2020_2021学年高中物理第三章传感器1传感器2温度传感器和光传感器学案教科版选修3_2.doc

1．传感器 2．温度传感器和光传感器[学习目标] 1.了解传感器的概念、结构及各部分的作用．(难点) 2.通过实验感知半导体热敏电阻的特性．(重点) 3.了解干簧管的构造及作用．(重点) 4.知道温度与光传感器常用的敏感元件及其在生活、生产中的应用．(重点)一、传感器1．2．敏感元件的原理(1)根据感知原理分类①物理类：基于力、热、光、电磁和声等物理效应．②化学类：基于化学反应的原理．③生物类：基于酶、抗体和激素等分子识别功能．(2)原理：大多数传感器是通过敏感元件把非电学量转变为电学量，或转化为电路的控制开关，从而实现方便的显示、记录、处理和控制．(3)应用实例半导体热敏电阻：具有电阻随温度灵敏变化的特性，可以实现对温度的测量．常用于温度传感器．干簧管：感知磁场的敏感元件，常用于磁场控制的开关．二、温度传感器和光传感器1．温度传感器(1)概念：温度传感器是把温度转换为电信号的传感器．(2)几种常用的温度传感器：①热双金属片温度传感器a．敏感元件：两种热膨胀系数相差较大的金属片焊接或轧制成的热双金属片．b．工作原理：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．因此热双金属片可作为温度的敏感元件．利用了热双金属片对温度的感知表现为形变的特性．②热电阻传感器a．敏感元件：用金属丝制作的感温电阻(又叫热电阻)．b．热电阻阻值与温度t的关系R＝R0(1＋θt)．(R0为t＝0 ℃时导体的电阻，θ为温度系数)③热敏电阻传感器a．敏感元件：半导体热敏电阻．b．热敏电阻的分类：一种是随温度升高而电阻减小的热敏电阻，用NTC符号表示；另一类随温度升高而电阻增大的热敏电阻，用PTC符号表示．c．特点及用途：热敏电阻对温度变化的响应很敏感，常用于测温、温度控制或过热保护．2．光传感器(1)概念光传感器是利用光敏电阻把光强这个光学量转换为电阻这个电学量，光敏电阻的阻值随光照强度的增大而减小．(2)应用：火灾报警器、光电式转速器等都是利用了光电传感器来工作的．(3)两种实用的光传感器①光电式烟尘浓度计，靠监测烟尘浓度来工作．②光电式转速表光源发出的光经透镜会聚成平行光束照到被测旋转物体上，被反光纸反射回来，再经透镜聚焦落到光敏二极管上，产生与转速对应的电脉冲信号，经信号处理电路处理后，显示出转速．1．思考判断(正确的打“√”，错误的打“×”)(1)传感器就是指敏感元件．(×)(2)传感器能把电信号转换成非电信号．(×)(3)家庭用的电视机遥控器属于红外线遥控．(√)(4)有光照射时，光敏电阻的阻值变大．(×)(5)热敏电阻在温度升高时阻值变小．(×)(6)金属热电阻在温度升高时阻值变小．(×)2．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．人D．红外线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．]3．(多选)如图所示为电阻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BD[由题图可知，图线1是金属热电阻的R­T图线，图线2是热敏电阻的R­T图线，根据它们的材料性质和图像特点可知，选项B、D正确．]对传感器的理解1.传感器的结构框图2．传感器的分类物理型传感器化学型传感器生物型传感器敏感元件被测物理量变化时，敏感元件的电学量(如电阻、电压、电容等)会发生明敏感元件能把化学物质的成分、浓度等化学量转换为电学量显变化工作原理利用物质的物理性质和物理效应感知并检测出相关的信息利用化学反应识别和检测信息利用生物组织的各种生物、化学与物理效应识别和检测信息实例如电容传感器、电感传感器、光电传感器、压电传感器等如气敏传感器、湿敏传感器等如免疫传感器、抗原抗体传感器、酶传感器等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？思路点拨：①由题图确定R′和R是串联，油量的变化会改变R的值．②当油箱中油量减少时，浮标下降，杠杆的左端下降，右端上翘，R的值变大．③串联电路中，电阻起分压作用．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．答案：见解析[跟进训练]训练角度1：传感器的工作原理1．关于传感器工作的一般流程，下列说法中正确的是( )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C[传感器工作的一般流程为：非电学量(被测量),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．]训练角度2：传感器的应用2.