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第六章傳感器 1傳感器及其工作原理 一 什么是傳感器1 傳感器的定義能夠感受諸如力 溫度 光 聲 化學(xué)成分等物理量 并能把它們按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換為便于傳送和處理的另一個(gè)物理量 通常是電壓 電流等電學(xué)量 或轉(zhuǎn)換為電路的通斷的元件 2 非電學(xué)量轉(zhuǎn)換為電學(xué)量的意義把非電學(xué)量轉(zhuǎn)換為電學(xué)量 可以方便地進(jìn)行測量 傳輸 處理和控制 二 光敏電阻1 特點(diǎn) 光照越強(qiáng) 電阻越小 2 原因 光敏電阻的構(gòu)成物質(zhì)為半導(dǎo)體材料 無光照時(shí) 載流子少 導(dǎo)電性能不好 隨著光照的增強(qiáng) 載流子增多 導(dǎo)電性變好 3 作用 把光照強(qiáng)弱這個(gè)光學(xué)量轉(zhuǎn)換為電阻這個(gè)電學(xué)量 三 熱敏電阻和金屬熱電阻1 熱敏電阻熱敏電阻由半導(dǎo)體材料制成 其電阻隨溫度的變化明顯 溫度升高電阻減小 如圖甲所示為某一熱敏電阻的電阻隨溫度變化的特性曲線 2 金屬熱電阻有些金屬的電阻率隨溫度的升高而增大 這樣的電阻也可以制作溫度傳感器 稱為熱電阻 如圖乙所示為某金屬導(dǎo)線電阻的溫度特性曲線 四 霍爾元件1 構(gòu)造 如圖所示 在一個(gè)很小的矩形半導(dǎo)體 例如砷化銦 薄片上 制作四個(gè)電極E F M N 就成為一個(gè)霍爾元件 2 工作原理 在E F間通入恒定的電流I 同時(shí)外加與薄片垂直的磁場B 則薄片中的載流子就在洛倫茲力的作用下 向著與電流和磁場都垂直的方向漂移 使M N間出現(xiàn)了電壓 稱為霍爾電壓UH 1 其中d為薄片的厚度 k為霍爾系數(shù) 其大小與薄片的材料有關(guān) 2 一個(gè)霍爾元件的d k為定值 再保持電流I恒定 則UH的變化就與磁感應(yīng)強(qiáng)度B成正比 4 作用 把磁感應(yīng)強(qiáng)度這個(gè)磁學(xué)量轉(zhuǎn)換為電壓這個(gè)電學(xué)量 搜索 玉兔探月機(jī)器人 了解我國 玉兔 探月機(jī)器人擁有哪些傳感器 以后的探月機(jī)器人的發(fā)展方向等 自我檢測1 正誤判斷 1 傳感器擔(dān)負(fù)著信息采集的任務(wù) 它常常是將電學(xué)量轉(zhuǎn)化為力學(xué)量 解析 傳感器是把非電學(xué)量轉(zhuǎn)換為電學(xué)量 答案 2 霍爾電壓與組成霍爾元件的材料無關(guān) 解析 霍爾電壓與組成霍爾元件的材料有關(guān) 答案 3 霍爾元件能夠把磁感應(yīng)強(qiáng)度這個(gè)磁學(xué)量轉(zhuǎn)化為電壓這個(gè)電學(xué)量 答案 4 金屬熱電阻隨溫度的升高導(dǎo)電能力增強(qiáng) 它的化學(xué)穩(wěn)定性好 測量范圍大 解析 金屬熱電阻隨溫度的升高導(dǎo)電能力減弱 答案 5 熱敏電阻和金屬熱電阻都能把溫度這個(gè)熱學(xué)量轉(zhuǎn)換成電阻這個(gè)電學(xué)量 答案 2 關(guān)于傳感器的下列說法正確的是 A 所有傳感器的材料都是由半導(dǎo)體材料做成的B 金屬材料也可以制成傳感器C 傳感器主要是通過感知電壓的變化來傳遞信號的D 以上說法都不正確解析 半導(dǎo)體材料可以制成傳感器 其他材料也可以制成傳感器 如金屬氧化物氧化錳就可以制成傳感器 所以選項(xiàng)A錯(cuò)誤 選項(xiàng)B正確 傳感器不但能感知電壓的變化 還能感知力 溫度 光 聲 化學(xué)成分等非電學(xué)量的變化 所以選項(xiàng)C錯(cuò)誤 答案 B 3 許多樓道照明燈具有這樣的功能 天黑時(shí) 出現(xiàn)聲音它就開啟 