高中物理选修2-1教案-6.4传感器-人教版
文档属性
| 名称 | 高中物理选修2-1教案-6.4传感器-人教版 |  | |
| 格式 | docx | ||
| 文件大小 | 1.0MB | ||
| 资源类型 | 教案 | ||
| 版本资源 | 人教版（新课程标准） | ||
| 科目 | 物理 | ||
| 更新时间 | 2020-12-29 09:15:22 | ||
图片预览
文档简介
1 传感器及其工作原理
[学习目标] 1.了解什么是传感器，感受传感技术在信息时代的作用与意义.2.知道将非电学量转化为电学量的意义.3.了解光敏电阻、热敏电阻、金属热电阻和霍尔元件的性能，知道其工作原理及作用．
一、传感器
[导学探究] 干簧管结构：如图1所示，它只是玻璃管内封入的两个软磁性材料制成的簧片，接入图2电路，当磁铁靠近干簧管时：
图1
图2
(1)会发生什么现象，为什么？
(2)干簧管的作用是什么？
[知识梳理] 传感器及工作原理：
(1)传感器的定义：能够感受诸如力、温度、光、声、化学成分等__________量，并能把它们按照一定的规律转换为便于传送和处理的另一个物理量(通常是电压、电流等________量)，或转换为电路的________的元件．
(2)非电学量转换为电学量的意义：把____________转换为电学量，可以方便地进行测量、传输、处理和________．
[即学即用] (多选)传感器担负着信息采集的任务，它可以( )
A．将力学量(如形变量)转变成电学量
B．将热学量转变成电学量
C．将光学量转变成电学量
D．将电学量转变成力学量
二、光敏电阻
[导学探究] 在工厂生产车间的生产线上安装计数器后，就可以准确得知生产产品的数量，如图3所示为光敏电阻自动计数器的示意图，其中R1为光敏电阻，R2为定值电阻．此光电计数器的基本工作原理是什么？
图3
[知识梳理] 光敏电阻的特点及工作原理：
(1)当半导体材料受到________或者温度________时，会有更多的电子获得能量成为________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__________材料(如硫化镉)制成的．它的特点是光照越强，电阻越______．它能够把__________这个光学量转换为________这个电学量．
[即学即用] 判断下列说法的正误．
(1)光敏电阻的阻值随光线的强弱变化，光照越强电阻越小．( )
(2)有光照在光敏电阻上，电阻上的自由电子会发生定向移动．( )
(3)光敏电阻的阻值只会随人造光的强弱而变化，不能感知自然光的变化．( )
三、热敏电阻和金属热电阻
[导学探究] 如图4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？
图4
[知识梳理] 热敏电阻和金属热电阻的特点：
(1)热敏电阻：用__________材料制成．可分为正温度系数的热敏电阻和负温度系数的热敏电阻．
①正温度系数的热敏电阻随温度升高电阻________．
②负温度系数的热敏电阻(如氧化锰热敏电阻)随温度升高电阻________．
(2)金属热电阻：金属的电阻率随温度________而增大，利用这一特性，金属丝也可以制作成________传感器，称为热电阻．
[即学即用] 判断下列说法的正误．
(1)热敏电阻在温度升高时阻值变小．( )
(2)金属热电阻在温度升高时阻值变小．( )
(3)金属热电阻的化学稳定性好，测温范围大．( )
(4)热敏电阻用半导体材料制作，所以没有金属热电阻的灵敏度高．( )
四、霍尔元件
[导学探究] 如图5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.
