2019-2020年高中物理第三章傳感器第一節(jié)認(rèn)識傳感器第二節(jié)傳感器的原理學(xué)案粵教版選修.doc

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2019-2020年高中物理第三章傳感器第一節(jié)認(rèn)識傳感器第二節(jié)傳感器的原理學(xué)案粵教版選修 [學(xué)習(xí)目標(biāo)]　1.了解傳感器的概念和種類，知道將非電學(xué)量轉(zhuǎn)化成電學(xué)量的技術(shù)意義.2.知道常見敏感元件的工作原理.3.通過實(shí)驗(yàn)了解溫度傳感器、光電傳感器的工作原理，感悟基礎(chǔ)知識學(xué)習(xí)和應(yīng)用的重要性． 一、傳感器及傳感器的分類 [導(dǎo)學(xué)探究]　(1)當(dāng)你走進(jìn)一座大樓時(shí)，大堂的自動(dòng)門是如何“看到”你而自動(dòng)打開的？ (2)你知道小轎車上都有哪些傳感器嗎？ 答案　(1)人體發(fā)出的紅外線被傳感器接收后傳給自動(dòng)控制裝置的電動(dòng)機(jī)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)開關(guān)門． (2)有速度、轉(zhuǎn)速傳感器、溫度傳感器、加速度傳感器等． [知識梳理]　(1)傳感器是把非電學(xué)量變化轉(zhuǎn)換為電學(xué)量變化的一種元件．認(rèn)識傳感器就是明確傳感器如何“感受”非電學(xué)量，常見的“感受”方式有改變接入電路的電阻、電容等． (2)傳感器的組成：一般由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件和轉(zhuǎn)換電路三部分組成．(如圖1所示，以話筒為例) 圖1 (3)傳感器的分類 ①按被測量進(jìn)行劃分，可分為加速度傳感器、速度傳感器、位移傳感器、壓力傳感器、溫度傳感器、負(fù)荷傳感器、扭矩傳感器等． ②按傳感器的工作原理進(jìn)行劃分，可分為電阻應(yīng)變式傳感器、壓電式傳感器、電容式傳感器、渦流式傳感器、動(dòng)圈式傳感器、磁電式傳感器、差動(dòng)變壓器式傳感器等． ③按能量傳遞方式進(jìn)行劃分，可分為有源傳感器和無源傳感器兩大類． [即學(xué)即用]　判斷下列說法的正誤． (1)所有傳感器都是由半導(dǎo)體材料制成的．(　　) (2)傳感器不能感知?dú)馕叮?　　) (3)傳感器只能通過感知電壓的變化來傳遞信號．(　　) (4)金屬材料也可以制成傳感器．(　　) 答案　(1)　(2)　(3)　(4)√ 二、溫度傳感器的原理 [導(dǎo)學(xué)探究]　如圖2所示，將多用電表的選擇開關(guān)置于歐姆擋，再將電表的兩支表筆與負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻RT(溫度升高，電阻減小)的兩端相連，這時(shí)表針恰好指在刻度盤的正中央．若在RT上擦一些酒精，表針將如何偏轉(zhuǎn)？若用吹風(fēng)機(jī)將熱風(fēng)吹向熱敏電阻，表針將如何偏轉(zhuǎn)？ 圖2 答案　由于酒精蒸發(fā)，熱敏電阻RT溫度降低，電阻值增大，指針將向左偏；用吹風(fēng)機(jī)將熱風(fēng)吹向熱敏電阻，熱敏電阻RT溫度升高，電阻值減小，指針將向右偏． [知識梳理]　(1)溫度傳感器是一種將溫度變化轉(zhuǎn)換為電學(xué)量變化的裝置． (2)熱敏電阻：用半導(dǎo)體材料制成．