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    3.1传感器-3.2温度传感器和光传感器 学案(2020年教科版高中物理选修3-2)

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    3.1传感器-3.2温度传感器和光传感器 学案(2020年教科版高中物理选修3-2)

    1、1 传感器传感器 2 温度传感器和光传感器温度传感器和光传感器 学科素养与目标要求 物理观念:1.知道什么是传感器,知道其将非电信息转换成电信息的意义.2.了解热敏电阻、 敏感元件的特性.3.了解几种温度传感器及光传感器的原理 科学思维:通过对含温度传感器、光传感器的电路分析,体会传感器在电路中的作用 科学探究:通过多种渠道收集传感器的信息,进行交流展示,感受传感器技术在信息时代的 作用与意义 一、传感器 1定义:把被测的非电信息,按一定规律转换成与之对应的电信息的器件或装置 2组成:一般由敏感元件和处理电路组成 (1)敏感元件:将要测量的非电信息变换成易于测量的物理量,形成电信号 (2)处理

    2、电路:将敏感元件输出的电信号转换成便于显示、记录、处理和控制的电学量 3敏感元件的原理 (1)物理类:基于力、热、光、电磁和声等物理效应; (2)化学类:基于化学反应的原理; (3)生物类:基于酶、抗体和激素等分子识别功能 二、温度传感器 1分类 (1)热双金属片温度传感器 (2)热电阻传感器 (3)热敏电阻传感器: NTC 型:电阻值随温度升高而减小 PTC 型:电阻值随温度升高而增大 2作用 将温度变化转换为电学量变化,通过测量传感器元件的电学量随温度的变化来实现温度的测 量 三、光传感器 1原理:某些金属或半导体材料,在电路中受到光照时,产生电流或电压,实现光信号向电 信号的转化 2作用

    3、:感知光线的变化或场景的变换,使机器作出反应 1判断下列说法的正误 (1)传感器可以把非电学量转化为电学量( ) (2)热敏电阻的阻值随温度的升高而增大( ) (3)干簧管可以感知磁场,接入电路,相当于开关的作用( ) (4)光敏电阻的阻值随光线的强弱而变化,光照越强电阻越小( ) 2如图 1 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, 电流表的读数_(填“变大”或“变小”),小灯泡的亮度_(填“变亮”或“变 暗”) 图 1 答案 变小 变亮 一、传感器 当你走进一座大楼时,大堂的自动门是如何“看到”你而自动打开的? 答案 人体发出的红外线被传感器接收后传给

    4、自动控制装置的电动机,实现自动开关门 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的; (3)是如何显示或控制开关的 例 1 (2018 扬州市邗江区高二下学期期中)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 传感器材料分半导体材料、陶瓷材料、金属材料和有机材料,所以 A 错误;金属材料 也可以制成传感器,所以 B 正确;传感器是通过非电学量转换成电学量来传递信号的,所以 C 错误;水银温度计根

    5、据热胀冷缩来测量温度,不是传感器,所以 D 错误 例 2 如图 2 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 2 答案 见解析 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

    6、,电压表的示数减小 二、温度传感器 如图所示,将多用电表的选择开关置于欧姆挡,再将多用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,表针将向左偏;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,表针将向右偏 1温度传感器的作用:将温度的变化转换为电学量的变化 2常见的温度传感器 (1)热双金属片温度传感器 原理:两种膨胀系数相差较大的不同金属片制成一体,温度升高时,双金属

    7、片变形,可控 制电路的通断 应用:日光灯启动器,电机、电冰箱保护等 (2)热电阻传感器 原理:用金属丝制作的感温电阻叫热电阻,当外界温度 t 发生变化时,其电阻值按 RR0(1 t)的规律变化( 为温度系数,R0为 t0 时导体的电阻) 应用:测温度、测流量等 (3)热敏电阻传感器 原理:半导体热敏电阻的阻值随温度的变化而变化 应用:测温、温度控制或过热保护等 分类:正温度系数的热敏电阻(PTC),它的电阻随温度升高而增大 负温度系数的热敏电阻(NTC),它的电阻随温度的升高而减小 例 3 (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 3 所示电路,R1