图5
(1)分析为什么会出现电压．
(2)试推导UH的表达式．
[知识梳理] 霍尔元件的特点：
(1)霍尔元件在电流、电压稳定时，载流子所受________和______________二力平衡．
(2)霍尔电压：UH＝k(d为薄片的厚度，k为霍尔系数)．其中______与______成正比，所以霍尔元件能把磁学量转换成电学量．
[即学即用] 判断下列说法的正误．
(1)霍尔元件一共有两个电极，电压这个电学量就通过这两个电极输出．( )
(2)把霍尔元件放入磁场中，由于电磁感应现象，在元件的电极间产生感应电动势．( )
(3)霍尔电压与组成霍尔元件的材料无关．( )
(4)霍尔元件能够把磁感应强度这个磁学量转换为电压这个电学量．( )
一、传感器的理解
1．传感器的原理：
→→
2．在分析传感器时要明确：
(1)核心元件是什么；
(2)是怎样将非电学量转化为电学量；
(3)是如何显示或控制开关的．
例1 如图6是一种测定油箱油量多少或变化多少的装置．其中电源电压保持不变，R是滑动变阻器，它的金属滑片是金属杆的一端．在装置中使用了一只电压表(图中没有画出)，通过观察电压表示数，可以了解油量情况．若将电压表分别接在b、c之间与c、d之间，当油量变化时，电压表的示数如何变化？
图6
二、对光敏电阻、热敏电阻的认识及应用
例2 (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7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( )
图7
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
例3 (多选)如图8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( )
图8
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
含有热敏电阻、光敏电阻电路的动态分析步骤
(1)明确热敏电阻(或光敏电阻)的阻值随温度(或光线强弱)是增大还是减小．
(2)分析整个回路的电阻的增减，电流的增减．
(3)分析部分电路的电压、电流如何变化．
三、霍尔元件的认识及应用
例4 在一次实验中，一块霍尔材料制成的薄片宽a＝1.0×10－2 m、长b＝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9所示，沿薄片宽度产生1.0×10－5 V的横向电压．
图9
(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)
霍尔电势高低的判断方法：利用左手定则，即四指指向电流方向，磁感线垂直穿入手心，拇指指的方向为载流子的受力方向，若载流子是正电荷，则拇指所指的面为高电势面，若载流子是负电荷，则拇指所指的面为低电势面．
1．关于传感器，下列说法正确的是 ( )
A．所有传感器都是由半导体材料制成的
B．金属材料也可以制成传感器
C．传感器主要是通过感知电压的变化来传递信号的
D．水银温度计是一种传感器
2.如图10所示的电路中，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，下列说法中正确的是( )
图10
A．当滑动触头P向左移动时，L消耗的功率增大
B．当滑动触头P向左移动时，L消耗的功率减小
C．当滑动触头P向右移动时，L消耗的功率可能不变
D．无论怎样移动滑动触头P，L消耗的功率都不变
3．(多选)如图11所示是霍尔元件的示意图，一块通电的铜板放在磁场中，板面垂直于磁场，板内通有如图所示方向的电流，a、b是铜板上、下边缘的两点，则( )
图11
A．电势φa＞φb
B．电势φb＞φa
C．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
答案精析
知识探究
一、
导学探究 (1)灯泡会亮，因为当磁铁靠近干簧管时，两个簧片被磁化而接通．
(2)干簧管起到开关的作用，是一种能够感知磁场的传感器．
知识梳理 (1)物理 电学 通断 (2)非电学量 控制
即学即用 ABC [传感器是将所感受到的不便于测量的物理量(如力、热、光、声等)转换成便于测量的物理量(一般是电学量)的一类元件，故选项A、B、C对，D错．]
二、
导学探究 当光被产品挡住时，R1电阻增大，电路中电流减小，R2两端电压减小，信号处理系统得到低电压，每通过一个产品就获得一次低电压，并计数一次．
知识梳理 (1)光照 升高 自由 (2)半导体 小
光照强弱 电阻
即学即用 (1)√ (2)× (3)×
三、
导学探究 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．
知识梳理 (1)半导体 ①增大 ②减小
(2)升高 温度
即学即用 (1)× (2)× (3)√ (4)×
四、
导学探究 (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
当洛伦兹力与电场力平衡时，M、N间电势差达到稳定．即q＝qvB
再根据电流的微观表达式I＝nqvS，S＝l2d
整理得：UH＝
令k＝，其中n为材料单位体积的载流子的个数，q为单个载流子的电荷量，它们均为常数．
则有UH＝k.
知识梳理 (1)电场力 洛伦兹力 (2)UH B
即学即用 (1)× (2)× (3)× (4)√
题型探究
例1 见解析
解析 把电压表接在b、c之间，油量增加时，R减小，电压表的示数减小；油量减少时，R增大，电压表的示数增大．把电压表接在c、d之间，油量增加时，R减小，电路中电流增大，则R′两端的电压增大，电压表的示数增大，同理，油量减少时，电压表的示数减小．
例2 AB [当环境温度降低时，R2变大，电路的总电阻变大，由I＝知I变小，又U＝E－Ir，电压表的读数U增大，B正确；又由P1＝I2R1可知，R1消耗的功率P1变小，D错误；电容器两板间的电压U2＝U－U1，U1＝IR1，可知U1变小，U2变大，由场强E′＝，Q＝CU2可知Q、E′都增大，故A正确，C错误．]
例3 ABC [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．]
例4 (1)a (2)6.7×10－4 m/s
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，平衡时有·e＝evB，得v＝≈6.7×10－4 m/s.
