2017-2018学年同步备课套餐之物理教科版选修3-2讲义：第3章传感器12

1传感器2温度传感器和光传感器［学习目标］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.了解热敏电阻、敏感元件的特性.3.了解几种温度传感器及光传感器的原理．知识探究新知探究点点落实一、传感器［导学探究 ］当你走进一座大楼时，大堂的自动门是如何“看到”你而自动打开的？答案人体发出的红外线被传感器接收后传给自动控制装置的电动机，实现自动开关门．［知识梳理 ］传感器的定义及结构(1)传感器通常是把被测量的非电信息，按一定规律转换成与之对应的电信息的器件或装置．(2)结构：非―息敏感元件一I处理电路］――<［即学即用 ］(多选)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

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)转换成便于测量的解析物理量(一般是电学量)的一类元件，故选项A、B、C对，D错.二、敏感元件的原理[导学探究 ]1.如图1所示，将多用电表的选择开关置于欧姆挡，再将多用电表的两支表笔与负温度系数的热敏电阻RT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，表针将如何摆动？若用吹风机将热风吹向电阻，表针将如何摆动？图1图1答案由于酒精蒸发，热敏电阻RT温度降低，电阻值增大，指针应向左偏；用吹风机将热风吹向电阻，电阻RT温度升高，电阻值减小，指针将向右偏.2．干簧管的结构如图2所示，它只是玻璃管内封入的两个软磁性材料制成的簧片，接入图3电路，当磁铁靠近干簧管时：图2INISI0 'I——图3(1)会发生什么现象，为什么？(2)干簧管的作用是什么？答案(1)灯泡会亮，因为当磁铁靠近干簧管时，两个簧片被磁化而接通．(2)干簧管起到开关的作用，是一种能够感知磁场的传感器．[知识梳理 ].热敏电阻：用半导体材料制成，它具有电阻随温度灵敏变化的特性，可以实现对温度的测量．.干簧管：是能感知磁场的敏感元件，其玻璃管内的两个铁磁体簧片在磁场的作用下会磁化

为异名磁极相对的磁铁．当磁力大于簧片的弹力时，两者紧密地接触．干簧管串联在电路中就成为一个由磁场控制的开关.[即学即用 ]判断下列说法的正误．⑴热敏电阻的阻值随温度的升高而增大.（X）⑵热敏电阻传感器可以将温度这个热学量的测量转变为电学量的测量.（J）⑶干簧管可以感知磁场，接入电路，相当于开关的作用.（J）三、温度传感器[导学探究 ]如图4所示为电熨斗的构造，其中双金属片上层金属的热膨胀系数大于下层金属．常温下，电熨斗的上、下触点应当是接触的还是分离的？当温度过高时双金属片将怎样起作用？弹性铜片乙:3—弹性铜片乙:3—调温旋钮升降螺钉>-绝缘支架电热丝电热丝双金属片

