高中物理人教版 (2019)选择性必修 第二册第五章 传感器2 常见传感器的工作原理及应用学案

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了解光敏电阻、热敏电阻、电阻应变片及电容式传感器的工作特征及工作原理。
知道传感器是如何将非电学量转化为电学量的物理过程。
【重点】了解光敏电阻、热敏电阻、电阻应变片以及电容式传感器的工作原理。
【难点】不同传感器在实际生产中应用时所涉及的物理原理、相应的定性分析及定量运算。

【课前自主学习】
一、知识前置
把硫化镉涂敷在绝缘板上，在其表面再用银浆涂敷两个互不相连的梳状电极，就形成一个_______，光敏电阻的阻值会随着光照强度的增加而不断_______；
金属热电阻：_______。常用的一种热电阻是用铂制作的，可用来做_______。
热敏电阻：_______。有一种热敏电阻是用氧化锰等金属氧化物烧结而成的，它的电阻随温度的变化_______。与热敏电阻相比，金属热电阻的_______，测温范围大，但灵敏度较差。
电容器的_______ 决定于极板的正对面积 S、_______以及_______这三个因素。如果某个物理量的变化能引起上述某个因素的变化，从而引起电容的变化，那么，通过测定电容器的电容就可以确定这个物理量的变化，由此可以制成_______。
二、新知学习
1.想一想：
我们知道，传感器可以感受光强、温度、力、磁等非电学量，并把它们转换为与之有确定对应关系的电学量输出。那么，常见的传感器是怎样感知非电学量，并将其转换为电学量的呢？利用不同的敏感元件制成的各种传感器又有哪些应用呢？
问题：
那么什么是非电学量呢？
什么又是电学量呢？
1、什么是光敏电阻：随着光照强度的变化，电阻率在发生相应变化的物质。
把硫化镉涂敷在绝缘板上，在其表面再用银浆涂敷两个互不相连的梳状电极，就形成一个_______。
2、实 验一、观察光敏电阻特性
1）．实验原理
光敏电阻的阻值会随着光照强度的增加而不断_______，
用欧姆表连接电阻，用不同强度的光照射电阻，通过观察欧姆表的示数变化，来研究_______与光强的关系。
2）．实验器材
_______、多用电表、导线、电源。
3）．实验步骤
（1)将_______、多用电表、按图甲的方式连接好，其中多用电表置于“×100”挡；
（2)先测出在室内自然光的照射下_______的阻值，并记录数据；
（3)用手掌(或黑纸)遮光时，观察多用电表表盘指针显示电阻阻值的情况，并记录。
（4）用强光照射（如太阳光直接照射或拿亮度较大的手电筒、小灯泡等）观察多用电表表盘指针显示电阻阻值的情况，并记录。
4）．数据处理
根据记录数据分析光敏电阻的特性。
5）．实验结论
(1)光敏电阻在暗环境下电阻值很大，随着光强的变化阻值_______，强光照射下电阻值_______；
(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。
思考：为什么光敏电阻的阻值会随光强的变化而变化呢？
3、光敏电阻在生产中的应用—光电计数器
其中A是发光仪器，B是接收光信号的仪器，B中的主要元件是由光敏电阻组成的光电传感器。当传送带上没有物品挡住由A射向B的光信号时，光敏电阻的阻值较小，供给信号处理系统的电压变低；当传送带上有物品挡住由A射向B的光信号时，光敏电阻的阻值变大，供给信号处理系统的电压变_______。这种高低交替变化的信号经过处理，就会转化为相应的数字，实现_______功能

光电计数器
4、金属热电阻与热敏电阻的区别
金属热电阻：_______。常用的一种热电阻是用铂制作的，可用来做_______。
热敏电阻：_______。有一种热敏电阻是用氧化锰等金属氧化物烧结而成的，它的电阻随温度的变化_______。
说明：与热敏电阻相比，金属热电阻的_______，测温范围大，但灵敏度较差。
实验二、观察热敏电阻特性
方案1：（简易实验）将多用电表的选择开关调到电阻挡（注意选择适当的倍率），将一只热敏电阻连接到多用电表表笔的两端。分别用手和冷水改变热敏电阻的温度，观察电阻的变化情况。
实验结果：_______
6、热敏电阻的应用
一些汽车的低油位报警装置采用热敏电阻来检测油箱的警戒液位。若给热敏电阻通以一定的电流，热敏电阻会_______。当液面高于热敏电阻的高度时，热敏电阻发出的热量会_______，温度基本不变，阻值较大，指示灯不亮（图甲）。当液体减少、热敏电阻露出液面时，发热导致它的温度上升、阻值较小，指示灯亮（图乙）。通过判断热敏电阻的阻值变化，就可以知道_______。

液位报警示意图
7、电阻应变片的工作原理
电阻应变片是一种使用非常广泛的力敏元件，电阻与导体的_______有关。当金属丝受到拉力时，长度变长、横截面积变小，导致电阻变大；当金属丝受到压力时，长度变短、横截面积变大，导致电阻_______。金属导体在外力作用下发生机械形变（伸长或缩短）时，其电阻随着它所受机械形变的变化而发生变化的现象，称为_______效应。_______就是利用这一原理制成的。

