第1、2节 认识传感器常见传感器的工作原理及应用-【创新教程】2024-2025学年高中物理选择性必修第二册五维课堂（人教版2019）

第五章 传感器 ★答案解析 第五章 传感器 ★专题精讲 ★加识总结 ★学习方法 第1节 认识传感器 第2节 常见传感器的工作原理及应用 知识导图 核心素养 [认识传感器 1.物理观念;借助传感器概念及传感器的 传感器 传感器 传感器的组成 的概念 的种类 与应用模式 分类体会物理观念生成过程中蕴含的主 要思想方法 常见传感器的工 2.科学思维:通过传感器的工作原理及敏 作原理及应用 感元件的特性体会物理模型在探索自然 光敏 霍尔 电阻应 规律中的作用 金属热电阻 元件 和热敏电阻 变片 电阻 3.科学态度与责任:通过传感器在生活、科 技中的实例感受传感器的应用技术在信 特性及工作原理 息时代的作用与意义 自主顽习探新知 [知识梳理] 2.传感器的种类、组成与应用模式 知识点一 认识传感器 (1)分类:按传感器的工作原理的不同,把传感 1.传感器 器分为 传感器、 传感器 (1)定义:能够感受诸如力、温度、光、声、化学 和 传感器. 成分等被测量,并能把它们按照一定的规 (2)组成:传感器主要由 、转换元件 律转换为便于传送和处理的可用 组成. (通常是 、电流等电学量)输出,或 (③)应用模式: 转换为电路的 的器件或装置 →执行机构 传感器基本部分 量转化为 量,可以 (2)功能:把 被测量感元件转换元件一 显示器(指针 转换电路 式电衣或数 字) 方便地进行测量、传输、处理和 →计算机系统 ·107· 物理·选择性必修第二册 知识点二 常见传感器的工作原理及应用 [基础自测] 1.光敏电阻 1.思考判断(正确的打“”,错误的打“×”) (1)特点:在被光照射时 发生变化. (1)传感器一般是把非电学量转换为电学量或 (2)原因:光敏电阻的构成物质为半导体材料, 转换为电路的通断 ( ) 无光照时,载流子 ,导电性能 (2)传感器一定是把非电学量转换为电路的 通断 ( ;随着光照的增强,载流子 ) 导电性 (3)传感器把非电学量转换为电学量是为了方 (③)作用:把 这个光学量转换为 便进行测量、传输、处理和控制 ) 这个电学量. (4)电磁感应是把磁学量转换成电学量,所以 电磁感应也是传感器 2.金属热电阻和热敏电阻 ( (1)金属热电阻 2.声控灯有一种有趣的现 有些金属的电阻率随温度的升 象,那就是光线充足时, 拉 高而 ,这样的电阻也 任你发出多大的声音都 可以制作温度传感器,称为 不亮;但在黑夜,轻轻一 热电阻,如图所示为某金属导线电阻的温 声它就发出亮光,这是为什么呢? 度特性曲线. (2)热敏电阻 热敏电阻由半导体材料制 成,其电阻随温度的变化明 显,温度升高电阳 如图所示为某一热敏电阻的电阻随温度变 化的特性曲线 3. 火灾探测器的核心元件为光 (3)作用:金属热电阴和热敏电阻把 敏传感器,当烟雾在空气中 这个热学量转换为 这个电学量: 的浓度超过设定值时,可以 3.电阻应变片 触发报警,并对外发出声光 火灾探测器 (1)特点: 随着所受机械形变的变化 报警信号,此时传感器是将什么量进行转 而变化. 化的? (2)原因:电阻与导体的材料、长度和横截面积 有关,当金属丝受到拉力时,长度变长、横 截面积变小,导致电阻 ;当金属丝 受到压力时,长度变短、横截面积变大,导 致电阻 (③)作用:把 这个力学量转换为 这个电学量: ·108· 第五章 传感器 台作探究 攻重难 &容1 传感器的原理和分类 3.分类 [探究导引] 工作原理 举例 (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 利用物质的物理 力传感器、磁传 物理传 极大的方便,传感器是起什么作用的元件? 