第1、2节 传感器及其工作原理 传感器的应用（课件PPT）-【新课程学案】2024-2025学年高中物理选择性必修第二册（粤教版2019）

第五章　传感器 第一、二节　传感器及其工作原理 传感器的应用 核心素养导学 物理观念 (1)感受传感器，知道传感器是把非电学量转化成电学量的器件或装置。 (2)了解光敏电阻、金属热电阻、热敏电阻和电阻应变片等材料的物理特性，知道利用其特性可以制作传感器的敏感元件。 (3)了解生活中、农业生产中、工业生产中、航天航空中的传感器。 科学思维 (1)体会传感器将非电学量转化为电学量的物理意义。 (2)通过对传感器原理和应用的了解，体会传感器在实际应用中的价值。 科学探究 探究传感器的工作原理及传感器在实际应用中的一般模式。 科学态度与责任 体会传感器在某些方面可以代替甚至超过人类对自然的感知，能够改变人类的生产生活方式。 续表 一、什么是传感器　传感器的分类 1．传感器：能够感受到被测量的信息，并将其按照一定的规律转化为可用信号的器件或装置。 2．传感器组成：一般由_____元件、转换元件和转换电路三部分组成。如图所示： 3．传感器的分类 (1)物理传感器；(2)化学传感器；(3)生物传感器。 敏感 二、温度传感器的原理　光电传感器的原理 1．温度传感器的原理 (1)温度传感器：将______变化转换为电学量变化的装置。 (2)温度传感器中的敏感元件：_____电阻、热电偶、热双金属片等。 (3)热敏电阻的分类： ①正温度系数热敏电阻：阻值随温度的上升而_____。 ②负温度系数热敏电阻：阻值随温度的上升而______。 ③临界温度系数热敏电阻：阻值在很小的温度范围内急剧______。 金属热电阻的阻值随温度的升高而增加，而负温度系数热敏电阻的阻值随温度的升高而降低。　　 温度 热敏 增加 下降 下降 三、传感器的应用 1．生活中的传感器 (1)与温度传感器相关的应用：电饭煲、电冰箱、微波炉、_______、消毒碗柜等。 (2)与红外线传感器相关的应用：自动门、家电遥控器、非接触红外测温仪以及防盗、防火报警器等。 (3)与光敏传感器相关的应用：照相机。 (4)与压力传感器相关的应用：家用便携式电子秤。 空调机 2．农业生产中的传感器 (1)湿度传感器的应用：无人管理的自动喷灌系统。 (2)温度传感器的应用：自动控温的蔬菜大棚。 (3)现代粮库采用温度传感器和湿度传感器，通过对通风装置进行自动控制，有效地减少粮库里的霉变。 3．工业生产中的传感器 (1)汽车生产线上的焊接机器人是视觉传感器、力学传感器、温度传感器、电弧传感器等的联合应用。 (2)埋入式______传感器安置在大桥或水坝中，可以实时监测大桥或水坝的裂痕等安全隐患。 光纤 4．航天航空中的传感器 (1)运载火箭上应用的压力传感器。 (2)哈勃空间望远镜上应用的高精度光学传感器。 (3)载人飞船中应用的生理传感器。 1.当我们进入宾馆的大门时，门自动开启，当我们通过后，门自动关闭。这是为什么？ 提示：红外线传感器探测到有人进入时，将脉冲信号传给主控器，主控器判断后通知马达运行，使门扇开启。门扇开启后由控制器做出判断，如需关门，通知马达做反向运动，关闭门扇。 2．传感器的应用促进了人工智能的发展，无人驾驶汽车就是典型的实例。判断下列流程是否正确。 (1)非电学量→敏感元件→转换电路→电学量→转换元件。 ( ) (2)电学量→敏感元件→转换电路→转换元件→非电学量。 ( ) (3)非电学量→敏感元件→转换元件→转换电路→电学量。 ( ) × × √ 3．如图所示，电吉他的弦是软磁性材料，当弦振动时，线圈中产生感应电流，感应电流输送到放大器、喇叭，把声音播放出来。判断以下说法的正误。 (1)电吉他是光电传感器。 ( ) (2)电吉他是温度传感器。 ( ) (3)电吉他是声音传感器。 ( ) × × √ 4．交警用酒精检测仪测量司机呼出气体的酒精浓度。 为什么传感器一般都是将感受到的非电学量转换成电学量呢？ 提示：电学量具有易测量、易控制、测量精度和速度较高、易放大、易反馈、易存储、可远距离传输等特点。特别是电信号能方便地与计算机连接而进行信息处理，所以传感器一般都是将感受到的非电学量转换成电学量。 新知学习(一)|传感器的工作原理 [任务驱动] 干簧管结构如图甲所示，它是在玻璃管内封入的两个软磁性材料制成的簧片，接入图乙所示电路，当磁铁靠近干簧管时。 (1)观察到什么现象？ (2)干簧管的原理是什么？ 提示：(1)磁铁靠近干簧管时，灯泡就会发光；把磁铁移走，灯泡熄灭。 (2)干簧管的两个簧片在外加磁场的作用下被磁化成相反磁性的磁极而连通，没有外加磁场时两簧片失去磁性而分开。　　　　 [重点释解] 1．传感器的组成和工作流程 (1)传感器的组成 ①敏感元件：相当于人的感觉器官，是传感器的核心部分，是利用材料的某种敏感效应(如热敏、光敏、压敏、力敏、湿敏等)制成的。 ②转换元件：将敏感元件输出的与被测物理量成一定关系的非电信号转换成电信号的电子元件。 ③转换电路：将转换元件输出的不易测量的电学量转换成易于测量的电学量，如电压、电流、电阻等电学量或电路的通断等。 [典例体验] [典例]　某电容式话筒的原理示意图如图所示，E为电源， R为电阻，薄片P和Q为两金属极板。对着话筒说话时，P振动 而Q可视为不动，在P向左运动的过程中 (　 ) A．P、Q构成的电容器的电容增大 B．P上电荷量保持不变 C．M点的电势比N点的低 D．M点的电势比N点的高 [答案]　D [变式拓展]　对应[典例]的情境，电容式话筒是怎样利用改变电容器电容实现把声音的变化转换为电信号的？ 提示：话筒的振动膜前面有薄薄的金属层，膜后距膜几十微米处有一金属板，振动膜上的金属层和这个金属板构成电容器的两极，在两极间加一电压U，人对着话筒说话时，振动膜前后振动，使电容发生变化，声音信号被话筒转化为电信号。 /方法技巧/ 分析传感器时要明确的问题 (1)核心元件是什么； (2)是怎样将非电学量转化为电学量的； (3)是如何显示或控制开关的。　 [针对训练] 1．当你走近某些宾馆、酒楼的大门时，门就会自动为你打开；当你走进门之后，门又在你身后自动关上。你觉得这可能是将下列哪种外界信息转换为有用的信息 (　 ) A．温度　　 B．运动　　　 C．人　　　 D．光线 解析：自动门的自动控制要求灵敏、可靠，若以温度控制，人的体温与夏季气温接近，则在夏季自动门将无法使用。自动门实际使用的是红外线传感器，红外线属于不可见光，人在白天或黑夜均发出红外线，传感器接收到人体发出的红外线后传给自动控制装置的电动机，实现自动开、关门，D正确。 答案：D　 2．传感器广泛应用在我们的生产生活中，常用的计算机键盘就是一种传感器。如图所示，键盘上每一个键的下面都连有一小金属片，与该金属片隔有一定空气间隙的是另一小的固定金属片，这两个金属片组成一个小电容器，当键被按下时，此小电容器的电容发生变化，与之相连的电子线路就能够检测出哪个键被按下，从而给出相应的信号。这种计算机键盘使用的是 (　 ) A．温度传感器 B．压力传感器 C．磁传感器 D．光传感器 解析：小金属片被按下时，作用的压力不一样，小金属片下移的距离不同，两个极板之间的距离不同，电容就不同，即将压力这个力学量转换为电容这个电学量，所以计算机键盘使用的是压力传感器，B正确，A、C、D错误。 答案：B　 新知学习(二)|电阻式传感器的应用 [重点释解]   热敏电阻 金属热电阻 光敏电阻 电阻应变片 特点 正温度系数的热敏电阻，随温度升高电阻变大；负温度系数的热敏电阻，随温度升高电阻减小 电阻率随温度的升高而增加 在强光下电阻小，在暗光下电阻大 受到拉力时，电阻变大；受到压力时，电阻变小 敏感材料 半导体 金属 把硫化镉涂敷在绝缘板上，其表面镀银 金属材料 续表 [典例体验] [典例]　药物生产车间需要严格控制室内温度范围，尽量 保证较小的温度波动。如图是某监控温度波动的报警系统原 理图，热敏电阻的阻值随温度的升高而减小，当报警器两端 的电压变化量超出设定值时，报警器就会自动报警。下列说法正确的是 (　 ) A．温度升高，报警器两端电压减小 B．温度降低，热敏电阻的热功率一定增大 C．滑动变阻器接入电路的阻值越大，报警器越容易报警 D．滑动变阻器接入电路的阻值与报警器是否容易报警无关 [解析]　温度升高，热敏电阻的阻值减小，电路中总电阻减小，总电流增大，内电压增大，路端电压减小，则报警器两端电压减小，A正确；温度降低，热敏电阻的阻值增大，电路中总电阻增大，总电流减小，内电压减小，路端电压增大，则报警器两端电压增大，通过热敏电阻的电流减小，根据热功率表达式P＝I2R，可知热敏电阻的热功率不一定增大，B错误；若滑动变阻器接入电路的阻值很大，当热敏电阻的阻值变化时，报警器两端的电压变化量不大，报警器不容易报警，因此滑动变阻器接入电路的阻值与报警器是否容易报警有关，C、D错误。 [答案]　A /方法技巧/ 含传感器的电路动态分析的四点注意 (1)如果涉及光敏电阻，必须明确光照情况怎样变化，从而判断出其阻值的变化。 (2)如果涉及热敏电阻，必须明确是正温度系数还是负温度系数的热敏电阻及温度变化情况，从而判断其阻值的变化。 (3)如果是其他元件引起的电路变化可具体问题具体分析。 (4)结合电路结构特点及局部阻值的变化，根据闭合电路的欧姆定律等规律分析有关物理量的变化。 [针对训练] 1．(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的带电荷量增加 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 答案：AB 2．(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，观察欧姆表的示数，下列说法中正确的是 (　 ) A．置入热水中与不置入热水中相比，欧姆表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，欧姆表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，欧姆表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，欧姆表示数相同的一定是定值电阻 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。 答案：AC　 [答案]　(1)evB　(2)见解析 [系统归纳] 1．传感器综合问题的分析步骤 传感器是将所感受的非电学量(如力、热、光等)转换为便于测量的电学量的器件。我们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．分析传感器问题要注意三点 (1)感受量分析：要明确传感器所感受的非电学量，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的基础上，分析电路输出信号与输入信号间的规律。 [针对训练] 1．如图所示为测定压力的电容式传感器，将平行板电容器、灵敏电流表(零刻度在中间)和电源串联成闭合回路，当压力F作用于可动膜片电极上时，膜片发生形变，引起电容的变化，导致灵敏电流表指针偏转。在对膜片开始施加压力使膜片电极从图中的虚线推到图中实线位置并保持固定的过程中，灵敏电流表指针偏转情况为(电流从电流表正接线柱流入时指针向右偏) (　 ) A．向右偏到某一刻度后回到零刻度 B．向左偏到某一刻度后回到零刻度 C．向右偏到某一刻度后不动 D．向左偏到某一刻度后不动 答案：A　 答案：AC 一、好素材分享——看其他教材如何落实核心素养 物理观念——对传感器工作原理的认识 1．(选自沪科版新教材课后练习)(多选)如图是一种测定压力的电 容式传感器。当待测压力F作用于可动膜片电极上时，可使膜 片产生形变，引起电容的变化。如果将这个电容式传感器、电流计和电源串接成闭合电路，那么 (　 ) A．当F向上压膜片电极时，电容将变小 B．当F向上压膜片电极时，电容将变大 C．若电流计示数有变化，则表明压力F发生变化 D．若电流计示数有变化，则表明压力F不发生变化 答案：BC　 科学思维——传感器的电路分析 2．(选自鲁科版新教材课后练习)压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压敏电阻判断升降机运动状态的装置，其工作原理如图所示。将压敏电阻固定在升降机底板上，其上放置一个物块，在升降机运动过程的某一段时间内，发现电流表的示数I不变，且I大于升降机静止时电流表的示数I0，在这段时间内 (　 ) A．升降机可能匀速上升 B．升降机一定匀减速上升 C．升降机一定处于失重状态 D．通过压敏电阻的电流一定比电梯静止时大 解析：I＞I0，说明R两端分压变大，电源内阻分压变小，总电流变小，总电阻变大，则压敏电阻的阻值变大了，其所受压力减小，物块所受支持力小于重力，处于失重状态，可能加速下降或减速上升，A、B错误，C正确；由于总电流变小，电流表示数变大，则通过压敏电阻的电流比电梯静止时小，D错误。 答案：C　 二、新题目精选——品立意深处所蕴含的核心价值 1．(多选)某同学发现他居住的楼房中，楼梯上的过道灯在夜晚 天黑时，用力拍掌灯就亮了；而白天无论怎样用力拍掌， 灯都不能亮。后来老师告诉他：过道灯是由声音传感器和 光传感器同时来控制的，其原理图如图所示，下列关于声音传感器和光传感器的说法正确的是 (　 ) A．白天有光照时，光传感器自动闭合 B．夜晚无光照时，光传感器自动闭合 C．有人走动或发出声音时，声音传感器自动闭合 D．无人走动或没有声音时，声音传感器自动闭合 解析：由题意结合题图可知，白天有光照时，光传感器自动断开，夜晚无光照时，光传感器自动闭合，A错误，B正确；由题意可知，有人走动或发出声音时，声音传感器自动闭合，无人走动或没有声音时，声传感器自动断开，C正确，D错误。 