人教版高中物理选择性必修二 5.2 常见传感器的工作原理及应用 学案
文档属性
| 名称 | 人教版高中物理选择性必修二 5.2 常见传感器的工作原理及应用 学案 |  | |
| 格式 | docx | ||
| 文件大小 | 599.6KB | ||
| 资源类型 | 试卷 | ||
| 版本资源 | 人教版（2019） | ||
| 科目 | 物理 | ||
| 更新时间 | 2021-12-07 15:16:18 | ||
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文档简介
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5.2 常见传感器的工作原理及应用 学案
一、自主预习
1. 热敏电阻随温度升高而______，光敏电阻在光照射下其电阻显著______。（填“增大”或“减小”）
2.光敏电阻是把光照的_____转换为电阻，热敏电阻是把_____转换为电阻。
课堂探究
情景设问
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？
新知探究
考点一：光敏电阻
1、特点：光照越强，电阻越小。
2、原理：光敏电阻的构成物质为半导体材料，无光照时，载流子极少，导电性能差，随着光照的增强，载流子增多，导电性能变好。
3、作用：把光照强弱这个光学量转换为电阻这个电学量。
4、实验观察光敏电阻的特性：用多用电表测量，
1.光敏电阻在自然光照射下的电阻
2.光敏电阻在手掌遮住时的电阻大小。
图5.2-2
5、光敏电阻的应用：在流水线上，对产品计数。如图所示，是利用光敏电阻自动计数的示意图。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。
考点二：金属热电阻和热敏电阻
1、热敏电阻：由半导体材料制成，利用温度的变化使半导体的导电性能发生变化的电子元件。一般热敏电阻的阻值随温度的升高而减小。
2、金属热电阻：金属的电阻率随温度的升高而增大，利用这一特性，金属丝也可以制作成热敏传感器，称为热电阻。
有些半导体在温度上升时导电能力增强（图5.2-4中的图线2），因此可以用半导体材料制作热敏电阻。
与热敏电阻相比，金属热电阻的化学稳定性好，测温范围大，但灵敏度较差。
3、热敏电阻与金属热电阻的区别：
热敏电阻 金属热电阻
特点 电阻随温度的变化而变化且非常明显 电阻率随温度的升高而增大
制作材料 半导体 金属导体
优点 灵敏度好 化学稳定性好，测温范围大
作用 能够将温度这个转换为电阻这个电学量
4、实验：观察热敏电阻的特性
实验器材：热敏电阻、万用电表
实验过程：将多用电表的选择开关调到电阻挡（注意选择适当的倍率），然后仿照图5.2-2所示的方法，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。
实验现象：用手握着时电阻较小。
实验结论：热敏电阻的阻值随着温度的增加而减小。
利用金属热电阻和热敏电阻的阻值与温度之间的对应关系，除了可用来测量温度，还可以有其他用处。如图5.2-5所示，通过判断热敏电阻的阻值变化，可以知道液面是否低于设定值。
考点三：电阻应变片
1、金属电阻的应变效应：金属导体在外力作用下发生机械形变时，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半导体电阻应变片，半导体电阻应变片的工作原理是基于半导体材料的压阻效应。
3、工作原理如图：
4、作用：将物体形变这个力学量转换为电压这个电学量。
5、应变式力传感器应用：
思考与讨论：
电容式位移传感器的工作原理是怎样的？
电容式位移传感器能把物体的位移这个力学量转换为电容这个电学量。
考点四：霍尔元件