性质和物理效应 感器、声传感 感器 (2)夜晚,楼道里漆黑一片,但随着我们的脚 感知并检测出待 器等 步声响,楼道的灯亮了,身后的灯则依次熄 测对象信息 灭,这其中的奥秘是什么? 化学传 利用化学反应识 离子传感器、气 感器 别和检测信息 体传感器等 [探究归纳] 利用生物化学反 晦传感器、微生 生物传 1.传感器的核心元件 应识别和检测 物传感器、细胞 感器 (1)敏感元件:相当于人的感觉器官,直接感受 信号 传感器等 被测量,并将其变换成与被测量成一定关 系的易于测量的物理量 [例1 如图是一种测定 (2)转换元件;也称为传感元件,通常不直接感 油箱油量多少或变化多 受被测量,而是将敏感元件输出的物理量 少的装置,其中电源电压 转换成电学量输出. 保持不变,R是滑动变阻 (3)转换电路:是将转换元件输出的电学量转 换成易于测量的电学量,如电压、电流等 器,它的金属滑片是金属杆的一端,在装置 2.传感器的工作原理 中使用了一只电压表(图中没有画出),通过 传感器感受的通常是非电学量,如压力、温 观察电压表示数,可以了解油量情况,你认为 度、位移、浓度、速度、酸碱度等,而它输出的 电压表应该接在图中的 两点之间, 通常是电学量,如电压、电流、电荷量等,这 按照你的接法请回答:当油箱中油量减少 些输出信号是非常微弱的,通常要经过放大 时,电压表的示数将 (选填“增大” 后再输送给控制系统产生各种控制动作,传 或“减小”). 感器的工作原理如下所示; 非电学量→敏感元件→转换器件 油量 总电阻 电流 过 电压 [思路点拨] 变化 转换电路→电学量 变化 变化 变化 ·109. 物理·选择性必修第二册 [规律总结 对传感器的进一步理解 (1)不同的传感器的原理不同,但都是通过敏 信处 感元件把非电学量的变化转变为电学量 理系统 的变化. (2)传感器输出的电学量可能为电流、电压。 电路通断等,不一定是电压. (3)敏感元件只是传感器的一个关键部分并 不一定就是一个完整的传感器。 [跟进训练] [探究归纳] 1.关于传感器工作的一般流程,下列说法中正 1. 光敏电阻:光敏电阻一般由半导体材料制 确的是 ) 成,当半导体材料受到光照时,会有更多的 A.非电学量→敏感元件→转换电路→电学 电子获得能量成为自由电子,同时也形成更 多的空穴,于是导电性能明显增强,光敏电 量→转换元件 阻把光照的强弱转换为电阻的大小 B. 电学量→敏感元件→转换电路→转换元 2.热敏电阻和金属热电阻的特点 件→非电学量 (1)热敏电阻的两种型号及其分类 C.非电学量→敏感元件→转换元件→转换 热敏电阻器是电阻值随温度变化而变化的 电路→电学量 敏感元件,在工作温度范围内,电阴值随温 D.非电学量→转换电路→转换元件→敏感 度上升而增加的是正温度系数(PTC)热敏 元件→电学量 电阻器;电阻值随温度上升而减小的是负 2.很多汽车的车窗有防夹手功能,车窗在关闭 温度系数(NTC)热敏电阻器.热敏电阻器 可按电阳温度特性、材料、结构、工作方式。 过程中碰到障碍时会停正并打开,实现该功 工作温度和用途进行分类 能可能使用的传感器是 _ ) 分类方式 类别 A.生物传感器 B.气体传感器 电阻温度特性 C. 温度传感器 D. 压力传感器 正温度系数、负温度系数 --对敏感元件的认识 答2 金属、半导体(单晶体、多晶 材料 体、陶瓷) [探究导引] 结构 珠状、片状、杆状、膜状 在工厂生产车间的生产线上安装计数器后, 工作方式 直热式、旁热式 就可以准确得知生产产品的数量,如图所示 工作温度 常温、高温、低温 为光敏电阻自动计数器的示意图,其中R 为光敏电阻,R。为定值电阻,此光电计数器 测温控温、辐射能(功率)测 用途 量、稳压(稳幅)等 的基本工作原理是什么? ·110· 第五章 传感器 (2)热敏电阴与金属热电阻的区别 A.