2018-2019學(xué)年高中物理 第三章 傳感器 1 傳感器 溫度傳感器和光傳感器學(xué)案 教科版選修3-2.doc

1傳感器溫度傳感器和光傳感器學(xué)習(xí)目標(biāo)定位1.知道傳感器的定義，理解其工作原理.2.了解熱敏電阻、敏感元件的特性.3.了解幾種溫度傳感器及光傳感器的原理1用多用電表測(cè)電阻時(shí)，首先選擇歐姆擋，然后進(jìn)行歐姆調(diào)零，指針指在表盤的中值附近測(cè)得的阻值較準(zhǔn)確2電阻率是反映材料導(dǎo)電性能好壞的物理量，電阻率越小，導(dǎo)電性能越好，定義式為.3平行板電容器的電容C.一、傳感器1定義：把被測(cè)的非電信息按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成與之對(duì)應(yīng)的電信息的器件或裝置2結(jié)構(gòu)：由敏感元件和處理電路組成二、敏感元件的原理敏感元件就其感知外界信息的原理而言，可分為如下幾類：1物理類：基于力、熱、光、電磁和聲等物理效應(yīng)2化學(xué)類：基于化學(xué)反應(yīng)的原理3生物類：基于酶、抗體和激素等分子識(shí)別功能三、溫度傳感器1熱雙金屬片溫度傳感器：針對(duì)熱雙金屬片對(duì)溫度的感知表現(xiàn)為形變的特性，常常用在溫度控制裝置中2熱電阻傳感器：電阻與溫度關(guān)系為RR0(1t)3熱敏電阻傳感器：(1)NTC熱敏電阻：溫度升高，電阻減小(2)PTC熱敏電阻：溫度升高，電阻增大四、光傳感器1原理：有些金屬或半導(dǎo)體材料在電路中受到光照時(shí)，產(chǎn)生電流或電壓，實(shí)現(xiàn)光信號(hào)向電信號(hào)的轉(zhuǎn)化2應(yīng)用：光電式煙塵濃度計(jì)、光電式轉(zhuǎn)速表.一、傳感器問題設(shè)計(jì)在現(xiàn)代生活中，我們時(shí)刻能感受到自動(dòng)控制帶給我們的便利，如馬路上的路燈夜晚發(fā)光白天自動(dòng)熄滅；當(dāng)你走近自動(dòng)門時(shí)它會(huì)自動(dòng)打開，當(dāng)你離開時(shí)它會(huì)自動(dòng)關(guān)閉；電冰箱啟動(dòng)后，會(huì)自動(dòng)控制壓縮機(jī)工作，使冰箱內(nèi)保持所設(shè)定的低溫，這其中的“機(jī)關(guān)”是什么？答案在這些電路中分別安裝了不同的傳感器要點(diǎn)提煉1各種傳感器的作用都是把非電學(xué)量轉(zhuǎn)換成電學(xué)量2傳感器的結(jié)構(gòu)3敏感元件能直接感受非電信息，并把其變換成易于測(cè)量的物理量，形成電信號(hào)常見的敏感元件有力敏元件、光敏元件、熱敏元件、磁敏元件、氣敏元件等4處理電路能把微小的信號(hào)進(jìn)行放大，并除去干擾信號(hào)，使敏感元件輸出的電信號(hào)轉(zhuǎn)變成便于顯示、記錄、處理和控制的電學(xué)量二、敏感元件的原理 問題設(shè)計(jì)1如圖1所示，將多用電表的選擇開關(guān)置于歐姆擋，再將多用電表的兩支表筆與負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻Rt的兩端相連，這時(shí)表針恰好指在刻度盤的正中央若在Rt上擦一些酒精，表針將如何擺動(dòng)？若用吹風(fēng)機(jī)將熱風(fēng)吹向電阻，表針將如何擺動(dòng)？圖1答案由于酒精蒸發(fā)，熱敏電阻Rt溫度降低，電阻值增大，指針應(yīng)向左偏；用吹風(fēng)機(jī)將熱風(fēng)吹向電阻，電阻Rt溫度升高，電阻值減小，指針將向右偏2如圖2所示連接電路把磁鐵靠近或遠(yuǎn)離干簧管，觀察電路中所發(fā)生的現(xiàn)象你認(rèn)為干簧管起了什么作用？