2019-2020年高中物理 第3章 第1、2節(jié) 傳感器 溫度傳感器和光傳感器學案 教科版選修3-2.doc

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2019-2020年高中物理 第3章 第1、2節(jié) 傳感器 溫度傳感器和光傳感器學案 教科版選修3-2 [目標定位]　1.知道傳感器的定義，理解其工作原理.2.了解熱敏電阻、敏感元件的特性.3.了解幾種溫度傳感器及光傳感器的原理． 一、傳感器 [問題設計] 在現(xiàn)代生活中，我們時刻能感受到自動控制帶給我們的便利．如馬路上的路燈夜晚發(fā)光，白天自動熄滅；當你走近自動門時它會自動打開，當你離開時它會自動關閉；電冰箱啟動后，會自動控制壓縮機工作，使冰箱內保持所設定的低溫……，這其中的“機關”是什么？ 答案　在這些電路中分別安裝了不同的傳感器． [要點提煉] 1．定義：把被測的非電信息，按一定規(guī)律轉換成與之對應的電信息的器件或裝置． 2．傳感器的結構―→ 3．敏感元件能直接感受非電信息，并把其變換成易于測量的物理量，形成電信號．常見的敏感元件有力敏元件、光敏元件、熱敏元件、磁敏元件、氣敏元件等． 4．處理電路能把微小的信號進行放大，并除去干擾信號，使敏感元件輸出的電信號轉變成便于顯示、記錄、處理和控制的電學量． 二、敏感元件的原理 [問題設計] 1. 如圖1所示，將多用電表的選擇開關置于歐姆擋，再將多用電表的兩支表筆與負溫度系數(shù)的熱敏電阻Rt的兩端相連，這時表針恰好指在刻度盤的正中央．若在Rt上擦一些酒精，表針將如何擺動？若用吹風機將熱風吹向電阻，表針將如何擺動？ 圖1 答案　由于酒精蒸發(fā)，熱敏電阻Rt溫度降低，電阻值增大，指針應向左偏；用吹風機將熱風吹向電阻Rt，電阻Rt溫度升高，電阻值減小，指針將向右偏． 2．如圖2所示連接電路，把磁鐵靠近或遠離干簧管，觀察電路中所發(fā)生的現(xiàn)象．你認為干簧管起了什么作用？ 圖2 答案　把磁鐵靠近干簧管時，簧片在磁場的作用下會磁化為異名磁極相對的磁鐵．當磁力大于簧片的彈力時，兩者緊密地接觸，電路連通，燈亮．因此，干簧管串聯(lián)在電路中就成為一個由磁場控制的開關． [要點提煉] 1．熱敏電阻是用半導體材料制成的，它具有電阻隨溫度靈敏變化的特性，可以實現(xiàn)對溫度的測量． 2．干簧管是一種能感知磁場的敏感元件，在電路中的作用就是一個由磁場控制的開關． 三、溫度傳感器 [問題設計] 如圖3所示為電熨斗的構造，其中雙金屬片上層金屬的熱膨脹系數(shù)大于下層金屬． 圖3 (1)常溫下，電熨斗的上、下觸點應當是接觸的還是分離的？當溫度過高時雙金屬片將怎樣起作用？ (2)熨燙棉麻衣物需要設定較高的溫度，熨燙絲綢衣物需要設定較低的溫度，這是如何利用調溫旋鈕來實現(xiàn)的？ 答案　(1)常溫時，電熨斗的上、下觸點接觸，這樣電熨斗接通電源后能進行加熱．當溫度過高時雙金屬片膨脹，因上層的熱膨脹系數(shù)較大，故上層膨脹的厲害，雙金屬片向下彎曲，彎曲到一定程度后，兩觸點分離，電路斷開，電熱絲停止加熱；當溫度降低后，雙金屬片恢復原狀，重新接通電路加熱． (2)熨燙棉麻衣物需要設定較高的溫度，也就是要求雙金屬片彎曲程度較大時，兩觸點分離，所以應使調溫旋鈕下旋．反之，熨燙絲綢衣物需要設定較低的溫度，應使調溫旋鈕上旋． [要點提煉] 1．熱雙金屬片溫度傳感器是由兩種膨脹系數(shù)相差較大的不同金屬片焊接或軋制成一體后組成．它對溫度的感知表現(xiàn)為熱雙金屬片的形變，可以用它控制電路的通斷． 2．熱敏電阻：用半導體材料制成．按熱敏電阻阻值隨溫度變化的規(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?。? 3．金屬熱電阻：金屬的電阻率隨溫度升高而增大，利用這一特性，金屬絲也可以制作成溫度傳感器，稱為熱電阻． 4．熱敏電阻和金屬熱電阻都能夠把溫度這個熱學量轉換為電阻這個電學量．金屬熱電阻的化學穩(wěn)定性好，測溫范圍大，但靈敏度較差． 