电容器C的带电荷量增大 B.电压表的读数增大 热敏电阻 金属热电阻 C. 电容器C两板间的电场强度减小 电阻率随温度 D.R 消耗的功率增大 电阻率随温度 特点 的变化而变化 [思路点拨 解答本题时可按以下思路 的升高而增大 非常明显 过分析: R。变化→R. 变化→I变化→U变化 半导体 制作材料 金属导体 →U。变化→Q变化 化学稳定性好, 优点 灵敏度好 测温范围大 [规律总结] 传感器问题中的电路动态分析 能够将温度这个热学量转换为 的四点注意 作用 电阻这个电学量 (1)如果涉及光敏电阻,必须明确光照情况怎 3.电阻应变片的应用-一电子秤 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 (1)组成:由金属梁和应变片组成 数还是负温度系数的热敏电阻及温度变 (2)工作原理:如图所示,弹策钢制成的梁形元 化情况,从而判断其阻值的变化, 件右端固定,在梁的上下表面各贴一个应 (3)如果是其他元件引起的电路变化可具体 变片,在梁的自由端施力F,则梁发生弯 问题具体分析。 曲,上表面拉伸,下表面压缩,上表面应变 (4)结合电路结构特点及局部阻值的变化,根 片的电阻变大,下表面应变片的电阻变小. 据闭合电路的欧姆定律等规律分析有关 物理量的变化. F越大,弯曲形变越大,应变片的电阳变化 [跟进训练] 就越大.如果让应变片中通过的电流保持 1.(多选)如图所示,R、R。为定值电阻,L为 恒定,那么上表面应变片两端的电压变大 小灯泡,R。为光敏电阻,当照射光强度增 下表面应变片两端的电压变小,传感器把 大时 ( - 这两个电压的差值输出,外力越大,输出的 电压差值也就越大,由电压差值的大小,即 可得到外力F的大小 应变片 力感器 A.电压表的示数增大 应变片长 B.R。中电流减小 金屈梁 C.小灯泡的功率增大 应变片测力原理 力传感的用 [例2](多选)在温控电路 D.电路的路端电压增大 2.(多选)下列关于电子秤中应变式力传感器 中,通过热敏电阻阻值随 的说法正确的是 ( ) 温度的变化可实现对电路 A.应变片是由导体材料制成 相关物理量的控制.如图所示电路,R,为定 B.当应变片的表面拉伸时,其电阳变大;反 值电阻,R。为半导体热敏电阻(温度越高电 之变小 C.传感器输出的是应变片上的电压 阻越小),C为电容器,当环境温度降低时 D.外力越大,输出的电压值也越大 ( ) ·111. 物理·选择性必修第二册 辨析易错提素养 [易错点] 不能正确理解传感器的工作原理 阻所受压力不变,小车做匀加速运动,选项 而出错 A正确;从/。到/。时间内,电流表示数逐渐 [例](多选)压敏电阻的阻值随所受压力的 增大,说明压敏电阻的阻值随时间减小,压 增大而减小,有一位同学利用压敏电阻设计 敏电阻所受压力逐渐增大,小车做加速度逐 了判断小车运动状态的装置,其工作原理图 渐增大的加速运动,选项B错误;从t。到t 如图甲所示,将压敏电阻和一块挡板固定在 时间内,电流表示数不变且大于I,说明压 水平绝缘小车上,中间放置一个绝缘重球. 敏电阻的阻值不变,压敏电阻所受压力不 小车在水平面内向右做直线运动的过程中 变,小车做匀加速运动,选项C正确;从t 电流表示数如图乙所示,压敏电阻受力为零 到/:时间内,电流表示数不变,为I. 根据题 ) 时,I一L,下列判断正确的是 ( 述可知压敏电阻的阻值不变且所受压力为 E ( 零,小车可能做匀速直线运动或减速直线运 压敏电阻 动,选项D正确 [易错分析] 错误地认为电流均匀增加则 速度均匀增加,电流不变则速度不变,而错 选B选项. 7 7 [误区警示] 分析此类问题,首先要明确传 A.从.到/。时间内,小车做匀加速直线 感器的特征,再结合具体电路进行分析和 运动 计算. B.从。到。