2020版高中物理 第六章 传感器 1 传感器及其工作原理

2020版高中物理 第六章 传感器 1 传感器及其工作原理

‎1　传感器及其工作原理 ‎[学习目标]　1.了解什么是传感器，感受传感技术在信息时代的作用与意义.2.知道将非电学量转化为电学量的意义.3.了解光敏电阻、热敏电阻、金属热电阻和霍尔元件的性能，知道其工作原理及作用．‎ 一、传感器及工作原理 ‎1．传感器的定义：能够感受诸如力、温度、光、声、化学成分等物理量，并能把它们按照一定的规律转换为便于传送和处理的另一个物理量(通常是电压、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．‎ 二、光敏电阻的特点及工作原理 ‎1．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，于是导电能力明显增强．‎ ‎2．光敏电阻是用半导体材料(如硫化镉)制成的．它的特点是光照越强，电阻越小．它能够把光照强弱这个光学量转换为电阻这个电学量．‎ 三、热敏电阻和金属热电阻的特点 ‎1．热敏电阻：用半导体材料制成．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．‎ ‎2．金属热电阻：金属的电阻率随温度升高而增大，利用这一特性，金属丝也可以制作成温度传感器，称为热电阻．‎ 四、霍尔元件的特点 ‎1．霍尔元件在电流、电压稳定时，载流子所受电场力和洛伦兹力二力平衡．‎ ‎2．霍尔电压：UH＝k(d为薄片的厚度，k为霍尔系数)．其中UH的变化与B成正比，所以霍尔元件能把磁感应强度这个磁学量转换成电压这个电学量．‎ ‎[即学即用]‎ ‎1．判断下列说法的正误．‎ ‎(1)传感器可以把非电学量转化为电学量．(　√　)‎ 7‎ ‎(2)光敏电阻的阻值随光照的强弱而变化，光照越强电阻越大．(　×　)‎ ‎(3)热敏电阻一般用半导体材料制作，导电能力随温度的升高而增强，但灵敏度低．(　×　)‎ ‎(4)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．如图1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，电流表的读数________(填“变大”或“变小”)，小灯泡的亮度________(填“变亮”或“变暗”)．‎ 图1‎ 答案　变小　变亮 一、传感器 ‎[导学探究]　干簧管结构：如图2所示，它只是玻璃管内封入的两个软磁性材料制成的簧片，接入图3电路，当条形磁铁靠近干簧管时：‎ ‎　‎ ‎　　　　 图2　　　　　　　　　图3‎ ‎(1)会发生什么现象，为什么？‎ ‎(2)干簧管的作用是什么？‎ 答案　(1)灯泡会亮，因为当条形磁铁靠近干簧管时，两个簧片被磁化而接通．‎ ‎(2)干簧管起到开关的作用，是一种能够感知磁场的传感器．‎ ‎[知识深化]‎ ‎1．传感器的原理 →→ ‎2．在分析传感器时要明确 ‎(1)核心元件是什么；‎ ‎(2)是怎样将非电学量转化为电学量；‎ ‎(3)是如何显示或控制开关的．‎ 例1　如图4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 7‎ 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．若将电压表分别接在b、c之间与c、d之间，当油量变化时，电压表的示数如何变化？‎ 图4‎ 答案　见解析 解析　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．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．‎ 二、光敏电阻 ‎[导学探究]　在工厂生产车间的生产线上安装计数器后，就可以准确得知生产产品的数量，如图5所示为光敏电阻自动计数器的示意图，其中R1为光敏电阻，R2为定值电阻．此光电计数器的基本工作原理是什么？‎ 图5‎ 答案　当光被产品挡住时，R1电阻增大，电路中电流减小，R2两端电压减小，信号处理系统得到低电压，每通过一个产品就获得一次低电压，并计数一次．‎ 例2　(多选)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 答案　ABC 7‎ 解析　当入射光强度增大时，R3阻值减小，外电路总电阻随R3的减小而减小，由闭合电路欧姆定律知，干路电流增大，R1两端电压增大，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项正确，D项错误．因路端电压减小，而R1两端电压增大，故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．