5.2常见传感器的工作原理-5.3大显身手的传感器 学案（2020年鲁科版高中物理选修3-2）

《5.2常见传感器的工作原理-5.3大显身手的传感器 学案（2020年鲁科版高中物理选修3-2）》由会员分享，可在线阅读，更多相关《5.2常见传感器的工作原理-5.3大显身手的传感器 学案（2020年鲁科版高中物理选修3-2）（14页珍藏版）》请在七七文库上搜索。

1、第第 2 节节 常见传感器的工作原理常见传感器的工作原理 第第 3 节节 大显身手的传感器大显身手的传感器 学习目标 核心提炼 1.认识光敏电阻和热敏电阻这两种敏 感元件，知道其特性。 2 个常见敏感元件 光敏电阻 热敏电阻 2 种常见传感器 光电传感器 温度传感器 1 个传感器的应用机器人 2.理解光电传感器和温度传感器的工 作原理。 3.了解生活中传感器的简单应用及给 人类生产、生活带来的便利。 4.了解传感器的设计思路。 一、光电传感器的原理 阅读教材第 9092 页，了解光电传感器的原理及特性。 1.光电传感器的定义：光电传感器是一种能够感受光信号，并按照一 定规律把光信号转换成电信号

2、的器件或装置。 2.干簧管继电器 (1)干簧管的工作原理。 干簧管的两个铁质簧片处有磁场时，两簧片被磁化，两个簧片在磁力 作用下由原来的分离状态变成闭合状态，线圈中没有电流时，磁场消 失两簧片又分开。 (2)干簧管继电器。 构造：由干簧管和绕在干簧管外的线圈组成。 在电路中的作用：在电路中，可以根据流经线圈的电流有无控制电 路的通断。 在电路图中的画法。 3.光敏电阻 (1)光敏电阻器是用金属硫化物等半导体制成的，当光照射到这些半导 体物质上时，它的电阻率减少，阻值也随之减少。 (2)特性：入射光强，电阻小；入射光弱，电阻大。 (3)作用：用于光的测量和光的控制。 思考判断 (1)光敏电阻一般

3、由金属材料制成。( ) (2)干簧管是能够感知磁场的传感器。() (3)干簧管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变化，光照越强电阻越小。() (5)有光照在光敏电阻上，电阻上的自由电子会发生定向移动。( ) 二、探究温度传感器的原理 阅读教材第 9294 页，了解热敏电阻的传感性质。 1.温度传感器的定义：温度传感器是一种将温度变化转换为电学量的 装置。 2.热敏电阻 (1)热敏电阻是利用半导体材料制成的， 其阻值随温度的变化而变化。 (2)NTC 热敏电阻的阻值随温度的升高而减小； PTC 热敏电阻的阻值随 温度的升高而增大。 思维拓展 热敏电阻是温度传感器中的

4、重要元件，是不是所有的热敏电阻的阻 值都随温度的升高而减小？ 答案 不是。正温度系数热敏电阻器(PTC)在温度升高时电阻值增大， 负温度系数热敏电阻器(NTC)在温度升高时电阻值减小。 三、大显身手的传感器 阅读教材第 9598 页，了解传感器在生产、生活中的应用。 1.洗衣机水位控制装置压力传感器 如图 1 所示，筒中水位到达设定的高度时，凸起的膜片使动触点 a 与 静触点 b 脱离，并与静触点 c 接触，从而接通控制电路，关闭进水电 磁阀门，接通洗涤电动机电源，开始洗涤衣物。 图 1 2.自动门的开关红外线传感器 接收人体发出的红外线，产生电压输出信号。 3.指纹识别器电容式传感器 获取指

