2012【优化方案】精品课件：教科版物理选修3-2第3章第2节
文档属性
| 名称 | 2012【优化方案】精品课件：教科版物理选修3-2第3章第2节 |  | |
| 格式 | rar | ||
| 文件大小 | 543.9KB | ||
| 资源类型 | 教案 | ||
| 版本资源 | 教科版 | ||
| 科目 | 物理 | ||
| 更新时间 | 2011-12-20 21:38:04 | ||
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文档简介
(共32张PPT)
第1节 传感器
第2节 温度传感器和光传感器
核心要点突破
课堂互动讲练
课前自主学案
知能优化训练
第2节
课标定位
学习目标：1.知道传感器的概念、结构及工作原理．
2．了解传感器的分类情况及热敏电阻的特性．
3．知道温度传感器的原理，了解温度传感器在生活中的应用．
4．知道光电传感器的原理，了解光电传感器在生活中的应用．
重点难点：1.传感器的基本原理及其构造．
2．利用实验研究热敏电阻的温度特性曲线．
课标定位
课前自主学案
一、传感器
1．概念：传感器通常是把被测的_____信息，按一定规律转换成与之对应的___信息的器件或装置．
2．结构：一般由_________和_________组成，如图3－1－1所示．
非电
电
敏感元件
处理电路
(1)敏感元件能直接感受非电信息，并将这些信息变换成_________的物理量，形成电信号．
(2)处理电路能把微小的信号进行_____，并除去干扰信号，使敏感元件输出的电信号转变成便于显示、记录、处理和控制的_______
二、敏感元件的原理
1．敏感元件就其感知外界信息的原理可分为三类：(1)______ 类；(2)______类；(3)______ 类．
2．由教材P61～62的实验探究可知：热敏电阻用
_________材料制成，具有电阻随_____灵敏变化的特性，可以实现对温度的测量．
易于测量
放大
电学量．
物理
化学
生物
半导体
温度
3．干簧管是一种能感知_____的敏感元件，它由密封在玻璃管内的两个___________构成，两个簧片相互交叠但其间保持一个缝隙，簧片在磁场作用下会磁化为异名磁极相对的磁铁，当磁力大于簧片的弹力时两者紧密地接触．
三、温度传感器
1．热双金属片温度传感器
将两种__________相差较大的不同金属片焊接或轧制为一体后，温度升高时，由于两面金属膨胀程度______，双金属片就会________
磁场
铁磁体簧片
膨胀系数
不同
变形．
2．热电阻传感器
(1)定义：用金属丝制作的____电阻叫做热电阻．
(2)金属的电阻R与温度t的关系是：R＝R0(1＋θt)．
(3)作用：测___和测_____
3．热敏电阻传感器
热敏电阻是用_______材料制成的，其电阻值随温度变化明显，NTC热敏电阻(负温度系数)的阻值，随温度升高而____，PTC热敏电阻的阻值随温度升高而______
感温
温
流量．
半导体
减小
增大．
四、光传感器
1．定义：光电传感器是一种能够感受________，并按照一定规律把_______转换成________的器
件或装置．
2．应用：(1)光电式烟尘浓度计．
(2)光电式转速表．
光信号
光信号
电信号
核心要点突破
一、传感器的工作原理
1．传感器
传感器能够感受诸如位移、力、温度、光、声、化学成分等非电信息，并能把它们按照一定的规律转换为电压、电流、电阻等电信息，或转化为电路的通断．传感器是通过测量外界的物理量、化学量或生物量来捕捉和识别信息，并将被测量的非电信息转换成电信息的装置．
2．传感器的基本原理
传感器感受的通常是非电信息，而它输出的通常是电信息，不过这些输出信号往往是非常微弱的，一般需要经过放大后，再输送给控制系统产生各种控制动作．其工作过程可由图3－1－2表示．
图3－1－2
(1)非电信息：如位移、力、温度、光、声、化学成分、浓度、酸碱度等．
(2)敏感元件：是传感器的核心，相当于人的感觉器官，能直接感受被测量的非电信息并将其转换成与被测量的非电信息有一定关系的易于测量的物理量．
(3)转换元件：通常不能直接感受被测量的非电信息，而是将敏感元件输出的物理量转换为电信号输出．
(4)转换电路：将转换元件输出的电信号转换成易于测量的电信息．
