5.1 常见传感器的工作原理（课件PPT）-【优化指导】2024-2025学年高中物理选择性必修第二册（鲁科版2019）

第1节　常见传感器的工作原理 第5章　传感器及其应用 返回导航 高中物理 选择性必修 第二册 （L） 第5章　传感器及其应用 返回导航 高中物理 选择性必修 第二册 （L） 第5章　传感器及其应用 栏目索引 必备知识 自主学习 关键能力 互动探究 返回导航 高中物理 选择性必修 第二册 （L） 第5章　传感器及其应用 必备知识 自主学习 外界信息 电信号 采集 转化 非电学 电学 敏感元件 转换元件 返回导航 高中物理 选择性必修 第二册 （L） 第5章　传感器及其应用 √ × 返回导航 高中物理 选择性必修 第二册 （L） 第5章　传感器及其应用 光敏 越小 返回导航 高中物理 选择性必修 第二册 （L） 第5章　传感器及其应用 温度 温度 返回导航 高中物理 选择性必修 第二册 （L） 第5章　传感器及其应用 霍尔元件 霍尔 电压 返回导航 高中物理 选择性必修 第二册 （L） 第5章　传感器及其应用 × × 返回导航 高中物理 选择性必修 第二册 （L） 第5章　传感器及其应用 返回导航 高中物理 选择性必修 第二册 （L） 第5章　传感器及其应用 返回导航 高中物理 选择性必修 第二册 （L） 第5章　传感器及其应用 关键能力 互动探究 返回导航 高中物理 选择性必修 第二册 （L） 第5章　传感器及其应用 返回导航 高中物理 选择性必修 第二册 （L） 第5章　传感器及其应用 返回导航 高中物理 选择性必修 第二册 （L） 第5章　传感器及其应用 返回导航 高中物理 选择性必修 第二册 （L） 第5章　传感器及其应用 返回导航 高中物理 选择性必修 第二册 （L） 第5章　传感器及其应用 返回导航 高中物理 选择性必修 第二册 （L） 第5章　传感器及其应用 返回导航 高中物理 选择性必修 第二册 （L） 第5章　传感器及其应用 返回导航 高中物理 选择性必修 第二册 （L） 第5章　传感器及其应用 返回导航 高中物理 选择性必修 第二册 （L） 第5章　传感器及其应用 返回导航 高中物理 选择性必修 第二册 （L） 第5章　传感器及其应用 返回导航 高中物理 选择性必修 第二册 （L） 第5章　传感器及其应用 返回导航 高中物理 选择性必修 第二册 （L） 第5章　传感器及其应用 返回导航 高中物理 选择性必修 第二册 （L） 第5章　传感器及其应用 返回导航 高中物理 选择性必修 第二册 （L） 第5章　传感器及其应用 返回导航 高中物理 选择性必修 第二册 （L） 第5章　传感器及其应用 返回导航 高中物理 选择性必修 第二册 （L） 第5章　传感器及其应用 返回导航 高中物理 选择性必修 第二册 （L） 第5章　传感器及其应用 返回导航 高中物理 选择性必修 第二册 （L） 第5章　传感器及其应用 返回导航 高中物理 选择性必修 第二册 （L） 第5章　传感器及其应用 返回导航 高中物理 选择性必修 第二册 （L） 第5章　传感器及其应用 返回导航 高中物理 选择性必修 第二册 （L） 第5章　传感器及其应用 返回导航 高中物理 选择性必修 第二册 （L） 第5章　传感器及其应用 谢谢观看！ 返回导航 高中物理 选择性必修 第二册 （L） 第5章　传感器及其应用 核 心 素 养 物理观念 科学思维 科学态度与责任 能了解常见传感器的工作原理，知道非电学量转换成电学量的技术意义；能解释传感器在生产生活中的应用。具有与传感器相关的运动及相互作用观念。 能尝试将实际问题中的对象与过程转换成物理模型；能分析传感器中非电学量转换成电学量的原理；能用证据说明光敏元件、热敏元件和霍尔元件的作用；能对一些传感器提出改进措施。 能体会传感技术的应用给人类社会带来的挑战；有较强的将所学内容应用于日常生活实际的热情；认同物理的技术应用应考虑道德与规范的要求，能认识到传感技术的应用与人类社会发展的关系。 知识点一 初识传感器 1.定义：能够感受____________，并将其按照一定的规律转换成可用输出信号(主要是_________)的器件或装置❶。 2．功能：传感器通常用在自动测量和自动控制系统中，担负着信息______和______任务，把_________量转化为______量。 