1、构造：很小的矩形半导体薄片上，制作四个电极E、F、M、N。
2、原理：在匀强磁场中放置一个矩形截面的载流导体，当磁场方向与电流方向垂直时，导体中能够自由移动的带电粒子在洛伦兹力的作用下，向着与电流、磁场都垂直的方向漂移，继而在该方向上出现了电势差（图5.2-11）。后来大家把这个现象称为霍尔效应，所产生的电势差称为霍尔电势差或霍尔电压。
3、作用：把磁感应强度这个磁学量转换为电压这个电学量。
三、典例精讲
例题展示
例1：下列关于传感器说法中不正确的是（ ）
A．电子秤所使用的测力装置是力传感器，它将压力大小转化为可变电阻，进而转化为电压信号
B．话筒是一种常用的声传感器，其作用是将电信号转换为声信号
C．电熨斗能自动控制温度的原因是它装有双金属片，这种双金属片的作用是控制电路的通断
D．光敏电阻能够把光照强度这个光学量转换为电阻这个电学量
例2：关于传感器，下列说法正确的是（ ）
A．金属材料不可以制成传感器
B．光敏电阻和热敏电阻都是由半导体材料制成的
C．传感器主要是通过感知电阻的变化来传递信号的
D．以上说法都不正确
四、核心素养专练
1. 下列有关传感器的判断正确的是（ ）
A．传感器是将电学量（电压、电流等）转化成非电学量（压力、温度、位移等）的装置
B．把霍尔元件放入磁场中，由于电磁感应现象，在元件的电极间产生感应电动势
C．金属热电阻的电阻率随温度升高而减小
D．干簧管是一种能够感知磁场的传感器
2. 全自动洗衣机设有多段式水位自动感应装置，该装置采用的可能是下列哪种类型的传感器（ ）
A．压力传感器 B．红外线传感器
C．温度传感器 D．生物传感器
3. 关于传感器工作的一般流程，下列说法中正确的是（ ）
A．非电信息→敏感元件→处理电路→电信息
B．电信息→处理电路→敏感元件→非电信息
C．非电信息→敏感元件→电信息→处理电路
D．非电信息→处理电路→敏感元件→电信息
4. 为了进一步有效防控火灾安全，我校在配电房安装一种在有光照或者温度升高时排气扇都能启动的自动控制装置，根据以上特性下列叙述正确的是（ ）
A．两个传感器都是光电传感器
B．两个传感器可能分别是电容式传感器和温度传感器
C．两个传感器分别是光电传感器和温度传感器
D．只有光照和温度都适合时排气扇才能工作
五、参考答案
自主预习
1. 减小，减小。2. 强度、温度。
典例精讲
例1. A、电子秤所使用的测力装置是力传感器，利用通过应力片的电流一定，压力越大，电阻越大，应力片两端的电压差越大，将力信号变成电信号，故A正确；
B、话筒是一种常用的声波传感器，其作用是声信号转换为电信号，故B错误；
C、电熨斗通过温度传感器，由于双金属片上下层膨胀系数不同，在同一温度下的伸缩不一，从而实现温度的自动控制，从而实现控制电路的通断，故C正确；
D、光敏电阻是由半导体材料制成的；其电阻值随光照的强弱发生变化，能够把光照强弱变化转换为电阻大小变化；阻值随光照的增强而减小，故D正确；
因选不正确的；故选：B。
例2. A、传感器材料分半导体材料、陶瓷材料、金属材料和有机材料，故A错误；
B、光敏电阻和热敏电阻都是由半导体材料制成的，故B正确，D错误；
C、传感器一定是通过非电学量转换成电学量来传递信号的，不一定是通过感知电阻的变化来传递信号的，故C错误；故选：B。
核心素养专练
1． A、传感器是将非电学量（压力、温度、位移等）转化成电学量（电压、电流等）的装置，故A错误。
B、把霍尔元件放入磁场中，载流子在洛伦兹力的作用下偏转，使霍尔元件的上、下两面出现电势差，故B错误。
C、金属热电阻的电阻率随温度升高而增大，故C错误。
D、干簧管是磁控开关，故D正确。故选：D。
2．洗衣机设有多段式水位自动感应装置，是通过不同的压力转换成电学量，运用的压力传感器，故A正确，BCD错误；故选：A。
3．传感器一定是通过非电学量转换成电学量来传递信号的，工作处理的一般流程是：先由非电学量，比如：光信号、压力信号等，通过敏感元件后，由电路处理，变为电信号，从而得以工作，所以A正确，BCD错误。
