高中物理6.1传感器及其工作原理导学案新人教版选修3_2201707132127.doc

第六章 传感器第一节 传感器及其工作原理【学习目标】1、了解什么是传感器，知道非电学量转化为电学量的技术意义；2、知道传感器中常见的三种敏感元件光敏电阻、热敏电阻和霍尔元件及其它们的工作原理。3、了解传感器的应用。4、通过对实验的观察、思考和探究，让学生在了解传感器、熟悉传感器工作原理的同时，经历科学探究过程，学习科学研究方法，培养学生的观察能力、实践能力和创新思维能力。【重点、难点】理解并掌握传感器的三种常见敏感元件的工作原理。分析并设计传感器的应用电路。预习案【自主学习】1、传感器是能够把易感受的力、温度、光、声、化学成分等_按照一定的规律转换为容易进行测量，传输处理和控制的电压、电流等_、或转换为电路的_的一类元件2、光敏电阻的特性：_，光敏电阻能够把_这个光学量转换为_这个电学量3、金属热电阻的电阻率随温度的升高而_，热敏电阻的电阻率随温度的升高而_，金属热电阻和热敏电阻都可以制作_传感器与热敏电阻相比，金属热电阻的_，测温范围_，但_较差4、如图1所示，E、F间通入恒定电流I，同时外加与薄片垂直的磁场B，则M、N间出现霍尔电压UH，UH_.式中_为薄片的厚度，_为霍尔系数，它的大小与薄片的材料有关图15关于干簧管，下列说法正确的是()A干簧管接入电路中相当于电阻的作用B干簧管是根据热胀冷缩的原理制成的C干簧管接入电路中相当于开关的作用D干簧管是作为电控元件以实现自动控制的6霍尔元件能转换哪个物理量()A把温度这个热学量转换成电阻这个电学量B把磁感应强度这个磁学量转换成电压这个电学量C把力这个力学量转换成电压这个电学量D把光照强弱这个光学量转换成电阻这个电学量【学始于疑】探究案【合作探究】（一）传感器 1、概念：_。 2、原理图： 3、三种常见的敏感元件 （1）光敏电阻 材料及构造 工作原理 功能：把_（光学量）转换为_（电学量）。 （2）热敏电阻和金属热电阻 热敏电阻 a）材料 b）特点 c）功能：把_转换为_（电学量）。 d）分类： 正温度系数PTC热敏电阻（特点） 负温度系数NTC热敏电阻（特点） 金属热电阻 a）材料 b）特点 c）功能：把_转换为_（电学量）。 （3）霍尔元件 材料及构造 霍尔电压：_。 推导： 功能：把_（磁学量）转换为_（电学量）。传感器功能：能将力、温度、光、声、物质成分等_转化为_的元件。【课堂小结/本节知识网络】【当堂检测】1知识点一光敏电阻 1如图2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分别与光敏电阻RG的两端相连，这时表针恰好指在刻度盘的中央若用不透光的黑纸将RG包裹起来，表针将向_(填“左”或“右”)转动；若用手电筒的光照射RG，表针将向_(填“左”或“右”)转动图22如图3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？图3知识点二热敏电阻和金属热电阻3如图4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()图4 AR1两端的电压增大B电流表的示数增大C小灯泡的亮度变强D小灯泡的亮度变弱4如图5所示为电阻R随温度T变化的图线，下列说法中正确的是()图5A图线1是热敏电阻的图线，它是用金属材料制成的B图线2是热敏电阻的图线，它是用半导体材料制成的C图线1的材料化学稳定性好、测温范围大、灵敏度高D图线2的材料化学稳定性差、测温范围小、灵敏度高知识点三霍尔元件5如图6所示，有电流I流过长方体金属块，金属块宽为d，高为b，有一磁感应强度为B的匀强磁场垂直于纸面向里，金属块单位体积内的自由电子数为n，问：金属块上、下表面哪面电势高？