5.1 传感器及其工作原理&5.2 传感器的应用（课件PPT）-【优化指导】2024-2025学年高中物理选择性必修第二册（粤教版2019）

第一节　传感器及其工作原理 第二节　传感器的应用 第五章　传感 返回导航 物理 选择性必修 第二册 Y 第五章　传感 栏目索引 教材知识 梳理 随堂达标 训练 知识方法 探究 教材知识 梳理 返回导航 物理 选择性必修 第二册 Y 第五章　传感 返回导航 物理 选择性必修 第二册 Y 第五章　传感 返回导航 物理 选择性必修 第二册 Y 第五章　传感 返回导航 物理 选择性必修 第二册 Y 第五章　传感 返回导航 物理 选择性必修 第二册 Y 第五章　传感 返回导航 物理 选择性必修 第二册 Y 第五章　传感 返回导航 物理 选择性必修 第二册 Y 第五章　传感 返回导航 物理 选择性必修 第二册 Y 第五章　传感 返回导航 物理 选择性必修 第二册 Y 第五章　传感 知识方法 探究 返回导航 物理 选择性必修 第二册 Y 第五章　传感 返回导航 物理 选择性必修 第二册 Y 第五章　传感 返回导航 物理 选择性必修 第二册 Y 第五章　传感 返回导航 物理 选择性必修 第二册 Y 第五章　传感 返回导航 物理 选择性必修 第二册 Y 第五章　传感 返回导航 物理 选择性必修 第二册 Y 第五章　传感 返回导航 物理 选择性必修 第二册 Y 第五章　传感 返回导航 物理 选择性必修 第二册 Y 第五章　传感 返回导航 物理 选择性必修 第二册 Y 第五章　传感 返回导航 物理 选择性必修 第二册 Y 第五章　传感 返回导航 物理 选择性必修 第二册 Y 第五章　传感 返回导航 物理 选择性必修 第二册 Y 第五章　传感 返回导航 物理 选择性必修 第二册 Y 第五章　传感 返回导航 物理 选择性必修 第二册 Y 第五章　传感 返回导航 物理 选择性必修 第二册 Y 第五章　传感 返回导航 物理 选择性必修 第二册 Y 第五章　传感 返回导航 物理 选择性必修 第二册 Y 第五章　传感 返回导航 物理 选择性必修 第二册 Y 第五章　传感 返回导航 物理 选择性必修 第二册 Y 第五章　传感 返回导航 物理 选择性必修 第二册 Y 第五章　传感 返回导航 物理 选择性必修 第二册 Y 第五章　传感 返回导航 物理 选择性必修 第二册 Y 第五章　传感 返回导航 物理 选择性必修 第二册 Y 第五章　传感 返回导航 物理 选择性必修 第二册 Y 第五章　传感 返回导航 物理 选择性必修 第二册 Y 第五章　传感 返回导航 物理 选择性必修 第二册 Y 第五章　传感 返回导航 物理 选择性必修 第二册 Y 第五章　传感 返回导航 物理 选择性必修 第二册 Y 第五章　传感 返回导航 物理 选择性必修 第二册 Y 第五章　传感 返回导航 物理 选择性必修 第二册 Y 第五章　传感 返回导航 物理 选择性必修 第二册 Y 第五章　传感 返回导航 物理 选择性必修 第二册 Y 第五章　传感 返回导航 物理 选择性必修 第二册 Y 第五章　传感 随堂达标 训练 返回导航 物理 选择性必修 第二册 Y 第五章　传感 返回导航 物理 选择性必修 第二册 Y 第五章　传感 返回导航 物理 选择性必修 第二册 Y 第五章　传感 返回导航 物理 选择性必修 第二册 Y 第五章　传感 返回导航 物理 选择性必修 第二册 Y 第五章　传感 返回导航 物理 选择性必修 第二册 Y 第五章　传感 返回导航 物理 选择性必修 第二册 Y 第五章　传感 谢谢观看！ 课程内容要求 核心素养提炼 1．知道非电学量转换成电学量的技术意义． 2．通过实验了解常见传感器的工作原理． 3．列举传感器在生产、生活中的应用． 4．了解光敏传感器及其在生产、生活中的应用 1．物理观念：知道什么是传感器，理解传感器工作原理． 2．物理观念：掌握制作传感器常用元件：光敏电阻、热敏电阻、金属热电阻、电阻应变片的基本特性及工作原理． 3．科学思维：体会传感器将非电学量转化为电学量的意义． 4．科学思维：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． 5．科学探究：探究传感器的工作原理及传感器在应用中的一般模式 [对应学生用书P98] eq \a\vs4\al(一、认识传感器) 1．什么是传感器 (1)定义：能够感受到被测量的信号，并将其按照一定的规律转化为可用信号的器件或装置． (2)功能：将非电学量转化为电学量，实现信息采集、处理、储存和传输的自动化与智能化，这是实现自动控制、数字化信息传输的基础． (3)组成：传感器一般由敏感元件、转换元件和转换电路三部分组成． (4)应用模式： 2．