2022年秋新教材高中物理第五章传感器第一二节传感器及其工作原理传感器的应用课件粤教版选择性必修第二册

第五章

传感器第一、二节传感器及其工作原理传感器的应用核心素养点击

物理观念(1)感受传感器，知道传感器是把非电学量转换成电学量的器件或装置。(2)了解光敏电组、金属热电组、热敏电阻和电阻应变片等材料的物理特性，知道利用其特性可以制作传感器的敏感元件。(3)了解生活中、农业生产中、工业生产中、航天航空中的传感器。科学思维(1)体会传感器将非电学量转化为电学量的物理意义。(2)通过对传感器原理和应用的了解，体会传感器在实际应用中的价值。科学探究探究传感器的工作原理及传感器在实际应用中的一般模式。科学态度与责任体会传感器在某些方面可以代替甚至超过人类对自然的感知，能够改变人类的生产生活方式。续表一、传感器及其分类1．填一填(1)传感器：能够感受到被测量的信息，并将其按照一定的规律转化为可用信号的器件或装置。(2)传感器组成：一般由

元件、转换元件和转换电路三部分组成。如图所示：敏感(3)传感器的分类

①物理传感器：利用被测物理量(如压力、温度、位移、亮度等)变化时，敏感元件的

量(如电阻、电压、电容等)发生明显变化的特性制成的传感器，如压电传感器、光电传感器、加速度传感器、温度传感器等。

②化学传感器：基于化学反应的原理，将化学物质的成分、

等化学信息转化为电学量的传感器，如半导体气体传感器、湿敏传感器、离子传感器等。

③生物传感器：基于酶、抗体和

等分子识别功能，并将其转换为电信号进行检测的传感器，如酶传感器、细胞传感器、免疫传感器等。电学浓度激素2．判一判(1)传感器是把非电学量转换为电学量的元件。

()(2)传感器只能感受温度和光两个物理量。

()(3)传感器能够将非电学量转化为电学量，其核心部件是敏感元件。

()3．想一想如图是交警正在用酒精检测仪测量司机呼出气体的酒精浓度。

为什么传感器一般都是将感受到的非电学量转换成电学量呢？

提示：电学量具有易测量，易控制，测量精度和速度较高，

易放大、反馈、存储和可远距离传输等特点。特别是电信号能方便地与计算机连接而进行信息处理，所以传感器一般都是将感受到的非电学量转换成电学量。√×√二、温度传感器和光电传感器的原理1．填一填(1)温度传感器的原理

①温度传感器：将

变化转换为电学量变化的装置。

②温度传感器中的敏感元件：

电阻、热电偶、热双金属片等。

③热敏电阻的分类： a．正温度系数热敏电阻：阻值随温度的上升而

。 b．负温度系数热敏电阻：阻值随温度的上升而

。 c．临界温度系数热敏电阻：阻值在很小的温度范围内急剧

。温度热敏增加下降下降(2)光电传感器的原理

①光电传感器：能够感受光信号，并按照一定规律把光信号转化成电信号的传感器。

②光敏电阻：是光电传感器的敏感元件，其电阻随光照的增强而

。

③光电传感器中的敏感元件：光敏电阻、光电池、光敏

等。2．判一判(1)光敏电阻随着光照的增强，导电性变好。

()(2)热敏电阻能够把热学量转换为电学量。

()(3)只有热敏电阻才能把温度这个热学量转换为电阻这个电学量。

()减小晶体管√×√3．选一选有一电学元件，温度升高时其电阻减小，这种元件可能是

(

)A．金属导体 B．光敏电阻C．热敏电阻 D．霍尔元件解析：金属导体电阻一般随温度升高而增大，光敏阻是随光照强度的增大而减小，正温度系数热敏电阻的阻值随温度的升高而增大，负温度系数热敏电阻的阻值随温度的升高而减小，霍尔元件随磁感应强度的增大其两端的电压增大，故C正确，A、B、D错误。答案：C

三、传感器的应用1．填一填(1)生活中的传感器

①与温度控制相关的家用电器：电饭煲、电冰箱、微波炉、

、消毒碗柜等。

②与红外线传感器相关的应用：自动门、家电

、非接触红外测温仪以及防盗、防火报警器等。

③与光敏传感器相关的应用：照相机。

④与压力传感器相关的应用：家用便携式电子秤。空调机遥控器(2)农业生产中的传感器

①湿度传感器的应用：无人管理的自动喷灌系统。

②温度传感器的应用：自动

的蔬菜大棚。

③现代粮库采用温度传感器和湿度传感器，通过通风装置进行自动控制，有效地减少粮库里的霉变。(3)工业生产中的传感器

①汽车生产线上的焊接机器人是

传感器、力学传感器、温度传感器、电弧传感器等的联合应用。

②埋入式

传感器安置在大桥或水坝中，可以实时监测大桥或水坝的裂痕等安全隐患。控温视觉光纤(4)航天航空中的传感器

①运载火箭上应用的压力传感器。

②哈勃空间望远镜上应用的高精度光学传感器。

③载人飞船中应用的

传感器。2．判一判(1)酒店自动门应用了红外线传感器。

()(2)电冰箱用于控制压缩机工作的温控系统中用到了温度传感器。

()(3)汽车自动化生产线上用于焊接的机器人只利用了力学传感器。

()生理√×√3．选一选类人型机器人装有作为眼睛的“传感器”、犹如大脑的“控制器”以及可以行走的“执行器”，在它碰到障碍物前会自动避让，并及时转弯。下列有关该机器人“眼睛”的说法正确的是