而在白天 即使有聲音它也沒有反應(yīng) 它的控制電路中可能接入的傳感器是 溫度傳感器 光傳感器 聲音傳感器 熱傳感器A B C D 解析 樓道燈控制電路中安裝有光聲控延時(shí)開關(guān) 它裝有光敏感元件 用于感知外界光線的強(qiáng)弱 還安裝有聲敏感元件用于感知外界聲響 當(dāng)白天外界光線較強(qiáng)時(shí) 光聲控延時(shí)開關(guān)總處于斷開狀態(tài) 燈不亮 當(dāng)夜晚光線較弱且有聲響時(shí)光聲控延時(shí)開關(guān)處于導(dǎo)通狀態(tài) 燈亮 延時(shí)一段時(shí)間后 開關(guān)斷開 燈熄滅 答案 B 探究一 探究二 探究三 探究四 傳感器問題探究干簧管結(jié)構(gòu) 如圖甲所示 它只是玻璃管內(nèi)封入的兩個(gè)軟磁性材料制成的簧片 接入圖乙電路 當(dāng)磁鐵靠近干簧管時(shí) 會(huì)發(fā)生什么現(xiàn)象 為什么 干簧管的作用是什么 要點(diǎn)提示 燈泡會(huì)亮 因?yàn)楫?dāng)磁鐵靠近干簧管時(shí) 兩個(gè)簧片被磁化而接通 干簧管起到開關(guān)的作用 是一種能夠感知磁場的傳感器 探究一 探究二 探究三 探究四 知識(shí)歸納1 傳感器的工作流程非電學(xué)量 敏感元件 轉(zhuǎn)換元件 轉(zhuǎn)換電路 電學(xué)量2 傳感器的組成 1 敏感元件相當(dāng)于人的感覺器官 是傳感器的核心部分 是利用材料的某種敏感效應(yīng) 如熱敏 光敏 壓敏 力敏 濕敏等 制成的 2 轉(zhuǎn)換元件是傳感器中能將敏感元件輸出的 與被測物理量成一定關(guān)系的非電信號轉(zhuǎn)換成電信號的電子元件 3 轉(zhuǎn)換電路是將轉(zhuǎn)換元件輸出的不易測量的電學(xué)量轉(zhuǎn)換成易于測量的電學(xué)量 如電壓 電流 電阻等 探究一 探究二 探究三 探究四 典例剖析 例題1 全面了解汽車的運(yùn)行狀態(tài) 速度 水箱溫度 油量 是確保汽車安全行駛和駕駛員安全的舉措之一 為模仿汽車油表原理 某同學(xué)自制一種測定油箱油量多少或變化多少的裝置 如圖乙所示 其中電源電壓保持不變 R是滑動(dòng)變阻器 它的金屬滑片是金屬桿的一端 該同學(xué)在裝置中使用了一只電壓表 圖中沒有畫出 通過觀察電壓表示數(shù) 可以了解油量情況 你認(rèn)為電壓表應(yīng)該接在圖中的兩點(diǎn)之間 按照你的接法請回答 當(dāng)油箱中油量減少時(shí) 電壓表的示數(shù)將 選填 增大 或 減小 探究一 探究二 探究三 探究四 解析 由題圖可知當(dāng)油箱內(nèi)液面高度變化時(shí) R的金屬滑片將會(huì)移動(dòng) 從而引起R兩端電壓的變化 且當(dāng)R R時(shí) UR IR可視為UR與R成正比 所以電壓表應(yīng)接在b c兩點(diǎn)之間 當(dāng)油量減少時(shí) 電壓表示數(shù)將增大 答案 b c增大 探究一 探究二 探究三 探究四 變式訓(xùn)練1壓敏電阻的阻值隨所受壓力的增大而減小 有位同學(xué)利用壓敏電阻設(shè)計(jì)了判斷小車運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的裝置 其工作原理如圖甲所示 將壓敏電阻和一塊擋板固定在絕緣小車上 中間放置一個(gè)絕緣重球 小車向右做直線運(yùn)動(dòng)過程中 電流表示數(shù)如圖乙所示 下列判斷正確的是 A 從t1到t2時(shí)間內(nèi) 小車做勻速直線運(yùn)動(dòng)B 從t1到t2時(shí)間內(nèi) 小車做勻加速直線運(yùn)動(dòng)C 從t2到t3時(shí)間內(nèi) 小車做勻速直線運(yùn)動(dòng)D 從t2到t3時(shí)間內(nèi) 小車做勻加速直線運(yùn)動(dòng) 探究一 探究二 