(共32张PPT)
2.常见传感器的工作原理及应用
必备知识
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一、光敏电阻
1.光敏电阻是用硫化镉做成的,光照强度不同时电阻不同,光敏电阻是光传感器中常见的光敏元件。
2.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.光敏电阻能够把光照强弱这个光学量转换为电阻这个电学量。
必备知识
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二、金属热电阻和热敏电阻
1.除了光照以外,温度也能明显地影响金属导体和半导体材料的导电性能。金属热电阻和热敏电阻就是传感器中常见的感知温度的敏感元件。
2.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。
3.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。
4.金属热电阻和热敏电阻都能够把温度这个热学量转换为电阻这个电学量。
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三、电阻应变片
1.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,称为金属的电阻应变效应。
2.除了金属电阻应变片外,常用的电阻应变片还有半导体电阻应变片,它的工作原理是基于半导体材料的压阻效应。
3.电阻应变片能够把物体形变这个力学量转换为电阻这个电学量。
4.常用的一种力传感器是由金属梁和电阻应变片组成的,称为应变式力传感器。
5.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通过测量电阻的变化来确定外界非电学量的变化。
6.电容器的电容C决定于极板的正对面积S、极板间的距离d以及极板间的电介质这三个因素。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,通过测定电容器的电容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。
必备知识
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1.正误判断。
(1)金属热电阻随温度的升高导电能力增强,它的化学稳定性好,测量范围大。( )
解析:金属热电阻随温度的升高导电能力减弱。
答案:×
(2)热敏电阻和金属热电阻都能把温度这个热学量转换成电阻这个电学量。( )
答案:√
(3)霍尔电压与组成霍尔元件的材料无关。( )
解析:霍尔电压与组成霍尔元件的材料有关。
答案:×
(4)霍尔元件能够把磁感应强度这个磁学量转化为电压这个电学量。
答案:√
必备知识
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2.许多楼道照明灯具有这样的功能:天黑时,出现声音它就开启;而在白天,即使有声音它也没有反应,它的控制电路中可能接入的传感器是( )
①温度传感器 ②光传感器 ③声音传感器 ④热传感器
A.①②
B.②③
C.③④
D.②④
必备知识
自我检测
解析:楼道灯控制电路中安装有光声控延时开关,它装有光敏感元件,用于感知外界光线的强弱,还安装有声敏感元件用于感知外界声响。当白天外界光线较强时,光声控延时开关总处于断开状态,灯不亮;当夜晚光线较弱且有声响时光声控延时开关处于导通状态,灯亮,延时一段时间后,开关断开,灯熄灭。
答案:B
探究一
探究二
探究三
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光敏电阻
情境探究
实验:将一只光敏电阻接到多用电表的两端,电表置于倍率为100的欧姆挡。在室内自然光的照射下,电阻值约有多大?用手掌遮光时电阻值又是多少?用阳光直接照射呢?
探究一
探究二
探究三
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要点提示:(1)实验现象:同一只光敏电阻,用多用电表测量其阻值,用手掌遮光时,电阻值较大,在室内自然光的照射下电阻值变小,改用阳光直接照射时,电阻值变得更小。
(2)实验结论:光敏电阻的阻值随光照强度的增强而明显减小。
探究一
探究二
探究三
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知识归纳
光敏电阻的特点及工作原理
(1)当半导体材料受到光照或者温度升高时,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,于是导电能力明显增强。
(2)光敏电阻是用半导体材料(如硫化镉)制成的。它的特点是光照越强,电阻越小。它能够把光照强弱这个光学量转换为电阻这个电学量。
探究一
探究二
探究三
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实例引导
例1(多选)如图所示,R1、R2为定值电阻,L为小灯泡,R3为光敏电阻,当入射光强度增大时( )
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
探究一
探究二
探究三
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解析:当入射光强度增大时,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,从而电压表的示数增大,同时内电压增大,故电路的路端电压减小,A项正确,D项错误。因路端电压减小,而R1两端电压增大,故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,故小灯泡的功率增大,C项正确。
答案:ABC
探究一
探究二
探究三
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规律方法解决含有光敏电阻的直流电路动态分析问题
(1)明确光敏电阻的电阻特性;
(2)解题思路:
探究一
探究二
探究三
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变式训练1如图所示,将一光敏电阻接入多用电表两表笔上,将多用电表的选择开关置于欧姆挡,用光照射光敏电阻时表针自左向右的偏角为θ,现用手掌挡住部分光线,表针自左向右的偏角变为θ',则可判断( )
A.θ'=θ
B.θ'<θ
C.θ'>θ
D.不能确定
解析:光敏电阻的阻值随光照强度的增强而减小,用手掌挡住部分光线,阻值变大,指针自左向右偏转角度变小,故B正确。
答案:B
探究一
探究二
探究三
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热敏电阻和金属热电阻
情境探究
如图所示,将多用电表的选择开关置于欧姆挡,再将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,表针将如何偏转?若用吹风机将热风吹向热敏电阻,表针将如何偏转?
