《学霸笔记 同步精讲》第5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）高中物理人教版选择性必修2
文档属性
| 名称 | 《学霸笔记 同步精讲》第5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）高中物理人教版选择性必修2 |
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| 格式 | pptx | ||
| 文件大小 | 5.6MB | ||
| 资源类型 | 试卷 | ||
| 版本资源 | 人教版（2019） | ||
| 科目 | 物理 | ||
| 更新时间 | 2026-03-10 00:00:00 | ||
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文档简介
(共65张PPT)
1.认识传感器
2.常见传感器的工作原理及应用
第五章
2026
内容索引
01
02
03
自主预习·新知导学
合作探究·释疑解惑
课 堂 小 结
04
随 堂 练 习
课 标 定 位
1.了解什么是传感器,知道非电学量转化为电学量的技术意义。了解传感器的分类。
2.了解传感器的组成及传感器应用的一般模式。
3.了解光敏电阻、金属热电阻、热敏电阻和电阻应变片的工作原理和作用。知道传感器在日常生活和生产中的应用。
素 养 阐 释
1.通过传感器的学习,形成物理观念。
2.能够根据传感器的工作原理简单分析传感器的应用,掌握科学思维的方法。
3.体会传感器原理及应用在生活、生产、科技社会中的价值,增强学习兴趣,培养良好的科学态度与责任。
自主预习·新知导学
一、神奇的传感器
1.传感器的定义: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可用信号输出。通常转换成的可用信号是电压、电流等电学量,或转换为电路的通断。
2.非电学量转换为电学量的技术意义是什么
提示:把非电学量转换为电学量,可以很方便地进行测量、传输、处理和控制。
3.干簧管是由什么组成的 它是一种能感知什么的传感器
提示:由玻璃管内封入的两个软磁性材料制成的簧片构成。当磁体靠近干簧管时,两个簧片被磁化而接通,起开关作用。干簧管是一种能感知磁场的传感器。
二、传感器的种类
1.按与学科关联分类
2.按物理原理分类
根据被测量的不同,可分为声、光、压力、位移、加速度、温度等传感器。
根据具体工作原理的不同,可分为电阻式、电容式、电感式、光电式、热电式、压电式、磁电式等传感器。
三、传感器的组成与应用模式
1.传感器的基本部分一般由敏感元件、转换元件组成。
2.敏感元件:指能直接感受或响应外界被测非电学量的部分。
3.转换元件:指能将敏感元件输出的信号直接转换成电信号的部分。
4.敏感元件和转换元件的功能分别是什么
提示:它们分别完成检测和转换两个基本功能。
5.传感器应用的一般模式是什么
提示:
四、光敏电阻
1.特点:光敏电阻在被光照射时电阻发生变化。
2.原因:光敏电阻的构成物质——硫化镉是一种半导体材料,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.光敏电阻的应用:光电计数。
五、金属热电阻和热敏电阻
1.金属热电阻
金属的电阻率随温度的升高而增大,用金属丝可以制作温度传感器,称为热电阻。图甲所示为某金属导线电阻的温度特性曲线。
2.热敏电阻
有些半导体在温度上升时导电能力增强,因此可以用半导体材料制作热敏电阻。图乙所示为某一热敏电阻的电阻随温度变化的特性曲线。
3.热敏电阻与金属热电阻的异同点有哪些
提示:
4.热敏电阻的应用:测量温度、低油位报警装置等。
六、电阻应变片
1.金属的电阻应变效应:金属导体在外力作用下发生机械形变(伸长或
缩短)时,其电阻随着它所受机械形变的变化而发生变化的现象。
2.金属电阻应变片的制成原理:金属的电阻应变效应。
3.半导体电阻应变片工作原理是基于半导体材料的压阻效应。
4.电阻应变片的作用:能够把物体形变这个力学量转换为电阻这个电学量。
5.力传感器的应用、组成、工作原理及作用分别是什么
提示:力传感器的应用:电子秤;组成:由金属梁和电阻应变片组成;工作原理:金属梁自由端受力F→梁发生弯曲→应变片的电阻变化→两应变片上电压的差值变化;作用:应变片将物体形变这个力学量转换为电压这个电学量。
6.光敏电阻、热敏电阻、电阻应变片等电阻式传感器的工作共性是什么
提示:通过测量电阻的变化来确定外界非电学量的变化。
7.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。
【思考讨论】
1.判断下列说法的正误。
(1)传感器可以将所有感受到的信号都转换为电学量。( )
(2)传感器就是传递某种信息的电学元件。( )
(3)传感器内部一定有某种转换元件。( )
(4)干簧管中的两个簧片始终是分离的。( )
(5)所有传感器的工作原理都一样。( )
(6)随着光照的增强,光敏电阻的电阻值逐渐增大。( )
(7)只有热敏电阻才能把温度这个热学量转换为电阻这个电学量。( )
×
×
√
×
×
×
×
2.传感器是将非电学量转换为电学量或电路的通断的装置,请列举日常生活中见到的传感器。
提示:马路两旁的自动控制路灯开关的装置,楼道内的声控灯装置,有些汽车、电动车上安装的自动报警装置等。
3.为解决楼道里的照明问题,在楼道内安装一个传感器与控制电灯的电路连接。当楼道内有人走动而发出声响时,电灯即与电源接通而发光,这种传感器是什么传感器 它的输入、输出信号各是什么
提示:它是声电传感器,输入的是声信号,输出的是电信号。