探究三 探究四 解析 在0 t1內(nèi) I恒定 壓敏電阻阻值不變 由小球的受力不變可知 小車可能做勻速或勻加速直線運(yùn)動(dòng) 在t1 t2內(nèi) I變大 壓敏電阻阻值變小 壓力變大 小車做變加速運(yùn)動(dòng) A B均錯(cuò)誤 在t2 t3內(nèi) I不變 壓力恒定 小車做勻加速直線運(yùn)動(dòng) C錯(cuò)誤 D正確 答案 D 探究一 探究二 探究三 探究四 光敏電阻問題探究實(shí)驗(yàn) 將一只光敏電阻接到多用電表的兩端 電表置于倍率為100的歐姆擋 在室內(nèi)自然光的照射下 電阻值約有多大 用手掌遮光時(shí)電阻值又是多少 用陽光直接照射呢 探究一 探究二 探究三 探究四 要點(diǎn)提示 1 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象 同一只光敏電阻 用多用電表測量其阻值 用手掌遮光時(shí) 電阻值較大 在室內(nèi)自然光的照射下電阻值變小 改用陽光直接照射時(shí) 電阻值變得更小 2 實(shí)驗(yàn)結(jié)論 光敏電阻的阻值隨光照強(qiáng)度的增強(qiáng)而明顯減小 探究一 探究二 探究三 探究四 知識(shí)歸納光敏電阻的特點(diǎn)及工作原理 1 當(dāng)半導(dǎo)體材料受到光照或者溫度升高時(shí) 會(huì)有更多的電子獲得能量成為自由電子 同時(shí)也形成更多的空穴 于是導(dǎo)電能力明顯增強(qiáng) 2 光敏電阻是用半導(dǎo)體材料 如硫化鎘 制成的 它的特點(diǎn)是光照越強(qiáng) 電阻越小 它能夠把光照強(qiáng)弱這個(gè)光學(xué)量轉(zhuǎn)換為電阻這個(gè)電學(xué)量 探究一 探究二 探究三 探究四 典例剖析 例題2 多選 如圖所示 R1 R2為定值電阻 L為小燈泡 R3為光敏電阻 當(dāng)入射光強(qiáng)度增大時(shí) A 電壓表的示數(shù)增大B R2中電流減小C 小燈泡的功率增大D 電路的路端電壓增大 探究一 探究二 探究三 探究四 解析 當(dāng)入射光強(qiáng)度增大時(shí) R3阻值減小 外電路電阻隨R3的減小而減小 R1兩端電壓因干路電流增大而增大 從而電壓表的示數(shù)增大 同時(shí)內(nèi)電壓增大 故電路的路端電壓減小 A項(xiàng)正確 D項(xiàng)錯(cuò)誤 因路端電壓減小 而R1兩端電壓增大 故R2兩端電壓必減小 則R2中電流減小 故B項(xiàng)正確 結(jié)合干路電流增大知流過小燈泡的電流必增大 故小燈泡的功率增大 C項(xiàng)正確 答案 ABC 探究一 探究二 探究三 探究四 解決含有光敏電阻的直流電路動(dòng)態(tài)分析問題 1 明確光敏電阻的電阻特性 2 解題思路 探究一 探究二 探究三 探究四 變式訓(xùn)練2如圖所示 將一光敏電阻接入多用電表兩表筆上 將多用電表的選擇開關(guān)置于歐姆擋 用光照射光敏電阻時(shí)表針的偏角為 現(xiàn)用手掌擋住部分光線 表針的偏角變?yōu)?則可判斷 A B D 不能確定解析 光敏電阻的阻值隨光照強(qiáng)度的增強(qiáng)而減小 用手掌擋住部分光線 阻值變大 指針自左向右偏轉(zhuǎn)角度變小 故B正確 答案 B 探究一 探究二 探究三 探究四 熱敏電阻和金屬熱電阻問題探究如圖所示 將多用電表的選擇開關(guān)置于歐姆擋 再將電表的兩支表筆與負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻RT 溫度升高 電阻減小 的兩端相連 這時(shí)表針恰好指在刻度盤的正中央 若在RT上擦一些酒精 表針將如何偏轉(zhuǎn) 若用吹風(fēng)機(jī)將熱風(fēng)吹向熱敏電阻 表針將如何偏轉(zhuǎn) 要點(diǎn)提示 由于酒精蒸發(fā) 熱敏電阻RT溫度降低 電阻值增大 指針將向左偏 