高中物理第六章传感器第1节传感器及其工作原理教学案新人教版
2018_2019学年高中物理第六章传感器第1节传感器及其工作原理学案新人教版
第1节传感器及其工作原理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.知道将非电学量转化为电学量的意义．3．了解光敏电阻、热敏电阻、金属热电阻和霍尔元件的性能，知道其工作原理及作用．一、什么是传感器1．定义：能够感受力、温度、光、声、化学成分等非电学量，并能把它们按照一定的规律转换为电压、电流等电学量，或转换为电路的通断的元件．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，可以方便地进行测量、传输、处理和控制．二、光敏电阻1．特点：光照越强，电阻越小．2．原理：无光照时，载流子极少，导电性能不好；随着光照的增强，载流子增多，导电性变好．(载流子：电路做定向移动形成电流的微粒)3．作用：把光照强弱这个光学量转换为电阻这个电学量．三、热敏电阻和金属热电阻1．构造：很小的矩形半导体薄片上，制作四个电极E、F、M、N.2．霍尔电压：如图所示，E、F间通入恒定电流I，同时外加与薄片垂直的磁场B，则M、N间出现霍尔电压U H，U H＝k IB d．3．作用：把磁感应强度这个磁学量转换为电压这个电学量．判一判(1)有光照射时，光敏电阻的阻值变大．( )(2)热敏电阻在温度升高时阻值变小．( )(3)金属热电阻在温度升高时阻值变小．( )(4)霍尔电压与组成霍尔元件的材料无关．( )提示：(1)×(2)√(3)×(4)×做一做(多选)下列有关传感器叙述，正确的是( )A．交警使用的酒精测试仪是一种物理传感器，是靠吹气的压力来工作B．红外线传感器是靠接收发热物体发出的红外线来工作C．红外线传感器就是温度传感器D．传感器是将非电学量转换成电学量的一种元件提示：选BD.交警使用的酒精测试仪不是靠吹气的压力来工作，而是依靠酒精浓度的变化改变电阻来工作，故A项错误．红外线传感器是靠接收发热物体发出的红外线来工作，故B项正确．红外线传感器就是光传感器，故C项错误．传感器是将非电学量转换成电学量的一种元件，故D项正确．想一想为解决楼道里的照明问题，在楼道内安装一个传感器与控制电灯的电路连接．当楼道内有人走动而发出声响时，电灯即与电源接通而发光，这种传感器是什么传感器，它的输入、输出信号各是什么？提示：它是声电传感器，输入的是声信号，输出的是电信号．传感器的原理和应用1．传感器的组成和工作流程(1)传感器的组成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：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)传感器的工作流程非电学量→敏感元件→转换元件→转换电路→电学量2．传感器的原理：传感器感受的通常是非电学量，如力、温度、位移、浓度、速度、酸碱度等，而输出的通常是电学量，如电压、电流、电荷量等．这些输出的信号是非常微弱的，通常需要经过放大后，再传送给控制系统产生各种控制动作．3．在理解传感器的原理时要注意以下三点第一，明确传感器所采用的核心部分是什么．第二，传感器的输入量是什么．第三，传感器的输出量是什么．如图所示(1)图甲是________的电容式传感器，原理是____________________________________________________________________________________________________________.(2)图乙是________的电容式传感器，原理是______________________________________________________________________________________________________.(3)图丙是________的电容式传感器，原理是___________________________________________________________________________________________________________.(4)图丁是________的电容式传感器，原理是_______________________________________________________________________________________________________.[思路点拨] 电容式传感器的分析依据是平行板电容器电容的决定式C＝εr S4πkd.[解析] (1)图甲是角度的电容式传感器，其原理是当动片旋进的角度不同时，电容器的正对面积不同，电容不同．(2)图乙是液体的电容式传感器，其原理是导电液体相当于电容器的一个极板，当液体深度发生改变时，相当于两极板的正对面积发生改变，电容也随之改变．(3)图丙是压力的电容式传感器，其原理是当作用在可动电极的压力改变时，金属片的形变也发生改变，两极板间的距离发生改变，电容也发生改变．(4)图丁是位移的电容式传感器，其原理是电介质板和物体固定在一起，当物体发生一小段位移时，插入两极板间的电介质发生变化，导致电容发生变化．[答案] 见解析电容式传感器中的电容C＝εr S4πkd，电容的大小由εr、S、d三个量决定，当其中一个量变化时，电容变化，引起串并联电路中电流或电压发生变化．分清哪个量发生变化引起了电容的变化，是解决电容式传感器问题的关键．(2018·南昌高二检测)如图所示是电容式话筒的示意图，它是利用电容制作的传感器，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，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( )A．距离变化B．正对面积变化C．介质变化D．电压变化解析：选A.平行板电容器的电容C∝εr S/d，本题中的介质没有变化，正对面积也没有变化，引起电容变化的因素是板间距离d.故选A.对几种传感器元件特性的理解1．光敏电阻的导电特性：光敏电阻一般由半导体材料做成，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．2．热敏电阻和金属热电阻的特点(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．如图线①所示为某热敏电阻的电阻－温度特性曲线．(2)金属热电阻：有些金属的电阻率随温度的升高而增大，如图线②所示，这样的电阻也可以制作温度传感器．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．霍尔元件(1)电场的产生：运动的载流子在洛伦兹力作用下在导体板的一侧聚集，在导体板的另一侧会出现多余的另一种电荷，从而形成横向电场．(2)电压的形成：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，导体板两侧会形成稳定的电压：U H ＝k IB d .U H 与B 成正比是霍尔元件能把磁学量转换成电学量的原因．命题视角1 光敏电阻的特性(多选)(2018·苏州中学高二检测)如图所示，R 1、R 2为定值电阻，L 为小灯泡，R 3为光敏电阻，当照射光强度增大时( )A ．电压表的示数增大B ．R 2中电流强度减小C ．小灯泡的功率增大D ．电路的路端电压增大[解析] 光的强度是被测量，光敏电阻R 3为光敏感元件，同时也是转换器件．当光强度增大时，R 3阻值减小，外电路电阻随R 3的减小而减小，R 1两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，A 项正确，D 项错误；由路端电压减小，而R 1两端电压增大，可知R 2两端电压必减小，则R 2中电流减小，B 项正确；结合干路电流增大知流过小灯泡的电流必增大，则小灯泡的功率增大，C 项正确．[答案] ABC命题视角2 热敏电阻的特性如图所示是一火警报警器的一部分电路示意图，其中R 2为用半导体热敏电阻(阻值随温度的升高而减小)制成的传感器，电流表为值班室的显示器，a 、b 之间接报警器．当传感器R 2所在处出现火情时，显示器的电流I 、报警器两端的电压U 的变化情况是( )A ．I 变大、U 变大B ．I 变小、U 变小C ．I 变小、U 变大D ．I 变大、U 变小[思路点拨] 解答本题时可按以下思路分析：[解析] 当R 2处出现火情时，R 2接入电路的电阻将减小，则此时电路中的总电阻减小，由闭合电路欧姆定律可知：外电路电压将减小，U 减小，电路中的总电流增大，所以R 1上的电压增大，显示器两端的电压将减小，电流I 减小，B 正确．[答案] B命题视角3 霍尔元件的特性如图所示，电流I 流过长方体金属块，金属块宽度为d ，高为h ，有一磁感应强度为B 的匀强磁场，垂直于纸面向里，金属块单位体积内的自由电子数为n ，试问金属块上、下表面哪面电势高？电势差是多少？[思路点拨] (1)金属导体中自由电荷是什么？(2)自由电荷在图示磁场中所受洛伦兹力方向如何？[解析] 因为载流子是自由电子，根据左手定则，让磁感线垂直穿过手心，四指指向电子运动的反方向(即电流方向)，拇指指向即电子受洛伦兹力的方向，则上表面积累负电荷，下表面就多余等量的正电荷，即下表面的电势高．当电场力与洛伦兹力平衡时，上、下表面的电压稳定，即eE 场＝eU h＝evB 又知导体中电流I ＝nevS ＝nev ·hd联立方程得U ＝IB ned. [答案] 下表面的电势高IB ned(1)解决含有热敏电阻和光敏电阻的电路动态分析问题时，首先要明确两种元件阻值大小的变化规律，然后根据闭合电路欧姆定律及串、并联电路的特点来分析电路中某一电阻变化而引起的整个电路中各部分电学量的变化情况．(2)在霍尔现象中要明确定向移动的电荷是哪种电荷，才能分清电势的高低，负电荷向某一方向定向移动与正电荷向相反方向定向移动不等效．【通关练习】1．(多选)数码相机和数码摄像机在人们生活中的应用越来越普及．在数码摄像器材中，使用了一种新型的敏感元件，叫电荷耦合器(CCD)，下列关于CCD 的说法正确的是( )A ．它能将光信号转换成模拟电信号B ．它能将模拟电信号转换为数字电信号C ．它是一种硅半导体芯片，上面布有数百万个光敏元件D ．它是一种硅半导体芯片，上面布有数百万个热敏元件解析：选D 是一种硅半导体芯片，上面布有数百万个光敏元件，每个光敏元件都把它所受到的光转换成相应量的电荷，于是整块CCD就把一幅图象的光信号转换成相应的模拟电信号，然后再通过A/D转换器转换为数字信号，以便于计算机处理，故选项A、C正确．2．(多选)如图所示是用光敏电阻LDR和灯泡制成的一种简易水污染指示器，下列说法中正确的是( )A．严重污染时，LDR是高电阻B．轻度污染时，LDR是高电阻C．无论污染程度如何，LDR的电阻不变，阻值大小由材料本身因素决定D．该仪器的使用会因为白天和晚上受到影响解析：选AD.严重污染时，透过污水照到LDR上的光线较少，LDR电阻较大，A对，B 错；LDR由半导体材料制成，受光照影响电阻会发生变化，C错；白天和晚上自然光强弱不同，或多或少会影响LDR的电阻，D对．[随堂检测]1．2007年度诺贝尔物理学奖授予了法国和德国的两位科学家，以表彰他们发现“巨磁电阻效应”．基于巨磁电阻效应开发的用于读取硬盘数据的技术，被认为是纳米技术的第一次真正应用．在下列有关其他电阻应用的说法中，错误的是( )A．热敏电阻可应用于温度测控装置中B．光敏电阻是一种光电传感器C．电阻丝可应用于电热设备中D．电阻在电路中主要起到通过直流、阻碍交流的作用解析：选D.热敏电阻对温度很敏感，光敏电阻对光照很敏感，电阻丝可用于电加热，A、B、C正确；交流电、直流电均可通过电阻，电阻对它们均可产生阻碍作用，D错误．2．许多饮水机，可以保证出水温度恒定，采取的方法是( )A．持续加温B．设定程式，固定各次加温时间及加热时间间隔C．水温低于设定温度时加热，达到设定温度时，停止加热D．人工控制加温按钮解析：选C.饮水机温度控制系统以调节饮水机温度为目的，其输入参数主要是水温信号和设置的设定温度．输出信号主要是温度显示、声光报警和执行加热．工作时传感器将温度传给单片机，当水温低于设定温度时，单片机控制加热模块加热，当温度高于设定温度，继电器断开，加热停止．从而实现温度控制的目标. 故选C.3．(多选)如图所示是一种油箱内油面高度检测装置的示意图．图中油量表由电流表改装而成，金属杠杆的一端接浮标，另一端触点O 接滑动变阻器R .当油箱内油面下降时，下列分析正确的有( )A ．触点O 向下滑动B ．触点O 向上滑动C ．电路中的电流增大了D ．电路中的电流减小了解析：选BD.当滑箱内油面下降时，浮标下降，由杠杆可以看出触点O 向上滑动，变阻器R 的阻值变大，电流减小，所以选项A 、C 错误，B 、D 正确．4．如图所示是霍尔元件的工作原理示意图，如果用d 表示薄片的厚度，k 为霍尔系数，对于一个霍尔元件d 、k 为定值，如果保持电流I 恒定，则可以验证U H 随B 的变化情况，以下说法中错误的是( )A ．将永磁体的一个磁极逐渐靠近霍尔元件的工作面时，U H 将变大B ．在测定地球两极的磁场强弱时，霍尔元件的工作面应保持水平C ．在测定地球赤道上的磁场强弱时，霍尔元件的工作面应保持水平D ．改变磁感线与霍尔元件工作面的夹角，U H 将发生变化解析：选C.电子最终在电场力和洛伦兹力作用下处于平衡状态，有evB ＝eU H L，解得U H ＝vBL ，则将永磁体的一个磁极逐渐靠近霍尔元件的工作面时，B 增大，则U H 将变大，故A 正确；地球赤道上方的地磁场方向水平，两极处的磁场方向竖直，在测地球赤道上方的地磁场强弱时，霍尔元件的工作面应保持竖直，在测量两极磁场强弱时，霍尔元件的工作面应水平，故B 正确，C 错误；改变磁感线与霍尔元件工作面的夹角，需将磁场进行分解，在垂直于工作面方向上的磁感应强度小于原磁场磁感应强度的大小，则U H 将发生变化，故D 正确．