(5)电信息：如电压、电流、电阻等．
即时应用?(即时突破，小试牛刀)
(2011年陕西榆林高二检测)关于传感器及其作用，下列说法中正确的是( )
A．传感器一般是把非电信息转换为电信息
B．传感器一定是把非电信息转换为电路的通断
C．传感器把非电信息转换为电信息是为了方便进行测量、传输、处理和控制
D．电磁感应是把磁信息转换为电信息，所以利用电磁感应现象工作的动圈式话筒也是传感器
解析：选ACD.根据传感器的概念和工作原理可以判断A、C正确．B选项中不一定把非电信息转化为电路的通断，还有其他的表现形式，故B错．动圈式话筒利用电磁感应将声音转化为电流，是传感器，D正确．
二、探究热敏电阻的温度特性曲线
1．实验设计
(1)用万用电表的电阻挡直接测量热敏电阻随温度的变化特性，方法简便，误差大．
(2)伏安法测量热敏电阻的温度特性曲线．
2．采用伏安法测量
(1)器材：电压表、电流表、电源、滑动变阻器、固定电阻、热敏电阻、开关和导线若干；温度计、水槽、电加热装置和开水冷水各一份．
(2)原理：采用水浴法改变热敏电阻的温度(如图3－1－3)用伏安法测量电阻(如图3－1－4)
图3－1－3 图3－1－4
(3)测量步骤：
将热敏电阻用塑料薄膜包裹一层，防止水浴时电阻的引线与水接触，连接好如图3－1－4所示电路．
将水槽里的水兑成10℃，将热敏电阻放入水中，稍等片刻，闭合开关，读出电压表、电流表、温度计的示数．
将水温兑成20℃、30℃、40℃、50℃…90℃，各测量一次，计算出各温度下对应的电阻．
(4)设计表格，将上述方法取得的数据填入表格．
(5)数据处理，在坐标纸上做出R－t图像．
3．热敏电阻的R－t图像
热敏电阻所用材料根据其温度特性可分为三类：
(1)正温度系数的热敏材料(PTC)，它的电阻随温度升高而增大．
(2)负温度系数的热敏材料(NTC)，它的电阻随温度升高而减小．
(3)临界温度系数的热敏材料(CTC)，它的电阻在很小的温度范围(临界)内急剧下降．
这三类热敏材料电阻率的温度特性曲线如图3－1－5所示．可见，PTC和CTC型热敏电阻在一定的温度范围内，阻值随温度急剧变化，常用作
开关元件，NTC型热敏电阻的阻值随温度升高而减小．尤其要注意的是在温度测量中使用最多的就是NTC型热敏电阻，我们常说的热敏电阻也是指这一类．
图3－1－5
特别提醒：要注意区别热敏电阻和金属热电阻，热敏电阻用半导体材料制成，其电阻值随温度变化明显，温度升高电阻减小；而金属的电阻率随温度的升高而增大，这样的金属电阻也可以制作温度传感器，称为热电阻．热敏电阻的灵敏性好，但化学稳定性较差；金属热电阻的化学稳定性好，测温范围大，但灵敏性较差．
三、光电传感器的原理及光敏电阻
1．光电传感器：是一种能够感受光信号，并按照一定规律把光信号转换成电信号的器件或装置．
2．光敏电阻：在被光照射时电阻发生变化，可以把光照强弱转换为电阻大小这个电学量．
3．半导体的导电机理：以半导体材料硅为例说明半导体的导电机理，图3－1－6是硅原子排列示意图，每个原子的最外层有4个电子．由于热运动或其他原因，其中极少数电子可能获得较大的能量，挣脱原子的束缚而成为自由电子．这样，在原来的地方就留下一个空位，称为“空穴”．空穴相当于一个正电荷．当这个空穴由附近原子中
的电子来填补时，就出现了一个新的空穴，这种变化相当于空穴在移动．
图3－1－6
如果有了外电场，自由电子和空穴会向相反的方向做定向移动，于是在半导体中形成了电流．自由电子和空穴都叫做载流子．
4．光敏电阻的特性
当光敏电阻受到光照射时，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，于是导电性明显地增强，电阻减小．不受光照射时的电阻阻值是受光照射时的100倍～1000倍．
课堂互动讲练
对传感器原理的认识
例1
全面了解汽车的运行状态(速度、水箱温度、油量)是确保汽车安全行驶和驾驶员安全的举措之一，为模仿汽车油表原理，自制一种测定油箱油量多少或变化多少的装置．如图3－1－7所示，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．小阳同学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，你认为电压表应该接在图中的________两
