新教材2023年高中物理第5章传感器2.常见传感器的工作原理及应用教师用书新人教版选择性必修第二册

2．常见传感器的工作原理及应用1．了解光敏电阻工作原理及作用。2．了解热敏电阻和金属热电阻工作原理及作用。3．了解电阻应变片在电子秤上的应用。4．了解电容在传感器中应用。知识点一光敏电阻1．特点：光照越强，电阻越小。2．原因：光敏电阻的构成物质为半导体材料，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。3．作用：把光照强弱这个光学量转换为电阻这个电学量。光敏电阻随光照强度变化电阻变化是因为光敏电阻是半导体，光照引起载流子数变化。1：思考辨析(正确的打“√”，错误的打“×”)(1)随着光照的增强，光敏电阻的电阻值逐渐增大。 ()(2)宇宙飞船使用各类传感器，智能化地感知各种信息。其中感知宇航员体温变化的是光传感器。 ()[答案](1)×(2)×知识点二热敏电阻和金属热电阻1．热敏电阻。热敏电阻由半导体材料制成，其电阻随温度的变化明显，温度升高电阻减小，如图甲所示为某一热敏电阻的电阻随温度变化的特性曲线。甲乙2．金属热电阻。有些金属的电阻率随温度的升高而增大，这样的电阻也可以制作温度传感器，称为热电阻，如图乙所示为某金属导线电阻的温度特性曲线。3．热敏电阻与金属热电阻的区别。种类热敏电阻金属热电阻特点电阻随温度的变化而变化且非常明显电阻率随温度的升高而增大制作材料半导体金属导体优点灵敏度好化学稳定性好，测温范围大作用能够将温度这个热学量转换为电阻这个电学量4．注意：在工作温度范围内，电阻值随温度上升而增加的是正温度系数(PTC)热敏电阻器；电阻值随温度上升而减小的是负温度系数(NTC)热敏电阻器。热敏电阻是由半导体材料制成的，其电阻变化比较明显。2：思考辨析(正确的打“√”，错误的打“×”)(1)热敏电阻是由金属制成的，对温度感知灵敏。 ()(2)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。 ()[答案](1)×(2)×知识点三力传感器的应用——电子秤1．组成及敏感元件：由金属梁和电阻应变片组成，敏感元件是电阻应变片。2．工作原理3．作用：电阻应变片将物体形变这个力学量转换为电阻这个电学量。力传感器不仅可以测量压力，也可以测量拉力。3：思考辨析(正确的打“√”，错误的打“×”)(1)电子秤是应用了力传感器。 ()(2)交通警察用来检测驾驶员酒精含量的检测器使用的传感器是压力传感器。 ()[答案](1)√(2)×声控灯有一种有趣的现象，那就是光线充足时，任你发出多大的声音都不亮；但在黑夜，轻轻一声它就发出亮光，这是为什么呢？这就是本节课要解决的问题。考点1电阻式传感器的应用分析1．电阻式传感器性能比较种类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，在弱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优点灵敏度好测温范围大灵敏度好灵敏度好原理温度影响电阻率无光照时，载流子极少，导电性能差；随着光照的增强，载流子增多，导电性变好R＝ρeq\f(L,S)应用空调机电饭煲照相机电子秤2．热敏电阻和金属热电阻随温度变化的特点(1)热敏电阻：用半导体材料制成，电阻值随温度变化发生明显变化的电阻。如图①所示为某热敏电阻的电阻随温度变化的特性曲线。(2)金属热电阻：有些金属的电阻率随温度的升高而增大，如图②所示，这样的电阻也可以制作温度传感器。【典例1】如图所示，R1为定值电阻，R2为负温度系数的热敏电阻(负温度系数热敏电阻是指阻值随温度的升高而减小的热敏电阻)，L为小灯泡，当温度降低时()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C[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，R1两端的电压减小，灯泡L两端的电压增大，灯泡的亮度变强，故只有C正确。]传感器问题中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。eq\o([跟进训练])1．(多选)如图为电阻R随温度T变化的图线。下列说法中正确的是()A．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对应的材料化学稳定性好、测温范围大、灵敏度高D．图线2对应的材料化学稳定性差、测温范围小、灵敏度高BD[金属热电阻的阻值随温度升高而增大，半导体材料的热敏电阻的阻值随温度升高而减小，所以A错误，B正确；图线1对应的材料化学稳定性好但灵敏度低，图线2对应的材料化学稳定性差但灵敏度高，所以C错误，D正确。]考点2电容式传感器1．电容器的电容决定于极板间的正对面积S、极板间距d、极板间的电介质这几个因素。如果某个物理量(如角度θ、位移x、深度H等)的变化引起上述某个因素的变化，从而引起电容的变化，通过电容的变化就可以确定上述物理量的变化，这种电容器称为电容式传感器。2．