2018年人教高中物理同步导学案选修3-2 书讲解部分第六章 1 传感器及其工作原理

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二、光敏电阻 1．特点：光照越强，电阻 越小 ． 2．原理：无光照时， 载流子 极少，导电性能 不好 ； 随着 光照 的增强，载流子 增多 ，导电性变好． 3．作用：把 光照强弱 这个光学量转换为 电阻 这个电学量．
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[思考]声控灯有一种有趣的现象，那就是光线充足时，任 你发出多大的声音都不亮；但在黑夜，轻轻一声它就发出 亮光，这是为什么呢？ 提示：声控灯全名应该为——声光控灯，声控灯中有光控电路，使其在 光线足够的时候不工作，所以声控灯的控制盒实际上是声、光同时控制 的，在光线充足的情况下灯不会亮，起到日熄夜亮的控制作用，以节约 用电．
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4．如图所示，厚度为 h、宽度为 d 的导体板 放在垂直于它的磁感应强度为 B 的匀强磁 场中，当电流通过导体板时，在导体板的上 侧面 A 和下侧面 A′之间会产生电势差，这种现象称为霍尔效应．实验 表明，当磁场不太强时，电势差 U、电流 I 和磁感应强度 B 之间的关系 为 U＝kIdB，式中的比例系数 k 称为霍尔系数．
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3．(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)( )
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3．分类 (1)按传感器所测量物理量分为：位移、力、速度、温度、流量、气体成 分等传感器． (2)按传感器工作原理分为：电阻、电容、电感、电压、霍尔、光电、热 电偶等传感器． (3)按传感器输 出信号性质 分：输出为开 关量 (“1”和 “0”或“ 开”和 “关”)的开关型传感器；输出为模拟信号的模拟型传感器；输出为脉 冲或代码的数字型传感器．
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要点二 对敏感元件的认识
1．光敏电阻的导电特性 光敏电阻一般由半导体材料做成，当半导体材料受到光照时，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，于是导电性能 明显增强．
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2．热敏电阻和金属热电阻的特点
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解析：传感器工作的一般流程为： 非电学量(被),敏感元件――感―知―，―然 ――后―通―过―→转换元件 ―转―换――成―电―信―号―、―再――通―过→ 转换电路――易―将于―此―传信―输号―或转―测换―量―成的―― →电学量， 因此 A、B、D 错，C 对． 答案：C
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传感器问题中的电路动态分析的四点注意 (1)如果涉及光敏电阻，必须明确光照情况怎样变化，从而判断出其阻值 的变化． (2)如果涉及热敏电阻，必须明确是正温度系数还是负温度系数的热敏电 阻及温度变化情况，从而判断其阻值的变化． (3)如果是其他元件引起的电路变化可具体问题具体分析． (4)结合电路结构特点及局部阻值的变化，根据闭合电路的欧姆定律等规 律分析有关物理量的变化．
阻的灵敏度较好．
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3．霍尔元件 运动的载流子在洛伦兹力作用下在导体板的一侧聚集，在导体板的另一 侧会出现多余的另一种电荷，从而形成横向电场；横向电场对载流子施 加与洛伦兹力方向相反的静电力，当静电力与洛伦兹力达到平衡时，导 体板两侧会形成稳定的电压：UH＝kIdB.UH 与 B 成正比是霍尔元件能把 磁学量转换成电学量的原因．
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要点一 对传感器的认识
1．传感器的工作流程和传感器的组成 (1)传感器的工作流程 非电 敏感 转换 转换 学量 → 元件 → 元件 → 电路 → 电学量
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(2)传感器的组成 ①敏感元件：相当于人的感觉器官，是传感器的核心部分，是利用材料 的某种敏感效应(如热敏、光敏、压敏、力敏、湿敏等)制成的． ②转换元件：是传感器中能将敏感元件输出的，与被测物理量成一定关 系的非电信号转换成电信号的电子元件． ③转换电路：是将转换元件输出的不易测量的电学量转换成易于测量的 电学量，如电压、电流、电阻等．
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[思路点拨] 解答本题时可按以下思路分析：
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[解析] 当环境温度降低时，R2 变大，电路的总电阻变大，由 I＝RE总知 I 变小，又 U＝E－Ir，电压表的读数 U 增大，B 正确；又由 U1＝IR1 及 P1＝I2R1可知 U1 变小，R1 消耗的功率 P1变小，D 错误；电容器两板间 的电压 U2＝U－U1，U2 变大，由场强 E′＝Ud2，Q＝CU2 可知 Q、E′ 都增大，故 A 正确，C 错误． [答案] AB
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2．(多选)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．将光学量转变成电学量 D．将电学量转变成力学量 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、 C 对，选项 D 错． 答案：ABC
[答案] c、d 减小
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电学量具有便于控制、放大、衰减、波形整理、显示、可储存、远距离 传输等技术方面的优点，尤其是将电学量与计算机技术结合，可以方便 地实现信息的采集、处理、输出的自动化和智能化，所以现代信息技术 与自动控制中常将非电学量转化成电学量进行信息收集．
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三、热敏电阻和金属热电阻
氧化锰热敏电阻
金属热电阻
特点 电阻率随温度的升高而 减小 电阻率随温度的升高而 增大
制作 材料
半导体