图3－1－7
点之间，按照你的接法请回答：当油箱中油量减少时，电压表的示数将________(填“增大”或“减小”)．
【精讲精析】 由题图可知当油箱内液面高度变化时，R的金属滑片将会移动，从而引起R两端电压的变化，且当R′ R时，UR＝IR可视为UR与R成正比，所以电压表应接在b、c之间，当油量减少时，电压表示数将增大．
【答案】 b、c 增大
【方法总结】 (1)各类传感器工作原理虽不完全相同，但都是把非电学量转换为电学量．
(2)传感器输出的电学量有电流、电压及电路通断等多种形式．
(3)解此类问题的基本思路：
分析电路结构→研究电阻的变化→判断(计算)电流、电压的变化．
热敏电阻的应用
例2
如图3－1－8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
图3－1－8
【思路点拨】
【自主解答】 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，电流表读数减小，路端电压(E－Ir)变大，R1两端电压(IR1)变小，灯L电压(E－Ir－IR1)变大，灯泡亮度变强，C正确．
【答案】 C
光敏电阻的应用
例3
如图3－1－9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( )
①当有光照射R1时，信号处理系统获得高电压
②当有光照射R1时，信号处理系统获得低电压
③信号处理系统每获得一次低电压就计数一次
④信号处理系统每获得一次高电压就计数一次
A．①③ B．①④
C．②③ D．②④
图3－1－9
【精讲精析】 R1为光敏电阻，当有光照射时，R1的阻值变小，R2上的电压变大，信号处理系统获得高电压．由题意知，当传送带上的物体挡住光时，信号处理系统获得低电压，这种电压高低交替变化的信号转化为相应的数字，实现自动计数的功能，达到自动计数的目的．故①、③说法正确．
【答案】 A
【方法总结】 对含光电传感器的电路一般按以下思路分析：
(1)判断电路的整体连接特点．
(2)由光敏电阻的变化判断出整个电路总电阻的变化．
(3)根据闭合电路欧姆定律判断干路中电流的变化．
(4)根据电路串并联特点和欧姆定律判出各部分电路电压和电流的变化，进而得出电压表、电流表示数的变化和各部分功率的变化．
知能优化训练
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第1节 传感器
第2节 温度传感器和光传感器
核心要点突破
课堂互动讲练
课前自主学案
知能优化训练
第2节
课标定位
学习目标：1.知道传感器的概念、结构及工作原理．
2．了解传感器的分类情况及热敏电阻的特性．
3．知道温度传感器的原理，了解温度传感器在生活中的应用．
4．知道光电传感器的原理，了解光电传感器在生活中的应用．
重点难点：1.传感器的基本原理及其构造．
2．利用实验研究热敏电阻的温度特性曲线．
课标定位
课前自主学案
一、传感器
1．概念：传感器通常是把被测的_____信息，按一定规律转换成与之对应的___信息的器件或装置．
2．结构：一般由_________和_________组成，如图3－1－1所示．
非电
电
敏感元件
处理电路
(1)敏感元件能直接感受非电信息，并将这些信息变换成_________的物理量，形成电信号．
(2)处理电路能把微小的信号进行_____，并除去干扰信号，使敏感元件输出的电信号转变成便于显示、记录、处理和控制的_______
二、敏感元件的原理
1．敏感元件就其感知外界信息的原理可分为三类：(1)______ 类；(2)______类；(3)______ 类．
2．由教材P61～62的实验探究可知：热敏电阻用
_________材料制成，具有电阻随_____灵敏变化的特性，可以实现对温度的测量．
易于测量
放大
电学量．
物理
化学
生物
半导体
温度
3．干簧管是一种能感知_____的敏感元件，它由密封在玻璃管内的两个___________构成，两个簧片相互交叠但其间保持一个缝隙，簧片在磁场作用下会磁化为异名磁极相对的磁铁，当磁力大于簧片的弹力时两者紧密地接触．
三、温度传感器
1．热双金属片温度传感器
将两种__________相差较大的不同金属片焊接或轧制为一体后，温度升高时，由于两面金属膨胀程度______，双金属片就会________
