2019-2020学年教科版物理选修3-2新素养同步讲义：第三章 第1节 传感器 第2节 温度传感

姓名，年级：
时间：
第1节传感器
第2节温度传感器和光传感器
1。

知道传感器的概念、结构及工作原理．(重点） 2.了解传感器的分类情况及热敏电阻的特性．（难点）
3．知道温度传感器的原理，了解温度传感器在生活中的应用．4。

知道光电传感器的原理，了解光电传感器在生活中的应用．
一、传感器1．概念:传感器通常是把被测的非电信息,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:一般由敏感元件和处理电路组成，如图所示．
错误!错误!错误!错误!错误!
(1)敏感元件能直接感受非电信息，并将这些信息变换成易于测量的物理量，形成电信号．
(2)处理电路能把微小的信号进行放大，并除去干扰信号，使敏感元件输出的电信号转变成便于显示、记录、处理和控制的电学量．
二、敏感元件的原理
1．敏感元件就其感知外界信息的原理可分为三类：（1)物理类;(2）化学类；（3)生物类．
2．由教材P61~62的实验探究可知：热敏电阻用半导体材料制成，具有电阻随温度灵敏变化的特性，可以实现对温度的测量．
3．干簧管是一种能感知磁场的敏感元件，它由密封在玻璃管内的两个铁磁体簧片构成，两个簧片相互交叠但其间保持一个缝隙，簧片在磁场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．
三、温度传感器
1．热双金属片温度传感器：将两种膨胀系数相差较大的不同金属片焊接或轧制为一体后,温度升高时，由于两面金属膨胀程度不同，双金属片就会变形．
2．热电阻传感器
(1）定义：用金属丝制作的感温电阻叫做热电阻．
(2）金属的电阻R与温度t的关系是：R＝R0（1＋θt）．
(3）作用：测温和测流量．
3．热敏电阻传感器：热敏电阻是用半导体材料制成的,其电阻值随温度变化明显,NTC热敏电阻（负温度系数)的阻值，随温度升高而减小，PTC热敏电阻的阻值随温度升高而增大．
四、光传感器
1．定义：光电传感器是一种能够感受光信号，并按照一定规律把光信号转换成电信号的器件或装置．
2．应用：(1)光电式烟尘浓度计．(2)光电式转速表．
传感器的工作原理
传感器感受的通常是非电信息，而它输出的通常是电信息,不过这些输出信号往往是非常微弱的，一般需要经过放大后，再输送给控制系统产生各种控制动作．其工作过程如图所示．
非电信息→错误!→错误!→错误!→错误!
↑↑
错误!
1．非电信息：如位移、力、温度、光、声、化学成分、浓度、酸碱度等．
2．敏感元件：是传感器的核心,相当于人的感觉器官，能直接感受被测量的非电信息并将其转换成与被测量的非电信息有一定关系的易于测量的物理量．
3．转换元件：通常不能直接感受被测量的非电信息，而是将敏感元件输出的物理量转换为电信号输出．
4．转换电路：将转换元件输出的电信号转换成易于测量的电信息．
5．电信息：如电压、电流、电阻等．
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换为电学量的;
（3)是如何显示或控制开关的．
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．升降机可能匀减速下降
B．升降机一定匀减速下降
C．升降机可能匀加速下降
D．升降机一定匀加速下降
[思路点拨］(1)压敏电阻的阻值随压力的增大而减小．
（2)电流表、电阻R串联后再与压敏电阻并联．
[解析] 设升降机匀加速下降，则重力mg大于压力N，即压力N变小，压敏电阻阻值变大，R总增大，由I总＝错误!知I总变小，知U外＝E－I总r变大,电流表读数变大，升降机也可能匀减速上升，故A、B、D错误，C正确．
[答案］C
1。

传感器是一种采集信息的重要器件,如图为用电容器作传感器来测定压力变化的电路，当待测压力作用于膜片电极上时,下列说法中正确的是（)
①若F向下压膜片电极，电路中有从a到b的电流
②若F向下压膜片电极，电路中有从b到a的电流
③若F向下压膜片电极，电路中不会有电流产生
④若电流表有示数，说明压力F发生变化
⑤若电流表有示数,说明压力F不会发生变化
A．②④B．①④
C．③⑤D．①⑤
解析：选A。