5、纹信息，转换成电信号。 4.机器人中的传感器 分类 外部传感器：感知外部工作环境和外界事物对机器人的刺激。 内部传感器：用于检测机器人自身的状态。 思考判断 (1)全自动洗衣机水位控制装置应用了压力传感器。() (2)自动门应用了红外线传感器。() (3)指纹识别器是通过电阻传感器来识别指纹的。( ) (4)机器人的感觉器官就是它的传感器系统。() 预习完成后，请把你疑惑的问题记录在下面的表格中 问题 1 问题 2 光敏电阻的特性 要点归纳 1.探究光敏电阻的特性 (1)实验器材： 直流电源、 滑动变阻器、 小灯泡、 多用电表、 光敏电阻、 导线、黑纸。 (2)实验步骤： 将光敏电阻、多用电表

6、、小灯泡、滑动变阻器按如图 2 所示电路连 接好，并将多用电表置于“100”挡。 图 2 先测出在室内自然光的照射下光敏电阻的阻值，并记录数据。 打开电源，让小灯泡发光，调节小灯泡的亮度使之逐渐变亮，观察 表盘指针显示电阻阻值的情况，并记录。 用黑纸遮光，观察表盘指针显示电阻阻值的情况，并记录。 (3)数据处理：把记录的结果填入表中，根据记录数据分析光敏电阻的 特性。 光照强度 弱 中 强 无光照射 阻值/ 结论：光敏电阻的阻值被光照射时发生变化，光照增强电阻变小，光 照减弱电阻变大。 2.认识光敏电阻 (1)光敏电阻的材料是一种半导体，无光照时，载流子极少，导电性能 不好；随着光照的增强，载

7、流子增多，导电性能变好。 (2)光敏电阻能够把光照强弱这个光学量转换为电阻这个电学量。它就 像人的眼睛，可以看到光线的强弱。光线愈强，阻值愈低。一般光敏 电阻的阻值在不受光照时是受光照时的 1001 000 倍。 (3)光敏电阻灵敏度高、体积小、重量轻、性能稳定、价格便宜，因此 在自动化技术中应用非常广泛。 精典示例 例 1 (多选)如图 3 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 3 A.电压表的示数增大 B.R2中电流减小 C.小灯泡的功率增大 D.电路的路端电压增大 解析 当入射光强度增大时， R3阻值减小， 外电路电阻随 R3的减小而

8、减小，由闭合电路欧姆定律 I E rR知电路中的电流增大，R1 两端电 压因干路电流增大而增大， 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，选项 A 正确，D 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，故选项 B 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，选项 C 正确。 答案 ABC 针对训练 1 如图 4 所示，将一光敏电阻接在多用电表两表笔上，将 多用电表的选择开关置于欧姆挡，用光照射光敏电阻时，表针自左向 右的偏角为 ；现用手掌挡住部分光线，表针自左向右的偏角为 ， 则可判断( ) 图 4

9、A. B. C. D.不能确定 解析 光敏电阻的阻值随光照强度的增强而减小，用手掌挡住部分光 线，阻值变大，由欧姆挡的特点知，指针左偏，故指针自左向右的偏 转角度变小。故选项 B 正确。 答案 B 探究温度传感器的原理 要点归纳 1.热敏电阻 (1)特点：热敏电阻的阻值大小与温度的高低有关。温度变化，阻值有 明显变化。 (2)分类：由半导体材料制成，其导电性能对温度的变化很敏感，热敏 电阻所用材料根据其温度特性可分为三类：正温度系数热敏电阻、负 温度系数热敏电阻和临界温度系数热敏电阻。 正温度系数的热敏材料(PTC)，它的电阻随温度上升而增大。 负温度系数的热敏材料(NTC)，它的电阻随温度的

10、上升而减小。 临界温度系数的热敏材料(CTC)， 它的电阻在很小的温度范围(临界) 内急剧减小。 2.金属热电阻的电阻率随温度的升高而增大，用金属丝可以制作温度 传感器， 称为热电阻。 它能把温度这个热学量转换为电阻这个电学量。 金属热电阻的化学稳定性好，测温范围大，但灵敏度较差。 精典示例 例 2 (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 5 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 ( ) 图 5 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 两板间的电场强度

