学年人教版选修32 61传感器及其工作原理学案.docx
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学年人教版选修3261传感器及其工作原理学案
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
[导学探究] 干簧管结构:
如图1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2电路,当磁铁靠近干簧管时:
图1
图2
(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.
[知识梳理] 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.
[即学即用] (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
答案 ABC
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,D错.
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3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3
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.
[知识梳理] 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.
[即学即用] 判断下列说法的正误.
(1)光敏电阻的阻值随光线的强弱变化,光照越强电阻越小.( )
(2)有光照在光敏电阻上,电阻上的自由电子会发生定向移动.( )
(3)光敏电阻的阻值只会随人造光的强弱而变化,不能感知自然光的变化.( )
答案
(1)√
(2)× (3)×
三、热敏电阻和金属热电阻
图4
[导学探究] 如图4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?
答案 由于酒精蒸发,热敏电阻RT温度降低,电阻值增大,指针将向左偏;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,指针将向右偏.
[知识梳理] 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.
[即学即用] 判断下列说法的正误.
(1)热敏电阻在温度升高时阻值变小.( )
(2)金属热电阻在温度升高时阻值变小.( )
(3)金属热电阻的化学稳定性好,测温范围大.( )
(4)热敏电阻用半导体材料制作,所以没有金属热电阻的灵敏度高.( )
答案
(1)×
(2)× (3)√ (4)×
四、霍尔元件
[导学探究]
图5
如图5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.
(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
.
[知识梳理] 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与B成正比,所以霍尔元件能把磁学量转换成电学量.
[即学即用] 判断下列说法的正误.
(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)把霍尔元件放入磁场中,由于电磁感应现象,在元件的电极间产生感应电动势.( )
(3)霍尔电压与组成霍尔元件的材料无关.( )
(4)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.( )
答案
(1)×
(2)× (3)× (4)√
一、传感器的理解
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6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.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6
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.
答案 见解析
二、对光敏电阻、热敏电阻的认识及应用
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( )
图7
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.
例3
(多选)如图8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8
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
解析 当入射光强度增大时,R3阻值减小,外电路电阻随R3的减小而减小,R1两端电压因干路电流增大而增大,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.
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(或光线强弱)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.
三、霍尔元件的认识及应用
例4
在一次实验中,一块霍尔材料制成的薄片宽
=1.0×10-2m、长
=4.0×10-2m、厚h=1×10-3m,水平放置在方向竖直向上的磁感应强度大小为B=1.5T的匀强磁场中,bc方向通有I=3.0A的电流,如图9所示,沿薄片宽度产生1.0×10-5V的横向电压.
图9
(1)假定载流子是电子,a、b两端中的哪端电势较高?
(2)薄片上形成电流I的载流子定向运动的速率多大?
(保留两位有效数字)
答案
(1)a
(2)6.7×10-4m/s
解析
(1)根据左手定则可确定a端电势高.
(2)设电子沿电流反方向所在直线定向移动的速率为v,横向电压为Uab,横向电场强度为E,则静电力为F电=E·e=
·e,洛伦兹力F=evB,平衡时有
·e=evB,得v=
≈
6.7×10-4m/s.
霍尔电势高低的判断方法:
利用左手定则,即四指指向电流方向,磁感线垂直穿入手心,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.
1.关于传感器,下列说法正确的是( )
A.所有传感器都是由半导体材料制成的
B.金属材料也可以制成传感器
C.传感器主要是通过感知电压的变化来传递信号的
D.水银温度计是一种传感器
答案 B
解析 大多数传感器是由半导体材料制成的,某些金属也可以制成传感器,如金属热电阻,故A错,B对;传感器将非电学量转换为电学量,因此传感器感知的应该是“非电信号”,故C错;水银温度计能感受热学量,但不能把热学量转化为电学量,因此不是传感器,故D错.
2.如图10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,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10
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左移,其电阻减小,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.(多选)如图11所示是霍尔元件的示意图,一块通电的铜板放在磁场中,板面垂直于磁场,板内通有如图所示方向的电流,a、b是铜板上、下边缘的两点,则( )
图11
A.电势φa>φb
B.电势φb>φa
C.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 AC
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而向b侧偏转,所以φa>φb,A对,B错;因|φa-φb|=k
,所以电流增大时,|φa-φb|增大,C对;若将铜板改为NaCl溶液,溶液中的正、负离子均向b侧偏转,|φa-φb|=0,即不产生霍尔效应,故D选项错误.