3．组成：传感器主要由____________和____________组成。 1．传感器是把非电学量转换为电学量的元件。(　 　) 2．所有传感器的材料都是由半导体材料做成的。(　 　) 知识点二 敏感元件 1.光敏元件 (1)光敏电阻是一种典型的光敏元件，广泛应用于______传感器。 (2)特点：光照越强，电阻______。 2．热敏元件 (1)热敏电阻❷是一种常用的热敏元件，广泛应用于______传感器。 (2)热敏电阻由半导体材料制成，其电阻有随______的变化而改变的特性。 (3)分类： ①阻值随温度的升高而增大的是正温度系数(PTC)热敏电阻。 ②阻值随温度的升高而减小的是负温度系数(NTC)热敏电阻❸。 3．磁敏元件 (1)____________是根据半导体材料的霍尔效应制成的一种磁敏元件，广泛应用于磁传感器。 (2)构造：如图所示，一个霍尔元件一般有四个引出端子，其中两个是霍尔元件的电流I的输入、输出端，另两个是霍尔电压的输出端。 (3)霍尔电压：UH＝k eq \f(IB,d) 。 ①其中d为霍尔元件的厚度，k为与材料有关的______系数。 ②对于一个给定的霍尔元件，当电流I固定时，UH完全取决于磁感应强度B。 (4)作用：将磁感应强度的测量转换为______的测量。 1．随着光照的增强，光敏电阻的电阻值逐渐增大。(　 　) 2．只有热敏电阻才能把温度这个热学量转换为电阻这个电学量。(　 　) 批注❶：传感器应用的一般模式 批注❷：热敏电阻和金属热电阻的特性为何不同？ 提示：有些半导体材料当温度升高时，会有更多的电子获得能量成为自由电子，使载流子数增多，于是导电能力明显地增强，电阻减小。对于金属热电阻，当温度升高时金属离子的振动加剧，自由电子的定向移动受到的阻碍增强，电阻变大。 批注❸：题目中无特别说明时，一般指负温度系数的热敏电阻(NTC)。 探究点一　传感器的原理与分类　(科学思维之提升) ►情境探究 手机已经成为我们生活和交往中必需的工具，而它的方便快捷与各种传感器的使用密不可分，如图所示，为我国生产的某款智能手机。 请查阅资料，一部智能手机中，都安装有哪些传感器。 提示：声传感器、压力传感器、温度传感器、环境光线传感器、图像传感器、加速度传感器、陀螺仪、近程传感器等。 ►探究归纳 传感器的核心元件 (1)敏感元件：相当于人的感觉器官，直接感受被测量，并将其变换成与被测量有确定关系的易于测量的物理信号。 (2)转换元件：将敏感元件输出的物理信号转换为便于显示、记录、处理和控制的电信号。 ►对点例练 答案：b、c　增大 解析：由题图可知，当油箱内的液面高度变化时，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，滑动变阻器R电阻的变化对电路的影响很小，电路电流I可视为恒定，因此UR＝IR可视为UR与R成正比，所以电压表应接在b、c两点之间；当油量减少时，滑动变阻器R的阻值增大，电压表的示数将增大。 [练1] 压敏电阻的阻值随所受压力的增大而减小，某位同学利用压敏电阻设计了判断小车运动状态的装置，如图甲所示，将压敏电阻和一块挡板固定在绝缘小车上，中间放置一个绝缘重球。小车向右做直线运动的过程中，通过获取电阻R两端电压随时间变化的信息即可确定小车的运动情况。当电阻R两端电压随时间的变化关系图像如图乙所示时，下列判断正确的是(　　) A．从O到t1时间内，小车一定做匀速直线运动 B．从t1到t2时间内，小车做匀加速直线运动 C．从t2到t3时间内，小车做匀速直线运动 D．从t2到t3时间内，小车做匀加速直线运动 D　解析：在O～t1内，U恒定，压敏电阻阻值不变，其受力不变，说明小车做匀速或匀加速直线运动，在t1～t2内，电压随时间均匀变大，压敏电阻阻值变小，压力变大，小车做加速度变大的加速运动，A、B错误；在t2～t3内，U不变，但大于O～t1的数值，说明压敏电阻一定受到压力且恒定，小车做匀加速直线运动，C错误，D正确。 分析传感器问题的四点注意 (1)被测量分析：要明确传感器所感受的物理量，如力、热、光、磁、声等。 (2)敏感元件分析：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 eq \o(。