四、光傳感器 1．原理：有些金屬或半導體材料在電路中受到光照時，產生電流或電壓，實現(xiàn)光信號向電信號的轉化． 2．應用： (1)自動門和公共場所的非觸摸式自動水龍頭利用了紅外光傳感器． (2)在環(huán)境監(jiān)測、火災報警等裝置中通常利用光電式煙塵濃度計工作． (3)在工農業(yè)生產、交通運輸?shù)刃袠I(yè)中較多地采用光電式轉速表進行轉數(shù)的測量． 一、對傳感器的認識 例1　如圖4是一種測定油箱油量多少或變化多少的裝置． 圖4 其中電源電壓保持不變，R是滑動變阻器，它的金屬滑片是金屬桿的一端． (1)若把一只電壓表接在c、d之間，當油箱中油量減少時，電壓表的示數(shù)將________(選填“增大”或“減小”)． (2)將電壓表接在b、c之間，當油量減少時，電壓表的示數(shù)將________(選填“增大”或“減小”)． 解析　(1)由題圖可知當油箱內液面高度變化時，R的金屬滑片將會移動，從而引起R兩端電壓的變化．當油量減少時，R的數(shù)值會增大，電路中的電流會減小，c、d間的電壓會減小．當把電壓表接在c、d兩點間，電壓表示數(shù)減小時，表示油量在減少． (2)把電壓表接在b、c之間，油量增加時，R減小，電壓表的示數(shù)減小；油量減少時，R增大，電壓表的示數(shù)增大． 答案　(1)減小　(2)增大 二、對熱敏電阻的認識及應用 例2　一熱敏電阻在溫度為80 ℃時阻值很大，當溫度達到100 ℃時阻值就很小，今用一電阻絲給水加熱，并配以熱敏電阻以保持水溫在80 ℃到100 ℃之間，可將電阻絲與熱敏電阻并聯(lián)，一并放入水中，如圖5所示，圖中R1為熱敏電阻，R2為電阻絲，請簡述其工作原理． 圖5 解析　開始水溫較低時，R1阻值較大，電阻絲R2對水進行加熱；當水溫達到100 ℃左右時，R1阻值變得很小，R2被短路，將停止加熱；當溫度降低到80 ℃時，R1阻值又變得很大，R2又開始加熱，這樣就可達到保溫的效果． 答案　見解析 三、對光傳感器的認識及應用 例3　如圖6所示為光電式煙塵濃度計的原理圖，試說明其工作原理． 圖6 解析　光源1發(fā)出的光線經半透半反鏡3，分成兩束強度相等的光線．一束光線直接到達光電轉換電路7上，產生作為被測煙塵濃度的參比信號．另一束光線經反射鏡4穿過被測煙塵5到達光電轉換電路6上，其中一部分光線被煙塵吸收或因散射而衰減，煙塵濃度越高，光線的衰減量越大，到達光電轉換電路6的光就越弱．兩路光線分別轉換成電壓信號U1、U2，如果U1＝U2，說明被測的光路上沒有煙塵；相反，如果U1、U2相差較大，說明煙塵濃度較大，因此可用兩者之比，算出被測煙塵的濃度． 答案　見解析 例4　如圖7所示，R1、R2為定值電阻，L為小燈泡，R3為光敏電阻，當入射光強度增大時(　　) 圖7 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 解析　當入射光強度增大時，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，即電壓表的示數(shù)增大，同時內電壓增大，故電路的路端電壓減小，A項正確，D項錯誤．由路端電壓減小，而R1兩端電壓增大知，R2兩端電壓必減小，則R2中電流減小，故B項正確．結合干路電流增大知，流過小燈泡的電流必增大，故小燈泡的功率增大，C項正確． 答案　ABC 1．(對傳感器的認識)關于傳感器，下列說法正確的是(　　) A．所有傳感器都是由半導體材料制成的 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．水銀溫度計是一種傳感器 答案　B 解析　大多數(shù)傳感器是由半導體材料制成的，某些金屬也可以制成傳感器，如金屬熱電阻，故A錯，B對；傳感器將非電學量轉換為電學量，因此傳感器感知的應該是“非電信號”，故C錯；水銀溫度計能感受熱學量，但不能把熱學量轉化為電學量，因此不是傳感器，故D錯． 2．(對電容式傳感器的認識)電容式傳感器是用來將各種非電信號轉變?