磁场
铁磁体簧片
膨胀系数
不同
变形．
2．热电阻传感器
(1)定义：用金属丝制作的____电阻叫做热电阻．
(2)金属的电阻R与温度t的关系是：R＝R0(1＋θt)．
(3)作用：测___和测_____
3．热敏电阻传感器
热敏电阻是用_______材料制成的，其电阻值随温度变化明显，NTC热敏电阻(负温度系数)的阻值，随温度升高而____，PTC热敏电阻的阻值随温度升高而______
感温
温
流量．
半导体
减小
增大．
四、光传感器
1．定义：光电传感器是一种能够感受________，并按照一定规律把_______转换成________的器
件或装置．
2．应用：(1)光电式烟尘浓度计．
(2)光电式转速表．
光信号
光信号
电信号
核心要点突破
一、传感器的工作原理
1．传感器
传感器能够感受诸如位移、力、温度、光、声、化学成分等非电信息，并能把它们按照一定的规律转换为电压、电流、电阻等电信息，或转化为电路的通断．传感器是通过测量外界的物理量、化学量或生物量来捕捉和识别信息，并将被测量的非电信息转换成电信息的装置．
2．传感器的基本原理
传感器感受的通常是非电信息，而它输出的通常是电信息，不过这些输出信号往往是非常微弱的，一般需要经过放大后，再输送给控制系统产生各种控制动作．其工作过程可由图3－1－2表示．
图3－1－2
(1)非电信息：如位移、力、温度、光、声、化学成分、浓度、酸碱度等．
(2)敏感元件：是传感器的核心，相当于人的感觉器官，能直接感受被测量的非电信息并将其转换成与被测量的非电信息有一定关系的易于测量的物理量．
(3)转换元件：通常不能直接感受被测量的非电信息，而是将敏感元件输出的物理量转换为电信号输出．
(4)转换电路：将转换元件输出的电信号转换成易于测量的电信息．
(5)电信息：如电压、电流、电阻等．
即时应用?(即时突破，小试牛刀)
(2011年陕西榆林高二检测)关于传感器及其作用，下列说法中正确的是( )
A．传感器一般是把非电信息转换为电信息
B．传感器一定是把非电信息转换为电路的通断
C．传感器把非电信息转换为电信息是为了方便进行测量、传输、处理和控制
D．电磁感应是把磁信息转换为电信息，所以利用电磁感应现象工作的动圈式话筒也是传感器
解析：选ACD.根据传感器的概念和工作原理可以判断A、C正确．B选项中不一定把非电信息转化为电路的通断，还有其他的表现形式，故B错．动圈式话筒利用电磁感应将声音转化为电流，是传感器，D正确．
二、探究热敏电阻的温度特性曲线
1．实验设计
(1)用万用电表的电阻挡直接测量热敏电阻随温度的变化特性，方法简便，误差大．
(2)伏安法测量热敏电阻的温度特性曲线．
2．采用伏安法测量
(1)器材：电压表、电流表、电源、滑动变阻器、固定电阻、热敏电阻、开关和导线若干；温度计、水槽、电加热装置和开水冷水各一份．
(2)原理：采用水浴法改变热敏电阻的温度(如图3－1－3)用伏安法测量电阻(如图3－1－4)
图3－1－3 图3－1－4
(3)测量步骤：
将热敏电阻用塑料薄膜包裹一层，防止水浴时电阻的引线与水接触，连接好如图3－1－4所示电路．
将水槽里的水兑成10℃，将热敏电阻放入水中，稍等片刻，闭合开关，读出电压表、电流表、温度计的示数．
将水温兑成20℃、30℃、40℃、50℃…90℃，各测量一次，计算出各温度下对应的电阻．
(4)设计表格，将上述方法取得的数据填入表格．
(5)数据处理，在坐标纸上做出R－t图像．
3．热敏电阻的R－t图像
热敏电阻所用材料根据其温度特性可分为三类：
(1)正温度系数的热敏材料(PTC)，它的电阻随温度升高而增大．
(2)负温度系数的热敏材料(NTC)，它的电阻随温度升高而减小．
(3)临界温度系数的热敏材料(CTC)，它的电阻在很小的温度范围(临界)内急剧下降．
这三类热敏材料电阻率的温度特性曲线如图3－1－5所示．可见，PTC和CTC型热敏电阻在一定的温度范围内，阻值随温度急剧变化，常用作
开关元件，NTC型热敏电阻的阻值随温度升高而减小．尤其要注意的是在温度测量中使用最多的就是NTC型热敏电阻，我们常说的热敏电阻也是指这一类．
图3－1－5
特别提醒：要注意区别热敏电阻和金属热电阻，热敏电阻用半导体材料制成，其电阻值随温度变化明显，温度升高电阻减小；而金属的电阻率随温度的升高而增大，这样的金属电阻也可以制作温度传感器，称为热电阻．热敏电阻的灵敏性好，但化学稳定性较差；金属热电阻的化学稳定性好，测温范围大，但灵敏性较差．