当向下压时，因为C∝错误!，d减小，C增大．在U不变时,因为C＝错误!，Q增多,从b向a有电流流过．若电流表有示数,说明Q变化，C变化,则说明压力F变化．
探究热敏电阻的温度特性曲线
1．实验设计
(1)用万用电表的电阻挡直接测量热敏电阻随温度的变化特性，方法简便,误差大．
（2)伏安法测量热敏电阻的温度特性曲线．
2．采用伏安法测量
(1)器材：电压表、电流表、电源、滑动变阻器、固定电阻、热敏电阻、开关和导线若干；温度计、水槽、电加热装置和开水冷水各一份．
（2）原理：采用水浴法改变热敏电阻的温度（如图甲）用伏安法测量电阻(如图乙)．
甲乙
（3）测量步骤：将热敏电阻用塑料薄膜包裹一层,防止水浴时电阻的引线与水接触，连接好如图乙所示电路．
将水槽里的水兑成10 ℃，将热敏电阻放入水中，稍等片刻,闭合开关，读出电压表、电流表、温度计的示数．
将水温兑成20 ℃、30 ℃、40 ℃、50 ℃…90 ℃，各测量一次，计算出各温度下对应的电阻．（4)设计表格，将上述方法取得的数据填入表格．
（5)数据处理，在坐标纸上做出R－t图像．
3．热敏电阻的R－t图像
热敏电阻所用材料根据其温度特性可分为三类：
（1)正温度系数的热敏材料（PTC），它的电阻随温度升高而增大．
（2）负温度系数的热敏材料（NTC）,它的电阻随温度升高而减小．
（3)临界温度系数的热敏材料（CTC）,它的电阻在很小的温度范围（临界）内急剧下降．
这三类热敏材料电阻率的温度特性曲线如图所示．可见,PTC和CTC型热敏电阻在一定的温度范围内，阻值随温度急剧变化，常用作开关元件，NTC型热敏电阻的阻值随温度升高而减小．尤其要注意的是在温度测量中使用最多的就是NTC型热敏电阻，我们常说的热敏电阻也是指这一类．
要注意区别热敏电阻和金属热电阻，热敏电阻用半导体材料制成，其电阻值随温度变化明显，温度升高电阻减小；而金属的电阻率随温度的升高而增大,这样的金属电阻也可以制作温度传感器，称为热电阻．热敏电阻的灵敏性好，但化学稳定性较差；金属热电阻的化学稳定性好，测温范围大，但灵敏性较差．
(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（)
A．电容器C的带电量增大
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
[思路点拨] 环境温度降低时，此热敏电阻的阻值增大，以此为出发点再逐一分析其他量的变化．
［解析］当环境温度降低时，R2变大,电路的总电阻变大，由I＝错误!知I变小，又U＝E－Ir,电压表的读数U增大,B正确；又由U1＝IR1及P1＝I2R1可知U1变小,R1消耗的功率P1变小，D错误;电容器两板间的电压U2＝U－U1，U2变大,由场强E′＝错误!，Q＝CU2可知Q、E′都增大,故A正确，C错误．
[答案］AB
错误!
热敏电阻的特性
要注意热敏电阻的阻值随温度的升高不一定减小，正温度系数的热敏电阻（PTC)其阻值随温度的升高而增大．
2.(多选)如图是测试热敏电阻R的实验电路图，滑动变阻器已调节到某一适当的
值．实验中观察到当温度升高时灯更亮，对实验现象分析正确的有（)
A．温度升高，电路中的电流减小
B．温度升高,电路中的电流增大
C．温度升高，热敏电阻的阻值增大
D．温度升高，热敏电阻的阻值减小
解析:选BD.当温度升高时，电路中的热敏电阻的阻值减小，由闭合电路欧姆定律可知：电路中的电流增大，导致灯泡变亮，故选B、D。

光敏电阻、金属热电阻的特性
1．光敏电阻
在被光照射时电阻发生变化,可以把光照强弱转换为电阻大小这个电学量．当光敏电阻受到光照射时，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，于是导电性明显地增强,电阻减小．不受光照射时的电阻阻值是受光照射时的100～1 000倍．
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．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．
命题视角1 含光敏电阻电路的分析
(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
[思路点拨] 对于闭合电路欧姆定律动态分析问题,要把握住分析顺序，先分析总电阻,再分析总电流,然后分析电源内电压，最后分析外电压和支路电压．
[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，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正确．［答案] ABC
错误!
光敏电阻将光照变化转化为电阻变化，通过电路将电阻变化以电流或电压的形式输出，传感器问题变成了直流电路的动态分析问题．
命题视角2 含金属热电阻电路的分析
如图所示是观察电阻值随温度变化情况的示意图．现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）( )
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为用半导体材料制成的热敏电阻，读数变化非常明显
D．如果R为用半导体材料制成的热敏电阻,读数变化不明显
［解析］金属热电阻的阻值随温度的升高而增大，但灵敏度较差，而热敏电阻的阻值随温度的升高电阻减小，且灵敏度高，故选项C正确．
[答案］C
3。

