2017-2018學年高中物理 第三章 傳感器 2 溫度傳感器和光傳感器學案 教科版選修3-2.doc
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2 溫度傳感器和光傳感器 [目標定位] 1.了解各種溫度傳感器的工作原理、特點和應用.2.了解各種光傳感器的工作原理、特點和應用. 一、溫度傳感器 1.作用：將溫度的變化轉換為電學量的變化. 2.常見的溫度傳感器 (1)熱雙金屬片溫度傳感器 ①原理：兩種膨脹系數(shù)相差較大的不同金屬片制成一體，溫度升高時，雙金屬片變形，可控制電路的通斷. ②應用：日光燈啟動器，電機、電冰箱保護等. (2)熱電阻傳感器 ①原理：用金屬絲制作的感溫電阻叫熱電阻，當外界溫度t發(fā)生變化時，其電阻值按R＝R0(1＋θt)的規(guī)律變化(θ為溫度系數(shù)，R0為t＝0℃時導體的電阻). ②應用：測溫度、測流量等. (3)熱敏電阻傳感器 ①原理：半導體熱敏電阻的阻值隨溫度的變化而變化，其熱敏特性在上節(jié)已有探究. ②應用：測量、溫度控制或過熱保護等. ③分類：正溫度系數(shù)的熱敏電阻(PTC)，它的電阻隨溫度升高而增大. 負溫度系數(shù)的熱敏電阻(NTC)，它的電阻隨溫度的升高而減小. 深度思考 熱敏電阻是溫度傳感器中的重要元件，是不是所有的熱敏電阻的阻值都隨溫度的升高而減小？ 答案 不是.正溫度系數(shù)熱敏電阻(PTC)在溫度升高時電阻值增大，負溫度系數(shù)熱敏電阻(NTC)在溫度升高時電阻值減小. 例1 傳感器在日常生活中的應用越來越廣泛，溫度傳感器(實質是自動開關)是其中的一種．某一食品消毒柜就是利用溫度傳感器來自動控制電路的．常溫下，該溫度傳感器是閉合的；當溫度達到某一設定值時，傳感器自動斷開，從而切斷整個電路．下列關于該消毒柜的幾種電路圖中(圖中S為電源開關)，連接正確的是( ) 解析 A電路中，當溫度升高到某一設定值時，電路會斷開；B、C、D電路中，溫度升高到某一設定值時，傳感器會斷開，但整個電路不會斷開．電源開關S閉合后，消毒柜開始工作，當溫度達到某一設定值時，傳感器自動斷開，整個電路也斷開，所以A選項正確． 答案 A 二、光傳感器 1.光電傳感器是指將光信號轉換為電信號的一類傳感器，一般以光敏電阻為主要元件，因為光敏電阻電阻值隨光照增強而減小，將光敏電阻連接到電路中時，光照改變就會引起電路中其他電學量的改變，從而將光信號轉換為電信號. 2.應用：光電式煙塵濃度計、光電式轉速表. 例2 如圖1所示為光電式煙塵濃度計的原理圖，試說明其工作原理. 圖1 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.一路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.另一路光線經反射鏡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3 如圖2所示，R1、R2為定值電阻，L為小燈泡，R3為光敏電阻，當照射光強度增大時( ) 圖2 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 當照射光強度增大時，R3阻值減小，外電路總電阻隨R3的減小而減小，R1兩端電壓因干路電流增大而增大，電壓表的示數(shù)增大，同時內電壓增大，故電路路端電壓減小，A項正確，D項錯誤；由路端電壓減小，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，則小燈泡的功率增大，故C項正確. 答案 ABC 解決含有熱敏電阻、光敏電阻的直流電路動態(tài)分析問題： (1)明確熱敏電阻、光敏電阻的電阻特性； (2)解題思路：R局→R總→I總→U端? 1.(溫度傳感器的應用)(多選)如圖3所示為電阻R隨溫度t變化的圖線，下列說法中正確的是( ) 圖3 A.圖線1是熱敏電阻的圖線，它是用金屬材料制成的 B.圖線2是熱敏電阻的圖線，它是用半導體材料制成的 C.圖線1的材料化學穩(wěn)定性好、測溫范圍大、靈敏度高 D.