4.有一种电水壶为了防止烧干后引起事故,在水壶上安装了传感器,当壶中的水减少到一定程度时,就会自动断电,这种水壶上安装了什么样的传感器
提示:这种水壶上安装了压力传感器,当水壶中的水减少到一定程度时,压力减小,压力传感器使电路断开,起保护作用。
5.火灾探测器的核心元件为气敏传感器,当烟雾在空气中的浓度超过设定值时,可以触发报警,并对外发出声光报警信号。此时传感器是将什么量进行转化的
火灾探测器
提示:传感器是将烟雾产生的光学量转化为电学量。
6.下图为一冷库中的自动控温设备,容器中是导电液体,其液面与两个电极刚刚接触,试探究分析其自动控温的原理。
提示:冷库中温度较低时,导电液体积较小,此时两电极未与导电液接触,制冷机不工作;当冷库中温度升高时,导电液受热膨胀,体积增大,液面升高,当液面与两电极接触时,电路接通,制冷机开始工作;冷库温度降低,导电液温度降低,液面下降,当液面与电极分离时,电路断开,制冷机停止工作。
合作探究·释疑解惑
知识点一
传感器的工作原理
【问题引领】
当你走近自动门时,为什么门会自动打开 电饭煲为什么能自动加热和保温而不会把饭烧焦 为什么电梯的两门靠拢接触到人体时,门又会自动打开而不会夹伤人
(1)其中的原因是什么呢
(2)什么是传感器呢 说一说传感器的一般结构。
提示:(1)都要归功于现代传感器技术的发展和应用。
(2)传感器是指这样一类器件或装置:它能够感受诸如力、温度、光、声、化学成分等被测量(非电学量),并能把它们按照一定的规律转化为便于传送和处理的可用信号(电压、电流等电学量或电路的通断)输出。传感器一般由敏感元件、转换元件组成。
【归纳提升】
1.与传感器相关的元件
(1)敏感元件:相当于人的感觉器官,直接感受被测量,并将其变换成与被测量成一定关系的易于测量的物理量。
(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输出。
(3)信号调整与转换电路:将转换元件输出的电学量放大或转换成易于测量的电学量,如电压、电流等。
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。传感器的工作原理如下所示:
非电学量→敏感元件→转换元件→电学量→信号调整与转换电路→电学量
3.在理解传感器的原理时要注意以下三点
第一,明确传感器所采用的核心部分是什么。
第二,传感器的输入量是什么。
第三,传感器的输出量是什么。
【典型例题】
【例题1】 (多选)下列说法正确的是( )
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.传感器不是电视遥控接收器的主要元件
D.传感器是把力、温度、光、声、化学成分等转换为电信号的主要工具
答案:ABD
解析:传感器的任务就是采集信息,A对;干簧管的主要构造是由平行不接触的两个极易被磁化的软铁片组成的,它靠近磁场时会被磁化,从而相互吸引而接触,B对;电视遥控接收器中使用了红外线传感器,故C错;由传感器的定义知D对。
不同类型的传感器,其工作原理一般不同,但大部分传感器是把非电学量的变化转换为电学量的变化。因此我们可以根据电学量的变化来推测相关量的变化。
【变式训练1】 关于传感器及其作用,下列说法正确的是( )
A.传感器一定是把非电学量转换为电学量
B.传感器一定是把非电学量转换为电路的通断
C.传感器把非电学量转换为电学量是为了方便地进行测量、传输、处理和控制
D.电磁感应是把磁学的量转换为电学的量,所以电磁感应也是传感器
答案:C
解析:传感器是指一种元件或装置,它能感受力、温度、光、声、磁、化学成分等非电学量,并能把它们按照一定的规律转换为电压、电流等电学量,或转换为电路的通断;其作用和目的是更方便地测量、传输、处理和控制。电磁感应是原理,不是元件和装置,不能称为传感器。
知识点二
对几种常见传感器元件特性的理解
【问题引领】
温度传感器广泛应用于家用电器(微波炉、空调、烤面包机、电磁炉、暖风机、冰箱、冷柜、热水器、饮水机、洗碗机、消毒柜、烘干机、中低温干燥箱、恒温箱等),医用、家用体温计,便携式非接触红外测温仪等许多方面。那么温度传感器是如何转换信号的呢
提示:温度传感器有热敏电阻、热电偶等。热敏电阻的阻值随温度的变化而变化,如果将其串接在电路里,随着温度的变化电路里的电流就发生变化。这微小的变化经过电子线路放大,带动执行机构,就能实现温度控制了。
【归纳提升】
1.按热敏电阻随温度变化的规律,热敏电阻可分为正温度系数的热敏电阻和负温度系数的热敏电阻。正温度系数的热敏电阻随温度升高电阻增大,负温度系数的热敏电阻随温度升高电阻减小,而且阻值的变化是非线性的。
2.光敏电阻的导电特性:光敏电阻一般由半导体材料做成,当半导体材料受到光照时,会有更多的电子获得能量成为自由电子,同时也形成更多的空穴,材料的导电性能明显增强。光敏电阻的阻值随光照强度的减弱而增大,而且阻值的变化是非线性的。
正温度系数的热敏电阻(PTC),其阻值随温度的升高而增大,而负温度系数的热敏电阻(NTC),其阻值随温度的升高而减小。
【例题2】 如图所示,R1为定值电阻,R2为负温度系数的热敏电阻,L为小灯泡,当温度降低时( )
A.R1两端的电压增大 B.电流表的示数增大
C.小灯泡的亮度变强 D.小灯泡的亮度变弱
答案:C
解析:R2与灯L并联后与R1串联,与电源构成闭合电路,当热敏电阻温度降低时,电阻R2增大,外电路电阻增大,电流表读数变小,灯L两端电压增大,灯泡变亮,R1两端电压减小,故C正确,其余各项均错。
【典型例题】
解决含有热敏电阻和光敏电阻的电路动态分析问题时,首先要明确两种元件阻值大小的变化规律,然后根据闭合电路欧姆定律及串、并联电路的特点来分析电路中某一电阻变化而引起的整个电路中各部分电学量的变化情况。