圖2答案把磁鐵靠近干簧管時(shí)，簧片在磁場(chǎng)的作用下會(huì)磁化為異名磁極相對(duì)的磁鐵當(dāng)磁力大于簧片的彈力時(shí)，兩者緊密地接觸，電路連通，燈亮因此，干簧管串聯(lián)在電路中就成為一個(gè)由磁場(chǎng)控制的開關(guān)要點(diǎn)提煉1熱敏電阻是用半導(dǎo)體材料制成的，它具有電阻隨溫度靈敏變化的特性，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的測(cè)量2干簧管是一種能感知磁場(chǎng)的敏感元件，在電路中的作用就是個(gè)由磁場(chǎng)控制的開關(guān)三、溫度傳感器問題設(shè)計(jì)如圖3所示為電熨斗的構(gòu)造，其中雙金屬片上層金屬的熱膨脹系數(shù)大于下層金屬圖3(1)常溫下，電熨斗的上、下觸點(diǎn)應(yīng)當(dāng)是接觸的還是分離的？當(dāng)溫度過高時(shí)雙金屬片將怎樣起作用？(2)熨燙棉麻衣物需要設(shè)定較高的溫度，熨燙絲綢衣物需要設(shè)定較低的溫度，這是如何利用調(diào)溫旋鈕來實(shí)現(xiàn)的？答案(1)常溫時(shí)，電熨斗的上、下觸點(diǎn)接觸，這樣電熨斗接通電源后能進(jìn)行加熱當(dāng)溫度過高時(shí)雙金屬片膨脹，因上層的熱膨脹系數(shù)較大，故上層膨脹的厲害，雙金屬片向下彎曲，彎曲到一定程度后，兩觸點(diǎn)分離，電路斷開，電熱絲停止加熱；當(dāng)溫度降低后，雙金屬片恢復(fù)原狀，重新接通電路加熱(2)熨燙棉麻衣物需要設(shè)定較高的溫度，也就是要求雙金屬片彎曲程度較大時(shí)，兩觸點(diǎn)分離，所以應(yīng)使調(diào)溫旋鈕下旋反之熨燙絲綢衣物需要設(shè)定較低的溫度，應(yīng)使調(diào)溫旋鈕上旋要點(diǎn)提煉1熱雙金屬片溫度傳感器是由兩種膨脹系數(shù)相差較大的不同金屬片焊接或軋制成一體后組成它對(duì)溫度的感知表現(xiàn)為熱雙金屬片的形變，可以用它控制電路的通斷2熱敏電阻：用半導(dǎo)體材料制成按熱敏電阻阻值隨溫度變化的規(guī)律，熱敏電阻可分為正溫度系數(shù)的熱敏電阻和負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻(1)正溫度系數(shù)的熱敏電阻隨溫度升高電阻增大(2)負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻(如氧化錳熱敏電阻)隨溫度升高電阻減小3金屬熱電阻：金屬的電阻率隨溫度升高而增大，利用這一特性，金屬絲也可以制作成溫度傳感器，稱為熱電阻4熱敏電阻和金屬熱電阻都能夠把溫度這個(gè)熱學(xué)量轉(zhuǎn)換為電阻這個(gè)電學(xué)量金屬熱電阻的化學(xué)穩(wěn)定性好，測(cè)溫范圍大，但靈敏度較差四、光傳感器1自動(dòng)門和公共場(chǎng)所的非觸摸式自動(dòng)水龍頭利用了紅外光傳感器2在環(huán)境監(jiān)測(cè)、火災(zāi)報(bào)警等裝置中通常利用光電式煙塵濃度計(jì)工作3在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、交通運(yùn)輸?shù)刃袠I(yè)中較多地采用光電式轉(zhuǎn)速表進(jìn)行轉(zhuǎn)數(shù)的測(cè)量一、對(duì)傳感器的認(rèn)識(shí)例1如圖4是一種測(cè