人教版 (2019)選擇性必修 第二冊2 常見傳感器的工作原理及應用精品ppt課件

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5.2 常見傳感器的工作原理及應用
人教版高中物理選修二
目錄
你見過自動門嗎？討論一下它的原理
新知導入
自動干手機
新知導入
自動水龍頭
新知導入
把硫化鎘涂敷在絕緣板上，在其表面再用銀漿涂敷兩個互不相連的柵狀電極。
1.光敏電阻的制作
硫化鎘
光強——電阻率小
光弱——電阻率大
光敏電阻
新知探究
2.光敏電阻的特性與原理
觀察光敏電阻特性
【實驗原理】光敏電阻的阻值會隨著光照強度的增加而不斷減小，用歐姆表連接電阻，用不同強度的光照射電阻，通過觀察歐姆表的示數(shù)變化，來研究光敏電阻與光強的關系。【實驗器材】光敏電阻、多用電表、導線、電源。
新知探究
【實驗步驟】（1)將光敏電阻、多用電表、按圖甲的方式連接好，其中多用電表置于“×100”擋；（2)先測出在室內自然光的照射下光敏電阻的阻值，并記錄數(shù)據(jù)；（3)用手掌(或黑紙)遮光時，觀察多用電表表盤指針顯示電阻阻值的情況，并記錄。（4）用強光照射（如太陽光直接照射或拿亮度較大的手電筒、小燈泡等）觀察多用電表表盤指針顯示電阻阻值的情況，并記錄。
【數(shù)據(jù)處理】根據(jù)記錄數(shù)據(jù)分析光敏電阻的特性。
新知探究
新知探究
電阻小
電阻大
光學量
→
電阻
新知探究
特性： 光敏電阻對光敏感。當改變光照強度時，電阻的大小也隨著改變。一般會隨著光照強度的增大而電阻值減小。
新知探究
空穴
自由電子
溫度提高，一些電子掙脫原子核的束縛變?yōu)樽杂呻娮印?br>為什么半導體材料對溫度更敏感？
而電子原來的位置就變?yōu)榭昭ǎ@些空穴相當于帶正電荷的粒子
一旦半導體接進電路，形成電場，自由電子沿著空穴前進，相當于正負電荷都在移動形成電流
溫度越高，掙脫的自由電子就越多，導電能力越強。
新知探究
光敏電阻工作原理：
光照增強 半導體材料中的載流子（自由電子和空穴）濃度增加 材料的電阻率減小
新知探究
你擋住電梯門時，為什么門就自動打開，松手后又自動關閉？
新知探究
一般隨著光照強度的增大電阻值_______。
減小
1.特性：光敏電阻對光敏感。當改變光照強度時，電阻的大小也隨著改變。
光照強弱
電阻
2.材料：制作光敏電阻的材料一般為 _______。如：硫化鎘
半導體
3.半導體的導電原理：半導體靠其中的________（自由電子和空穴）來導電。
載流子
4.光敏電阻能夠把_________這個光學量轉換為____這個電學量。
新知應用
3.光敏電阻的應用
——計數(shù)器
A是發(fā)光儀器
B是接收光信號的儀器
無物品、有光照、電阻小、電壓低
有物品、擋光、電阻大、電壓高
這種高低交替變化的信號經過處理，就會轉化為相應的數(shù)字，實現(xiàn)自動計數(shù)的功能。
新知探究
新知探究
【例題1】如圖所示，R1、R2為定值電阻，L為小燈泡，R3為光敏電阻，當照射光強度增大時( 　　) A.電壓表的示數(shù)增大 B.R2中電流減小 C.小燈泡的功率增大 D.電路的路端電壓增大