时间内,小车做匀加速直线 [课堂小结] # 运动 C. 从4.到/时间内,小车做匀加速直线 传感器 敏感元件 运动 组成 转换元件 D.从t到/.时间内,小车可能做减速直线 认识传感器 常见传感器的工作 光电阻 原理及应用 运动 热敏电阻和金属热电阻 敏感元件 电阻应变片 [正解]ACD 霍尔元件 [解析] 由电流表示数随时间变化的图线 光电计数器 传感器 可知,从7.到1。时间内,电流表示数不变且 的应用 液位报警器 电子秤 大于L,说明压敏电阻的阻值不变,压敏电 课堂自测夯基础 1.(传感器的工作原理及应用)传感器可以进 2.(传感器的工作原理)下列电器中,应用了压 行信息采集并把采集到的信息转换为易于 ( 力传感器的是 ) 控制的量,其工作过程可能是 ) A.红外数字温度计 A.将力学量(如形变量)转换成磁学量 B.天黑自动开启的路灯 B.将电学量转换成热学量 C.数字体重计 C.将光学量转换成电学量 D.白炽灯泡 D.将电学量转换成力学量 ·112· 第五章 传感器 3.(认识传感器)有一电学元件,温度升高时其 C.温度降低,光照增强 ( ) 电阻减小,这种元件可能是 D.温度升高,光照减弱 A.金属导体 B.光敏电阻 5.(电容式话筒感器)如图所 C.NTC热敏电阻 D. PTC热敏电阻 示的电容式话简就是一种 电容式传感器,其原理是: #0# 4.(传感器的工作原理及应用)(多选)如图所 导电性振动膜片与固定电 山信号 示电路中,电源电动势为E,内阻为,,R。为 极构成了一个电容器,当振动膜片在声音的 负温度系数热敏电阻,R为光敏电阻,闭合 作用下振动时,两个电极之间的电容发生变 开关后,小灯泡L正常发光,由于环境条件 化,电路中电流随之变化,这样声信号就变 改变(光照或温度),发现小灯泡亮度变暗 成了电信号,则当振动膜片向左振动时 ( 则引起小灯泡变暗的原因可能是 ) ( ) A. 电容器的电容增大 #-- B. 电容器带电荷量减少 C. 电容器两极板间的场强增大 D.电阻R中的电流方向自右向左 A.温度不变,光照增强 -C温提 B.温度升高,光照不变 学习至此,请完成配套训练 第3节 利用传感器制作简单的自动控制装置 自主预习探新知 [知识梳理] 2.晶体三极管:全称应为半导体三 一、实验目的 极管,也称双极型晶体管、晶体三 1.知道干箭管、光敏电阻、三极管、二极管、电 极管,是一种控制电流的半导体 磁继电器的功能 器件,其作用是把微弱信号放大成幅度值较 2.会利用传感器制作简单的自动控制装置 大的电信号,也用作无触点开关 3.掌握门窗防盗报警装置和光控开关的工作 3. 电磁继电器:电磁继电器是一种电子控制器 原理. 件,它具有控制系统(输入回路)和被控制系 二、实验器材 统(输出回路),通常应用于自动控制电路 1.发光二极管:单向导电性,在正向电压作用 中,它实际上是用较小的电流、较低的电压 下电阻很小,处于导通状态;在反向电压作 去控制较大电流、较高的电压的一种“自动 用下电阻很大,处于截止状态 开关”. 误 ~# 源O ·113.物理·选择性必修第二册 [例2]ABD[超声波与电磁波传播时，都向外传递了能量、 动变阻器连入电路的电阻增大，分担的电压增大，定值电阻 信息，A正确；声呐发出的超声波是机械波，不可以在真空中 分担的电压减小，所以电压表应接在c、d之间与定值电阻并 传播，B对；机械波在空气中传播时速度较小，在其他介质中 联：油量减少，电压表示致减小」 传播时速度大，而电磁波恰好相反，C错；声波是纵波，电磁 [答案]c,d减小 波是横波，D正确.门 跟进训练 强化训练 1.C[传感器工作的一般流程为非电学量（被 1,BD[a、c两时刻电容器极板上电荷量最大，电场能最大，所 以电路中电流最小：b、d两时刻电容器极板上电荷量最小， 敏感元件（感知，格后通过） 转换元件 电路中电流最大，磁场能量最大，b、d两，点时间间隔为半个 （转提成电信号，弄通过转换电路〈样此信号特桃成 易于传输或测量的) 周期，故电流方向相反.] 