【物理】2018届二轮复习分组探究一传感器的工作原理及分类学案

【物理】2018届二轮复习分组探究一传感器的工作原理及分类学案

分组探究一　传感器的工作原理及分类 第1步探究——分层设问，破解疑难 ‎1．传感器是起什么作用的元件？‎ ‎【提示】　传感器是一种将非电学量转换为电学量的元件．‎ ‎2．夜晚，楼道里漆黑一片．但随着我们的脚步声响，楼道的灯亮了，身后的灯则依次熄灭．这其中的奥妙是什么？‎ ‎【提示】　在电路中安装了一种能将声、光信号转换为电信号的传感器——声光延时开关．‎ 第2步结论——自我总结，素能培养 ‎1．传感器的工作原理 →→→→ 敏感元件：相当于人的感觉器宫，直接感受被测量并将其转换成与被测量成一定关系的易于测量的物理量．‎ ‎2．光敏电阻、热敏电阻、霍尔元件特性成因对比 元件 产生变化的原因 光敏电阻 半导体材料受到的光照增强时，会有更多的电子获得能量成为自由电子，同时空穴增多，即载流子数增多，于是导电性明显地增强，电阻减小 热敏电阻 对于负温度系数的热敏电阻，温度升高时，有更多的电子获得能量成为自由电子，同时空穴增多，即载流子数增多，于是导电性明显地增强，电阻减小 霍尔元件 霍尔元件两极间通入恒定的电流，同时外加与薄片垂直的磁场B时，薄片中的载流子就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，在另两极上形成电压 第3步例证——典例印证，思维深化 ‎　如图613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IUt关系曲线图．‎ 图613‎ 将该热敏电阻连入如图614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IUt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.‎ 图614‎ ‎【思路点拨】　IU图线中，图线的斜率表示电阻的倒数，从图甲可看出，该图线的斜率逐渐增大，故可知其阻值随着温度升高而减小．‎ ‎【解析】　电阻R1两端的电压为9 V，电阻R1＝250 Ω，故流过R1的电流I1＝＝ A＝‎0.036 A，所以流过热敏电阻的电流I＝I0－I1＝‎0.07 A－‎0.036 A＝‎0.034 A．由热敏电阻的IUt关系图线可知当I＝‎0.034 A＝34 mA时，Ut＝5.3 V，所以R2＝＝ Ω≈108.8 Ω.‎ ‎【答案】　5.3　108.8‎ 第4步巧练——精选习题，落实强化 ‎1．‎ 图615‎ 如图615所示，由电源、小灯泡、金属电阻丝、开关组成的电路中，当闭合开关S后，小灯泡正常发光，若用酒精灯加热电阻丝时，发现小灯泡亮度变暗，发生这一现象的主要原因是(　　)‎ A．小灯泡的电阻发生了变化 B．小灯泡灯丝的电阻率随温度发生了变化 C．电阻丝的电阻率随温度发生了变化 D．电源的电压随温度发生了变化 ‎【解析】　温度升高，金属电阻丝电阻率增大，电阻增大，电路中电流减小，灯泡亮度减弱．‎ ‎【答案】　C ‎2．如图616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，下列描述正确的是(　　)‎ 图616‎ 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 ‎【解析】　R2与灯L并联后与R1串联，与电源构成闭合电路．当温度降低时，电阻R2增大，外电路电阻增大，电路中电流减小，外电路电压增大，电流表读数减小，R1两端电压减小，灯L电压增大，灯泡亮度变强，故C正确，其余各项均错．‎ ‎【答案】　C 学生分组探究二　电容式传感器 第1步探究——分层设问，破解疑难 ‎1．平行板电容器的电容与哪些因素有关？‎ ‎【提示】　由C＝知平行板电容器的电容与εr、S成正比，与d成反比．‎ ‎2．电容式传感器是如何实现将非电学量转化为便于测量的电学量的？‎ ‎【提示】　极板正对面积及两极板间距离的变化、电介质插入极板间深度的变化，会引起电容器电容的变化，通过测定电容的变化就可以得出引起电容变化的非电学量的变化规律．‎ 第2步结论——自我总结，素能培养 常见电容式传感器 名称 传感器 原理 测定角度θ的电容式传感器 当动片与定片之间的角度θ发生变化时，引起极板正对面积S的变化，使电容C发生变化．知道C的变化，就可以知道θ的变化情况 测定液体深度h的电容式传感器 导线芯和导电液体构成电容器的两个极，导线芯外面的绝缘物质就是电介质，液体深度h发生变化时，引起正对面积发生变化，使电容C发生变化．知道C的变化，就可以知道h的变化情况 测定压力F的电容式传感器 待测压力F作用于可动膜片电极上的时候，膜片发生形变，使极板间距离d发生变化，引起电容C的变化．知道C的变化，就可以知道F的变化情况 测定位移x的电容式传感器 随着电介质进入极板间的长度发生变化，电容C发生变化．知道C的变化，就可以知道x的变化情况 第3步例证——典例印证，思维深化 图617‎ ‎　传感器是一种采集信息的重要器件，如图617是由电容器作为传感器来测定压力变化的电路，当待测压力作用于膜片电极上时，下列说法中正确的是 (　　)‎ ‎①若F向下压膜片电极，电路中有从a到b的电流；‎ ‎②若F向下压膜片电极，电路中有从b到a的电流；‎ ‎③若F向下压膜片电极，电路中不会有电流产生；‎ ‎④若电流表有示数，说明压力F发生变化；‎ ‎⑤若电流表有示数，说明压力F不会发生变化．