高中物理 第6章 传感器 第1节 传感器及其工作原理课堂探究素材 新人教版选修3-2（通用）

高中物理 第6章 传感器 第1节 传感器及其工作原理课堂探究素材 新人教版选修3-2（通用）

传感器及其工作原理 ‎ 课堂探究 探究一 光敏电阻、热敏电阻的特性 ‎·问题导引·‎ 晚上上楼时，随着发出的脚步声响，楼梯灯亮了；登上一楼，灯光照亮一楼，而身后的灯则依次熄灭，这种楼梯灯好像能“听到”我们的到来，能“看见”我们的离去，其中的原因是什么呢？‎ 提示：电路中安装了光声控延时开关，光声控延时开关中安装有光敏感元件，用于感知外界光线的强弱。还安装有声敏感元件，用于感知外界声响。当白天外界光线较强时，光声控延时开关总处于断开状态，灯不亮；当夜晚光线较弱且有声响时光声控延时开关处于导通状态，灯亮，延时一段时间后，开关断开，灯熄灭。‎ ‎·名师精讲·‎ ‎1．半导体的导电原理 如图是硅原子排列示意图，每个原子的最外层有4个电子。由于热运动或其他原因，其中极少数电子可能获得较大的能量，挣脱原子的束缚而成为自由电子。这样，在原来的地方就留下一个空位，称为“空穴”。空穴相当于一个正电荷。当这个空穴由附近原子中的电子来填补时，就出现了一个新的空穴，这种变化相当于空穴在移动。‎ 如果有了外电场，自由电子和空穴会向相反的方向做定向移动，于是在半导体中形成了电流。自由电子和空穴都叫作载流子。‎ 当半导体材料受到光照或者温度升高时，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，半导体中会有更多的载流子，于是导电性能明显地增强。‎ ‎2．光敏电阻的特性 ‎(1)阻值特点：阻值随光照强度的增大而减小。‎ ‎(2)导电机理：光敏电阻一般由半导体材料做成，当半导体材料受到光照而温度升高时，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，导电性能变好，电阻变小。‎ ‎3．热敏电阻的特性 ‎(1)热敏电阻的特性 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阻值增大，负温度系数的热敏电阻随温度升高阻值减小。‎ ‎(2)热敏电阻阻值变化的原因 对于负温度系数的热敏电阻，温度升高时，有更多的电子获得能量成为自由电子，同时空穴增多，即载流子数增多，于是导电性明显地增强，阻值减小。‎ ‎【例题1】 (多选)如图所示，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(　　)‎ 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 点拨：R3的变化→R并变化→R总变化→I总变化→U端变化→各电流、电压的变化。‎ 解析：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；结合干路电流增大可知流过小灯泡的电流必增大，则小灯泡的功率增大。‎ 答案：ABC 题后反思 熟知光敏电阻与热敏电阻的特性是解决此类问题的关键，即光敏电阻的阻值随光照的增强而减小；热敏电阻的阻值随温度的升高，负温度系数的电阻减小、正温度系数的电阻增大。‎ 探究二 正确理解霍尔元件及工作原理 ‎·问题导引·‎ 在汽车点火系统中，设计者将霍尔传感器放在分电器内取代机械断电器，用作点火脉冲发生器。这种霍尔式点火脉冲发生器随着转速变化的磁场在带电的半导体层内产生脉冲电压，控制电控单元(ECU)的初级电流。想想看，霍尔式点火脉冲发生器与传统点火系统比较，有什么优点呢？‎ 提示：相对于机械断电器而言，霍尔式点火脉冲发生器无磨损免维护，能够适应恶劣的工作环境，还能精确地控制点火正时，能够较大幅度提高发动机的性能，具有明显的优势。‎ ‎·名师精讲·‎ ‎1．