电学量，因此A、B、D错，C正确.] 2.ABC[红外线波长较长，能够发生明显衍射，透过云层，A 2.D[汽车的车窗有防夹手功能，在关闭过程中碰到障碍时 项正确；一切物体都在辐射红外线，福射本领随物体温度的 会停止并打开，这是因为使用压力传感器，故D正确，A、B、 升高而增强，B正确：钞票上有荧光物质，验钞机发出的紫外 C错误.] 线具有荧光作用，可以使荧光物质发光，C项正确：在人体内 探究2 杀死病变细胞是利用了Y射线的放射作用，X射线可用来检 提示当光被产品挡住时，R:电阻增大，电路中电流减小， 查人体器官，D项错误.] R:两端电压减小，信号处理系统得到低电压，每通过一个产 第五章传感器 品就获得一次低电压，并计数一次」 第1节认识传感器 [例2]AB[当环境温度降低时，R2变大，电路的总电阻变 第2节常见传感器的工作原理及应用 大，由1一是如1变小，又U=E-,电压表的装数U塔 自主预习·探新知 大，故B正确；又由U=IR及P1=R可知U,变小，R 知识梳理 消耗的功率P,变小，故D错误：电容器两板间的电压U2= 一、1.(1)电信号电压通断(2)非电学电学控制 U-U,U变大，由场强E=马，Q=CU,可知Q,E都增 2.(1)物理化学生物(2)敏感元件 d 二、1.(1)电阻(2)极少差增多变好(3)光照强弱 大，故A正确，C错误.门 电阻2.(1)增大(2)减小(3)温度电阻3.(1)阻值 跟进训练 (2)变大变小(3)物体形变电阻 1.ABC[当照射光强度增大时，R阻值减小，外电路电阻随 基础自测 R的减小而减小，R两端电压因千路电流增大而增大，同 1.(1)√(2)×(3)/(4)× 时内电压增大，故电路路端电压减小，而电压表的示数增大， 2.提示声控灯全名应该为一声光控灯，声控灯中有光控电 A项正确，D项错误：由路端电压减小，而R1两端电压增大 路，使其在光线足够的时候不工作，所以声控灯的控制盒实 知，R2两端电压必减小，则R2中电流减小，故B项正确；结 际上是声、光同时控制的，在光线充足的情况下灯不会亮，起 合干路电流增大知流过小灯泡的电流必增大，则小灯泡的功 到日德夜亮的控制作用，以节约用电， 率增大，C项正确.] 3.提示传感器是将烟雾产生的光学量转化为电路的电学量， 2.BD[应变片多用半导体材料制成，故选项A错误：当应变 使电路接通，从而对外发出声光报警信号. 片拉仲时，其电阻变大，选项B正确：传感器输出的是上、下 合作探究·攻重难 两应变片上的电压差值，并且随着外力的增大，输出的电压 探究1 差值越大，故选项C错误，选项D正确.门 提示(1)传感器是一种将非电学量转换为电学量的元件： 课堂自测·夯基础 (2)在电路中安装了一种能将声，光信号转换为电信号的传 1.C[传感器是指能够感受诸如力、温度、光、声、化学成分等 感器一声光延时开关。 非电学量，并能把它们按照一定的规律转换为电压、电流等 [例1][解析]定值电阻R和滑动变阻器是串联的，当油箱 电学量或转换为控制电路的通斯的一类元件，故只有C项 中的油量减少时，浮标下降，杠杆的左端下降，右端上翘，滑 正确.门 ·146· 参考答案 2.C[红外数字温度计应用了红外传感器，不符合题意，故A 2.解析：水位正常时，线图中没有电流，衔铁1与触头3接触， 错误：天黑自动开启的路灯使用了光敏电阻传感器，不特合 这时应绿灯亮，所以绿灯泡应安在A位置，当高出一定水位 题意，故B错误；数字体重计采用了压力传感器，符合题意， 时，线图中有电流，磁铁吸引衔铁1，使它与触头3断开，与 故C正确：白炽灯泡将电能转化为热，然后转化为光，不符 触头2接触，这时应红灯亮，所以红灯池应安在B位置， 合题意，故D错误.] 