11、减小 D.R1消耗的功率增大 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，选项 B 正确；又由 P1 I2R1可知，R1消耗的功率 P1变小，选项 D 错误；电容器两板间的电 压 U2UU1，U1IR1，可知 U1变小，U2变大，由场强公式 EU2 d 知 E变大，由 QCU2可知 Q 增大，故选项 A 正确，C 错误。 答案 AB 针对训练2 如图6所示是观察电阻值随温度变化情况的示意图.现在 把杯中的水由冷水变为热水，关于欧姆表的读数变化情况正确的是 ( ) 图 6 A.如果 R 为金属热电阻，读数变大，且变化非常

12、明显 B.如果 R 为金属热电阻，读数变小，且变化不明显 C.如果 R 为 NTC 热敏电阻(用半导体材料制作)，读数变小，读数变化 非常明显 D.如果 R 为 NTC 热敏电阻(用半导体材料制作)，读数变小，读数变化 不明显 解析 若为金属热电阻，温度升高后，电阻变大，读数变化不明显， A、B 错误；若为热敏电阻，读数将明显变化，C 正确，D 错误。 答案 C 生活中的传感器 要点归纳 1.洗衣机水位控制原理分析 (1)结构：如图 7(a)所示，1 和 2 分别是洗衣机的外筒和内筒，3 是气 室，4 是传感器的膜盒。气室下部与外筒连通，上部与软管、传感器 的膜盒连通。 图 7 (2)过程：向

13、内筒中注水时，水通过内筒壁上的小孔流入外筒，部分水 进入气室， 气室内被密封的空气压强增大， 使传感器的膜片向上凸起， 如图(b)所示。当筒中水位到达设定的高度时，凸起的膜片使动触点 a 与静触点 b 脱离，并与静触点 c 接触，从而接通控制电路，关闭进水 电磁阀门，接通洗涤电动机电源，开始洗涤衣物。 2.传感器与机器人感觉对应表 感觉 所用传感器 效果 当前发展水平 视觉 视觉传感器(摄像 机) 使机器人拥有人眼 的视觉功能 离自然人的视觉水 平相差甚远 听觉 超声波传感器、 语音 识别装置 使机器人拥有类似 人耳的听觉功能 能理解一些简单的 语句， 不能真正实现 人机对话 嗅觉 气体传感器

14、 使机器人拥有类似 人的鼻子的功能 只能识别有限的几 种气体， 一般机器人 没有嗅觉 触觉 压力传感器、 温度传 感器、位移传感器 使机器人拥有类似 人的皮肤和手的功 能 发展水平较高， 虽 不如人的感觉敏锐， 但能完成大部分要 求 特别提醒 与当代的传感器相比，人类的感觉能力好得多，但也有一些传感器比 人的感觉功能优越，例如人类没有能力感知紫外线或红外线辐射，感 觉不到电磁场、无色无味的气体等。 精典示例 例 3 如图 8 所示为一种常见的身高体重测量仪。测量仪顶部向下发 射波速为 v 的超声波，超声波经反射后返回，被测量仪接收，测量仪 记录发射和接收的时间间隔。 质量为 M0的测重台置于压

15、力传感器上， 传感器输出电压与作用在其上的压力成正比。当测重台没有站人时， 测量仪记录的时间间隔为 t0，输出电压为 U0，某同学站上测重台，测 量仪记录的时间间隔为 t， 输出电压为 U， 则该同学的身高和质量分别 为( ) 图 8 A.v(t0t)，M0 U0U B.1 2v(t0t)， M0 U0U C.v(t0t)，M0 U0(UU0) D. 1 2v(t0t)， M0 U0(UU0) 解析 当测重台没有站人时， 2xvt0， 当测重台站人时， 2(xh)vt， 联立可得 h1 2v(t0t)；当测重台没有站人时，U0kM0g；当测重台站 人时，Uk(M0gmg)，联立可得，mM0 U

