物理32人教版精编习题 含详解答案 第六章第一节传感器及其工作原理教案.docx
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物理32人教版精编习题含详解答案第六章第一节传感器及其工作原理教案
第六章 传感器
第一节 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、什么是传感器(阅读教材第52页第1段至第3段)
1.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.
▏拓展延伸►———————————————————(解疑难)
1.敏感元件:
相当于人的感觉器官,直接感受被测量,并将其变换成与被测量成一定关系的易于测量的物理量,如温度、位移等.
2.转换元件:
也称为传感元件,通常不直接感受被测量,而是将敏感元件输出的物理量转换成电学量输出.
3.转换电路:
是将转换元件输出的电学量转换成易于测量的电学量,如电压、电流等.
4.传感器的工作原理
1.为解决楼道里的照明问题,在楼道内安装一个传感器与控制电灯的电路连接.当楼道内有人走动而发出声响时,电灯即与电源接通而发光,这种传感器是什么传感器,它的输入、输出信号各是什么?
提示:
它是声电传感器,输入的是声信号,输出的是电信号.
二、光敏电阻、热敏电阻和金属热电阻
(阅读教材第53页至第54页)
1.光敏电阻
(1)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.
(2)作用:
把光照强度这个光学量转换为电阻这个电学量.
2.金属热电阻
金属的电阻率随着温度的升高而增大.用金属丝制作温度传感器,称为热电阻.
3.热敏电阻
有些半导体在温度上升时导电能力增强,因此可以用半导体材料制作热敏电阻.
▏拓展延伸►———————————————————(解疑难)
1.热敏电阻随温度的变化非常明显,而金属热电阻的化学稳定性好,测温范围大,但灵敏度较差.
2.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.
2.
(1)有光照射时,光敏电阻的阻值变大.( )
(2)热敏电阻在温度升高时阻值变小.( )
(3)金属热电阻在温度升高时阻值变小.( )
提示:
(1)×
(2)√ (3)×
三、霍尔元件(阅读教材第55页第1段至第4段)
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洛伦兹力作用下,向着与电流和磁场都垂直的方向漂移,使M、N间出现电压(如图所示).
3.霍尔电压:
UH=k
,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成正比.
4.作用:
把磁感应强度这个磁学量转换为电压这个电学量.
▏拓展延伸►———————————————————(解疑难)
外部磁场的洛伦兹力使运动的载流子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:
UH=k
.UH的变化与B成正比是霍尔元件能把磁学量转换成电学量的原因.
3.
(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.( )
提示:
(1)×
(2)× (3)√
光敏电阻、热敏电阻的特性
[学生用书P66]
此类题目主要考察光敏电阻或热敏电阻在电路中对电路的电压、电流的影响,解决问题时注意光照对光敏电阻阻值的影响或温度对热敏电阻阻值的影响.
———————————(自选例题,启迪思维)
1.(2015·山东省实验中学高二检测)火灾多发季节,某同学根据学习的传感器知识设计了如图所示的火警报警系统原理图,M是一小型理想变压器,接线柱a、b接在电压u=311sin314t(V)的正弦交流电源上,变压器右侧部分为一火警报警系统原理图,其中R2为用半导体热敏材料制成的传感器,电流表A2为值班室的显示器,显示通过R1的电流,电压表V2显示加在报警器上的电压(报警器未画出),R3为一定值电阻.当传感器R2所在处出现火情时,以下说法中正确的是( )
A.A1的示数不变,A2的示数增大
B.A1的示数增大,A2的示数增大
C.V1的示数增大,V2的示数增大
D.V1的示数不变,V2的示数减小
[思路探究] 当出现火情时,R2的阻值如何变化?
[解析] 出现火情时,温度升高,R2减小,由于变压器原副线圈的电压不变,则V1的示数不变.副线圈的电流增大,则原线圈的电流也增大,所以A1的示数增大,R3的电压增大,则V2的示数减小,A2的示数减小,则A、B、C错误,D正确.
[答案] D
2.(2015·苏州中学高二检测)如图所示,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中电流减小
C.小灯泡的功率增大
D.电路的路端电压增大
[解析] 光的强度是被测量,光敏电阻R3为光敏感元件,同时也是转换器件.当光强度增大时,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,同时内电压增大,故电路路端电压减小,而电压表的示数增大,A项正确,D项错误.由路端电压减小,而R1两端电压增大,可知R2两端电压必减小,则R2中电流减小,B项正确;结合干路电流增大知流过小灯泡的电流必增大,则小灯泡的功率增大,C项正确.故选ABC.
[答案] ABC
[借题发挥] 解决含有热敏电阻和光敏电阻的电路动态分析问题时,首先要明确两种元件阻值大小的变化规律,然后根据闭合电路欧姆定律及串、并联电路的特点来分析电路中某一电阻变化而引起的整个电路中各部分电学量的变化情况.
霍尔效应的原理
[学生用书P67]
判断霍尔元件横向电场的电势高低,关键是先看载流子的正负,根据载流子受力平衡可得电势差为U=
,若令k=
(其中n和e对固定材料来说是定值),则U=k
.