【变式训练2】 (多选)如图所示,R1、R2为定值电阻,L为小灯泡,R3为光敏电阻,当照射光强度增大时( )
A.电压表的示数增大
B.R2中电流减小
C.小灯泡的功率增大
D.电路的路端电压增大
答案:ABC
解析:当照射光强度增大时,R3阻值减小,外电路电阻随R3的减小而减小,R1两端电压因干路电流增大而增大,同时内电压增大,故电路路端电压减小,而电压表的示数增大,A项正确,D项错误;由路端电压减小,而R1两端电压增大知,R2两端电压必减小,则R2中电流减小,故B项正确;结合干路电流增大知流过小灯泡的电流必增大,则小灯泡的功率增大,C项正确。
知识点三
实验:观察光敏电阻和热敏电阻的特性
【归纳提升】
实验1 观察光敏电阻的特性
实验2 观察热敏电阻的特性
【典型例题】
【例题3】 (1)用如图甲所示的装置,研究不同电阻R的阻值随温度T的变化情况。测得阻值与温度的关系如图乙所示。如果R为金属热电阻,则图线是 ;如果R为负温度系数(NTC)热敏电阻,则图线是 。(均选填“1”或“2”)
(2)如图丙所示,A、B、C为三个相同的灯泡,a、b、c为与之串联的三个元件,E1为直流电源,E2为交流电源。当开关S接“1”时,A、B两灯均正常发光,C灯不亮。S接“2”时,A灯仍正常发光,B灯变暗,C灯正常发光。由此可知,a元件应是 ,b元件应是 ,c元件应是 。(均选填“电阻”“电容”或“电感”)
答案:(1)1 2 (2)电阻 电感 电容
解析:(1)如果R为金属热电阻,由于金属的电阻率随着温度的升高而升高,故电阻会随着温度的升高而增大,故是图线1;如果R为负温度系数(NTC)热敏电阻,制作负温度系数热敏电阻的半导体在温度上升时导电能力增强,故电阻会随着温度的升高而降低,故是图线2。
(2)由题意,当开关S接“1”直流电源时,A、B两灯均正常发光,C灯不亮。当接“2”交流电源时,A灯仍正常发光,说明a对交流和直流的影响相同,则a为电阻;B灯变暗,说明对交流的阻碍作用比直流阻碍作用大,则b为电感;C灯正常发光,说明c通交流阻直流,则c为电容。
【变式训练3】 光控开关可采用光敏电阻来控制,光敏电阻是阻值随着光的照度改变而发生变化的元件(照度可以反映光的强弱,光越强照度越大,照度单位为lx)。某光敏电阻R在不同照度下的阻值如下表所示:
照度/lx 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2
电阻/kΩ 75 40 28 23 20 18
(1)根据表中数据,请在给定的坐标系中描绘出阻值随照度变化的曲线。
(2)光敏电阻随照度变化的特点是: 。
答案:(1)如图所示
(2)光敏电阻的阻值随照度的增大而非线性减小
解析:(1)根据表中数据在坐标系内描出对应点,然后根据描出的点作出图像,图像如答案图所示。
(2)由答案图可以看出,光敏电阻的阻值随照度的增大而非线性减小。
知识点四
传感器在生产、生活中的应用
【问题引领】
金属热电阻和由半导体材料制成的热敏电阻均可制成温度传感器,它可以把热信号转换为电信号进行自动控制。电熨斗应用的就是温度传感器,观察一下电熨斗的结构。
(1)常温下两触点是接触还是分离
(2)如何用调温旋钮来升高或降低电熨斗的工作温度
提示:(1)常温下两触点接触。温度升高,两种金属膨胀性能不同,双金属片形状发生变化,使触点分离。
(2)通过调温旋钮来调节升降螺丝的升降来实现不同温度的设定。如需设定的温度较高,则应使升降螺丝下降;反之应升高。
【归纳提升】
1.物理传感器是将所感受的物理量(如力、热、光等)转换为便于测量的电学量的器件。可以把传感器的应用过程分为三个步骤:
(1)信息采集;
(2)信息加工、放大、传输;
(3)利用所获得的信息执行某种操作。
2.传感器的应用
(1)生活中的传感器。
①与温度控制相关的家用电器:电饭煲、电冰箱、微波炉、空调、消毒碗柜等,都用到温度传感器。
②红外传感器:自动门,家电遥控器,生命探测器,非接触红外测温仪以及防盗、防火报警器等。
③照相机中的光传感器和家用便携式电子秤的压力传感器等。
(2)农业生产中的传感器。
①湿度传感器:判断农田的水分蒸发情况,自动供水或停水。
②温度传感器和湿度传感器:可对上百个点进行温度和湿度监测。由于有了十分先进可靠的测试技术,有效地减少了霉变现象。
(3)工业生产中的传感器。
①生产的自动化和半自动化。用机器人、自动化小车、自动机床、各种自动生产线或者系统,代替人完成加工、装配、包装、运输、存储等工作。各种传感器使生产的自动运行保持在最佳状态,以确保产品质量,提高效率和产量,节约原材料等。
②在数控机床中的位移测量装置,就是利用高精度位移传感器进行位移测量,从而实现对零部件的精密加工。
(4)飞向太空的传感器。
在航空、航天技术领域,传感器应用得较早,也应用得较多,在运载火箭、载人飞船中,都应用了大量的传感器供遥测和遥控系统使用。这些传感器对控制航天器的姿态、接收和发送信息、收集太空数据等都有重要作用。在载人飞船中还使用一类测量航天员各种生理状况的生理传感器,如测量血压、心电图、体温等。
3.电容式传感器
(1)电容器的电容决定于极板间的正对面积S、极板间距d、极板间的电介质这几个因素。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,这种传感器称为电容式传感器。
(2)常见电容式传感器:
电容式传感器是一多功能传感器,可把压力、转角、位移、压强、声音等非电学量转换为电容这一电学量,分析原理时,关键要搞清是哪个非电学量转换为电容,然后结合电容的决定式来分析。
4.分析传感器问题要注意四点
(1)感受量分析。
要明确传感器所感受的物理量,如力、热、光、磁、声等。
