2017-2018学年同步备课套餐之物理教科版选修3-2讲义：

1 传感器
2 温度传感器和光传感器
[学习目标] 1.了解什么是传感器，感受传感技术在信息时代的作用与意义.2.了解热敏电阻、敏感元件的特性.3.了解几种温度传感器及光传感器的原理．
一、传感器
[导学探究] 当你走进一座大楼时，大堂的自动门是如何“看到”你而自动打开的？
答案 人体发出的红外线被传感器接收后传给自动控制装置的电动机，实现自动开关门．
[知识梳理] 传感器的定义及结构
(1)传感器通常是把被测量的非电信息，按一定规律转换成与之对应的电信息的器件或装置．
(2)结构：
――→非电信息敏感元件―→处理电路――→电信息
[即学即用] (多选)传感器担负着信息采集的任务，它可以( )
A ．将力学量(如形变量)转变成电学量
B ．将热学量转变成电学量
C ．将光学量转变成电学量
D ．将电学量转变成力学量
答案 ABC
解析 传感器是将所感受到的不便于测量的物理量(如力、热、光、声等)转换成便于测量的
物理量(一般是电学量)的一类元件，故选项A、B、C对，D错．
二、敏感元件的原理
[导学探究]
1.如图1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R T的两端相连，这时表针恰好指在刻度盘的正中央．若在R T上擦一些酒精，表针将如何摆动？若用吹风机将热风吹向电阻，表针将如何摆动？
图1
答案由于酒精蒸发，热敏电阻R T温度降低，电阻值增大，指针应向左偏；用吹风机将热风吹向电阻，电阻R T温度升高，电阻值减小，指针将向右偏．
2．干簧管的结构如图2所示，它只是玻璃管内封入的两个软磁性材料制成的簧片，接入图3电路，当磁铁靠近干簧管时：
图2
图3
(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，因为当磁铁靠近干簧管时，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．
[知识梳理]
1．热敏电阻：用半导体材料制成，它具有电阻随温度灵敏变化的特性，可以实现对温度的测量．
2．干簧管：是能感知磁场的敏感元件，其玻璃管内的两个铁磁体簧片在磁场的作用下会磁化为异名磁极相对的磁铁．当磁力大于簧片的弹力时，两者紧密地接触．干簧管串联在电路中就成为一个由磁场控制的开关．
[即学即用]判断下列说法的正误．
(1)热敏电阻的阻值随温度的升高而增大．(×)
(2)热敏电阻传感器可以将温度这个热学量的测量转变为电学量的测量．(√)
(3)干簧管可以感知磁场，接入电路，相当于开关的作用．(√)
三、温度传感器
[导学探究]如图4所示为电熨斗的构造，其中双金属片上层金属的热膨胀系数大于下层金属．常温下，电熨斗的上、下触点应当是接触的还是分离的？当温度过高时双金属片将怎样起作用？
图4
答案常温时，电熨斗的上、下触点接触，这样电熨斗接通电源后能进行加热．当温度过高时双金属片膨胀，因上层的热膨胀系数较大，故上层膨胀的厉害，双金属片向下弯曲，弯曲到一定程度后，两触点分离，电路断开，电热丝停止加热；当温度降低后，双金属片恢复原状，重新接通电路加热．
[知识梳理]
1．温度传感器的作用：将温度的变化转换为电学量的变化．
2．常见的温度传感器
(1)热双金属片温度传感器
①原理：两种膨胀系数相差较大的不同金属片制成一体，温度升高时，双金属片变形，可控制电路的通断．
②应用：日光灯启动器，电机、电冰箱保护等．
(2)热电阻传感器
①原理：用金属丝制作的感温电阻叫热电阻，当外界温度t发生变化时，其电阻值按R＝R0(1＋θt)的规律变化(θ为温度系数，R0为t＝0 ℃时导体的电阻)．
②应用：测温度、测流量等．
(3)热敏电阻传感器
①原理：半导体热敏电阻的阻值随温度的变化而变化，其热敏特性在上节已有探究．
②应用：测量、温度控制或过热保护等．
③分类：正温度系数的热敏电阻(PTC)，它的电阻随温度升高而增大．
负温度系数的热敏电阻(NTC)，它的电阻随温度的升高而减小．
[即学即用]判断下列说法的正误．
(1)热敏电阻在温度升高时阻值变小．(×)
(2)金属热电阻在温度升高时阻值变小．(×)
(3)金属热电阻的化学稳定性好，测温范围大．(√)
(4)热敏电阻用半导体材料制作，所以没有金属热电阻的灵敏度高．(×)
四、光传感器