5．传感器是把非电学量(如速度、温度、压力等)的变化转换成电学量的变化的一种元件，在自动控制中有着相当广泛的应用．有一种测量人的体重的电子秤，其测量部分的原理图如图中的虚线框所示，它主要由压力传感器R (电阻值会随所受压力大小发生变化的可变电阻)、显示体重大小的仪表A(实质是理想的电流表)组成．压力传感器表面能承受的最大压强为1×107Pa ，且已知压力传感器R 的电阻与所受压力的关系如表所示．设踏板和压杆的质量可以忽略不计，接通电源后，压力传感器两端的电压恒为4.8 V ，取g ＝10 m/s 2.请回答：(2)如果某人站在该秤踏板上，电流表刻度盘的示数为20 mA ，则这个人的体重是________kg.解析：(1)由图表知，踏板空载时，压力传感器电阻R ＝300 Ω，此时A 中电流I ＝U R ＝4.8300A ＝1.6×10－2A. (2)当电流I ＝20 mA ＝20×10－3A 时，压力传感器的电阻R ＝U I ＝ 4.820×10－3Ω＝240 Ω，对应表格中，这个人的质量为50 kg.答案：(1)1.6×10－2(2)50[课时作业]一、单项选择题1．当你走近某些宾馆、酒店的大门时，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 ．可见光D ．红外线 解析：选D.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，红外线不属于可见光，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．故选项D 正确．2．如图所示，某半导体热敏电阻的I －U 图线可能是( )解析：选B.热敏电阻I－U图线是非线性的，并且随电流增大温度升高，电阻减小，故A、C、D错误，B正确．3.如图所示，将一光敏电阻接在多用电表两表笔上，将多用电表的选择开关置于欧姆挡，用光照射光敏电阻时，表针自左向右的偏角为θ；现用手掌挡住部分光线，表针自左向右的偏角为θ′，则可判断( )A．θ′＝θB．θ′<θC．θ′>θD．不能确定解析：选B.光敏电阻的阻值随光照强度的增强而减小，用手掌挡住部分光线，阻值变大，由欧姆挡的特点知，指针左偏，故指针自左向右的偏转角度变小．4.(2018·苏州高二检测)如图所示的电路中，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距离不变，下列说法正确的是( )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消耗的功率都不变解析：选A.滑动触头P左移，使其电阻减小，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电流的效果．5．(2018·福建莆田一中月考)居民楼的楼道里，夜里只是偶尔有人经过，电灯如果总是亮着会造成很大浪费．科研人员利用“光敏”材料制成“光控开关”，天黑时自动闭合，天亮时自动断开；利用“声敏”材料制成“声控开关”，当有人走动发出声音时自动闭合，无人走动时自动断开．若将这两种开关配合使用，下列电路符合要求的是( )解析：选D.根据题意可得，声控开关和光控开关串联后共同控制灯泡，即用导线将各元件依次连接起来．故选D.6．(2018·包头高二检测)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( )A．60 ℃B．80 ℃C．100 ℃D．120 ℃解析：选D.在20 ℃时，E＝(R g＋R1)I1，得R g＝500 Ω；设温度为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.7．如图所示为测定压力的电容式传感器，将平行板电容器、灵敏电流表(零刻度在中间)和电源串联成闭合回路，当压力F作用于可动膜片电极上时，膜片发生形变，引起电容的变化，导致灵敏电流表指针偏转，在对膜片开始施加压力使膜片电极从图中的虚线推到图中实线位置并保持固定的过程中，灵敏电流表指针偏转情况为(电流从电流表正接线柱流入时指针向右偏)( )A．向右偏到某一刻度后回到零刻度B．向左偏到某一刻度后回到零刻度C．向右偏到某一刻度后不动D．向左偏到某一刻度后不动解析：选A.压力F作用时，极板间距d变小，由C＝εr S4πkd知，电容器电容C变大，又根据Q＝CU，极板带电荷量变大，所以电容器应充电，电流从灵敏电流表正接线柱流入，所以指针将向右偏．F不变时，极板保持固定后，充电结束，指针回到零刻度．故选A.8．(2018·北京师大附中月考)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 两端电压U 增大，装置发出警报，此时()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 增大越明显解析：选C.当R M 变大时，回路的总电阻R 总变大，根据I 总＝E R 总，得干路中的电流变小，S 两端的电压U ＝I 总R S 变小，故选项A 、B 错误；当R M 变小时，回路的总电阻R 总＝11R ＋1R M＋R S 变小，根据I 总＝E R 总，得干路中的电流变大，S 两端的电压U ＝I 总R S 变大，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，故选项C 正确，选项D 错误．9．为监测某化工厂的污水排放量，技术人员在该厂的排污管末端安装了如图所示的流量计．该装置由绝缘材料制成，长、宽、高分别为a 、b 、c ，左右两端开口．在垂直于上下底面方向加磁感应强度大小为B 的匀强磁场，在前后两个内侧面分别固定有金属板作为电极．污水充满管口从左向右流经该装置时，电压表将显示两个电极间的电压U .若用Q 表示污水流量(单位时间内排出的污水体积)，下列说法中正确的是()A ．若污水中正离子较多，则前表面比后表面电势高B ．若污水中负离子较多，则前表面比后表面电势高C ．污水中离子浓度越高，电压表的示数将越大D ．污水流量Q 与U 成正比，与a 、b 无关解析：选D.这个题目与课本中本节课介绍的霍尔元件工作原理相似，等效为金属杆切割类的问题，根据U ＝Bbv ，v 为污水的流速，b 为等效切割的长度．根据左手定则可以判断出，无论污水中正离子较多还是污水中负离子较多，总是后表面比前表面电势高，故A 、B 错误；由U ＝Bbv 可以看出，电压表的示数与污水中离子浓度无关，所以C 错误；由U ＝Bbv和Q ＝bcv 可知Q ＝cU B，污水流量Q 与U 成正比，与a 、b 无关，D 正确．二、多项选择题10．数字跑道已在北京奥运会田径竞走、跳远和三级跳等重点奥运项目中投入使用，数字跑道和数字跑鞋为运动健儿们在科学训练和比赛中发挥了积极作用．该跑道采用了大面积柔性压力阵列传感器、现场总线网络和分布式信息处理技术，可实时检测运动员步频、步距、足部触地时间、离地时间、速度、发力大小、发力角度等信息，在此基础上构建了训练信息采集和技术诊断分析系统，为田径项目提供了一种全新的科学化训练平台．下列关于数字跑道的说法正确的是( )A ．传感器需要有敏感元件和转换电路等组成B ．压力阵列传感器应该是一种力电传感器C ．奥运会中应用的传感器智能化程度很高，直接感应的是电学量，不需要力电转换D ．奥运会中应用的传感器智能化程度尽管很高，但传感器都是将非电学量转换为电学量解析：选ABD.根据题目情景叙述，跑道上使用的是压力传感器，所有的传感器都要先通过敏感元件采集信息，然后再由转换电路将采集到的力、热、光等非电学量转换为便于测量的电压或电流等电学量．当转换电路采用计算机进行信息处理，并输出数字信息时，这种传感器就可以称得上是智能传感器了，故选ABD.11．如图所示为光敏电阻自动计数器的示意图，其中R 1为光敏电阻，R 2为定值电阻，此光电计数器的基本工作原理是( )A ．当有光照射R 1时，信号处理系统获得高电压B ．当有光照射R 1时，信号处理系统获得低电压C ．信号处理系统每获得一次低电压就计数一次D ．信号处理系统每获得一次高电压就计数一次解析：选AC.当有光照射R 1时，光敏电阻R 1的阻值减小，R 2两端的电压增大；当有物体通过时，相当于无光照，R 1阻值增大，R 2两端电压减小，所以信号处理系统每获得一次低电压就计数一次，因此A 、C 正确．12．如图所示，R 是光敏电阻，当它受到的光照强度增大时( )。
高中物理：6.1《传感器及其工作原理》教案(1)(新人教选修3-2)
《传感器及其工作原理》的创新教学设计教学依据①物理（新人教版）选修3－2第六章第1节《传感器及其工作原理》（P56－P60）；②新物理课程标准（实验）.教学流程图教学目标1.知识与技能：①知道非电学量转换成电学量的技术意义；②通过实验，知道常见传感器的工作原理；③初步探究利用和设计简单的传感器.2.过程与方法：①通过对实验的观察、思考和探究，让学生了解传感器、熟悉传感器工作原理；②让学生自己设计简单的传感器，经历科学探究过程，学习科学研究方法，培养学生的实践能力和创新思维能力.3.情感态度与价值观：在理解传感器工作原理的基础上，通过自己设计简单的传感器，体验科技创新的乐趣，激发学习物理的兴趣.重、难点 1.几种常见传感器的工作原理（演示实验）；2.学生自己设计简单的传感器.教学策略用几个有趣的传感器实验引入课题，激发学生探究传感器原理的兴趣.给出“传感器就是把非电学量转换为电学量”的概念之后，重点介绍光敏电阻、金属热电阻、热敏电阻.安排音乐茶杯和火警装置两个设计性问题让学生体会传感器的简单应用.结合电容、霍尔效应、电阻定律等知识让学生设计传感器，进一步深化传感器的工作原理.最后在对本节课总结的基础上，结合《思考与讨论》进行教学反馈.教学程序教学环节教学内容及师生互动设计情感与方法一．课题的引入二．什么是传感器？【演示实验1】干簧管控制电路的通断如图，小盒子A的侧面露出一个小灯泡，盒外没有开关，但是把磁铁B放到盒子上面，灯泡就会发光，把磁铁移走，灯泡熄灭.师问：盒子里有怎样的装置，才能实现这样的控制？生猜：（可以自由讨论，也可以请学生回答）师生探究：打开盒子，用实物投影仪展示盒内的电路图，了解元件“干簧管”的结构。
探明原因：玻璃管内封入两个软磁性材料制成的簧片。
当磁铁靠近干簧管时，两个簧片被磁化而接通，电路导通。
所以，干簧管能起到开关的作用。
师点拨：这个装置反过来还可以让我们通过灯泡的发光情况，感知干簧管周围是否存在着磁场。
新人教版高中物理选修3-2同步教案 第6章 6-1 传感器及其工作原理
6．1 传感器及其工作原理教学目标（一）知识与技能1．知道什么是传感器。
2．了解光敏电阻、热敏电阻、霍尔元件的工作原理。
3．会使用霍尔电压公式dIB k U H 。
（二）过程与方法通过实验，知道常见传感器的工作原理。
（三）情感、态度与价值观通过已有知识在传感器中的应用激发科学探究的兴趣。
教学重点、难点重点认识各种常见的传感器；了解光敏电阻、热敏电阻、霍尔元件的工作原理。
难点光敏电阻、热敏电阻、霍尔元件的工作原理。
教学方法实验法、观察法、归纳法。
教学手段磁铁、干簧管、各种常见传感器、光敏电阻、热敏电阻、霍尔元件、多用电表、热水、冷水、台灯、投影仪等教学过程（一）引入新课引导学生看教材55页“勇气号”火星探测器的彩色照片；列举生活中的一些自动控制实例，如遥控器控制电视开关、日光控制路灯的开关、声音强弱控制走廊照明灯开关等，激发学生学习兴趣，引出课题。
列举自己知道的自动控制的其他实例。
如当走近自动门时，门会自动打开；电梯关门，当两门靠拢到接触人体时，门又会重新自动打开等等。
（二）进行新课1、什么是传感器演示实验：揭示实验“奥秘”：盒子里用到了一种称为“干簧管”的元件。
介绍干簧管的构造和工作原理，干簧管是一种能够感知磁场的传感器。
引导学生阅读教材2、3段，思考问题：（1）什么是传感器？（2）传感器的作用是什么？（1）传感器是指这样一类元件：它能够感知诸如力、温度、光、声、化学成分等非电学量，并把它们按照一定的规律转化成电压、电流等电学量，或转化为电路的通断。
（2）传感器的作用是把非电学量转化为电学量或电路的通断，从而实现很方便地测量、传输、处理和控制。
出示几种常见的传感器，增加学生的感性认识。
为了制作传感器，常常需要一些元器件，下面看几个实例：2．光敏电阻介绍光敏电阻的外形和构造。
如图6.1-4。
现象：光敏电阻在被光照射时电阻发生明显变化。
普通电阻则不会发生变化。
引导学生阅读教材57页的内容，思考问题：（1）光敏电阻的电阻率与什么有关？（2）光敏电阻受到光照时会发生什么变化？怎样解释？（3）光敏电阻能够将什么量转化为什么量？（1）光敏电阻的电阻率与光照强度有关。
2024-2025学年高中物理第六章传感器1传感器及其工作原理(1)教案新人教版选修3-2
- 提问与讨论：学生针对不懂的问题或新的想法，勇敢提问并参与讨论。
教学方法/手段/资源：
- 讲授法：教师通过详细讲解，帮助学生理解传感器的基本概念、分类及其工作原理。
- 实践活动法：教师设计实践活动，让学生在实践中掌握传感器的工作原理。
- 合作学习法：学生通过小组讨论等活动，培养团队合作意识和沟通能力。
作用与目的：
- 帮助学生深入理解传感器的基本概念、分类及其工作原理。
- 通过实践活动，培养学生的动手能力和解决问题的能力。
- 通过合作学习，培养学生的团队合作意识和沟通能力。
3. 课后拓展应用
教师活动：
- 布置作业：根据本节课的内容，布置适量的课后作业，巩固学习效果。
教学方法/手段/资源：
- 自主学习法：教师引导学生自主思考，培养自主学习能力。
- 信息技术手段：利用在线平台、微信群等，实现预习资源的共享和监控。
作用与目的：
- 帮助学生提前了解本节课的课题，为课堂学习做好准备。
- 培养学生的自主学习能力和独立思考能力。
2. 课中强化技能
教师活动：
- 导入新课：教师通过讲述传感器在现代科技领域中的应用案例，如智能家居、无人驾驶等，引出传感器及其工作原理的课题，激发学生的学习兴趣。