(2)输出信号分析。
明确传感器的敏感元件,分析它的输入信号及输出信号,以及输入信号与输出信号间的变化规律。
(3)电路结构分析。
认真分析传感器所在的电路结构,在熟悉常用电子元件工作特点基础上,分析电路输出信号与输入信号间的规律。
(4)执行机构工作分析。
传感器的应用,不仅包含非电学量如何向电学量转化的过程,还包含根据所获得的信息控制执行机构进行工作的过程。
【典型例题】
【例题4】 某温度自动报警器的工作原理图如图所示,图中1是电磁铁、2是衔铁、3是触点、4是水银温度计(水银导电)。下列说法正确的是( )
A.温度高于警戒温度时,电铃不报警,指示灯亮
B.温度低于警戒温度时,电铃报警,指示灯熄灭
C.温度高于警戒温度时,指示灯亮,电铃报警
D.温度低于警戒温度时,指示灯亮,电铃不报警
答案:D
解析:温度低于警戒温度时,水银柱下降,控制电路处于断路状态,电磁铁线圈中没有电流通过,电磁铁没有磁性,此时指示灯通过常闭触点与工作电路接通,指示灯亮,电铃不报警,故B错误,D正确;温度高于警戒温度时,水银柱上升,控制电路处于接通状态,电磁铁线圈中有电流通过,电磁铁有磁性,此时电铃通过触点3与工作电路接通,电铃报警,此时指示灯所在的电路中没有电流,指示灯不亮,故A、C错误。
【变式训练4】 温度传感器广泛应用于室内空调、电冰箱和微波炉等家用产品中,它是利用热敏电阻的阻值随温度的变化而变化的特性工作的。如图甲所示,电源的电动势E=9.0 V,内阻可忽略不计;G为灵敏电流表,内阻Rg保持不变;R为热敏电阻,其电阻值与温度的变化关系如图乙所示。闭合开关,当R的温度等于120 ℃时,电流表示数I1=3 mA。
甲
乙
(1)求电流表G的内阻Rg;
(2)当电流表的示数I2=1.8 mA时,求热敏电阻R的温度。
答案:(1)1 000 Ω (2)20 ℃
解析:(1)由题图乙知热敏电阻R的温度在120 ℃时,电阻为2 kΩ,闭合电路的电流为I1=3 mA
根据闭合电路欧姆定律得
课 堂 小 结
随 堂 练 习
1.(传感器的原理)关于传感器的下列说法正确的是( )
A.所有传感器的材料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.传感器都是通过感知电压的变化来传递信号的
D.以上说法都不正确
答案:B
解析:半导体材料可以制成传感器,其他材料也可以制成传感器,如金属氧化物氧化锰就可以制成温度计,所以选项A错误,选项B正确;传感器能感受力、温度、光、声、化学成分等非电学量的变化,所以选项C错误;综上可知D错误。
2.(热敏电阻与光敏电阻)(多选)有定值电阻、热敏电阻、光敏电阻三只元件,将这三只元件分别接入如图所示的电路中的A、B两点后,用黑纸包住元件或者把元件置入热水中,观察多用电表调在电阻挡时多用电表的示数,下列说法正确的是( )
A.置入热水中与不置入热水中相比,多用电表的示数
变化较大的一定是热敏电阻
B.置入热水中与不置入热水中相比,多用电表的示数
不变化的一定是定值电阻
C.用黑纸包住与不用黑纸包住相比,多用电表的示数变化较大的一定是光敏电阻
D.用黑纸包住与不用黑纸包住相比,多用电表的示数相同的一定是定值电阻
答案:AC
解析:热敏电阻的阻值随温度的变化而变化,定值电阻和光敏电阻的阻值不随温度发生变化,故A正确,B错误;光敏电阻的阻值随光照的变化而变化,而定值电阻和热敏电阻的阻值不随光照的变化而变化,故C正确,D错误。
3.(生活中的传感器)传感器在日常生活中的应用随处可见,下列说法不正确的是( )
A.血糖仪利用葡萄糖生物传感器制成
B.可燃气体报警器利用电化学气体传感器制成
C.电梯超出负载发出报警提示的报警器利用压力传感器制成
D.全自动洗衣机设有多段式水位自动感应装置,该装置利用温度传感器制成
答案:D
解析:全自动洗衣机设有多段式水位自动感应装置,该装置是利用压力传感器制成的,D错误,符合题意。
4.(压力传感器)下图是安装在潜水器上深度表的电路简图,显示器由电流表改装而成,压力传感器的电阻随压力的增大而减小,电源电压不变,R0是定值电阻,在潜水器下潜过程中,电路中有关物理量的变化情况是( )
A.通过显示器的电流减小 B.R0两端的电压增大
C.传感器两端的电压增大 D.电路的总功率减小
答案:B
解析:潜水器下潜的过程中,压力传感器的电阻随压力的增大而减小,所以电路中的总电阻减小,由闭合电路的欧姆定律 ,可知电路中的电流增大,故A错误。根据欧姆定律,R0两端的电压U=IR0,U增大,故B正确。传感器两端的电压U传=E-I(R0+r),由于I增大,所以传感器两端的电压减小,故C错误。由P=EI可知,电路的总功率随电流的增大而增大,故D错误。
5.(电容式传感器)传感器是将能感受的非电学量(如力、热、光、声等)转换成便于测量的量(一般是电学量)的一类元件,在自动控制中有相当广泛的应用。如图所示的装置是一种测定液面高度的电容式传感器。金属芯与导电液体构成一个电容器,从电容C大小的变化情况就能反映出液面高度h的高低情况,则两者的关系是( )
①C增大表示h增大 ②C增大表示h减小
③C减小表示h减小 ④C减小表示h增大
A.只有①正确 B.只有①③正确
C.只有②正确 D.只有②④正确
答案:B
解析:液面高度的变化,相当于电容器极板正对面积的变化。当h增大时,相当于正对面积增大,则电容应增大;当h减小时,相当于正对面积减小,电容C应减小,B正确。
6.(生活中的传感器)(多选)下图为电熨斗构造的示意图,其中温度敏感元件是双金属片,其作用是控制电路的通断。下列说法正确的是( )
A.当温度升高时,双金属片下层的膨胀大于上层
B.常温状态下,电熨斗的上下触点是分离的
C.当温度过高时,双金属片向下弯曲