传感器的分类 (1)分类：根据检测量的不同，传感器可以分为物理传感器、化学传感器和生物传感器． (2)物理传感器：利用被测物理量(如压力、温度、位移、亮度等)变化时，敏感元件的电学量(如电阻、电压、电容等)发生明显变化的特性． (3)化学传感器：基于化学反应的原理，将化学物质的成分、浓度等化学信息转化为电学量的传感器． (4)生物传感器：一种基于酶、抗体和激素等分子识别功能，并将其转换为电信号进行检测的传感器．与物理传感器和化学传感器的最大区别在于感受器中含有生命物质． [思考] 火灾探测器的核心元件为光敏传感器，当烟雾在空气中的浓度超过设定值时，可以触发报警，并对外发出声光报警信号．此时传感器是将什么量进行转化的？ 提示　传感器是将烟雾产生的光学量转化为电路的电学量，使电路接通，从而对外发出声光报警信号． eq \a\vs4\al(二、常见传感器的工作原理) 1．温度传感器的原理——热敏电阻 (1)热敏电阻由半导体材料制成，具体温度特性可以分为三类： 第一类，正温度系数热敏电阻，它的阻值随温度的上升而增加； 第二类，负温度系数热敏电阻，它的阻值随温度的上升而下降； 第三类，临界温度系数热敏电阻，它的阻值在很小的温度范围内急剧下降． (2)作用：将温度这一热学量转化为电阻阻值这一电学量． 2．光电传感器的原理——光敏电阻 (1)光敏电阻由半导体材料制成，有如下特性： 无光照射时，光敏电阻的阻值较大；有光照射时，光敏电阻的阻值较小，并且随光照的增强而减小． (2)作用：将光照强度这一光学量转化为电阻这一电学量． [思考] 声控灯有一种有趣的现象，那就是光线充足时，任你发出多大的声音都不亮；但在黑夜，轻轻一声它就发出亮光，这是为什么呢？ 提示　声控灯全名应该为——声光控灯，声控灯中有光控电路，使其在光线足够的时候不工作，所以声控灯的控制盒实际上是声、光同时控制的，在光线充足的情况下灯不会亮，起到日熄夜亮的控制作用，以节约用电． 3．传感器的应用 传感器的应用领域极其广泛．大到宇宙飞船、人造地球卫星、工业自动控制等，小到家用电器、电动玩具等，都有它的身影． [对应学生用书P99] 探究点一　对传感器的认识 (1)现代的工农业生产和日常生活中大量的应用了传感器，给我们的生产和生活带来了极大的方便．传感器是起什么作用的元件？ (2)夜晚，楼道里漆黑一片，但随着我们的脚步声响，楼道的灯亮了，身后的灯则依次熄灭．这其中的奥秘是什么？ 提示　(1)传感器是一种将非电学量转换为电学量的元件． (2)电路中安装了一种能将声、光信号转换为电信号的传感器——声光延时开关． 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． (2)传感器的工作流程 eq \x(非电学量) → eq \x(敏感元件) → eq \x(转换元件) → eq \x(转换电路) → eq \x(电学量) 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”． 4．分类 (1)按传感器所测量物理量分为：位移、力、速度、温度、流量、气体成分等传感器． (2)按传感器工作原理分为：压电、电容、电感、磁电、光电、热电等传感器． 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 D　[当P向左运动时，据平行板电容器公式C＝ eq \f(εrS,4πkd) 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．] [训练1]　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 B　[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．] [训练2]　压敏电阻的阻值随所受压力的增大而减小，有位同学利用压敏电阻设计了判断小车运动状态的装置，其工作原理如图甲所示，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过程中，电流表示数的变化规律如图乙所示，下列判断正确的是(　　) A．从0到t1时间内，小车做匀速直线运动 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，小车做匀减速直线运动 D．从t2到t3时间内，小车做匀加速直线运动 D　[在0～t1内，电流I恒定，压敏电阻阻值不变，由小球的受力不变可知，小车可能做匀速或匀加速直线运动，A错误；在t1～t2内，电流I变大，压敏电阻阻值变小，压力变大，小车做变加速运动，B错误；在t2～t3内，电流I不变，压力恒定，小车做匀加速直线运动，C错误，D正确．] 