广东省阳东广雅学校2020学年高二物理下学期 第4周 认识传感器、传感器的原理及其应用导学案

广东省阳东广雅学校2020学年高二物理下学期 第4周 认识传感器、传感器的原理及其应用导学案

第二、三节课认识传感器、传感器的原理及其应用 ‎ 一、什么是传感器 ‎1．传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将 检测感受到的信息按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求．‎ ‎2．传感器一般由敏感元件、转换元件和转换电路三部分组成．‎ 二、传感器的分类 传感器一般按被测量、工作原理、能量传递方式等进行分类．‎ 三、两种重要的传感器 ‎1．温度传感器：一种将温度变化转换成电学量变化的装置．热敏电阻是利用半导体材料的阻值随温度的变化而变化的特性实现温度测量的．‎ ‎2．光电传感器：一种将光学量变化转换成电学量变化的传感器，就是光电传感器在光照作用下，其导电性能发生变化，如光敏电阻、光电池和光敏晶体管等．‎ 一、什么是传感器及传感器的分类 ‎[要点提炼]‎ ‎1．传感器是把非电学量变化转换为电学量变化的一种元件．认识传感器就是明确传感器如何“感受”非电学量，常见的“感受”方式有改变接入电路的电阻、电容等．‎ ‎2．传感器的组成：(如图1所示，以话筒为例)‎ 图1‎ ‎3．传感器的分类 ‎(1)按被测量进行划分，可分为加速度传感器、速度传感器、位移传感器、压力传感器、温度传感器、负荷传感器、扭矩传感器等．‎ ‎(2)按传感器的工作原理进行划分，可分为电阻应变式传感器、压电式传感器、电容式传感器、涡流式传感器、动圈式传感器、磁电式传感器、差动变压器式传感器等．‎ ‎(3)按能量传递方式进行划分，可分为有源传感器和无源传感器两大类．‎ 二、传感器的原理 ‎[问题设计]‎ 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2‎ 答案　由于酒精蒸发，热敏电阻RT温度降低，电阻值增大，指针将向左偏；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，指针将向右偏．‎ ‎[要点提炼]‎ ‎1．温度传感器是一种将温度变化转换为电学量变化的装置．‎ ‎2．热敏电阻：用半导体材料制成．按热敏电阻阻值随温度变化而变化的规律，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．‎ ‎(1)正温度系数的热敏电阻随温度升高电阻增大．‎ ‎(2)负温度系数的热敏电阻(如氧化锰热敏电阻)随温度升高电阻减小．‎ ‎3．光电传感器是一种将光学量变化转换为电学量变化的传感器．‎ ‎4．光敏电阻一般由半导体材料制成．‎ 特点：光照越强，电阻越小．‎ 一、对传感器的认识 例1　如图3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．‎ 将电压表分别接在b、c之间与c、d之间，当油量变化时，电压表的示数变化有何不同？‎ 图3‎ 解析　①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．‎ ‎②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．‎ 答案　见解析 二、对热敏电阻的认识及应用 例2　如图4所示为某一热敏电阻(电阻值随温度的改变而改变，且对温度很敏感)的I－U关系曲线图．‎ 图4‎ ‎(1)为了通过测量得到图示的I－U关系的完整曲线，在图5甲、乙两个电路中应选择的是图________；简要说明理由：_______________________________________________‎ ‎________________________________________________________________________.‎ ‎(电源电动势为9 V，内阻不计，滑动变阻器的阻值为0～100 Ω)‎ 图5‎ ‎(2)在图丙所示电路中，电源电压恒为9 V，电流表读数为70 mA，定值电阻R1＝250 Ω.由热敏电阻的I－U关系曲线可知，热敏电阻两端的电压为________ V；电阻R2的阻值为________ Ω.‎ ‎(3)举出一个可以应用热敏电阻的例子：____________________________________.‎ 解析　(1)应选择图甲，原因是图甲所示电路电压可从0调到所需电压，调节范围较大(或图乙所示电路不能测得0附近的数据)．‎ ‎(2)根据欧姆定律可得 I1＝＝ A＝‎‎0.036 A 所以I2＝I－I1＝‎0.07 A－‎0.036 A＝‎0.034 A.‎ 由热敏电阻的I－U关系曲线可知，‎ 当I＝‎0.034 A＝34 mA时，UT≈5.2 V 所以R2＝＝ Ω≈111.8 Ω.‎ 答案　(1)甲　见解析 ‎(2)5.2　111.8‎ ‎(3)热敏温度计(提出其他实例，只要合理均对)‎ 三、对光敏电阻、热敏电阻的认识及应用 例3　(双选)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．