ABC
解析：
當光強度增大時，R3阻值減小，外電路電阻隨R3的減小而減小，干路電流增大，R1兩端電壓因干路電流增大而增大，同時內電壓增大，故電路路端電壓減小，而電壓表的示數(shù)增大，A項正確，D項錯誤；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項正確；結合干路電流增大知流過小燈泡的電流必增大，則小燈泡的功率增大，C項正確。
新知應用
光控繼電器的工作原理是:當照射光敏電阻時,(1)光敏電阻的阻值 (變大或變小)； (2) 被控電路 (填“接通”或“斷開”)。
光控設備
電源
變小
接通
課堂練習
新知應用
鉑電阻
規(guī) 律： 電阻隨溫度的升高而增大。
優(yōu)缺點： 熱敏電阻靈敏度高，但化學穩(wěn)定性較差，測量范圍較??；金屬熱電阻的化學穩(wěn)定性較好，測量范圍較大，但靈敏度較差。
新知探究
新知探究
金屬熱電阻的應用：
如圖所示，一些汽車的低油位報警裝置采用熱敏電阻來檢測油箱的警戒液位。若給熱敏電阻通以一定的電流，熱敏電阻會發(fā)熱。 當液面高于熱敏電阻的高度時，熱敏電阻發(fā)出的熱量會被液體帶走，溫度基本不變，阻值較大，指示燈不亮（圖甲）。 當液體減少、熱敏電阻露出液面時，發(fā)熱導致它的溫度上升、阻值較小，指示燈亮（圖乙）。 通過判斷熱敏電阻的阻值變化，就可以知道液面是否低于設定值。
新知探究
觀察熱敏電阻特性
將多用電表的選擇開關調到電阻擋（注意選擇適當?shù)谋堵剩?，然后仿照圖所示的方法，將一只熱敏電阻連接到多用電表表筆的兩端。分別用手和冷水改變熱敏電阻的溫度，觀察電阻的變化情況。
新知探究
實驗現(xiàn)象
熱敏電阻放溫水后，電流表讀數(shù)明顯增大，
溫度升高，熱敏電阻的阻值顯著減小。
實驗結論
新知探究
特性：熱敏電阻的阻值會隨著溫度的升高而_____，具有負溫度系數(shù)
減小
新知探究
2、金屬熱電阻和熱敏電阻
（1）金屬熱電阻：
規(guī)律：電阻隨溫度的升高而增大。
（2）熱敏電阻：
規(guī)律：電阻隨溫度的升高而減小。
溫度
→
電阻
電阻隨溫度的變化關系
新知探究
3.應用實例——低油位報警裝置
當液面高于熱敏電阻的高度時，熱敏電阻發(fā)出的熱量會被液體帶走，溫度基本不變，阻值較大，指示燈不亮。
給熱敏電阻通以一定的電流，熱敏電阻會發(fā)熱。
當液體減少、熱敏電阻露出液面時，發(fā)熱導致它的溫度上升、阻值較小，指示燈亮。
通過判斷熱敏電阻的阻值變化，就可以知道液面是否低于設定值。
液位報警示意圖
油位高→電阻大→燈不亮
油位低→電阻小→燈亮
新知探究
【例題2】關于傳感器，下列說法正確的是（　?。〢.金屬材料不可以制成傳感器B.光敏電阻和熱敏電阻都是由半導體材料制成的C.傳感器主要是通過感知電阻的變化來傳遞信號的D.以上說法都不正確
傳感器材料分半導體材料、陶瓷材料、金屬材料和有機材料，故A錯誤；光敏電阻和熱敏電阻都是由半導體材料制成的，故B正確，D錯誤；傳感器一定是通過非電學量轉換成電學量來傳遞信號的，不一定是通過感知電阻的變化來傳遞信號的，故C錯誤。