霍尔效应：如图所示，厚度为h，宽度为d的导体放在与之垂直的磁感应强度为B的均匀磁场中，当电流通过导体时，在导体的上侧面A与下侧面A′之间会产生电势差，这种现象称为霍尔效应。‎ ‎2．霍尔元件：霍尔元件就是利用霍尔效应来设计的一个矩形半导体薄片，在其前、后、左、右分别引出一个电极，如图所示，沿PQ方向通入电流I，垂直于薄片加匀强磁场B，则在MN间会出现电势差U，设薄片厚度为d，PQ方向长度为l1，MN方向为l2，薄片中的带电粒子受到磁场力作用发生偏转，使N侧电势高于M侧，造成半导体内部出现电场。带电粒子同时受到电场力作用，当磁场力与电场力平衡时，MN间电势差达到稳定，且有q＝qvB。‎ 再根据电流的微观解释I＝nqSv，整理后，得U＝。‎ 令k＝，因为n为材料单位体积的带电粒子个数，q为单个带电粒子的电荷量，它们均为常数，所以U＝k。‎ U与B成正比，霍尔元件能把磁学量转换成电学量。‎ 特别强调 霍尔电势高低的判断方法 由左手定则判断带电粒子的受力方向，如果带电粒子是正电荷，则拇指所指的面为高电势面，如果是负电荷，则拇指所指的面为低电势面，但无论是正电荷还是负电荷，四指指的都是电流方向，即正电荷定向移动的方向，负电荷定向移动的反方向。在判断电势高低时一定要注意载流子是正电荷还是负电荷。‎ ‎【例题2】(多选)如图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)(　　)‎ 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 解析：磁体的一个磁极逐渐靠近霍尔元件的工作面时，B增大，I恒定，由公式UH=知UH将变大，选项A正确；地球两极的磁场方向在竖直方向上，所以霍尔元件的工作面应保持水平，使B与工作面垂直，选项B正确；地球赤道上的磁场成水平方向，只有霍尔元件的工作面在竖直方向时，B与工作面垂直，选项C错误；改变磁感线与霍尔元件工作面的夹角，B垂直工作面的大小发生变化，UH将发生变化，选项D正确。‎ 答案：ABD 题后反思 解决磁电转换问题的基本思路：‎ ‎(1)明确磁场方向。‎ ‎(2)明确载流子的电性及运动方向。‎ ‎(3)据左手定则判断载流子偏转方向。‎ ‎(4)求极板间的电压和确定极板的正负。‎ ‎(5)据闭合电路的欧姆定律求解。‎ 探究三 电容式传感器 ‎·问题导引·‎ 有一些酒店、宾馆的洗手间装有自动干手机，洗手后将湿手靠近，机内的传感器就开通电热器加热，有热空气从机内喷出，将湿手烘干，手靠近干手机能使传感器工作，这是什么道理呢？‎ 提示：人体是一种导体，可以与其他导体构成电容器。手靠近时相当于连接一个电容器，则可以确定干手机内设有电容式传感器，由于手的靠近改变了电容大小，使手靠近时干手机工作。‎ ‎·名师精讲·‎ ‎1．原理 电容器的电容C取决于极板正对面积S，极板间距离d及极板间电介质这几个因素，如果某一物理量(如角度θ、位移x、深度h等)的变化能引起上述某一因素的变化，从而引起电容的变化，那么测定电容器的电容就可以确定上述物理量的变化。‎ ‎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 ‎【例题3】如图所示是电容式话筒的示意图，它是利用电容制作的传感器。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，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(　　)‎ A．距离变化 B．正对面积变化 C．介质变化 D．电压变化 解析：平行板电容器的电容C∝，本例中的介质没有变化，正对面积也没有变化，引起电容变化的因素是板间距离d。‎ 答案：A 题后反思 ‎ ‎ 电容式传感器是应用了电容器的电容跟板间距离、正对面积、电介质及引起它们改变的因素(如力、位移、压强、声音等)的关系，将这些非电学量转化为电容器的电容这个电学量。‎