3. 传感器在现实生活中的应用
难点：
1. 传感器的工作原理的理解和应用
2. 传感器信号的处理和分析
3. 传感器在实际工程中的应用
解决办法：
1. 通过实物展示和举例，让学生直观理解传感器的概念和分类。
2. 利用实验和模拟软件，让学生亲身体验传感器的工作过程，加深理解。
高中物理 第六章第一节 传感器及其工作原理课件 新人教版选修32
【答案】 ABC 【规律总结】 解决光敏电阻相关的问题，要分两步走 (1)明确光敏电阻的阻值随光照如何变化． (2)结合光敏电阻阻值的变化，利用闭合电路的欧姆定律等 相关运算，解决光敏电阻对电路的影响问题．
跟踪训练1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( )
定的电压：UH＝kIdB.UH 的变化与 B 成正比是霍尔元件能把磁 学量转换成电学量的原因．
例2 如图所示，电流I流过长方体金属块，金属块宽度为 d，高为h，有一磁感应强度为B的匀强磁场，垂直于纸面向 里，金属块单位体积内的自由电子数为n，试问金属块上、 下表面哪面电势高？电势差是多少？
【解析】 因为载流子是自由电子，根据左手定则，让磁感 线穿过手心，四指指向电子运动的反方向(即电流方向)，拇指 指向即电子受洛伦兹力的方向，则上表面积累负电荷，下表 面就多余等量的正电荷，即下表面的电势高．当电场力与洛 伦兹力平衡时，上、下表面的电压稳定，即 eE 场＝ehU＝evB 又知导体中电流 I＝nevS＝nev·hd
传感器 非电学量 → 敏感元件、转换器件、转换电路 → 电学量
成功体验 传感器的作用是什么？ 提示：把非电学量转换为电学量，或转换为电路的通断．
二、光敏电阻 自主探究
将一只光敏电阻接到多用电表的两端，电表置于倍率为100 的欧姆挡，用手掌遮光时电阻值很大；在室内自然光的照射 下，电阻值较小；用阳光直接照射下，电阻值很小．这说明 了光敏电阻具有什么特点？它把什么量转换为什么量？
1．如图甲，将一只热敏电阻接到多用电表的两端，分别用 手和冷水去改变热敏电阻的温度，用手时电阻值较小，用冷 水时，电阻值较大．这说明了什么？
最新人教版高中物理选修3-2第六章《传感器及其工作原理》教学设计
教学设计1传感器及其工作原理本节分析本节以传感器的功能与原理为主线，让学生综合运用已经学过的或将要学到的物理知识来认识传感器的工作原理．这是本章的第一节内容，侧重点在于让学生了解传感器，认识其工作原理，知道有哪些重要的传感器元件，同时还要给学生以学习方法的指导，通过探究性学习和合作学习来获得新知识．传感器在现代生活中已经被广泛应用，是测量和控制电路中不可缺少的元器件．传感器的设计和使用中涉及相当多的物理学知识，将力学、电磁学的知识与传感器的设计、应用紧密联系，是物理教学中的重要内容，也是新课改中心思想的重要体现．这一节内容要求学生能通过观察一些现象和常见的事例，初步形成传感器的概念，并介绍三种制作传感器所使用的敏感元件，运用以前学习过的物理知识了解它们的工作原理，从而为了解传感器的应用打下良好的基础．为了增加学生的技术知识和常识，提高应用知识以及进行电器复杂设计的能力，学好本节知识是非常必要的．学情分析学生在日常物理学习中往往关注理论知识，研究多种物理模型，这是高中物理学习中必要的．但是，学生的技术知识甚至技术常识却十分贫乏，只会做题，不会解决实际问题．所以，要注意为学生创造条件和环境，让学生主动参与，多观察、多动手、多思考，领会研究方法，树立自信，然后使学习演变成兴趣盎然、没有负担的物理研习．教学目标●知识与技能(1)结合实际生产及生活，展示各种事例及应用，使学生知道非电学量转换成电学量的技术意义．(2)通过实验，对传感器中常见的敏感元件加以了解，并从中知道它们的工作原理．(3)通过分析大量传感器在生产和生活中的应用，了解传感器是如何工作的，并会结合原有的电学知识设计一些简单的传感器电路．●过程与方法(1)用热敏电阻、光敏电阻等常用元器件做实验，了解传感器是怎样把非电学量转换成电学量的．(2)通过对实际传感器工作原理的分析，了解传感器是怎样应用到技术中，实现信息采集或自动控制的．(3)结合生活实际，在课外或家庭活动中设计组装简单的自动控制装置．(4)通过调查、上网或从图书馆查阅相关资料，列举传感器的应用实例．(5)根据设计与制作的需要，通过多种方式学习与拓展相关的知识和技能．●情感、态度与价值观在理解传感器工作原理的基础上，通过自己设计简单的传感器，体验科技创新的乐趣，激发学习物理的兴趣．教学重难点1．干簧管、光敏元件、热敏元件等电学实验元件在电路中的作用．2．设计电路，理解传感器的工作原理及应用．教学准备小盒子、小灯泡、干簧管、条形磁铁、干电池、导线、音乐茶杯、光敏电阻、多用电表、金属热电阻、热敏电阻、多媒体课件等．教学过程设计盒子里有什么装置，才能出现这样的现象？答案预设：盒子里有弹性铁质开关.思路点拨：打开盒子，引导学生观察盒内实物的电路思考讨论：生活中常用的电视、空调的遥控器是如何实现远距离操控的？楼梯上的电灯如何做到人来就开，走就熄？工业生产中所用的自动报警器、恒温烘箱是如何换用一只普通的电阻，小心地把电阻表面的漆涂层除去一些，使里面的导电膜漏出来接受光照．述实验，结果相同吗？如图，在一个很小的矩形半导体(例如砷化铟制作四个电极E、F、M、N，它就成了一个霍尔元件．间通入恒定的电流I，同时外加与薄片垂直的磁则薄片中的载流子就在洛伦兹力的作用下，板书设计1传感器及其工作原理1.传感器：能够感受诸如力、温度、光、声、化学成分等物理量，并能把它们按照一定的规律转换为便于传送和处理的另一个物理量(通常是电压、电流等电学量)，或转换为电路的通断的元件2.传感器的优点：把非电学量转换为电学量，很方便地进行测量、传输、处理和控制3.一些制作传感器的元器件(1)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(2)热敏电阻和金属热电阻：能够把温度这个热学量转换为电阻这个电学量(3)霍尔元件：能够把磁感应强度这个磁学量转换为电压这个电学量教学反思1．本节课依据学生的认知规律组织教学，通过趣味实验引入新课，设置悬念，提出问题，激发学生兴趣，增强学生的求知欲；在进行“什么是传感器”的教学中注重实验探究，引导学生从两个实验的探究中加以归纳，让学生了解把非电学量转化为电学量的技术意义；在对光敏电阻、热敏电阻和金属热电阻、霍尔元件这些制作传感器的元器件教学中，注重将教师演示实验与学生动手实验相结合，注重理论与实践相结合．2．整个教学过程符合新课程的三维目标，体现新课程的理念，注重培养学生的自主、合作、探究能力，注意从生活走向物理，从物理走向生活，以此增进学生的学习能力和科学素养．备课资料●遥控开关随着人们生活水平的不断提高，家用电器也在走向智能化和遥控化．遥控技术越来越多地应用于家用电器．遥控开关不仅能用来控制电源开关，也能用来控制电视机选择频道、音量的大小、电风扇的风速、空调的温度等．家用电器的遥控开关，可以用声波、超声波、无线电波和红外线来控制．但应用得最多的是红外线遥控．红外线遥控开关由红外线发射器和接收器两部分组成．发射器就是我们拿在手里的遥控器，遥控器主要包括调制器和红外线发射管，可以对10 m范围内的家用电器进行遥控．红外线发射管能发射出一定波长的红外线，调制器能把控制开关的低频控制信号“加载”在红外线上．所以，从红外线发射器发射出来的红外线携带了控制信号．红外线遥控开关的接收器是安装在被控制的家用电器的正面面板上，它由接收管、抗干扰电路、解调器和开关控制器组成．接收管是一种硅光三极管，通过光电效应将照射在它上面的红外线转变为电信号．抗干扰电路能鉴别和排除周围环境中的红外线、干扰信号．解调器能将“加载”在红外线上的低频控制信号“卸”下来，并送入开关控制器，使电源开关接通或断开．。
高中物理6.1传感器及其工作原理教案新人教版选修32
第一节传感器及其工作原理教学目标：1.明白什么是传感器，理解各类传感器的工作原理2.明白光敏电阻特点及作用3.掌握热敏电阻和金属电阻的特点及区别4.理解霍尔元件的原理及作用会用得各类元件(热敏电阻、光敏电阻、霍尔元件等)设计简单的控制电路教学重点：熟悉各类常见的传感器；了解光敏电阻、热敏电阻、霍尔元件的工作原理。
教学难点：光敏电阻、热敏电阻、霍尔元件的工作原理教学方式：PPT课件，演示实验，教学教学用具：PPT课件,光敏电阻，干簧管等教学进程：（一）引入新课教师：引导学生看教材55页“勇气号”火星探测器的彩色照片；列举生活中的一些自动控制实例，如遥控器控制电视开关、日光控制路灯的开关、声音强弱控制走廊照明灯开关等，激发学生学习兴趣，引出课题。
学生：列举自己明白的自动控制的其他实例。
如当走近自动门时，门会自动打开；电梯关门，当两门靠拢到接触人体时，门又会从头自动打开等等。
演示实验：干簧管控制电路的通断: 如图，小盒子A的侧面露出一个小灯泡，盒外没有开关，可是把磁铁B放到盒子上面，灯泡就会发光，把磁铁移走，灯泡熄灭.（演示实验1：干簧管传感器）（演示实验1：干簧管传感器）（干簧管的实物及原理图）学生对干簧管并非熟悉，因此才有了好奇。
声光控开关在生活中很普及，所以又有亲切感学生活动：①当冰箱内的温度高于设定值时，制冷系统自动启动，而当温度低于设定值时，制冷系统又会自动停止。
冰箱的控制，是通过温度传感器实现的。
②楼梯道的电灯，晚上，有人通过楼道时，开关自动接通，灯就亮；白天，无论是不是有人通过，开关都是断开的，灯老是不亮，这种开关用的就是声光传感器。
③为了避免火灾的发生，在宾馆房间的天花板上大多有一个小盒子，当房间失火时它能感知出现的烟雾，通过电路发出警报，那个小盒子就是烟雾传感器（二）新课教学一、什么是传感器(1)．传感器是指如此一类元件：它能够感知诸如力、温度、光、声、化学成份等非电学量，并把它们依照必然的规律转化成电压、电流等电学量，或转化为电路的通断。
人教版高中物理教案-传感器及其工作原理
選修3-2第六章第1節：感測器及其工作教學設計一．【教材分析】：《6.1 感測器及其工作》是新人教版高中物理選修3-2第六章第一節的教學內容，主要學習一些簡單感測器，以介紹為主，課程內容比較簡單。
二．【教學目標】一、知識與技能：（1）、瞭解什麼是感測器，知道非電學量轉化為電學量的技術意義；（2）、知道感測器中常見的三種敏感元件光敏電阻、熱敏電阻和霍爾元件及其它們的工作原理。
（3）、瞭解感測器的應用。
二、過程與方法：通過對實驗的觀察、思考和探究，讓學生在瞭解感測器、熟悉感測器工作原理的同時，經歷科學探究過程，學習科學研究方法，培養學生的觀察能力、實踐能力和創新思維能力。
三、情感、態度與價值觀：（1）、體會感測器在生活、生產、科技領域的種種益處，激發學生的學習興趣，拓展學生的知識視野，並加強物理與STS的聯繫。
（2）、通過動手實驗，培養學生實事求是的科學態度、團隊合作精神和創新意識。
三．【教學重點】：理解並掌握感測器的三種常見敏感元件的工作原理。
【教學難點】：分析並設計感測器的應用電路。
四．學情分析：從上世紀八十年代起，國際上出現了“感測器熱”，感測器在當今科技發展中有著十分重要的地位。
本課的設計思路是通過對實驗的觀察、思考和探究，瞭解什麼是感測器，感測器是如何將非電學量轉換成電學量的，感測器在生產、生活中有哪些具體應用，為學生利用感測器製作簡單的自控裝置作一鋪墊。
學生對感測器瞭解較少，教學時力避深奧的理論，側重於聯繫實際，讓學生感受感測器的巨大作用，進而提高學生的學習興趣，培養學生熱愛科學的情感和崇尚科學的精神。
五．【教學方法】：實驗、探究、討論六．【教學用具】：幹簧管，磁鐵，光敏電阻、熱敏電阻演示儀、感測器簡單應用實驗盒、萬用表。
七．【課時安排】1課時八．【教學過程】預習檢查、總結疑惑檢查落實了學生的預習情況並瞭解了學生的疑惑，使教學具有了針對性一、引入新課：今天我們生活中常用的電視、空調的遙控器是如何實現遠距離操縱的？樓梯上的電燈如何能人來就開，人走就熄的？工業生產中所用的自動報警器、恒溫烘箱是如何工作的？“非典”病毒肆虐華夏大地時，機場、車站、港口又是如何實現快速而準確的體溫檢測的？所有這些，都離不開一個核心，那就是本堂課將要學習的感測器。
2020高中物理 第六章 1传感器及其工作原理学案 新人教版选修3-2
《传感器及其工作原理》教学设计教学4分环节二：新课教学9分二．传感器的工作原理：三．常见的敏感元件：光控小夜灯演示（1）光敏电阻：分组实验光照情况受光表面暴露遮盖受光表面电阻值的情况电阻小电阻大阅读教材53-54页的内容：1.特点：光照越强，电阻越小。
2.材料：一般为半导体。
如：硫化镉3.导电原理：无光照时，载流子（自由电子和空穴）少，导电性能不好随着光照的的增强，载流子增多，导电性变好。
4.作用：光照强弱电阻5.应用：照相机、验钞机、光控开关、光电计数器、报警器(2)金属热电阻和热敏电阻分组实验：观察与思考:热敏电阻（半导体）非电学量敏感元件转换电路电学量环节二：新课教学10分1.特点：金属热电阻温度升高电阻增大热敏电阻温度升高电阻减小2.异同点：金属热电阻化学稳定性好、测量范围大、但是灵敏度差。
热敏电阻化学稳定性差、测量范围小、但是灵敏度好。
3.作用：温度电阻4.应用：冰箱启动器、电饭锅、电阻温度计、报警器等例1：如图是一个温度传感器的原理示意图，Rt是一个热敏电阻器（热敏电阻随温度的升高阻值而降低）。
试说明传感器是如何把温度值转变为电信号的，电压表示数怎么变化？思考方向：1．两电阻采取什么连接方式？2．电压表测的是哪个电阻的电压？延伸：如果将热敏电阻换成光敏电阻呢？练1. 如图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（）A．当有光照射 R1时，信号处理系统获得高电压B．当有光照射R1时，信号处理系统获得低电压C．信号处理系统每获得一次低电压就记数一次D．信号处理系统每获得一次高电压就记数一次不同温度的水凉水温水开水电阻值情况附录1《传感器及其工作原理》学案【学习目标】（1）了解什么是传感器，知道非电学量转化为电学量的技术意义。