B
解析：
新知應用
（1）熱敏電阻與金屬熱電阻的阻值與溫度的變化關系是否相同？
不相同
金屬熱電阻的阻值隨溫度升高而 _____。
熱敏電阻的阻值隨溫度升高而_____。
減小
增加
熱敏電阻和金屬熱電阻
（2）熱敏電阻和金屬熱電阻各有哪些優(yōu)缺點？
熱敏電阻靈敏度高,但化學穩(wěn)定性較差,測量 ________ ；金屬熱電阻的化學穩(wěn)定性較好，測量_________，但靈敏度較差。
范圍較小
范圍較大
（3）熱敏電阻和金屬熱電阻都能將_______這個熱學量轉化為________這個電學量。
溫度
電阻
新知鞏固
新知探究
新知探究
①金屬電阻應變片
②半導體電阻應變片
1.原理與特性
拉力→L變長→S變小→電阻變大
壓力→L變短→S變大→電阻變小
金屬的電阻應變效應
當單晶半導體材料沿某一軸向受到外力作用時，其電阻率發(fā)生變化的現(xiàn)象，稱為壓阻效應。
新知探究
2.應用實例——電子秤
電子秤使用的測力裝置：力傳感器
常見的一種力傳感器：
應變式力傳感器
應變片
金屬梁
新知探究
2.應用實例——電子秤
在梁的自由端施力F，則梁發(fā)生彎曲，上表面拉伸，下表面壓縮，上表面應變片的電阻變大，下表面應變片的電阻變小。力F越大，彎曲形變越大，應變片的電阻變化就越大。
應變片是把形變這個力學量轉換為電壓這個電學量。
汽車稱重的地磅
新知探究
2.應用實例——電子秤
新知探究
新知探究
【例題3】(多選）關于電子秤中應變式力傳感器說法正確的是(　 　)A.應變片是由導體材料制成B.當應變片的上表面拉伸時，其電阻變大，反之變小C.傳感器輸出的是應變片上的電壓D.外力越大，輸出的電壓差值也越大
應變片多用半導體材料制成，上表面拉伸，下表面壓縮，上表面應變片的電阻變大，下表面應變片的電阻變小，B項正確；傳感器輸出的是應變片上、下兩表面的電壓差且隨外力增大，輸出電壓差值增大 ，原理如右圖所示，D項正確。
解析：
BD
新知應用
如圖所示，當被測物體在左、右方向發(fā)生位移時，電介質板隨之在電容器兩極板之間移動。如果測出了電容的變化，就能知道物體位置的變化。用什么方法可以檢測電容的變化？
電容式位移傳感器能把物體的位移這個力學量轉換為電容這個電學量。
新知探究
（1）改變S：測量角度θ 、液面高度h等
（2）改變d：測量壓力F
（3）改變ε：測量位移x
新知探究
【例題4】(多選)傳感器是一種采集信號的重要器件，如圖是一種測定壓力的電容式傳感器，當待測壓力F作用于可動膜片產生變形，引起電容的變化，若將電容器、靈敏電流計和電源串聯(lián)接成閉合電路，那么（ ）A．當F向上壓膜片電極時，電容將減小B．當F向上壓膜片電極時，電容將增大C．若電流計有示數(shù)，則壓力F發(fā)生變化D．若電流計有示數(shù)，則壓力F不發(fā)生變化
BC
新知應用
霍爾元件能夠把磁感應強度這個磁學量轉換為電壓這個電學量。
推導:
載流子在洛倫茲力作用下側移，兩個側面出現(xiàn)電勢差.當達到穩(wěn)定狀態(tài)時,洛侖茲力與電場力平衡.