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這幾個因素，當某一物理量發(fā)生變化時就能引起上述某個因素的變化，從而又可推出另一物理量的值．如圖8所示是四種電容式傳感器的示意圖，關于這四種傳感器的作用，下列說法不正確的是(　　) 圖8 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高度 C．丙圖的傳感器可以用來測量壓力 D．丁圖的傳感器可以用來測量速度 答案　D 解析　甲圖角度變化能導致極板正對面積變化；乙圖液面高度變化能導致極板正對面積變化；丙圖壓力F變化能導致極板間距變化；丁圖中位置變化導致電介質變化．所以，甲、乙、丙、丁分別是測角度、液面高度、壓力、位移的傳感器，故選D. 3. (對光敏電阻、熱敏電阻的認識及電路分析)如圖9所示電路中，電源電動勢為E，內阻為r，Rt為負溫度系數(shù)熱敏電阻，Rg為光敏電阻，閉合開關后，小燈泡L正常發(fā)光，由于環(huán)境改變(光照或溫度)，發(fā)現(xiàn)小燈泡亮度變暗，則引起小燈泡變暗的原因可能是(　　) 圖9 A．溫度不變，光照增強 B．溫度升高，光照不變 C．溫度降低，光照增強 D．溫度升高，光照減弱 答案　AC 4．(對光傳感器的認識)煙霧散射火災報警器使用的是(　　) A．光傳感器 B．溫度傳感器 C．紅外傳感器 D．超場波傳感器 答案　A 解析　煙霧散射火災報警器是煙霧進入報警器后，光被散射，照到報警器中的光傳感器上，使電路接通，報警器工作，發(fā)出警報，A對，B、C、D錯． 題組一　對傳感器的認識 1．傳感器擔負著信息采集的任務，它可以(　　) A．將力學量(如形變量)轉變成電學量 B．將熱學量轉變成電學量 C．將光學量轉變成電學量 D．將電學量轉變成力學量 答案　ABC 解析　傳感器是將所感受到的不便于測量的物理量(如力、熱、光、聲等)轉換成便于測量的物理量(一般是電學量)的一類元件，故選項A、B、C對，選項D錯． 2．關于干簧管，下列說法正確的是 (　　) A．干簧管接入電路中相當于電阻的作用 B．干簧管是根據熱脹冷縮的原理制成的 C．干簧管接入電路中相當于開關的作用 D．干簧管是作為電控元件以實現(xiàn)自動控制的 答案　CD 解析　干簧管能感知磁場，是因為當兩個簧片所處位置的磁場方向相同時，兩個簧片被磁化而接通，所以是做開關來使用的，當磁場靠近或遠離的時候，就會實現(xiàn)閉合或斷開． 3. 如圖1所示是電容式話筒的示意圖，它是利用電容制成的傳感器，話筒的振動膜前面有薄薄的金屬涂層，膜后距膜幾十微米處有一金屬板，振動膜上的金屬涂層和這個金屬板構成電容器的兩極．在兩極間加一電壓U，人對著話筒說話時，振動膜前后振動，使電容發(fā)生變化，從而使聲音信號被話筒轉化為電信號，其中導致電容變化的原因是電容器兩板間的 (　　) 圖1 A．距離變化 B．正對面積變化 C．電介質變化 D．電壓變化 答案　A 解析　振動膜前后振動，使振動膜上的金屬涂層與金屬板間的距離發(fā)生變化，從而將聲音信號轉化為電信號． 題組二　對熱敏電阻、金屬熱電阻的認識及電路分析 4. 如圖2所示是觀察電阻R的阻值隨溫度變化情況的示意圖，現(xiàn)在把杯中的水由冷水變?yōu)闊崴?，關于歐姆表的讀數(shù)變化情況正確的是(　　) 圖2 A．如果R為金屬熱電阻，讀數(shù)變大，且變化非常明顯 B．如果R為金屬熱電阻，讀數(shù)變小，且變化不明顯 C．如果R為熱敏電阻(用半導體材料制作)，讀數(shù)變化非常明顯 D．如果R為熱敏電阻(用半導體材料制作)，讀數(shù)變化不明顯 答案　C 解析　如果R為金屬熱電阻，則讀數(shù)變大，但不會非常明顯，故A、B均錯；如果R為熱敏電阻，讀數(shù)變化非常明顯，故C對，D錯． 5. 如圖3所示，R1為定值電阻，R2為負溫度系數(shù)的熱敏電阻，L為小燈泡，當溫度降低時(　　) 圖3 A．R1兩端的電壓增大 B．電流表的示數(shù)增大 C．小燈泡的亮度變強 D．