人教版高中物理选择性必修第二册第五章传感器1认识传感器 2 常见传感器的工作原理及应用课件（70页ppt）

(共70张PPT)
第五章　传感器
1. 认识传感器
2. 常见传感器的工作原理及应用
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.（物理观念）
2. 了解传感器的基本组成部分和应用的一般模式.（物理观念）
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.（科学研究）
4. 知道传感器在某些方面可以代替甚至超过人类对自然的感知，能够改变人类的生 产生活方式.（科学态度与责任）
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研习任务一　对传感器的认识
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？
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. 神奇的传感器
（1）传感器：能够感受诸如 、 、 、 、 等 被测量，并能把它们按照一定的规律转换为便于 和 的可用信号输出 的一类器件或装置.
（2）意义：把非电学量转换为 、 等电学量，或转换为电路的 ，可以很方便地进行测量、 、处理和 .
力　
温度　
光　
声　
化学成分　
传送　
处理　
电压　
电流　
通断
传输　
控制　
物理特性　
物理效应　
光　
压力　
温度　
电阻　
电容　
光电　
热电
磁电　
（2）化学传感器
利用 原理，把无机或有机化学物质的 、 等转换为电 信号，如离子传感器、气体传感器等.
（3）生物传感器
利用 来识别和测定生物化学物质，如酶传感器、微生物传 感器、细胞传感器等.
电化学反应　
成分　
浓度　
生物活性物质的选择性　
3. 传感器的组成与应用模式
（1）传感器的组成：传感器的基本部分一般由敏感元件、转换元件组成.
①敏感元件是指能直接感受或响应外界被测 的部分，完成 的基 本功能；
②转换元件是指能将敏感元件输出的 直接转换成 的部分，完 成 的基本功能.
非电学量　
检测　
信号　
电信号　
转换　
（2）传感器应用的一般模式
要点　归纳
1. 传感器的组成
（1）敏感元件：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：是传感器中能将敏感元件输出的与被测物理量成一定关系的非电信 号转换成电信号的电子元件.
（3）转换电路：将转换元件输出的不易测量的电学量转换成易于测量的电学量，如 电压、电流、电阻等.
3. 传感器的工作流程
非电学量→敏感元件→转换元件→转换电路→电学量.
2. 传感器的工作原理
传感器感受的通常是非电学量，如压力、温度、位移、浓度、速度、酸碱度等，而它 输出的通常是电学量，如电压、电流、电荷量等.这些输出信号是非常微弱的，通常 要经过放大后再输送给控制系统产生各种控制动作.
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
解析：金属材料和半导体材料都可以制成传感器，传感器是通过把易感受的非电学量 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.
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 常见传感器的工作原理
合作　讨论
如图所示，将多用电表的选择开关置于电阻挡，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，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？
提示：由于酒精挥发，热敏电阻RT温度降低，电阻值增大，多用电表指针将向左偏； 用吹风机将热风吹向热敏电阻，热敏电阻RT温度升高，电阻值减小，多用电表指针将 向右偏.
教材　认知
1. 光敏电阻
（1）组成：把 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，这样就制成了一个光敏电阻.
（2）光敏电阻的特性：光敏电阻在暗环境，电阻 ；光敏电阻在强光照射 下，电阻 .
（3）光敏电阻阻值变化原因：硫化镉是一种 材料，无光照时，载流 子 ，导电性能差； 随着光照的增强，载流子 ，导电性变好.
（4）光敏电阻的作用：把 这个光学量转换为 这个电学量.
硫化镉　
很大　
很小　
半导体　
极少　
增多　
光照强弱　
电阻　
2. 金属热电阻和热敏电阻
（1）常见的感知温度的敏感元件
①热电阻：金属的电阻率随温度的升高而 ，用金属丝可以制作温度传感器， 称为热电阻.常用的一种热电阻是用 制作的，可用来做电阻温度计.
②热敏电阻：有些半导体在温度上升时导电能力 ，可以用半导体材料制作热 敏电阻.
③性能比较：与热敏电阻相比，金属热电阻的 好， 范围大， 但 较差.
增大　
铂　
增强　
化学稳定性　
测温　
灵敏度　
（2）温度敏感元件的作用
把 这个热学量转换为 这个电学量.
温度　
电阻　
机械　
电阻　
力敏　
材料　
长度 阻
横截面积　
变大　
变小　
压阻　
（2）电阻应变片的作用
把 这个力学量转换为 这个电学量.