)定油箱油量多少或變化多少的裝置圖4其中電源電壓保持不變，R是滑動(dòng)變阻器，它的金屬滑片是金屬桿的一端在裝置中使用了一只電壓表(圖中沒有畫出)，通過觀察電壓表示數(shù)，可以了解油量情況(1)你認(rèn)為電壓表應(yīng)該接在圖中的_兩點(diǎn)之間，按照你的接法請(qǐng)回答：當(dāng)油箱中油量減少時(shí)，電壓表的示數(shù)將_(選填“增大”或“減小”)(2)將電壓表分別接在b、c之間與c、d之間，當(dāng)油量變化時(shí)，電壓表的示數(shù)變化有何不同？解析(1)由題圖可知當(dāng)油箱內(nèi)液面高度變化時(shí)，R的金屬滑片將會(huì)移動(dòng)，從而引起R兩端電壓的變化當(dāng)油量減少時(shí)，R的數(shù)值會(huì)增大，電路中的電流會(huì)減小，c、d間的電壓會(huì)減小當(dāng)把電壓表接在c、d兩點(diǎn)間，電壓表示數(shù)減小時(shí)，表示油量在減少(2)把電壓表接在b、c之間，油量增加時(shí)，R減小，電壓表的示數(shù)減小；油量減少時(shí)，R增大，電壓表的示數(shù)增大把電壓表接在c、d之間，油量增加時(shí)，R減小，電路中電流增大，則R兩端的電壓增大，電壓表的示數(shù)增大，同理，油量減少時(shí)，電壓表的示數(shù)減小答案(1)c、d減小(2)見解析二、對(duì)熱敏電阻的認(rèn)識(shí)及應(yīng)用例2如圖5所示為某一熱敏電阻(電阻值隨溫度的改變而改變，且對(duì)溫度很敏感)的IU關(guān)系曲線圖圖5(1)為了通過測(cè)量得到圖示的IU關(guān)系的完整曲線，在圖6甲、乙兩個(gè)電路中應(yīng)選擇的是圖_；簡(jiǎn)要說明理由：_.(電源電動(dòng)勢(shì)為9 V，內(nèi)阻不計(jì)，滑動(dòng)變阻器的阻值為0100 )圖6(2)在圖丙所示電路中，電源電壓恒為9 V，電流表讀數(shù)為70 mA，定值電阻R1250 .由熱敏電阻的IU關(guān)系曲線可知，熱敏電阻兩端的電壓為_ V；電阻R2的阻值為_ .(3)舉出一個(gè)可以應(yīng)用熱敏電阻的例子：_.解析(1)應(yīng)選擇圖甲，原因是圖甲所示電路電壓可從0調(diào)到所需電壓，調(diào)節(jié)范圍較大(或圖乙所示電路不能測(cè)得0附近的數(shù)據(jù))(2)根據(jù)歐姆定律可得I1 A0.036 A所以I2II10.07 A0.036 A0.034 A.由熱敏電阻的IU關(guān)系曲線可知，當(dāng)I0.034 A34 mA時(shí)，UT5.2 V所以R2 111.8 .答案(1)甲原因見解析(2)5.2111.8(3)熱敏溫度計(jì)(提出其他實(shí)例，只要合理均對(duì))三、對(duì)光傳感器的認(rèn)識(shí)及應(yīng)用例3如圖7所示為光電式煙塵濃度計(jì)的原理圖，試說明其工作原理圖7解析光源1發(fā)出的光線經(jīng)半透半反鏡3，分成兩束強(qiáng)度相等的光線一束光線直接到達(dá)光電轉(zhuǎn)換電路7上，產(chǎn)生作為被測(cè)煙塵濃度的參比信號(hào)另一束光線經(jīng)反射鏡4穿過被測(cè)煙塵5到達(dá)光電轉(zhuǎn)換電路6上，其中一部分光線被煙塵吸收或因散射而衰減，煙塵濃度越高，光線的衰減量越大，到達(dá)光電轉(zhuǎn)換電路6的光就越弱兩路光線分別轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)U1、U2，如果U1U2，說明被測(cè)的光路上沒有煙塵，相反，如果