按熱敏電阻阻值隨溫度變化而變化的規(guī)律，熱敏電阻可分為正溫度系數(shù)的熱敏電阻和負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻． ①正溫度系數(shù)的熱敏電阻隨溫度升高電阻增大． ②負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻(如氧化錳熱敏電阻)隨溫度升高電阻減?。? [即學(xué)即用]　判斷下列說法的正誤． (1)熱敏電阻是將溫度的高低這一熱學(xué)量轉(zhuǎn)化為電阻這一電學(xué)量．(　　) (2)利用溫度傳感器可測較低或較高的溫度．(　　) (3)利用溫度傳感器可以實(shí)現(xiàn)溫度自動(dòng)控制．(　　) (4)電飯煲蒸米飯，是根據(jù)蒸米飯的經(jīng)驗(yàn)時(shí)間，來設(shè)計(jì)固定的蒸飯時(shí)間．(　　) 答案　(1)√　(2)√　(3)√　(4) 三、光電傳感器的原理 [導(dǎo)學(xué)探究]　如圖3所示 圖3 (1)有光照射和無光照射時(shí)，光敏電阻ROS的阻值有何不同？ (2)改變光的照射強(qiáng)度，光敏電阻ROS的阻值有何變化？ 答案　(1)無光照射時(shí)，光敏電阻ROS電阻較大，電流表讀數(shù)較小；有光照射時(shí)，光敏電阻ROS電阻較小，電流表讀數(shù)較大． (2)ROS電阻隨光照的增強(qiáng)而減?。? [知識梳理] 1．光電傳感器是一種將光學(xué)量變化轉(zhuǎn)換為電學(xué)量變化的傳感器． 2．光敏電阻一般由半導(dǎo)體材料制成，其特點(diǎn)為光照越強(qiáng)，電阻越小． [即學(xué)即用]　判斷下列說法的正誤． (1)光敏電阻的阻值隨光線的強(qiáng)弱變化，光照越強(qiáng)電阻越?。?　　) (2)有光照在光敏電阻上，電阻上的自由電子會(huì)發(fā)生定向移動(dòng)．(　　) (3)光敏電阻的阻值只會(huì)隨人造光的強(qiáng)弱而變化，不能感知自然光的變化．(　　) 答案　(1)√　(2)　(3) 一、傳感器的理解 1．傳感器的原理： →→ 2．在分析傳感器時(shí)要明確： (1)核心元件是什么； (2)是怎樣將非電學(xué)量轉(zhuǎn)化為電學(xué)量； (3)是如何顯示或控制開關(guān)的． 例1　如圖4是一種測定油箱油量多少或變化多少的裝置．其中電源電壓保持不變，R是滑動(dòng)變阻器，它的金屬滑片是金屬桿的一端．在裝置中使用了一只電壓表(圖中沒有畫出)，通過觀察電壓表示數(shù)，可以了解油量情況．若將電壓表分別接在b、c之間與c、d之間，當(dāng)油量變化時(shí)，電壓表的示數(shù)如何變化？ 圖4 答案　見解析 解析　把電壓表接在b、c之間，油量增加時(shí)，R減小，電壓表的示數(shù)減??；油量減少時(shí)，R增大，電壓表的示數(shù)增大．把電壓表接在c、d之間，油量增加時(shí)，R減小，電路中電流增大，則R′兩端的電壓增大，電壓表的示數(shù)增大，同理，油量減少時(shí)，電壓表的示數(shù)減?。? 二、對光敏電阻、熱敏電阻的認(rèn)識及應(yīng)用 例2　(多選)在溫控電路中，通過熱敏電阻阻值隨溫度的變化可實(shí)現(xiàn)對電路相關(guān)物理量的控制．如圖5所示電路，R1為定值電阻，R2為半導(dǎo)體熱敏電阻(溫度越高電阻越小)，C為電容器．當(dāng)環(huán)境溫度降低時(shí)(　　) 圖5 A．電容器C的帶電荷量增大 B．電壓表的讀數(shù)增大 C．電容器C兩板間的電場強(qiáng)度減小 D．R1消耗的功率增大 答案　AB 解析　當(dāng)環(huán)境溫度降低時(shí)，R2變大，電路的總電阻變大，由I＝知I變小，又U＝E－Ir，電壓表的讀數(shù)U增大，B正確；又由P1＝I2R1可知，R1消耗的功率P1變小，D錯(cuò)誤；電容器兩板間的電壓U2＝U－U1，U1＝IR1，可知U1變小，U2變大，由場強(qiáng)E′＝，Q＝CU2可知Q、E′都增大，故A正確，C錯(cuò)誤． 