一、选择题(1~6题为单选题,7~11题为多选题)
1.霍尔元件能( )
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
解析 根据霍尔元件的工作原理,载流子在洛伦兹力作用下漂移,形成霍尔电压UH=k
,所以,它将磁感应强度这个磁学量转换成电压这个电学量,故B正确.
2.如图1所示,R3是光敏电阻(光照时电阻变小),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1
A.a点电势高于b点电势
B.a点电势低于b点电势
C.a点电势等于b点电势
D.a点电势和b点电势的大小无法比较
答案 A
解析 R3是光敏电阻,当有光照射时电阻变小,R3两端电压减小,故a点电势升高,因其他电阻的阻值不变,所以a点电势高于b点电势,故A正确.
3.如图2所示,是电容式话筒的示意图,它是利用电容制成的传感器,话筒的振动膜前面有薄薄的金属层,膜后距膜几十微米处有一金属板,振动膜上的金属层和这个金属板构成电容器的两极.在两极间加一电压U,人对着话筒说话时,振动膜前后振动,使电容发生变化,从而使声音信号被话筒转化为电信号,其中导致电容变化的原因是电容器两板间的( )
图2
A.距离变化B.正对面积变化
C.电介质变化D.电压变化
答案 A
解析 振动膜前后振动,使振动膜上的金属层与金属板间的距离发生变化,从而将声音信号转化为电信号,故A正确.
4.如图3所示是观察电阻R的阻值随温度变化情况的示意图,现在把杯中的水由冷水变为热水,关于欧姆表的读数变化情况正确的是( )
图3
A.如果R为金属热电阻,读数变大,且变化非常明显
B.如果R为金属热电阻,读数变小,且变化不明显
C.如果R为热敏电阻(用半导体材料制作),读数变化非常明显
D.如果R为热敏电阻(用半导体材料制作),读数变化不明显
答案 C
解析 如果R为金属热电阻,则读数变大,但不会非常明显,故A、B均错;如果R为热敏电阻,读数变化非常明显,故C对,D错.
5.温度传感器广泛应用于室内空调、电冰箱等家用电器中,它是利用热敏电阻的阻值随温度变化的特性来工作的.如图4甲所示,电源的电动势E=9V,内阻不计;G为灵敏电流表,内阻Rg保持不变;R为热敏电阻,其电阻阻值与温度的变化关系如图乙所示.闭合开关S,当R的温度等于20℃时,电流表的示数I1=2mA;当电流表的示数I2=3.6mA时,热敏电阻的温度是( )
图4
A.60℃B.80℃C.100℃D.120℃
答案 D
解析 在20℃时,E=(Rg+R1)I1,得Rg=500Ω,在温度为t时,E=(Rg+R2)I2,代入数据得R2=2000Ω,从题图乙中可以看出t=120℃,故选D.
6.在输液时,药液有时会从针口流出体外,为了及时发现,设计了一种报警装置,电路如图5所示.M是贴在针口处的传感器,接触到药液时其电阻RM发生变化,导致S两端的电压U增大,装置发出警报,此时( )
图5
A.RM变大,且R越大,U增大越明显
B.RM变大,且R越小,U增大越明显
C.RM变小,且R越大,U增大越明显
D.RM变小,且R越小,U增大越明显
答案 C
解析 当RM变大时,回路的总电阻R总变大,根据I总=
,得干路中的电流减小,S两端的电压U=I总RS减小,故选项A、B错误;当RM变小时,回路的总电阻R总变小,根据
I总=
,得干路中的电流增大,S两端的电压U=I总RS增大,而且R越大,RM变小时,对回路的总电阻变化的影响越明显,即U增大越明显,故选项C正确,选项D错误.
7.关于干簧管,下列说法正确的是( )
A.干簧管接入电路中相当于电阻的作用
B.干簧管是根据热胀冷缩的原理制成的
C.干簧管接入电路中相当于开关的作用
D.干簧管是作为电控元件以实现自动控制的
答案 CD
解析 干簧管能感知磁场,是因为当两个簧片所处位置的磁场方向相同时,两个簧片被磁化而接通,所以是做开关来使用的,当磁场靠近或远离的时候,就会实现闭合或断开,故C、D正确,A、B错误.
