教科版高中物理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课件（61页ppt）

(共61张PPT)
第五章　传感器
2.常见传感器的工作原理
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核心素养：1.感受传感器，知道传感器是把非电学量转换成电学量的器件或装置. 2. 了解传感器的基本组成部分和应用的一般模式. 3.利用电容器的结构改变电容的性 质，设计电容式位移传感器.
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研习任务一　初识传感器
合作　讨论
话筒是一种能够将声音信号转换为电信号的传感器.图乙是电容式话筒的组成结构示 意图，话筒的振动膜片涂有薄薄的金属层，膜后相距几十微米有一个金属片（固定电 极），它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的关 系来工作.你能根据它的工作过程说说各组成元件的作用吗？
甲 乙
提示：振动膜：作为敏感元件，感受声音信号的变化.
固定电极：与振动膜组成的电容器是转换元件，声波使振动膜发生振动，将声音信号 的强弱转换成电容器的电容变化.
电阻R：与电容器、电源组成转换电路，由于电容器的电容不断发生变化，电容器产 生充、放电电流，加载在电阻R两端的电压也随之变化.将声音信号经过转换电路输出 为便于测量和处理的电压信号.
教材　认知
1. 传感器：把被测的非电信息，按一定规律转换成与之对应的电信号的器件或装置.
2. 传感器的结构
通常传感器由敏感元件和转换元件组成，有时也将信号调节转换电路、辅助电源作为 传感器的组成部分，如图所示.
①弹性膜片：应变式压力传感器的弹性膜片就是敏感元件，它的作用是将压力转变成 膜片的形变.
②光敏电阻：通常用硫化镉或硒化镉等半导体材料制成，随着光照的增强，载流子增 多，导电性变好，因此光敏电阻能够把光照强弱这个光学量转换成电阻这个电学量.
③干簧管：干簧管是一种能够感知磁场的敏感元件，由密封在玻璃管内的两个软磁体 簧片构成，两个簧片在磁场中被磁化为异名磁极而相互吸引，所以串联在电路中的干 簧管就成了一个由磁场控制的开关.
（1）敏感元件：常见的敏感元件包括力敏元件、光敏元件、热敏元件、磁敏元件、 气敏元件等，它们能直接感受诸如压力、光照、温度、磁场、气体等非电信息，并将 这些信息变换成易于测量的物理量.
（2）转换元件：通常不直接感受被测量，而是将敏感元件输出的物理量转换成电学 量，又称传感元件.
（3）信号调节转换电路：由于转换元件输出的信号一般很弱，容易混有干扰信号， 因此需要信号调节转换电路对其进行放大、消除干扰，使转换元件输出的电信号转换 成便于显示、记录、处理和控制的电学量.
3. 传感器的分类
按感知外界信息及变换效应的不同，可分为以下三类：
（1）物理传感器：利用了力、热、光、电磁和声等物理效应.
（2）化学传感器：利用了化学反应的原理检测物质的种类和浓度.
（3）生物传感器：是利用酶、抗体和激素等分子识别功能进行工作的传感器.
研习　经典
A. 所有传感器都是由半导体材料做成的
B. 金属材料也可以制成传感器
C. 干簧管是一种能够感知电场的传感器
D. 传感器一定是通过感知电压的变化来传递信号的
B
解析：金属材料和半导体材料都可以制成传感器，传感器是把感受到的非电学量转换 为易处理和控制的电压、电流或电路的通断来传递信号的.干簧管是一种能感知磁场 的传感器.故选B.
名师点评
　　此类题目属于概念性的题目，一定要熟读课本，知道什么是传感器，并且知道各 种传感器的工作原理.除此之外，物理离不了生活，生活中多观察、多留意也会增强 对物理规律的认识和理解.
对应　训练
A. 光传感器和位移传感器
B. 磁传感器和温度传感器
C. 磁传感器和声传感器
D. 压力传感器和加速度传感器
解析：当人将手机靠近耳朵附近接听电话时，改变了位移，并且耳朵可能挡住了光 线，所以可能用到的传感器为光传感器和位移传感器，A正确；当人将手机靠近耳朵 附近接听电话时，没有磁场的变化，也没有产生压力的变化，B、C、D错误.
A
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研习任务二　温度传感器
教材　认知
温度传感器：是一种将 变化转换成电学量变化的装置，使用的感温敏感元件 主要有热敏电阻、热电阻、热双金属片和热电偶等.
（1）热敏电阻温度传感器：热敏电阻由半导体材料制成，其电阻值随温度的变化非 常 .
①如图（a）所示，这类热敏电阻的阻值随温度升高而减小，称为负温度系数热敏电 阻，用NTC表示.
②另一类热敏电阻的阻值随温度升高而增大，称为正温度系数热敏电阻，用PTC 表示.
温度　
明显　
（2）热电阻温度传感器：用 制作的感温电阻称为热电阻，电阻R与温度t 的关系如图（b）所示.
金属丝　
（3）热双金属片温度传感器：将两种 相差较大的不同金属片焊接或轧 制成一体后，当温度升高时，由于两边金属片膨胀程度不同，可用来控制电路的通 断.许多冰箱压缩机就是用双金属热保护器进行保护的，如图（c）所示.