金属底板T图4答案常温时，电熨斗的上、下触点接触，这样电熨斗接通电源后能进行加热．当温度过高时双金属片膨胀，因上层的热膨胀系数较大，故上层膨胀的厉害，双金属片向下弯曲，弯曲到一定程度后，两触点分离，电路断开，电热丝停止加热；当温度降低后，双金属片恢复原状，重新接通电路加热．[知识梳理 ]1.温度传感器的作用：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=R.Q0十例）的规律变化（e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.［即学即用 ］判断下列说法的正误．⑴热敏电阻在温度升高时阻值变小.(X)⑵金属热电阻在温度升高时阻值变小.(X)⑶金属热电阻的化学稳定性好，测温范围大.(J)(4)热敏电阻用半导体材料制作，所以没有金属热电阻的灵敏度高.(X)四、光传感器［导学探究 ］如图5所示为光电式烟尘浓度计的原理图,请阅读教材,然后简述其工作原理．1.光源2.聚光透镜3.半透半反镜4.反射镜5.瞬悔尘6、7.光电转换电路a运算电路9.显示器图5答案光源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，其中一部分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．［知识梳理］.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.[即学即用 ]判断下列说法的正误．⑴光敏电阻的阻值随光线的强弱变化，光照越强电阻越小.（J）⑵有光照在光敏电阻上，电阻上的自由电子会发生定向移动.（X）⑶光敏电阻的阻值只会随人造光的强弱而变化，不能感知自然光的变化.（X）重点难点个个击破题型探究重点难点个个击破一、传感器的理解1．传感器的原理非电学量一传感器（敏感元件、转换器件、转换电路）一电学量2．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；（3）是如何显示或控制开关的．【例1】如图6是一种测定油箱油量多少或变化多少的装置.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．若将电压表分别接在b、c之间与c、d之间，当油量变化时，电压表的示数如何变化？R'图6R'图6答案见解析解析 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.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.、对光敏电阻、热敏电阻的认识及应用【例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7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（ ）图7A.电容器C的带电荷量增大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消耗的功率增大答案AB解析 当环境温度降低时，R变大，电路的总电阻变大，由I二E知I变小，又U=E-Ir,2 R总/4、电压表的读数U增大，B正确；又由P1=12R1可知，R1消耗的功率P1变小，D错误；电容器两板间的电压U2=U-U1,U1=IR1,可知U1变小，U2变大，由场强E/二U,Q=CU2可知Q、E,都增大，故A正确，C错误.【例3】（多选）如图8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8A.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答案ABC解析当入射光强度增大时，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.因路端电压减小，而R1两端电压增大，故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.技巧点拨■ 含有热敏电阻、光敏电阻电路的动态分析步骤：(1)明确热敏电阻(或光敏电阻)的阻值随温度(或光线强弱)是增大还是减小．(2)分析整个回路的电阻的增减，电流的增减．(3)分析部分电路的电压、电流如何变化．达标检测 当堂检测巩固反馈1．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.如图9所示的电路中，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，下列说法中正确的是（）图9A.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 滑动触头P左移，其电阻减小，流过二极管的电流增大，从而发光增强，使光敏电阻R减小，最终达到增大流过灯泡的电流的效果.3．（多选）如图10所示是霍尔元件的示意图，一块通电的铜板放在磁场中，板面垂直于磁场，板内通有如图所示方向的电流，a、b是铜板上、下边缘的两点，则（）图10A.电势幻＞（pbB.电势（pb＞幻C.电流增大时，\%一%增大D.其他条件不变，将铜板改为NaCl溶液时，电势结果仍然一样答案AC解析铜板中的自由电荷是电子，电子定向移动的方向与电流的方向相反，由左手定则可判断出电子因受洛伦兹力作用而向b侧偏转，所以（pa＞（pb,A对，B错；因\b-纬二居，所以电流增大时，\%-增大，C对；若将铜板改为NaCl溶液，溶液中的正、负离子均向b侧偏转，1%-bI=0，即不产生霍尔效应，故D选项错误・40分钟课时作业 强化训练拓展提升选择题（1〜6题为单选题，7〜11题为多选题）1．霍尔元件能（ ）A.把温度这个热学量转换成电阻这个电学量B.把磁感应强度这个磁学量转换成电压这个电学量C.把力这个力学量转换成电压这个电学量D.把光照强弱这个光学量转换成电阻这个电学量答案B解析 根据霍尔元件的工作原理，载流子在洛伦兹力作用下漂移，形成霍尔电压UH二吟,所以，它将磁感应强度这个磁学量转换成电压这个电学量，故B正确.2.如图1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1a点电势高于b点电势a点电势低于b点电势a点电势等于b点电势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，故A正确..如图2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( )Y振动膜金属层\金属板图2A.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，故A正确..如图3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3A.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.5．温度传感器广泛应用于室内空调、电冰箱等家用电器中，它是利用热敏电阻的阻值随温度

变化的特性来工作的.如图4甲所示，电源的电动势E=9V,内阻不计；G为灵敏电流表，g当R的温度等于20℃时，内阻Rg当R的温度等于20℃时，电流表的示数11=2mA；当电流表的示数12=3.6mA时，热敏电阻的温度是( )A．60℃B．80℃CA．60℃B．80℃C．2——L 「一——J L - JI I I厂一「一1 L_L_」I I I t=-1=-i40 80 120 160乙100℃图4D．120℃答案D解析在20℃时，E答案D解析在20℃时，E=(Rg+R1)11得Rg=500Q，在温度为t时，E=(Rg+R2)I22，代入数据得R2=2000Q，从题图乙中可以看出t=120℃,故选D.6.在输液时，药液有时会从针口流出体外，为了及时发现，设计了一种报警装置，电路如图5所示．M是贴在针口处的传感器，接触到药液时其电阻RM发生变化，导致S两端的电压U增大，装置发出警报，此时( )图5A增大，装置发出警报，此时( )图5A.RM变大，且R越大，U增大越明显B.RM变大，且R越小，U增大越明显CRM变小，且R越大，U增大越明显D.RM变小，且R越小，U增大越明显答案C解析 当R,变大时，回路的总电阻Rn变大，根据I『E，得干路中的电流减小，S两端M 总 7 总R总的电压U二I总RS减小，故选项A、B错误；当RM变小时，回路的总电阻R总变小，根据IE总二——，得干路中的电流增大，S两端的电压U=I总R增大，而且R越大，R变小时，对总R总 总S M/4、回路的总电阻变化的影响越明显，即U增大越明显，故选项C正确，选项D错误..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.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，故C、D正确，A、B错误..如图6所示为一种自动跳闸的闸刀开关，O是转轴，A是绝缘手柄，C是闸刀卡口，M、N接电源线，闸刀处于垂直纸面向里、磁感应强度B=1T的匀强磁场中，C、O间距离为10cm.当磁场力为0.2N时，闸刀开关会自动跳开.则要使闸刀开关能跳开，CO中通过的电流的大小和方向为( )图6图6A.电流方向C-O B.电流方向O-CC.电流大小为2A D.电流大小为1A答案BC解析只有当OC受到向左的安培力时，闸刀才能自动跳开，根据左手定则知电流的方向是O-C，CO所受安培力大小为F安=BIL=1XIX0.1N=0.2N，从而解得I=2A..如图7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7A.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