(通用版)2018-2019版高中物理 第六章 傳感器 6.1 傳感器及其工作原理學案 新人教版選修3-2.doc
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1傳感器及其工作原理學習目標1.了解什么是傳感器,感受傳感技術在信息時代的作用與意義.2.知道將非電學量轉(zhuǎn)化為電學量的意義.3.了解光敏電阻、熱敏電阻、金屬熱電阻和霍爾元件的性能,知道其工作原理及作用一、傳感器及工作原理1傳感器的定義:能夠感受諸如力、溫度、光、聲、化學成分等物理量,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物理量(通常是電壓、電流等電學量),或轉(zhuǎn)換為電路的通斷的元件2非電學量轉(zhuǎn)換為電學量的意義:把非電學量轉(zhuǎn)換為電學量,可以方便地進行測量、傳輸、處理和控制二、光敏電阻的特點及工作原理1當半導體材料受到光照或者溫度升高時,會有更多的電子獲得能量成為自由電子,同時也形成更多的空穴,于是導電能力明顯增強2光敏電阻是用半導體材料(如硫化鎘)制成的它的特點是光照越強,電阻越小它能夠把光照強弱這個光學量轉(zhuǎn)換為電阻這個電學量三、熱敏電阻和金屬熱電阻的特點1熱敏電阻:用半導體材料制成可分為正溫度系數(shù)的熱敏電阻和負溫度系數(shù)的熱敏電阻(1)正溫度系數(shù)的熱敏電阻隨溫度升高電阻增大(2)負溫度系數(shù)的熱敏電阻(如氧化錳熱敏電阻)隨溫度升高電阻減小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,稱為熱電阻四、霍爾元件的特點1霍爾元件在電流、電壓穩(wěn)定時,載流子所受電場力和洛倫茲力二力平衡2霍爾電壓:UHk(d為薄片的厚度,k為霍爾系數(shù))其中UH的變化與B成正比,所以霍爾元件能把磁感應強度這個磁學量轉(zhuǎn)換成電壓這個電學量即學即用1判斷下列說法的正誤(1)傳感器可以把非電學量轉(zhuǎn)化為電學量()(2)光敏電阻的阻值隨光照的強弱而變化,光照越強電阻越大()(3)熱敏電阻一般用半導體材料制作,導電能力隨溫度的升高而增強,但靈敏度低()(4)霍爾元件一共有兩個電極,電壓這個電學量就通過這兩個電極輸出()2如圖1所示,R1為定值電阻,R2為負溫度系數(shù)的熱敏電阻,L為小燈泡,當溫度降低時,電流表的讀數(shù)_(填“變大”或“變小”),小燈泡的亮度_(填“變亮”或“變暗”)圖1答案變小變亮一、傳感器導學探究干簧管結構:如圖2所示,它只是玻璃管內(nèi)封入的兩個軟磁性材料制成的簧片,接入圖3電路,當條形磁鐵靠近干簧管時: 圖2圖3(1)會發(fā)生什么現(xiàn)象,為什么?(2)干簧管的作用是什么?答案(1)燈泡會亮,因為當條形磁鐵靠近干簧管時,兩個簧片被磁化而接通(2)干簧管起到開關的作用,是一種能夠感知磁場的傳感器知識深化1傳感器的原理2在分析傳感器時要明確(1)核心元件是什么;(2)是怎樣將非電學量轉(zhuǎn)化為電學量;(3)是如何顯示或控制開關的例1如圖4是一種測定油箱油量多少或變化多少的裝置其中電源電壓保持不變,R是滑動變阻器,它的金屬滑片是金屬桿的一端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)可以了解油量情況若將電壓表分別接在b、c之間與c、d之間,當油量變化時,電壓表的示數(shù)如何變化?圖4答案見解析解析把電壓表接在b、c之間,油量增加時,R減小,電壓表的示數(shù)減小;油量減少時,R增大,電壓表的示數(shù)增大把電壓表接在c、d之間,油量增加時,R減小,電路中電流增大,則R兩端的電壓增大,電壓表的示數(shù)增大,同理,油量減少時,電壓表的示數(shù)減小二、光敏電阻導學探究在工廠生產(chǎn)車間的生產(chǎn)線上安裝計數(shù)器后,就可以準確得知生產(chǎn)產(chǎn)品的數(shù)量,如圖5所示為光敏電阻自動計數(shù)器的示意圖,其中R1為光敏電阻,R2為定值電阻此光電計數(shù)器的基本工作原理是什么?圖5答案當光被產(chǎn)品擋住時,R1電阻增大,電路中電流減小,R2兩端電壓減小,信號處理系統(tǒng)得到低電壓,每通過一個產(chǎn)品就獲得一次低電壓,并計數(shù)一次例2(多選)如圖6所示,R1、R2為定值電阻,L為小燈泡,R3為光敏電阻,當入射光強度增大時()圖6A電壓表的示數(shù)增大BR2中電流減小C小燈泡的功率增大D電路的路端電壓增大答案ABC解析當入射光強度增大時,R3阻值減小,外電路總電阻隨R3的減小而減小,由閉合電路歐姆定律知,干路電流增大,R1兩端電壓增大,從而電壓表的示數(shù)增大,同時內(nèi)電壓增大,故電路的路端電壓減小,A項正確,D項錯誤因路端電壓減小,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項正確結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項正確三、熱敏電阻和金屬熱電阻導學探究如圖7所示,將多用電表的選擇開關置于歐姆擋,再將電表的兩支表筆與負溫度系數(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)?