三、光电传感器的原理及光敏电阻
1．光电传感器：是一种能够感受光信号，并按照一定规律把光信号转换成电信号的器件或装置．
2．光敏电阻：在被光照射时电阻发生变化，可以把光照强弱转换为电阻大小这个电学量．
3．半导体的导电机理：以半导体材料硅为例说明半导体的导电机理，图3－1－6是硅原子排列示意图，每个原子的最外层有4个电子．由于热运动或其他原因，其中极少数电子可能获得较大的能量，挣脱原子的束缚而成为自由电子．这样，在原来的地方就留下一个空位，称为“空穴”．空穴相当于一个正电荷．当这个空穴由附近原子中
的电子来填补时，就出现了一个新的空穴，这种变化相当于空穴在移动．
图3－1－6
如果有了外电场，自由电子和空穴会向相反的方向做定向移动，于是在半导体中形成了电流．自由电子和空穴都叫做载流子．
4．光敏电阻的特性
当光敏电阻受到光照射时，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，于是导电性明显地增强，电阻减小．不受光照射时的电阻阻值是受光照射时的100倍～1000倍．
课堂互动讲练
对传感器原理的认识
例1
全面了解汽车的运行状态(速度、水箱温度、油量)是确保汽车安全行驶和驾驶员安全的举措之一，为模仿汽车油表原理，自制一种测定油箱油量多少或变化多少的装置．如图3－1－7所示，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．小阳同学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，你认为电压表应该接在图中的________两
图3－1－7
点之间，按照你的接法请回答：当油箱中油量减少时，电压表的示数将________(填“增大”或“减小”)．
【精讲精析】 由题图可知当油箱内液面高度变化时，R的金属滑片将会移动，从而引起R两端电压的变化，且当R′ R时，UR＝IR可视为UR与R成正比，所以电压表应接在b、c之间，当油量减少时，电压表示数将增大．
【答案】 b、c 增大
【方法总结】 (1)各类传感器工作原理虽不完全相同，但都是把非电学量转换为电学量．
(2)传感器输出的电学量有电流、电压及电路通断等多种形式．
(3)解此类问题的基本思路：
分析电路结构→研究电阻的变化→判断(计算)电流、电压的变化．
热敏电阻的应用
例2
如图3－1－8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
图3－1－8
【思路点拨】
【自主解答】 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，电流表读数减小，路端电压(E－Ir)变大，R1两端电压(IR1)变小，灯L电压(E－Ir－IR1)变大，灯泡亮度变强，C正确．
【答案】 C
光敏电阻的应用
例3
如图3－1－9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( )
①当有光照射R1时，信号处理系统获得高电压
②当有光照射R1时，信号处理系统获得低电压
③信号处理系统每获得一次低电压就计数一次
④信号处理系统每获得一次高电压就计数一次
A．①③ B．①④
C．②③ D．②④
图3－1－9
【精讲精析】 R1为光敏电阻，当有光照射时，R1的阻值变小，R2上的电压变大，信号处理系统获得高电压．由题意知，当传送带上的物体挡住光时，信号处理系统获得低电压，这种电压高低交替变化的信号转化为相应的数字，实现自动计数的功能，达到自动计数的目的．故①、③说法正确．
【答案】 A
【方法总结】 对含光电传感器的电路一般按以下思路分析：
(1)判断电路的整体连接特点．
(2)由光敏电阻的变化判断出整个电路总电阻的变化．
(3)根据闭合电路欧姆定律判断干路中电流的变化．
(4)根据电路串并联特点和欧姆定律判出各部分电路电压和电流的变化，进而得出电压表、电流表示数的变化和各部分功率的变化．
知能优化训练
本部分内容讲解结束
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