2018学年高中物理粤教版选修3-2学案：第3章-第1节认识

第一节认识传感器
第二节传感器的原理
传感器及其分类
[先填空]
1．定义：能感受规定的被测量，并按照一定的规律转换成电信号的器件或装置．
2．传感器的组成：传感器一般由敏感元件、转换元件和转换电路三部分组成．
(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：是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．
3．传感器的分类
(1)按被测量分类：加速度传感器、速度传感器、压力传感器、温度传感器、负荷传感器、扭矩传感器等．
(2)按工作原理分类：电阻应变式传感器、压电式传感器、电容式传感器、涡流式传感器、动圈式传感器、磁电式传感器、差动变压器式传感器等．
(3)按能量传递方式分类：有源传感器和无源传感器．
[再判断]
1．传感器是一种联络传递感性的设备．(×)
2．传感器是一种感知、探测物理量的工具．(×)
3．传感器是将被测量的非电学量转换成电学量的器件或装置．(√)
[后思考]
在家庭生活中，人们不必直接接触就可以控制一些机器，试举一些生活中的例子，看哪些生活用品是通过传感器来完成的．
【提示】电视机及空调机的遥控器、电冰箱、自动干手机、自动水龙头、楼道内的声控灯等．
[合作探讨]
有自动控制功能的蔬菜大棚，要靠传感器感知作物生长所需的各种信息．如图3-1-1所示为蔬菜大棚内信息采集与自动控制示意图．试结合图中信息，分析讨论：
图3-1-1
探讨1：在蔬菜种植大棚中要用到哪些传感器？
【提示】需要五种传感器：光传感器、湿度传感器、温度传感器、气敏传感器、温敏传感器．
探讨2：这些传感器的作用是什么？
【提示】光传感器测光照强度，湿度传感器测空气湿度，温度传感器测空气温度，气敏传感器测二氧化碳浓度，温敏传感器测土壤温度．
[核心点击]
1．传感器的工作流程
非电学量→敏感元件→转换元件→转换电路→电学量
2．几种常用传感器对比
1．(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息转换为电学量
D ．传感器可以将所有感受到的信息都转换为电学量
【解析】 传感器的作用主要是用来采集信息并将采集到的信息转换成便于测量的量；但并不是将其感受到的所有信息都转换为电学量．故B 、C 正确．
【答案】 BC
2．关于传感器工作的一般流程，下列说法中正确的是( ) 【导学号：90270113】 A ．非电学量→敏感元件→转换电路→电学量→转换元件 B ．电学量→敏感元件→转换电路→转换元件→非电学量 C ．非电学量→敏感元件→转换元件→转换电路→电学量 D ．非电学量→转换电路→转换元件→敏感元件→电学量 【解析】 传感器工作的一般流程为： 非电学量――→(被)
敏感元件
――→(感知，然后通过)
转换元件
――→转换成电信号，再通过
转换电路
――→
(将此信号转换成易于传输或测量的)
电学量，因此A 、B 、D 错，C 对．
【答案】 C
1．不同的传感器的工作原理不同，但都是通过敏感元件把非电学量的变化转变为电学量的变化．
2．传感器输出的电学量可能为电流、电压、电路通断等，不一定是电压． 3．敏感元件只是传感器的一个关键部分，并不一定就是一个完整的传感器．
传 感 器 的 原 理
[先填空]
1．温度传感器的原理
(1)温度传感器：将温度变化转换为电学量变化的装置，它通过测量传感器元件的电学量随温度变化来实现对温度的测量．
(2)热敏电阻：利用半导体材料的阻值随温度变化而变化的特性实现温度测量的，其电阻大小与温度高低有关，温度变化，电阻有明显变化．
2．光电传感器的原理
