人教版物理选修3-2 第6章第1节 传感器及其工作原理

人教版物理选修3-2 第6章第1节 传感器及其工作原理

第6章 第一节 传感器及其工作原理 课标定位 学习目标：1.知道什么是传感器． 2．知道什么是光敏电阻、热敏电阻、金属热电阻 以及霍尔元件． 3．知道传感器的工作原理． 重点难点：对传感器工作原理的理解． 核心要点突破 课堂互动讲练 知能优化训练 第 一 节　 传 感 器 及 其 工 作 原 理 课前自主学案 课前自主学案 一、什么是传感器 1．定义：感受________量，并能把它们按照一定 的规律转换为______量，或转换为电路的______ 的一类元件． 非电学 电学 通断 二、光敏电阻 1．特点：电阻值随光照增强而______． 2．原因分析：光敏电阻由半导体材料制成，无 光照时，载流子___，导电性能___；随着光照的 增强，载流子______，导电性______． 3．作用：把__________这个光学量转换为 ______这个电学量． 减小 少 差 增多 增强 光照强度 电阻 三、热敏电阻和金属热电阻 热敏电阻 金属热电阻 特点 电阻率随温度升高而 减小 电阻率随温度升高 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 四、霍尔元件 1．组成：在一个很小的矩形半导体 薄片上，制作4个电极E、F、M、N, 就成为一个霍尔元件． 2．原理：E、F间通入恒定的电流 I，同时外加与薄片垂直的磁场B时, 薄片中的载流子就在______力作用 下,向着与______和______都垂直的 方向漂移，使M、N间出现______ (如图6－1－1所示)． 图6－1－1 磁场 磁场 电流 电压 3．霍尔电压：UH＝______，d为薄片厚度，k 为霍尔系数．一个霍尔元件的d、k为定值，若 保持I恒定，则UH的变化就与B成______． 4．作用：把____________这个磁学量转换为 _____这个电学量． 正比 磁感应强度 电压 核心要点突破 一、对热敏电阻和金属热电阻的理解 1．热敏电阻 图6－1－2 用半导体材料制成，其电阻值随温度变化明显， 如图6－1－2所示，(1)为某一热敏电阻的电阻—温 度特性曲线． 2．热敏电阻的两种型号及其特性 热敏电阻器是电阻值随温度变化而变化的敏感元 件．在工作温度范围内，电阻值随温度上升而增 大的是正温度系数(PTC)热敏电阻器；电阻值随温 度上升而减小的是负温度系数(NTC)热敏电阻 器． 3．热敏电阻的用途 热敏电阻器的用途十分广泛，主要应用于： (1)利用电阻——温度特性来测量温度、控制温度 和元件、器件、电路的温度补偿； (2)利用非线性特性完成稳压、限幅、开关、过流 保护作用； (3)利用不同媒质中热耗散特性的差异测量流量、 流速、液面等． 4．金属热电阻 有些金属的电阻率随温度的升高而增大，这样的电 阻也可以制作温度传感器，称为金属热电阻．如图 6－1－2中的(2)为金属导线电阻—温度特性曲线． 相比而言，金属热电阻化学稳定性好，测温范围大, 而热敏电阻的灵敏度较好． 特别提醒：热敏电阻和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，测量范围大，而热敏电 阻的灵敏度较高． 即时应用 (即时突破，小试牛刀) 1.如图6－1－3为电阻R随温度T变化的图线，下列 说法中正确的是(　　) 图6－1－3 A．图线1是热敏电阻的图线，它是用金属材料制成 的 B．图线2是热敏电阻的图线，它是用半导体材料制 成的 C．图线1的材料化学稳定性好、测温范围大、灵敏 度高 D．图线2的材料化学稳定性差、测温范围小、灵敏 度高 解析：选BD.热敏电阻是由半导体材料制成的，其 稳定性差，测温范围小，但灵敏度高，其电阻随着 温度的升高而减小．金属电阻阻值随温度的升高而 增大，图线1是金属电阻，图线2是热敏电阻． 二、霍尔元件 1．霍尔元件 如图6－1－4所示，在一个很小的矩形半导体(例如 砷化铟)薄片上，制作四个电极E、F、M、N，就成 为一个霍尔元件． 图6－1－4 2．霍尔效应的原理 外部磁场使运动的载流子受到洛伦兹力，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；横向电场对电 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，导体板左右两侧会形成 稳定的电压． 特别提醒：判断电势高低时首先明确载流子是正电 荷还是负电荷． 即时应用 (即时突破，小试牛刀) 2．霍尔元件能转换哪个物理量(　　) A．把温度这个热学量转换成电阻这个电学量 B．把磁感应强度这个磁学量转换成电压这个电学 量 C．把力这个力学量转换成电压这个电学量 D．把光照强弱这个光学量转换成电阻这个电学量 答案：B 如图6－1－5所示，R1、 R2为定值电阻，L为小灯泡，R3 为光敏电阻，当光照射到R3上的 光强度增大时(　　) 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 课堂互动讲练 光敏电阻的特性 图6－1－5 【思路点拨】　光敏电阻有随着光照强度的增强而 阻值减小的特征，由闭合电路欧姆定律及串并联的 分压、分流原理对电路进行动态分析． 【自主解答】　当照射光强度增大时，光敏电阻R3 的阻值变小，R3与L串联后再与R2并联的总电阻值 变小、干路中总电流变大，R1两端电压变大，A正 确；R2两端电压减小，通过R2的电流减小，B正确； 总电流变大，通过R2的减小，所以通过小灯泡L的 电流变大，灯泡变亮，功率增大，C正确．因为干路 中电流变大，内电压变大，路端电压变小，D错 误．故选ABC. 【答案】　ABC 【规律总结】　考查光敏电阻，常与直流电路相 联系．串并联电路的特点、动态分析成为这一类 问题考查的热点内容． 变式训练1　如图6－1－6所示，R3是光敏电阻， 当开关S闭合后在没有光照射时，a、b两点等电 势，当用光照射电阻R3时，则(　　) 图6－1－6 A．R3的电阻变小，a点电势高于b点电势 B．R3的电阻变小，a点电势低于b点电势 C．R3的电阻变大，a点电势高于b点电势 D．R3的电阻变大，a点电势低于b点电势 解析：选A.光照射R3时，由光敏电阻特性，R3的 电阻变小，所以UR3减小，a点电势升高，即a点 电势高于b点电势，A正确． 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6－1－7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(　　) 热敏电阻的特征 图6－1－7 A．电容器C的带电量增大 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 【规律总结】　解此类问题时，R2相当于一个滑 动变阻器．要把R2与金属热电阻区别开． 变式训练2　如图6－1－8所示，将万用表的选择 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的两端相连，这时表针恰 好指在刻度盘的正中间．若往Rt上擦一些酒精， 表针将向________(填“左”或“右”)移动；若用 吹风机将热风吹向电阻，表针将向________(填 “左”或“右”)移动． 图6－1－8 解析：若往Rt上擦一些酒精，由于酒精蒸发吸热， 热敏电阻Rt温度降低，电阻值增大，所以电流减小, 指针应向左偏；用吹风机将热风吹向电阻，电阻Rt 温度升高，电阻值减小，电流增大，指针向右偏． 答案：左　右 霍尔元件的特性 图6－1－9 【答案】　(1)evB (2)证明见精讲精析 变式训练3　如图6－1－10所示是霍尔元件的工作 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 电流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(　　) 图6－1－10 A．将永磁体的一个磁极逐渐靠近霍尔元件的工 作面时，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