例3　(多選)如圖6所示，R1、R2為定值電阻，L為小燈泡，R3為光敏電阻，當(dāng)入射光強(qiáng)度增大時(shí)(　　) 圖6 A．電壓表的示數(shù)增大 B．R2中電流減小 C．小燈泡的功率增大 D．電路的路端電壓增大 答案　ABC 解析　當(dāng)入射光強(qiáng)度增大時(shí)，R3阻值減小，外電路電阻隨R3的減小而減小，R1兩端電壓因干路電流增大而增大，從而電壓表的示數(shù)增大，同時(shí)內(nèi)電壓增大，故電路的路端電壓減小，A項(xiàng)正確，D項(xiàng)錯(cuò)誤．因路端電壓減小，而R1兩端電壓增大，故R2兩端電壓必減小，則R2中電流減小，故B項(xiàng)正確．結(jié)合干路電流增大知流過小燈泡的電流必增大，故小燈泡的功率增大，C項(xiàng)正確． 含有熱敏電阻、光敏電阻電路的動(dòng)態(tài)分析步驟 (1)明確熱敏電阻(或光敏電阻)的阻值隨溫度(或光線強(qiáng)弱)是增大還是減小． (2)分析整個(gè)回路的電阻的增減，電流的增減． (3)分析部分電路的電壓、電流如何變化. 1．關(guān)于傳感器，下列說法正確的是 (　　) A．所有傳感器都是由半導(dǎo)體材料制成的 B．金屬材料也可以制成傳感器 C．傳感器主要是通過感知電壓的變化來傳遞信號的 D．水銀溫度計(jì)是一種傳感器 答案　B 解析　大多數(shù)傳感器是由半導(dǎo)體材料制成的，某些金屬也可以制成傳感器，如金屬熱電阻，故A錯(cuò)，B對；傳感器將非電學(xué)量轉(zhuǎn)換為電學(xué)量，因此傳感器感知的應(yīng)該是“非電信號”，故C錯(cuò)；水銀溫度計(jì)能感受熱學(xué)量，但不能把熱學(xué)量轉(zhuǎn)化為電學(xué)量，因此不是傳感器，故D錯(cuò)． 2．如圖7所示的電路中，電源兩端的電壓恒定，L為小燈泡，R為光敏電阻，LED為發(fā)光二極管(電流越大，發(fā)出的光越強(qiáng))，且R與LED間距不變，下列說法中正確的是(　　) 圖7 A．當(dāng)滑動(dòng)觸頭P向左移動(dòng)時(shí)，L消耗的功率增大 B．當(dāng)滑動(dòng)觸頭P向左移動(dòng)時(shí)，L消耗的功率減小 C．當(dāng)滑動(dòng)觸頭P向右移動(dòng)時(shí)，L消耗的功率可能不變 D．無論怎樣移動(dòng)滑動(dòng)觸頭P，L消耗的功率都不變 答案　A 解析　滑動(dòng)觸頭P左移，其電阻減小，流過二極管的電流增大，從而發(fā)光增強(qiáng)，使光敏電阻R減小，最終達(dá)到增大流過燈泡的電流的效果． 選擇題(1～5題為單選題，6～9題為多選題) 1．霍爾元件能(　　) A．把溫度這個(gè)熱學(xué)量轉(zhuǎn)換成電阻這個(gè)電學(xué)量 B．把磁感應(yīng)強(qiáng)度這個(gè)磁學(xué)量轉(zhuǎn)換成電壓這個(gè)電學(xué)量 C．把力這個(gè)力學(xué)量轉(zhuǎn)換成電壓這個(gè)電學(xué)量 D．把光照強(qiáng)弱這個(gè)光學(xué)量轉(zhuǎn)換成電阻這個(gè)電學(xué)量 答案　B 解析　根據(jù)霍爾元件的工作原理，載流子在洛倫茲力作用下漂移，形成霍爾電壓，所以，它將磁感應(yīng)強(qiáng)度這個(gè)磁學(xué)量轉(zhuǎn)換成電壓這個(gè)電學(xué)量，故B正確． 2.如圖1所示，R3是光敏電阻(光照時(shí)電阻變小)，當(dāng)開關(guān)S閉合后，在沒有光照射時(shí)，a、b兩點(diǎn)等電勢．