(多选）计算机光驱的主要部分是激光头,它可以发射脉冲激光信号，激光扫描光盘时，激光头利用光敏电阻自动计数器将反射回来的脉冲信号传输给信号处理系统，再通过计算机显示出相应信息．光敏电阻自动计数器的示意图如图所示，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，处理系统获得低电压
B．当有光照射R1时,处理系统获得高电压
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BD.当光敏电阻有光照射时，电阻减小,故当有光照射R1时，R1减小，则电阻R2上的电压变大，故处理系统获得高电压，选项B正确，A错误；信号处理系统每获得一次高电压就计数一次，故C错误,D正确．
1．下列说法错误的是( ）
A．干簧管是一种由磁场控制的开关
B．楼道里的灯只有天黑时出现声音才亮，说明它的控制电路中只有声传感器
C．光敏电阻能够把光信号转换成电信号
D．负温度系数的热敏电阻在温度升高时电阻减小
解析：选B.传感器是指将非电学量按照一定规律转换成电学量的元件,干簧管是在玻璃管内封入了两个软磁性材料制成的簧片,当有磁场靠近时，两个簧片被磁化而接通，起到了开关的作用，故选项A正确;楼道里的灯只有天黑时出现声音才亮说明了在它的控制电路中既有光传感器又有声传感器，故选项B错误；光敏电阻是用电阻率与光照强度有关的材料制成的，当其被光照射时,电阻将发生变化，故选项C正确；用半导体材料制作的热敏电阻，在温度升高时，导电能力增强，即电阻减小，故选项D正确．
2．如图所示,将一个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，用光照射电阻时，表针自左向右偏角为θ;现用手掌挡住部分光线，表针的自左向右偏角为θ′，则可判断( )
A．θ′＝θ
B．θ′<θ
C．θ′〉θ
D．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，指针自左向右的偏转角度变小．
3．如图所示，在电路中接一段钨丝，闭合开关，灯泡正常发光，当用打火机给钨丝加热时灯泡亮度明显变暗，根据钨丝的上述特性，可用钨丝来制作一个温度传感器，下面的说法中不正确的是( )
A．该传感器利用了钨丝的物理性质
B．该传感器利用了钨丝电阻随温度变化而变化的特性
C．该传感器能够把热学量(温度)转换为电学量(电阻）
D．该传感器能够把电学量（电阻)转换为热学量（温度)
解析：选D。

由题目中的实验现象可知，钨丝的电阻随温度的升高而增大，随温度的降低而减小，利用该特性可以制成温度传感器,传感器能够把温度这个热学量转换为电阻这个电学量．故A、B、C正确，D错误．
4．(多选）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甲、乙、丙、丁所示,下列判断中正确的是( ）
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
解析:选AB.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．
5．如图所示,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一热敏电阻R t的两端相连，这时表针恰好指在刻度盘的正中间．若往R t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．
解析:若往R t上擦一些酒精，由于酒精蒸发吸热，热敏电阻R t温度降低,电阻值增大,所以电流减小,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,电流增大,指针向右偏．
答案：左右
一、单项选择题
1．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( ）
A．温度传感器
B．压力传感器
C．磁传感器
D．光传感器
解析：选B。

计算机键盘上的键被按下时，电容发生变化，故使用的是压力传感器．
2．自动门、生命探测器、家电遥控系统、防盗防火报警器都使用了（)
A．温度传感器
B．红外线传感器
C．生物传感器
解析：选B.自动门发出红外线，人挡住红外线时，门会自动打开,家电遥控系统都发出红外线信号，家电接收红外线会按一定程序工作,人体能自动发出红外线，可通过红外传感器接收，防盗防火报警器,当温度升高时发出的红外线增强，因此这四种都用了红外传感器，B正确，A、C、D 错误．
3．温度传感器广泛应用于家用电器中,它是利用热敏电阻的阻值随温度变化的特性来工作的．如图甲所示为某装置中的传感器工作原理图,已知电源的电动势E＝9.0 V，内电阻不计；G为灵敏电流表，其内阻R g保持不变；R为热敏电阻，其阻值随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.由题图乙知,当R的温度等于20 ℃时,热敏电阻的阻值R1＝4 kΩ，则由I1＝错误!可得R g＝0.5 kΩ，当电流I2＝3。

6 mA时，由I2＝错误!，可得R2＝2 kΩ,结合图乙知此时温度为120 ℃,故选D。

4．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,话筒的振动膜前面镀有薄薄的金属层，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,使话筒所在电路中的其他量发生变化，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可能是电容器两极板间的（）
A．距离变化
B．正对面积变化
C．介质变化
解析：选A.说话时对着振动膜,在振动膜上有金属层,与金属板形成电容器，说话时振动膜振动，改变膜与板之间距离，从而改变了电容．电容变化,在电容器两端的电量就变化,形成电流到放大器，从而将声信号转换成电信号，故选A.
5．如图所示为用热敏电阻R和继电器L等组成的一个简单的恒温控制电路,其中热敏电阻的阻值会随温度的升高而减小．电源甲与继电器、热敏电阻等组成控制电路，电源乙与恒温箱加热器（图中未画出)相连接．则( ）
A．当温度降低到某一数值，衔铁P将会被吸下
B．当温度升高到某一数值,衔铁P将会被吸下
C．工作时，应该把恒温箱内的加热器接在C、D端
D．工作时，应该把恒温箱内的加热器接在A、C端
解析：选B。