故选：A。
4．由题意可知，有光照或温度升高时排气风扇都能起动，这个过程是利用了传感器，将光信号转换为电信号的是光传感器，将温度信号转化为电信号的是温度传感器。故两个传感器分别是光电传感器和温度传感器；故C正确，ABD错误。故选：C。
5.2 常见传感器的工作原理及应用 学案
一、自主预习
1. 热敏电阻随温度升高而______，光敏电阻在光照射下其电阻显著______。（填“增大”或“减小”）
2.光敏电阻是把光照的_____转换为电阻，热敏电阻是把_____转换为电阻。
课堂探究
情景设问
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？
新知探究
考点一：光敏电阻
1、特点：光照越强，电阻越小。
2、原理：光敏电阻的构成物质为半导体材料，无光照时，载流子极少，导电性能差，随着光照的增强，载流子增多，导电性能变好。
3、作用：把光照强弱这个光学量转换为电阻这个电学量。
4、实验观察光敏电阻的特性：用多用电表测量，
1.光敏电阻在自然光照射下的电阻
2.光敏电阻在手掌遮住时的电阻大小。
图5.2-2
5、光敏电阻的应用：在流水线上，对产品计数。如图所示，是利用光敏电阻自动计数的示意图。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。
考点二：金属热电阻和热敏电阻
1、热敏电阻：由半导体材料制成，利用温度的变化使半导体的导电性能发生变化的电子元件。一般热敏电阻的阻值随温度的升高而减小。
2、金属热电阻：金属的电阻率随温度的升高而增大，利用这一特性，金属丝也可以制作成热敏传感器，称为热电阻。
有些半导体在温度上升时导电能力增强（图5.2-4中的图线2），因此可以用半导体材料制作热敏电阻。
与热敏电阻相比，金属热电阻的化学稳定性好，测温范围大，但灵敏度较差。
3、热敏电阻与金属热电阻的区别：
热敏电阻 金属热电阻
特点 电阻随温度的变化而变化且非常明显 电阻率随温度的升高而增大
制作材料 半导体 金属导体
优点 灵敏度好 化学稳定性好，测温范围大
作用 能够将温度这个转换为电阻这个电学量
4、实验：观察热敏电阻的特性
实验器材：热敏电阻、万用电表
实验过程：将多用电表的选择开关调到电阻挡（注意选择适当的倍率），然后仿照图5.2-2所示的方法，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。
实验现象：用手握着时电阻较小。
实验结论：热敏电阻的阻值随着温度的增加而减小。
利用金属热电阻和热敏电阻的阻值与温度之间的对应关系，除了可用来测量温度，还可以有其他用处。如图5.2-5所示，通过判断热敏电阻的阻值变化，可以知道液面是否低于设定值。
考点三：电阻应变片
1、金属电阻的应变效应：金属导体在外力作用下发生机械形变时，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半导体电阻应变片，半导体电阻应变片的工作原理是基于半导体材料的压阻效应。
3、工作原理如图：
4、作用：将物体形变这个力学量转换为电压这个电学量。
5、应变式力传感器应用：
思考与讨论：
电容式位移传感器的工作原理是怎样的？
电容式位移传感器能把物体的位移这个力学量转换为电容这个电学量。
考点四：霍尔元件
1、构造：很小的矩形半导体薄片上，制作四个电极E、F、M、N。
2、原理：在匀强磁场中放置一个矩形截面的载流导体，当磁场方向与电流方向垂直时，导体中能够自由移动的带电粒子在洛伦兹力的作用下，向着与电流、磁场都垂直的方向漂移，继而在该方向上出现了电势差（图5.2-11）。后来大家把这个现象称为霍尔效应，所产生的电势差称为霍尔电势差或霍尔电压。