(

)A．是力传感器 B．是光传感器C．是温度传感器 D．是声音传感器解析：碰到障碍物前会自动避让，说明它是光传感器，B正确，A、C、D错误。答案：B

探究(一)传感器的工作原理[问题驱动]CPU温度是由CPU内置的温度传感器侦测到温度之后传达给BIOS显示出来，由BIOS依据温度高低来决定散热风扇的转速。(1)CPU温度传感器的作用是什么？主要由什么元件组成？(2)CPU温度传感器的存在对电脑有什么意义？提示：(1)将非电学量温度转化为电学量输出给BIOS，主要由敏感元件和转换元件组成。(2)及时将CPU温度传递给电脑，防止因CPU温度过高而出现死机现象。【重难释解】传感器感受的通常是非电学量，如压力、温度、位移、浓度、酸碱度等，而它输出的通常是电学量，如电压值、电流值、电荷量等，这些输出信号是非常微弱的，通常要经过放大后，再送给控制系统产生各种控制动作。传感器的工作原理如下所示。

典例1某电容式话筒的原理示意图如图所示，E为电源，R为电阻，薄片P和Q为两金属极板。对着话筒说话时，P振动而Q可视为不动，在P向左运动的过程中

(

)A．P、Q构成的电容器的电容增大B．P上电荷量保持不变C．M点的电势比N点的低D．M点的电势比N点的高分析传感器时要明确的问题(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。【素养训练】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2．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做成的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．以上说法都不正确解析：大多数传感器是由半导体材料做成的，某些金属也可以做传感器，如金属热电阻。传感器将非电学信号转换为电学信号，因此传感器感知的应该是“非电学信号”。故只有B正确。答案：B

3．(多选)关于传感器，下列说法正确的是

(

)A．麦克风工作时，将感受到的声音信号转化成电信号B．电子秤工作时，将感受到的压力信号转化为电信号C．烟雾传感器工作时，将感受到的烟雾浓度信号转化为电信号，实现自动报警D．声控灯工作时，将感受到的声音信号转化为电能给灯泡供电解析：传感器是一种信号转换器，通常将感受到的外界信息按照一定的规律转换成可用输出信号，麦克风工作时将声音信号转化为电信号，电子秤工作时将受到的物体的压力大小的信息转化为电信号，烟雾传感器工作时将感受到的环境中的烟雾浓度信号转化为电信号，实现自动报警，选项A、B、C正确；声控灯工作时利用声控开关控制电路的通断，将声音信号转化为电信号，并不是给灯泡供电，选项D错误。答案：ABC

探究(二)电阻式传感器的应用分析[问题驱动]如图是应变片的原理及力学传感器的应用的图片。(1)电子秤的敏感元件是什么？(2)电阻应变片是怎样把非电学量转化为电学量的？提示：(1)电阻应变片。(2)当电阻应变片长度和横截面积发生变化时，由电阻定律可知电阻发生变化。【重难释解】1．电阻式传感器性能比较

热敏电阻金属热电阻光敏电阻电阻应变片特点正温度系数的热敏电阻，随温度升高电阻变大；负温度系数的热敏电阻，随温度升高电阻减小电阻率随温度的升高而增加在强光下电阻小，在暗光下电阻大受到拉力时，电阻变大；受到压力时，电阻变小敏感材料半导体金属把硫化镉涂敷在绝缘板上，其表面镀银金属材料续表典例2温度传感器广泛应用于室内空调、电冰箱和微波炉等家电产品中，它是利用热敏电阻的阻值随温度的变化而变化的特性工作的。如图甲中，电源的电动势E＝9.0V，内电阻可忽略不计；G为灵敏电流表，内阻Rg保持不变；R为热敏电阻，其电阻值与温度的变化关系如图乙所示的R­t图线，闭合开关，当R的温度等于120℃时，电流表示数I1＝3mA，求：(1)电流表G的内阻Rg。(2)当电流表的示数I2＝1.8mA时，热敏电阻R的温度。含传感器的电路动态分析的四点注意(1)如果涉及光敏电阻，必须明确光照情况怎样变化，从而判断出其阻值的变化。(2)如果涉及热敏电阻，必须明确是正温度系数还是负温度系数的热敏电阻及温度变化情况，从而判断其阻值的变化。(3)如果是其他元件引起的电路变化可具体问题具体分析。(4)结合电路结构特点及局部阻值的变化，根据闭合电路的欧姆定律等规律分析有关物理量的变化。【素养训练】1.(多选)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的一定是热敏电阻B．置入热水中与不置入热水中相比，欧姆表示数不变化的一定是定值电阻C．用黑纸包住与不用黑纸包住相比，欧姆表示数变化较大的一定是光敏电阻D．用黑纸包住与不用黑纸包住相比，欧姆表示数相同的一定是定值电阻解析：热敏电阻的阻值随温度的变化而变化，定值电阻和光敏电阻的阻值不随温度发生变化，故A正确，B错误；光敏电阻的阻值随光照的变化而变化，而定值电阻和热敏电阻的阻值不随光照的变化而变化，故C正确，D错误。答案：AC