16、0(UU0)；故选项 D 正确。 答案 D 针对训练 3 传感器在日常生活中的应用越来越广泛， 温度传感器(实 质是自动开关)是其中的一种。 某一食品消毒柜就是利用温度传感器来 自动控制电路的。常温下，该温度传感器是闭合的；当温度达到某一 设定值时，传感器自动断开，从而切断整个电路。下列关于该消毒柜 的几种电路图中(图中 S 为电源开关)，连接正确的是( ) 解析 选项 B、C、D 的电路中，温度升高到某一设定值时，传感器 会断开， 但整个电路不会断开。 选项 A 的电路中， 电源开关 S 闭合后， 消毒柜开始工作，当温度达到某一设定值时，传感器自动断开，整个 电路也断开，所以选项 A 正确。

17、 答案 A 1.(机器人的传感器的理解)类人型机器人装有作为眼睛的“传感器”， 犹 如大脑的“控制器”，以及可以行走的“执行器”，在它碰到障碍物前会 自动避让并及时转弯。下列有关该机器人“眼睛”的说法中正确的是 ( ) A.是力传感器 B.是光传感器 C.是温度传感器 D.是声音传感器 解析 遇到障碍物会绕开，说明它是光传感器，B 正确，A、C、D 错 误。 答案 B 2.(光敏电阻的理解)如图 9 所示是某居住小区门口利用光敏电阻设计 的行人监控装置，R1为光敏电阻、R2为定值电阻，A、B 接监控装置。 则( ) 图 9 A.当有人通过而遮蔽光线时，A、B 之间电压升高 B.当有人通过而遮蔽

18、光线时，A、B 之间电压降低 C.当仅增大 R2的阻值时，可减小 A、B 之间的电压 D.当仅减小 R2的阻值时，可增大 A、B 之间的电压 解析 R1是光敏电阻，有光照射时，电阻变小，当有人通过遮蔽光线 时，R1的阻值变大，回路中的电流 I 减小，A、B 间的电压 UIR2减 小， 故 A 项错误， B 项正确； 由闭合电路欧姆定律得 UEI(R1r)， 当仅增大 R2的阻值时，电路中的电流减小，A、B 间的电压 U 增大， 故 C 项错误；当减小 R2的阻值时，电路中的电流增大，A、B 间的电 压 U 减小，故 D 项错误。 答案 B 3.(热敏电阻和金属热电阻的特性)热敏电阻常用于温度控

19、制或过热保 护装置中。如图 10 为某种热敏电阻和金属热电阻的阻值 R 随温度 t 变化的示意图。由图可知，这种热敏电阻在温度上升时导电能力 _(选填“增强”或“减弱”)； 相对金属热电阻而言， 热敏电阻对温 度变化的响应更_(选填“敏感”或“不敏感”)。 图 10 解析 由 Rt 图象可知， 该热敏电阻的阻值 R 在温度上升时变小， 因 此其导电能力增强；该热敏电阻相对于金属热电阻而言，对温度变化 的响应更敏感。 答案 增强 敏感 4.(热敏电阻在传感器中的应用)利用负温度系数热敏电阻制作的热传 感器， 一般体积很小， 可以用来测量很小范围内的温度变化， 反应快， 而且精确度高。 (1)如果

20、将负温度系数热敏电阻与电源、电流表和其他元件串联成一个 电路，其他因素不变，只要热敏电阻所处区域的温度降低，电路中电 流将变_(填“大”或“小”)。 (2)上述电路中，我们将电流表中的电流刻度换成相应的温度刻度，就 能直接显示出热敏电阻附近的温度。 如果刻度盘正中的温度为 20 ， 如图 11 甲所示，则 25 的刻度应在 20 的刻度的_(填“左” 或“右”)侧。 图 11 (3)为了将热敏电阻放置在某蔬菜大棚内检测大棚内温度变化，请用图 乙中的器材(可增加元器件)设计一个电路。 解析 (1)因为负温度系数热敏电阻温度降低时，电阻增大，故电路中 电流会减小。 (2)由(1)的分析知，温度越高，电流越大，25 的刻度应对应较大电 流，故在 20 的刻度的右侧。 (3)如图所示。 答案 (1)小 (2)右 (3)见解析