金属
优点
灵敏度好
化学 稳定性好，测温范围大
作用
将 温度 这个热学量转换为 电阻 这个电学量
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[思考] 热敏电阻是温度传感器中的重要元件，是不是所有的热 敏电阻的阻值都随温度的升高而下降？
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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
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解析：将永磁体的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＝kIdB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；地球赤道上的磁场沿水平方向，只有霍尔元件的工作面在竖 直方向且垂直于南北时，B 才与工作面垂直，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
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[思路点拨]
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[解析] 定值电阻 R′和滑动变阻器是串联的，当油箱中的油量减少时， 浮标下降，杠杆的左端下降，右端上翘，滑动变阻器连入电路的电阻增 大，分担的电压增大，定值电阻分担的电压减小，所以电压表应接在 c、 d 之间与定值电阻并联；油量减少，电压表示数减小．
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1．关于传感器工作的一般流程，下列说法中正确的是( ) A．非电学量→敏感元件→转换电路→电学量→转换元件 B．电学量→敏感元件→转换电路→转换元件→非电学量 C．非电学量→敏感元件→转换元件→转换电路→电学量 D．非电学量→转换电路→转换元件→敏感元件→电学量
IB 加与薄片垂直的 磁场B ，则 M、N 间出现霍尔电压 UH，UH＝ k d . 3．作用：把 磁感应强度 这个磁学量转换为 电压 这个电学量．
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[判断] (1)霍 尔 元 件 一 共 有 两 个 电 极 ， 电 压 这 个 电 学 量就 通过 这 两 个 电 极 输 出．( × ) (2)霍尔电压与组成霍尔元件的材料无关．( × ) (3)霍尔元件能够把磁感应强度这个磁学量转换为电压这个电学量．( √ )
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2．传感器的原理 传感器感受的通常是非电学量，如力、温度、位移、浓度、速度、酸碱 度等，而输出的通常是电学量，如电压、电流、电荷量等．这些输出的 信号是非常微弱的，通常需要经过放大后，再传送给控制系统产生各种 控制动作．
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1 传感器及其工作原理
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[课标解读] 1.知道什么是传感器，理解传感器的工作原理.2.掌握 制作传感器的常用元件：光敏电阻、热敏电阻、金属热电阻、霍尔元件 等基本特性及工作原理.3.初步掌握各种常用元件的简单应用．
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01 课前 自主梳理 02 课堂 合作探究 03 课后 巩固提升
课时作业
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一、传感器 1．定义：能够感受诸如力、温度、光、声、化学成分等 非电学 量， 并能把它们按照一定的规律转换为电压、电流等 电学 量，或转换为电 路的 通断 的元件． 2．非电学量转换为电学量的意义：把 非电学量 转换为电学量，可以 方便地进行测量、传输、处理和 控制 ．
提示：不是．正温度系数热敏电阻器(PTC)在温度升高时电阻值增大， 负温度系数热敏电阻器(NTC)在温度升高时电阻值减小．
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四、霍尔元件 1.构造：很小的矩形 半导体 薄片上，制作四个电极 E、F、M、N. 2．霍尔电压：如图，E、F 间通入恒定电流 I，同时外
(1)热敏电阻：用半导体材料制成，电阻值随温度变化
发生明显变化的电阻．如图①所示为某热敏电阻的电
阻—温度特性曲线．
(2)金属热电阻：有些金属的电阻率随温度的升高而增
大，如图②所示，这样的电阻也可以制作温度传感器．
热敏电阻或金属热电阻都能够把温度这个热学量转换为电阻这个电学
量，但相比而言，金属热电阻的化学稳定性好，测温范围大，而热敏电
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[思考] 火灾探测器的核心元件为光敏传感器，当烟雾在空气 中的浓度超过设定值时，可以触发报警，并对外发出 声光报警信号．此时传感器是将什么量进行转化的？ 提示：传感器是将烟雾产生的光学量转化为电路的电学量，使电路接通， 从而对外发出声光报警信号．
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[特别提醒] 在分析传感器的作用时要明确 (1)核心元件是什么． (2)它是怎样将非电学量转化为电学量的． (3)它怎样显示或控制开关的．
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[例 1] 如图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，你认为电压表应该接在图中的________两点之间，按照你的 接法请回答：当油箱中油量减少时，电压表的示数将________(选填“增 大”或“减小”)．
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[特别提醒] 按热敏电阻随温度变化的规律，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，正温度系数的热敏电阻随温度升高电阻增 大，负温度系数的热敏电阻随温度升高电阻减小．
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[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( ) 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