U1、U2相差較大，說明煙塵濃度較大，因此可用兩者之比，算出被測(cè)煙塵的濃度答案見解析例4如圖8所示，R1、R2為定值電阻，L為小燈泡，R3為光敏電阻，當(dāng)入射光強(qiáng)度增大時(shí)()圖8A電壓表的示數(shù)增大BR2中電流減小C小燈泡的功率增大D電路的路端電壓增大解析當(dāng)光強(qiáng)度增大時(shí)，R3阻值減小，外電路電阻隨R3的減小而減小，R1兩端電壓因干路電流增大而增大，即電壓表的示數(shù)增大，同時(shí)內(nèi)電壓增大，故電路的路端電壓減小，A項(xiàng)正確，D項(xiàng)錯(cuò)誤由路端電壓減小，而R1兩端電壓增大知，R2兩端電壓必減小，則R2中電流減小，故B項(xiàng)正確結(jié)合干路電流增大知流過小燈泡的電流必增大，故小燈泡的功率增大，C項(xiàng)正確答案ABC1(對(duì)傳感器的認(rèn)識(shí))關(guān)于傳感器，下列說法正確的是()A所有傳感器都是由半導(dǎo)體材料制成的B金屬材料也可以制成傳感器C傳感器主要是通過感知電壓的變化來傳遞信號(hào)的D水銀溫度計(jì)是一種傳感器答案B解析大多數(shù)傳感器是由半導(dǎo)體材料制成的，某些金屬也可以制成傳感器，如金屬熱電阻，故A錯(cuò)，B對(duì)；傳感器將非電學(xué)量轉(zhuǎn)換為電學(xué)量，因此傳感器感知的應(yīng)該是“非電信號(hào)”，故C錯(cuò)；水銀溫度計(jì)能感受熱學(xué)量，但不能把熱學(xué)量轉(zhuǎn)化為電學(xué)量，因此不是傳感器，故D錯(cuò)2(對(duì)電容式傳感器的認(rèn)識(shí))電容式傳感器是用來將各種非電信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)的裝置，由于電容器的電容C取決于極板正對(duì)面積S、極板間距離d以及極板間的電介質(zhì)這幾個(gè)因素，當(dāng)某一物理量發(fā)生變化時(shí)就能引起上述某個(gè)因素的變化，從而又可推出另一物理量的值如圖9所示是四種電容式傳感器的示意圖，關(guān)于這四種傳感器的作用，下列說法不正確的是()圖9A甲圖的傳感器可以用來測(cè)量角度B乙圖的傳感器可以用來測(cè)量液面高度C丙圖的傳感器可以用來測(cè)量壓力D丁圖的傳感器可以用來測(cè)量速度答案D解析甲圖角度變化能導(dǎo)致極板正對(duì)面積變化；乙圖液面高度變化能導(dǎo)致極板正對(duì)面積變化；丙圖F變化能導(dǎo)致極板間距變化；丁圖中位置變化導(dǎo)致電介質(zhì)變化所以，甲、乙、丙、丁分別是測(cè)角度、液面高度、壓力、位移的物理量故選D.3(對(duì)光敏電阻、熱敏電阻的認(rèn)識(shí)及電路分析)如圖10所示電路中，電源電動(dòng)勢(shì)為E，內(nèi)阻為r，RT為負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻，RG為光敏電阻，閉合開關(guān)后，小燈泡L正常發(fā)光，由于環(huán)境改變(光照或溫度)，發(fā)現(xiàn)小燈泡亮度變暗，則引起小燈泡變暗的原因可能是()圖10A溫度不變，光照增強(qiáng)B溫度升高，光照不變C溫度降低，光照增強(qiáng)D溫度升高，光照減弱答案AC4(對(duì)光傳感器的認(rèn)識(shí))煙霧散射火災(zāi)報(bào)警器使用的是()A光傳感器 B溫度傳感器C紅外傳感器 