云南省德宏州梁河县第一中学高中物理61传感器及其工作原理学案新人教版选修32.docx
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云南省德宏州梁河县第一中学高中物理61传感器及其工作原理学案新人教版选修32
学案1 传感器及其工作原理
[学习目标定位] 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．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．
2．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
作用：
把温度这个热学量转换为电阻这个电学量．
四、霍尔元件
作用：
把磁感应强度这个磁学量转换为电压这个电学量.
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？
答案 盒子里用到了干簧管．把干簧管串入电路，当磁铁靠近干簧管时，两个簧片被磁化而接通，所以干簧管能起到开关的作用．
[要点提炼]
1．干簧管结构：
如图2所示，它只是
图2
玻璃管内封入的两个软磁性材料制成的簧片．
作用：
在电路中起到开关的作用，它是一种能够感知磁场的传感器．
2．传感器的原理：
3．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
答案 当光被产品挡住时，R1电阻增大，电路中电流减小，R2两端电压减小，信号处理系统得到低电压，每通过一个产品就获得一次低电压，并计数一次．
[要点提炼]
1．光敏电阻是用半导体材料（如硫化镉）制成的．
特点：
光照越强，电阻越小．
2．当半导体材料受到光照或者温度升高时，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，于是导电能力
明
显增强．
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RT（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RT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
答案 由于酒精蒸发，热敏电阻RT温度降低，电阻值增大，指针将
向左偏；用吹风机将热风吹向热敏电阻，热敏电阻RT温度升高，电阻值减小，指针将向右偏．
[要点提炼]
1．热敏电阻：
用半导体材料制成．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增大．
（2）负温度系数的热敏电阻（如氧化锰热敏电阻）随温度升高电阻减小．
2．金属热电阻：
金属的电阻率随温度升高而增大，利用这一特性，金属丝也可以制作成温度传感器，称为热电阻．
3．热敏电阻和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．金属热电阻的化学稳定性好，测温范围大，但灵敏度较差．
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漂移，使M、N间出现了电压，称为霍尔电压UH.试推导其表达式．
图5
答案 设薄片厚度为d，EF方向长度为l1，MN方向长度为l2，薄片中的载流子受到洛伦兹力发生偏转，使半导体内部出现电场，载流子同时受到电场力和洛伦兹力的作用，当洛伦兹力与电场力平衡时，M、N间电势差达到稳定．
即q
＝qvB
再根据电流的微观表达式I＝nqvS，S＝l2d
整理得：
U＝
令k＝
，其中n为材料单位体积的载流子的个数，q为单个载流子的电荷量，它们均为常数．
则有U＝k
.
[要点提炼]
1．霍尔元件在电流、电压稳定时，载流子所受电场力和洛伦兹力二力平衡．
2．霍尔电压UH＝k
（d为薄片的厚度，k为霍尔系数）．
其中UH与B成正比，所以霍尔元件能把磁学量转换成电学量．
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．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．
（1）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”）．
（2）将电压表分别接在b、c之间与c、d之间，当油量变化时，电压表的示数变化有何不同？
解析
（1）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．当油量减少时，R的数值会增大，电路中的电流会减小，c、d间的电压会减小．当把电压表接在c、d两点间，电压表示数减小时，表示油量在减少．
（2）①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．
②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
（1）c、d 减小
（2）见解析
二、对光敏电阻、热敏电阻的认识及应用
例2
如图7所示，R1、R2为定值电阻，L为小灯泡，R3为光敏电阻，当
入射光强度增大时（ ）
图7
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
解析 当光强度增大时，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，从而电压表的示数增大，同时内电压增大，故电路的路端电压减小，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，故小灯泡的功率增大，C项正确．
答案 ABC
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UH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8
A．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，UH将发生变化
解析 将永磁体的磁极逐渐靠近霍尔元件的工作面时，B增大，I恒定，由公式UH＝