8.如图6所示为一种自动跳闸的闸刀开关,O是转轴,A是绝缘手柄,C是闸刀卡口,M、N接电源线,闸刀处于垂直纸面向里、磁感应强度B=1T的匀强磁场中,C、O间距离为10cm.当磁场力为0.2N时,闸刀开关会自动跳开.则要使闸刀开关能跳开,CO中通过的电流的大小和方向为( )
图6
A.电流方向C→OB.电流方向O→C
C.电流大小为2AD.电流大小为1A
答案 BC
解析 只有当OC受到向左的安培力时,闸刀才能自动跳开,根据左手定则知电流的方向是O→C,CO所受安培力大小为F安=BIL=1×I×0.1N=0.2N,从而解得I=2A.
9.如图7所示是利用硫化镉制成的光敏电阻自动计数的示意图,其中A是发光仪器,B是光敏电阻(光照增强时电阻变小),下列说法中正确的是( )
图7
A.当传送带上没有物品挡住由A射向B的光信号时,光敏电阻的阻值变小,电压表读数变小
B.当传送带上没有物品挡住由A射向B的光信号时,光敏电阻的阻值变大,电压表读数变大
C.当传送带上有物品挡住由A射向B的光信号时,光敏电阻的阻值变小,电压表读数变小
D.当传送带上有物品挡住由A射向B的光信号时,光敏电阻的阻值变大,电压表读数变大
答案 AD
解析 光敏电阻的阻值与光照强度有关,光照强度越大,光敏电阻阻值越小.当传送带上没有物品挡住由A射向B的光信号时,光敏电阻阻值变小,电路中电流变大,电源内阻上的电压变大,路端电压变小,所以电压表读数变小,选项A正确;相反,当传送带上有物品挡住由A射向B的光信号时,光敏电阻的阻值变大,电路中电流变小,电源内阻上的电压变小,路端电压变大,所以电压表读数变大,选项D正确.
10.电容式传感器是用来将非电信号转变为电信号的装置.由于电容器的电容C取决于极板正对面积S、极板间距离d以及极板间的电介质这几个因素,当某一物理量发生变化时就能引起上述某个因素的变化,从而引起电容的变化,如图8所示是四个电容式传感器的示意图,关于这四个传感器的作用,下列说法正确的是( )
图8
A.甲图的传感器可以用来测量角度
B.乙图的传感器可以用来测量液面的高度
C.丙图的传感器可以用来测量压力
D.丁图的传感器只能用来测量速度
答案 ABC
11.压敏电阻的阻值会随所受压力的增大而减小,某位同学利用压敏电阻设计了判断电梯运动状态的装置,其装置示意图如图9所示,将压敏电阻平放在电梯内,受压面朝上,在上面放一物体m,电梯静止时电流表示数为I0,电梯在不同的运动过程中,电流表的示数分别如图10甲、乙、丙、丁所示,下列判断中正确的是( )
图9
图10
A.甲图表示电梯可能做匀速直线运动
B.乙图表示电梯可能做匀加速上升运动
C.丙图表示电梯可能做匀加速上升运动
D.丁图表示电梯可能做匀减速下降运动
答案 AB
解析 甲图中电流表示数和静止时相等,故可能做匀速直线运动,A正确.乙图中电流表示数为2I0,且保持不变,故压敏电阻所受压力增大,电阻变小,物体超重,电梯可能匀加速上升,B正确.丙、丁图中电流表的示数随时间变化,故电梯的加速度是变化的,不可能是匀加速或匀减速,C、D错误.
二、非选择题
12.如图11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UH、电流I和B的关系为UH=k
,式中的比例系数k称为霍尔系数.
霍尔效应可解释如下:
外部磁场的洛伦兹力使运动的电子聚集在导体板的一侧,在导体板的另一侧会出现多余的正电荷,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,导体板上下两侧面之间就会形成稳定的电势差.电流I是自由电子的定向移动形成的,电子的平均定向速率为v,电荷量为e.回答下列问题:
图11
(1)达到稳定状态时,导体板上侧面A的电势________(选填“高于”“低于”或“等于”)下侧面A′的电势.
(2)电子所受洛伦兹力的大小为________.
(3)当导体板上、下两侧面之间的电势差为UH时,电子所受静电力的大小为________.
(4)由静电力和洛伦兹力平衡的条件,证明霍尔系数k=
,其中n代表导体板单位体积中电子的个数.
答案
(1)低于
(2)evB (3)
e (4)见解析
解析
(1)电子向左做定向移动,由左手定则知电子受洛伦兹力的方向向上,故上侧面A积聚电子,下侧面A′积聚正电荷,上侧面的电势低于下侧面的电势.
(2)F洛=evB.
(3)F电=Ee=
e.
(4)当静电力和洛伦兹力平衡时:
e
=evB,UH=vBh.
又I=nevdh
由UH=k
,得k=
=
=
.
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