若用吹風機將熱風吹向熱敏電阻,表針將如何偏轉(zhuǎn)?圖7答案由于酒精蒸發(fā),熱敏電阻RT溫度降低,電阻值增大,表針將向左偏;用吹風機將熱風吹向熱敏電阻,熱敏電阻RT溫度升高,電阻值減小,表針將向右偏例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現(xiàn)對電路相關物理量的控制如圖8所示電路,R1為定值電阻,R2為半導體熱敏電阻(溫度越高電阻越小),C為電 容器當環(huán)境溫度降低時()圖8A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兩板間的電場強度減小DR1消耗的功率增大答案AB解析當環(huán)境溫度降低時,R2變大,電路的總電阻變大,由I知I變小,又UEIr,電壓表的讀數(shù)U增大,B正確;又由P1I2R1可知,R1消耗的功率P1變小,D錯誤;電容器兩板間的電壓U2UU1,U1IR1,可知U1變小,U2變大,由場強E,QCU2可知Q、E都增大,故A正確,C錯誤含有熱敏電阻、光敏電阻電路的動態(tài)分析步驟1明確熱敏電阻(或光敏電阻)的阻值隨溫度(或光照強度)的增加是增大還是減小2分析整個回路的電阻的增減、電流的增減3分析部分電路的電壓、電流如何變化四、霍爾元件導學探究如圖9所示,在矩形半導體薄片E、F間通入恒定的電流I,同時外加與薄片垂直的磁場B,則M、N間會出現(xiàn)電壓,稱為霍爾電壓UH.圖9(1)分析為什么會出現(xiàn)電壓(2)試推導UH的表達式答案(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,受力分析如圖當洛倫茲力與電場力平衡時,M、N間電勢差達到穩(wěn)定即qqvB再根據(jù)電流的微觀表達式InqvS,Sl2d整理得:UH令k,其中n為材料單位體積的載流子的個數(shù),q為單個載流子的電荷量,它們均為常數(shù)則有UHk.知識深化霍爾電勢高低的判斷方法:利用左手定則,即磁感線垂直穿入手心,四指指向電流方向,拇指指的方向為載流子的受力方向,若載流子是正電荷,則拇指所指的面為高電勢面,若載流子是負電荷,則拇指所指的面為低電勢面例4如圖10所示,截面為矩形的金屬導體,放在磁場中,當導體中通有電流時,導體的上、下表面的電勢的關系(上板為M,下板為N)是()圖10AMNBMNCMN.故選A.1(對傳感器的理解)在電梯門口放置一障礙物,會發(fā)現(xiàn)電梯門不停地開關,這是由于在電梯門上裝有的傳感器是()A光傳感器 B溫度傳感器C聲傳感器 D磁傳感器答案A2(光敏電阻的特性)如圖11所示的電路中,電源兩端的電壓恒定,L為小燈泡,R為光敏電阻,R和L之間用擋板(未畫出)隔開,LED為發(fā)光二極管(電流越大,發(fā)出的光越強),且R與LED間距不變,下列說法中正確的是()圖11A當滑動觸頭P向左移動時,L消耗的功率增大B當滑動觸頭P向左移動時,L消耗的功率減小C當滑動觸頭P向右移動時,L消耗的功率可能不變D無論怎樣移動滑動觸頭P,L消耗的功率都不變答案A解析滑動觸頭P左移,滑動變阻器接入電路的電阻減小,流過二極管的電流增大,從而發(fā)光增強,使光敏電阻R減小,最終達到增大流過燈泡的電流的效果3(熱敏電阻的特性)如圖12所示,R1為定值電阻,R2為負溫度系數(shù)的熱敏電阻,L為小燈泡,當溫度降低時()圖12AR1兩端的電壓增大B電流表的示數(shù)增大C小燈泡的亮度變強D小燈泡的亮度變?nèi)醮鸢窩解析R2與燈泡L并聯(lián)后與R1串聯(lián),然后與電流表、電源構成閉合電路,當熱敏電阻R2溫度降低時,它的電阻值增大,外電路電阻增大,電流表讀數(shù)減小,R1兩端電壓減小,燈泡L兩端電壓增大,燈泡亮度變強,故C正確,A、B、D均錯誤4(霍爾元件的認識及應用)(多選)如圖13所示是霍爾元件的示意圖,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,則()圖13A電勢abB電勢baC僅電流增大時,|ab|增大D其他條件不變,將銅板改為NaCl溶液時,電勢結果仍然一樣答案BC解析銅板中的自由電荷是電子,電子定向移動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a側偏轉(zhuǎn),所以ba,B正確,A錯誤;因|ab|k,所以電流增大時,|ab|增大,C正確;若將銅板改為NaCl溶液,溶液中的正、負離子均向a側偏轉(zhuǎn),|ab|0,即不產(chǎn)生霍爾效應,故D錯誤- 配套講稿:
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