2．(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的带电荷量增加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3．如图是某同学在科技制作活动中自制的电子秤原理图，利用电压表(内电阻很大)的示数来指示物体的质量。托盘与电阻可忽略的弹簧相连，托盘与弹簧的质量均不计。滑动变阻器的滑动端与弹簧上端连接，当托盘中没有放物体时，电压表的示数为零。设变阻器的总电阻为R，总长度为L，电源电动势为E，内阻为r，限流电阻为R0，弹簧的劲度系数为k，若不计一切摩擦和其他阻力。(1)求出电压表示数Ux与所称物体质量m的关系式。(2)由(1)的计算结果可知，电压表示数与待测物体质量不成正比，不便于制作刻度。为使电压表示数与待测物体质量成正比，请利用原有器材进行改进，在如图的基础上完成改进后的电路原理图，并求出电压表示数Ux与待测物体质量m的关系式。探究(三)传感器的应用[问题驱动]家用汽车已经配备自动大灯，可以自动控制灯光的开启和关闭，比如你白天突然进入隧道或者清晨傍晚光线不好时，大灯自动打开照亮前路，使行车更安全。请问是如何实现的？提示：用光控开关控制大灯开启，光敏元件收集到光照强度较弱时，开关打开，大灯亮起。

【重难释解】1．传感器的应用步骤

物理传感器是将所感受的物理量(如力、热、光等)转换为便于测量的电学量的器件。我们可以把传感器的应用过程分为三个步骤：(1)信息采集。(2)信息加工、放大、传输。(3)利用所获得的信息执行某种操作。2．分析传感器问题要注意三点(1)感受量分析：要明确传感器所感受的物理量，如力、热、光、磁、声等。(2)输出信号分析：明确传感器的敏感元件，分析它的输入信号及输出信号，以及输入信号与输出信号间的变化规律。(3)电路结构分析：认真分析传感器所在的电路结构，在熟悉常用电子元件工作特点的基础上，分析电路输出信号与输入信号间的规律。霍尔电势高低的判断方法(1)由左手定则判断带电粒子的受力方向，如果带电粒子是正电荷，则拇指所指的面为高电势面；如果是负电荷，则拇指所指的面为低电势面，但无论是正电荷还是负电荷，四指指的都是电流方向，即正电荷定向移动的方向，负电荷定向移动的反方向。(2)在判断电势高低时一定要注意载流子是正电荷还是负电荷。【素养训练】1. 如图所示，截面为矩形的金属导体，放在匀强磁场中，当导

体中通有电流时，导体的上下表面的电势有什么关系

(

)A．φM>φN

B．φM＝φNC．φM<φN D．无法判断解析：霍尔效应形成的原因是带电粒子在磁场中受到洛伦兹力的作用，做定向移动形成的，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N板运动，则M板剩下正电荷，所以φM＞φN。答案：A

2．

如图所示为测定压力的电容式传感器，将平行板电容器、灵敏电流表(零刻度在中间)和电源串联成闭合回路，当压力F作用于可动膜片电极上时，膜片发生形变，引起电容的变化，导致灵敏电流表指针偏转。在对膜片开始施加压力使膜片电极从图中的虚线推到图中实线位置并保持固定的过程中，灵敏电流表指针偏转情况为(电流从电流表正接线柱流入时指针向右偏) (

)A．向右偏到某一刻度后回到零刻度B．向左偏到某一刻度后回到零刻度C．向右偏到某一刻度后不动D．向左偏到某一刻度后不动一、培养创新意识和创新思维1．用光敏电阻制成的光敏传感器有许多用处。例如，一种简易的监测水中悬浮颗粒污染程度的监测器就利用了光敏电阻的特点(图1)。被污染的水中常含有悬浮的颗粒，它们会影响光的通过。当光穿过水照到光敏电阻上时，到达光敏电阻的光量与水的污染程度有关(图2)。当水污染严重时，光敏电阻受光量很小，电阻很大，指示灯不亮；当水污染不严重时，光敏电阻的受光量大，电阻小，指示灯变亮。(1)严重污染时，光敏电阻是高电阻还是低电阻？(2)该监测器的使用受白天和晚上的影响吗？提示：(1)高电阻。(2)因自然光强弱不同，或多或少对光敏电阻的阻值产生影响。二、注重学以致用和思维建模2. (多选)某同学发现他居住的楼房中，楼梯上的过道灯

在夜晚天黑时，用力拍掌灯就亮了；而白天无论怎样

用力拍掌，灯都不能亮。后来老师告诉他：过道灯是

由声音传感器和光传感器同时来控制的，其原理图如图所示，