電流的微觀表達式
新知探究
霍爾電壓：
一個霍爾元件的d、k為定值，再保持I恒定，則UH的變化就與B成正比。
磁感應強度
→
電壓
新知探究
新知探究
★霍爾傳感器應用實例:
永久磁鐵和霍爾元件
①電動車加速器位置→磁場→電壓→控制器控制車速
②霍爾無刷電動機(直流電源)位置→ → →
三個霍爾 傳感器
三個電壓
控制器控制 三個線圈 中的電流
新知探究
如圖所示，有電流I流過長方體金屬塊，金屬塊寬為d，高為b，有一磁感應強度為B的勻強磁場垂直于紙面向里，金屬塊單位體積內的自由電子數(shù)為n，問：金屬塊上、下表面哪面電勢高？電勢差是多少？
由左手定則知
上表面聚集負電荷下表面聚集正電荷
故下表面電勢高
【針對訓練】
新知應用
光 ————傳感器———電流溫度 ————傳感器———電流 力 ———— 傳感器———電流
非電學量———傳感器———電學量
好處：容易測量
位移 ————傳感器———電流磁感應強度 ————傳感器———電流
課堂小結
新知鞏固
1.下列說法中不正確的是(　　)A．話筒是一種常用的聲傳感器，其作用是將電信號轉換為聲信號B．電熨斗能夠自動控制溫度的原因是它裝有雙金屬片C．電子秤所使用的測力裝置是力傳感器D．熱敏電阻能夠把溫度這個熱學量轉換為電阻這個電學量
話筒是聲傳感器，能將聲音信號轉換成電信號，故A錯
新知鞏固
2．在防治“非典”期間，在機場、車站等交通出入口，使用了紅外線熱像儀，紅外線熱像儀通過紅外線遙感，可檢測出經過它時的發(fā)熱病人，從而可以有效控制疫情的傳播．關于紅外線熱像儀，下列說法正確的是(　　)A．選擇紅外線進行檢測，主要是因為紅外線光子能量小，可以節(jié)約能量B．紅外線熱像儀通過發(fā)射紅外線照射人體來檢測C．紅外線熱像儀同時還具有殺菌作用D．一切物體都能發(fā)射紅外線，而且物體在不同溫度下發(fā)射的紅外線的頻率和強度不同
紅外線熱像儀是根據(jù)物體發(fā)射的紅外線的頻率和強度不同而工作的
新知鞏固
3.如圖甲為在溫度為10℃左右的環(huán)境中工作的某自動恒溫箱原理簡圖，箱內的電阻R1=20 kΩ，R2=10 kΩ，R3=40 kΩ，Rt為熱敏電阻，它的電阻隨溫度變化的圖線如圖乙所示．當 a、b端電壓 Uab0時，電壓鑒別器使 S斷開，停止加熱，恒溫箱內的溫度恒定在______℃．
35
新知鞏固
4. 下列關于光傳感器應用的說法中正確的是(　　)A．火災報警器是利用煙霧對光的反射來工作的B．火災報警器中的光電三極管平時收不到LED發(fā)出的光，呈現(xiàn)高電阻狀態(tài)C．機械式鼠標器的傳感器是紅外發(fā)射管D．當鼠標器在桌面上移動時，紅外接收管收到的是斷續(xù)的紅外線脈沖
機械式鼠標器的傳感器是紅外接收器
新知鞏固
新知探究
1．溫度傳感器廣泛應用于家用電器中，它是利用金屬熱電阻的阻值隨溫度變化的特性來工作的。圖甲所示為某裝置中的傳感器工作原理圖，已知電源的電動勢E=3.0V，內電阻不計，G為靈敏電流表，其內阻Rg保持不變；R為金屬熱電阻，其阻值隨溫度的變化關系如圖乙所示。閉合開關S，當R的溫度等于20℃時，電流表示數(shù)I1=2.0mA；當電流表的示數(shù)I2=1.0mA時，金屬熱電阻的溫度是（　?。〢．40℃ B．60℃ C．80℃ D．100℃
C
新知鞏固
2．如圖是一火警報警電路的示意圖，R3為用半導體熱敏材料制成的傳感器，這種半導體熱敏材料的電阻率隨溫度的升高而減小。值班室的顯示器為電路中的電流表，電源兩極之間接一報警器。當傳感器R3所在處出現(xiàn)火情時，電流表顯示的電流I、報警器兩端的電壓U的變化情況（　?。〢．I變大，U變小B．I變小，U變小C．I變小，U變大D．I變大，U變大
B
