2020高中物理6.1 传感器及其工作原理

2020高中物理6.1 传感器及其工作原理

‎6.1 传感器及其工作原理 学案（人教版选修3-2） ‎ ‎1．传感器是能够把易感受的力、温度、光、声、化学成分等__________按照一定的规律转换为容易进行测量，传输处理和控制的电压、电流等____________、或转换为电路的______的一类元件．‎ ‎2．光敏电阻的特性：____________________________，光敏电阻能够把______________这个光学量转换为______这个电学量．‎ ‎3．金属热电阻的电阻率随温度的升高而______，热敏电阻的电阻率随温度的升高而______，金属热电阻和热敏电阻都可以制作______传感器．与热敏电阻相比，金属热电阻的______________，测温范围________，但________较差．‎ ‎4．如图1所示，E、F间通入恒定电流I，同时外加与薄片垂直的磁场B，则M、N间出现霍尔电压UH，UH＝______________.式中______为薄片的厚度，______为霍尔系数，它的大小与薄片的材料有关．‎ 图1‎ ‎5．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．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 ‎6．霍尔元件能转换哪个物理量( )‎ 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 ‎【概念规律练】‎ 知识点一 光敏电阻 ‎1．如图2所示，将多用电表的选择开关置于欧姆挡，再将电表的两支表笔分别与光敏电阻RG的两端相连，这时表针恰好指在刻度盘的中央．若用不透光的黑纸将RG包裹起来，表针将向________(填“左”或“右”)转动；若用手电筒的光照射RG，表针将向________(填“左”或“右”)转动．‎ 图2‎ ‎2．如图3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．此光电计数器的基本工作原理是什么？‎ 图3‎ 知识点二 热敏电阻和金属热电阻 ‎3．如图4所示，R1为定值电阻，R2‎ 为负温度系数的热敏电阻，L为小灯泡，当温度降低时( )‎ 图4‎ 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 ‎4．如图5所示为电阻R随温度T变化的图线，下列说法中正确的是( )‎ 图5‎ 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 知识点三 霍尔元件 ‎5．如图6所示，有电流I流过长方体金属块，金属块宽为d，高为b，有一磁感应强度为B的匀强磁场垂直于纸面向里，金属块单位体积内的自由电子数为n，问：金属块上、下表面哪面电势高？电势差是多少？‎ 图6‎ ‎6．图7是霍尔元件的工作原理示意图，如果用d表示薄片的厚度，k为霍尔系数，对于一个霍尔元件d、k为定值，如果保持I恒定，则可以验证UH随B的变化情况．以下说法中正确的是(工作面是指较大的平面)( )‎ 图7‎ A．将永磁体的一个磁极逐渐靠近霍尔元件的工作面，UH将变大 B．在测定地球两极的磁场强弱时，霍尔元件的工作面应保持水平 C．在测定地球赤道上的磁场强弱时，霍尔元件的工作面应保持水平 D．改变磁感线与霍尔元件工作面的夹角，UH将发生变化 ‎【方法技巧练】‎ 含传感器的电路的分析技巧 ‎7．如图8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8‎ A．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 ‎8．如图9所示是一火警报警装置的部分电路示意图，其中R2‎ 是半导体热敏传感器，它的电阻随温度升高而减小，a、b接报警器．当传感器R2所在处出现火情时，电流表的电流I和a、b两端两压U与出现火情前相比( )‎ 图9‎ A．