物体形变　
电阻　
4. 电容传感器
（1）工作原理
电容器的电容 C 决定于极板的 、极板间的 以及极板间 的 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 就可以确定这个物理量的变化， 由此可以制成电容式传感器.
（2）电容作用
电容式位移传感器能把物体的 等力学量转换为 这个电学量.
正对面积S　
距离d　
电介质　
电容　
位移　
电容　
要点　归纳
1. 电阻式传感器性能比较
2. 霍尔元件
（1）组成材料：很小的矩形半导体（如砷化铟）薄片、四个电极E、F、M、N.
研习　经典
A
A. 电流表示数大说明温度较高
B. 电流表示数小说明温度较高
C. 电流表示数与温度成正比
D. 所改装的温度表刻度是均匀的
名师点评
　　对于含有热敏电阻和光敏电阻的电路，首先要明确光敏电阻和热敏电阻的特性： ①光敏电阻的阻值随光照条件的增强而减小；②热敏电阻分正温度系数和负温度系 数，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.其次结合恒定电流中的动态电路的方法分析、处理.
对应　训练
BD
A. 此陶瓷气敏传感器的电阻与气体中酒精蒸气的浓度成正比
B. 气体中酒精蒸气的浓度越大，则电流表指针偏转的角度越大
C. 气体中酒精蒸气的浓度越大，则电池的路端电压越小，
电阻R0两端的电压也越小
D. 电源用的时间长了，内阻变大，则会导致测得的酒精浓度偏低
解析：由题图甲可知，该传感器的电导与酒精蒸气的浓度成正比，则传感器的电阻与 气体中酒精蒸气的浓度成反比，故A错误；因为酒精蒸气的浓度c越大，传感器的电 阻越小，电路中的电流越大，电流表指针偏转的角度越大，路端电压越小，R0两端电 压越大，故B正确，C错误；若电源用的时间长了，内阻变大，则所测酒精浓度相同 时总电阻变大，电流变小，测量的c变小，故D正确.
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研习任务三　传感器的应用
合作　讨论
有一些敏感元件是将被测的非电学量转换为不同的电阻，然后把电阻变化转换 为便于传送和显示的电压的变化，应变式力传感器是采用不平衡直流电桥来解 决这个问题的.
在梁形的弹性构件上下两个表面上各粘贴两个应变片，要将其中R1、R4两个应变片粘 贴在梁的上表面，R2、R3两个应变片粘贴在梁的下表面，如图甲所示.
测量电路如图乙所示，由这四个应变片组成电桥的四个桥臂，A、B端接入数字式电 压表.四个应变片的电阻值相等，为了排除误差影响，电路中接入滑动变阻器W. 请思 考一下应变式力传感器的工作原理是怎样的？
提示：在梁不受力时，调节W使电桥的输出电压UAB＝0.当梁受力F向下弯曲时，R1、 R4的阻值变大，R2、R3的阻值变小，于是电桥失去平衡，A、B端之间就输出与所测的 力成正比的电压.
要点　归纳
1. 光电计数的基本原理
（1）组成：A发光仪器，B接收光信号的仪器（由光敏电阻组成的光电传感器）.
（2）原理：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高.
（3）信号处理：高低交替变化的电压经过处理，就会转化为相应的数字，实现自动
计数的功能.
2. 汽车低油位报警装置的基本原理
（1）组成：热敏电阻、指示灯、电源.
（2）原理：给热敏电阻通以一定的电流，热敏电阻会发热.当液面高于热敏电阻的高 度时，热敏电阻发出的热量会被液体带走，温度基本不变，阻值较大，指示灯不亮 （如图甲所示）.液体减少、热敏电阻露出液面，发热导致它的温度上升、阻值较 小，指示灯亮（如图乙所示）.
（3）信号处理：通过判断热敏电阻的阻值变化，就可以知道液面是否低于设定值.
3. 电子秤的基本原理
（1）组成：应变式力传感器由金属梁和电阻应变片组成.
（2）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.应变片中通过的电流保持恒定，上表面应变片两端的 电压变大，下表面应变片两端的电压变小.
（3）信号处理：把这上、下应变片的电压的差值输出，输出的电压差值越大， 力F越大.