要点提示:由于酒精蒸发,热敏电阻RT温度降低,电阻值增大,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,指针将向右偏。
探究一
探究二
探究三
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知识归纳
热敏电阻和金属热电阻的特点
(1)热敏电阻:用半导体材料制成。
(2)金属热电阻:金属的电阻率随温度升高而增大,利用这一特性,金属丝也可以制作成温度传感器,称为热电阻。
(3)热敏电阻和金属热电阻的区别
探究一
探究二
探究三
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探究一
探究二
探究三
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实例引导
例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
解析:R2与灯泡L并联后再与R1串联,与电源构成闭合电路,当温度降低时,热敏电阻R2阻值增大,外电路电阻增大,电流表读数减小,灯泡L两端的电压增大,灯泡的亮度变强,R1两端的电压减小,故只有C正确。
答案:C
探究一
探究二
探究三
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变式训练2如图所示,由电源、小灯泡、电阻丝、开关组成的电路中,当闭合开关S后,小灯泡正常发光,若用酒精灯加热电阻丝时,发现小灯泡亮度变暗,发生这一现象的主要原因是( )
A.小灯泡的电阻发生了变化
B.小灯泡灯丝的电阻率随温度发生了变化
C.电阻丝的电阻率随温度发生了变化
D.电源的电压随温度发生了变化
解析:电阻丝的电阻率随温度的升高而增大,电阻也增大,电路中电流减小,根据P=I2R知,小灯泡的实际功率减小,所以变暗。
答案:C
探究一
探究二
探究三
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霍尔元件
情境探究
如图所示,在矩形半导体薄片E、F间通入恒定的电流I,同时外加与薄片垂直的磁场B,则M、N间会出现电压,称为霍尔电压UH。
(1)分析为什么会出现电压。
(2)试推导UH的表达式。(电流的微观表达式I=nqvS)
探究一
探究二
探究三
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要点提示:(1)薄片中的载流子在洛伦兹力的作用下,向着与电流和磁场都垂直的方向漂移,使M、N间出现了电压。
(2)设薄片厚度为d,EF方向长度为l1,MN方向长度为l2,受力分析如图。
探究一
探究二
探究三
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知识归纳
霍尔元件的工作原理与特点
(1)霍耳元件的工作原理:E、F间通入恒定的电流I,同时外加与薄片垂直的磁场B时,薄片中的载流子就在洛伦兹力作用下,向着与电流和磁场都垂直的方向漂移,使M、N间出现电压(如图所示)。
(2)霍尔元件在电流、电压稳定时,载流子所受电场力和洛伦兹力二力平衡。
探究一
探究二
探究三
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实例引导
例3如图所示,有电流I流过长方体金属块,金属块宽为d,高为b,有一磁感应强度为B的匀强磁场垂直于纸面向里,金属块单位体积内的自由电子数为n,问:金属块上、下表面哪面电势高?电势差是多少?