D.熨烫棉麻衣物需要设定较高的温度,应调节调温旋钮使调温旋钮下降
答案:CD
解析:常温状态下,温度低,双金属片膨胀几乎相同,上下触点接触在一起;电热丝通电加热,双金属片温度升高,双金属片膨胀系数上层大、下层小,温度升到一定时,双金属片向下弯曲使触点断开,故A、B错误,C正确。需要较高温度熨烫时,要调节调温旋钮,使升降螺丝下移并推动弹性钢片下移,双金属片稍向下弯曲,使触点断开时双金属片向下弯曲的程度更大一些,温度更高一些,故D正确。
1.认识传感器
2.常见传感器的工作原理及应用
第五章
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课 标 定 位
1.了解什么是传感器,知道非电学量转化为电学量的技术意义。了解传感器的分类。
2.了解传感器的组成及传感器应用的一般模式。
3.了解光敏电阻、金属热电阻、热敏电阻和电阻应变片的工作原理和作用。知道传感器在日常生活和生产中的应用。
素 养 阐 释
1.通过传感器的学习,形成物理观念。
2.能够根据传感器的工作原理简单分析传感器的应用,掌握科学思维的方法。
3.体会传感器原理及应用在生活、生产、科技社会中的价值,增强学习兴趣,培养良好的科学态度与责任。
自主预习·新知导学
一、神奇的传感器
1.传感器的定义: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可用信号输出。通常转换成的可用信号是电压、电流等电学量,或转换为电路的通断。
2.非电学量转换为电学量的技术意义是什么
提示:把非电学量转换为电学量,可以很方便地进行测量、传输、处理和控制。
3.干簧管是由什么组成的 它是一种能感知什么的传感器
提示:由玻璃管内封入的两个软磁性材料制成的簧片构成。当磁体靠近干簧管时,两个簧片被磁化而接通,起开关作用。干簧管是一种能感知磁场的传感器。
二、传感器的种类
1.按与学科关联分类
2.按物理原理分类
根据被测量的不同,可分为声、光、压力、位移、加速度、温度等传感器。
根据具体工作原理的不同,可分为电阻式、电容式、电感式、光电式、热电式、压电式、磁电式等传感器。
三、传感器的组成与应用模式
1.传感器的基本部分一般由敏感元件、转换元件组成。
2.敏感元件:指能直接感受或响应外界被测非电学量的部分。
3.转换元件:指能将敏感元件输出的信号直接转换成电信号的部分。
4.敏感元件和转换元件的功能分别是什么
提示:它们分别完成检测和转换两个基本功能。
5.传感器应用的一般模式是什么
提示:
四、光敏电阻
1.特点:光敏电阻在被光照射时电阻发生变化。
2.原因:光敏电阻的构成物质——硫化镉是一种半导体材料,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.光敏电阻的应用:光电计数。
五、金属热电阻和热敏电阻
1.金属热电阻
金属的电阻率随温度的升高而增大,用金属丝可以制作温度传感器,称为热电阻。图甲所示为某金属导线电阻的温度特性曲线。
2.热敏电阻
有些半导体在温度上升时导电能力增强,因此可以用半导体材料制作热敏电阻。图乙所示为某一热敏电阻的电阻随温度变化的特性曲线。
3.热敏电阻与金属热电阻的异同点有哪些
提示:
4.热敏电阻的应用:测量温度、低油位报警装置等。
六、电阻应变片
1.金属的电阻应变效应:金属导体在外力作用下发生机械形变(伸长或
缩短)时,其电阻随着它所受机械形变的变化而发生变化的现象。
2.金属电阻应变片的制成原理:金属的电阻应变效应。
3.半导体电阻应变片工作原理是基于半导体材料的压阻效应。
4.电阻应变片的作用:能够把物体形变这个力学量转换为电阻这个电学量。
5.力传感器的应用、组成、工作原理及作用分别是什么
提示:力传感器的应用:电子秤;组成:由金属梁和电阻应变片组成;工作原理:金属梁自由端受力F→梁发生弯曲→应变片的电阻变化→两应变片上电压的差值变化;作用:应变片将物体形变这个力学量转换为电压这个电学量。
6.光敏电阻、热敏电阻、电阻应变片等电阻式传感器的工作共性是什么
提示:通过测量电阻的变化来确定外界非电学量的变化。
7.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。
【思考讨论】
1.判断下列说法的正误。
(1)传感器可以将所有感受到的信号都转换为电学量。( )
(2)传感器就是传递某种信息的电学元件。( )
(3)传感器内部一定有某种转换元件。( )
(4)干簧管中的两个簧片始终是分离的。( )
(5)所有传感器的工作原理都一样。( )
(6)随着光照的增强,光敏电阻的电阻值逐渐增大。( )
(7)只有热敏电阻才能把温度这个热学量转换为电阻这个电学量。( )
×
×
√
×
×
×
×
2.传感器是将非电学量转换为电学量或电路的通断的装置,请列举日常生活中见到的传感器。
提示:马路两旁的自动控制路灯开关的装置,楼道内的声控灯装置,有些汽车、电动车上安装的自动报警装置等。
3.为解决楼道里的照明问题,在楼道内安装一个传感器与控制电灯的电路连接。当楼道内有人走动而发出声响时,电灯即与电源接通而发光,这种传感器是什么传感器 它的输入、输出信号各是什么
提示:它是声电传感器,输入的是声信号,输出的是电信号。
4.有一种电水壶为了防止烧干后引起事故,在水壶上安装了传感器,当壶中的水减少到一定程度时,就会自动断电,这种水壶上安装了什么样的传感器
提示:这种水壶上安装了压力传感器,当水壶中的水减少到一定程度时,压力减小,压力传感器使电路断开,起保护作用。
5.火灾探测器的核心元件为气敏传感器,当烟雾在空气中的浓度超过设定值时,可以触发报警,并对外发出声光报警信号。此时传感器是将什么量进行转化的
火灾探测器