常见电容式传感器名称传感器原理测定角度θ的电容式传感器当动片与定片之间的角度θ发生变化时，引起极板正对面积S的变化，使电容C发生变化，知道C的变化，就可以知道θ的变化情况测定液面高度h的电容式传感器在导线芯的外面涂上一层绝缘物质，放入导电液体中，导线芯和导电液体构成电容器的两个极，导线芯外面的绝缘物质就是电介质，液面高度h发生变化时，引起正对面积发生变化，使电容C发生变化，知道C的变化，就可以知道h的变化情况测定压力F的电容式传感器待测压力F作用于可动膜片电极上的时候，膜片发生形变，使极板间距离d发生变化，引起电容C的变化，知道C的变化，就可以知道F的变化情况测定位移x的电容式传感器随着电介质进入极板间的长度发生变化，电容C发生变化，知道C的变化，就可以知道x的变化情况【典例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思路点拨：根据电容的公式C＝eq\f(εrS,4πkd)和C＝eq\f(Q,U)，按以下思路进行分析。A[压力F作用时，极板间距d变小，由C＝eq\f(εrS,4πkd)，电容器电容C变大，又根据Q＝CU，极板所带电荷量变大，所以电容器应充电，灵敏电流计中产生由正接线柱流入的电流，所以指针将右偏。F不变时，极板保持固定后，充电结束，指针回到零刻度。故选A。]电容式传感器是一种多功能传感器，可把压力、转角、位移、压强、声音等非电学量转换为电容这一电学量，分析原理时，关键要搞清是哪个非电学量转换为电容，然后结合电容的决定式来分析。eq\o([跟进训练])2．传感器是将能感受的物理量(如力、热、光、声等)转换成便于测量的量(一般是电学量)的一类元件，在自动控制中有相当广泛的应用，如图所示的装置是一种测定液面高度的电容式传感器。金属芯线与导电液体构成一个电容器，从电容C大小的变化情况就能反映出液面高度h的高低情况，则两者的关系是()①C增大表示h增大②C增大表示h减小③C减小表示h减小④C减小表示h增大A．只有①正确 B．只有①③正确C．只有②正确 D．只有②④正确B[液面高度的变化，相当于电容器极板正对面积的变化。当h增大时，相当于正对面积增大，则电容应增大；当h减小时，相当于正对面积减小，电容C应减小，B正确。]1．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．NTC热敏电阻 D．PTC热敏电阻C[金属导体电阻值一般随温度升高而增大，光敏电阻电阻值是随光照强度的增大而减小，PTC热敏电阻的阻值随温度的升高而增大，只有NTC热敏电阻的阻值随温度的升高而减小，C正确，A、B、D错误。]2．关于光敏电阻和热敏电阻，下列说法中正确的是()A．光敏电阻是用半导体材料制成的，其阻值随光照增强而减小，随光照的减弱而增大B．光敏电阻是能把光照强度这个光学量转换为电流这个电学量的传感器C．热敏电阻是用金属铂制成的，它对温度感知很灵敏D．热敏电阻是把热量这个热学量转换为电阻这个电学量的传感器A[光敏电阻是把光强转换为电阻的元件；热敏电阻是把温度转换为电阻的元件，故B、D错误；热敏电阻和光敏电阻都是半导体材料制成的，半导体具有光敏性和热敏性，金属铂与热敏电阻的阻值随温度的变化趋势相反，故C错误。]3．如图所示，电容式触摸屏的构造主要是在玻璃屏幕上镀一层透明的薄膜导体层，再在导体层外加上一块保护玻璃，电容式触摸屏在触摸屏四边均镀上狭长的电极，在导体层内形成一个低电压交流电场。在触摸屏幕时，由于人体是导体，手指与内部导体层间会形成一个特殊电容(耦合电容)，四边电极发出的电流会流向触点，而电流强弱与手指到电极的距离成正比，位于触摸屏后的控制器便会计算电流的比例及强弱，准确算出触摸点的位置。由以上信息可知()A．电容式触摸屏的两极板分别是导体层和手指B．当用手触摸屏幕时，手指与屏的接触面积越大，电容不变C．当用手触摸屏幕时，手指与屏的接触面积越大，电容越小D．如果用戴了手套的手触摸屏幕，照样能引起触摸屏动作A[电容触摸屏在原理上把人体当作一个电容器元件的一个极板，把导体层当作另一个极板，故A正确；手指与屏的接触面积越大，即两个极板的正对面积越大，故电容越大，B、C错误；如果戴了手套或手持不导电的物体触摸时没有反应，这是因为手与导体层距离较大，不能引起导体层电场的变化，D错误。]4．(新题型新素养)有一种测量压力的电子秤，其原理如图所示。E是内阻不计、电动势为6V的电源。R0是一个阻值为300Ω的限流电阻。G是由理想电流表改装成的指针式测力显示器。R是一个压敏电阻，其阻值可随压力大小的变化而改变，两者关系如表所示。C是一个用来保护显示器的电容器。秤台的重力忽略不计。压力F/N050100150200250300…电阻R/Ω300280260240220200180…问题：(1)利用表中的数据，写出电阻R随压力F变化的数学关系式；(2)若电容器的耐压值为5V，该电子秤的最大称量值为多少？(3)如果把电流表中电流的刻度变换成压力刻度，则该测力显示器的刻度是否均匀？解析：(1)由表中数据可知k＝eq\f(ΔR,ΔF)＝eq\f(－120,300)Ω/N＝－0.4Ω/N所以电阻R随压力F变化的数学关系式为R＝300－0.4F(Ω)。(2)R上受到的压力越大，R的阻值越小，电容器两极板间电压越大，由题意知，电容器两极板间电压不能超过5V，所以eq\f(5,R0)＝eq\f(6,R＋R0)，解