D超場(chǎng)波傳感器答案A解析煙霧散射火災(zāi)報(bào)警器是煙霧進(jìn)入報(bào)警器后，光被散射，照到報(bào)警器中的光傳感器上，使電路接通，報(bào)警器工作，發(fā)出警報(bào)，A對(duì)，B、C、D錯(cuò)題組一對(duì)傳感器的認(rèn)識(shí)1傳感器擔(dān)負(fù)著信息采集的任務(wù)，它可以()A將力學(xué)量(如形變量)轉(zhuǎn)變成電學(xué)量B將熱學(xué)量轉(zhuǎn)變成電學(xué)量C將光學(xué)量轉(zhuǎn)變成電學(xué)量D將電學(xué)量轉(zhuǎn)變成力學(xué)量答案ABC解析傳感器是將所感受到的不便于測(cè)量的物理量(如力、熱、光、聲等)轉(zhuǎn)換成便于測(cè)量的物理量(一般是電學(xué)量)的一類元件故選項(xiàng)A、B、C對(duì)，選項(xiàng)D錯(cuò)2關(guān)于干簧管，下列說法正確的是 ()A干簧管接入電路中相當(dāng)于電阻的作用B干簧管是根據(jù)熱脹冷縮的原理制成的C干簧管接入電路中相當(dāng)于開關(guān)的作用D干簧管是作為電控元件以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的答案CD解析干簧管能感知磁場(chǎng)，是因?yàn)楫?dāng)兩個(gè)簧片所處位置的磁場(chǎng)方向相同時(shí)，兩個(gè)簧片被磁化而接通，所以是做開關(guān)來使用的，當(dāng)磁場(chǎng)靠近或遠(yuǎn)離的時(shí)候，就會(huì)實(shí)現(xiàn)閉合或斷開3.如圖1所示是電容式話筒的示意圖，它是利用電容制成的傳感器，話筒的振動(dòng)膜前面有薄薄的金屬層，膜后距膜幾十微米處有一金屬板，振動(dòng)膜上的金屬層和這個(gè)金屬板構(gòu)成電容器的兩極在兩極間加一電壓U，人對(duì)著話筒說話時(shí)，振動(dòng)膜前后振動(dòng)，使電容發(fā)生變化，從而使聲音信號(hào)被話筒轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，其中導(dǎo)致電容變化的原因是電容器兩板間的 ()圖1A距離變化 B正對(duì)面積變化C電介質(zhì)變化 D電壓變化答案A解析振動(dòng)膜前后振動(dòng)，使振動(dòng)膜上的金屬層與金屬板間的距離發(fā)生變化，從而將聲音信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)題組二對(duì)熱敏電阻、金屬熱電阻的認(rèn)識(shí)及電路分析4.如圖2所示是觀察電阻R的阻值隨溫度變化情況的示意圖，現(xiàn)在把杯中的水由冷水變?yōu)闊崴?，關(guān)于歐姆表的讀數(shù)變化情況正確的是()圖2A如果R為金屬熱電阻，讀數(shù)變大，且變化非常明顯B如果R為金屬熱電阻，讀數(shù)變小，且變化不明顯C如果R為熱敏電阻(用半導(dǎo)體材料制作)，讀數(shù)變化非常明顯D如果R為熱敏電阻(用半導(dǎo)體材料制作)，讀數(shù)變化不明顯答案C解析如果R為金屬熱電阻，則讀數(shù)變大，但不會(huì)非常明顯，故A、B均錯(cuò)；如果R為熱敏電阻，讀數(shù)變化非常明顯，故C對(duì)，D錯(cuò)5如圖3所示，R1為定值電阻，R2為負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻，L為小燈泡，當(dāng)溫度降低時(shí)()圖3AR1兩端的電壓增大B電流表的示數(shù)增大C小燈泡的亮度變強(qiáng)D小燈泡的亮度變?nèi)醮鸢窩解析R2與燈泡L并聯(lián)后再與R1串聯(lián)，與電源構