（2）知道光敏电阻、热敏电阻和霍尔元件及其它们的工作原理。
（3）通过对实验的观察、思考和探究，了解传感器、熟悉传感器工作原理的同时，经历科学探究过程，学习科学研究方法，培养学生的观察能力、实践能力和创新思维能力。
高中物理 6.1 传感器及其工作原理导学案 新人教版选修
高中物理 6.1 传感器及其工作原理导学案新人教版选修6、1 传感器及其工作原理导学案新人教版选修3-2\【学习目标】(1）知道什么是传感器，理解各类传感器的工作原理 (2)知道光敏电阻特点及作用(3)掌握热敏电阻和金属电阻的特点及区别(4)理解霍尔元件的原理及作用会用得各类元件(热敏电阻、光敏电阻、霍尔元件等)设计简单的控制电路【重点难点】传感器的工作原理【学习内容】课前自学1、干簧管结构：______________________________________作用：______________________________________________2、传感器作用：________________________________________分类：________________________________________3、光敏电阻构造及特点：________________________________作用：__________________________________________4、热敏电阻和金属热电阻_________________________________________________________ _________________5、霍尔元件______________________________________核心知识探究1、干簧管结构：它只是玻璃管内封入的的两个_______________________________制成的簧片、作用：在电路中起到_______________的作用，它是一种能够_______________________________的传感器、2、传感器作用：它是能够把易感受的力、温度、光、声、化学成分等＿＿＿＿＿＿＿按照一定的规律转换为容易进行测量、传输、处理和控制的电压、电流等＿＿＿＿＿＿＿，或转换为＿＿＿＿＿＿＿的一类元件、分类：常见的传感器有色标传感器、温度传感器、＿＿＿＿＿＿＿、电容式位移传感器、电感式位移传感器等等、3、光敏电阻构造及特点：光敏电阻是用＿＿＿＿＿＿＿制成的，硫化镉就是一种＿＿＿＿＿、其特点是电阻率随光照强度的增大而＿＿＿＿＿＿＿，原因是：无光照射，载流子＿＿＿＿＿＿＿，导电性＿＿＿＿＿＿＿、作用：光敏电阻能够把＿＿＿＿＿＿＿转化为＿＿＿＿＿＿＿、4、热敏电阻和金属热电阻热电阻：金属的电阻率随温度的升高而＿＿＿＿＿＿＿，用多金属做成的传感器称为热电阻、其特点是＿＿＿＿＿＿＿、测温范围＿＿＿＿＿＿＿，但＿＿＿＿＿＿＿较差、热敏电阻：半导体材料的导电能力随温度升高而＿＿＿＿＿＿＿，电阻率随温度升高而＿＿＿＿＿＿＿，用＿＿＿＿＿＿＿做成的传感器称为热敏电阻，热敏电阻也可以用＿＿＿＿＿＿＿制成、其特点是灵敏度＿＿＿＿＿＿＿、二者的作用：二者都能把＿＿＿＿＿＿＿转化为＿＿＿＿＿＿＿、5、霍尔元件霍尔电压：①形成过程：＿＿＿＿＿＿＿、②表达式UH=＿＿＿＿＿＿＿，式中d为，k为＿＿＿＿＿＿＿，其大小与＿＿＿＿＿＿＿有关、作用：用霍尔元件能够把＿＿＿＿＿＿＿转换为＿＿＿＿＿＿解题方法探究例1 如图6－1－2所示，将万用表的选择开关置于“欧姆档”，再将电表的两支表笔与负温度系数的热敏电阻Rt的两端相连，这时表针恰好指在刻度盘的正中间、若往Rt上擦一些酒精，表针将向＿＿＿＿（填“左”或“右”移动）；若用吹风机将热风吹向电阻，表针将向＿＿＿＿（填“左”或“右”移动）、6－1－2【解析】若往Rt上擦一些酒精，由于酒精蒸发吸热，热敏电阻Rt温度降低，电阻值增大，所以电流减少，指针应该向左偏；用吹风机将热风吹向电阻，电阻Rt温度升高，电阻值减少，电流增大，指针向右偏【答案】左右【特别提示】（1）热敏电阻的阻值随温度的变化而变化、阻值随温度的升高而增大的我们称之为正温度系数热敏电阻(PTC)、阻值随温度的升高而减小的我们称之为负温度系数热敏电阻(NTC)、（2）欧姆表的表盘刻度最右侧为0Ω，最左侧为最大值、例2用多用电表的同一档位测量热敏电阻和光敏电阻的阻值时，下列说法正确的是( )A、测热敏电阻时，温度越高，多用电表指针偏角越大B、测热敏电阻时，温度越高，多用电表指针偏角越小C、测光敏电阻时，光照越弱，多用电表指针偏角越大D、测光敏电阻时，光照越弱，多用电表指针偏角越小【课堂小结与反思】【课后作业与练习】1、下列说法正确的是A、传感器担负着信息采集的任务B、干簧管是一种磁传感器C、传感器不是电视摇控接收器的主要元件D、传感器是力、温度、光、声、化学成分转换为电信号的主要工具2、如图6－1－4为电阻R随温度T变化的图线，下列说法中正确的是A、图线1是热敏电阻的图线，它是用金属材料制成的图6－1－4B、图线2是热敏电阻的图线，它是用半导体材料制成的C、图线1的材料化学稳定性好、测温范围大、灵敏度高D、图线2的材料化学稳定性差、测温范围小、灵敏度高3、用多用电表的同一档位测量热敏电阻和光敏电阻的阻值时，下列说法正确的是A、测热敏电阻时，温度越高，多用电表指针偏角越大B、测热敏电阻时，温度越高，多用电表指针偏角越小C、测光敏电阻时，光照越弱，多用电表指针偏角越大D、测光敏电阻时，光照越弱，多用电表指针偏角越小4、利用半导体材料可制成哪些电子元件A、热敏电阻B、光敏电阻C、晶体管D、标准电阻5、如图6－1－5所示，某半导体热敏电阻的I－U图线可能是图6－1－56、金属铂的电阻值对温度高低非常敏感，图中可能表示金属铂电阻的U－I图线是7、下列说法正确的是A、金属导体的电阻率随温度增加而减小B、半导体的电阻率随温度增加而增大C、用半导体制成的热敏电阻，可以作为测温元件D、用半导体制成的光敏电阻，可以起到开关的作用8、关于热敏电阻以下说法中正确的是A、热敏电阻的阻值随温度升高而增大B、热敏电阻的阻值随温度升高而减小C、热敏电阻的阻值随温度变化而均匀变化D、热敏电阻可以用金属氧化物制作9、一般光敏电阻的阻值随入射光强度的增加而＿＿＿＿＿、由于它对光照较敏感，所以可以作＿＿＿＿＿传感器、。
高中物理 第六章 传感器 1 传感器及其工作原理学案 新人教版选修32
1 传感器及其工作原理[目标定位] 1.知道什么是传感器，理解传感器的工作原理.2.掌握制作传感器的常用元件：光敏电阻、热敏电阻、金属热电阻、霍尔元件等的基本特性及工作原理.3.初步掌握各种常用元件的简单应用.一、传感器1.定义：能够感受诸如力、温度、光、声、化学成分等非电学量，并能把它们按照一定的规律转换为电压、电流等电学量，或转换为电路的通断.2.工作原理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非电学量转换成易于测量的电学量，如电压、电流、电阻等.深度思考传感器在现代信息技术与自动控制中有什么作用？答案传感器的作用是把非电学量(如光、声音、温度等)转化为电学量(如电压、电流等)，尤其是将电学量与计算机技术结合，可以方便地实现信息的采集、处理、输出的自动化和智能化，所以传感器在现代信息技术与自动控制中有极其重要的作用.例1传感器是把非电学量(如速度、温度、压力等)的变化转换成电学量的变化的一种元件，在自动控制中有着相当广泛的应用.有一种测量人的体重的电子秤，其测量部分的原理图如图1中的虚线框所示，它主要由压力传感器R(电阻值会随所受压力大小发生变化的可变电阻)、显示体重大小的仪表A(实质是理想的电流表)组成.图1压力传感器表面能承受的最大压强为1×107 Pa，且已知压力传感器R的电阻与所受压力的关系如下表所示.设踏板和压杆的质量可以忽略不计，接通电源后，压力传感器两端的电压恒为4.8 V ，取g ＝10 m/s 2.请回答：(1)(2)如果某人站在该秤踏板上，电流表刻度盘的示数为20 mA ，则这个人的体重是_____ kg. 答案 (1)1.6×10－2(2)50解析 (1)由题图表知，踏板空载时，压力传感器电阻R ＝300 Ω，此时A 中电流I ＝U R ＝4.8300A ＝1.6×10－2A.(2)当电流I ＝20 mA ＝20×10－3A 时，压力传感器的电阻R ＝U I ＝ 4.820×10－3Ω＝240 Ω，对应表格中，这个人的体重为50 kg.传感器问题的分析思路不同类型的传感器，其工作原理一般不同，但所有的传感器都是把非电学量的变化转换为电学量的变化.因此我们可以根据电学量的变化来推测相关量的变化.二、光敏电阻1.特点电阻值随光照增强而减小. 2.原因分析光敏电阻由半导体材料制成，无光照时，载流子极少，导电性能不好；随着光照的增强，载流子增多，导电性能变好.3.作用：把光照强弱这个光学量转换为电阻这个电学量.例2 如图2所示，R 1、R 2为定值电阻，L 为小灯泡，R 3为光敏电阻，当照射光强度增大时( )图2A.电压表的示数增大B.R 2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照射光强度增大时，R3阻值减小，外电路总电阻随R3的减小而减小，R1两端电压因干路电流增大而增大，电压表的示数增大，同时内电压增大，故电路路端电压减小，A项正确，D项错误；由路端电压减小，R1两端电压增大知，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，则小灯泡的功率增大，故C 项正确.答案ABC三、热敏电阻和金属热电阻深度思考热敏电阻是温度传感器中的重要元件，是不是所有的热敏电阻的阻值都随温度的升高而减小？答案不是.正温度系数热敏电阻器(PTC)在温度升高时电阻值增大，负温度系数热敏电阻器(NTC)在温度升高时电阻值减小.例3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3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3A.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消耗的功率增大解析当环境温度降低时，R2变大，电路的总电阻变大，由I＝ER总知I变小，又U＝E－Ir，电压表的读数U 增大，B 正确；又由P 1＝I 2R 1可知，R 1消耗的功率P 1变小，D 错误；电容器两板间的电压U 2＝U －U 1，U 1＝IR 1，可知U 1变小，U 2变大，由场强E ′＝U 2d，Q ＝CU 2可知Q 、E ′都增大，故A 正确，C 错误. 答案 AB解决含有热敏电阻、光敏电阻的直流电路动态分析问题： ①明确热敏电阻、光敏电阻的电阻特性； ②解题思路：R 局⎩⎪⎨⎪⎧增大减小→R 总⎩⎪⎨⎪⎧增大减小→I 总⎩⎪⎨⎪⎧减小增大→U 端⎩⎪⎨⎪⎧增大减小→⎩⎪⎨⎪⎧I 分的变化U 分的变化四、霍尔元件1.构造在一个很小的矩形半导体薄片上，制作四个电极E 、F 、M 、N ，就成为一个霍尔元件. 2.原理E 、F 间通入恒定的电流I ，同时外加与薄片垂直的磁场B 时，薄片中的载流子就在洛伦兹力作用下，向着与电流和磁场都垂直的方向漂移，使M 、N 间出现电压(如图4所示).图43.作用霍尔元件能够把磁感应强度这个磁学量转换为电压这个电学量. 深度思考如图4所示，霍尔元件中M 、N 间的电压U H 如何计算？(在图中设E 、F 间通入的电流恒为I ，外加磁场为B ，薄片厚度为d ，单位体积内载流子数为n ，单个载流子所带电荷量为q ) 答案 该霍尔元件中的载流子受到磁场力作用发生偏转，造成半导体内部出现电场.载流子同时受到电场力作用.当磁场力与电场力平衡时，MN 间电势差达到稳定，且有q U HL＝qvB (L 为MN 之间的宽度)① 再根据电流的微观解释I ＝nqSv ②S ＝Ld ③由①②③整理后，得U H ＝IB nqd. 令k ＝1nq ，所以U H ＝k IB d.例4 如图5所示，有电流I 流过长方体金属块，金属块宽为d ，高为b ，有一磁感应强度为B 的匀强磁场垂直于纸面向里，金属块单位体积内的自由电子数为n ，问：金属块上、下表面哪面电势高？电势差是多少？图5解析 因为自由电荷为电子，运动方向与电流方向相反，故由左手定则可判定向上偏，则上表面聚集负电荷，下表面带等量的正电荷，故下表面电势高，设其稳定电压为U ，当运动的自由电子所受电场力与洛伦兹力平衡时，有e Ub＝evB ，因为导体中的电流I ＝neSv ＝nev ·bd ，故U ＝IB ned答案 下表面电势高IB ned霍尔电势高低的判断方法：由左手定则判断带电粒子的受力方向，如果带电粒子是正电荷，则拇指所指的面为高电势面，如果是负电荷，则拇指所指的面为低电势面，但无论是正电荷还是负电荷，四指指的都是电流方向，即正电荷定向移动的方向，负电荷定向移动的反方向.在判断电势高低时一定要注意载流子是正电荷还是负电荷.1.(对传感器的理解)用遥控器调换电视机频道的过程，实际上就是传感器把光信号转化为电信号的过程.下列属于这类传感器的是( ) A.红外报警装置 B.走廊照明灯的声控开关C.自动洗衣机中的压力传感装置D.电饭煲中控制加热和保温的温控器答案 A解析遥控器是利用红外线传输信号的，故A项正确.2.(光敏电阻的特性)如图6所示，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，闭合开关S后，下列说法中正确的是( )图6A.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解析当滑动触头P向左移动时，使其电阻减小，则流过二极管的电流增大，从而发光增强，使光敏电阻R的阻值减小，通过灯泡L的电流增大，则L消耗的功率增大，A正确，B、D 错误；当滑动触头P向右移动时，可分析出L消耗的功率变小，C错误.3.