达标检测
1．B [大多数传感器是由半导体材料制成的，某些金属也可以制成传感器，如金属热电阻，故A错，B对；传感器将非电学量转换为电学量，因此传感器感知的应该是“非电信号”，故C错；水银温度计能感受热学量，但不能把热学量转化为电学量，因此不是传感器，故D错．]
2．A [滑动触头P左移，其电阻减小，流过二极管的电流增大，从而发光增强，使光敏电阻R减小，最终达到增大流过灯泡的电流的效果．]
3．AC [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而向b侧偏转，所以φa＞φb，A对，B错；因|φa－φb|＝k，所以电流增大时，|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．]
[学习目标] 1.了解什么是传感器，感受传感技术在信息时代的作用与意义.2.知道将非电学量转化为电学量的意义.3.了解光敏电阻、热敏电阻、金属热电阻和霍尔元件的性能，知道其工作原理及作用．
一、传感器
[导学探究] 干簧管结构：如图1所示，它只是玻璃管内封入的两个软磁性材料制成的簧片，接入图2电路，当磁铁靠近干簧管时：
图1
图2
(1)会发生什么现象，为什么？
(2)干簧管的作用是什么？
[知识梳理] 传感器及工作原理：
(1)传感器的定义：能够感受诸如力、温度、光、声、化学成分等__________量，并能把它们按照一定的规律转换为便于传送和处理的另一个物理量(通常是电压、电流等________量)，或转换为电路的________的元件．
(2)非电学量转换为电学量的意义：把____________转换为电学量，可以方便地进行测量、传输、处理和________．
[即学即用] (多选)传感器担负着信息采集的任务，它可以( )
A．将力学量(如形变量)转变成电学量
B．将热学量转变成电学量
C．将光学量转变成电学量
D．将电学量转变成力学量
二、光敏电阻
[导学探究] 在工厂生产车间的生产线上安装计数器后，就可以准确得知生产产品的数量，如图3所示为光敏电阻自动计数器的示意图，其中R1为光敏电阻，R2为定值电阻．此光电计数器的基本工作原理是什么？
图3
[知识梳理] 光敏电阻的特点及工作原理：
(1)当半导体材料受到________或者温度________时，会有更多的电子获得能量成为________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__________材料(如硫化镉)制成的．它的特点是光照越强，电阻越______．它能够把__________这个光学量转换为________这个电学量．
[即学即用] 判断下列说法的正误．
(1)光敏电阻的阻值随光线的强弱变化，光照越强电阻越小．( )
(2)有光照在光敏电阻上，电阻上的自由电子会发生定向移动．( )
(3)光敏电阻的阻值只会随人造光的强弱而变化，不能感知自然光的变化．( )
三、热敏电阻和金属热电阻
[导学探究] 如图4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？
图4
[知识梳理] 热敏电阻和金属热电阻的特点：
(1)热敏电阻：用__________材料制成．可分为正温度系数的热敏电阻和负温度系数的热敏电阻．
①正温度系数的热敏电阻随温度升高电阻________．
②负温度系数的热敏电阻(如氧化锰热敏电阻)随温度升高电阻________．
(2)金属热电阻：金属的电阻率随温度________而增大，利用这一特性，金属丝也可以制作成________传感器，称为热电阻．
[即学即用] 判断下列说法的正误．
(1)热敏电阻在温度升高时阻值变小．( )
(2)金属热电阻在温度升高时阻值变小．( )
(3)金属热电阻的化学稳定性好，测温范围大．( )
(4)热敏电阻用半导体材料制作，所以没有金属热电阻的灵敏度高．( )
四、霍尔元件
[导学探究] 如图5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.
图5
(1)分析为什么会出现电压．
(2)试推导UH的表达式．
[知识梳理] 霍尔元件的特点：
(1)霍尔元件在电流、电压稳定时，载流子所受________和______________二力平衡．
(2)霍尔电压：UH＝k(d为薄片的厚度，k为霍尔系数)．其中______与______成正比，所以霍尔元件能把磁学量转换成电学量．
[即学即用] 判断下列说法的正误．
(1)霍尔元件一共有两个电极，电压这个电学量就通过这两个电极输出．( )
(2)把霍尔元件放入磁场中，由于电磁感应现象，在元件的电极间产生感应电动势．( )
(3)霍尔电压与组成霍尔元件的材料无关．( )
(4)霍尔元件能够把磁感应强度这个磁学量转换为电压这个电学量．( )
一、传感器的理解
1．传感器的原理：
→→
2．在分析传感器时要明确：
(1)核心元件是什么；
(2)是怎样将非电学量转化为电学量；
(3)是如何显示或控制开关的．
例1 如图6是一种测定油箱油量多少或变化多少的装置．其中电源电压保持不变，R是滑动变阻器，它的金属滑片是金属杆的一端．在装置中使用了一只电压表(图中没有画出)，通过观察电压表示数，可以了解油量情况．若将电压表分别接在b、c之间与c、d之间，当油量变化时，电压表的示数如何变化？
图6
二、对光敏电阻、热敏电阻的认识及应用
例2 (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7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( )
图7