电压表的示数减小 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 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，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、D项均错误．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，故小灯泡的功率增大，C项正确．‎ 答案　BC 传感器 ‎1．(对电容式传感器的认识)(单选)电容式传感器是用来将各种非电信号转变为电信号的装置，由于电容器的电容C取决于极板正对面积S、极板间距离d以及极板间的电介质这几个因素，当某一物理量发生变化时就能引起上述某个因素的变化，从而又可推出另一物理量的值．如图7所示是四种电容式传感器的示意图，关于这四种传感器的作用，下列说法不正确的是(　　)‎ 图7‎ A．甲图的传感器可以用来测量角度 B．乙图的传感器可以用来测量液面高度 C．丙图的传感器可以用来测量压力 D．丁图的传感器可以用来测量速度 答案　D 解析　甲图角度变化能导致极板正对面积变化；乙图液面高度变化能导致极板正对面积变化；丙图F变化能导致极板间距变化；丁图中位置变化导致电介质变化．所以，甲、乙、丙、丁分别是测角度、液面高度、压力、位移的的元件．故选D.‎ ‎2．(对光敏电阻、热敏电阻的认识及电路分析)(双选)如图8所示电路中，电源电动势为E，内阻为r，RT为负温度系数热敏电阻，RG为光敏电阻，闭合开关后，小灯泡L正常发光，由于环境改变(光照或温度)，发现小灯泡亮度变暗，则引起小灯泡变暗的原因可能是(　　)‎ 图8‎ A．温度不变，光照增强 B．温度升高，光照不变 C．温度降低，光照增强 D．温度升高，光照减弱 答案　AC 题组一　对传感器的认识 ‎1．(双选)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．将电学量转变成光学量 D．将电学量转变成力学量 答案　AB 解析　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对，选项C、D错．‎ ‎2．(单选)如图1所示，是电容式话筒的示意图，它是利用电容制成的传感器，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，从而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 (　　)‎ 图1‎ A．距离变化 B．正对面积变化 C．电介质变化 D．电压变化 答案　A 解析　振动膜前后振动，使振动膜上的金属层与金属板间的距离发生变化，从而将声音信号转化为电信号．‎ ‎3．(单选)有一些星级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，是因为(　　)‎ A．改变湿度 B．改变温度 C．改变磁场 D．改变电容 答案　D ‎4．(单选)全自动洗衣机设有多段式水位自动感应装置，该水位自动感应装置采用的传感器是(　　)‎ A．温度传感器 B．压力传感器 C．生物传感器 D．红外线传感器 答案　B ‎5．(单选)如图2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2‎ 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 ‎6．(单选)如图3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3‎ 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 答案　C 题组三　对光敏电阻的认识及电路分析 ‎7．(单选)用遥控器调换电视机频道的过程，实际上就是传感器把光信号转化为电信号的过程．下列属于这类传感器的是 (　　)‎ A．红外报警装置 B．走廊照明灯的声控开关 C．自动洗衣机中的压力传感装置 D．电饭煲中控制加热和保温的温控器 答案　A 解析　遥控器是利用红外线传输信号的，故A项正确．‎ ‎8．(双选)如图4所示是利用硫化镉制成的光敏电阻自动计数器的示意图，其中A是发光仪器，B是光敏电阻(光照增强时电阻变小)，下列说法中正确的是 (　　)‎ 图4‎ A．当传送带上没有物品挡住由A射向B的光信号时，光敏电阻的阻值变小，电压表读数变小 B．当传送带上没有物品挡住由A射向B的光信号时，光敏电阻的阻值变大，电压表读数变大 C．当传送带上有物品挡住由A射向B的光信号时，光敏电阻的阻值变小，电压表读数变小 D．当传送带上有物品挡住由A射向B的光信号时，光敏电阻的阻值变大，电压表读数变大 答案　AD ‎9．(单选)如图5所示，R3是光敏电阻(光照增强时电阻变小)，当开关S闭合后，在没有光照射时，a、b两点等电势．当用光照射电阻R3时，则(　　)‎ 图5‎ A．a点电势高于b点电势 B．a点电势低于b点电势 C．a点电势等于b点电势 D．a点电势和b点电势的大小无法比较 答案　A