(热敏电阻的特性)如图7所示，R1为定值电阻，R2为负温度系数的热敏电阻，L为小灯泡，当温度降低时( )图7A.R1两端的电压增大B.电流表的示数增大C.小灯泡的亮度变强D.小灯泡的亮度变弱答案 C解析R2与灯泡L并联后与R1串联，与电源构成闭合电路，当热敏电阻R2温度降低时，它的电阻值增大，外电路电阻增大，电流表读数减小，灯泡L两端电压增大，灯泡亮度变强，R1两端电压减小，故C正确，其余各项均错.4.(霍尔元件原理分析及应用)(多选)如图8所示是霍尔元件的工作原理示意图，如果用d 表示薄片的厚度，k为霍尔系数，相对于一个霍尔元件d、k为定值，如果保持电流I恒定，则可以验证U H随B的变化情况.以下说法中正确的是( )图8A.增大穿过霍尔元件工作面的磁感应强度B时，U H将变大B.在测定地球两极的磁场强弱时，霍尔元件的工作面应保持水平C.在测定地球赤道上的磁场强弱时，霍尔元件的工作面应保持水平D.改变磁感线与霍尔元件工作面的夹角，U H将发生变化答案ABD解析题组一对传感器的理解1.有一些星级宾馆的洗手间装有自动干手机，洗手后将湿手靠近，机内的传感器就开通电热器加热，有热空气从机内喷出，将湿手烘干，手靠近干手机能使传感器工作，是因为( ) A.改变湿度 B.改变温度C.改变磁场D.改变电容答案 D解析手靠近干手机后，使电容式传感器的电容改变，干手机内的电热器工作.2.传感器是把非电学量(如位移、压力、流量、声强等)转换成电学量的一种元件.如图1所示为一种电容式传感器，电路可将声音信号转化为电信号.电路中a、b构成一个电容器，b 是固定不动的金属板，a是能在声波驱动下沿水平方向振动的镀有金属层的振动膜.若声源S 发出频率恒定的声波使a振动，则a在振动过程中( )图1A.a 、b 板之间的电场强度不变B.a 、b 板所带的电荷量不变C.电路中始终有方向不变的电流D.向右位移最大时，电容器的电容最大 答案 D解析 a 、b 始终跟电源相连，电势差U 不变，由于a 、b 间距离变化，由E ＝Ud知场强变化，A 错误；由C ＝εr S4πkd 知d 变化时C 变化，a 向右位移最大时，电容最大，D 正确；由Q ＝CU知a 、b 所带电荷量变化，电路中电流方向改变，B 、C 错误.3.(多选)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2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2A.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题组二 光敏电阻的特性4.如图3所示，将一光敏电阻接入多用电表两表笔上，将多用电表的选择开关置于欧姆挡，用光照射光敏电阻时，表针的偏角为θ；现用手掌挡住部分光线，表针的偏角为θ′，则可判断( )图3A.θ′＝θB.θ′＜θC.θ′＞θD.不能确定答案 B解析光敏电阻的阻值随光照强度的增强而减小，用手掌挡住部分光线，阻值变大，指针自左向右偏转角度变小.5.如图4甲所示，光敏电阻R2上加上如图乙所示的光照，那么R2两端的电压变化是下列图中的( )图4答案 B解析光敏电阻阻值随光照的增强而减小，根据题图乙知R2两端的电压随之同频率地先减小后增大，但不会是零，所以选B.6.(多选)如图5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.此光电计数器的工作原理是( )图5A.当有光照射R1时，信号处理系统获得高电压B.当有光照射R1时，信号处理系统获得低电压C.信号处理系统每获得一次低电压就计数一次D.信号处理系统每获得一次高电压就计数一次答案AC解析光电计数器的工作原理：当有物体挡住射到光敏电阻R1的光照时，R1电阻增大，电路中电流减小，R2两端电压降低，信号处理系统得到低电压，计数器每由高电压变到低电压，就计一个数，从而达到自动计数的目的.题组三热敏电阻的特性7.(多选)如图6为电阻R随温度T变化的图线.下列说法中正确的是( )图6A.图线1是热敏电阻的图线，它是用金属材料制成的B.图线2的热敏电阻的图线，它是用半导体材料制成的C.图线1对应的材料化学稳定性好、测温范围大、灵敏度高D.图线2对应的材料化学稳定性差、测温范围小、灵敏度高答案BD解析金属热电阻的阻值随温度升高而增大，半导体材料的热敏电阻的阻值随温度升高而减小，所以A错，B对；图线1对应的材料化学稳定性好但灵敏度低，图线2对应的材料化学稳定性差但灵敏度高，所以C错，D对.8.如图7所示是一个火灾报警器的部分电路示意图，其中R2为用半导体热敏材料(负温度系数)制成的传感器，电流表为值班室的显示器，a、b之间接报警器，当传感器R2所在处出现火情时，显示器的电流I、报警器两端的电压U的变化情况是( )图7A.I增大，U增大B.I减小，U减小C.I减小，U增大D.I增大，U减小答案 B解析当R2所在处出现火情时，半导体热敏材料制成的传感器的电阻将减小，则此时电路中的总电阻减小，由闭合电路的欧姆定律可知：外电路的电压将减小，电路中的总电流增大，所以R1上的电压增大，R3两端的电压将减小，显示器的电流减小.故正确选项为B.9.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8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8A.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，设温度为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.10.如图9所示，由电源、小灯泡、电阻丝、开关组成的电路中，当闭合开关S后，小灯泡正常发光，若用酒精灯加热电阻丝时，发现小灯泡亮度变化是变暗，发生这一现象的主要原因是( )图9A.小灯泡的电阻发生了变化B.小灯泡灯丝的电阻率随温度发生了变化C.电阻丝的电阻率随温度发生了变化D.电源的电压随温度发生了变化答案 C解析电阻丝的电阻率随温度的升高而增大，电阻丝的电阻也增大，电路中电流减小，根据P＝I2R知，小灯泡的实际功率减小，所以变暗.题组四霍尔元件原理分析及应用11.(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，铜板的前、后板面垂直于磁场，板内通有如图方向的电流，a 、b 是铜板上、下边缘的两点，则( )图10A.电势φa ＞φbB.电势φb ＞φaC.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.12.为监测某化工厂的污水排放量，技术人员在该厂的排污管末端安装了如图11所示的流量计.该装置由绝缘材料制成，长、宽、高分别为a 、b 、c ，左右两端开口.在垂直于上下底面方向加磁感应强度大小为B 的匀强磁场，在前后两个内侧面分别固定有金属板作为电极.污水充满管口从左向右流经该装置时，电压表将显示两个电极间的电压U .若用Q 表示污水流量(单位时间内排出的污水体积)，下列说法中正确的是( )图11A.若污水中正离子较多，则前表面比后表面电势高B.若污水中负离子较多，则前表面比后表面电势高C.污水中离子浓度越高电压表的示数将越大D.污水流量Q 与U 成正比，与a 、b 无关答案 D解析 由左手定则可以判断出正离子较多时，正离子受到的洛伦兹力使其向后表面偏转聚集而导致后表面电势升高，同理负离子较多时，负离子向前表面偏转聚集而导致前表面电势低，故A 、B 错误.设前、后表面间的最高电压为U ，则qU b＝qvB ，所以U ＝vBb ，由此可知U 与离子浓度无关，故C 错误.因Q ＝vbc ，而U ＝cBb ，所以Q ＝Uc B ，D 正确.13.一种半导体材料称为“霍尔材料”，用它制成的元件称为“霍尔元件”，这种材料有可定向移动的电荷，称为“载流子”，每个载流子的电荷量大小为1个元电荷量，即q ＝1.6×10－19 C ，霍尔元件在自动检测、控制领域得到广泛应用，如录像机中用来测量录像磁鼓的转速、电梯中用来检测电梯门是否关闭以及自动控制升降电动机的电源的通断等.在一次实验中，一块霍尔材料制成的薄片宽L ab ＝1.0×10－2 m 、L bc ＝4.0×10－2 m 、厚h ＝1×10－3 m ，水平放置在竖直方向上的磁感应强度B ＝1.5 T 的匀强磁场中，bc 方向通有I ＝3.0 A的电流，如图12所示，沿宽度产生1.0×10－5 V 的横向电压.图12(1)假定载流子是电子，a 、b 两端中哪端电势较高？(2)薄板中形成电流I 的载流子定向运动的速率多大？答案 (1)a (2)6.7×10－4 m/s解析 (1)根据左手定则可确定a 端电势高.(2)当导体内由于载流子沿电流方向所在的直线定向运动时，受洛伦兹力作用而产生横向分运动，产生横向电场，横向电场的电场力与洛伦兹力平衡时，导体横向电压稳定.设载流子沿电流方向所在直线定向移动的速度为v ，横向电压为U ab ，横向电场强度为E ，电场力为F e ＝eE ＝eU ab L ab ，磁场力F B ＝evB ，平衡时U ab L ab e ＝evB ， 得v ＝U ab L ab B ≈6.7×10－4 m/s.。
高中物理第六章传感器传感器及其工作原理学案新人教版选修
6.1 传感器及其工作原理【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.知道将非电学量转化为电学量的意义.3.了解光敏电阻、热敏电阻、金属热电阻和霍尔元件的性能，知道其工作原理及作用．一、什么是传感器[问题设计]如图1所示，小盒子A的侧面露出一个小灯泡，盒外没有开关，但是把磁铁B放到盒子上面，灯泡就会发光，把磁铁移走，灯泡熄灭．图1盒子里有什么样的装置，才能出现这样的现象？[要点提炼]1．干簧管结构：如图2所示，它只是玻璃管内封入的两个制成的簧片．图2作用：在电路中起到开关的作用，它是一种能够的传感器．2．传感器定义：能够感受诸如力、温度、光、声、化学成分等，并能把它们按照一定的规律转换为便于传送和处理的另一个物理量(通常是电压、电流等 )，或转换为电路的的元件．3．非电学量转换为电学量的意义：把转换为电学量，可以方便地进行测量、传输、处理和．4．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的；(3)是如何显示或控制开关的．二、光敏电阻[问题设计]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3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3[要点提炼]1．光敏电阻：把电阻率与所受光照强度有关的物质(如硫化镉)涂敷在绝缘板上，在其表面再用银浆涂敷两个互不相连的栅状电极，这样就制成了一个光敏电阻．2．原理：无光照时，极少，导电性能；随着的增强，载流子，导电性变好．3．特点：光照越强，电阻越．4．作用：把这个光学量转换为这个电学量．三、热敏电阻和金属热电阻[问题设计]如图4所示，将多用电表的选择开关置于欧姆挡，再将电表的两支表笔与负温度系数的热敏电阻R T(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R T上擦一些酒精，表针将如何偏转？若用吹风机将热风吹向热敏电阻，表针将如何偏转？图4[要点提炼]1．热敏电阻：用电阻随温度变化非常明显的材料如(氧化锰)制成．按热敏电阻阻值随温度变化的规律，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．(1)正温度系数的热敏电阻随温度升高电阻．(2)负温度系数的热敏电阻(如氧化锰热敏电阻)随温度升高电阻．2．金属热电阻：金属的电阻率随温度而增大，利用这一特性，金属丝也可以制作成传感器，称为热电阻．3．热敏电阻和金属热电阻都能够把这个热学量转换为这个电学量．金属热电阻的稳定性好，测温范围 ，但 较差． 四、霍尔元件 [问题设计]如图5所示，在矩形半导体薄片E 、F 间通入恒定的电流I ，同时外加与薄片垂直的磁场B ，则薄片中的载流子就在洛伦兹力的作用下，向着与电流和磁场都垂直的方向移动，使M 、N 间出现了电压，称为霍尔电压U H .试推导其表达式．图5[要点提炼]1．组成：在一个很小的矩形半导体薄片上，制作四个电极E 、F 、M 、N ，就成为一个霍尔元件．2．原理：E 、F 间通入恒定的电流I ，同时外加与薄片垂直的磁场B 时，薄片中的载流子就在 的作用下，向着与电流和磁场都垂直的方向漂移，使M 、N 间出现 ．霍尔元件在电流、电压稳定时，载流子所受 和 二力平衡．3．作用：霍尔电压U H ＝k IB d(d 为薄片的厚度，k 为霍尔系数)．其中 与 成正比，霍尔元件能够把磁感应强度这个磁学量转换为 这个电学量．4．霍尔电势高低的判断方法由左手定则判断带电粒子的受力方向，如果带电粒子是正电荷，则拇指所指的面为高电势面，如果是负电荷，则拇指所指的面为低电势面，但无论是正电荷还是负电荷，四指指的都是电流方向，即正电荷定向移动的方向，负电荷定向移动的反方向．一、对传感器的认识例1 如图6是一种测定油箱油量多少或变化多少的装置．图6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．(1)若把一只电压表接在c 、d 之间当油箱中油量减少时，电压表的示数将________(选填“增大”或“减小”)．(2)将电压表接在b 、c 之间，当油箱中油量减少时，电压表的示数将________(选填“增大”或“减小”)．二、对光敏电阻、热敏电阻的认识及应用例2 如图7所示，R 1、R 2为定值电阻，L 为小灯泡，R 3为光敏电阻，当入射光强度增大时( )图7A ．电压表的示数增大B ．R 2中电流减小C ．小灯泡的功率增大D ．电路的路端电压增大三、对霍尔元件的认识及应用例3 如图8所示是霍尔元件的工作原理示意图，如果用d 表示薄片的厚度，k 为霍尔系数，对于一个霍尔元件d 、k 为定值，如果保持I 恒定，则可以验证U H 随B 的变化情况．