I变大，U变大 B．I变小，U变小 C．I变小，U变大 D．I变大，U变小 参考答案 课前预习练 ‎1．非电学量 电学量 通断 ‎2．随着光照的增强，载流子增多，导电性能变好 光照强弱 电阻 ‎3．增大 减小 温度 化学稳定性好 大 灵敏度 ‎4．k d k ‎5．CD [干簧管能感知磁场，是因为当两个舌簧所处位置的磁场方向相同时，就会吸引，所以是做开关来使用，当磁场靠近或远离的时候，就会实现闭合或断开．]‎ ‎6．B [根据霍尔元件工作原理，载流子在洛伦兹力作用下漂移，形成霍尔电压，UH＝k，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．]‎ 课堂探究练 ‎1．左 右 解析 光敏电阻受光照越强，电阻越小，所以将RG用不透光的黑纸包起来，电阻增大，指针左偏；若用手电筒的光照射RG，电阻减小，指针右偏．‎ ‎2．见解析 解析 当光被元件挡住时，光敏电阻的阻值R1增大，电路中电流减小，R2‎ 两端电压减小，信号处理系统得到低电压，每通过一个元件就获得一次低电压，计数一次．‎ 点评 当光照增强时，光敏电阻的阻值减小，光照减弱时，光敏电阻的阻值增大．即光照强弱的变化引起电路中电流和电压的一系列变化．‎ ‎3．C [R2与灯L并联后与R1串联，与电源构成闭合电路，当温度降低时，热敏电阻R2的阻值增大，外电路电阻增大，电流表读数变小，R1两端电压减小，灯L两端电压增大，灯泡亮度变强，故C正确，其余各项均错．]‎ 点评 热敏电阻温度升高，电阻减小；温度降低，电阻增大．‎ ‎4．BD [热敏电阻由半导体材料制成，电阻随温度升高而减小，且灵敏度高，金属热电阻随温度升高电阻增大，灵敏度不高，但测温范围大，化学性质稳定．故B、D正确．]‎ 点评 1.热敏电阻和金属热电阻的阻值随温度的变化方向是相反的．热敏电阻温度升高，电阻减小，金属热电阻温度升高，电阻增大．‎ ‎2．热敏电阻随温度变化明显．金属热电阻的化学稳定性好，测温范围大．‎ ‎5．下表面电势高 解析 因为自由电荷为电子，故由左手定则可判定向上偏，则上表面聚集负电荷，下表面带多余等量的正电荷，故下表面电势高，设其稳定电压为U.当运动电荷所受电场力与洛伦兹力平衡时，有e＝evB，又因为导体中的电流I＝neSv＝nev·bd，故U＝.‎ 点评 当电流在导体中流动时，运动电荷在洛伦兹力作用下，分别向导体上、下表面聚集，在导体中形成电场，其中上表面带负电，电势低，随着正、负电荷不断向下、上表面积累，电场增强，当运动电荷(Q)所受电场力与洛伦兹力平衡时，即QE＝QvB时，电荷将不再向上或向下偏转，上、下表面间形成稳定电压．‎ ‎6．ABD [根据公式UH＝k可以看出，当磁极靠近霍尔元件的工作面时，B增大，UH 将变大，选项A正确；在地球两极附近，可以认为地磁场与水平面垂直，霍尔元件的工作面保持水平，故B正确．而在赤道上，地磁场与水平面平行．若霍尔元件的工作面保持水平，则无电压产生，C错误；改变磁感线与霍尔元件工作面的夹角，相当于改变了霍尔系数k，故UH将发生变化，故D正确．]‎ 点评 霍尔元件把磁感应强度这个磁学量转换为电压这个电学量，电压与磁感应强度的关系为UH＝k.‎ ‎7．ABC [当光强度增大时，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，同时内电压增大，故电路路端电压减小，而电压表的示数增大，A项正确，D项错误；由路端电压减小，而R1两端电压增大知，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，则小灯泡的功率增大，C项正确．]‎ ‎8．D [当传感器R2所在处出现火情时，温度升高，电阻减小，电路的总电阻减小，总电流I增大，路端电压Uab＝E－Ir减小，I(r＋R1)增大，U并＝E－I(r＋R1)减小，通过R3的电流I3减小，通过R2的电流I2＝I－I3增大，D对．]‎ 方法总结 电路中涉及热敏电阻、光敏电阻或金属热电阻等元件时，熟记各种元件的特性，然后依据动态电路问题的分析思路，由部分到整体再到部分的顺序进行分析．‎