提示:传感器是将烟雾产生的光学量转化为电学量。
6.下图为一冷库中的自动控温设备,容器中是导电液体,其液面与两个电极刚刚接触,试探究分析其自动控温的原理。
提示:冷库中温度较低时,导电液体积较小,此时两电极未与导电液接触,制冷机不工作;当冷库中温度升高时,导电液受热膨胀,体积增大,液面升高,当液面与两电极接触时,电路接通,制冷机开始工作;冷库温度降低,导电液温度降低,液面下降,当液面与电极分离时,电路断开,制冷机停止工作。
合作探究·释疑解惑
知识点一
传感器的工作原理
【问题引领】
当你走近自动门时,为什么门会自动打开 电饭煲为什么能自动加热和保温而不会把饭烧焦 为什么电梯的两门靠拢接触到人体时,门又会自动打开而不会夹伤人
(1)其中的原因是什么呢
(2)什么是传感器呢 说一说传感器的一般结构。
提示:(1)都要归功于现代传感器技术的发展和应用。
(2)传感器是指这样一类器件或装置:它能够感受诸如力、温度、光、声、化学成分等被测量(非电学量),并能把它们按照一定的规律转化为便于传送和处理的可用信号(电压、电流等电学量或电路的通断)输出。传感器一般由敏感元件、转换元件组成。
【归纳提升】
1.与传感器相关的元件
(1)敏感元件:相当于人的感觉器官,直接感受被测量,并将其变换成与被测量成一定关系的易于测量的物理量。
(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输出。
(3)信号调整与转换电路:将转换元件输出的电学量放大或转换成易于测量的电学量,如电压、电流等。
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。传感器的工作原理如下所示:
非电学量→敏感元件→转换元件→电学量→信号调整与转换电路→电学量
3.在理解传感器的原理时要注意以下三点
第一,明确传感器所采用的核心部分是什么。
第二,传感器的输入量是什么。
第三,传感器的输出量是什么。
【典型例题】
【例题1】 (多选)下列说法正确的是( )
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.传感器不是电视遥控接收器的主要元件
D.传感器是把力、温度、光、声、化学成分等转换为电信号的主要工具
答案:ABD
解析:传感器的任务就是采集信息,A对;干簧管的主要构造是由平行不接触的两个极易被磁化的软铁片组成的,它靠近磁场时会被磁化,从而相互吸引而接触,B对;电视遥控接收器中使用了红外线传感器,故C错;由传感器的定义知D对。
不同类型的传感器,其工作原理一般不同,但大部分传感器是把非电学量的变化转换为电学量的变化。因此我们可以根据电学量的变化来推测相关量的变化。
【变式训练1】 关于传感器及其作用,下列说法正确的是( )
A.传感器一定是把非电学量转换为电学量
B.传感器一定是把非电学量转换为电路的通断
C.传感器把非电学量转换为电学量是为了方便地进行测量、传输、处理和控制
D.电磁感应是把磁学的量转换为电学的量,所以电磁感应也是传感器
答案:C
解析:传感器是指一种元件或装置,它能感受力、温度、光、声、磁、化学成分等非电学量,并能把它们按照一定的规律转换为电压、电流等电学量,或转换为电路的通断;其作用和目的是更方便地测量、传输、处理和控制。电磁感应是原理,不是元件和装置,不能称为传感器。
知识点二
对几种常见传感器元件特性的理解
【问题引领】
温度传感器广泛应用于家用电器(微波炉、空调、烤面包机、电磁炉、暖风机、冰箱、冷柜、热水器、饮水机、洗碗机、消毒柜、烘干机、中低温干燥箱、恒温箱等),医用、家用体温计,便携式非接触红外测温仪等许多方面。那么温度传感器是如何转换信号的呢
提示:温度传感器有热敏电阻、热电偶等。热敏电阻的阻值随温度的变化而变化,如果将其串接在电路里,随着温度的变化电路里的电流就发生变化。这微小的变化经过电子线路放大,带动执行机构,就能实现温度控制了。
【归纳提升】
1.按热敏电阻随温度变化的规律,热敏电阻可分为正温度系数的热敏电阻和负温度系数的热敏电阻。正温度系数的热敏电阻随温度升高电阻增大,负温度系数的热敏电阻随温度升高电阻减小,而且阻值的变化是非线性的。
2.光敏电阻的导电特性:光敏电阻一般由半导体材料做成,当半导体材料受到光照时,会有更多的电子获得能量成为自由电子,同时也形成更多的空穴,材料的导电性能明显增强。光敏电阻的阻值随光照强度的减弱而增大,而且阻值的变化是非线性的。
正温度系数的热敏电阻(PTC),其阻值随温度的升高而增大,而负温度系数的热敏电阻(NTC),其阻值随温度的升高而减小。
【例题2】 如图所示,R1为定值电阻,R2为负温度系数的热敏电阻,L为小灯泡,当温度降低时( )
A.R1两端的电压增大 B.电流表的示数增大
C.小灯泡的亮度变强 D.小灯泡的亮度变弱
答案:C
解析:R2与灯L并联后与R1串联,与电源构成闭合电路,当热敏电阻温度降低时,电阻R2增大,外电路电阻增大,电流表读数变小,灯L两端电压增大,灯泡变亮,R1两端电压减小,故C正确,其余各项均错。
【典型例题】
解决含有热敏电阻和光敏电阻的电路动态分析问题时,首先要明确两种元件阻值大小的变化规律,然后根据闭合电路欧姆定律及串、并联电路的特点来分析电路中某一电阻变化而引起的整个电路中各部分电学量的变化情况。
【变式训练2】 (多选)如图所示,R1、R2为定值电阻,L为小灯泡,R3为光敏电阻,当照射光强度增大时( )
A.电压表的示数增大
B.R2中电流减小
C.小灯泡的功率增大
D.电路的路端电压增大
答案:ABC