[导学探究]如图5所示为光电式烟尘浓度计的原理图，请阅读教材，然后简述其工作原理．
图5
答案光源1发出的光线经半透半反镜3，分成两束强度相等的光线．一路光线直接到达光电转换电路7上，产生作为被测烟尘浓度的参比信号．另一路光线经反射镜4穿过被测烟尘5到达光电转换电路6上，其中一部分光线被烟尘吸收或散射而衰减，烟尘浓度越高，光线的衰减量越大，到达光电转换电路6的光就越弱．两路光线分别转换成电压信号U1、U2，如果U1＝U2，说明被测的光路上没有烟尘，相反，如果U1、U2相差较大，说明烟尘较大，因此可用两者之比，算出被测烟尘的浓度．
[知识梳理]
1．光电传感器是指将光信号转换为电信号的一类传感器，一般以光敏电阻为主要元件，因为光敏电阻电阻值随光照增强而减小，将光敏电阻连接到电路中时，光照改变就会引起电路中其他电学量的改变，从而将光信号转换为电信号．
2．应用：光电式烟尘浓度计、光电式转速表．
[即学即用]判断下列说法的正误．
(1)光敏电阻的阻值随光线的强弱变化，光照越强电阻越小．(√)
(2)有光照在光敏电阻上，电阻上的自由电子会发生定向移动．(×)
(3)光敏电阻的阻值只会随人造光的强弱而变化，不能感知自然光的变化．(×)
一、传感器的理解
1．传感器的原理
非电学量→传感器(敏感元件、转换器件、转换电路)→电学量
2．在分析传感器时要明确：
(1)核心元件是什么；
(2)是怎样将非电学量转化为电学量；
(3)是如何显示或控制开关的．
例1如图6是一种测定油箱油量多少或变化多少的装置．
其中电源电压保持不变，R是滑动变阻器，它的金属滑片是金属杆的一端．在装置中使用了一只电压表(图中没有画出)，通过观察电压表示数，可以了解油量情况．若将电压表分别接在b、c之间与c、d之间，当油量变化时，电压表的示数如何变化？
图6
答案见解析
解析把电压表接在b、c之间，油量增加时，R减小，电压表的示数减小；油量减少时，R 增大，电压表的示数增大．把电压表接在c、d之间，油量增加时，R减小，电路中电流增大，则R′两端的电压增大，电压表的示数增大，同理，油量减少时，电压表的示数减小．
二、对光敏电阻、热敏电阻的认识及应用
例2(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7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7 A．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变大，电路的总电阻变大，由I＝E
R总
知I变小，又U＝E－Ir，电压表的读数U增大，
B正确；又由P1＝I2R1可知，R1消耗的功率P1变小，D错误；电容器两板间的电压U2＝U－
U1，U1＝IR1，可知U1变小，U2变大，由场强E′＝U2
d，Q＝CU2可知Q、E′都增大，故A
正确，C错误．
例3(多选)如图8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8
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
答案ABC
解析当入射光强度增大时，R3阻值减小，外电路电阻随R3的减小而减小，R1两端电压因干路电流增大而增大，从而电压表的示数增大，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，而R1两端电压增大，故R2两端电压必减小，则R2中电流减小，故B项正确．结合干路电流增大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．
含有热敏电阻、光敏电阻电路的动态分析步骤：
(1)明确热敏电阻(或光敏电阻)的阻值随温度(或光线强弱)是增大还是减小．
(2)分析整个回路的电阻的增减，电流的增减．
(3)分析部分电路的电压、电流如何变化．
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
答案 B
解析大多数传感器是由半导体材料制成的，某些金属也可以制成传感器，如金属热电阻，故A错，B对；传感器将非电学量转换为电学量，因此传感器感知的应该是“非电信号”，故C错；水银温度计能感受热学量，但不能把热学量转化为电学量，因此不是传感器，故D 错．