當(dāng)用光照射電阻R3時(shí)，則(　　) 圖1 A．a(chǎn)點(diǎn)電勢高于b點(diǎn)電勢 B．a(chǎn)點(diǎn)電勢低于b點(diǎn)電勢 C．a(chǎn)點(diǎn)電勢等于b點(diǎn)電勢 D．a(chǎn)點(diǎn)電勢和b點(diǎn)電勢的大小無法比較 答案　A 解析　R3是光敏電阻，當(dāng)有光照射時(shí)電阻變小，R3兩端電壓減小，故a點(diǎn)電勢升高，因其他電阻的阻值不變，所以a點(diǎn)電勢高于b點(diǎn)電勢，故A正確． 3.如圖2所示，是電容式話筒的示意圖，它是利用電容制成的傳感器，話筒的振動(dòng)膜前面有薄薄的金屬層，膜后距膜幾十微米處有一金屬板，振動(dòng)膜上的金屬層和這個(gè)金屬板構(gòu)成電容器的兩極．在兩極間加一電壓U，人對著話筒說話時(shí)，振動(dòng)膜前后振動(dòng)，使電容發(fā)生變化，從而使聲音信號被話筒轉(zhuǎn)化為電信號，其中導(dǎo)致電容變化的原因是電容器兩板間的 (　　) 圖2 A．距離變化 B．正對面積變化 C．電介質(zhì)變化 D．電壓變化 答案　A 解析　振動(dòng)膜前后振動(dòng)，使振動(dòng)膜上的金屬層與金屬板間的距離發(fā)生變化，從而將聲音信號轉(zhuǎn)化為電信號，故A正確． 4．溫度傳感器廣泛應(yīng)用于室內(nèi)空調(diào)、電冰箱等家用電器中，它是利用熱敏電阻的阻值隨溫度變化的特性來工作的．如圖3甲所示，電源的電動(dòng)勢E＝9V，內(nèi)阻不計(jì)；G為靈敏電流表，內(nèi)阻Rg保持不變；R為熱敏電阻，其電阻阻值與溫度的變化關(guān)系如圖乙所示．閉合開關(guān)S，當(dāng)R的溫度等于20℃時(shí)，電流表的示數(shù)I1＝2mA；當(dāng)電流表的示數(shù)I2＝3.6mA時(shí)，熱敏電阻的溫度是(　　) 圖3 A．60℃B．80℃C．100℃D．120℃ 答案　D 解析　在20℃時(shí)，E＝(Rg＋R1)I1，得Rg＝500Ω，在溫度為t時(shí)，E＝(Rg＋R2)I2，代入數(shù)據(jù)得R2＝2000Ω，從題圖乙中可以看出t＝120℃，故選D. 5.在輸液時(shí)，藥液有時(shí)會(huì)從針口流出體外，為了及時(shí)發(fā)現(xiàn)，設(shè)計(jì)了一種報(bào)警裝置，電路如圖4所示．M是貼在針口處的傳感器，接觸到藥液時(shí)其電阻RM發(fā)生變化，導(dǎo)致S兩端的電壓U增大，裝置發(fā)出警報(bào)，此時(shí)(　　) 圖4 A．RM變大，且R越大，U增大越明顯 B．RM變大，且R越小，U增大越明顯 C．RM變小，且R越大，U增大越明顯 D．RM變小，且R越小，U增大越明顯 答案　C 解析　當(dāng)RM變大時(shí)，回路的總電阻R總變大，根據(jù)I總＝，得干路中的電流減小，S兩端的電壓U＝I總RS減小，故選項(xiàng)A、B錯(cuò)誤；當(dāng)RM變小時(shí)，回路的總電阻R總變小，根據(jù)I總＝，得干路中的電流增大，S兩端的電壓U＝I總RS增大，而且R越大，RM變小時(shí)，對回路的總電阻變化的影響越明顯，即U增大越明顯，故選項(xiàng)C正確，選項(xiàng)D錯(cuò)誤． 6.如圖5所示為一種自動(dòng)跳閘的閘刀開關(guān)，O是轉(zhuǎn)軸，A是絕緣手柄，C是閘刀卡口，M、N接電源線，閘刀處于垂直紙面向里、磁感應(yīng)強(qiáng)度B＝1T的勻強(qiáng)磁場中，C、O間距離為10cm.當(dāng)磁場力為0.2N時(shí)，閘刀開關(guān)會(huì)自動(dòng)跳開．