膨胀系数　
研习　经典
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
AB
对应　训练
A. 变压器输入与输出功率之比为3∶1
B. 变压器副线圈中电流的频率为50 Hz
C. 当RT处温度升高时，电压表示数不变
D. 当RT处温度升高时，电流表示数减小
BC
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研习任务三　光传感器
教材　认知
有些金属或半导体材料，在电路中受到 时，可以产生电流或电压（光照越 强，电阻越小），实现光信号向电信号的转化，用这种材料做敏感元件，便可制成光 传感器.
光照　
AB
研习　经典
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
A. 光线越弱，电路中的电流越小，继电器越容易吸引衔铁
B. 为了使在更暗的光线下才亮灯，可以减小滑动变阻器的阻值
C. 为节约能源，减少亮灯时间，可以减小继电器中线圈的匝数
D. 只有电路中产生变化的电流，继电器才能产生磁场吸引衔铁
B
对应　训练
解析：光线越弱，光敏电阻R的阻值越大，电路中的电流越小，继电器磁性越弱，越 不容易吸引衔铁，故A错误；照度值变小，光敏电阻值变大，电磁继电器吸合电流不 变，所以需把滑动变阻器变小，故B正确；为节约能源，减少亮灯时间，则需在光线 较弱时衔铁仍可被吸引，光线越弱，光敏电阻R的阻值越大，电路中的电流越小，继 电器磁性越弱，若保证电磁继电器的磁性仍可吸引衔铁，则需增大继电器中线圈的匝 数，故C错误；继电器产生磁场吸引衔铁利用的电流的磁效应，无需变化的电流，故 D错误.
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研习任务四　力传感器
教材　认知
1. 定义：是一种把 转换为电学量的装置.
2. 应用实例：常用的力传感器是由铝合金梁和应变片组成的应变式力传感器，其工 作原理如图所示，在梁的自由端施加向下的压力时，梁发生弯曲，上表面拉伸，上应 变片的电阻 ；下表面压缩，下应变片的电阻 .使应变片中通过恒定 的电流，这时上、下应变片的电压产生差值，压力越 ，电压差值越大；如果力 的方向向上，则上、下应变片的电阻变化正好相反，电压差值为负.
力学量　
变大　
变小　
大　
研习　经典
C
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
解析：从0～t1时间内，电流不变，根据闭合电路欧姆定律可知电路中的总阻值不变， 升降机可能静止也可能匀速运动，故A错误；t1～t2时间内，电流增大，则电阻减小， 因为压敏电阻的阻值随所受压力的增大而减小，所以压力增大，由牛顿第三定律得物 块受到的支持力逐渐增大，根据牛顿第二定律有FN－mg＝ma，合力向上，加速度向 上且逐渐增大，故B错误，C正确；t2～t3时间内电流不变，电阻不变，压力不变，电 流大于静止时的电流，压力大于静止时的压力，物块受重力和支持力，根据牛顿第二 定律有FN'－mg＝ma'，合力向上，加速度向上且大小不变，所以t2～t3时间内升降机 匀加速上升或匀减速下降，故D错误.
对应　训练
A. R3阻值为45 kΩ
B. 装料时，R0的阻值逐渐变大，Uba的值逐渐变小
C. 拉力越大应变片电阻阻值也变大，Uba传感器的示数也变大
D. 应变片作用是把物体形变这个力学量转换为电压这个电学量
答案：C
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研习任务五　电容式传感器
教材　认知
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.
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
AC
研习　经典
对应　训练
A. 传感器是通过电容的变化确定液面高度的变化
B. 传感器是通过电容的变化确定电介质厚度的变化
C. 液面升高，则电容器的介电常数变大
D. 液面升高，则电容器的正对面积变小
解析：由传感器原理图可知，液体高度变化，引起电容器的正对
面积变化，从而引起电容的变化，A项正确，B项错误；电容器
的介电常数由材料决定，液面升高，电容器的介电常数不变，C项错误；液面升高，电容器的正对面积变大，D项错误.
A
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课时作业（十七）
[基础训练]
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
B
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解析：电子秤所使用的测力装置是力传感器，它是把力信号转化为电压信号，故A正 确；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；电熨 斗能够自动控制温度的原因是它装有双金属片温度传感器，这种传感器的作用是控制 电路的通断，故C正确；光敏电阻的工作原理实际上是传感器，把光信号转换成电信 号，故D正确.故选B.
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A. 位移传感器 B. 速度传感器
C. 时间传感器 D. 光电门传感器
解析：DIS由传感器、数据采集器和计算机组成.图中①所示的器材为光电门传感器， 选项D正确.
