2023-2023学年高中创新设计物理教科版选修3-2学案：第三章 2 温度传感器和光传感器

第页[目标定位]1.了解各种温度传感器的工作原理、特点和应用.2.了解各种光传感器的工作原理、特点和应用.一、温度传感器1.作用：将温度的变化转换为电学量的变化.2.常见的温度传感器(1)热双金属片温度传感器①原理：两种膨胀系数相差较大的不同金属片制成一体，温度升高时，双金属片变形，可控制电路的通断.②应用：日光灯启动器，电机、电冰箱保护等.(2)热电阻传感器①原理：用金属丝制作的感温电阻叫热电阻，当外界温度t发生变化时，其电阻值按R＝R0(1＋θt)的规律变化(θ为温度系数，R0为t＝0℃时导体的电阻).②应用：测温度、测流量等.(3)热敏电阻传感器①原理：半导体热敏电阻的阻值随温度的变化而变化，其热敏特性在上节已有探究.②应用：测量、温度控制或过热保护等.③分类：正温度系数的热敏电阻(PTC)，它的电阻随温度升高而增大.负温度系数的热敏电阻(NTC)，它的电阻随温度的升高而减小.深度思考热敏电阻是温度传感器中的重要元件，是不是所有的热敏电阻的阻值都随温度的升高而减小？答案不是.正温度系数热敏电阻(PTC)在温度升高时电阻值增大，负温度系数热敏电阻(NTC)在温度升高时电阻值减小.例1传感器在日常生活中的应用越来越广泛，温度传感器(实质是自动开关)是其中的一种．某一食品消毒柜就是利用温度传感器来自动控制电路的．常温下，该温度传感器是闭合的；当温度到达某一设定值时，传感器自动断开，从而切断整个电路．以下关于该消毒柜的几种电路图中(图中S为电源开关)，连接正确的选项是()解析A电路中，当温度升高到某一设定值时，电路会断开；B、C、D电路中，温度升高到某一设定值时，传感器会断开，但整个电路不会断开．电源开关S闭合后，消毒柜开始工作，当温度到达某一设定值时，传感器自动断开，整个电路也断开，所以A选项正确．答案A二、光传感器1.光电传感器是指将光信号转换为电信号的一类传感器，一般以光敏电阻为主要元件，因为光敏电阻电阻值随光照增强而减小，将光敏电阻连接到电路中时，光照改变就会引起电路中其他电学量的改变，从而将光信号转换为电信号.2.应用：光电式烟尘浓度计、光电式转速表.例2如图1所示为光电式烟尘浓度计的原理图，试说明其工作原理.图1解析光源1发出的光线经半透半反镜3，分成两束强度相等的光线.一路光线直接到达光电转换电路7上，产生作为被测烟尘浓度的参比信号.另一路光线经反射镜4穿过被测烟尘5到达光电转换电路6上，其中一局部光线被烟尘吸收或散射而衰减，烟尘浓度越高，光线的衰减量越大，到达光电转换电路6的光就越弱.两路光线分别转换成电压信号U1、U2，如果U1＝U2，说明被测的光路上没有烟尘，相反，如果U1、U2相差较大，说明烟尘较大，因此可用两者之比，算出被测烟尘的浓度.答案见解析例3如图2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()图2A.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照射光强度增大时，R3阻值减小，外电路总电阻随R3的减小而减小，R1两端电压因干路电流增大而增大，电压表的示数增大，同时内电压增大，故电路路端电压减小，A项正确，D项错误；由路端电压减小，R1两端电压增大知，R2两端电压必减小，那么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，那么小灯泡的功率增大，故C项正确.