,\s\do4(　,)) (3)电路结构分析：认真分析传感器所在电路的结构，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。 (4)执行机构工作分析：传感器的应用，不仅包含非电学量如何向电学量转化的过程，还包含根据所获得的信息控制执行机构进行工作的过程 eq \o(。,\s\do4(　,)) 探究点二　光敏电阻、热敏电阻特性　(科学思维之提升) ►情境探究 按如下甲、乙图的装置和电路连接，做光敏电阻和热敏电阻特性实验。 (1)甲图中，手张开(或用黑纸)先挡住照在光敏电阻上的部分光线，后挡住照在光敏电阻上的全部光线，欧姆表的示数如何变化？ (2)乙图中，将热敏电阻放入装有少量冷水并插入温度计的烧杯中，分几次向烧杯中注入热水改变水的温度，欧姆表的示数如何变化？ 提示：(1)示数变大　(2)示数变小 ►探究归纳 1．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。 2．热敏电阻的两种类型 热敏电阻的电阻值随温度的变化会发生明显的改变，常见的有两种类型，图甲为正温度系数热敏电阻，图乙为负温度系数热敏电阻。 ►对点例练 A．I变大、U变大 B．I变小、U变小 C．I变小、U变大 D．I变大、U变小 B　解析：当R2处出现火情时，热敏电阻的阻值将减小，此时电路中的总电阻减小，由闭合电路欧姆定律可知，电路中的总电流增大，路端电压将减小，所以R1两端的电压增大，并联部分的电压减小，通过R3的电流I变小，所以显示器的电流I变小，报警器两端的电压U变小，B正确。 [练2] (多选)如图所示是光电计数器的工作示意图，其中A是发光仪器，B是传送带上的物品，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(　　) A．当有光照射R1时，信号处理系统获得高电压 B．当有光照射R1时，信号处理系统获得低电压 C．信号处理系统每获得一次低电压就计数一次 D．信号处理系统每获得一次高电压就计数一次 BD　解析：当有光照射 R1时，R1的电阻减小，则整个电路总电阻变小，电动势不变，则电流增大，根据U1＝E－I(R2＋r)可知，R1两端电压减小，即信号处理系统获得低电压，A错误，B正确；当无光照射 R1时，R1的电阻增大，则整个电路总电阻变大，电动势不变，则电流减小，根据U1＝E－I(R2＋r)可知， R1两端的电压增大，即信号处理系统获得高电压，则信号处理系统每获得一次高电压就记数一次，C错误，D正确。 含有热敏电阻的电路的动态分析顺序 探究点三　解决实际问题　（科学态度与责任之落实） [练3] (生活情境)(多选)(2022·重庆江津第五中学高二期中)下面哪一项不是现代传感器的应用(　　) A．将自己的银行卡插进自动取款机里可以取钱，而不必麻烦银行工作人员 B．电梯的两门靠拢接触到人体时，门会自动打开而不会夹伤人 C．电饭煲能自动加热和保温而不会把饭烧焦 D．当你走近自动门时，门会自动打开 A　解析：将自己的银行卡插进自动取款机里可以取钱，而不必麻烦银行工作人员，应用了磁记录技术，与现代传感器无关，A符合题意；电梯的两门靠拢接触到人体时，门会自动打开而不会夹伤人，应用了压力传感器，B不符合题意；电饭煲能自动加热和保温而不会把饭烧焦，应用了温度传感器，C不符合题意；当你走近自动门时，门会自动打开，应用了红外传感器，D不符合题意。 [练4] (科技情境)(多选)在温控电路中，利用热敏电阻阻值随温度的变化而改变的特点可实现对电路相关物理量的控制。如图所示，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所带电荷量增大 B．电压表的读数增大 C．电容器C两极板间的电场强度减小 D．R1消耗的功率增大 AB　解析：当环境温度降低时，R2变大，电路的总电阻变大，由闭合电路欧姆定律可知，I变小，又因为U＝E－Ir，所以电压表的读数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；电容器两极板间的电压U2＝U－U1，所以U2变大，由电场强度E′＝ eq \f(U2,d) ，Q＝CU2可知Q、E′都增大，A正确，C错误。 $$