———————————(自选例题,启迪思维)
1.如图所示,电流I流过长方体金属块,金属块宽度为d,高为h,有一磁感应强度为B的匀强磁场,垂直于纸面向里,金属块单位体积内的自由电子数为n,试问金属块上、下表面哪面电势高?
电势差是多少?
[思路探究]
(1)金属导体中自由电荷是什么?
(2)自由电荷在图示磁场中所受洛伦兹力方向如何?
[解析] 因为载流子是自由电子,根据左手定则,让磁感线垂直穿过手心,四指指向电子运动的反方向(即电流方向),拇指指向即电子受洛伦兹力的方向,则上表面积累负电荷,下表面就多余等量的正电荷,即下表面的电势高.当电场力与洛伦兹力平衡时,上、下表面的电压稳定,即eE场=
=evB
又知导体中电流I=nevS=nev·hd
联立方程得U=
.
[答案] 见解析
2.(2013·高考重庆卷)如图所示,一段长方体形导电材料,左右两端面的边长都为a和b,内有带电量为q的某种自由运动电荷.导电材料置于方向垂直于其前表面向里的匀强磁场中,内部磁感应强度大小为B.当通以从左到右的稳恒电流I时,测得导电材料上、下表面之间的电压为U,且上表面的电势比下表面的低.由此可得该导电材料单位体积内自由运动电荷数及自由运动电荷的正负分别为( )
A.
,负B.
,正
C.
,负D.
,正
[解析] 因为上表面的电势比下表面的低,根据左手定则,知道移动的电荷为负电荷.因qvB=q
,解得v=
,因电流I=nqvS=nqvab,解得n=
,故C正确,A、B、D错误.故选C.
[答案] C
[名师点评] 在霍尔现象中要明确定向移动的电荷是哪种电荷,才能分清电势的高低,负电荷向某一方向定向移动与正电荷向相反方向定向移动不等效.
思想方法——电容式传感器的分析方法
1.原理
电容器的电容C取决于极板正对面积S、极板间距离d及极板间电介质这几个因素,如果某一物理量(如角度θ、位移x、深度h等)的变化能引起上述某一因素的变化,从而引起电容的变化,那么测定电容器的电容就可以确定上述物理量的变化.
2.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
测定液面
高度h的
电容式传
感器
在导线芯的外面涂上一层绝缘物质,放入导电液体中,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,液面高度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
3.分析方法
电容式传感器中的电容C=
,电容的大小由ε、S、d三个量决定,当其中一个量变化时,电容变化,引起串并联电路中电流或电压发生变化.分清哪个量发生变化引起了电容的变化,是解决电容式传感器问题的关键.
[范例] 如图所示是电容式话筒的示意图,它是利用电容制作的传感器,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,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( )
A.距离变化B.正对面积变化
C.介质变化D.电压变化
[思路探究]
(1)明确电容器的两个极板是什么?
(2)话筒的振动膜前后振动时,引起电容器决定量中的哪个量发生变化?
[解析] 平行板电容器的电容C∝εrS/d,本例中的介质没有变化,正对面积也没有变化,引起电容变化的因素是板间距离d.故选A.
[答案] A
(2015·四川南充高二检测)如图所示为一测定液面高低的传感器示意图,A为固定的导体芯,B为导体芯外面的一层绝缘物质,C为导电液体,把传感器接到图示电路中,已知灵敏电流表指针偏转方向与电流方向相同.如果发现指针正向右偏转,则导电液体深度h的变化为( )
A.正在增大B.正在减小
C.不变D.无法确定
解析:
选B.由电源极性及电流方向可知,A、B构成的电容器上的电荷量减小,据C=
,电容C在减小,可推知正对面积S减小,即h在减小.故选B.
[随堂达标]
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
解析:
选B.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.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
解析:
选B.霍尔元件是将磁感应强度转换成电学量.
3.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.如图所示的电路,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
解析:
选AB.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′=
,Q=CU2可知Q、E′都增大,故A正确,C错误.
4.(选做题)如图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,以下说法中错误的是( )
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
解析:
选C.电子最终在电场力和洛伦兹力作用下处于平衡状态,有evB=
,解得UH=vBL,则将永磁体的一个磁极逐渐靠近霍尔元件的工作面时,B增大,则UH将变大,故A正确;地球赤道上方的地磁场方向水平,两极处的磁场方向竖直,在测地球赤道上方的地磁场强弱时,霍尔元件的工作面应保持竖直.在测量两极磁场强弱时,霍尔元件的工作面应水平,故B正确,C错误;改变磁感线与霍尔元件工作面的夹角,需将磁场进行分解,在垂直于工作面方向上的磁感应强度小于原磁场磁感应强度的大小,则UH将发生变化,故D正确.
[课时作业]
一、选择题
1.(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:
选ABC.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.
2.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.干簧管是一种电传感器
解析:
选C.当磁体靠近干簧管时,两个簧片被磁化而接通,所以干簧管能起到开关的作用.故选项C正确.
