度描述光的强弱,光越强照度越大,照度的单位为lx。某实验室采用光敏电阻制作光控开关来控制照明系统,使照度小时照明系统可以自动启动,光敏电阻在不同照度下的阻值如下表。控制电路原理如图甲所示,电路中的电阻R1和R2,其中一个是定值电阻,另一个是光敏电阻。已知直流电源电动势E=3V、内阻不计,实验室某日的光照强度随时间变化曲线如图乙,当控制开关两端电压U≥2V时,控制开关自动启动照明系统。则下列说法正确的是

(

)156789101112照度/lx0.20.40.60.81.01.2电阻/kΩ754024201815234156789101112A.R1为定值电阻,R2为光敏电阻B.照度越大,该电路控制开关两端的电压越大C.若将定值电阻的阻值变为20kΩ,该天18:00后照明系统即可工作D.该电路中定值电阻的阻值越大,该天的照明系统工作的时间越长234√156789101112解析:当控制开关两端电压U≥2

V时,控制开关自动启动照明系统,可知照度小时,控制开关两端电压大,根据表格数据可知,照度小时,光敏电阻阻值大,则R1为光敏电阻,R2为定值电阻;照度越大,光敏电阻R1的阻值越小,该电路控制开关两端的电压越小,故A、B错误;若将定值电阻的阻值变为20

kΩ,则控制开关自动启动时光敏电阻的阻值为40

kΩ,此时对应照度为0.4

lx,根据题图乙可知,该天照明系统工作时间段为0~6:00、18:00~24:00,故C正确;该电路中定值电阻的阻值越大,控制开关自动启动时光敏电阻的阻值越大,此时对应照度越小,该天的照明系统工作的时间越短,故D错误。2341567891