高二物理（人教版）学案 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

8/8第五章传感器第1、2节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)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。逐点清(一)认识传感器[多维度理解]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________。(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[全方位练明]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[多维度理解]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。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。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。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。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[全方位练明]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逐点清(三)霍尔元件电容式传感器[多维度理解]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。(2)工作原理外部磁场使运动的载流子受到洛伦兹力的作用，从而在导体板的一侧聚集，以致在导体板的另一侧会出现另一种电荷，从而形成电场；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，导体板左、右两侧会形成稳定的电压，设导体板左、右两侧的距离为l，导体板的厚度为d，则qeq\f(UH,l)＝qvB。根据电流的微观解释I＝nqSv，得UH＝eq\f(IB,nqd)。令k＝eq\f(1,nq)，因n为单位体积内载流子的个数，q为单个载流子的电荷量，它们均为常数，所以UH＝keq\f(IB,d)。UH与B成正比，这就是霍尔元件能把磁学量转换成电学量的原因。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[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听课记录：[全方位练明]1．(多选)传感器是智能设备的基础元件。如图为电容式位移传感器的示意图，观测电容C的变化即可知道物体位移x的变化，eq\f(ΔC,Δx)表示该传感器的灵敏度。电容器极板和电介质板长度均为L，测量范围为－eq\f(L,2)≤x≤eq\f(L,2)。下列说法正确的是()A．电容器的电容变大，物体向－x方向运动B．电容器的电容变大，物体向＋x方向运动C．电介质的介电常数越大，传感器灵敏度越高D．电容器的板间电压越大，传感器灵敏度越高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第五章传感器第1、2节认识传感器常见传感器的工作原理及应用逐点清(一)[多维度理解]1．(1)电学通断(2)传输控制2.敏感元件转换元件[全方位练明]1．选B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．选BC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．选D当P向左运动时，根据平行板电容器电容公式C＝eq\f(εrS,4πkd)知，d增加，则C变小，A错误；稳定后电容器两极板间的电压不变，则根据Q＝CU知，C减小，U不变，则Q减少，B错误；电容器两极板的电荷量减少，产生放电电流，方向从M→N，因此M点的电势比N点的电势高，D正确，C错误。逐点清(二)[多维度理解]1．(1)越小(2)差增多变好(3)光照强弱电阻2.温度3．明显4.(2)②电阻电压③物体形变电压[全方位练明]1．选AC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．选BD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．选ABC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)[典例]选D霍尔元件是能够把磁学量转换为电学量的传感器，A错误；根据左手定则可知，带负电的载流子向C面偏转，C面带负电，D面带正电，所以D面的电势高，B错误；在测定地球赤道处的地磁场的磁感应强度时，应将元件的工作面保持竖直，让磁场垂直通过元件的工作面，C错误；载流子最终在静电力和洛伦兹力的作用下处于平衡状态，设霍尔元件的长、宽、高分别为a、b、d，则有qeq\f(U,b)＝qvB，电流的微观表达式为I＝nqvS＝nqvbd，所以U＝eq\f(BI,nqd)，因n、q、d均为定值，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，D正确。[全方位练明]1．选AC根据电容决定式C＝eq\f(εrS,4πkd)可知，电容器的电容变大，说明电容器极板间的电介质板长度增加，则