以下说法中正确的是(工作面是指较大的平面)( )图8A ．将永磁体的一个磁极逐渐靠近霍尔元件的工作面，U H 将变大B ．在测定地球两极的磁场强弱时，霍尔元件的工作面应保持水平C ．在测定地球赤道上的磁场强弱时，霍尔元件的工作面应保持水平D ．改变磁感线与霍尔元件工作面的夹角，U H 将发生变化传感器及其工作原理⎩⎪⎨⎪⎧传感器：能够感受非电学量，并按照一定的规律转换 为电学量或转换为电路的通断的一类元件常用元器件⎩⎪⎨⎪⎧ 光敏电阻：随光照增强，阻值减小热敏电阻：随温度升高，阻值减小金属热电阻：随温度升高，阻值增大霍尔元件：把磁感应强度转换为电压1．(对传感器的认识)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.(对光敏电阻、热敏电阻的认识及电路分析)如图9所示电路中，电源电动势为E，内阻为r，R T为负温度系数热敏电阻，R G为光敏电阻，闭合开关后，小灯泡L正常发光，由于环境改变(光照或温度)，发现小灯泡亮度变暗，则引起小灯泡变暗的原因可能是( )图9A．温度不变，光照增强 B．温度升高，光照不变C．温度降低，光照增强 D．温度升高，光照减弱3．(对霍尔元件的认识及应用)如图10所示，截面为矩形的金属导体，放在磁场中，当导体中通有图示电流时，导体的上、下表面的电势关系为( )图10A．U M>U N B．U M＝U NC．U M<U N D．无法判断题组一对传感器的认识1．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2．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3.如图1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1A．距离变化 B．正对面积变化C．电介质变化 D．电压变化题组二对光敏电阻的认识及电路分析4.如图2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2A．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5．如图3所示，用光敏电阻LDR和灯泡制成的一种简易水污染指示器，下列说法中正确的是( )图3A．严重污染时，LDR是高电阻B．轻度污染时，LDR是高电阻C．无论污染程度如何，LDR的电阻不变，阻值大小由材料本身因素决定D．该仪器的使用会因为白天和晚上受到影响6.如图4所示，R3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R3时，则( )图4A．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7.如图5所示，将一光敏电阻接入多用电表两表笔上，将多用电表的选择开关置于欧姆挡，用光照射光敏电阻时表针的偏角为θ，现用手掌挡住部分光线，表针的偏角变为θ′，则可判断( )图5A．θ′＝θ B．θ′<θC．θ′>θ D．不能确定题组三对热敏电阻、金属热电阻的认识及电路分析8.如图6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6A．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9.如图7所示，R T为负温度系数的热敏电阻，R为定值电阻，若往R T上擦些酒精，在环境温度不变的情况下，关于电压表示数的变化情况，下列说法中正确的是( )图7A．变大 B．变小C．先变大后变小再不变 D．先变小后变大再不变10．如图8所示，R1为定值电阻，R2为负温度系数的热敏电阻，L为小灯泡，当温度降低时( )图8A．R1两端的电压增大 B．电流表的示数增大C．小灯泡的亮度变强 D．小灯泡的亮度变弱题组四对霍尔元件(效应)的认识及应用11.一种半导体材料称为“霍尔材料”，用它制成的元件称为“霍尔元件”，这种材料有可定向移动的电荷，称为“载流子”，每个载流子的电荷量大小为1个元电荷量，即q＝1.6×10－19 C，霍尔元件在自动检测、控制领域得到广泛应用，如录像机中用来测量录像磁鼓的转速、电梯中用来检测电梯门是否关闭以及自动控制升降电动机的电源的通断等．在一次实验中，一块霍尔材料制成的薄片宽ab＝1.0×10－2m、长bc＝4.0×10－2 m、厚h＝1×10－3 m，水平放置在竖直向上的磁感应强度B＝1.5 T的匀强磁场中，bc 方向通有I＝3.0 A的电流，如图9所示，沿宽度产生1.0×10－5 V的横向电压．图9(1)假定载流子是电子，a、b两端中哪端电势较高？(2)薄板中形成电流I的载流子定向运动的速率多大？高考理综物理模拟试卷注意事项：1. 答题前，考生先将自己的姓名、准考证号填写清楚，将条形码准确粘贴在考生信息条形码粘贴区。
高中物理 第6章 1 传感器及其工作原理学案 新人教版选修3-2
1 传感器及其工作原理[学习目标] 1.了解传感器的定义，感受传感器的应用技术在信息时代的作用与意义． 2.知道将非电学量转化为电学量的意义．(重点) 3.了解光敏电阻、热敏电阻和霍尔元件的性能、工作原理及作用．(重点、难点)一、传感器1．传感器的定义能够感受诸如力、温度、光、声、化学成分等物理量，并能把它们按照一定的规律转换为便于传送和处理的另一个物理量(通常是电压、电流等电学量)，或转换为电路的通断的元件．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，可以方便地进行测量、传输、处理和控制．3．注意(1)传感器的发展十分迅速，其品种已达数万种，我们学习了解的只是最基本的几种而已．(2)不能认为传感器输出的一定是电信号．二、光敏电阻1．特点：光照越强，电阻越小．2．原因：光敏电阻的构成物质为半导体材料，无光照时，载流子极少，导电性能不好；随着光照的增强，载流子增多，导电性变好．3．作用：把光照强弱这个光学量转换为电阻这个电学量．三、热敏电阻和金属热电阻1．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明显，温度升高电阻减小，如图甲所示为某一热敏电阻的电阻随温度变化的特性曲线．甲乙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，称为热电阻，如图乙所示为某金属导线电阻的温度特性曲线． 3．热敏电阻与金属热电阻的区别 热敏电阻 金属热电阻特点 电阻随温度的变化而变化且非常明显 电阻率随温度的升高而增大制作材料 半导体 金属导体优点灵敏度好 化学稳定性好，测温范围大 作用 能够将温度这个热学量转换为电阻这个电学量电阻值随温度上升而减小的是负温度系数(NTC)热敏电阻器．四、霍尔元件1．构造：如图所示，在一个很小的矩形半导体(例如砷化铟)薄片上，制作四个电极E 、F 、M 、N ，就成为一个霍尔元件．2．工作原理：在E 、F 间通入恒定的电流I, 同时外加与薄片垂直的磁场B ，则薄片中的载流子就在洛伦兹力的作用下，向着与电流和磁场都垂直的方向漂移，使M 、N 间出现了电压，称为霍尔电压U H .3．霍尔电压：U H ＝k IB d .(1)其中d 为薄片的厚度，k 为霍尔系数，其大小与薄片的材料有关．(2)一个霍尔元件的d 、k 为定值，再保持I 恒定，则U H 的变化就与B 成正比．4．作用：把磁感应强度这个磁学量转换为电压这个电学量．[说明] 霍尔电压的推导设上图中MN 方向长度为l 2，则q U H l 2＝qvB .根据电流的微观解释，I ＝nqSv ，整理后，得U H ＝IB nqd. 令k ＝1nq，则U H ＝k IB d . U H 与B 成正比，因此霍尔元件能把磁学量转换成电学量．1．思考判断(正确的打“√”，错误的打“×”)(1)所有传感器的材料都是由半导体材料做成的．(×) (2)传感器是把非电学量转换为电学量的元件．(√) (3)随着光照的增强，光敏电阻的电阻值逐渐增大．(×)(4)只有热敏电阻才能把温度这个热学量转换为电阻这个电学量．(×)(5)霍尔元件工作时，产生的电压与外加的磁感应强度成正比．(√)2．有一电学元件，温度升高时电阻却大幅度地减小，则这种元件使用的材料可能是( ) A．金属导体B．绝缘体C．半导体D．超导体C [金属导体的电阻随温度的升高而增大，超导体的电阻几乎为零，半导体(如热敏电阻)的阻值随温度的升高而大幅度地减小．]3．关于传感器及其作用，下列说法正确的是( )A．传感器一定是把非电学量转换为电学量B．传感器一定是把非电学量转换为电路的通断C．传感器把非电学量转换为电学量是为了方便地进行测量、传输、处理和控制D．电磁感应是把磁学的量转换为电学的量，所以电磁感应也是传感器C [传感器是指一种元件或装置，它能感受力、温度、光、声、磁、化学成分等非电学量，并能把它们按照一定的规律转换为电压、电流等电学量，或转换为电路的通断；其作用和目的是更方便地测量、传输、处理、控制非电学量，找出非电学量和电学量之间的对应关系．电磁感应是原理，不是元件和装置，不能称为传感器．]传感器的原理和分类(1)敏感元件：相当于人的感觉器官，直接感受被测量，并将其变换成与被测量成一定关系的易于测量的物理量，如温度、位移等．(2)转换元件：也称为传感元件，通常不直接感受被测量，而是将敏感元件输出的物理量转换成电学量输出．(3)转换电路：是将转换元件输出的电学量转换成易于测量的电学量，如电压、电流等．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：非电学量→敏感元件→转换器件→转换电路→电学量3．分类工作原理举例物理传感器利用物质的物理性质和物理效应感压电传感器、温度传感器、光电传知并检测出待测对象信息感器、电感传感器、电容传感器等化学传感器利用化学反应识别和检测信息气敏传感器、湿敏传感器等生物传感器利用生物化学反应识别和检测信号酶传感器、组织传感器、细胞传感器等【例1】全面了解汽车的运行状态(速度、水箱温度、油量)是确保汽车安全行驶和驾驶员安全的举措之一，为模仿汽车油表原理，某同学自制一种测定油箱油量多少或变化多少的装置．如图所示，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．该同学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，你认为电压表应该接在图中的________两点之间，按照你的接法请回答：当油箱中油量减少时，电压表的示数将________(选填“增大”或“减小”)．[解析]由题图可知当油箱内液面高度变化时，R的金属滑片将会移动，从而引起R两端电压的变化，且当R′≫R时，U R＝IR可视为U R与R成正比，所以电压表应接在b、c两点之间；当油量减少时，电压表示数将增大．[答案] b、c增大传感器问题的分析思路不同类型的传感器，其工作原理一般不同，但所有的传感器都是把非电学量的变化转换为电学量的变化．因此我们可以根据电学量的变化来推测相关量的变化．1．压敏电阻的阻值随所受压力的增大而减小，有位同学利用压敏电阻设计了判断小车运动状态的装置，其工作原理如图甲所示，将压敏电阻和一块挡板固定在绝缘小车上，中间放置一个绝缘重球．小车向右做直线运动过程中，电流表示数如图乙所示，下列判断正确的是( )A．从t1到t2时间内，小车做匀速直线运动B．从t1到t2时间内，小车做匀加速直线运动C．从t2到t3时间内，小车做匀速直线运动D．从t2到t3时间内，小车做匀加速直线运动D [在0～t1内，I恒定，压敏电阻阻值不变，由小球的受力不变可知，小车可能做匀速或匀加速直线运动，在t1～t2内，I变大，压敏电阻阻值变小，压力变大，小车做变加速运动，A、B错误；在t2～t3内，I不变，压力恒定，小车做匀加速直线运动，C错误，D正确．]验证光敏电阻和热敏电阻的特性(1)实验器材：热敏电阻、烧杯(备有冷、热水)、温度计、铁架台、多用电表、开关、导线．(2)实验步骤①如图所示，将一个热敏电阻连入电路中，用多用电表欧姆挡测其电阻，记录温度、电阻值；②将热敏电阻放入装有少量冷水并插入温度计的烧杯中，记录温度、电阻值；③分几次向烧杯中倒入热水，观察不同温度下热敏电阻的阻值；④根据实验数据说明热敏电阻随温度变化的情况．(3)实验结论：热敏电阻的阻值随温度的升高而减小，而且阻值的变化是非线性的．2．光敏电阻特性验证实验设计(1)实验器材：光敏电阻、多用电表、导线、开关．(2)实验步骤①用多用电表欧姆挡两表笔与光敏电阻两端连接，测光敏电阻值如图所示；②手张开(或用黑纸)放在光敏电阻上，挡住部分光线，再测光敏电阻的阻值；③全部挡住光线，再测光敏电阻的阻值．(3)实验结论：光敏电阻的阻值随光照强度的减弱而增大，而且阻值的变化是非线性的．【例2】温度传感器广泛应用于室内空调、电冰箱和微波炉等家用产品中，它是利用热敏电阻的阻值随温度的变化而变化的特性工作的．如图甲中，电源的电动势E＝9.0 V，内电阻可忽略不计；G为灵敏电流表，内阻R g保持不变；R为热敏电阻，其电阻值与温度的变化关系如图乙的Rt图线所示，闭合开关，当R的温度等于120 ℃时，电流表示数I1＝3 mA，求：甲乙(1)电流表G的内阻R g；(2)当电流表的示数I2＝1.8 mA时，热敏电阻R的温度．[解析](1)由题图乙知热敏电阻R的温度在120 ℃时，电阻为2 kΩ，闭合电路的电流为I1＝3 mA根据闭合电路欧姆定律得：R g＝EI1－R＝(93×10－3－2×103) Ω＝1 000 Ω.(2)当电流表的示数I2＝1.8 mA时R＝EI2－R g＝(91.8×10－3－1×103) Ω＝4 000 Ω由题图乙可知当热敏电阻R阻值为4 000 Ω时的温度为20 ℃[答案] (1)1 000 Ω(2)20 ℃2.