电阻应变片
电阻应变片的功能：_______
8、力传感器的应用及工作原理
弹簧钢制成的梁形元件右端固定，在梁的上下表面各贴一个应变片。在梁的自由端施力F，则梁发生弯曲，上表面拉伸，下表面压缩，上表面应变片的电阻变大，下表面应变片的电阻变小。力F越大，弯曲形变越大，应变片的电阻_______。如果让应变片中通过的电流保持恒定，那么上表面应变片两端的电压变大，下表面应变片两端的电压_______。传感器把这两个电压的差值输出。力F越大，输出的电压差值也就_______。
应变片测力原理
9、电容式传感器定义及特点
1、定义：_______
2.特点 ：_______
10、电容式传感器的工作原理
电容器的_______ C 决定于极板的正对面积 S、_______以及_______这三个因素。如果某个物理量的变化能引起上述某个因素的变化，从而引起电容的变化，那么，通过测定电容器的电容就可以确定这个物理量的变化，由此可以制成_______。
11、电容式传感器的应用及优缺点
应用：______。
优点：______。
缺点：______。
1．（单选）街旁路灯,江海里的航标都要求在夜晚亮,白天熄,其利用了半导体的( )
A.压敏性B.光敏性
C.热敏性D.三种特性都利用
2．（单选）如图所示,电源的电动势为E,内阻为r,R1为光敏电阻,光照强度增加时,其阻值减小。现增加光照强度,则下列判断正确的是( )
A.B灯变暗,A灯变亮
B.R2两端的电压变大
C.B灯变亮,A灯变暗
D.电源的总功率变小
3.（单选）如图所示是某居民小区门口利用光敏电阻设计的行人监控装置部分电路示意图,R1为光敏电阻(光照增强时电阻变小),R2为定值电阻,A、B接监控装置。则( )
①当有人通过而遮蔽光线时,A、B之间电压升高
②当有人通过而遮蔽光线时,A、B之间电压降低
③当仅增大R2的阻值时,可增大A、B之间的电压
④当仅减小R2的阻值时,可增大A、B之间的电压
A.①③B.①④C.②③D.②④
4.（单选）压敏电阻的阻值会随所受压力的增大而减小，某位同学利用压敏电阻设计了判断电梯运动状态的装置，其装置示意图如图甲所示，将压敏电阻平放在电梯内，受压面朝上，在上面放一物体m，电梯静止时电流表示数为I0，电梯在运动过程中，电流表的示数如图乙所示，下列判断中正确的是( )
A．乙图表示电梯做匀速直线运动
B．乙图表示电梯做匀加速运动
C．乙图表示电梯做变加速运动
D．乙图表示电梯做匀减速运动
5.小强用恒温箱进行实验时，发现恒温箱的温度持续升高，无法自动控制。经检查，恒温箱的控制器没有故障。参照如图所示恒温箱，下列对故障判断正确的是( )
A．只可能是热敏电阻出现故障
B．只可能是温度设定装置出现故障
C．热敏电阻和温度设定装置都可能出现故障
D．可能是加热器出现故障
6.如图甲所示，为热敏电阻的R­t图像，图乙为用此热敏电阻R和继电器组成的一个简单恒温箱温控电路，继电器的电阻为100 Ω。当线圈的电流大于或等于20 mA时，继电器的衔铁被吸合。为继电器线圈供电的电池的电动势E＝9.0 V，内阻可以不计。图中的“电源”是恒温箱加热器的电源。则
(1)应该把恒温箱内的加热器接在________(填“A、B端”或“C、D端”)。
(2)如果要使恒温箱内的温度保持50 ℃，可变电阻R′的阻值应调节为________ Ω。

参考答案
【答案】B
【解析】街旁路灯、江海里的航标,要求夜晚亮、白天熄,白天光照强,夜晚光照弱,可知是由光导致电路的电流变化,实现自动控制的,因此是利用半导体的光敏性,选项B正确。
2.【答案】B
【解析】增加光照强度时,R1的阻值减小,电路的总电阻减小。根据闭合电路的欧姆定律可知,电路中的总电流增大,电源的总功率增大,路端电压减小,A灯变暗,R2两端的电压变大,R1两端的电压变小,B灯变暗,选项B正确,A、C、D错误。
3.【答案】 C
【解析】由电路图可知,两电阻串联,监控装置与R2并联。当有人通过通道而遮蔽光线时,R1阻值变大,电路中的总电阻变大,根据闭合电路欧姆定律可知,电路中的总电流变小,定值电阻R2两端的电压变小,即A、B间电压降低,故②正确,①错误;当仅增大R2的阻值时,电路中的总电阻变大,总电流变小,根据UAB=E-I(r+R1)可知,A、B之间的电压增大,③正确,同理可知④错误。故选C。
4.【答案】C
【解析】从题图乙可以看出电流增大，由欧姆定律知道压敏电阻阻值应该减小，结合压敏电阻特点可以判断，压力增大，而且电流逐渐变大，压力应该也是逐渐增大，说明电梯的加速度逐渐增大，所以电梯做变加速运动，C对。
5.【答案】C
【解析】恒温箱内温度持续升高，说明加热器没有损坏，选项D错误。无法自动控制，而经检查控制器又没有故障，说明控制器没问题。热敏电阻或温度设定装置出现故障都能使温度持续升高，故应选C。
6.【答案】】(1)A、B端 (2)260
【解析】(1)由题图知，热敏电阻R的阻值随温度的升高而减小，由闭合电路欧姆定律得，干路电流增大，当增大到继电器的衔铁被吸合时的电流，恒温箱内的加热器就停止加热，故恒温箱内的加热器接在A、B端。
(2)当恒温箱内的温度保持50 ℃，此时热敏电阻的阻值R＝90 Ω，应调节可变电阻R′的阻值使电流达到20 mA，由闭合电路欧姆定律得，r＋R＋R′＝eq \f(E,I)，即R′＝eq \f(E,I)－r－R＝eq \f(9,0.02) Ω－100 Ω－90 Ω＝260 Ω，即可变电阻R′的阻值应调节为260 Ω。