答案ABC解决含有热敏电阻、光敏电阻的直流电路动态分析问题：(1)明确热敏电阻、光敏电阻的电阻特性；(2)解题思路：R局eq\b\lc\{\rc\(\a\vs4\al\co1(增大,减小))→R总eq\b\lc\{\rc\(\a\vs4\al\co1(增大,减小))→I总eq\b\lc\{\rc\(\a\vs4\al\co1(减小,增大))→U端eq\b\lc\{\rc\(\a\vs4\al\co1(增大,减小))⇒eq\b\lc\{\rc\(\a\vs4\al\co1(I分的变化,U分的变化))1.(温度传感器的应用)(多项选择)如图3所示为电阻R随温度t变化的图线，以下说法中正确的选项是()图3A.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、灵敏度高答案BD2.(温度传感器的应用)图4是一火警报警器的局部电路示意图.其中R2为用负温度系数热敏材料制成的传感器，电流表为值班室的显示器，a、b之间接报警器.当传感器R2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()图4A.I变大，U变大 B.I变大，U变小C.I变小，U变大 D.I变小，U变小答案D解析R2处出现火情，温度升高，R2减小，导致R2两端电压减小，通过R3的电流减小，路端电压U减小.3.(光传感器的应用)街旁的路灯、江海里的航标都要求在夜晚亮，白天熄，它们是利用半导体的电学特性制成了自动点亮、熄灭的装置，实现了自动控制，这是利用半导体的()A.压敏性 B.光敏性C.热敏性 D.三种特性都利用答案B解析街旁的路灯和江海里的航标，都是利用了半导体的光敏性，夜晚电阻大，白天电阻小，控制了电路的通断.4.(光传感器的应用)如图5所示是会议室和宾馆房间的天花板上装有的火灾报警器的结构原理图：罩内装有发光二极管LED、光电三极管和不透明的挡板.平时光电三极管接收不到LED发出的光呈现高电阻状态，发生火灾时，以下说法正确的选项是()图5A.进入罩内的烟雾遮挡了光线，使光电三极管电阻更大，检测电路检测出变化发出警报B.发生火灾时，光电三极管温度升高，电阻变小，检测电路检测出变化发出警报C.发生火灾时，进入罩内的烟雾对光有散射作用，局部光线照到光电三极管上，电阻变小，发出警报D.以上说法均不正确答案C解析由报警器的原理可知，发生火灾时烟雾进入罩内，使光发生散射，局部光线照在三极管上使其电阻变小，与传感器相连的电路检测出这种变化，发出警报，故C对.题组一温度传感器1．(多项选择)关于电饭锅的说法正确的选项是()A．电饭锅中的温度传感器其主要元件是氧化铁B．铁氧体在常温下具有铁磁性，温度很高时失去铁磁性C．用电饭锅烧水，水开时能自动断电D．用电饭锅煮饭时，假设温控开关自动断电后，它不能自动复位答案BD解析电饭锅中的温度传感器其主要元件是铁氧体，故A错，B选项正确；因水开时温度约为100℃，达不到居里温度，故不能自动断电，那么选项C错；温控开关只能手动闭合，故D正确．2.在防治“非典〞期间，在机场、车站等交通出入口，使用了红外线热像仪，红外线热像仪通过红外线遥感，可检测出经过它时的发热病人，从而可以有效控制疫情的传播.关于红外线热像仪，以下说法正确的选项是()A.选择红外线进行检测，主要是因为红外线具有荧光效应B.红外线热像仪通过发射红外线照射人体来检测的C.红外线热像仪同时还具有杀菌作用D.一切物体都能发射红外线，而且物体在不同温度下发射的红外线的频率和强度不同答案D解析红外线热像仪是根据物体发射的红外线的频率和强度不同而工作的，故D正确.3.(多项选择)在家用电热灭蚊器中，电热局部主要元件是PTC元件，PTC元件是由钛酸钡等半导体材料制成的电阻器，其电阻率ρ随温度t的变化关系如图1所示，由于这种特性，使PTC元件具有发热、保温双重功能.以下判断正确的选项是()图1A.通电后，其电功率先增大后减小B.通电后，其电功率先减小后增大C.当其产生的热量与散发的热量相等时，温度保持在t1不变D.