‎ 三、热敏电阻和金属热电阻 ‎[导学探究]　如图7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7‎ 答案　由于酒精蒸发，热敏电阻RT温度降低，电阻值增大，表针将向左偏；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，表针将向右偏．‎ 例3　(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8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(　　)‎ 图8‎ 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 答案　AB 解析　当环境温度降低时，R2变大，电路的总电阻变大，由I＝知I变小，又U＝E－Ir，电压表的读数U增大，B正确；又由P1＝I2R1可知，R1消耗的功率P1变小，D错误；电容器两板间的电压U2＝U－U1，U1＝IR1，可知U1变小，U2变大，由场强E′＝，Q＝CU2可知Q、E′都增大，故A正确，C错误．‎ 7‎ 含有热敏电阻、光敏电阻电路的动态分析步骤 ‎1．明确热敏电阻(或光敏电阻)的阻值随温度(或光照强度)的增加是增大还是减小．‎ ‎2．分析整个回路的电阻的增减、电流的增减．‎ ‎3．分析部分电路的电压、电流如何变化．‎ 四、霍尔元件 ‎[导学探究]　如图9所示，在矩形半导体薄片E、F间通入恒定的电流I，同时外加与薄片垂直的磁场B，则M、N间会出现电压，称为霍尔电压UH.‎ 图9‎ ‎(1)分析为什么会出现电压．‎ ‎(2)试推导UH的表达式．‎ 答案　(1)薄片中的载流子在洛伦兹力的作用下，向着与电流和磁场都垂直的方向漂移，使M、N间出现了电压．‎ ‎(2)设薄片厚度为d，EF方向长度为l1，MN方向长度为l2，受力分析如图 当洛伦兹力与电场力平衡时，M、N间电势差达到稳定．‎ 即q＝qvB 再根据电流的微观表达式I＝nqvS，S＝l2d 整理得：UH＝ 令k＝，其中n为材料单位体积的载流子的个数，q为单个载流子的电荷量，它们均为常数．‎ 则有UH＝k.‎ ‎[知识深化]‎ 霍尔电势高低的判断方法：利用左手定则，即磁感线垂直穿入手心，四指指向电流方向，拇指指的方向为载流子的受力方向，若载流子是正电荷，则拇指所指的面为高电势面，若载流子是负电荷，则拇指所指的面为低电势面．‎ 例4　如图10所示，截面为矩形的金属导体，放在磁场中，当导体中通有电流时，导体的上、下表面的电势的关系(上板为M，下板为N)是(　　)‎ 7‎ 图10‎ A．φM>φN B．φM＝φN C．φM<φN D．无法判断 答案　A 解析　霍尔效应形成的原因是因为带电粒子在磁场中受到洛伦兹力作用而定向移动形成的．金属导体的载流子是电子，根据左手定则，电子受到向下的洛伦兹力作用，向N板运动，则M板剩下正电荷，所以φM>φN.故选A.‎ ‎1．(对传感器的理解)在电梯门口放置一障碍物，会发现电梯门不停地开关，这是由于在电梯门上装有的传感器是(　　)‎ A．光传感器 B．温度传感器 C．声传感器 D．磁传感器 答案　A ‎2．(光敏电阻的特性)如图11所示的电路中，电源两端的电压恒定，L为小灯泡，R为光敏电阻，R和L之间用挡板(未画出)隔开，LED为发光二极管(电流越大，发出的光越强)，且R与LED间距不变，下列说法中正确的是(　　)‎ 图11‎ A．当滑动触头P向左移动时，L消耗的功率增大 B．当滑动触头P向左移动时，L消耗的功率减小 C．当滑动触头P向右移动时，L消耗的功率可能不变 D．无论怎样移动滑动触头P，L消耗的功率都不变 答案　A 解析　滑动触头P 7‎ 左移，滑动变阻器接入电路的电阻减小，流过二极管的电流增大，从而发光增强，使光敏电阻R减小，最终达到增大流过灯泡的电流的效果．‎ ‎3．(热敏电阻的特性)如图12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12‎ 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 解析　R2与灯泡L并联后与R1串联，然后与电流表、电源构成闭合电路，当热敏电阻R2温度降低时，它的电阻值增大，外电路电阻增大，电流表读数减小，R1两端电压减小，灯泡L两端电压增大，灯泡亮度变强，故C正确，A、B、D均错误．‎ ‎4．(霍尔元件的认识及应用)(多选)如图13所示是霍尔元件的示意图，一块通电的铜板放在磁场中，铜板的前、后板面垂直于磁场，板内通有如图方向的电流，a、b是铜板上、下边缘的两点，则(　　)‎ 图13‎ A．电势φa＞φb B．电势φb＞φa C．仅电流增大时，|φa－φb|增大 D．其他条件不变，将铜板改为NaCl溶液时，电势结果仍然一样 答案　BC 解析　铜板中的自由电荷是电子，电子定向移动的方向与电流的方向相反，由左手定则可判断出电子因受洛伦兹力作用向a侧偏转，所以φb＞φa，B正确，A错误；因|φa－φb|＝k，所以电流增大时，|φa－φb|增大，C正确；若将铜板改为NaCl溶液，溶液中的正、负离子均向a侧偏转，|φa－φb|＝0，即不产生霍尔效应，故D错误．‎ 7‎