(多选)如图所示，R 1、R2为定值电阻，L为小灯泡，R3为光敏电阻，当照射光强度增大时( )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ABC [当照射光强度增大时，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，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，A项正确，D项错误；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，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，则小灯泡的功率增大，C项正确．]霍尔效应的应用体材料是电子型还是空穴型．半导体内载流子的浓度受温度、杂质以及其他因素的影响很大，因此霍尔效应为研究半导体载流子浓度的变化提供了重要的方法．2．利用霍尔效应做成的霍尔元件有很多方面的用途：例如测量磁感应强度，测量直流和交流电路中的电流和功率，转换信号，如把直流转换成交流并对它进行调制，放大直流或交流信号等．【例3】(多选)如图所示为某霍尔元件的工作原理示意图，该元件中电流I由正电荷的定向运动形成．下列说法正确的是( )A．M点电势比N点电势高B．用霍尔元件可以测量地磁场的磁感应强度C．用霍尔元件能够把磁学量转换为电学量D．若保持电流I恒定，则霍尔电压U H与B成正比BCD [当正电荷定向运动形成电流时，正电荷在洛伦兹力作用下向N极聚集，M极感应出等量的负电荷，所以M点电势比N点电势低，选项A错误；根据霍尔元件的特点可知，选项B、C正确；因霍尔电压U H＝kIBd，保持电流I恒定时，霍尔电压U H与B成正比，选项D正确．]3.(多选)如图所示是霍尔元件的工作原理示意图，如果用d表示薄片的厚度，k为霍尔系数，相对于一个霍尔元件d、k为定值，如果保持电流I恒定，则可以验证U H随B的变化情况．以下说法中正确的是( )A．将永磁体的一个磁极逐渐靠近霍尔元件的工作面时，U H将变大B．在测定地球两极的磁场强弱时，霍尔元件的工作面应保持水平C．在测定地球赤道上的磁场强弱时，霍尔元件的工作面应保持水平D．改变磁感线与霍尔元件工作面的夹角，U H将发生变化ABD [一个磁极靠近霍尔元件工作面时，B增强，由U H＝kIBd，知U H将变大，A正确；地球两极处磁场可看作与地面垂直，所以工作面应保持水平，B正确；赤道处磁场可看作与地面平行，所以工作面应保持竖直，C错误；若磁场与工作面夹角为θ，则应有qvB sin θ＝qU Hd，可见θ变化时，U H将变化，D正确．]课堂小结知识脉络1.传感器按照一定的规律把非电学量转化为电学量，可以很方便地进行测量、传输、处理和控制．2．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．3．热敏电阻和金属热电阻能把温度这个热学量转换为电阻这个电学量．4．电容式位移传感器能把物体位移这个力学量转换为电容这个电学量．5．霍尔元件能把磁感应强度这个磁学量转换为电压这个电学量.1．传感器可以进行信息采集并把采集到的信息转换为易于控制的量，其工作过程可能是( )A．将力学量(如形变量)转换成磁学量B．将电学量转换成热学量C．将光学量转换成电学量D．将电学量转换成力学量C [传感器是指能够感受诸如力、温度、光、声、化学成分等非电学量，并能把它们按照一定的规律转换为电压、电流等电学量或转换为控制电路的通断的一类元件，故只有C项正确．]2．有一电学元件，温度升高时其电阻减小，这种元件可能是( )A．金属导体B．光敏电阻C．NTC热敏电阻D．PTC热敏电阻C [金属导体电阻值一般随温度升高而增大，光敏电阻电阻值是随光照强度的增大而减小，PTC热敏电阻的阻值随温度的升高而增大，只有NTC热敏电阻的阻值随温度的升高而减小，C正确，A、B、D错误．]3．关于传感器的下列说法正确的是( )A．所有传感器的材料都是由半导体材料做成的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．以上说法都不正确B [半导体材料可以制成传感器，其他材料也可以制成传感器，如金属氧化物氧化锰就可以制成温度计，所以选项A错误，选项B正确；传感器不但能感知电压的变化，还能感受力、温度、光、声、化学成分等非电学量的变化，所以选项C错误．]4．(多选)电子电路中常用到一种称为“干簧管”的元件(如图所示)，它的结构很简单，只是玻璃管内封入的两个软磁性材料制成的簧片．当磁体靠近干簧管时，两个簧片被磁化而接通，所以干簧管能起到开关的作用，操纵开关的是磁场这只看不见的“手”．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．两个磁性材料制成的簧片接通的原因是被磁化后相互吸引D．干簧管接入电路中相当于开关的作用CD [当磁体靠近干簧管时，两个簧片被磁化相互吸引而接通，故选项B错误，选项C正确；当磁体远离干簧管时，软磁性材料制成的簧片失去磁性，所以两簧片又分开，因此干簧管在电路中相当于开关的作用，选项A错误，选项D正确．]5．(多选)有定值电压、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，观察欧姆表的示数，下列说法中正确的是( )A．置入热水中与不置入热水中相比，欧姆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，欧姆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，欧姆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，欧姆表示数相同的一定是定值电阻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的变化而变化，而定值电阻和热敏电阻的阻值不随光照的变化而变化，故C正确，D错误．]。
高中物理第六章传感器传感器及其工作原理学案新人教选修
6.1 传感器及其工作原理1．传感器是能够把易感受的力、温度、光、声、化学成分等__________按照一定的规律转换为容易进行测量，传输处理和控制的电压、电流等____________、或转换为电路的______的一类元件．2．光敏电阻的特性：____________________________，光敏电阻能够把______________这个光学量转换为______这个电学量．3．金属热电阻的电阻率随温度的升高而______，热敏电阻的电阻率随温度的升高而______，金属热电阻和热敏电阻都可以制作______传感器．与热敏电阻相比，金属热电阻的______________，测温范围________，但________较差．4．如图1所示，E、F间通入恒定电流I，同时外加与薄片垂直的磁场B，则M、N间出现霍尔电压U H，U H ＝______________.式中______为薄片的厚度，______为霍尔系数，它的大小与薄片的材料有关．图15．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6．霍尔元件能转换哪个物理量( )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【概念规律练】知识点一光敏电阻1．如图2所示，将多用电表的选择开关置于欧姆挡，再将电表的两支表笔分别与光敏电阻R G的两端相连，这时表针恰好指在刻度盘的中央．若用不透光的黑纸将R G包裹起来，表针将向________(填“左”或“右”)转动；若用手电筒的光照射R G，表针将向________(填“左”或“右”)转动．图22．如图3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3知识点二热敏电阻和金属热电阻3．如图4所示，R1为定值电阻，R2为负温度系数的热敏电阻，L为小灯泡，当温度降低时( )图4A．R1两端的电压增大 B．电流表的示数增大C．小灯泡的亮度变强 D．小灯泡的亮度变弱4．如图5所示为电阻R随温度T变化的图线，下列说法中正确的是( )图5A．图线1是热敏电阻的图线，它是用金属材料制成的B．图线2是热敏电阻的图线，它是用半导体材料制成的C．图线1的材料化学稳定性好、测温范围大、灵敏度高D．图线2的材料化学稳定性差、测温范围小、灵敏度高知识点三霍尔元件5．如图6所示，有电流I流过长方体金属块，金属块宽为d，高为b，有一磁感应强度为B的匀强磁场垂直于纸面向里，金属块单位体积内的自由电子数为n，问：金属块上、下表面哪面电势高？电势差是多少？图66．图7是霍尔元件的工作原理示意图，如果用d表示薄片的厚度，k为霍尔系数，对于一个霍尔元件d、k为定值，如果保持I恒定，则可以验证U H随B的变化情况．以下说法中正确的是(工作面是指较大的平面)( )图7A．将永磁体的一个磁极逐渐靠近霍尔元件的工作面，UH将变大B．在测定地球两极的磁场强弱时，霍尔元件的工作面应保持水平C．在测定地球赤道上的磁场强弱时，霍尔元件的工作面应保持水平D．改变磁感线与霍尔元件工作面的夹角，U H将发生变化【方法技巧练】含传感器的电路的分析技巧7．如图8所示，R1、R2为定值电阻，L为小灯泡，R3为光敏电阻，当照射光强度增大时( )图8A．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8．如图9所示是一火警报警装置的部分电路示意图，其中R2是半导体热敏传感器，它的电阻随温度升高而减小，a、b接报警器．当传感器R2所在处出现火情时，电流表的电流I和a、b两端两压U与出现火情前相比( )图9A．I变大，U变大 B．I变小，U变小 C．I变小，U变大 D．I变大，U变小1．关于传感器，下列说法正确的是( )A．光敏电阻和热敏电阻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阻的变化来传递信号的D．以上说法都不正确2．光敏电阻能将光信号转化为电信号是因为( )A．光照强度发生变化时，光敏电阻的阻值也发生变化B．光照强度发生变化时，光敏电阻的体积也发生变化C．光照强度发生变化时，光敏电阻的长度也发生变化D．光照照度发生变化时，光敏电阻的横截面积也发生变化3．如图10所示是观察电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(设水对电阻阻值的影响不计)( )图10A．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(用半导体材料制成)，读数变化非常明显D．如果R为热敏电阻(用半导体材料制成)，读数变化不明显4．如图11所示，R3是光敏电阻，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( )图11A．R3的电阻变小，a点电势高于b点电势B．R3的电阻变小，a点电势低于b点电势C．R3的电阻变大，a点电势高于b点电势D．R3的电阻变大，a点电势低于b点电势5．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12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12A．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6．如图13所示电路中，电源电动势为E，内阻为r，R T为负温度系数热敏电阻，R G为光敏电阻，闭合开关后，小灯泡L正常发光，由于环境条件改变(光照或温度)，发现小灯泡亮度变暗，则引起小灯泡变暗的原因可能是( )图13A．温度不变，光照增强 B．温度升高，光照不变C．温度降低，光照增强 D．温度升高，光照减弱7．某学习小组的同学在用多用电表研究热敏特性实验中，安装好如图14所示装置，向杯内加入冷水，温度计的示数为20 ℃，多用电表选择适当的倍率，读出热敏电阻的阻值R1，然后向杯内加入热水，温度计的示数为60 ℃，发现多用电表的指针偏转角度较大，则下列说法正确的是( )图14A．应选用电流挡，温度升高换用大量程测量B．应选用电流挡，温度升高换用小量程测量C．应选用欧姆挡，温度升高时换用倍率大的挡D．应选用欧姆挡，温度升高时换用倍率小的挡8．传感器是把非电学物理量(如位移、速度、压力、角度等)转换成电学物理量(如电压、电流、电荷量等)的一种元件．如图15所示的甲、乙、丙、丁是四种常见的电容式传感器，下列说法正确的是( )图15A．甲图中两极板带电荷量不变，若电压变小，可判断出h变小B．乙图中两极板带电荷量不变，若电压变大，可判断出θ变大C．丙图中两极间的电压不变，若有电流流向传感器的负极，则x变小D．丁图中两极间的电压不变，若有电流流向传感器的正极，则F变大9．如图16所示为测定压力的电容式传感器，将平行板电容器、灵敏电流表(零刻度在中间)和电源串联成闭合回路，当压力F作用于可动膜片电极上时，膜片发生形变，引起电容的变化，导致灵敏电流表指针偏转，在对膜片开始施加压力使膜片电极从图中的虚线推到图中实线位置并保持固定的过程中，灵敏电流表指针偏转情况为(电流从电流表正接线柱流入时指针向右偏)( )图16A．向右偏到某一刻度后回到零刻度B．向左偏到某一刻度后回到零刻度C．向右偏到某一刻度后不动D．向左偏到某一刻度后不动10．传感器是把非电学物理量(如位移、压力、流量、声强等)转换成电学量的一种元件．如图17所示为一种电容式传感器，电路可将声音信号转化为电信号．电路中a、b构成一个电容器，b是固定不动的金属板，a是能在声波驱动下沿水平方向振动的镀有金属层的振动膜．若声源S发出频率恒定的声波使a振动，则a在振动过程中( )图17A．a、b板之间的电场强度不变B．a、b板所带的电荷量不变C．电路中始终有方向不变的电流D．向右位移最大时，电容器的电容量最大11．有一些星级宾馆的洗手间装有自动干手机，洗手后将湿手靠近，机内的传感器就开通电热器加热，有热空气从机内喷出，将湿手烘干，手靠近干手机能使传感器工作，是因为( )A．改变湿度 B．改变温度C．改变磁场 D．改变电容12.按图18所示连接好电路，合上S，发现小灯泡不亮，原因是____________________；用电吹风对热敏电阻吹一会儿，会发现小灯泡________，原因是________________________；把热敏电阻放入冷水中会发现__________．图182019-2020学年高考物理模拟试卷一、单项选择题：本题共10小题，每小题3分，共30分．在每小题给出的四个选项中，只有一项是符合题目要求的1．一定量的理想气体从状态a 开始，经历三个过程ab 、bc 、ca 回到原状态，其p T -图像如图所示，下列判断正确的是（ ）A ．过程ac 中气体内能的增加等于吸收的热量B ．过程bc 中气体既不吸热也不放热C ．过程ab 中气体吸收的热量大于气体内能的增加D ．a 、b 和c 三个状态中，状态a 气体的内能最小2．甲乙两辆汽车在平直的高速公路上以相同的速度小030m/s v =一前一后同向匀速行驶。