探究一
探究二
探究三
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规律方法霍尔电势高低的判断方法
由左手定则判断带电粒子的受力方向,如果带电粒子是正电荷,则拇指所指的面为高电势面,如果是负电荷,则拇指所指的面为低电势面。在判断电势高低时一定要注意载流子是正电荷还是负电荷。
探究一
探究二
探究三
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变式训练3(多选)如图所示是霍尔元件的工作原理示意图,如果用d表示薄片的厚度,k为霍尔系数,对于一个霍尔元件d、k为定值,如果保持I恒定,则可以验证UH随B的变化情况。以下说法中正确的是(工作面是指较大的平面)( )
A.将永磁体的一个磁极逐渐靠近霍尔元件的工作面,且永磁体的磁场与原磁场方向相同,UH将变大
B.在测定地球两极的磁场强弱时,霍尔元件的工作面应保持水平
C.在测定地球赤道上的磁场强弱时,霍尔元件的工作面应保持水平
D.改变磁感线与霍尔元件工作面的夹角,UH将发生变化
探究一
探究二
探究三
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解析:将永磁体的磁极逐渐靠近霍尔元件的工作面时,且永磁体的磁场与原磁场方向相同,B增大,I恒定,由公式UH=
知UH将变大,选项A正确;地球两极的磁场方向在竖直方向上,所以霍尔元件的工作面应保持水平,使B与工作面垂直,选项B正确;地球赤道上的磁场沿水平方向,只有霍尔元件的工作面在竖直方向且垂直于南北时,B才与工作面垂直,选项C错误;改变磁感线与霍尔元件工作面的夹角,B在垂直工作面方向上的大小发生变化,UH将发生变化,选项D正确。
答案:ABD
探究一
探究二
探究三
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1.非触摸式自动感应水龙头如图所示,其应用的传感器是( )
A.压力传感器
B.光电传感器
C.生物传感器
D.温度传感器
解析:自动感应水龙头应用的是光电传感器。
答案:B
探究一
探究二
探究三
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2.如图甲所示,光敏电阻R2上加上如图乙所示的光照,那么R2两端的电压变化是下列图中的( )
解析:光敏电阻阻值随光照的增强而减小,根据题图知R2两端的电压随光照的增强而减小,但不会是零,所以选B。
答案:B
探究一
探究二
探究三
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3.(多选)在温控电路中,通过热敏电阻阻值随温度的变化可实现对电路相关物理量的控制。如图所示电路,R1为定值电阻,R2为半导体热敏电阻(温度越高电阻越小),C为电容器。当环境温度降低时( )
A.电容器C的带电荷量增大
B.电压表的读数增大
C.电容器C两板间的电场强度减小
D.R1消耗的功率增大
探究一
探究二
探究三
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答案:AB
探究一
探究二
探究三
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4.(多选)霍尔元件的示意图如图所示,一块通电的铜板放在磁场中,铜板的前、后板面垂直于磁场,板内通有如图方向的电流,a、b是铜板上、下边缘的两点,则( )
A.电势φa>φb
B.电势φb>φa
C.B一定,电流增大时,|φa-φb|增大
D.其他条件不变,将铜板改为NaCl溶液时,电势结果仍然一样
解析:铜板中的自由电荷是电子,电子定向移动的方向与电流的方向相反,由左手定则可判断出电子因受洛伦兹力作用向b侧偏转,所以φa>φb,A对,B错;因|φa-φb|=k
,所以B一定,电流增大时,|φa-φb|增大,C对;若将铜板改为NaCl溶液,溶液中的正、负离子均向b侧偏转,|φa-φb|=0,即不产生霍尔效应,故D选项错误。
答案:AC第五章传感器
2.常见传感器的工作原理及应用
课后篇巩固提升
基础巩固
1.
如图所示,电源两端的电压恒定,L为小灯泡,R为光敏电阻,LED为发光二极管(电流越大,发出的光越强),且R与LED间距不变,闭合开关S后,下列说法中正确的是( )
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。
答案A
2.
(多选)电阻R随温度T变化的图线如图所示。下列说法中正确的是( )
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,所以A错,B对;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,所以C错,D对。
答案BD
3.
如图所示,R3是光敏电阻(光照时电阻变小),当开关S闭合后,在没有光照射时,a、b两点等电势。当用光照射电阻R3时,则( )
A.a点电势高于b点电势
B.a点电势低于b点电势
C.a点电势等于b点电势
D.a点电势和b点电势的大小无法比较
解析R3是光敏电阻,当有光照射时R3电阻变小,R3两端电压减小,故a点电势升高,因其他电阻的阻值不变,所以a点电势高于b点电势。
答案A
能力提升
1.
