人教版(新教材)高中物理选择性必修2学案3：5 1-5 2认识传感器 常见传感器的工作原理及应用

人教版(新教材)高中物理选择性必修第二册PAGEPAGE15.1认识传感器5.2常见传感器的工作原理及应用学习目标：1.了解传感器的定义，感受传感器的应用技术在信息时代的作用与意义。2.知道常见传感器的作用，会分析其工作原理。知道将非电学量转化为电学量的意义。3.了解光敏电阻工作原理及作用。了解热敏电阻和金属热电阻工作原理及作用。了解电阻应变片在电子秤上的应用。了解电容在传感器中应用。〖自主预习探新知〗一、神奇的传感器1．楼道灯自动开启：这个开关会感知环境的和声音的。只有环境的亮度某一数值，同时声强某一数值时，声控—光控开关才会接通，灯才会亮。2．自动门：有的自动门装有一种装置，当人走近时，可以检测出人体向外辐射的，从而发出使自动门开关启动的命令。这种装置就是。3．便携式酒精检测仪：司机对着“便携式酒精检测仪”呼气，检测仪就会显示呼出气体中的酒精浓度，这是因为检测仪上装有“”，它能感知乙醇的。4．传感器：它能够感受诸如力、温度、光、声、化学成分等被测量，并能把它们按照一定的转换为便于传送和处理的可用信号输出。通常转换成的可用信号是、等电学量，或转换为。把非电学量转换为电学量，可以很方便地进行测量、传输、处理和控制。二、传感器的种类1．传感器的种类：、、等物理传感器。2．电化学反应原理：把无机或有机化学物质的、等转换为电信号。3．生物活性物质：利用生物活性物质选择性来识别和测定生物化学物质，如、、细胞传感器等生物传感器。三、传感器的组成与应用模式1．敏感元件：是指能直接感受或响应外界被测的部分。2．转换元件：是指能将敏感元件输出的信号直接转换成的部分。它们分别完成和两个基本功能。四、光敏电阻1．特点：光照越强，电阻。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；随着光照的，载流子增多，导电性。3．作用：把这个光学量转换为这个电学量。五、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，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，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。六、力传感器的应用——电子秤1．组成及敏感元件：由和组成，敏感元件是。2．工作原理：3．作用：应变片将物体这个力学量转换为这个电学量。〖基础自测〗1．思考判断(正确的打“√”，错误的打“×”)(1)传感器是把非电学量转换为电学量的元件。 ()(2)所有传感器的材料都是由半导体材料做成的。 ()(3)传感器可以将所有感受到的信号都转换为电学量。 ()(4)随着光照的增强，光敏电阻的电阻值逐渐增大。 ()(5)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。 ()(6)干簧管是根据热胀冷缩的原理制成的。 ()(7)电子秤所使用的测力装置是力传感器，它是把力信号转化为电压信号。 ()2．(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3．关于传感器及其作用，下列说法正确的是()A．传感器一定是把非电学量转换为电学量B．传感器一定是把非电学量转换为电路的通断C．传感器把非电学量转换为电学量是为了方便地进行测量、传输、处理和控制D．电磁感应是把磁学的量转换为电学的量，所以电磁感应也是传感器4.(多选)利用半导体材料可以制成()A．标准电阻 B．热敏电阻C．光敏电阻 D．温度报警器5．某学习小组的同学在用多用电表研究热敏特性实验中，安装好如图所示的装置。向杯内加入冷水，温度计的示数为20℃，多用电表选择适当的倍率，读出热敏电阻的阻值R1。然后向杯内加入热水，温度计的示数为60℃，发现多用电表的指针偏转角度较大，则下列说法正确的是(A．多用电表应选用电流挡，温度升高换用大量程测量B．多用电表应选用电流挡，温度升高换用小量程测量C．多用电表应选用欧姆挡，温度升高时换用倍率大的挡D．多用电表应选用欧姆挡，温度升高时换用倍率小的挡〖合作探究攻重难〗考点一、传感器的原理和分类〖情境引入〗为解决楼道里的照明问题，在楼道内安装一个传感器与控制电灯的电路连接。当楼道内有人走动而发出声响时，电灯即与电源接通而发光，这种传感器是什么传感器，它的输入、输出信号各是什么？1．传感器的核心元件(1)敏感元件：相当于人的感觉器官，直接感受被测量，并将其变换成与被测量成一定关系的易于测量的物理量，如温度、位移等。(2)转换元件：也称为传感元件，通常不直接感受被测量，而是将敏感元件输出的物理量转换成电学量输出。(3)转换电路：是将转换元件输出的电学量转换成易于测量的电学量，如电压、电流等。2．传感器的工作原理传感器感受的通常是非电学量，如压力、温度、位移、浓度、速度、酸碱度等，而它输出的通常是电学量，如电压、电流、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输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：eq\x(非电学量)→eq\x(敏感元件)→eq\x(转换器件)→eq\x(转换电路)→eq\x(电学量)3．