当温度降低到某一数值时，热敏电阻R的阻值增大，电路中电流减小,继电器L对衔铁P的吸引力减小，P将不会被吸下，故A错误．当温度升高到某一数值时,热敏电阻R的阻值减小，电路中电流增大,继电器L对衔铁P的吸引力增大，P将会被吸下,故B正确．恒温箱内温度高到一定数值后,应与电源断开停止加热,由以上分析可知，温度升高后，A、B端断开，所以工作时,应该把恒温箱内的加热器接在A、B端,故C、D错误．
6．如图是一火警报警装置的一部分电路示意图，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两端电压U与出现火情前相比（）
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
解析：选D.当传感器R2所在处出现火情时,温度升高，R2电阻减小，电路的总电阻减小，总电流I增大，路端电压U ab＝E－Ir减小，I（r＋R1）增大，U并＝E－I（r＋R1）减小,通过R3电流I
减小，通过R2的电流I2＝I－I3增大，D对．
3
二、多项选择题
7．下列说法正确的是( )
A．热敏电阻是把热量这个热学量转换为电阻这个电学量
B．金属热电阻的化学稳定性好,但灵敏度差
C．电熨斗中的双金属片是温度传感器
D．霍尔元件是能够把磁学量磁感应强度转换为电压的传感元件
解析：选BCD。

热敏电阻是把温度这个热学量转换为电阻这个电学量,选项A错误．金属热电阻的化学稳定性好，但灵敏度比热敏电阻差，选项B正确．电熨斗中的双金属片就是利用热胀冷缩原理制成的，是温度传感器．霍尔元件是能够把磁学量(磁感应强度)转换为电压（电学量）的传感元件，选项C、D正确．
8．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,这只元件一定是热敏电阻
B．置入热水中与不置入热水中相比,欧姆表示数不变化，这只元件一定是定值电阻
C．用黑纸包住元件与不用黑纸包住元件相比，欧姆表示数变化较大，这只元件一定是光敏电阻D．用黑纸包住元件与不用黑纸包住元件相比，欧姆表示数相同，这只元件一定是定值电阻
解析：选AC。

热敏电阻的阻值随温度变化而变化,定值电阻和光敏电阻不随温度变化;光敏电阻的阻值随光照变化而变化，定值电阻和热敏电阻不随之变化．
9．随着生活质量的提高，自动干手机已进入家庭，洗手后,将湿手靠近自动干手机，机内的传感器便驱动电热器加热，使热空气从机内吹出,将湿手烘干．某型号干手机的说明书中有如下一段文字：“功能与特点：◆采用红外线感应原理，即感应即动作，卫生、方便．◆超高温保护，即过热、过电流双重保护．◆采用内热式的再循环原理,低噪音、高转速、烘干能力强．◆高强度塑钢外壳，牢固可靠,美观大方．”据此可判断( ）
A．自动干手机内装有由温度传感器组成的保护电路
B．自动干手机是靠位移传感器来感知使用者手的靠近
C．自动干手机消耗的电能转化为空气的内能及动能
D．自动干手机是靠红外线传感器来感知使用者手的靠近
解析：选ACD.由说明书中“功能与特点"的第二项可知，自动干手机具有过热保护功能，其中必然要用温度传感器来感知热空气的温度，温度过高从而自动控制电路断开，A正确；由说明书中“功能与特点”的第一项可知，D正确，B错误；从能量守恒的角度知C正确．
10．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。

R1为光敏电阻，当有光照射时，R1的阻值变小，R2上的电压变大,信号处理系统获得高电压．由题意知，当传送带上的物体挡住光时，信号处理系统获得低电压,这种电压高低交替变化的信号转化为相应的数字，实现自动计数的功能，达到自动计数的目的．故A、C正确．三、非选择题
11．如图所示，图甲为热敏电阻的R－t图像,图乙为用此热敏电阻R和继电器组成一个简单恒温箱温控电路，继电器线圈的电阻为200 Ω。

当线圈中的电流大于或等于20 mA时，继电器的衔铁被吸合．为继电器线圈供电的电池的电动势E＝6 V,内阻可以不计．图中的“电源”是恒温箱加热器的电源．
（1)应该把恒温箱内的加热器接在____________端．（填“A、B”或“C、D”）
(2）如果要使恒温箱内的温度保持100 ℃，可变电阻R′的值应调节为____________Ω。