人教版 (新课标)选修3第六章 传感器综合与测试学案设计

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1.传感器
传感器是能够把易感受的力、温度、光、声、化学成分等非电学量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、电流等电学量或转换为电路通断的一类元件．
原理如下所示：
2．光敏电阻
光敏电阻是用半导体材料制成的，其特点是在被光照射时电阻会发生变化，光照增强电阻减小，光照减弱电阻增大，其作用是把光学量转换为电学量．
3．热敏电阻和金属热电阻
金属热电阻的电阻率随温度升高而增大．其特点是化学稳定性好，测温范围大，但灵敏度较差．
热敏电阻是由半导体材料制成的，其电阻率对温度非常敏感．热敏电阻有正温度系数(PTC热敏电阻)、负温度系数(NTC热敏电阻)两种．正温度系数的热敏电阻的阻值随温度升高而增大，负温度系数的热敏电阻的阻值随温度升高而减小．金属热电阻和热敏电阻都能把热学量转换为电学量．
4．电容器
平行板电容器的电容大小与极板正对面积、极板间距及电介质材料有关，电容器可以感知引起电容变化的任一外界信息并将其转化为相应的电容变化．例如，当极板受力时会改变极板间距，从而引起电容变化．
5．霍尔元件
霍尔元件能把磁感应强度这一磁学量转换成电压这一电学量，霍尔电压UH＝keq \f(IB,d).
【例1】 如图甲所示为某一热敏电阻(电阻值随温度的改变而改变，且对温度很敏感)的I­U关系曲线图．
(1)为了通过测量得到如图甲所示I­U关系的完整曲线，在图乙(a)和(b)两个电路中应选择的是________；
简要说明理由： _______________________________________.
(电源电动势为9 V，内阻不计，滑动变阻器的阻值为0～100 Ω)
甲
乙
(2)在图所示电路中，电源电压恒为9 V，电流表读数为70 mA，定值电阻R1＝250 Ω.由热敏电阻的I­U关系曲线可知，热敏电阻两端的电压为________V；电阻R2的阻值为________Ω.
(3)举出一个可以应用热敏电阻的例子．
[解析] (1)由于I­U关系图线中电压从0调至所需电压，电压调节范围大，所以应选择(a)．
(2)由题图知，R2与热敏电阻串联后与R1并联接在9 V电源上，总电流I＝70 mA，R1＝250 Ω.设通过热敏电阻的电流为I2，通过R1的电流为I1，则I＝I1＋I2，故I2＝I－I1＝eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(70－\f(9,250)×103)) mA＝34 mA.由图象查得34 mA对应的电压为5.3 V，R2两端电压U2＝(9－5.3) V＝3.7 V，所以R2＝eq \f(3.7 V,34×10－3 A)＝108.8 Ω.
(3)应用热敏电阻的例子很多，如恒温箱，自动孵化器，热敏温度计等．
[答案] (1)(a) 电路电压可从0调到所需电压，电压调节范围大 (2)5.2 108.8(108.6～109.0均可) (3)恒温箱，自动孵化器，热敏温度计等
1．有一热敏电阻的电阻值在t1～t4的温度变化范围内，R­t图象如图所示．现将该热敏电阻接在欧姆表的两表笔上，做成一个电阻温度计．为了便于读数，再把欧姆表上的电阻值转换成温度值．现在要使该温度计对温度的变化反应较为灵敏，那么该温度计测量哪段范围内的温度较为适宜(设在t1～t4温度范围内，欧姆表的倍率不变)( )
A．t1～t2 B．t2～t3
C．t3～t4 D．都可以
B [由题图可知热敏电阻的电阻值随温度的升高而增大，在t2～t3温度范围内，电阻值随温度的变化较大，即电阻值对温度的变化较为灵敏，故选B.]