如图所示,厚度为h、宽度为d的导体板放在垂直于它的磁感应强度为B的匀强磁场中,当电流通过导体板时,在导体板的上侧面A和下侧面A'之间会产生电势差,这种现象称为霍尔效应。实验表明,当磁场不太强时,电势差UH、电流I和B的关系为UH=k,式中的比例系数k称为霍尔系数。
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,在导体板的另一侧会出现等量的正电荷,从而形成与磁场垂直的电场。与磁场垂直的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,导体板上下两侧面之间就会形成稳定的电势差。电流I是自由电子的定向移动形成的,电子的平均定向速率为v,电荷量为e。回答下列问题:
(1)达到稳定状态时,导体板上侧面A的电势 (选填“高于”“低于”或“等于”)下侧面A'的电势。?
(2)电子所受洛伦兹力的大小为 。?
(3)当导体板上、下两侧面之间的电势差为UH时,电子所受静电力的大小为 。?
(4)由静电力和洛伦兹力平衡的条件,证明霍尔系数k=,其中n代表导体板单位体积中电子的个数。
解析(1)电子向左做定向移动,由左手定则知电子受洛伦兹力的方向向上,故上侧面A积聚电子,下侧面A'积聚正电荷,上侧面的电势低于下侧面的电势。
(2)F洛=evB。
(3)F电=Ee=e。
(4)当静电力和洛伦兹力平衡时:e=evB,UH=vBh。
又I=nevdh
由UH=k,得k=。
答案(1)低于 (2)evB (3)e (4)见解析
2.在一次实验中,一块霍尔材料制成的薄片宽lab=1.0×10-2
m、长lbc=4.0×10-2
m、厚h=1×10-3
m,水平放置在方向竖直向上的磁感应强度大小为B=1.5
T的匀强磁场中,bc方向通有I=3.0
A的电流,如图所示,沿薄片宽度产生1.0×10-5
V的横向电压。
(1)假定载流子是电子,a、b两端中的哪端电势较高?
(2)薄片上形成电流I的载流子定向运动的速率多大?(保留两位有效数字)
解析(1)根据左手定则可确定a端电势高。
(2)设电子沿电流反方向所在直线定向移动的速率为v,横向电压为Uab,横向电场强度为E,则静电力为F电=E·e=·e,洛伦兹力F=evB,平衡时·e=evB,得v==6.7×10-4m/s。
答案(1)a端 (2)6.7×10-4
m/s
3.用如图所示的装置可以测量汽车在水平路面上做匀加速直线运动的加速度。该装置是在矩形箱子的前、后壁上各安装一个由力敏电阻组成的压力传感器。用两根相同的轻弹簧夹着一个质量为2
kg的滑块,滑块可无摩擦滑动,两弹簧的另一端分别压在传感器a、b上,其压力大小可直接从传感器的液晶显示屏上读出。现将装置沿运动方向固定在汽车上,传感器b在前,传感器a在后。汽车静止时,传感器a、b的示数均为10
N(g取10
m/s2)。
(1)若传感器a的示数为14
N,b的示数为6
N,求此时汽车的加速度大小和方向。
(2)当汽车以怎样的加速度运动时,传感器a的示数为零?
解析(1)如图所示,依题意得左侧弹簧对滑块向右的推力F1=14N,右侧弹簧对滑块的向左的推力F2=6N,滑块所受合力产生加速度a1,
根据牛顿第二定律有
F1-F2=ma1
可得a1=m/s2=4m/s2
a1与F1同方向,即向前(向右)。
(2)a传感器的读数恰为零,即左侧弹簧的弹力F1'=0,因两弹簧相同,左侧弹簧伸长多少,右侧弹簧就缩短多少,所以右侧弹簧的弹力变为F2'=20N。
滑块所受合力产生加速度a2,由牛顿第二定律得
F合=F2'=ma2
可得a2==10m/s2,方向向左。
答案(1)4
m/s2 方向向右 (2)以方向向左、大小为10
m/s2的加速度运动