2.如图9所示的电路中，电源两端的电压恒定，L为小灯泡，R为光敏电阻，LED为发光二极管(电流越大，发出的光越强)，且R与LED间距不变，下列说法中正确的是()
图9
A．当滑动触头P向左移动时，L消耗的功率增大
B．当滑动触头P向左移动时，L消耗的功率减小
C．当滑动触头P向右移动时，L消耗的功率可能不变
D ．无论怎样移动滑动触头P ，L 消耗的功率都不变
答案 A
解析 滑动触头P 左移，其电阻减小，流过二极管的电流增大，从而发光增强，使光敏电阻R 减小，最终达到增大流过灯泡的电流的效果．
3．(多选)如图10所示是霍尔元件的示意图，一块通电的铜板放在磁场中，板面垂直于磁场，板内通有如图所示方向的电流，a 、b 是铜板上、下边缘的两点，则( )
图10
A ．电势φa ＞φb
B ．电势φb ＞φa
C ．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
答案 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而向b 侧偏转，所以φa ＞φb ，A 对，B 错；因|φa －φb |＝k IB d
，所以电流增大时，|φa －φb |增大，C 对；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．
选择题(1～6题为单选题，7～11题为多选题)
1．霍尔元件能( )
A ．把温度这个热学量转换成电阻这个电学量
B ．把磁感应强度这个磁学量转换成电压这个电学量
C ．把力这个力学量转换成电压这个电学量
D ．把光照强弱这个光学量转换成电阻这个电学量
答案 B
解析 根据霍尔元件的工作原理，载流子在洛伦兹力作用下漂移，形成霍尔电压U H ＝k IB d
，所以，它将磁感应强度这个磁学量转换成电压这个电学量，故B 正确．
2.如图1所示，R 3是光敏电阻(光照时电阻变小)，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R 3时，则( )
图1
A ．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 R 3是光敏电阻，当有光照射时电阻变小，R 3两端电压减小，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.如图2所示，是电容式话筒的示意图，它是利用电容制成的传感器，话筒的振动膜前面有薄薄的金属层，膜后距膜几十微米处有一金属板，振动膜上的金属层和这个金属板构成电容器的两极．在两极间加一电压U ，人对着话筒说话时，振动膜前后振动，使电容发生变化，从而使声音信号被话筒转化为电信号，其中导致电容变化的原因是电容器两板间的 ( )
图2
A ．距离变化
B ．正对面积变化
C ．电介质变化
D ．电压变化
答案 A
解析 振动膜前后振动，使振动膜上的金属层与金属板间的距离发生变化，从而将声音信号转化为电信号，故A 正确．
4.如图3所示是观察电阻R的阻值随温度变化情况的示意图，现在把杯中的水由冷水变为热水，关于欧姆表的读数变化情况正确的是()
图3
A．如果R为金属热电阻，读数变大，且变化非常明显
B．如果R为金属热电阻，读数变小，且变化不明显
C．如果R为热敏电阻(用半导体材料制作)，读数变化非常明显
D．如果R为热敏电阻(用半导体材料制作)，读数变化不明显
答案 C
解析如果R为金属热电阻，则读数变大，但不会非常明显，故A、B均错；如果R为热敏电阻，读数变化非常明显，故C对，D错．
5．温度传感器广泛应用于室内空调、电冰箱等家用电器中，它是利用热敏电阻的阻值随温度变化的特性来工作的．如图4甲所示，电源的电动势E＝9 V，内阻不计；G为灵敏电流表，内阻R g保持不变；R为热敏电阻，其电阻阻值与温度的变化关系如图乙所示．闭合开关S，当R的温度等于20 ℃时，电流表的示数I1＝2 mA；当电流表的示数I2＝3.6 mA时，热敏电阻的温度是()
图4
A．60 ℃B．80 ℃C．100 ℃D．120 ℃
答案 D
解析在20 ℃时，E＝(R g＋R1)I1，得R g＝500 Ω，在温度为t时，E＝(R g＋R2)I2，代入数据得R2＝2 000 Ω，从题图乙中可以看出t＝120 ℃，故选D.
