2020版高中物理 第三章 传感器温度传感器和光传感器

2020版高中物理 第三章 传感器温度传感器和光传感器

‎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.‎ 一、传感器 ‎1.定义：把被测的非电信息，按一定规律转换成与之对应的电信息的器件或装置.‎ ‎2.组成：一般由敏感元件和处理电路组成.‎ ‎(1)敏感元件：将要测量的非电信息变换成易于测量的物理量，形成电信号.‎ ‎(2)处理电路：将敏感元件输出的电信号转换成便于显示、记录、处理和控制的电学量.‎ ‎3.敏感元件的原理 ‎(1)物理类：基于力、热、光、电磁和声等物理效应；‎ ‎(2)化学类：基于化学反应的原理；‎ ‎(3)生物类：基于酶、抗体和激素等分子识别功能.‎ 二、温度传感器 ‎1.分类 ‎(1)热双金属片温度传感器.‎ ‎(2)热电阻传感器.‎ ‎(3)热敏电阻传感器.‎ ‎①NTC型：电阻值随温度升高而减小.‎ ‎②PTC型：电阻值随温度升高而增大.‎ ‎2.作用 将温度变化转换为电学量变化，通过测量传感器元件的电学量随温度的变化来实现温度的测量.‎ 三、光传感器 ‎1.原理：某些金属或半导体材料，在电路中受到光照时，产生电流或电压，实现光信号向电信号的转化.‎ ‎2.作用：感知光线的变化或场景的变换，使“机器”作出反应.‎ ‎[即学即用]‎ ‎1.判断下列说法的正误.‎ ‎(1)传感器可以把非电学量转化为电学量.(　√　)‎ ‎(2)热敏电阻的阻值随温度的升高而增大.(　×　)‎ 6‎ ‎(3)干簧管可以感知磁场，接入电路，相当于开关的作用.(　√　)‎ ‎(4)光敏电阻的阻值随光线的强弱而变化，光照越强电阻越小.(　√　)‎ ‎2.如图1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，电流表的读数________(填“变大”或“变小”)，小灯泡的亮度________(填“变亮”或“变暗”).‎ 图1‎ 答案　变小　变亮 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.‎ ‎[知识深化]‎ ‎1.传感器的原理：‎ → → ‎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的；‎ ‎(3)是如何显示或控制开关的.‎ 6‎ 例1　如图2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？‎ 图2‎ 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.‎ 二、温度传感器 ‎[导学探究]　如图3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与负温度系数的热敏电阻RT(温度升高，电阻减小)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，表针将如何偏转？若用吹风机将热风吹向热敏电阻，表针将如何偏转？‎ 图3‎ 答案　由于酒精蒸发，热敏电阻RT温度降低，电阻值增大，表针将向左偏；用吹风机将热风吹向热敏电阻，热敏电阻RT温度升高，电阻值减小，表针将向右偏.‎ ‎[知识深化]‎ ‎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 6‎ ‎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.‎ ‎②应用：测温、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.‎ 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4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4‎ A.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，R2变大，电路的总电阻变大，由I＝知I变小，又U＝E－Ir，电压表的读数U增大，B正确；又由P1＝I2R1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′＝，Q＝CU2可知，Q、E′都增大，故A正确，C错误.‎ 三、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.‎ 图5‎ 6‎ 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.‎ 例3　(多选)如图6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6‎ 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 答案　ABC 解析　当入射光强度增大时，R3阻值减小，外电路总电阻减小，由闭合电路欧姆定律知，干路电流增大，R1两端电压增大，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.‎ 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(或光照强度)的增加是增大还是减小.‎ ‎(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.‎ ‎1.(对传感器的理解)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 6‎ 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.(光敏电阻的特性)如图7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，R和L中间用挡板(未画出)隔开，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7‎ A.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，滑动变阻器接入电路的电阻减小，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.(热敏电阻的特性)如图8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8‎ A.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.‎ 6‎