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3．如圖，在電路中接一段鎢絲（從舊白熾燈中取出），閉合開關，燈泡正常發(fā)光，當用打火機給鎢絲加熱時燈泡亮度明顯變暗，根據(jù)鎢絲的上述特性，可用鎢絲來制作一個溫度傳感器，下面的說法中正確的是（　?。〢．該傳感器利用了鎢絲的化學性質B．該傳感器的原理是把電學量（電阻）轉換為熱學量（溫度）C．該傳感器的敏感元件是鎢絲，轉換元件是燈泡D．該傳感器利用了鎢絲電阻隨溫度變化而變化的特性
D
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4．下列關于傳感器的說法，正確的是（???????）A．金屬熱電阻是一種可以將電學量轉換為熱學量的傳感器B．傳感器不是電視遙控接收器的主要元件C．干簧管是一種能夠感知電場的傳感器D．傳感器能將非電學量按一定規(guī)律轉換成電學量或轉換為電路的通斷
D
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5．電阻應變片是一種將被測件上的形狀變化轉換成為一種電信號的敏感器件，其阻值會隨著機械形變而發(fā)生變化。如圖所示為某同學設計的利用金屬絲應變電阻來研究其阻值與拉力大小之間關系的電路，其中電壓表和電流表是理想電表，a、b兩點之間連接的是金屬絲應變電阻，把一重物懸掛在金屬絲中間。當把懸掛重物的質量減小時，下列說法正確的是（??? ??）A．電流表示數(shù)變小 B．電壓表示數(shù)變大C．電壓表與電流表示數(shù)之比變大 D．電壓表與電流表示數(shù)變化之比不變
D
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6．如圖所示是一種測定豎直加速度的裝置，A、B間的電壓U恒定，R1為定值電阻，滑塊左端與滑動變阻器R2的滑動頭連接，下端與豎直輕彈簧連接。將該裝置固定在豎直方向運動的電梯中，電梯靜止時滑動頭在變阻器的中間位置，理想電壓表示數(shù)為1.5V。下列說法正確的是（　　）A．電壓表示數(shù)為1.2V時，電梯加速度方向向上B．電壓表示數(shù)為1.8V時，電梯一定向上加速C．加速度增大時，電壓表示數(shù)一定增大D．將電壓表的表盤改成表示加速度的表盤，刻度仍均勻
D
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7．如圖所示是光電計數(shù)器的工作示意圖，其中A是發(fā)光儀器，B是傳送帶上的物品，R1為光敏電阻，R2為定值電阻，此光電計數(shù)器的基本工作原理是（　?。〢．當有光照射R1時，信號處理系統(tǒng)獲得高電壓B．當有光照射R1時，信號處理系統(tǒng)獲得低電壓C．信號處理系統(tǒng)每獲得一次低電壓就計數(shù)一次D．信號處理系統(tǒng)每獲得一次高電壓就計數(shù)一次
BD
新知鞏固
8．如圖所示是某居民小區(qū)門口利用光敏電阻設計的行人監(jiān)控裝置，R1為光敏電阻，R2為定值電阻，A、B接監(jiān)控裝置，則（　?。〢．當有人通過而遮蔽光線時，A、B之間電壓增大B．當有人通過而遮蔽光線時，A、B之間電壓減小C．當僅增大R2的阻值時，A、B之間的電壓增大D．當僅減小R2的阻值時，A、B之間的電壓增大
BC
新知鞏固
9．霍爾式位移傳感器的測量原理如圖所示，有個沿z軸方向均勻變化的勻強磁場，磁感應強度B=B0+kz（B0、k均為常數(shù)）。將霍爾元件固定在物體上，保持通過霍爾元件的電流I不變（方向如圖所示），曲物體沿z軸正方向平移時，由于位置不同，霍爾元件在y軸方向的上、下表面的電勢差U也不同。則（　?。〢．磁感應強度B越大，上、下表面的電勢差U越大B．k越大，傳感器靈敏度 越高C．若圖中霍爾元件是電子導電，則下板電勢高D．電流越大，上、下表面的電勢差U越小
AB
新知鞏固
課程結束
人教版高中物理選修二