研习　经典
A. 应变片常用半导体材料制成
B. 当应变片的表面拉伸时，其电阻变大；反之，变小
C. 传感器输出的是应变片上的电压
D. 外力越大，输出的电压差值也越大
C
解析：应变片多用半导体材料制成，A正确，不符合题意；当应变片拉伸时，其电阻 变大，B正确，不符合题意；传感器输出的是上、下两应变片上的电压差值，并且随 着外力的增大，输出的电压差值也就越大，C错误，符合题意，D正确，不符合题意.
名师点评
　　传感器的问题看起来是高科技的问题，但实际考查的是恒定电流的简单应用，因 此除了熟悉各种传感器的工作原理之外，还要熟练掌握电路的相关知识.
对应　训练
BC
A. 传送带运动的速度是0.1 m/s
B. 传送带运动的速度是0.2 m/s
C. 该传送带每小时输送3 600个工件
D. 该传送带每小时输送7 200个工件
知识　构建
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课后提素养 深刻剖析 提升能力
基础　题组
1. 判断正误.
√
×
×
√
A. 传感器担负着信息采集的任务
B. 干簧管是一种能够感知磁场的传感器
C. 电视遥控接收器的主要元件不是传感器
D. 传感器是把力、温度、光、声、化学成分等被测量转换为电信号的主要工具
解析：传感器的任务就是采集信息，选项A正确；干簧管的主要构造是由平时不接触 的两个极易被磁化的软磁性材料组成的，它们靠近磁场时被磁化后相互吸引而接触， 选项B正确；电视遥控接收器中使用了红外线传感器，选项C错误；由传感器的定义 知，选项D正确.
ABD
A. 干簧管是将非电学量转换成电学量的装置
B. 干簧管是根据热胀冷缩的原理制成的
C. 干簧管接入电路中相当于开关
D. 于簧管是一种能感知磁场的传感器
解析：将两个软磁性材料制成的簧片密封于玻璃管中，簧片端面互叠，但留有空隙， 当干簧管处在磁场中时，两个簧片被磁化而接通，以实现自动控制，所以干簧管接入 电路中相当于开关，是一种能够感知磁场的传感器，所以B错误.
B
中档　题组
A. a振动过程中，a、b板间的电场强度不变
B. a振动过程中，a、b板所带电荷量不变
C. a振动过程中，灵敏电流计中始终有方向不变的电流
D. a向右的位移最大时，a、b板所构成的电容器的电容最大
D
A. 物体M运动时，电源内的电流会发生变化
B. 物体M运动时，电压表的示数会发生变化
C. 物体M不动时，电路中也有电流
D. 物体M不动时，电压表没有示数
BC
解析：物体M运动时，电路中电阻没有变化，根据闭合电路欧姆定律可知，电源内的 电流不会发生变化，A错误；电压表测量滑动变阻器的金属滑杆P左侧的电压，物体 M运动时，左侧电阻会变化，则电压表的示数会发生变化，B正确；物体M不动时， 电路中仍有电流，而且电流不变，C正确；只有当金属滑杆P停在变阻器最左端，物 体M不动时，电压表才没有示数，当金属滑杆P在其他位置时，电压表均有示数，D 错误.
A. 原处于冷态的PTC电熨斗比普通电熨斗升温快
B. PTC电熨斗能自动控制温度，温度稳定在t0～t6之间
C. PTC电熨斗能自动控制温度，温度稳定在t6～t7之间
D. PTC电熨斗不能自动控制温度
AC
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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差信号，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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A. 当滑片P向左移动时，L消耗的功率增大
B. 当滑片P向左移动时，L消耗的功率减小
C. 当滑片P向右移动时，L消耗的功率可能不变
D. 无论怎样移动滑片P，L消耗的功率都不变
解析：当滑片P向左移动时，使其接入电路的电阻减小，则流过二极管的电流增大， 从而发光增强，使光敏电阻R的阻值减小，通过灯泡L的电流增大，则L消耗的功率增 大，A正确，B、D错误；当滑片P向右移动时，可分析出L消耗的功率变小，C错误.
A
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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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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，所以上侧面A的电势低于下侧面A'的电势.
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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.

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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. 电源内阻不计.q
（1）根据特性曲线，该热敏电阻在0 ℃、50 ℃、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 ℃、50 ℃、100 ℃时，阻值 分别为500 Ω、150 Ω和100 Ω.
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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
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