探究点二　对敏感元件的认识 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？ 提示　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． 常见敏感元件的性能比较 热敏电阻 金属热电阻 光敏电阻 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 热敏电阻 金属热电阻 光敏电阻 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 优点 灵敏度好 测温范围大 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 应用 空调机 电饭煲 照相机 (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 AB　[当环境温度降低时，R2变大，电路的总电阻变大，由I＝ eq \f(E,R总) 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′＝ eq \f(U2,d) ，Q＝CU2可知Q、E′都增大，A正确，C错误．] [训练3]　如图所示，R1为定值电阻，R2为金属热电阻(是指阻值随温度的升高而增加的金属电阻)，L为小灯泡，当温度升高时(　　) 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 C　[R2与灯泡L并联后再与R1串联，与电源构成闭合电路，当温度升高时， 金属热电阻R2电阻值增大，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，C正确．] [训练4]　如图是某同学在科技制作活动中自制的电子秤原理图，利用电压表(内电阻很大)的示数来指示物体的质量．托盘与电阻可忽略的弹簧相连，托盘与弹簧的质量均不计．滑动变阻器的滑动端与弹簧上端连接，当托盘中没有放物体时，电压表的示数为零．设变阻器的总电阻为R，总长度为L，电源电动势为E，内阻为r，限流电阻为R0，弹簧的劲度系数为 k，若不计一切摩擦和其他阻力． (1)求出电压表示数Ux与所称物体质量m的关系式． (2)由(1)的计算结果可知，电压表示数与待测物体质量不成正比，不便于制作刻度．为使电压表示数与待测物体质量成正比，请利用原有器材进行改进，在如图的基础上完成改进后的电路原理图，并求出电压表示数Ux与待测物体质量m的关系式． 解析　(1)由胡克定律知mg＝kx, 滑动变阻器R连入电路中的有效电阻Rx＝ eq \f(R,L) x＝ eq \f(mgR,kL) ， 根据闭合电路的欧姆定律可知I＝ eq \f(E,R0＋r＋Rx) ，Ux＝IRx＝ eq \f(mgER,kL（R0＋r）＋mgR) . (2)改进后的电路图如图所示． Ux＝ eq \f(E,R0＋r＋R) · eq \f(R,L) · eq \f(mg,k) ＝ eq \f(mgER,（R0＋r＋R）Lk) 答案　(1)Ux＝ eq \f(mgER,kL（R0＋r）＋mgR) (2)图见解析　Ux＝ eq \f(mgER,（R0＋r＋R）Lk) 探究点三　传感器的应用 电容器的电容C取决于极板正对面积S、极板间距离d及极板间电介质这几个因素，如果某一物理量(如角度θ、位移x、深度h等)的变化能引起上述某一因素的变化，从而引起电容的变化，那么测定电容器的电容就可以确定上述物理量的变化． 四个图中是怎样改变电容的？ 提示　图①是用来测定角度θ的电容式传感器，当动片与定片之间的角度θ发生变化时，引起极板正对面积S的变化，使电容C发生变化，反之，知道电容C的变化，就可以知道角度θ的变化情况． 图②是测定液面高度h的电容式传感器，在导线芯的外面涂上一层绝缘物质，放入导电液体中，导线芯和导电液体构成电容器的两个极，导线芯外面的绝缘物质就是电介质，液面高度h发生变化时，引起正对面积发生变化，使电容C发生变化．反之，知道电容C的变化，就可以知道高度h的变化情况． 图③是测定压力F的电容式传感器，待测压力F作用于可动膜片电极的时候，膜片发生形变，使极板间距离d发生变化，引起电容C的变化．反之，知道电容C的变化，就可以知道压力F的变化情况． 图④是测定位移x的电容式传感器，随着电介质进入极板间的长度发生变化，电容C随之发生变化．反之，知道电容C的变化，就可以知道位移x的变化情况． 1．传感器的应用步骤 物理传感器是将所感受的物理量(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物理量，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． 