    8、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 3 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 两极板间的电场强度减小 DR1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 E R总知 I 变小,又 UEIr, 电压表的读数 U 增大,B 正确;又由 P1I2R1可知,R1消耗的功率 P1变小,D 错误;电容 器两极板间的电压 U2UU1,U1IR1,可知 U1变小,U2变大,由场强 EU2 d ,QCU2 可知,Q、E都增大,故 A 正确,C 错误 三、光传感器 如图所示为光电式烟尘

    9、浓度计的原理图,请阅读教材,然后简述其工作原理 答案 光源 1 发出的光线经半透半反镜 3,分成两束强度相等的光线一路光线直接到达光 电转换电路 7 上,产生作为被测烟尘浓度的参比信号另一路光线经反射镜 4 穿过被测烟尘 5 到达光电转换电路 6 上,其中一部分光线被烟尘吸收或散射而衰减,烟尘浓度越高,光线 的衰减量越大,到达光电转换电路 6 的光就越弱两路光线分别转换成电压信号 U1、U2,如 果 U1U2,说明被测的光路上没有烟尘;相反,如果 U1、U2相差较大,说明烟尘较大,因 此可用两者之比,算出被测烟尘的浓度 例 4 (多选)如图 4 所示,R1、R2为定值电阻,L 为小灯泡,R3为

    10、光敏电阻,当入射光强度 增大时( ) 图 4 A电压表的示数增大 BR2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,外电路总电阻减小,由闭合电路欧姆定律知,干 路电流增大,R1两端电压增大,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 学科素养 通过例 3、例 4 的分析,进一步熟悉传感器在电路中的作用,了解各种传感器的

    11、工作原理,掌握含有热敏电阻、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(或光照强度)的增加是增大还是减小 (2)分析整个回路的电阻、电流的增减 (3)分析部分电路的电压、电流如何变化 通过这样的提炼和升华,很好地体现了“物理观念”和“科学思维”的学科素养 1(对传感器的理解)许多办公楼及宿舍楼的楼梯上的电灯到了晚上能够自动做到“人来即 亮,人走即灭”,其神奇功能在于控制灯的“开关”传感器,下面有关该传感器的说法中正 确的是( ) A该传感器能够测量的物理量是位移和温度 B该传感器能够测量的物理量是位移和光强 C该传感器能够测量的物理量是光强和声音 D该传感器能够

    12、测量的物理量是压力和位移 答案 C 解析 楼道中安装了自动灯光控制系统,白天灯不亮,和光传感器有关;晚上有人经过时, 灯自动亮起来,与声音有关,是声传感器,所以该传感器能够测量的物理量是光强和声音, C 正确 2(光敏电阻的特性)如图 5 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,R 和 L 之间用挡板(未画出)隔开,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 5 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

    13、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,滑动变阻器接入电路的电阻减小,流过二极管的电流增大,从而发 光增强,使光敏电阻 R 的阻值减小,流过灯泡的电流增大,L 消耗的功率增大 3 (热敏电阻的特性)(2018 如东中学阶段性检测)某温控电路的原理如图 6 所示, RM是负温度 系数的热敏电阻,R 是滑动变阻器,某种仪器要求在 15 27 的环境中工作当环境温 度偏高或偏低时,控制器会自动启动降温或升温设备下列说法中正确的是( ) 图 6 A环境温度降低,RM的阻值减小 B环境温度升高,Uab变大 C滑片 P 向下移动时,Uab变大 D调节滑片 P 的位置能改变降温和升温设备启动时的临界温度 答案 D 解析 环境温度降低时,RM的阻值变大,A 错误;环境温度升高,RM的阻值减小,Uab变小, B 错误;滑片向下移动,回路电流减小,Uab变小,C 错误;调节滑片位置能改变降温和升温 设备启动时的临界温度,D 正确.


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