6.在输液时，药液有时会从针口流出体外，为了及时发现，设计了一种报警装置，电路如图5所示．M是贴在针口处的传感器，接触到药液时其电阻R M发生变化，导致S两端的电压U 增大，装置发出警报，此时()
图5
A．R M变大，且R越大，U增大越明显
B．R M变大，且R越小，U增大越明显
C．R M变小，且R越大，U增大越明显
D．R M变小，且R越小，U增大越明显
答案 C
解析当R M变大时，回路的总电阻R总变大，根据I总＝E
R总
，得干路中的电流减小，S两端的电压U＝I总R S减小，故选项A、B错误；当R M变小时，回路的总电阻R总变小，根据I总
＝E
R总
，得干路中的电流增大，S两端的电压U＝I总R S增大，而且R越大，R M变小时，对回
路的总电阻变化的影响越明显，即U增大越明显，故选项C正确，选项D错误．
7．关于干簧管，下列说法正确的是()
A．干簧管接入电路中相当于电阻的作用
B．干簧管是根据热胀冷缩的原理制成的
C．干簧管接入电路中相当于开关的作用
D．干簧管是作为电控元件以实现自动控制的
答案CD
解析干簧管能感知磁场，是因为当两个簧片所处位置的磁场方向相同时，两个簧片被磁化而接通，所以是做开关来使用的，当磁场靠近或远离的时候，就会实现闭合或断开，故C、
D正确，A、B错误．
8.如图6所示为一种自动跳闸的闸刀开关，O是转轴，A是绝缘手柄，C是闸刀卡口，M、N 接电源线，闸刀处于垂直纸面向里、磁感应强度B＝1 T的匀强磁场中，C、O间距离为10 cm.当磁场力为0.2 N时，闸刀开关会自动跳开．则要使闸刀开关能跳开，CO中通过的电流的大小和方向为()
图6
A．电流方向C→O B．电流方向O→C
C．电流大小为2 A D．电流大小为1 A
答案BC
解析只有当OC受到向左的安培力时，闸刀才能自动跳开，根据左手定则知电流的方向是O→C，CO所受安培力大小为F安＝BIL＝1×I×0.1 N＝0.2 N，从而解得I＝2 A.
9.如图7所示是利用硫化镉制成的光敏电阻自动计数的示意图，其中A是发光仪器，B是光敏电阻(光照增强时电阻变小)，下列说法中正确的是()
图7
A．当传送带上没有物品挡住由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
B．当传送带上没有物品挡住由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
C．当传送带上有物品挡住由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．当传送带上有物品挡住由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
答案AD
解析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挡住由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正确；相反，当传送带上有物品挡住由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D正确．
10．电容式传感器是用来将非电信号转变为电信号的装置．由于电容器的电容C取决于极板正对面积S、极板间距离d以及极板间的电介质这几个因素，当某一物理量发生变化时就能引起上述某个因素的变化，从而引起电容的变化，如图8所示是四个电容式传感器的示意图，关于这四个传感器的作用，下列说法正确的是()
图8
A．甲图的传感器可以用来测量角度
B．乙图的传感器可以用来测量液面的高度
C．丙图的传感器可以用来测量压力
D．丁图的传感器只能用来测量速度
答案ABC
11.压敏电阻的阻值会随所受压力的增大而减小，某位同学利用压敏电阻设计了判断电梯运动状态的装置，其装置示意图如图9所示，将压敏电阻平放在电梯内，受压面朝上，在上面放一物体m，电梯静止时电流表示数为I0，电梯在不同的运动过程中，电流表的示数分别如图10甲、乙、丙、丁所示，下列判断中正确的是()
图9
图10
A．甲图表示电梯可能做匀速直线运动
B．乙图表示电梯可能做匀加速上升运动
C．丙图表示电梯可能做匀加速上升运动
D．丁图表示电梯可能做匀减速下降运动
答案AB
解析甲图中电流表示数和静止时相等，故可能做匀速直线运动，A正确．乙图中电流表示数为2I0，且保持不变，故压敏电阻所受压力增大，电阻变小，物体超重，电梯可能匀加速上升，B正确．丙、丁图中电流表的示数随时间变化，故电梯的加速度是变化的，不可能是匀加速或匀减速，C、D错误．。