《学霸笔记 同步精讲》第5章 传感器 本章整合（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 本章整合（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 | 4.0MB | ||
| 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28张PPT)
本 章 整 合
第五章
2026
内容索引
01
02
知识网络·系统构建
重点题型·归纳剖析
知识网络·系统构建
本章知识包括传感器的认识、工作原理、应用及利用传感器制作简单的自动控制装置。
重点题型·归纳剖析
一
传感器及常见敏感元件
1.传感器
传感器是能够感受诸如力、温度、光、声、化学成分等非电学量,并能把它们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
【例题1】 图甲为某一热敏电阻(电阻值随温度的改变而改变,且对温度很敏感)的I-U关系曲线图。
(1)为了通过测量得到如图甲所示I-U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)在下图所示电路中,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I-U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。
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)5.3 108.8
(3)恒温箱、自动孵化器、热敏温度计等。
【变式训练1】 有一热敏电阻的电阻值在t1~t4的温度变化范围内,R-t图像如图所示。现将该热敏电阻接在电阻表上,做成一个电阻温度计。为了便于读数,再把电阻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
( )
A.t1~t2 B.t2~t3
C.t3~t4 D.都可以
答案:B
解析:由题图可知,该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,即温度计对温度的变化较为灵敏,故选B。
二
传感器在实际问题中的应用
1.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,如下表:
2.传感器的应用过程包括三个环节:感、传、用。
(1)“感”是指传感器的敏感元件感受信息,并通过转换元件转化为电学量。
(2)“传”是指通过电路等将传感器获取并转化的电学信息传给执行机构。
(3)“用”是指执行机构利用传感器传来的信息进行某种显示或某种动作。
【例题2】 某次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。
电磁开关内部结构图
(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应用电磁铁的例子。
答: 。
答案:(1)见解析 (2)①20 160~520 ②见解析 ③见解析
解析:(1)电路原理如图所示。
(2)①由题意知U=ImaxR=0.1 A×200 Ω=20 V
白天,R2的阻值最小时流过励磁线圈的电流最大,即
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,保证当电磁铁吸合铁片时,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)。
(1)传感器中的敏感元件用于接收非电学量。
(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或电路的通断。
【变式训练2】 力敏电阻的阻值随所受压力的增大而减小,有位同学设计了利用力敏电阻判断竖直升降机运动状态的装置,其工作原理图如图甲所示,将力敏电阻固定在升降机底板上,其上放置一个物块,在升降机运动的过程中,电流表示数如图乙所示,已知升降机静止时电流表的示数为I1。下列判断正确的是( )
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
答案:C
解析:0~t1时间内,电流不变,根据闭合电路的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,因为力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,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,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。
三
自动控制电路的设计
设计自动控制电路时,一般按照以下思路进行。
(1)根据题目给出的仪器和要求画出控制电路和工作电路。
控制电路由电源、开关、光敏电阻(或热敏电阻等其他敏感元件)、电磁继电器和导线等组成;工作电路由电源、用电器(灯泡、电热丝或其他用电器)、导线等组成。这两个电路相互独立,又通过继电器相关联,继电器实际上是工作电路的开关。
(2)分析电路的合理性。
电路设计完成后,要对它的合理性进行分析,用光照射光敏电阻或对热敏电阻加热,检查工作电路的接通和断开是否符合实际要求。比如,自控路灯电路的设计要求是白天切断工作电路,使路灯熄灭,晚上接通工作电路,使路灯点亮发光。
【例题3】 气体传感器利用物质的化学反应将某种气体的浓度转换成电信号并输出,如图所示,B为将可燃气体或有毒气体(如CO、CH4、瓦斯、煤气等)浓度转换为电信号的传感器,俗称电子鼻。当有毒气体浓度大时,其电阻变小。根据如下材料——电源电压U=220 V,M为排风扇,G为继电器,A为控制电源,S为控制开关,请设计一个家用自动排烟电路,并在图中完成连线图。
答案:如图所示。
解析:电磁继电器起开关作用,所以电池组、开关、电磁继电器和气体传感器应组成一个电路,另一个是由排风扇和高压电源组成的电路。
自动控制电路的设计应注意的四点
1.要明确设计意图,弄清控制条件和相应的自动控制原理。
2.要明确应选用哪种传感器,该传感器怎样感知控制条件及怎样转化为电学量输出。
3.选用什么样的执行机构,该执行机构怎样执行自动控制。
4.采用什么样的电路来实现自动控制。
【变式训练3】 如图所示,A是浮子,B是金属触头,C为住宅楼房顶上的蓄水池,M是带水泵的电动机,D是弹簧,E是衔铁,F是电磁铁,S1、S2为触头开关,S为开关,J为电池。请利用上述材料,设计一个住宅楼房顶上的自动注水装置。
(1)连接电路图。
(2)简述其工作原理(涉及的元件可用字母代替)。
答案:(1)如图所示。