圖線2的材料化學穩(wěn)定性差、測溫范圍小、靈敏度高 答案 BD 2.(溫度傳感器的應用)圖4是一火警報警器的部分電路示意圖.其中R2為用負溫度系數(shù)熱敏材料制成的傳感器，電流表為值班室的顯示器，a、b之間接報警器.當傳感器R2所在處出現(xiàn)火情時，顯示器的電流I、報警器兩端的電壓U的變化情況是( ) 圖4 A.I變大，U變大 B.I變大，U變小 C.I變小，U變大 D.I變小，U變小 答案 D 解析 R2處出現(xiàn)火情，溫度升高，R2減小，導致R2兩端電壓減小，通過R3的電流減小，路端電壓U減小. 3.(光傳感器的應用)街旁的路燈、江海里的航標都要求在夜晚亮，白天熄，它們是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 街旁的路燈和江海里的航標，都是利用了半導體的光敏性，夜晚電阻大，白天電阻小，控制了電路的通斷. 4.(光傳感器的應用)如圖5所示是會議室和賓館房間的天花板上裝有的火災報警器的結構原理圖：罩內裝有發(fā)光二極管LED、光電三極管和不透明的擋板.平時光電三極管接收不到LED發(fā)出的光呈現(xiàn)高電阻狀態(tài)，發(fā)生火災時，下列說法正確的是( ) 圖5 A.進入罩內的煙霧遮擋了光線，使光電三極管電阻更大，檢測電路檢測出變化發(fā)出警報 B.發(fā)生火災時，光電三極管溫度升高，電阻變小，檢測電路檢測出變化發(fā)出警報 C.發(fā)生火災時，進入罩內的煙霧對光有散射作用，部分光線照到光電三極管上，電阻變小，發(fā)出警報 D.以上說法均不正確 答案 C 解析 由報警器的原理可知，發(fā)生火災時煙霧進入罩內，使光發(fā)生散射，部分光線照在三極管上使其電阻變小，與傳感器相連的電路檢測出這種變化，發(fā)出警報，故C對. 題組一 溫度傳感器 1．(多選)關于電飯鍋的說法正確的是( ) A．電飯鍋中的溫度傳感器其主要元件是氧化鐵 B．鐵氧體在常溫下具有鐵磁性，溫度很高時失去鐵磁性 C．用電飯鍋燒水，水開時能自動斷電 D．用電飯鍋煮飯時，若溫控開關自動斷電后，它不能自動復位 答案 BD 解析 電飯鍋中的溫度傳感器其主要元件是鐵氧體，故A錯，B選項正確；因水開時溫度約為100℃，達不到居里溫度，故不能自動斷電，則選項C錯；溫控開關只能手動閉合，故D正確． 2.在防治“非典”期間，在機場、車站等交通出入口，使用了紅外線熱像儀，紅外線熱像儀通過紅外線遙感，可檢測出經過它時的發(fā)熱病人，從而可以有效控制疫情的傳播.關于紅外線熱像儀，下列說法正確的是( ) A.選擇紅外線進行檢測，主要是因為紅外線具有熒光效應 B.紅外線熱像儀通過發(fā)射紅外線照射人體來檢測的 C.紅外線熱像儀同時還具有殺菌作用 D.一切物體都能發(fā)射紅外線，而且物體在不同溫度下發(fā)射的紅外線的頻率和強度不同 答案 D 解析 紅外線熱像儀是根據(jù)物體發(fā)射的紅外線的頻率和強度不同而工作的，故D正確. 3.(多選)在家用電熱滅蚊器中，電熱部分主要元件是PTC元件，PTC元件是由鈦酸鋇等半導體材料制成的電阻器，其電阻率ρ隨溫度t的變化關系如圖1所示，由于這種特性，使PTC元件具有發(fā)熱、保溫雙重功能.以下判斷正確的是( ) 圖1 A.通電后，其電功率先增大后減小 B.通電后，其電功率先減小后增大 C.當其產生的熱量與散發(fā)的熱量相等時，溫度保持在t1不變 D.當其產生的熱量與散發(fā)的熱量相等時，溫度保持在t1和t2之間的某一值不變 答案 AD 解析 當電熱滅蚊器溫度由0升到t1的過程中，電阻器的電阻率ρ隨溫度的升高而減小，其電阻R隨之減小，由于加在電熱滅蚊器上的電壓U保持不變，電熱滅蚊器的電功率P隨之增大，當t＝t1時，P＝P1達到最大.當溫度由t1升高到t2的過程中，ρ增大，R增大，P減?。欢鴾囟仍礁?，其與外界環(huán)境溫度的差別也就越大，高于環(huán)境溫度的電熱滅蚊器的散熱功率P′也就越大；因此在這之間的某一溫度t3會有P＝P3＝P′，即電功率P減小到等于散熱功率時，即達到保溫；當t
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