电势差是多少？图6 6图7是霍尔元件的工作原理示意图，如果用d表示薄片的厚度，k为霍尔系数，对于一个霍尔元件d、k为定值，如果保持I恒定，则可以验证UH随B的变化情况以下说法中正确的是(工作面是指较大的平面)()图7A将永磁体的一个磁极逐渐靠近霍尔元件的工作面，UH将变大B在测定地球两极的磁场强弱时，霍尔元件的工作面应保持水平C在测定地球赤道上的磁场强弱时，霍尔元件的工作面应保持水平D改变磁感线与霍尔元件工作面的夹角，UH将发生变化7如图8所示，R1、R2为定值电阻，L为小灯泡，R3为光敏电阻，当照射光强度增大时()图8A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8如图9所示是一火警报警装置的部分电路示意图，其中R2是半导体热敏传感器，它的电阻随温度升高而减小，a、b接报警器当传感器R2所在处出现火情时，电流表的电流I和a、b两端两压U与出现火情前相比() 图9AI变大，U变大 BI变小，U变小CI变小，U变大 DI变大，U变小【课后巩固】1关于光敏电阻，下列说法正确的是（ ）A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B硫化镉是一种半导体材料，无光照射时，载流子极少，导电性能不好C硫化镉是一种半导体材料，无光照射时，载流子较少，导电性能良好D半导体材料的硫化镉，随着光照的增强，载流子增多，导电性能变好2霍尔元件能转换哪两个量（ ）A把温度这个热学量转换为电阻这个电学量B把磁感应强度这个磁学量转换为电压这个电学量C把力转换为电压这个电学量D把光照强弱这个光学量转换为电阻这个电学量如图所示是测定位移的电容式传感器，其工作原理是哪个量的变化，造成其电容的变化（ ）A电介质进入极板的长度第3题B两极板间距C两极板正对面积第4题R2R1R3D极板所带电量如图所示，、为定值电阻，是小灯泡，为光敏电阻，当照射光强度增大时，（ ）A电压表的示数增大B中电流减小C小灯泡的功率增大第5题R3R4R1R2D电路的路端电压增大5如图所示，是光敏电阻，当开关闭合后在没有光照射时，a、b两点等电势，当用光照射电阻时，则（ ）A的电阻变小，a点电势高于b点电势B的电阻变小，a点电势低于b点电势C的电阻变小，a点电势等于b点电势D的电阻变大，a点电势低于b点电势6有一电学元件，温度升高时电阻却大幅度减小，则这种元件可能是（ ）A金属导体 B绝缘体 C半导体 D超导体7如图是观察电阻值随温度变化情况示意图。现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（ ）A如果R为金属热电阻，读数变大，且变化非常明显B如果R为金属热电阻，读数变小，且变化不明显第7题C如果R为热敏电阻（用半导体材料制作），读数变化非常明显D如果R为热敏电阻（用半导体材料制作），读数变化不明显8如图是霍尔元件的工作原理示意图，用d表示薄片的厚度，k为霍尔系数，对于一个霍尔元件d、k为定值，如果保持I恒定，则可以验证UH随B的变化情况。以下说法中正确的是（ ）A将永磁体的一个磁极逐渐靠近霍尔元件的工作面，UH将变大B在测定地球两极的磁场强弱时，霍尔元件的工作面应保持水平第8题C在测定地球赤道上的磁场强弱时，霍尔元件的工作面应保持水平D改变磁感线与霍尔元件工作面的夹角，UH将发生变化第9题9如图所示宽度为d，厚度为h的金属板放在垂直于它的磁感应强度为B的匀强磁场中，当有电流I通过金属板时，在金属板上侧面A和下侧面间产生电势差，这种现象叫霍尔效应，若金属板内自由电子密度为n，则产生的电势差U_【答案】 