以传感器为桥梁可以将多方面的物理知识整合在一起，在实际问题中既可以直接考查传感器知识，也可以考查敏感元件的敏感特性，几种传感器及与其相联系的物理知识，如表：
【例2】 青岛奥运会帆船赛场采用风力发电给蓄电池充电，为路灯提供电能．用光敏电阻作为传感器控制路灯电路的开关，实现自动控制．
光敏电阻的阻值随照射光的强弱而变化，作为简化模型，可以近似认为，照射光较强(如白天)时电阻几乎为0；照射光较弱(如夜晚)时电阻接近于无穷大．利用光敏电阻作为传感器，借助电磁开关，可以实现路灯自动在白天关闭，夜晚打开．电磁开关的内部结构如图所示.1、2两接线柱之间是励磁线圈，3、4两接线柱分别与弹簧片和触点连接．当励磁线圈中电流大于等于50 mA时，电磁铁吸合铁片，弹簧片和触点分离，3、4断开；电流小于50 mA时，3、4接通．励磁线圈中允许通过的最大电流为100 mA.
(1)利用以下器材设计一个自动控制路灯的电路，在下面虚线框中画出电路原理图．
光敏电阻R1，符号
灯泡L，额定功率40 W，额定电压36 V，符号eq \(\s\up7(⊗),\s\d5(L))
保护电阻R2，符号
电磁开关，符号
蓄电池E，电压36 V，内阻很小
开关S，导线若干
(2)回答下列问题：
①如果励磁线圈的电阻为200 Ω，励磁线圈允许加的最大电压为______V，保护电阻R2的阻值范围为______Ω.
②在有些应用电磁开关的场合，为了安全，往往需要在电磁铁吸合铁片时，接线柱3、4之间从断开变为接通．为此，电磁开关内部结构应如何改造？请结合本题中电磁开关内部结构图说明．
答：__________________________________________________.
③任意举出一个其他的电磁铁应用的例子．
答：__________________________________________________.
[解析] (1)电路原理如图所示．
(2)①由题意知：U＝IR＝0.1 A×200 Ω＝20 V；
R2的阻值最小时流过励磁线圈的电流最大，
即Imax＝eq \f(E,R＋Rmin)，解得Rmin＝160 Ω；
R2的阻值最大时流过励磁线圈的电流最小，
即Imin＝eq \f(E,R＋Rmax)，解得Rmax＝520 Ω.
故保护电阻R2的阻值范围为160～520 Ω.
②把触点从弹簧片右侧移到弹簧片左侧，保证当磁铁吸合铁片时，3、4之间接通；不吸合时，3、4之间断开．
③电磁起重机(电磁打点计时器、电铃等合理答案均可)．
[答案] (1)见解析 (2)①20 160～520 ②把触点从弹簧片右侧移到弹簧片左侧，保证当磁铁吸合铁片时，3、4之间接通，不吸合时，3、4之间断开 ③见解析
[一语通关]
1传感器中的敏感元件用于接收非电学量，并将其转换为电学量.
2传感器一般用于有害于人体或人不能轻易到达的环境.
3在不同的仪器中所使用的传感器一般不同，其原理也不尽相同，但都是将非电学量转化为电学量.
2．如图是测量汽车质量的地磅示意图，汽车的质量可通过电流表的示数读出，下列说法正确的是( )
A．电流表的示数越大说明被测汽车质量越大
B．电流表的示数越大说明被测汽车质量越小
C．把图中的电流表换成电压表同样能测量汽车的质量
D．地磅的最大量程只由弹簧的劲度系数决定，与电路的有关参数无关
A [汽车质量越大，弹簧受到的压力就越大，P点越向下，连入电路的电阻就越小，所以电流表的示数就越大，故A正确，B错误；如果换成电压表，因为电压表的内阻较大，所以滑动变阻器的阻值发生变化时，电压表的示数变化范围较小，故不能准确地测量，故C错误；因为通过滑动变阻器的阻值变化，将力信号转换成了电信号，所以D错误．]
传感器及常见敏感元件
传感器在实际问题中的应用
传感器种类
敏感元件
与之相联系的物理知识
光电传感器
光敏电阻
直流电路动态分析
温度传感器
热敏电阻
直流电路问题
力传感器
压敏电阻
力学、运动学与直流电路
电容传感器
电容器
力、运动与含电容电路