人教版高中物理教案-传感器及其工作原理
選修3-2第六章第1節：感測器及其工作原理學案課前預習學案預習內容【預習目標】：瞭解什麼是感測器，感測器中常見的三種敏感元件光敏電阻、熱敏電阻和霍爾元件及其它們的工作原理。
三種常見的敏感元件（1）光敏電阻①材料及構造②工作原理③功能：把__________（光學量）轉換為______（電學量）。
（2）熱敏電阻和金屬熱電阻①熱敏電阻a）材料b）特點c）功能：把_______轉換為_______（電學量）。
d）分類：正溫度係數PTC熱敏電阻（特點）負溫度係數NTC熱敏電阻（特點）②金屬熱電阻a）材料b）特點c）功能：把_______轉換為_______（電學量）。
（3）霍爾元件①材料及構造②霍爾電壓：_________________________。
推導：③功能：把_________（磁學量）轉換為_______（電學量）。
感測器功能：能將力、溫度、光、聲、物質成分等_________轉化為______的課內探究學案【學習目標】（1）、瞭解什麼是感測器，知道非電學量轉化為電學量的技術意義；（2）、知道感測器中常見的三種敏感元件光敏電阻、熱敏電阻和霍爾元件及其它們的工作原理。
（3）、瞭解感測器的應用。
（4）、通過對實驗的觀察、思考和探究，讓學生在瞭解感測器、熟悉感測器工作原理的同時，經歷科學探究過程，學習科學研究方法，培養學生的觀察能力、實踐能力和創新思維能力。
【學習重點】：理解並掌握感測器的三種常見敏感元件的工作原理。
【學習難點】：分析並設計感測器的應用電路。
【學習用具】：幹簧管，磁鐵，光敏電阻、熱敏電阻演示儀、感測器簡單應用實驗盒、萬用表。
【學習過程】（一）感測器【身邊現象觀察】感受傳感技術在資訊時代的作用和意義1、自動門，利用人體的紅外微波來開關門2、日光控制路燈的開關3、遙控器控制電視開關4、聲音強弱控制走廊照明燈開關等5、煙霧報警器，利用煙敏電阻來測量煙霧濃度，從而達到報警目的6、手機，數碼相機的照相機，利用光學感測器來捕獲圖像7、電子稱，利用力學感測器（導體應變片技術）來測量物體對應變片的壓力，從而達到測量重量目的8、水位報警，溫度報警，濕度報警，光學報警等都是……9、機器人：感測器在機器人中，是必不可少的元件。
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第1节传感器及其工作原理1.传感器按照一定的规律把非电学量转化为电学量，可以很方便地进行测量、传输、处理和控制。
2．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。
3．热敏电阻和金属热电阻能把温度这个热学量转换为电阻这个电学量。
4．电容式位移传感器能把物体位移这个力学量转换为电容这个电学量。
5．霍尔元件能把磁感应强度这个磁学量转换为电压这个电学量。
一、传感器1．传感器的定义能够感受诸如力、温度、光、声、化学成分等物理量，并能把它们按照一定的规律转换为便于传送和处理的另一个物理量(通常是电压、电流等电学量)，或转换为电路的通断的元件。
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，可以方便地进行测量、传输、处理和控制。
二、光敏电阻1．特点光照越强，电阻越小。
2．原因无光照时，载流子极少，导电性能不好；随着光照的增强，载流子增多，导电性变好。
3．作用把光照强弱这个光学量转换为电阻这个电学量。
三、热敏电阻和金属热电阻图6111．热敏电阻热敏电阻由半导体材料制成，其电阻值随温度的变化明显，温度升高电阻减小，如图611所示为某一热敏电阻的电阻值随温度变化的特性曲线。
图6122．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，称为热电阻，如图612所示为某金属导线电阻的温度特性曲线。
四、霍尔元件1．霍尔元件图613如图613所示，在一个很小的矩形半导体(例如砷化铟)薄片上，制作四个电极E 、F 、M 、N ，它就成为一个霍尔元件。
霍尔元件能够把磁感应强度这个磁学量转换为电压这个电学量。
2．霍尔电压U H ＝k IB d(1)其中d 为薄片的厚度，k 为霍尔系数，其大小与薄片的材料有关。
(2)一个霍尔元件的厚度d 、霍尔系数k 为定值，再保持I 恒定，则U H 的变化就与B 成正比，因此霍尔元件又称磁敏元件。
1．自主思考——判一判(1)所有传感器的材料都是由半导体材料做成的。
(×)(2)传感器是把非电学量转换为电学量的元件。
(√)(3)传感器只能感受温度和光两个物理量。
(×)(4)随着光照的增强，光敏电阻的电阻值逐渐增大。
(×)(5)只有热敏电阻才能把温度这个热学量转换为电阻这个电学量。
(×)(6)霍尔元件工作时，产生的电压与外加的磁感应强度成正比。
(√)2．合作探究——议一议(1)为什么传感器一般都是将感受到的非电学量转换成电学量呢？提示：电学量具有易测量，易控制，测量精度和速度较高，易放大、反馈、存储和可远距离传输等特点。
特别是电信号能方便地与计算机连接而进行信息处理，所以传感器一般都是将感受到的非电学量转换成电学量。
(2)光敏电阻和热敏电阻的特性成因相同吗？提示：不相同。
半导体材料受到的光照增强时，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，即载流子数增多，于是导电能力明显地增强，电阻减小，这是光敏电阻的特性成因。
对于负温度系数的热敏电阻，温度升高时，有更多的电子获得能量成为自由电子，同时空穴增多，即载流子数增多，于是导电能力明显地增强，电阻减小，这是热敏电阻的特性成因。
(3)霍尔元件的成因是什么？提示：外部磁场使运动的载流子受到洛伦兹力的作用，在导体板的一侧聚集，在导体板的另一侧会出现多余的另一种电荷，从而形成电场；横向电场对电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。
传感器的工作流程如下所示：非电学量→敏感元件→转换器件→转换电路→易测电学量或电路通断敏感元件：相当于人的感觉器官，直接感受被测量，并将其变换成与被测量成一定关系的易于测量的物理量，如温度、位移等。
转换元件：也称为传感元件，通常不直接感受被测量，而是将敏感元件输出的物理量转换成电学量输出。
转换电路：是将转换元件输出的电学量转换成易于测量的电学量(如电压、电流等)或电路的通断。
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做成的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．以上说法都不正确解析：选B 大多数传感器是由半导体材料做成的，某些金属也可以做传感器，如金属热电阻。
传感器将非电学信号转换为电学信号，因此传感器感知的应该是“非电学信号”。
故只有B正确。
2. (多选)如图614所示，干簧管放在磁场中时两个舌簧能被磁化。
关于干簧管，下列说法正确的是( )图614A．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解析：选CD 干簧管能感知磁场，因为两个舌簧由软磁性材料制成，当周围存在磁场时，两个舌簧被磁化，就会相互吸引，所以是作开关来使用、作为控制元件以实现自动控制的。
故C、D正确。
3．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．光线解析：选D 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，红外线属于不可见光，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。
故D正确。
光敏电阻、热敏电阻、霍尔元件特点对比由电子，即载流子数增多，于是导电性明显地增强，电阻减小霍尔元件霍尔元件两极间通入恒定的电流，同时外加与薄片垂直的磁场B时，薄片中的载流子就在洛伦兹力的作用下，向着与电流和磁场都垂直的方向漂移，在另两极上形成电压[典例] 如图615所示，R1为定值电阻，R2为负温度系数的热敏电阻，L为小灯泡，当温度降低时( )图615A．R1两端的电压增大B．电流表的示数增大C．小灯泡的亮度变强D．小灯泡的亮度变弱[解析] R2与灯L并联后与R1串联，与电源构成闭合电路，当热敏电阻温度降低时，电阻R2增大，外电路电阻增大，电流表读数减小，灯L两端电压增大，灯泡亮度变强，R1两端电压减小，故选项C正确。
[答案] C含有热敏电阻的电路的动态分析顺序1. (多选)有定值电压、热敏电阻、光敏电阻三只元件，将这三只元件分别接入如图616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，观察欧姆表的示数，下列说法中正确的是( )图616A ．置入热水中与不置入热水中相比，欧姆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，欧姆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，欧姆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，欧姆表示数相同的一定是定值电阻解析：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的变化而变化，而定值电阻和热敏电阻的阻值不随光照的变化而变化，故C 正确，D 错误。
2. (多选)如图617所示为某霍尔元件的工作原理示意图，该元件中电流I 由正电荷的定向运动形成。
下列说法正确的是()图617A ．M 点电势比N 点电势高B ．用霍尔元件可以测量地磁场的磁感应强度C ．用霍尔元件能够把磁学量转换为电学量D ．若保持电流I 恒定，则霍尔电压U H 与B 成正比解析：选BCD 当正电荷定向运动形成电流时，正电荷在洛伦兹力作用下向N 极聚集，M 极感应出等量的负电荷，所以M 点电势比N 点电势低，选项A 错误；根据霍尔元件的特点可知，选项B 、C 正确；因霍尔电压U H ＝k IB d，保持电流I 恒定时，霍尔电压U H 与B 成正比，选项D 正确。
常见电容式传感器[典例] 如图618所示为测定压力的电容式传感器，将平行板电容器、灵敏电流表(零刻度在中间)和电源串联成闭合回路，当压力F 作用于可动膜片电极上时，膜片发生形变，引起电容的变化，导致灵敏电流表指针偏转，在对膜片开始施加压力使膜片电极从图中的虚线推到图中实线位置并保持固定的过程中，灵敏电流表指针偏转情况为(电流从电流表正接线柱流入时指针向右偏)( )图618A ．向右偏到某一刻度后回到零刻度B ．向左偏到某一刻度后回到零刻度C ．向右偏到某一刻度后不动D ．向左偏到某一刻度后不动[思路点拨] 根据电容的公式C ＝εr S 4πkd 和C ＝Q U，按以下思路进行分析。
压力F 作用下→d变化→C变化→Q变化→回路中产生电流[解析] 压力F作用时，极板间距d变小，由C＝εr S4πkd，电容器电容C变大，又根据Q ＝CU，极板带电荷量变大，所以电容器应充电，灵敏电流计中产生由正接线柱流入的电流，所以指针将右偏。
F不变时，极板保持固定后，充电结束，指针回到零刻度。
故选A。
[答案] A电容式传感器是应用了电容器的电容跟板间距离、正对面积、电介质及引起它们改变的因素(如力、位移、压强、声音等)的关系，将这些非电学量转化为电容器的电容这个电学量。
1. (多选)电容式话筒的保真度比动圈式话筒好，其工作原理如图619所示。
Q是绝缘支架，薄金属膜M和固定电极N形成一个电容器，被直流电源充电。
当声波使膜片振动时，电容发生变化，电路中形成变化的电流。
在膜片向右运动的过程中( )图619A．电容变大B．电容变小C．导线AB中有向左的电流D．导线AB中有向右的电流解析：选AC 声波使膜片向右振动，MN间距减小，电容变大，A正确，B错误；MN间的电压不变，由Q＝CU知Q变大，继续充电，则导线AB中有向左的电流，C正确，D错误。
2．观察如图6110所示的电容式传感器，并回答问题。
图6110(1)图甲是________的电容式传感器，原理是__________________________________________________________________________________________________________。
(2)图乙是________的电容式传感器，原理是__________________________________________________________________________________________________________。