答案：BA 3.C[金属导体电阻值一般随温度升高而增大，光敏电阻电 探究2 阻值随光照强度的增大而减小，PTC热敏电阻的租值随温 [例2][解析](1)电路原理如图 度的升高而增大，只有NTC热敏电阻的祖值随温度的升高 所示 而减小，C对，A,B、D错.] 4.AC[由题图可知，当光敏电阻阻值减小或热敏电阻阻值增 (2)①由题意知，最大电流Im= 大时，小灯泡L都会变暗，结合光敏电阻特性可知，A正确， 100mA,则 B错误；若光敏电阻阻值减小的同时，热敏电阻的阻值增大， Um=1mR=100×10-3×200V=20V 小灯泡L变暗，C正确：若热数电阻减小，光敏电阻增大，则 又E=I(R+R) 小灯泡变亮，D错误.] 因50mA<I≤100mA 5.B[振动膜片向左振动时电客器两极板间的距离变大，由C 代入数据解得160n≤R2<520n. =品可如电容器的也家减小，A错误：由C=吕可知，在 ②把触点从弹簧片右侧移到弹簧片左侧，保证当磁铁吸合 U不变的情况下，C减小则Q减小，电容器处于放电状态，R 缺片时，3、4之间接通；不吸合时，3、4之间断开 可知，电 中电流方向自左向右，B正确，D错误：依据E=司 [答案](1)见解析图(2)①20160~520 ②见解析 容器两极板间的场强减小，C错误.] 跟进训练 第3节利用传感器制作简单的自动控制装置 1,BC[天黑时，R。阻值增大到一定值，斯密特触发器输入端 合作探究·攻重难 A的电压上升到某个值，输出端Y突然由高电平跳到低电 探究1 平；R调大时，A端电压降低，只有天更暗时，R。电阻更大 [例1][解析]热教电阻R,与滑动变阻器及电磁继电器构 时，路灯才点亮，故选项B、C正确，A、D错误.门 成低压控制电路，电路图如图所示 2.A[规定电源负极的电势为零，则%=R,十K保持不变。 ER E 22 电源 而%=R十R+RR十R十1 ，当有烟雾时，光敏电阻 R R 热敏电阳 电炉丝 R。增大，%增大，所以当>时，控制电路开始工作.] 电磁珠电器 滑动变阻器 课堂自测·夯基础 当温度低于某一值时，热敏电阻的阻值很大，流过电磁继电 1.A[由图可知A、B是电磁继电器线图，所以A、B应接信号 器的电流很小，继电器无法吸引衔铁P,K处接通，电炉丝处 电压，线圈随信号电压变化使电磁继电器相吸或排斥，从而 于加热状态；当温度高于某一值时，热敏电阻的阻值变得很 使C、D接通或断开，进而起到控制作用.所以选项A正确.] 小，通过电磁继电器的电流较大，继电器吸引衔铁P,K处断 2.C[甲的回路应为控制电路，甲当然为半导体热敏电阻，热 开，电炉丝停止加热。 敏电阻特点是温度高，电阻小，电流大，继电器工作，触头被 [答案]见解析 吸下，乙被接通应报警，即乙是小电铃，平常时，温度低、电阻 跟进训练 大、电流小，丙导通，丙应是绿灯泡，选项C正确.] 1.BC[由题意可知，当S闭合时，电磁铁F将衔铁D吸下， 3.解析：(1)由国甲可知当温度升高时R的阻值减小，通过线 C线路接通，这时虽然B线图的开关S闭合，但通过它的磁 圆的电流变大，电磁铁的磁场变强，对衔铁的引力变大，可与 通量不变，所以没有电磁感应现象发生，当S断开时，A线 a点接触，欲使报警器报警，c应接在a点： 图立即断路，不会发生电磁感应，但通过B线图的磁通量减 少，由于B线图的电磁感应作用，才产生延时释放D的作 (2)若使启动报警的温度提高些，可使电路的相对电流减小 用，选项B正确.如果此时断开B线圈的开关S2,则B线圈 一些，以使得热敏电阻R,的阻值减小得更大一些，所以将滑 虽然产生感应电动势，但不产生感应电流，不能吸引衔铁D, 动变阻器滑片P向左移动，增大滑动变阻器接入电路的 无延时作用，选项C正确.门 阻值。 ·147·