知UH将变大，选项A正确；地球两极的磁场方向在竖直方向上，所以霍尔元件的工作面应保持水平，使B与工作面垂直，选项B正确；地球赤道上的磁场沿水平方向，只有霍尔元件的工作面在竖直方向且垂直于南北时，B才与工作面垂直，选项C错误；改变磁感线与霍尔元件工作面的夹角，B在垂直工作面方向上的大小发生变化，UH将发生变化，选项D正确．
答案 ABD
传感器及其工作原理
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
答案 B
解析 大多数传感器是由半导体材料制成的，某些金属也可以制成传感器，如金属热电阻，故A错，B对；传感器将非电学量转换为电学量，因此传感器感知的应该是“非
电信号”，故C错；水银温度计能感受热学量，但不能把热学量转化为电学量，因此不是传感器，故D错．
2．（对光敏电阻、热敏电阻的认识及电路分析）如图11所示电路中，电源电动势为E，内阻为r，RT为负温度系数热敏电阻，RG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11
A．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
答案 AC
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
答案 ABC
解析 传感器是将所感受到的不便于测量的物理量（如力、热、光、声等）转换成便于测量的物理量（一般是电学量）的一类元件．故选项A、B、C对，选项D错．
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
答案 CD
解析 干簧管能感知磁场，是因为当两个簧片所处位置的磁场方向相同时，两个簧片被磁化而接通，所以是做开关来使用的，当磁场靠近或远离的时候，就会实现闭合或断开．
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1
A．距离变化B．正对面积变化
C．电介质变化D．电压变化
答案 A
解析 振动膜前后振动，使振动膜上的金属层与金属板间的距离发生变化，从而将声音信号转化为电信号．
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2
A．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
答案 AD
解析 光敏电阻的阻值与光照强度有关，光照强度越大，光敏电阻阻值越小．当传送带上没有物品挡住由A射向B的光信号时，光敏电阻阻值变小，电路中电流变大，电源内阻上的电压变大，路端电压变小，所以电压表读数变小，选项A正确；相反，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，电路中电流变小，电源内阻上的电压变小，路端电压变大，所以电压表读数变大，选项D正确．
5.如图3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3
A．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
答案 A
解析 R3是光敏电阻，当有光照射时电阻变小，R3两端电压减小，故a点电势升高，因其他电阻的阻值不变，所以a点电势高于b点电势．
6.如图4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4
A．θ′＝θ
B．θ′<θ
C．θ′>θ
D．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．
题组三 对热敏电阻、金属热电阻的认识及电路分析
7.如图5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5
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
答案 C
解析 如果R为金属热电阻，则读数变大，但不会非常明显，故A、B均错；如果R为热敏电阻，读数变化非常明显，故C对，D错．
8．如图6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6
A．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并联后再与R1串联，与电源构成闭合电路，当温度降低时，热敏电阻R2电阻值增大，外电路电阻增大，电流表读数减小，灯泡L两端的电压增大，灯泡的亮度变强，R1两端的电压减小，故只有C正确．
题组四 对霍尔元件（效应）的认识及应用
9．如图7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7
A．UM>UN
B．UM＝UN
C．UMD．无法判断
答案 A
解析 霍尔效应形成的原因是带电粒子在磁场中受到洛伦兹力作用定向移动形成的，根据左手定则，金属导体中自由电子受到向下的洛伦兹力作用，向导体的下表面N运动，则导体的上表面M剩下正电荷，所以UM>UN.故选A.
10.电磁流量计广泛应用于测量可导电流体（如污水）在管中的流量（即单位时间内通过管内横截面的流体的体积）．为了简化，假设流量计是如图8所示的横截面为长方形的一段管道，中空部分的长、宽、高分别为图中的a、b、c.流量计的两端与输送流体的管道相连（图中虚线）．图中流量计的上、下两面是金属材料，前、后两面是绝缘材料．现于流量计所在处加磁感应强度为B的匀强磁场，磁场方向垂直于前、后两面．当导电流体稳定地流经流量计时，在管外将流量计上、下两表面分别与一串接了电阻R的电流表的两端连接，I表示测得的电流值．已知流体的电阻率为ρ，不计电流表的内阻，则可求得流量为（ ）
图8
A.
（bR＋ρ
）B.
（aR＋ρ
）
C.
（cR＋ρ
）D.
（R＋ρ
）
答案 A
解析 如图甲，导电流体在管中流量
Q＝
＝v·b·
c
①
导电流体流经流量计时，在其上、下两表面产生的电动势E＝B·c·v②
等效电路如图乙，E＝I·（R＋ρ
）③
由①②③可得Q＝
（bR＋ρ
），A正确．
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