当其产生的热量与散发的热量相等时，温度保持在t1和t2之间的某一值不变答案AD解析当电热灭蚊器温度由0升到t1的过程中，电阻器的电阻率ρ随温度的升高而减小，其电阻R随之减小，由于加在电热灭蚊器上的电压U保持不变，电热灭蚊器的电功率P随之增大，当t＝t1时，P＝P1到达最大.当温度由t1升高到t2的过程中，ρ增大，R增大，P减小；而温度越高，其与外界环境温度的差异也就越大，高于环境温度的电热灭蚊器的散热功率P′也就越大；因此在这之间的某一温度t3会有P＝P3＝P′，即电功率P减小到等于散热功率时，即到达保温；当t<t3，P>P′，使温度自动升高到t3；当t>t3，P<P′，使温度自动降为t3，实现自动保温.应选A、D.4.小强用恒温箱进行实验时，发现恒温箱的温度持续升高，无法自动控制.经检查，恒温箱的控制器没有故障.参照图2，以下对故障判断正确的选项是()图2A.只可能是热敏电阻出现故障B.只可能是温度设定装置出现故障C.热敏电阻和温度设定装置都可能出现故障D.可能是加热器出现故障答案C解析由恒温箱原理可知，假设热敏电阻出现故障或温度设定装置出现故障都会向控制器传递错误信息，导致控制器发出错误指令，故C正确，A、B错误.假设加热器出现故障，只有一种可能，即不能加热，而题中加热器一直加热才会使温度持续升高，故D错误.题组二光传感器的应用5.(多项选择)如图3所示，用光敏电阻LDR和灯泡制成的一种简易水污染指示器，以下说法中正确的选项是()图3A.严重污染时，LDR是高电阻B.轻度污染时，LDR是高电阻C.无论污染程度如何，LDR的电阻不变，阻值大小由材料本身因素决定D.该仪器的使用会因为白天和晚上受到影响答案AD解析严重污染时，透过污水照到LDR上的光线较少，LDR电阻较大，A对，B错；LDR由半导体材料制成，受光照影响电阻会发生变化，C错；白天和晚上自然光强弱不同，或多或少会影响LDR的电阻值，D对.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；现用手掌挡住局部光线，表针的偏角为θ′，那么可判断()图4A.θ′＝θB.θ′＜θC.θ′＞θD.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，用手掌挡住局部光线，阻值变大，表针的偏转角度变小.7.如图5所示，电源两端的电压恒定，L为小灯泡，R为光敏电阻，LED为发光二极管(电流越大，发出的光越强)，且R与LED间距不变，闭合开关S后，以下说法中正确的选项是()图5A.当滑动触头P向左移动时，L消耗的功率增大B.当滑动触头P向左移动时，L消耗的功率减小C.当滑动触头P向右移动时，L消耗的功率可能不变D.无论怎样移动滑动触头P，L消耗的功率都不变答案A解析当滑动触头P向左移动时，使其电阻减小，那么流过二极管的电流增大，从而发光增强，使光敏电阻R的阻值减小，通过灯泡L的电流增大，那么L消耗的功率增大，A正确，B、D错误；当滑动触头P向右移动时，可分析出L消耗的功率变小，C错误.8.(多项选择)如图6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.此光电计数器的根本工作原理是()图6A.当有光照射R1时，信号处理系统获得高电压B.当有光照射R1时，信号处理系统获得低电压C.信号处理系统每获得一次低电压就计数一次D.信号处理系统每获得一次高电压就计数一次答案AC解析光电计数器工作原理：当有物体挡住射到光敏电阻R1的光照时，R1电阻增大，电路中电流减小，R2两端电压降低，信号处理系统得到低电压，计数器每由高电压转到低电压，就计一个数，从而到达自动计数的目的.9.如图7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，那