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
例3 (多选)如图8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( )
图8
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
含有热敏电阻、光敏电阻电路的动态分析步骤
(1)明确热敏电阻(或光敏电阻)的阻值随温度(或光线强弱)是增大还是减小．
(2)分析整个回路的电阻的增减，电流的增减．
(3)分析部分电路的电压、电流如何变化．
三、霍尔元件的认识及应用
例4 在一次实验中，一块霍尔材料制成的薄片宽a＝1.0×10－2 m、长b＝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9所示，沿薄片宽度产生1.0×10－5 V的横向电压．
图9
(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)
霍尔电势高低的判断方法：利用左手定则，即四指指向电流方向，磁感线垂直穿入手心，拇指指的方向为载流子的受力方向，若载流子是正电荷，则拇指所指的面为高电势面，若载流子是负电荷，则拇指所指的面为低电势面．
1．关于传感器，下列说法正确的是 ( )
A．所有传感器都是由半导体材料制成的
B．金属材料也可以制成传感器
C．传感器主要是通过感知电压的变化来传递信号的
D．水银温度计是一种传感器
2.如图10所示的电路中，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，下列说法中正确的是( )
图10
A．当滑动触头P向左移动时，L消耗的功率增大
B．当滑动触头P向左移动时，L消耗的功率减小
C．当滑动触头P向右移动时，L消耗的功率可能不变
D．无论怎样移动滑动触头P，L消耗的功率都不变
3．(多选)如图11所示是霍尔元件的示意图，一块通电的铜板放在磁场中，板面垂直于磁场，板内通有如图所示方向的电流，a、b是铜板上、下边缘的两点，则( )
图11
A．电势φa＞φb
B．电势φb＞φa
C．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
答案精析
知识探究
一、
导学探究 (1)灯泡会亮，因为当磁铁靠近干簧管时，两个簧片被磁化而接通．
(2)干簧管起到开关的作用，是一种能够感知磁场的传感器．
知识梳理 (1)物理 电学 通断 (2)非电学量 控制
即学即用 ABC [传感器是将所感受到的不便于测量的物理量(如力、热、光、声等)转换成便于测量的物理量(一般是电学量)的一类元件，故选项A、B、C对，D错．]
二、
导学探究 当光被产品挡住时，R1电阻增大，电路中电流减小，R2两端电压减小，信号处理系统得到低电压，每通过一个产品就获得一次低电压，并计数一次．
知识梳理 (1)光照 升高 自由 (2)半导体 小
光照强弱 电阻
即学即用 (1)√ (2)× (3)×
三、
导学探究 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．
知识梳理 (1)半导体 ①增大 ②减小
(2)升高 温度
即学即用 (1)× (2)× (3)√ (4)×
四、
导学探究 (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
当洛伦兹力与电场力平衡时，M、N间电势差达到稳定．即q＝qvB
再根据电流的微观表达式I＝nqvS，S＝l2d
整理得：UH＝
令k＝，其中n为材料单位体积的载流子的个数，q为单个载流子的电荷量，它们均为常数．
则有UH＝k.
知识梳理 (1)电场力 洛伦兹力 (2)UH B
即学即用 (1)× (2)× (3)× (4)√
题型探究
例1 见解析
解析 把电压表接在b、c之间，油量增加时，R减小，电压表的示数减小；油量减少时，R增大，电压表的示数增大．把电压表接在c、d之间，油量增加时，R减小，电路中电流增大，则R′两端的电压增大，电压表的示数增大，同理，油量减少时，电压表的示数减小．
例2 AB [当环境温度降低时，R2变大，电路的总电阻变大，由I＝知I变小，又U＝E－Ir，电压表的读数U增大，B正确；又由P1＝I2R1可知，R1消耗的功率P1变小，D错误；电容器两板间的电压U2＝U－U1，U1＝IR1，可知U1变小，U2变大，由场强E′＝，Q＝CU2可知Q、E′都增大，故A正确，C错误．]
例3 ABC [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．]
例4 (1)a (2)6.7×10－4 m/s
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，平衡时有·e＝evB，得v＝≈6.7×10－4 m/s.
达标检测
1．B [大多数传感器是由半导体材料制成的，某些金属也可以制成传感器，如金属热电阻，故A错，B对；传感器将非电学量转换为电学量，因此传感器感知的应该是“非电信号”，故C错；水银温度计能感受热学量，但不能把热学量转化为电学量，因此不是传感器，故D错．]
2．A [滑动触头P左移，其电阻减小，流过二极管的电流增大，从而发光增强，使光敏电阻R减小，最终达到增大流过灯泡的电流的效果．]
3．AC [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而向b侧偏转，所以φa＞φb，A对，B错；因|φa－φb|＝k，所以电流增大时，|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．]