自主学习：1非电学量电学量通断2随着光照的增强，载流子增多，导电性能变好光照强弱电阻3增大减小温度化学稳定性好大灵敏度4kdk5CD干簧管能感知磁场，是因为当两个舌簧所处位置的磁场方向相同时，就会吸引，所以是做开关来使用，当磁场靠近或远离的时候，就会实现闭合或断开6B根据霍尔元件工作原理，载流子在洛伦兹力作用下漂移，形成霍尔电压，UHk，所以，它将磁感应强度这个磁学量转换成电压这个电学量，故B正确当堂检测:1左右解析光敏电阻受光照越强，电阻越小，所以将RG用不透光的黑纸包起来，电阻增大，指针左偏；若用手电筒的光照射RG，电阻减小，指针右偏2见解析解析当光被元件挡住时，光敏电阻的阻值R1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，每通过一个元件就获得一次低电压，计数一次 点评当光照增强时，光敏电阻的阻值减小，光照减弱时，光敏电阻的阻值增大即光照强弱的变化引起电路中电流和电压的一系列变化3CR2与灯L并联后与R1串联，与电源构成闭合电路，当温度降低时，热敏电阻R2的阻值增大，外电路电阻增大，电流表读数变小，R1两端电压减小，灯L两端电压增大，灯泡亮度变强，故C正确，其余各项均错点评热敏电阻温度升高，电阻减小；温度降低，电阻增大4BD热敏电阻由半导体材料制成，电阻随温度升高而减小，且灵敏度高，金属热电阻随温度升高电阻增大，灵敏度不高，但测温范围大，化学性质稳定故B、D正确点评1.热敏电阻和金属热电阻的阻值随温度的变化方向是相反的热敏电阻温度升高，电阻减小，金属热电阻温度升高，电阻增大 2热敏电阻随温度变化明显金属热电阻的化学稳定性好，测温范围大5下表面电势高解析因为自由电荷为电子，故由左手定则可判定向上偏，则上表面聚集负电荷，下表面带多余等量的正电荷，故下表面电势高，设其稳定电压为U.当运动电荷所受电场力与洛伦兹力平衡时，有eevB，又因为导体中的电流IneSvnev·bd，故U.点评当电流在导体中流动时，运动电荷在洛伦兹力作用下，分别向导体上、下表面聚集，在导体中形成电场，其中上表面带负电，电势低，随着正、负电荷不断向下、上表面积累，电场增强，当运动电荷(Q)所受电场力与洛伦兹力平衡时，即QEQvB时，电荷将不再向上或向下偏转，上、下表面间形成稳定电压6ABD根据公式UHk可以看出，当磁极靠近霍尔元件的工作面时，B增大，UH将变大，选项A正确；在地球两极附近，可以认为地磁场与水平面垂直，霍尔元件的工作面保持水平，故B正确而在赤道上，地磁场与水平面平行若霍尔元件的工作面保持水平，则无电压产生，C错误；改变磁感线与霍尔元件工作面的夹角，相当于改变了霍尔系数k，故UH将发生变化，故D正确 点评霍尔元件把磁感应强度这个磁学量转换为电压这个电学量，电压与磁感应强度的关系为UHk.7ABC当光强度增大时，R3阻值减小，外电路电阻随R3的减小而减小，R1两端电压因干路电流增大而增大，同时内电压增大，故电路路端电压减小，而电压表的示数增大，A项正确，D项错误；由路端电压减小，而R1两端电压增大知，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，则小灯泡的功率增大，C项正确8D当传感器R2所在处出现火情时，温度升高，电阻减小，电路的总电阻减小，总电流I增大，路端电压UabEIr减小，I(rR1)增大，U并EI(rR1)减小，通过R3的电流I3减小，通过R2的电流I2II3增大，D对方法总结电路中涉及热敏电阻、光敏电阻或金属热电阻等元件时，熟记各种元件的特性，然后依据动态电路问题的分析思路，由部分到整体再到部分的顺序进行分析课后巩固：1、ABD 2、B 3、A 4、ABC 5、A 、C 7、C 8、ABD 9、7