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 eq \f(IB,d) .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＝ eq \f(1,ne) .其中n代表导体板单位体积中电子的个数． 解析　(1)f＝evB. (2)电子受到静电力与洛伦兹力的作用，两力平衡，有e eq \f(U,h) ＝evB得U＝hvB， 通过导体的电流I＝nevdh， 由U＝k eq \f(IB,d) ，有hvB＝k eq \f(nevBdh,d) 得k＝ eq \f(1,ne) 答案　见解析 [训练5]　如图所示，截面为矩形的金属导体，放在匀强磁场中，当导体中通有电流时，导体的上下表面的电势有什么关系(　　) A．φM>φN　　　　　　　　 B．φM＝φN C．φM<φN D．无法判断 A　[霍尔效应形成的原因是带电粒子在磁场中受到洛伦兹力的作用，做定向移动形成的，根据左手定则，金属导体中自由电子受到向下的洛伦兹力作用，向N板运动，则M板剩下正电荷，所以φM>φN.故选A.] [训练6]　如图所示为测定压力的电容式传感器，将平行板电容器、灵敏电流计(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，导致灵敏电流计指针偏转，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，灵敏电流计指针偏转情况为(电流从电流计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 A　[压力F作用时，极板间距d变小，由C＝ eq \f(εrS,4πkd) ，电容器电容C变大，又根据Q＝CU，极板所带电荷量变大，所以电容器应充电，灵敏电流计中有由正接线柱流入的电流，所以指针将右偏，极板保持固定后，充电结束，指针回到零刻度，A正确．] [对应学生用书P104] 1．(传感器的认识)关于传感器，下列说法中正确的是(　　) A．电熨斗通过压力传感器实现温度的自动控制 B．动圈式话筒是利用电磁感应原理来工作的声传感器 C．金属热电阻是一种将电学量转换为热学量的传感器 D．火灾报警器都是利用温度传感器实现报警 B　[电熨斗是通过双金属片温度传感器来控制温度的，A错误；动圈式话筒是利用电磁感应原理来工作的，B正确；金属热电阻是将热学量转化为电学量的传感器，C错误；有的火灾报警器是利用光传感器实现报警，D错误．] 2．(热敏电阻)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好，测温范围大，灵敏度高 B　[金属热电阻的阻值随温度升高而增大，有些半导体材料的热敏电阻的阻值随温度升高而减小，A错误，B正确；图线1对应的材料化学稳定性好，测温范围大，但灵敏度低，图线2对应的材料化学稳定性差，测温范围小，灵敏度高，C、D错误．] 3．(传感器的应用)如图所示，电吉他的弦是磁性物质，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，下列说法正确的是(　　) A．电吉他是光电传感器 B．电吉他是温度传感器 C．电吉他是声音传感器 D．弦改用尼龙材料原理不变 C　[由电吉他发声原理可知是将声音变化转变为电流的变化，C正确，A、B、D错误．] 4．(传感器的应用)有一些星级宾馆的洗手间装有自动干手机，洗手后将湿手靠近，机内的传感器就开通电热器加热，有热空气从机内喷出，将湿手烘干，手靠近自动干手机能使传感器工作，是因为改变了(　　) A．湿度　　　　　　　　 B. 温度 C．磁场 D．电容 D　[根据自动干手机工作的特征，手靠近干手机时电热器工作，手撤离后电热器停止工作，人是一种导体，可以与其他导体构成电容器．手靠近时相当于连接一个电容器，可以确定干手机内设有电容式传感器，由于手的靠近改变了电容大小，D正确；用湿度和温度来驱动电热器工作，理论上可行，但是假如干手机是由于温度、湿度的变化工作，它就成了室内烘干机．] 5．(热敏电阻)如图所示，RT为负温度系数的热敏电阻，R为定值电阻，若往RT上擦些酒精，在环境温度不变的情况下，关于电压表示数的变化情况，下列说法中正确的是(　　) A．变大 B．变小 C．先变大后变小再不变 D．先变小后变大再不变 D　[往RT上擦酒精后，酒精蒸发吸热，热敏电阻RT温度降低，电阻值增大，根据串联电路的分压特点，电压表示数变小；当酒精蒸发完毕后，RT的温度逐渐升高到环境温度后不变，所以热敏电阻的阻值逐渐变小，最后不变，故电压表的示数将逐渐变大，最后不变，D正确．] $$