答案：BC　 2．在输液时，药液有时会从针口流出体外，为了及时发现，设计 了一种报警装置，电路如图所示。M是贴在针口处的传感器， 接触到药液时其电阻RM发生变化，导致S两端电压U增大，装置 发出警报，此时 (　 ) A．RM变大，且R越大，U增大越明显 B．RM变大，且R越小，U增大越明显 C．RM变小，且R越大，U增大越明显 D．RM变小，且R越小，U增大越明显 答案：C (2)传感器的工作流程 →→→→ 2．传感器的原理 传感器感受的通常是非电学量，如力、温度、位移、浓度、速度、酸碱度等，而输出的通常是电学量，如电压、电流、电荷量等。这些输出的信号是非常微弱的，通常需要经过放大后，再传送给控制系统产生各种控制动作。 3．传感器的作用 能像人的感觉器官那样感受外界信息，并能按照一定的规律和要求，把这些信息转换成可用的输出信息的器件和装置，叫作传感器。传感器是各种测量和自动控制系统的“感觉器官”。 [解析]　当P向左运动时，据平行板电容器公式C＝知d增加，则C变小，A错误；稳定后电容器两极板间的电压不变，则据Q＝CU知C减少，U不变，则Q减少，B错误；电容器两极板的电荷量减少，产生放电电流，方向从M→N，因此M点的电势比N点的电势高，D正确，C错误。 优点 灵敏度好 测温范围大 灵敏度好 灵敏度好 原理 温度影响电阻率 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 R＝ρ 应用 空调机 电饭煲 照相机 电子秤 解析：当环境温度降低时，R2阻值变大，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U1＝IR1及P1＝I2R1可知U1变小，R1消耗的功率P1变小，D错误；电容器两板间的电压U2＝U－U1，U2变大，由电场强度E′＝，Q＝CU2可知Q、E′都增大，A正确，C错误。 新知学习(三)|传感器综合分析问题 [典例体验] [典例]　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，实验表明，当磁场不太强时，电势差U、电流I和B的关系为U＝k。式中的比例系数k称为霍尔系数。设电流I是由电子的定向移动形成的，电子的平均定向移动速度为v、电荷量为e。 (1)求电子所受的洛伦兹力的大小； (2)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)电子所受的洛伦兹力F洛＝evB。 (2)电子受到静电力与洛伦兹力的作用，两力平衡， 有e＝evB 得U＝hvB，通过导体的电流I＝nevdh， 由U＝k，有hvB＝k 解得k＝。 解析：压力F作用时，极板间距d变小，由C＝，电容器电容C变大，又根据Q＝CU，极板带电荷量变大，所以电容器应充电，灵敏电流计中通过由正接线柱流入电流，所以灵敏电流表指针将右偏；F不变时，极板保持固定后，充电结束，指针回到零刻度，A正确。 2．(多选)传感器是智能设备的基础元件。如图为电容式位移传感器的示意图，观测电容C的变化即可知道物体位移x的变化，表示该传感器的灵敏度。电容器极板和电介质板长度均为L，测量范围为－≤x≤。下列说法正确的是 (　 ) A．电容器的电容变大，物体向－x方向运动 B．电容器的电容变大，物体向＋x方向运动 C．电介质的介电常数越大，传感器灵敏度越高 D．电容器的板间电压越大，传感器灵敏度越高 解析：根据电容决定式C＝可知，电容器的电容变大，说明电容器极板间的电介质板长度增加，则物体沿－x方向运动，A正确，B错误；电介质的介电常数εr越大，电介质板移动相同的位移，电容的变化量ΔC越大，传感器灵敏度越高，C正确；电容器的板间电压变化，电容不发生变化，则传感器灵敏度不变，D错误。 解析：当F向上压膜片电极时，距离d变小，则根据C＝，电容变大，A错误，B正确；若电流计示数有变化，则可能是电容器充电或放电，即电容发生了变化，表明压力F发生了变化，故C正确，D错误。 解析：此装置电路中M与R并联后再与S串联。忽略电源内阻，根据欧姆定律得I＝，S两端的电压U＝IRS增大，则电流I增大，故R并减小，所以并联支路的总电阻减小，RM必减小，A、B错误；由于＝＋，即R并＝＝，当R远大于RM时，→0，则R并≈RM，此时认为RM变化了多少，R并就变化了多少，所以R越大，RM的变化对U的变化影响就越明显，故C正确，D错误。 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