3、作用：把磁感应强度这个磁学量转换为电压这个电学量。
三、典例精讲
例题展示
例1：下列关于传感器说法中不正确的是（ ）
A．电子秤所使用的测力装置是力传感器，它将压力大小转化为可变电阻，进而转化为电压信号
B．话筒是一种常用的声传感器，其作用是将电信号转换为声信号
C．电熨斗能自动控制温度的原因是它装有双金属片，这种双金属片的作用是控制电路的通断
D．光敏电阻能够把光照强度这个光学量转换为电阻这个电学量
例2：关于传感器，下列说法正确的是（ ）
A．金属材料不可以制成传感器
B．光敏电阻和热敏电阻都是由半导体材料制成的
C．传感器主要是通过感知电阻的变化来传递信号的
D．以上说法都不正确
四、核心素养专练
1. 下列有关传感器的判断正确的是（ ）
A．传感器是将电学量（电压、电流等）转化成非电学量（压力、温度、位移等）的装置
B．把霍尔元件放入磁场中，由于电磁感应现象，在元件的电极间产生感应电动势
C．金属热电阻的电阻率随温度升高而减小
D．干簧管是一种能够感知磁场的传感器
2. 全自动洗衣机设有多段式水位自动感应装置，该装置采用的可能是下列哪种类型的传感器（ ）
A．压力传感器 B．红外线传感器
C．温度传感器 D．生物传感器
3. 关于传感器工作的一般流程，下列说法中正确的是（ ）
A．非电信息→敏感元件→处理电路→电信息
B．电信息→处理电路→敏感元件→非电信息
C．非电信息→敏感元件→电信息→处理电路
D．非电信息→处理电路→敏感元件→电信息
4. 为了进一步有效防控火灾安全，我校在配电房安装一种在有光照或者温度升高时排气扇都能启动的自动控制装置，根据以上特性下列叙述正确的是（ ）
A．两个传感器都是光电传感器
B．两个传感器可能分别是电容式传感器和温度传感器
C．两个传感器分别是光电传感器和温度传感器
D．只有光照和温度都适合时排气扇才能工作
五、参考答案
自主预习
1. 减小，减小。2. 强度、温度。
典例精讲
例1. A、电子秤所使用的测力装置是力传感器，利用通过应力片的电流一定，压力越大，电阻越大，应力片两端的电压差越大，将力信号变成电信号，故A正确；
B、话筒是一种常用的声波传感器，其作用是声信号转换为电信号，故B错误；
C、电熨斗通过温度传感器，由于双金属片上下层膨胀系数不同，在同一温度下的伸缩不一，从而实现温度的自动控制，从而实现控制电路的通断，故C正确；
D、光敏电阻是由半导体材料制成的；其电阻值随光照的强弱发生变化，能够把光照强弱变化转换为电阻大小变化；阻值随光照的增强而减小，故D正确；
因选不正确的；故选：B。
例2. A、传感器材料分半导体材料、陶瓷材料、金属材料和有机材料，故A错误；
B、光敏电阻和热敏电阻都是由半导体材料制成的，故B正确，D错误；
C、传感器一定是通过非电学量转换成电学量来传递信号的，不一定是通过感知电阻的变化来传递信号的，故C错误；故选：B。
核心素养专练
1． A、传感器是将非电学量（压力、温度、位移等）转化成电学量（电压、电流等）的装置，故A错误。
B、把霍尔元件放入磁场中，载流子在洛伦兹力的作用下偏转，使霍尔元件的上、下两面出现电势差，故B错误。
C、金属热电阻的电阻率随温度升高而增大，故C错误。
D、干簧管是磁控开关，故D正确。故选：D。
2．洗衣机设有多段式水位自动感应装置，是通过不同的压力转换成电学量，运用的压力传感器，故A正确，BCD错误；故选：A。
3．传感器一定是通过非电学量转换成电学量来传递信号的，工作处理的一般流程是：先由非电学量，比如：光信号、压力信号等，通过敏感元件后，由电路处理，变为电信号，从而得以工作，所以A正确，BCD错误。
故选：A。
4．由题意可知，有光照或温度升高时排气风扇都能起动，这个过程是利用了传感器，将光信号转换为电信号的是光传感器，将温度信号转化为电信号的是温度传感器。故两个传感器分别是光电传感器和温度传感器；故C正确，ABD错误。故选：C。