(1)光电传感器：将光学量变化转化为电学量变化的装置．
(2)应用：路灯光电自动开关电路和红外楼道照明开关电路．
(3)光敏电阻：光电传感器的敏感元件其阻值随光照的增强而减小．
[再判断]
1．光敏电阻受到的光照越强，电阻越小．(√)
2．非接触式测温仪不用直接接触就能感知人的体温，是应用了光敏电阻作为敏感元件．(×)
3．热敏电阻一定是随温度的升高其阻值增大．(×)
[后思考]
光敏传感器的敏感元件一定是光敏电阻吗？
【提示】不一定，凡是在光照条件下电学特性随之改变的都可用作光敏传感器的敏感元件．
[合作探讨]
许多办公场所楼道灯具有这样的功能：天黑时，出现声音它就开启，而在白天，即使有声音它也没有反应．
探讨1：请分析满足上述条件的控制电路中有哪些传感器？是物理传感器还是化学传感器？
【提示】接入了两种传感器：光传感器(光敏电阻)、声传感器(通常用微型驻极体话筒)．以上两种传感器均为物理传感器．
探讨2：光敏电阻一般由什么材料组成？和电学中的一般电阻一样吗？
【提示】光敏电阻一般由半导体材料做成，而电学中常见电阻一般由金属材料制成．[核心点击]
1．光电传感器——光敏电阻
光敏电阻一般为半导体材料做成，当半导体材料受到光照时，会有更多的电子获得能量
成为自由电子，同时也形成更多的空穴，于是导电性能明显增强．
光敏电阻把光照的强弱转换为电阻大小．
2．温度传感器：热敏电阻和金属电阻
图3-1-2
(1)热敏电阻
指用半导体材料制成，其电阻值随温度变化发生明显变化的电阻．如图3-1-2所示为某热敏电阻的电阻——温度特性曲线．
热敏电阻可分为正温度系数的热敏电阻和负温度系数的热敏电阻，正温度系数的热敏电阻随温度升高，电阻增大；负温度系数的热敏电阻随温度升高，电阻减小．
(2)金属热电阻
有些金属的电阻率随温度的升高而增大，这样的电阻也可以制作温度传感器，称为金属热电阻．
热敏电阻或金属热电阻都能够把温度这个热学量转换为电阻这个电学量，但相比而言，金属热电阻的化学稳定性好，测温范围大，而热敏电阻的灵敏度较好．
3．如图3-1-3所示，R1、R2为定值电阻，L为电阻丝，R3为光敏电阻，当照射光强度增大时，下列选项中不正确的是() 【导学号：90270114】
图3-1-3
A．电压表的示数增大
B．R2中电流减小
C．电阻丝的功率增大
D．电路的路端电压增大
【解析】当光照强度增大时，R3阻值减小，外电路电阻随R3的减小而减小，干路电流增大，R1两端电压因干路电流增大而增大，同时内电压增大，故电路路端电压减小，而电压表的示数增大；由路端电压减小，而R1两端电压增大知，R2两端电压必减小，则R2中电流减小；结合干路电流增大知流过电阻丝的电流必增大，则电阻丝的功率增大，故本题选项为D.
【答案】 D
4．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3-1-4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关系如图乙所示．闭合S ，当R 的温度等于20 ℃时，电流表示数I 1＝2 mA ；当电流表的示数I 2＝3.6 mA 时，热敏电阻的温度是多少？
图3-1-4
【解析】 由乙图知，t ＝20 ℃时，R ＝4 kΩ 根据闭合电路欧姆定律I ＝E
R ＋R g 得
2×10－
3＝94×103＋R g .
求得R g ＝500 Ω.
又因I 2＝E R ′＋R g ，即3.6×10－
3＝9R ′＋500
故R ′＝2 kΩ.由乙图知t ＝120 ℃. 【答案】 120 ℃
电路中涉及热敏电阻、光敏电阻或金属热电阻时，熟记上述电阻阻值随温度变化的特点，然后依据动态电路问题的分析思路，由部分到整体再到部分进行分析.。