(gòu)成閉合電路，當(dāng)溫度降低時(shí)，熱敏電阻R2電阻值增大，外電路電阻增大，電流表讀數(shù)減小，燈泡L兩端的電壓增大，燈泡的亮度變強(qiáng)，R1兩端的電壓減小，故只有C正確題組三對(duì)光傳感器的認(rèn)識(shí)及電路分析6遙控器能調(diào)換電視機(jī)頻道，利用的是光傳感器下列屬于應(yīng)用這類傳感器的是()A紅外報(bào)警裝置B金屬電阻溫度計(jì)C電子電路中使用的“干簧管”D霍爾元件答案A解析紅外報(bào)警裝置是利用的光敏電阻制成的光傳感器，A正確；金屬電阻溫度計(jì)是利用的熱敏電阻制成的傳感器，B錯(cuò)誤；干簧管利用的熱敏電阻，C錯(cuò)誤；霍爾元件利用的是霍爾效應(yīng)，D錯(cuò)誤7街旁的路燈，江海里的航標(biāo)都要求在夜晚亮，白天熄，利用半導(dǎo)體的電學(xué)特性制成了自動(dòng)點(diǎn)亮、熄滅的裝置，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)控制，這是利用半導(dǎo)體的()A壓敏性 B光敏性C熱敏性 D三種特性都利用答案B解析燈要求夜晚亮、白天熄則白天有光，黑夜沒有光，則是由光導(dǎo)致電路的電流變化，所以電路中光傳感器導(dǎo)致電阻變化，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，因此是利用半導(dǎo)體的光敏性，故選B.8如圖4所示是利用硫化鎘制成的光敏電阻自動(dòng)計(jì)數(shù)的示意圖，其中A是發(fā)光儀器，B是光敏電阻(光照增強(qiáng)時(shí)電阻變小)，下列說法中正確的是 ()圖4A當(dāng)傳送帶上沒有物品擋住由A射向B的光信號(hào)時(shí)，光敏電阻的阻值變小，電壓表讀數(shù)變小B當(dāng)傳送帶上沒有物品擋住由A射向B的光信號(hào)時(shí)，光敏電阻的阻值變大，電壓表讀數(shù)變大C當(dāng)傳送帶上有物品擋住由A射向B的光信號(hào)時(shí)，光敏電阻的阻值變小，電壓表讀數(shù)變小D當(dāng)傳送帶上有物品擋住由A射向B的光信號(hào)時(shí)，光敏電阻的阻值變大，電壓表讀數(shù)變大答案AD解析光敏電阻的阻值與光照強(qiáng)度有關(guān)，光照強(qiáng)度越大，光敏電阻阻值越小當(dāng)傳送帶上沒有物品擋住由A射向B的光信號(hào)時(shí)，光敏電阻阻值變小，電路中電流變大，電源內(nèi)阻上的電壓變大，路端電壓變小，所以電壓表讀數(shù)變小，選項(xiàng)A正確；相反，當(dāng)傳送帶上有物品擋住由A射向B的光信號(hào)時(shí)，光敏電阻的阻值變大，電路中電流變小，電源內(nèi)阻上的電壓變小，路端電壓變大，所以電壓表讀數(shù)變大，選項(xiàng)D正確9.如圖5所示，R3是光敏電阻(光照時(shí)電阻變小)，當(dāng)開關(guān)S閉合后，在沒有光照射時(shí)，a、b兩點(diǎn)等電勢(shì)當(dāng)用光照射電阻R3時(shí)，則()圖5Aa點(diǎn)電勢(shì)高于b點(diǎn)電勢(shì)Ba點(diǎn)電勢(shì)低于b點(diǎn)電勢(shì)Ca點(diǎn)電勢(shì)等于b點(diǎn)電勢(shì)Da點(diǎn)電勢(shì)和b點(diǎn)電勢(shì)的大小無(wú)法比較答案A解析R3是光敏電阻，當(dāng)有光照射時(shí)電阻變小，R3兩端電壓減小，故a點(diǎn)電勢(shì)升高，因其他電阻的阻值不變，所以a點(diǎn)電勢(shì)高于b點(diǎn)電勢(shì)