(2)按图接好电路,合上开关S,水泵工作,水位升高。当浮子上升使B接触到S1时,左侧电路(控制电路)工作,电磁铁F有磁力,拉下衔铁E,使S2断开,电动机M不工作,停止注水。当水位下降时,B与S1脱离,电磁铁电路停止工作,F无磁性,弹簧的弹力使D拉动E,使S2接通,M工作。
本 章 整 合
第五章
2026
内容索引
01
02
知识网络·系统构建
重点题型·归纳剖析
知识网络·系统构建
本章知识包括传感器的认识、工作原理、应用及利用传感器制作简单的自动控制装置。
重点题型·归纳剖析
一
传感器及常见敏感元件
1.传感器
传感器是能够感受诸如力、温度、光、声、化学成分等非电学量,并能把它们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
【例题1】 图甲为某一热敏电阻(电阻值随温度的改变而改变,且对温度很敏感)的I-U关系曲线图。
(1)为了通过测量得到如图甲所示I-U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)在下图所示电路中,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I-U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。
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)5.3 108.8
(3)恒温箱、自动孵化器、热敏温度计等。
【变式训练1】 有一热敏电阻的电阻值在t1~t4的温度变化范围内,R-t图像如图所示。现将该热敏电阻接在电阻表上,做成一个电阻温度计。为了便于读数,再把电阻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
( )
A.t1~t2 B.t2~t3
C.t3~t4 D.都可以
答案:B
解析:由题图可知,该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,即温度计对温度的变化较为灵敏,故选B。
二
传感器在实际问题中的应用
1.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,如下表:
2.传感器的应用过程包括三个环节:感、传、用。
(1)“感”是指传感器的敏感元件感受信息,并通过转换元件转化为电学量。
(2)“传”是指通过电路等将传感器获取并转化的电学信息传给执行机构。
(3)“用”是指执行机构利用传感器传来的信息进行某种显示或某种动作。
【例题2】 某次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。
电磁开关内部结构图
(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应用电磁铁的例子。
答: 。
答案:(1)见解析 (2)①20 160~520 ②见解析 ③见解析
解析:(1)电路原理如图所示。
(2)①由题意知U=ImaxR=0.1 A×200 Ω=20 V
白天,R2的阻值最小时流过励磁线圈的电流最大,即
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,保证当电磁铁吸合铁片时,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)。
(1)传感器中的敏感元件用于接收非电学量。
(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或电路的通断。
【变式训练2】 力敏电阻的阻值随所受压力的增大而减小,有位同学设计了利用力敏电阻判断竖直升降机运动状态的装置,其工作原理图如图甲所示,将力敏电阻固定在升降机底板上,其上放置一个物块,在升降机运动的过程中,电流表示数如图乙所示,已知升降机静止时电流表的示数为I1。下列判断正确的是( )
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
答案:C
解析:0~t1时间内,电流不变,根据闭合电路的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,因为力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,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,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。
三
自动控制电路的设计
设计自动控制电路时,一般按照以下思路进行。
(1)根据题目给出的仪器和要求画出控制电路和工作电路。
控制电路由电源、开关、光敏电阻(或热敏电阻等其他敏感元件)、电磁继电器和导线等组成;工作电路由电源、用电器(灯泡、电热丝或其他用电器)、导线等组成。这两个电路相互独立,又通过继电器相关联,继电器实际上是工作电路的开关。
(2)分析电路的合理性。
电路设计完成后,要对它的合理性进行分析,用光照射光敏电阻或对热敏电阻加热,检查工作电路的接通和断开是否符合实际要求。比如,自控路灯电路的设计要求是白天切断工作电路,使路灯熄灭,晚上接通工作电路,使路灯点亮发光。
【例题3】 气体传感器利用物质的化学反应将某种气体的浓度转换成电信号并输出,如图所示,B为将可燃气体或有毒气体(如CO、CH4、瓦斯、煤气等)浓度转换为电信号的传感器,俗称电子鼻。当有毒气体浓度大时,其电阻变小。根据如下材料——电源电压U=220 V,M为排风扇,G为继电器,A为控制电源,S为控制开关,请设计一个家用自动排烟电路,并在图中完成连线图。
答案:如图所示。
解析:电磁继电器起开关作用,所以电池组、开关、电磁继电器和气体传感器应组成一个电路,另一个是由排风扇和高压电源组成的电路。
自动控制电路的设计应注意的四点
1.要明确设计意图,弄清控制条件和相应的自动控制原理。
2.要明确应选用哪种传感器,该传感器怎样感知控制条件及怎样转化为电学量输出。
3.选用什么样的执行机构,该执行机构怎样执行自动控制。
4.采用什么样的电路来实现自动控制。
【变式训练3】 如图所示,A是浮子,B是金属触头,C为住宅楼房顶上的蓄水池,M是带水泵的电动机,D是弹簧,E是衔铁,F是电磁铁,S1、S2为触头开关,S为开关,J为电池。请利用上述材料,设计一个住宅楼房顶上的自动注水装置。
(1)连接电路图。
(2)简述其工作原理(涉及的元件可用字母代替)。
答案:(1)如图所示。
(2)按图接好电路,合上开关S,水泵工作,水位升高。当浮子上升使B接触到S1时,左侧电路(控制电路)工作,电磁铁F有磁力,拉下衔铁E,使S2断开,电动机M不工作,停止注水。当水位下降时,B与S1脱离,电磁铁电路停止工作,F无磁性,弹簧的弹力使D拉动E,使S2接通,M工作。