3.下列仪器或装置不是利用传感器的是( )
A.汽车防盗报警器
B.宾馆房间内的火灾报警器
C.工兵用的地雷探测仪
D.用钥匙打开房门
解析:
选D.A、B、C三种仪器都是将非电学量转换成电学量的装置,都是利用了传感器.用钥匙打开房门是利用了机械原理,不是利用的传感器.
4.唱卡拉OK用的话筒,内有传感器.其中有一种是动圈式的,它的工作原理是在弹性膜片后面粘接一个轻小的金属线圈,线圈处于永磁体的磁场中,当声波使膜片前后振动时,就将声音信号转变为电信号.下列说法正确的是( )
A.该传感器是根据电流的磁效应工作的
B.该传感器是根据电磁感应原理工作的
C.膜片振动时,穿过金属线圈的磁通量不变
D.膜片振动时,金属线圈中不会产生感应电动势
解析:
选B.如图所示动圈式话筒是利用电磁感应现象制成的.当声波使金属膜片振动时,连接在膜片上的线圈(叫音圈)随着一起振动.音圈在永磁铁的磁场中振动,其中就产生感应电流,感应电流的大小和方向都变化,振幅和频率的变化由声波决定,这就将声音信号转换成电信号,这个电信号经扩音器放大后传给扬声器,从扬声器中就传出放大的声音.
5.如图所示,将一光敏电阻接在多用电表两表笔上,将多用电表的选择开关置于欧姆挡,用光照射光敏电阻时,表针自左向右的偏角为θ;现用手掌挡住部分光线,表针自左向右的偏角为θ′,则可判断( )
A.θ′=θB.θ′<θ
C.θ′>θD.不能确定
解析:
选B.光敏电阻的阻值随光照强度的增强而减小,用手掌挡住部分光线,阻值变大,由欧姆挡的特点知,指针左偏,故指针自左向右的偏转角度变小.
6.如图所示的电路中,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相距不变,下列说法正确的是( )
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
解析:
选A.滑动触头P左移,使其电阻减小,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电流的效果.
7.如图是一火警报警系统的一部分电路示意图.其中R2为用半导体热敏材料制成的传感器,电流表为值班室的显示器,a、b之间接报警器.当传感器R2所在处出现火情时,显示器的电流I、报警器两端的电压U的变化情况是( )
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:
选B.出现火情时温度升高,R2减小,R总减小,I总增大,U内增大,Uab减小,UR1增大,U并减小,IA减小.
8.如图所示,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( )
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:
选C.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,热敏电阻R2的阻值增大,外电路电阻增大,电流表读数变小,R1两端电压减小,灯L两端电压增大,灯泡亮度变强,故C正确,其余各项均错.
9.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,电流表示数I1=2mA;当电流表的示数I2=3.6mA时,热敏电阻的温度是( )
A.60℃B.80℃
C.100℃D.120℃
解析:
选D.在20℃时,E=(Rg+R1)I1,得Rg=500Ω,在温度为t时,E=(Rg+R2)I2,即9=(500+R2)×3.6×10-3,得R2=2000Ω,从图乙可以看出t=120℃,故选D.
☆10.(多选)如图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,板内通有如图方向的电流,a、b是铜板上、下边缘的两点,则( )
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水溶液时,电势结果仍然一样
解析:
选AC.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a侧偏转,|φa-φb|=0,即不产生霍尔效应,故D选项错误.
二、非选择题
11.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.当油箱中油量减少时,电压表的示数将如何变化?
解析:
由题图可知,当油箱内液面高度变化时,R的金属滑片将会移动,从而引起R′两端电压的变化.当油量减
少时,R的数值会增大,电路中的电流会减小,c、d间的电压会减小.
答案:
减小
☆12.一种半导体材料称为“霍尔材料”,用它制成的元件称为“霍尔元件”,这种材料有可定向移动的电荷,称为“载流子”,每个载流子的电荷量大小为1个元电荷量,即q=1.6×10-19C,霍尔元件在自动检测、控制领域得到广泛应用,如录像机中用来测量录像磁鼓的转速、电梯中用来检测电梯门是否关闭以及自动控制升降电动机的电源的通断等.
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,水平放置在竖直方向上的磁感应强度B=1.5T的匀强磁场中,bc方向通有I=3.0A的电流,如图所示,沿宽度产生1.0×10-5V的横向电压.
(1)假定载流子是电子,a、b两端中哪端电势较高?
(2)薄板中形成电流I的载流子定向运动的速率多大?
解析:
(1)根据左手定则可确定a端电势高.
(2)当导体内由于载流子有沿电流方向所在的直线定向运动时,受洛伦兹力作用而产生横向分运动,产生横向电场,横向电场的电场力与洛伦兹力平衡时,导体横向电压稳定.设载流子沿电流方向所在直线定向移动的速度为v,横向电压为Uab,横向电场强度为E,电场力为Fe=eE=e
,磁场力FB=evB,平衡时
e=evB,
得v=
=6.7×10-4m/s.
答案:
(1)a
(2)6.7×10-4m/s
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