解析:当照射光强度增大时,R3阻值减小,外电路电阻随R3的减小而减小,R1两端电压因干路电流增大而增大,同时内电压增大,故电路路端电压减小,而电压表的示数增大,A项正确,D项错误;由路端电压减小,而R1两端电压增大知,R2两端电压必减小,则R2中电流减小,故B项正确;结合干路电流增大知流过小灯泡的电流必增大,则小灯泡的功率增大,C项正确。
知识点三
实验:观察光敏电阻和热敏电阻的特性
【归纳提升】
实验1 观察光敏电阻的特性
实验2 观察热敏电阻的特性
【典型例题】
【例题3】 (1)用如图甲所示的装置,研究不同电阻R的阻值随温度T的变化情况。测得阻值与温度的关系如图乙所示。如果R为金属热电阻,则图线是 ;如果R为负温度系数(NTC)热敏电阻,则图线是 。(均选填“1”或“2”)
(2)如图丙所示,A、B、C为三个相同的灯泡,a、b、c为与之串联的三个元件,E1为直流电源,E2为交流电源。当开关S接“1”时,A、B两灯均正常发光,C灯不亮。S接“2”时,A灯仍正常发光,B灯变暗,C灯正常发光。由此可知,a元件应是 ,b元件应是 ,c元件应是 。(均选填“电阻”“电容”或“电感”)
答案:(1)1 2 (2)电阻 电感 电容
解析:(1)如果R为金属热电阻,由于金属的电阻率随着温度的升高而升高,故电阻会随着温度的升高而增大,故是图线1;如果R为负温度系数(NTC)热敏电阻,制作负温度系数热敏电阻的半导体在温度上升时导电能力增强,故电阻会随着温度的升高而降低,故是图线2。
(2)由题意,当开关S接“1”直流电源时,A、B两灯均正常发光,C灯不亮。当接“2”交流电源时,A灯仍正常发光,说明a对交流和直流的影响相同,则a为电阻;B灯变暗,说明对交流的阻碍作用比直流阻碍作用大,则b为电感;C灯正常发光,说明c通交流阻直流,则c为电容。
【变式训练3】 光控开关可采用光敏电阻来控制,光敏电阻是阻值随着光的照度改变而发生变化的元件(照度可以反映光的强弱,光越强照度越大,照度单位为lx)。某光敏电阻R在不同照度下的阻值如下表所示:
照度/lx 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2
电阻/kΩ 75 40 28 23 20 18
(1)根据表中数据,请在给定的坐标系中描绘出阻值随照度变化的曲线。
(2)光敏电阻随照度变化的特点是: 。
答案:(1)如图所示
(2)光敏电阻的阻值随照度的增大而非线性减小
解析:(1)根据表中数据在坐标系内描出对应点,然后根据描出的点作出图像,图像如答案图所示。
(2)由答案图可以看出,光敏电阻的阻值随照度的增大而非线性减小。
知识点四
传感器在生产、生活中的应用
【问题引领】
金属热电阻和由半导体材料制成的热敏电阻均可制成温度传感器,它可以把热信号转换为电信号进行自动控制。电熨斗应用的就是温度传感器,观察一下电熨斗的结构。
(1)常温下两触点是接触还是分离
(2)如何用调温旋钮来升高或降低电熨斗的工作温度
提示:(1)常温下两触点接触。温度升高,两种金属膨胀性能不同,双金属片形状发生变化,使触点分离。
(2)通过调温旋钮来调节升降螺丝的升降来实现不同温度的设定。如需设定的温度较高,则应使升降螺丝下降;反之应升高。
【归纳提升】
1.物理传感器是将所感受的物理量(如力、热、光等)转换为便于测量的电学量的器件。可以把传感器的应用过程分为三个步骤:
(1)信息采集;
(2)信息加工、放大、传输;
(3)利用所获得的信息执行某种操作。
2.传感器的应用
(1)生活中的传感器。
①与温度控制相关的家用电器:电饭煲、电冰箱、微波炉、空调、消毒碗柜等,都用到温度传感器。
②红外传感器:自动门,家电遥控器,生命探测器,非接触红外测温仪以及防盗、防火报警器等。
③照相机中的光传感器和家用便携式电子秤的压力传感器等。
(2)农业生产中的传感器。
①湿度传感器:判断农田的水分蒸发情况,自动供水或停水。
②温度传感器和湿度传感器:可对上百个点进行温度和湿度监测。由于有了十分先进可靠的测试技术,有效地减少了霉变现象。
(3)工业生产中的传感器。
①生产的自动化和半自动化。用机器人、自动化小车、自动机床、各种自动生产线或者系统,代替人完成加工、装配、包装、运输、存储等工作。各种传感器使生产的自动运行保持在最佳状态,以确保产品质量,提高效率和产量,节约原材料等。
②在数控机床中的位移测量装置,就是利用高精度位移传感器进行位移测量,从而实现对零部件的精密加工。
(4)飞向太空的传感器。
在航空、航天技术领域,传感器应用得较早,也应用得较多,在运载火箭、载人飞船中,都应用了大量的传感器供遥测和遥控系统使用。这些传感器对控制航天器的姿态、接收和发送信息、收集太空数据等都有重要作用。在载人飞船中还使用一类测量航天员各种生理状况的生理传感器,如测量血压、心电图、体温等。
3.电容式传感器
(1)电容器的电容决定于极板间的正对面积S、极板间距d、极板间的电介质这几个因素。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,这种传感器称为电容式传感器。
(2)常见电容式传感器:
电容式传感器是一多功能传感器,可把压力、转角、位移、压强、声音等非电学量转换为电容这一电学量,分析原理时,关键要搞清是哪个非电学量转换为电容,然后结合电容的决定式来分析。
4.分析传感器问题要注意四点
(1)感受量分析。
要明确传感器所感受的物理量,如力、热、光、磁、声等。
(2)输出信号分析。
明确传感器的敏感元件,分析它的输入信号及输出信号,以及输入信号与输出信号间的变化规律。
(3)电路结构分析。
认真分析传感器所在的电路结构,在熟悉常用电子元件工作特点基础上,分析电路输出信号与输入信号间的规律。
(4)执行机构工作分析。
传感器的应用,不仅包含非电学量如何向电学量转化的过程,还包含根据所获得的信息控制执行机构进行工作的过程。
【典型例题】