則要使閘刀開關(guān)能跳開，CO中通過的電流的大小和方向?yàn)?　　) 圖5 A．電流方向C→O B．電流方向O→C C．電流大小為2A D．電流大小為1A 答案　BC 解析　只有當(dāng)OC受到向左的安培力時(shí)，閘刀才能自動(dòng)跳開，根據(jù)左手定則知電流的方向是O→C，CO所受安培力大小為F安＝BIL＝1I0.1N＝0.2N，從而解得I＝2A. 7.如圖6所示是利用硫化鎘制成的光敏電阻自動(dòng)計(jì)數(shù)的示意圖，其中A是發(fā)光儀器，B是光敏電阻(光照增強(qiáng)時(shí)電阻變小)，下列說法中正確的是 (　　) 圖6 A．當(dāng)傳送帶上沒有物品擋住由A射向B的光信號時(shí)，光敏電阻的阻值變小，電壓表讀數(shù)變小 B．當(dāng)傳送帶上沒有物品擋住由A射向B的光信號時(shí)，光敏電阻的阻值變大，電壓表讀數(shù)變大 C．當(dāng)傳送帶上有物品擋住由A射向B的光信號時(shí)，光敏電阻的阻值變小，電壓表讀數(shù)變小 D．當(dāng)傳送帶上有物品擋住由A射向B的光信號時(shí)，光敏電阻的阻值變大，電壓表讀數(shù)變大 答案　AD 解析　光敏電阻的阻值與光照強(qiáng)度有關(guān)，光照強(qiáng)度越大，光敏電阻阻值越?。?dāng)傳送帶上沒有物品擋住由A射向B的光信號時(shí)，光敏電阻阻值變小，電路中電流變大，電源內(nèi)阻上的電壓變大，路端電壓變小，所以電壓表讀數(shù)變小，選項(xiàng)A正確；相反，當(dāng)傳送帶上有物品擋住由A射向B的光信號時(shí)，光敏電阻的阻值變大，電路中電流變小，電源內(nèi)阻上的電壓變小，路端電壓變大，所以電壓表讀數(shù)變大，選項(xiàng)D正確． 8．電容式傳感器是用來將非電信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柕难b置．由于電容器的電容C取決于極板正對面積S、極板間距離d以及極板間的電介質(zhì)這幾個(gè)因素，當(dāng)某一物理量發(fā)生變化時(shí)就能引起上述某個(gè)因素的變化，從而引起電容的變化，如圖7所示是四個(gè)電容式傳感器的示意圖，關(guān)于這四個(gè)傳感器的作用，下列說法正確的是(　　) 圖7 A．甲圖的傳感器可以用來測量角度 B．乙圖的傳感器可以用來測量液面的高度 C．丙圖的傳感器可以用來測量壓力 D．丁圖的傳感器只能用來測量速度 答案　ABC 9.壓敏電阻的阻值會(huì)隨所受壓力的增大而減小，某位同學(xué)利用壓敏電阻設(shè)計(jì)了判斷電梯運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的裝置，其裝置示意圖如圖8所示，將壓敏電阻平放在電梯內(nèi)，受壓面朝上，在上面放一物體m，電梯靜止時(shí)電流表示數(shù)為I0，電梯在不同的運(yùn)動(dòng)過程中，電流表的示數(shù)分別如圖9甲、乙、丙、丁所示，下列判斷中正確的是(　　) 圖8 圖9 A．甲圖表示電梯可能做勻速直線運(yùn)動(dòng) B．乙圖表示電梯可能做勻加速上升運(yùn)動(dòng) C．丙圖表示電梯可能做勻加速上升運(yùn)動(dòng) D．丁圖表示電梯可能做勻減速下降運(yùn)動(dòng) 答案　AB 解析　甲圖中電流表示數(shù)和靜止時(shí)相等，故可能做勻速直線運(yùn)動(dòng)，A正確．乙圖中電流表示數(shù)為2I0，且保持不變，故壓敏電阻所受壓力增大，電阻變小，物體超重，電梯可能勻加速上升，B正確．丙、丁圖中電流表的示數(shù)隨時(shí)間變化，故電梯的加速度是變化的，不可能是勻加速或勻減速，C、D錯(cuò)誤．