(多选)如图所示，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 ()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，所以是作为开关来使用、作为控制元件以实现自动控制的．]对温度传感器、光传感器的理解及应用1.传感器光传感器温度传感器定义能够感受光信号，并按一定规律转换成电信号的装置将温度变化转换为电学量变化的装置类型主要有光敏电阻、光敏晶体管、光电池等主要有热敏电阻、热电偶等两种电阻光敏电阻由半导体材料制成，光越强，电阻越小热敏电阻由半导体材料制成，NTC随温度升高，电阻减小；PTC随温度升高，电阻增大原理电学性质随光照变化而变化电学性质随温度变化而变化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．3．热敏电阻的种类及特性曲线常见的有两种类型，图中甲为PTC型，乙为NTC型．PTC型为正温度系数热敏电阻，NTC 型为负温度系数热敏电阻．【例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，表针自左向右偏角为θ′，则可判断( )A．θ′＝θB．θ′<θC．θ′>θD．不能确定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，故B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)的阻值随温度变化(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．[跟进训练]训练角度1：含光敏电阻电路的分析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．]训练角度2：含热敏电阻电路的分析4.半导体的电阻率随温度的升高而减小，经常利用半导体的这一特性来制作传感器，如图所示是一火警报警器的部分电路示意图，其中R3为用半导体热敏材料制成的传感器．值班室的显示器为电路中的电流表，a、b之间接报警器．当传感器R3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变大，U变小C．I变小，U变小D．I变小，U变大C[当出现火情时，热敏电阻R3的阻值减小，则外电路总电阻减小；由闭合电路欧姆定律可知，电路中总电流将增大；由U＝E－Ir可知，路端电压减小，则图中报警器两端的电压U将减小；因总电流增大，则R1两端的电压增大，并联部分的电压减小，则可知流过R2中的电流I减小，故选项C正确．]1．1个概念——传感器2．1个原理——传感器的工作原理3．1个特性——敏感元件的特性4．多种应用——传感器的多种应用1．下列关于物理传感器、化学传感器和生物传感器的说法中，正确的是( )A．物理传感器利用材料的某种物理性质工作，因而只能用于机械加工行业不能用于化工领域B．化学传感器是利用某种化学反应来工作的，因而只能输出某种化学物质而不是输出电学量C．生物传感器的适用范围广，可在任意温度条件下工作D．生物传感器由于含有生命物质，因而对使用传感器的环境条件有一定要求D[不论哪种传感器都可以将非电学量转换成电学量输出，故B错；物理传感器在化工领域也可以使用，如温度传感器等，故A错；生物传感器能够使用的前提是感受器中的生命物质保持生物活性，故C错，D对．]2．如图所示，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．当用酒精灯加热电阻丝时，则关于小灯泡亮度变化以及发生这一现象的主要原因，正确的是( )A．小灯泡变亮，小灯泡的电阻发生了变化B．小灯泡变亮，小灯泡灯丝的电阻率随温度发生了变化C．小灯泡变暗，电阻丝的电阻率随温度发生了变化D．小灯泡变暗，电源的电压随温度发生了变化C[用酒精灯加热电阻丝时，电阻丝的电阻率随温度升高而增大，电阻增大，电流减小，灯泡变暗．]3．光敏电阻能将光信号转化为电信号，原因是( )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．光照强度发生变化时，光敏电阻的横截面积也发生变化A[光敏电阻的特性是光照强度变化时，电阻率发生明显变化，而长度、体积、横截面积不发生变化，故光敏电阻阻值大小会发生变化，A正确．]4．用图甲所示电路测量电流表的内阻，闭合开关S，当变阻器的滑片滑至c处时，电流表和电压表的读数分别为40 mA、9 V，已知图甲中热敏电阻的I­U关系图线如图乙所示，则电流表的内阻为( )甲 乙A ．0.14 Ω B．85 Ω C ．140 Ω D ．225 ΩB [当电流表读数为40 mA 时，说明热敏电阻的电流为40 mA ，由题图知热敏电阻两端电压U R ＝5.6 V ，则电流表两端电压U ＝9 V －5.6 V ＝3.4 V ，由欧姆定律得R mA ＝U I ＝ 3.440×10－3Ω＝85 Ω，B 正确．]。