‎ A．②④　 　B．①④　 　C．③⑤　 　D．①⑤‎ ‎【思路点拨】　根据C＝和C＝ →→→→ ‎【解析】　在电容器、电流表和电源串联成的闭合电路中，电容器两极板间电压U不变，当F向下压膜片电极时，电容器极板间距d变小，由C＝知，电容器电容C变大，根据Q＝CU知，极板带电量将增大，电容器充电，电路中有从b到a的电流，说法②正确；若电流表有示数，说明电容器有充放电，极板带电量发生变化，根据Q＝CU知，电容器电容C发生变化，从而判断出作用在可动膜片电极上的压力F发生变化，说法④正确．故A项正确．‎ ‎【答案】　A 电容式传感器可以将非电学量(如：介质的变化、距离的变化、正对面积的变化)转化为电信号，根据这一原理，利用电容式传感器也可以测定距离、面积等物理量，如果板间距离的变化是由压力引起的，那么也可以利用电容式传感器测压力．电容式传感器实际上是一个多功能传感器，可用来做压力、转角、位移、压强、声音等传感器，电容式传感器具有体积小、反应灵敏等优点．‎ 第4步巧练——精选习题，落实强化 ‎1．如图618所示为测定压力的电容式传感器，将平行板电容器、灵敏电流表(零刻度在中间)和电源串联成闭合回路，当压力F作用于可动膜片电极上时，膜片发生形变，引起电容的变化，导致灵敏电流表指针偏转，在对膜片开始施加压力使膜片电极从图中的虚线位置推到图中实线位置并保持固定的过程中，灵敏电流表指针偏转情况为(电流从电流表正接线柱流入时指针向右偏)(　　)‎ 图618‎ A．向右偏到某一刻度后回到零刻度 B．向左偏到某一刻度后回到零刻度 C．向右偏到某一刻度后不动 D．向左偏到某一刻度后不动 ‎【解析】　压力F作用时，极板间距d变小，由C＝知，电容器电容C变大，又根据Q＝CU，极板所带电荷量变大，所以电容器应充电，灵敏电流表中产生由正接线柱流入的电流，所以指针将右偏，极板保持固定后，充电结束，指针回到零刻度．‎ ‎【答案】　A 图619‎ ‎2．如图619所示的电路可将声音信号转化为电信号，该电路中右侧固定不动的金属板b与能在声波驱动下沿水平方向振动的镀有金属层的振动膜a构成一个电容器，a、b通过导线与恒定电源两极相接．声源S做位移x＝Asin(100πt)的振动，则(　　)‎ A．a振动过程中，a、b板间的电场强度不变 B．a振动过程中，a、b板所带电荷量不变 C．a振动过程中，灵敏电流表中始终有方向不变的电流 D．a向右的位移最大时，a、b板所构成的电容器的电容最大 ‎【解析】　由于平行板电容器两极板与电池两极相连接，因此两极板间的电压U保持不变，根据场强E＝，C＝可判断A错、D对．再由Q＝CU可知，B错．由于Q变化，使电容器出现充电、放电现象，显然电流表中电流方向不断变化，C错．‎ ‎【答案】　D 传感器问题中的电路动态分析技巧 分析该类问题时，关键要做到以下四点：‎ ‎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．‎ ‎　(多选)‎ 图6110‎ 如图6110所示，R1、R2为定值电阻，L为小灯泡，R3为光敏电阻，当照射光强度增大时(　　)‎ A．电压表的示数增大 B．R2中电流强度增大 C．小灯泡的功率增大 D．电源的路端电压降低 ‎【解析】　当照射光强度增大时，R3减小，则R外减小，由闭合电路欧姆定律I总＝知I总增大，U1＝I总R1增大，A正确．R2两端的电压U2＝E－I总(R1＋r)，知U2减小，则IR2＝将减小，B错误．流过灯泡的电流由IL＝I总－IR2知IL增大，小灯泡的功率增大，C正确．电源的路端电压为U路＝E－I总r，因I总增大，故U路减小，D正确．‎ ‎【答案】　ACD ‎——[先看名师指津]——————————————‎ ‎1．掌握热敏电阻的阻值随温度变化的规律和光敏电阻的阻值随光强的变化规律是解决这类问题的前提．‎ ‎2．掌握动态直流电路问题的分析程序是解决此类问题的关键．具体如下：‎ ‎(1)“先阻后流”，即先分析内电阻变化，然后根据闭合电路欧姆定律分析干路电流变化情况；‎ ‎(2)“先内后外”，即先分析内电压变化，再分析外电压变化；‎ ‎(3)“先干后支”，即先分析干路再分析并联支路；‎ ‎(4)“先定后变”，即先分析定值电阻上的电流、电压变化，再分析电阻发生变化的敏感元件上的电流与电压．‎ ‎——[再演练应用]———————————————‎ 如图6111是一火灾报警装置的一部分电路示意图，‎ 图6111‎ 其中R2是半导体热敏传感器，它的电阻随温度升高而减小，a、b接报警器．当传感器R2所在处出现火情时，电流表的电流I和a、b两端电压U与出现火情前相比(　　)‎ A．I变大，U变大　　　　　B．I变小，U变小 C．I变小，U变大 D．I变大，U变小 ‎【解析】　当传感器R2所在处出现火情时，温度升高，R2电阻减小，电路的总电阻减小，总电流I增大，路端电压Uab＝E－Ir减小，I(r＋R1)增大，U并＝E－I(r＋R1)减小，通过R3的电流I3减小，通过R2的电流I2＝I－I3增大，D项对．‎ ‎【答案】　D