分类工作原理举例物理传感器利用物质的物理性质和物理效应感知并检测出待测对象信息压电传感器、温度传感器、光电传感器、电感传感器、电容传感器等化学传感器利用化学反应识别和检测信息气敏传感器、湿敏传感器等生物传感器利用生物化学反应识别和检测信号酶传感器、组织传感器、细胞传感器等〖例1〗全面了解汽车的运行状态(速度、水箱温度、油量)是确保汽车安全行驶和驾驶员安全的举措之一，为模仿汽车油表原理，某同学自制一种测定油箱油量多少或变化多少的装置。如图所示，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。该同学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，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”)。〖规律方法〗传感器问题的分析思路不同类型的传感器，其工作原理一般不同，但所有的传感器都是把非电学量的变化转换为电学量的变化。因此我们可以根据电学量的变化来推测相关量的变化。〖跟进训练〗1.压敏电阻的阻值随所受压力的增大而减小，有位同学利用压敏电阻设计了判断小车运动状态的装置，其工作原理如图甲所示，将压敏电阻和一块挡板固定在绝缘小车上，中间放置一个绝缘重球。小车向右做直线运动过程中，电流表示数如图乙所示，下列判断正确的是()A．从t1到t2时间内，小车做匀速直线运动B．从t1到t2时间内，小车做匀加速直线运动C．从t2到t3时间内，小车做匀速直线运动D．从t2到t3时间内，小车做匀加速直线运动考点二、常见传感器〖情境引入〗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？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、空调、消毒碗柜等，都用到温度传感器。(2)红外传感器：自动门、家电遥控器、生命探测器、非接触红外测温仪以及防盗、防火报警器等。(3)照相机中的光传感器和家用便携式电子秤的压力传感器等。2．农业生产中的传感器(1)湿度传感器：判断农田的水分蒸发情况，自动供水或停水。(2)温度传感器和湿度传感器：可对上百个点进行温度和湿度监测。由于有了十分先进可靠的测试技术，有效地减少了霉变现象。3．工业生产中的传感器(1)生产的自动化和半自动化。用机器人、自动化小车、自动机床、各种自动生产线或者系统，代替人完成加工、装配、包装、运输、存储等工作。各种传感器使生产的自动运行保持在最佳状态，以确保产品质量，提高效率和产量，节约原材料等。(2)在数控机床中的位移测量装置，就是利用高精度位移传感器进行位移测量，从而实现对零部件的精密加工。4．飞向太空的传感器在航空、航天技术领域，传感器应用得较早，也应用得较多，在运载火箭、载人飞船中，都应用了大量的传感器供遥测和遥控系统使用。这些传感器对控制航天器的姿态、接收和发送信息、收集太空数据等都有重要作用。在载人飞船中还使用一类测量航天员各种生理状况的生理传感器，如测量血压、心电图、体温等。考点三、敏感元件的认识与使用〖情境引入〗某兴趣小组为了研究电子温控装置，将热敏电阻R1(负温度系数)、定值电阻R2以及电压表和电流表连入如图所示的电路中，热敏电阻的阻值随温度的升高而减小。(1)闭合开关S后，温度升高时，电流表的示数如何变化？(2)闭合开关S后，温度降低时，电压表的示数如何变化？1．光敏电阻的导电特性光敏电阻一般由半导体材料做成，当半导体材料受到光照时，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，于是导电性能明显增强。2．热敏电阻和金属热电阻的特点(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—温度特性曲线。(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。热敏电阻或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，但相比而言，金属热电阻的化学稳定性好，测温范围大，而热敏电阻的灵敏度较好。〖特别提醒〗按热敏电阻随温度变化的规律，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，正温度系数的热敏电阻随温度升高电阻增大，负温度系数的热敏电阻随温度升高电阻减小。〖例2〗传感器已广泛应用在生产、生活中，下列关于传感器的说法正确的是()A．火警报警器使用了压力传感器B．冰箱控温系统使用了温度传感器C．商场里的自动门使用了光传感器D．夜间自动打开的路灯使用了温度传感器〖规律方法〗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。〖跟进训练〗2．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．小灯泡的亮度变弱考点四、电容式传感器〖情境引入〗如图所示，是测定液面高低的传感器示意图，A为固定的导体芯，B为导体芯外面的一层绝缘物体，C为导电液体，把传感器接到图示电路中。