小燈泡的亮度變弱 答案　C 解析　R2與燈泡L并聯(lián)后再與R1串聯(lián)，與電源構成閉合電路，當溫度降低時，熱敏電阻R2的阻值增大，外電路電阻增大，電流表讀數(shù)減小，R1兩端的電壓減小，燈泡L兩端的電壓增大，燈泡的亮度變強，故只有C正確． 6. 如圖4所示，Rt為負溫度系數(shù)的熱敏電阻，R為定值電阻，若往Rt上擦些酒精，在環(huán)境溫度不變的情況下，關于電壓表示數(shù)的變化情況，下列說法中正確的是(　　) 圖4 A．變大 B．變小 C．先變大后變小再不變 D．先變小后變大再不變 答案　D 解析　往Rt上擦酒精后，酒精蒸發(fā)吸熱，熱敏電阻Rt溫度降低，電阻值增大，根據串聯(lián)電路的分壓特點，電壓表示數(shù)變?。斁凭舭l(fā)完畢后，Rt的溫度逐漸升高到環(huán)境溫度后不變，所以熱敏電阻Rt的阻值逐漸變小，最后不變，故電壓表的示數(shù)將逐漸變大，最后不變，所以選項D正確． 題組三　對光傳感器的認識及電路分析 7．遙控器能調換電視機頻道，利用的是光傳感器．下列屬于應用這類傳感器的是(　　) A．紅外報警裝置 B．金屬電阻溫度計 C．電子電路中使用的“干簧管” D．霍爾元件 答案　A 解析　紅外報警裝置是利用的光敏電阻制成的光傳感器，A正確；金屬電阻溫度計是利用的熱敏電阻制成的傳感器，B錯誤；干簧管利用的磁敏電阻，C錯誤；霍爾元件利用的是霍爾效應，D錯誤． 8．街旁的路燈，江海里的航標都要求在夜晚亮，白天熄，利用半導體的電學特性制成了自動點亮、熄滅的裝置，實現(xiàn)了自動控制，這是利用半導體的(　　) A．壓敏性 B．光敏性 C．熱敏性 D．三種特性都利用 答案　B 解析　燈要求夜晚亮、白天熄，白天有光，夜晚沒有光，則是由光導致電路的電流變化，所以電路中光傳感器導致電阻變化，實現(xiàn)自動控制，因此是利用半導體的光敏性，故選B. 9．如圖5所示，用光敏電阻LDR和燈泡制成的一種簡易水污染指示器，下列說法中正確的是(　　) 圖5 A．嚴重污染時，LDR是高電阻 B．輕度污染時，LDR是高電阻 C．無論污染程度如何，LDR的電阻不變，阻值大小由材料本身因素決定 D．該儀器的使用會因為白天和晚上受到影響 答案　AD 解析　嚴重污染時，透過污水照到LDR上的光線較少，LDR電阻較大，A對，B錯；LDR由半導體材料制成，受光照影響電阻會發(fā)生變化，C錯；白天和晚上自然光強弱不同，或多或少會影響LDR的電阻，D對． 10．如圖6所示是利用硫化鎘制成的光敏電阻自動計數(shù)的示意圖，其中A是發(fā)光儀器，B是光敏電阻(光照增強時電阻變小)，下列說法中正確的是 (　　) 圖6 A．當傳送帶上沒有物品擋住由A射向B的光信號時，光敏電阻的阻值變小，電壓表讀數(shù)變小 B．當傳送帶上沒有物品擋住由A射向B的光信號時，光敏電阻的阻值變大，電壓表讀數(shù)變大 C．當傳送帶上有物品擋住由A射向B的光信號時，光敏電阻的阻值變小，電壓表讀數(shù)變小 D．當傳送帶上有物品擋住由A射向B的光信號時，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度有關，光照強度越大，光敏電阻阻值越?。攤魉蛶蠜]有物品擋住由A射向B的光信號時，光敏電阻阻值變小，電路中電流變大，電源內阻上的電壓變大，路端電壓變小，所以電壓表讀數(shù)變小，選項A正確；相反，當傳送帶上有物品擋住由A射向B的光信號時，光敏電阻的阻值變大，電路中電流變小，電源內阻上的電壓變小，路端電壓變大，所以電壓表讀數(shù)變大，選項D正確． 11. 如圖7所示，R3是光敏電阻(光照時電阻變小)，當開關S閉合后，在沒有光照射時，a、b兩點等電勢．當用光照射電阻R3時，則(　　) 圖7 A．a點電勢高于b點電勢 B．a點電勢低于b點電勢 C．a點電勢等于b點電勢 D．a點電勢和b點電勢的大小無法比較 答案　A 解析　R3是光敏電阻，當有光照射時電阻變小，R3兩端電壓減小，故a點電勢升高，因其他電阻的阻值不變，所以a點電勢高于b點電勢．