D
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A. 当拉环不受力时，闭合开关后电流表的读数为0
B. 当拉力为400 N时，电流表指针指在0.3 A处
C. 当拉力为400 N时，电流表指针指在0.5 A处
D. 该健身器材能测量力的范围是0～400 N
B
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A. U越大，表示c越大，c与U成正比
B. U越大，表示c越大，但是c与U不成正比
C. U越大，表示c越小，c与U成反比
D. U越大，表示c越小，但是c与U不成反比
B
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A. 从b向a，A、B、C构成的电容器放电
B. 从a向b，A、B、C构成的电容器放电
C. 从b向a，A、B、C构成的电容器充电
D. 从a向b，A、B、C构成的电容器充电
D
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甲 乙 丙
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A. 为提高控制的灵敏度，永久磁铁的上、下端分别为N、S极
B. 按图甲顺时针转动电动自行车的右把手，车速将变快
C. 图乙中从霍尔器件的左、右侧面输出控制车速的霍尔电压
D. 若霍尔器件的上、下面之间所加电压正负极性对调，将影响车速控制
答案：B
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解析：由于在霍尔器件的上、下面之间加一定的电压，形成电流，当永久磁铁的上、 下端分别为N、S极时，磁场方向与电子的移动方向平行，则电子不受洛伦兹力作 用，霍尔器件不能输出控制车速的霍尔电压，故A错误；当按图甲顺时针转动电动自 行车的右把手，霍尔器件周围的磁场增强，则霍尔器件输出控制车速的霍尔电压增 大，因此车速将变快，故B正确；根据题意，结合图乙的示意图，永久磁铁的N、S极 可能在左、右侧面或在前、后表面，因此从霍尔器件输出控制车速的霍尔电压不一定 在霍尔器件的左、右侧面，也可能在前、后面，故C错误；当霍尔器件的上、下面之 间所加电压正负极性对调，从霍尔器件输出控制车速的霍尔电压正负号相反，由图丙 可知，不会影响车速控制，故D错误.
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A. 脂肪测量仪的工作原理是通过人体电阻不同来判断人体脂肪所占的比例
B. 脂肪测量仪的工作原理是通过人体体重不同来判断人体脂肪所占的比例
C. 激烈运动之后，脂肪测量仪显示人体脂肪所占比例的测量数据会不准确
D. 人在沐浴之后，脂肪测量仪显示人体脂肪所占比例的测量数据会不准确
B
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解析：利用脂肪几乎不含水分，其导电性和其他成分不同，可以用测量人体电阻的办 法来计算人体脂肪率，B错误，A正确；激烈运动之后和人在沐浴之后，人体内含水 量发生变化，人体脂肪所占比例发生变化，即人体的电阻大小发生变化，所以测量数 据会不准确，C、D正确.故选B.
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[能力提升]
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
解析：金属热电阻的阻值随温度升高而增大，半导体材料的热敏电阻的阻值随温度升 高而减小，A项错误，B项正确；图线1对应的材料化学稳定性好，但灵敏度低，图线 2对应的材料化学稳定性差，但灵敏度高，C项错误，D项正确.
BD
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霍尔效应可解释如下：外部磁场的洛伦兹力使运动的电子聚集在导体板的一侧，在导 体板的另一侧出现多余的正电荷，从而形成横向电场，横向电场对电子施加与洛伦兹 力方向相反的静电力，当静电力与洛伦兹力达到平衡时，导体板上下两侧之间就会形 成稳定的电势差.
设电流I是电子定向运动形成的，电子的平均定向速度为v，电荷量为e，回答下 列问题：
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（1）达到稳定的状态时，导体板上侧面A的电势 （填“高于”“低于”或 “等于”）下侧面A'的电势.
解析：（1）首先分析电流通过导体板时的微观物理过 程，由于导体板放在垂直于它的磁感应强度为B的匀强 磁场中，电流是电子的定向运动形成的，电流方向从左 到右，根据左手定则可判断电子受到的洛伦兹力的方向 向上，电子向A板聚集，A板出现多余的负电荷，下侧面 感应出正电荷，所以A板电势低于下侧面A'板电势.
低于　
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（2）电子所受的洛伦兹力的大小为 .
解析：（2）由洛伦兹力公式可得电子所受洛伦兹力的大 小为F1＝evB.
（3）当导体板上下两侧之间的电势差为U时，电子所受静电力的大小为 .
evB　

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10. 小明同学想用一只半导体热敏电阻制作一支能测量水温的温度计，通过查阅资 料，他获得该热敏电阻的R－t特性曲线如图甲所示.他要求所制的温度计的测量范围 是0～100 ℃，且在水温是100 ℃时，电压表指针偏转达到最大位置.根据特性曲线， 他设计的水温温度计的电路如图乙所示，图中的定值电阻R0＝100 Ω，电压表的量程 是0～3 V. 电源电压稳定.
　
甲　 乙
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（1）根据特性曲线，该热敏电阻在0 ℃、55 ℃、100 ℃时，阻值分别为多大？
答案：（1）500 Ω　150 Ω　100 Ω　
解析：（1）由图甲所示特性曲线可知，该热敏电阻在0 ℃、55 ℃、100 ℃时，阻值 分别为500 Ω、150 Ω和100 Ω.
甲　
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（2）通过计算说明，当水温是0 ℃时、100 ℃时，电压表的指针分别指示是多少？
答案：（2）1 V　3 V
甲　
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