用吹風(fēng)機(jī)將熱風(fēng)吹向熱敏電阻 熱敏電阻RT溫度升高 電阻值減小 指針將向右偏 探究一 探究二 探究三 探究四 知識(shí)歸納熱敏電阻和金屬熱電阻的特點(diǎn) 1 熱敏電阻 用半導(dǎo)體材料制成 2 金屬熱電阻 金屬的電阻率隨溫度升高而增大 利用這一特性 金屬絲也可以制作成溫度傳感器 稱為熱電阻 探究一 探究二 探究三 探究四 3 熱敏電阻和金屬熱電阻的區(qū)別 探究一 探究二 探究三 探究四 典例剖析 例題3 如圖所示 R1為定值電阻 R2為負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻 L為小燈泡 當(dāng)溫度降低時(shí) A R1兩端的電壓增大B 電流表的示數(shù)增大C 小燈泡的亮度變強(qiáng)D 小燈泡的亮度變?nèi)踅馕?R2與燈泡L并聯(lián)后再與R1串聯(lián) 與電源構(gòu)成閉合電路 當(dāng)溫度降低時(shí) 熱敏電阻R2阻值增大 外電路電阻增大 電流表讀數(shù)減小 燈泡L兩端的電壓增大 燈泡的亮度變強(qiáng) R1兩端的電壓減小 故只有C正確 答案 C 探究一 探究二 探究三 探究四 變式訓(xùn)練3如圖所示 由電源 小燈泡 電阻絲 開關(guān)組成的電路中 當(dāng)閉合開關(guān)S后 小燈泡正常發(fā)光 若用酒精燈加熱電阻絲時(shí) 發(fā)現(xiàn)小燈泡亮度變暗 發(fā)生這一現(xiàn)象的主要原因是 A 小燈泡的電阻發(fā)生了變化B 小燈泡燈絲的電阻率隨溫度發(fā)生了變化C 電阻絲的電阻率隨溫度發(fā)生了變化D 電源的電壓隨溫度發(fā)生了變化解析 電阻絲的電阻率隨溫度的升高而增大 電阻也增大 電路中電流減小 根據(jù)P I2R知 小燈泡的實(shí)際功率減小 所以變暗 答案 C 探究一 探究二 探究三 探究四 霍爾元件問題探究如圖所示 在矩形半導(dǎo)體薄片E F間通入恒定的電流I 同時(shí)外加與薄片垂直的磁場B 則M N間會(huì)出現(xiàn)電壓 稱為霍爾電壓UH 1 分析為什么會(huì)出現(xiàn)電壓 2 試推導(dǎo)UH的表達(dá)式 電流的微觀表達(dá)式I nqvS 探究一 探究二 探究三 探究四 要點(diǎn)提示 1 薄片中的載流子在洛倫茲力的作用下 向著與電流和磁場都垂直的方向漂移 使M N間出現(xiàn)了電壓 2 設(shè)薄片厚度為d EF方向長度為l1 MN方向長度為l2 受力分析如圖 當(dāng)洛倫茲力與電場力平衡時(shí) M N間電勢差達(dá)到穩(wěn)定 探究一 探究二 探究三 探究四 知識(shí)歸納霍爾元件的工作原理與特點(diǎn) 1 霍耳元件的工作原理 E F間通入恒定的電流I 同時(shí)外加與薄片垂直的磁場B時(shí) 薄片中的載流子就在洛倫茲力作用下 向著與電流和磁場都垂直的方向漂移 使M N間出現(xiàn)電壓 如圖所示 2 霍爾元件在電流 電壓穩(wěn)定時(shí) 載流子所受電場力和洛倫茲力二力平衡 探究一 探究二 探究三 探究四 3 霍爾電壓 UH k d為薄片的厚度 k為霍爾系數(shù) 當(dāng)電流I一定時(shí) UH與B成正比 所以霍爾元件能把磁學(xué)量轉(zhuǎn)換成電學(xué)量 探究一 探究二 探究三 探究四 典例剖析 例題4 如圖所示 有電流I流過長方體金屬塊 金屬塊寬為d 高為b 有一磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場垂直于紙面向里 金屬塊單位體積內(nèi)的自由電子數(shù)為n 問 金屬塊上 下表面哪面電勢高 電勢差是多少 解析 因?yàn)樽杂呻姾蔀殡娮?