已知灵敏电流计指针偏转方向与电流方向相同。如果发现指针正向左偏转，则导电液体的深度h是如何变化的？并说明电容器的电容的变化。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〖例3〗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。〖规律方法〗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。〖跟进训练〗3.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①、③正确C．只有②正确 D．只有②、④正确〖随堂达标训练〗1．(多选)电子电路中常用到一种称为“干簧管”的元件(如图所示)，它的结构很简单，只是玻璃管内封入的两个软磁性材料制成的簧片。当磁体靠近干簧管时，两个簧片被磁化而接通，所以干簧管能起到开关的作用，操纵开关的是磁场这只看不见的“手”。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．两个磁性材料制成的簧片接通的原因是被磁化后相互吸引D．干簧管接入电路中相当于开关的作用2．传感器可将非电学量转化为电学量起自动控制作用，如计算机鼠标中有位移传感器，电饭煲中有温度传感器，电视机、录像机、影碟机、空调机中有光电传感器，如图是演示位移传感器的工作原理图，物体M在导轨上平移时，带动滑动变阻器的滑动触头滑动，通过电压表显示的数据来反映物体位移的大小，假设电压表是理想的，则下列说法正确的是()A．物体M运动时，电源内的电流会发生变化B．物体M运动时，电压表的示数会发生变化C．物体M不动时，电路中没有电流D．物体M不动时，电压表没有示数3．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4．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▁▃▅▇█参*考*答*案█▇▅▃▁〖自主预习探新知〗一、神奇的传感器1．明暗强弱低于高于2．红外线红外线传感器3．乙醇传感器浓度4．规律电压电流电路的通断二、传感器的种类1．力传感器磁传感器声传感器2．成分浓度3．酶传感器微生物传感器三、传感器的组成与应用模式1．非电学量2．电信号检测转换四、光敏电阻1．越小2．不好增强变好3．光照强弱电阻五、热敏电阻和金属热电阻1．减小2．增大六、力传感器的应用——电子秤1．金属梁应变片应变片3．形变电压〖基础自测〗1．(1)√(2)×(3)×(4)×(5)×(6)×(7)√)2．ABC〖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。〗3．C〖传感器是指一种元件或装置，它能感受力、温度、光、声、磁、化学成分等非电学量，并能把它们按照一定的规律转换为电压、电流等电学量，或转换为电路的通断；其作用和目的是更方便地测量、传输、处理、控制非电学量，找出非电学量和电学量之间的对应关系。电磁感应是现象和原理，不是元件和装置，不能称为传感器。〗4.BCD〖标准电阻的电阻值几乎不随温度的变化而变化，采用合金材料制成，A错误；热敏电阻中有电阻随温度升高而降低的特点，采用半导体材料制造，B正确；光敏电阻的电阻值随着光强的增加而减小，采用半导体制造，C正确；可以采用半导体材料制造简单的温度报警器，D正确。〗5．D〖测电阻应选用欧姆挡。当温度升高时，热敏电阻受温度变化的影响，偏转角度增大，说明电阻阻值变小，所以应换用倍率小的挡。〗〖合作探究攻重难〗考点一、传感器的原理和分类〖情境引入〗〖提*示〗：它是声电传感器，输入的是声信号，输出的是电信号。〖例1〗〖〖解析〗〗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，且当R′≫R时，UR＝IR可视为UR与R成正比，所以电压表应接在b、c两点之间；当油量减少时，电压表示数将增大。〖〖答案〗〗b、c增大〖跟进训练〗1.D〖在0～t1内，I恒定，压敏电阻阻值不变，由小球的受力不变可知，小车可能做匀速或匀加速直线运动，在t1～t2内，I变大，压敏电阻阻值变小，压力变大，小车做变加速运动，A、B错误；在t2～t3内，I不变，压力恒定，小车做匀加速直线运动，C错误，D正确。〗考点二、常见传感器〖情境引入〗〖提*示〗：声控灯全名应该为——声光控灯，声控灯中有光控电路，使其在光线充足的时候不工作，所以声控灯的控制盒实际上是声、光同时控制的，在光线充足的情况下灯不会亮，起到日熄夜亮的控制作用，以节约用电。考点三、敏感元件的认识与使用〖情境引入〗〖提*示〗：(1)温度升高时，热敏电阻的阻值变小，干路的电流变大，所以电流表的示数变大。(2)温度降低，热敏电阻的阻值变大，干路中的电流变小，R2两端的电压变小，电压表的示数变小。〖例2〗B〖火警报警器使用了温度传感器，故A错误；冰箱控温系统使用了温度传感器，故B正确；一般人体都有恒定的体温，一般在37℃，所以会发出特定波长10μm左右的红外线，被动式红外探头就是靠探测人体发射的10μm左右的红外线而进行工作的。人走向门口时