高中物理人教版 (2019)选择性必修 第二册第五章 传感器1 认识传感器学案设计

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2 常见传感器的工作原理及应用
[学习目标] 1.知道什么是传感器，了解传感器的种类(重点)。2.知道传感器的组成与应用模式。3.知道光敏电阻、金属热电阻、热敏电阻、电阻应变片、电容式传感器的工作原理及应用(难点)。
一、传感器及其工作原理
干簧管结构：如图甲所示，玻璃管内封入了两个软磁性材料制成的簧片，接入图乙电路，当条形磁体靠近干簧管时：
(1)会发生什么现象，为什么？
(2)干簧管的作用是什么？
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1．传感器
(1)定义：能够感受诸如力、温度、光、声、化学成分等被测量，并能把它们按照一定的规律转换为便于传送和处理的________________(通常是________、电流等电学量)输出，或转换为电路的________的器件或装置。
(2)功能：把____________量转化为____________量，可以方便地进行测量、传输、处理和________。
2．传感器的种类、组成与应用模式
(1)分类：按传感器的工作原理的不同，把传感器分为________传感器、________传感器和________传感器。
(2)组成：传感器主要由________________、转换元件组成。
①敏感元件：能直接感受或响应外界被测非电学量的部分。相当于人的感觉器官，是传感器的核心部分，是利用材料的某种敏感效应(如热敏、光敏、压敏、力敏、湿敏等)制成的。
②转换元件：将敏感元件输出的信号直接转换成电信号的部分。
(3)应用模式：
例1 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
例2 在多种检测三聚氰胺的方法中有一种“酶标法”检测，这种检测方法使用的传感器，应为传感器中的哪一类( )
A．物理传感器 B．化学传感器
C．生物传感器 D．温度传感器
二、光敏电阻
1．特点：在被光照射时________发生变化，阻值随光照强度的增强而明显________。
2．阻值发生变化的原因：光敏电阻的构成物质为半导体材料，无光照时，载流子________，导电性能________；随着光照的增强，载流子________，导电性________。
3．作用：把________________这个光学量转换为________这个电学量。
4．应用实例：在工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。当光被产品挡住时，R1电阻________(填“增大”“减小”或“不变”)，电路中电流减小，R2两端电压________(填“增大”“减小”或“不变”)，信号处理系统得到________(填“高”或“低”)电压，每通过一个产品就获得一次________(填“高”或“低”)电压，并计数一次。
例3 (多选)(2023·雅安高二期末)某小区为积极响应市政府提出的“迎峰度冬”节约用电工作，拟将小区路灯电路进行改造，实现路灯亮度自控。如图所示为其内部电路简化原理图，电源电动势为E，内阻为r，RL为光敏电阻(光照强度增加时，其电阻阻值减小)。现减小光照强度，下列判断正确的是( )
A．电源的效率变大
B．A灯和B灯都变亮
C．R0两端电压变大
D．电源内部发热功率不变
三、金属热电阻和热敏电阻
1．金属热电阻：金属导体的电阻随温度的升高而________，如图中图线①所示。
2．热敏电阻
(1)热敏电阻指用半导体材料制成，电阻值随温度变化发生明显变化的电阻。如图中图线②所示为某热敏电阻的电阻—温度特性曲线。
(2)热敏电阻分正温度系数热敏电阻和负温度系数热敏电阻两类，电阻值随温度升高而增大的是正温度系数热敏电阻；电阻值随温度升高而________的是负温度系数热敏电阻。常用的是负温度系数热敏电阻。
3．作用：金属热电阻和热敏电阻把________这个热学量转换成________这个电学量。
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(温度升高时电阻减小)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，多用电表指针将如何偏转？若用吹风机将热风吹向热敏电阻，多用电表指针将如何偏转？
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例4 (多选)电阻R随温度T变化的图像如图所示。下列说法正确的是( )
A．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对应的材料化学稳定性好、测温范围大、灵敏度高
D．图线2对应的材料化学稳定性差、测温范围小、灵敏度高
例5 (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( )
A．电容器C的带电荷量增大
B．理想电压表的示数增大
C．电容器C两板间的电场强度减小
D．R1消耗的功率增大
四、电阻应变片
1．电阻应变效应：金属导体在外力作用下发生机械形变时(伸长或缩短)，其电阻也随之变化的现象。
2．电阻应变片：电阻应变片有金属电阻应变片和________________________________，它的工作原理是基于半导体材料的________________________。
3．电阻应变片能够把物体形变这个力学量转换为________这个电学量。
4.应用实例：如图所示是一个应变式力传感器，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。在梁的自由端施加力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________(填“大”或“小”)，下表面应变片的电阻变________(填“大”或“小”)。力F越大，弯曲形变越大，应变片的电阻变化就越大。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________(填“大”或“小”)，下表面应变片两端的电压变______(填“大”或“小”)。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越________(填“大”或“小”)。
例6 压敏电阻的阻值随所受压力的增大而减小，有位同学设计了利用压敏电阻判断竖直升降机运动状态的装置，其工作原理图如图甲所示，将压敏电阻固定在升降机底板上，其上放置一个物块，在升降机运动的过程中，电流表示数如图乙所示，已知升降机静止时电流表的示数为I1。下列判断正确的是( )
A．0到t1时间内，升降机一定静止
B．t1到t2时间内，升降机可能做匀加速直线运动
C．t1到t2时间内，升降机运动时的加速度在变化
D．t2到t3时间内，升降机可能向下匀速运动
五、电容式传感器
电容式传感器：电容器的电容C取决于极板的正对面积S、极板间距d以及极板间的电介质这三个因素。如果某个物理量(如角度θ、位移x、深度h等)的变化引起上述某个因素的变化，从而引起电容的变化，通过电容的变化就可以确定上述物理量的变化，那么这种电容器就被称为电容式传感器。
如图是电容式话筒的原理图，话筒的振动膜片上涂有薄薄的金属层，膜后相距几十微米有一个金属片，他们构成电容器的两个极板。电容式话筒利用电容器的电容与极板间距离关系来工作，试分析它的工作原理。
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例7 (多选)(2022·江苏省苏州中学阶段测试)传感器是智能社会的基础元件。如图为电容式位移传感器的示意图，测出电容C的变化即可知道物体位移x的变化，eq \f(ΔC,Δx)表示该传感器的灵敏度。电容器极板和电介质板长度均为L，测量范围为－eq \f(L,2)≤x≤eq \f(L,2)，下列说法正确的是( )
A．若电容器的电容变大，物体向－x方向运动
B．若电容器的电容变大，物体向＋x方向运动
C．电介质的相对介电常数越大，传感器灵敏度越高
D．电容器的板间电压越大，传感器灵敏度越高