運(yùn)動(dòng)方向與電流方向相反 故由左手定則可判定向上偏 則上表面聚集負(fù)電荷 下表面帶等量的正電荷 故下表面電勢高 設(shè)其穩(wěn)定電壓為U 當(dāng)運(yùn)動(dòng)的自由電子所受電場力 探究一 探究二 探究三 探究四 霍爾電勢高低的判斷方法由左手定則判斷帶電粒子的受力方向 如果帶電粒子是正電荷 則拇指所指的面為高電勢面 如果是負(fù)電荷 則拇指所指的面為低電勢面 但無論是正電荷還是負(fù)電荷 四指指的都是電流方向 即正電荷定向移動(dòng)的方向 負(fù)電荷定向移動(dòng)的反方向 在判斷電勢高低時(shí)一定要注意載流子是正電荷還是負(fù)電荷 探究一 探究二 探究三 探究四 變式訓(xùn)練4 多選 如圖所示是霍爾元件的工作原理示意圖 如果用d表示薄片的厚度 k為霍爾系數(shù) 對于一個(gè)霍爾元件d k為定值 如果保持I恒定 則可以驗(yàn)證UH隨B的變化情況 以下說法中正確的是 工作面是指較大的平面 A 將永磁體的一個(gè)磁極逐漸靠近霍爾元件的工作面 且永磁體的磁場與原磁場方向相同 UH將變大B 在測定地球兩極的磁場強(qiáng)弱時(shí) 霍爾元件的工作面應(yīng)保持水平C 在測定地球赤道上的磁場強(qiáng)弱時(shí) 霍爾元件的工作面應(yīng)保持水平D 改變磁感線與霍爾元件工作面的夾角 UH將發(fā)生變化 探究一 探究二 探究三 探究四 解析 將永磁體的磁極逐漸靠近霍爾元件的工作面時(shí) 且永磁體 大 選項(xiàng)A正確 地球兩極的磁場方向在豎直方向上 所以霍爾元件的工作面應(yīng)保持水平 使B與工作面垂直 選項(xiàng)B正確 地球赤道上的磁場沿水平方向 只有霍爾元件的工作面在豎直方向且垂直于南北時(shí) B才與工作面垂直 選項(xiàng)C錯(cuò)誤 改變磁感線與霍爾元件工作面的夾角 B在垂直工作面方向上的大小發(fā)生變化 UH將發(fā)生變化 選項(xiàng)D正確 答案 ABD 1 2 3 4 1 非觸摸式自動(dòng)水龍頭 自動(dòng)感應(yīng)水龍頭 如圖 其應(yīng)用的傳感器是 A 壓力傳感器B 光電傳感器C 生物傳感器D 溫度傳感器解析 自動(dòng)感應(yīng)水龍頭應(yīng)用的是光電傳感器 答案 B 1 2 3 4 2 如圖甲所示 光敏電阻R2上加上如圖乙所示的光照 那么R2兩端的電壓變化是下列圖中的 解析 光敏電阻阻值隨光照的增強(qiáng)而減小 根據(jù)題圖乙知R2兩端的電壓隨之同頻率先減小后增大 但不會(huì)是零 所以選B 答案 B 1 2 3 4 3 多選 在溫控電路中 通過熱敏電阻阻值隨溫度的變化可實(shí)現(xiàn)對電路相關(guān)物理量的控制 如圖所示電路 R1為定值電阻 R2為半導(dǎo)體熱敏電阻 溫度越高電阻越小 C為電容器 當(dāng)環(huán)境溫度降低時(shí) A 電容器C的帶電荷量增大B 電壓表的讀數(shù)增大C 電容器C兩板間的電場強(qiáng)度減小D R1消耗的功率增大 小 又U E Ir 電壓表的讀數(shù)U增大 B正確 又由P1 I2R1可知 R1消耗的功率P1變小 D錯(cuò)誤 電容器兩板間的電壓U2 U U1 U1 IR1 可 確 C錯(cuò)誤 AB 1 2 3 4 4 多選 霍爾元件的示意圖如圖所示 一塊通電的銅板放在磁場中 銅板的前 后板面垂直于磁場 板內(nèi)通有如圖方向的電流 a b是銅板上 下邊緣的兩點(diǎn) 則 A 電勢 a bB 電勢 b aC B一定 電流增大時(shí) a b 增大D 其他條件不變 將銅板改為NaCl溶液時(shí) 電勢結(jié)果仍然一樣解析 銅板中的自由電荷是電子 電子定向移動(dòng)的方向與電流的方向相反 由左手定則可判斷出電子因受洛倫茲力作用向b側(cè)偏轉(zhuǎn) 所以 a b A對 B錯(cuò) 因 a b k 所以B一定 電流增大時(shí) a b 增大 C對 若將銅板改為NaCl溶液 溶液中的正 負(fù)離子均向b側(cè)偏轉(zhuǎn) a b 0 即不產(chǎn)生霍爾效應(yīng) 故D選項(xiàng)錯(cuò)誤 答案 AC