6.1传感器及其工作原理 学案(含答案)
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1、1 传感器及其工作原理传感器及其工作原理 学科素养与目标要求 物理观念:1.知道什么是传感器,知道其将非电学量转化为电学量的意义.2.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. 科学探究:通过多种渠道收集传感器的信息,进行交流、展示,了解传感器的应用. 一、传感器及工作原理 1.传感器的定义: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. 二、光
2、敏电阻的特点及工作原理 1.当半导体材料受到光照或者温度升高时,会有更多的电子获得能量成为自由电子,同时也 形成更多的空穴,于是导电能力明显增强. 2.光敏电阻是用半导体材料(如硫化镉)制成的,它的特点是光照越强,电阻越小.它能够把光 照强弱这个光学量转换为电阻这个电学量. 三、热敏电阻和金属热电阻的特点 1.热敏电阻:用半导体材料制成.可分为正温度系数的热敏电阻和负温度系数的热敏电阻. (1)正温度系数的热敏电阻随温度升高电阻增大. (2)负温度系数的热敏电阻(如氧化锰热敏电阻)随温度升高电阻减小. 2.金属热电阻:金属的电阻率随温度升高而增大,利用这一特性,金属丝也可以制作成温度 传感器,
3、称为热电阻. 四、霍尔元件的特点 1.霍尔元件在电流、电压稳定时,载流子所受电场力和洛伦兹力二力平衡. 2.霍尔电压:UHkIB d (d 为薄片的厚度,k 为霍尔系数).其中 UH的变化与 B 成正比,所以霍尔 元件能把磁感应强度这个磁学量转换成电压这个电学量. 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)光敏电阻的阻值随光照的强弱而变化,光照越强电阻越大.( ) (3)热敏电阻一般用半导体材料制作,导电能力随温度的升高而增强,但灵敏度低.( ) (4)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.如图 1 所示,R1为定值电阻,
4、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 干簧管结构:如图甲所示,它只是玻璃管内封入的两个软磁性材料制成的簧片,接入图乙电 路,当条形磁铁靠近干簧管时: 甲 乙 (1)会发生什么现象,为什么? (2)干簧管的作用是什么? 答案 (1)灯泡会亮,因为当条形磁铁靠近干簧管时,两个簧片被磁化而接通. (2)干簧管起到开关的作用,是一种能够感知磁场的传感器. 1.传感器的原理 非电学量 传感器敏感元件、转换器件、转换电路 电学量 2.在分析传感器时要明确 (1)核心元
5、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等,所以 A 错误;金属材 料也可以制成传感器, 所以B正确; 传感器一定是通过非电学量转换成电学量来传递信号的, 所以 C 错误;水银温度计根据热胀冷缩来测量温度,不是传感器,所以 D 错误. 二、光敏电阻及应用 在工
6、厂生产车间的生产线上安装计数器后,就可以准确得知生产产品的数量,如图所示为光 敏电阻自动计数器的示意图,其中 R1为光敏电阻,R2为定值电阻.此光电计数器的基本工作 原理是什么? 答案 当光被产品挡住时,R1电阻增大,电路中电流减小,R2两端电压减小,信号处理系统 得到低电压,每通过一个产品就获得一次低电压,并计数一次. 光敏电阻是由半导体材料制成的.它的阻值随光照强度的变化而变化,光照越强,电阻越小; 光照越弱,电阻越大. 例 2 (多选)如图 2 所示,R1、R2为定值电阻,L 为小灯泡,R3为光敏电阻,当入射光强度 增大时( ) 图 2 A.电压表的示数增大 B.R2中电流减小 C.小灯
7、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,外电路总电阻随 R3的减小而减小,由闭合电路欧 姆定律知,干路电流增大,R1两端电压增大,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. 三、热敏电阻和金属热电阻及应用 如图所示,将多用电表的选择开关置于欧姆挡,再将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
8、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.金属热电阻:金属导体的电阻,随温度的升高而增大. 2.热敏电阻(负温度系数):用半导体材料制成,其阻值随温度升高而减小. 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(
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