【例题4】 某温度自动报警器的工作原理图如图所示,图中1是电磁铁、2是衔铁、3是触点、4是水银温度计(水银导电)。下列说法正确的是( )
A.温度高于警戒温度时,电铃不报警,指示灯亮
B.温度低于警戒温度时,电铃报警,指示灯熄灭
C.温度高于警戒温度时,指示灯亮,电铃报警
D.温度低于警戒温度时,指示灯亮,电铃不报警
答案:D
解析:温度低于警戒温度时,水银柱下降,控制电路处于断路状态,电磁铁线圈中没有电流通过,电磁铁没有磁性,此时指示灯通过常闭触点与工作电路接通,指示灯亮,电铃不报警,故B错误,D正确;温度高于警戒温度时,水银柱上升,控制电路处于接通状态,电磁铁线圈中有电流通过,电磁铁有磁性,此时电铃通过触点3与工作电路接通,电铃报警,此时指示灯所在的电路中没有电流,指示灯不亮,故A、C错误。
【变式训练4】 温度传感器广泛应用于室内空调、电冰箱和微波炉等家用产品中,它是利用热敏电阻的阻值随温度的变化而变化的特性工作的。如图甲所示,电源的电动势E=9.0 V,内阻可忽略不计;G为灵敏电流表,内阻Rg保持不变;R为热敏电阻,其电阻值与温度的变化关系如图乙所示。闭合开关,当R的温度等于120 ℃时,电流表示数I1=3 mA。
甲
乙
(1)求电流表G的内阻Rg;
(2)当电流表的示数I2=1.8 mA时,求热敏电阻R的温度。
答案:(1)1 000 Ω (2)20 ℃
解析:(1)由题图乙知热敏电阻R的温度在120 ℃时,电阻为2 kΩ,闭合电路的电流为I1=3 mA
根据闭合电路欧姆定律得
课 堂 小 结
随 堂 练 习
1.(传感器的原理)关于传感器的下列说法正确的是( )
A.所有传感器的材料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.传感器都是通过感知电压的变化来传递信号的
D.以上说法都不正确
答案:B
解析:半导体材料可以制成传感器,其他材料也可以制成传感器,如金属氧化物氧化锰就可以制成温度计,所以选项A错误,选项B正确;传感器能感受力、温度、光、声、化学成分等非电学量的变化,所以选项C错误;综上可知D错误。
2.(热敏电阻与光敏电阻)(多选)有定值电阻、热敏电阻、光敏电阻三只元件,将这三只元件分别接入如图所示的电路中的A、B两点后,用黑纸包住元件或者把元件置入热水中,观察多用电表调在电阻挡时多用电表的示数,下列说法正确的是( )
A.置入热水中与不置入热水中相比,多用电表的示数
变化较大的一定是热敏电阻
B.置入热水中与不置入热水中相比,多用电表的示数
不变化的一定是定值电阻
C.用黑纸包住与不用黑纸包住相比,多用电表的示数变化较大的一定是光敏电阻
D.用黑纸包住与不用黑纸包住相比,多用电表的示数相同的一定是定值电阻
答案:AC
解析:热敏电阻的阻值随温度的变化而变化,定值电阻和光敏电阻的阻值不随温度发生变化,故A正确,B错误;光敏电阻的阻值随光照的变化而变化,而定值电阻和热敏电阻的阻值不随光照的变化而变化,故C正确,D错误。
3.(生活中的传感器)传感器在日常生活中的应用随处可见,下列说法不正确的是( )
A.血糖仪利用葡萄糖生物传感器制成
B.可燃气体报警器利用电化学气体传感器制成
C.电梯超出负载发出报警提示的报警器利用压力传感器制成
D.全自动洗衣机设有多段式水位自动感应装置,该装置利用温度传感器制成
答案:D
解析:全自动洗衣机设有多段式水位自动感应装置,该装置是利用压力传感器制成的,D错误,符合题意。
4.(压力传感器)下图是安装在潜水器上深度表的电路简图,显示器由电流表改装而成,压力传感器的电阻随压力的增大而减小,电源电压不变,R0是定值电阻,在潜水器下潜过程中,电路中有关物理量的变化情况是( )
A.通过显示器的电流减小 B.R0两端的电压增大
C.传感器两端的电压增大 D.电路的总功率减小
答案:B
解析:潜水器下潜的过程中,压力传感器的电阻随压力的增大而减小,所以电路中的总电阻减小,由闭合电路的欧姆定律 ,可知电路中的电流增大,故A错误。根据欧姆定律,R0两端的电压U=IR0,U增大,故B正确。传感器两端的电压U传=E-I(R0+r),由于I增大,所以传感器两端的电压减小,故C错误。由P=EI可知,电路的总功率随电流的增大而增大,故D错误。
5.(电容式传感器)传感器是将能感受的非电学量(如力、热、光、声等)转换成便于测量的量(一般是电学量)的一类元件,在自动控制中有相当广泛的应用。如图所示的装置是一种测定液面高度的电容式传感器。金属芯与导电液体构成一个电容器,从电容C大小的变化情况就能反映出液面高度h的高低情况,则两者的关系是( )
①C增大表示h增大 ②C增大表示h减小
③C减小表示h减小 ④C减小表示h增大
A.只有①正确 B.只有①③正确
C.只有②正确 D.只有②④正确
答案:B
解析:液面高度的变化,相当于电容器极板正对面积的变化。当h增大时,相当于正对面积增大,则电容应增大;当h减小时,相当于正对面积减小,电容C应减小,B正确。
6.(生活中的传感器)(多选)下图为电熨斗构造的示意图,其中温度敏感元件是双金属片,其作用是控制电路的通断。下列说法正确的是( )
A.当温度升高时,双金属片下层的膨胀大于上层
B.常温状态下,电熨斗的上下触点是分离的
C.当温度过高时,双金属片向下弯曲
D.熨烫棉麻衣物需要设定较高的温度,应调节调温旋钮使调温旋钮下降
答案:CD
解析:常温状态下,温度低,双金属片膨胀几乎相同,上下触点接触在一起;电热丝通电加热,双金属片温度升高,双金属片膨胀系数上层大、下层小,温度升到一定时,双金属片向下弯曲使触点断开,故A、B错误,C正确。需要较高温度熨烫时,要调节调温旋钮,使升降螺丝下移并推动弹性钢片下移,双金属片稍向下弯曲,使触点断开时双金属片向下弯曲的程度更大一些,温度更高一些,故D正确。