5.2 常见传感器的工作原理及应用 学案-2025-2026学年高二下学期物理人教版选择性必修第二册

第2节 常见传感器的工作原理及应用 学案 核心素养目标 1.理解将非电学量转化为电学量的物理意义。 2.理解常见传感器敏感元件的特性及应用。 基础知识： 知识点一 常见传感器的工作原理及应用 1．光敏电阻 (1)特点：光照越强，电阻越小。 (2)原因：光敏电阻的构成物质硫化镉为半导体材料，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。 (3)作用：把光照强弱这个光学量转换为电阻这个电学量。 2．金属热电阻 金属的电阻率随温度的升高而增大。用金属丝可以制作温度传感器，称为热电阻。如图所示为某金属导线电阻的温度特性曲线。 3．热敏电阻 热敏电阻由半导体材料制成，其电阻值随温度的变化非常明显，如图所示为某一热敏电阻的电阻值随温度变化的特性曲线。 4．电阻应变片 (1)定义：其电阻随着它所受机械形变的变化而变化的力敏元件。 (2)分类：金属电阻应变片和半导体电阻应变片。 (3)力传感器：由金属梁和电阻应变片组成，是电子秤中所使用的测力器件。 (4)电容式传感器：通过测定电容器的电容来确定极板的正对面积、极板间的距离以及极板间的电介质中某个物理量变化的传感器。 重难点理解： 一、光敏电阻、热敏电阻和霍尔元件 1．光敏电阻、金属热电阻和热敏电阻对比分析 特性 原因 光敏电阻 光照越强，电阻越小 光照增强，载流子增多，电阻减小 金属热电阻 温度越高，电阻越大 温度升高，金属电阻率增大，电阻增大 热 敏 电 阻 负温度系数 的热敏电阻 温度越高，电阻越小 温度升高，载流子增多，电阻减小 正温度系数 的热敏电阻 温度越高，电阻越大 温度升高，载流子减少，电阻增大 2.霍尔元件及工作原理 (1)霍尔元件 如图所示，在一个很小的矩形半导体(例如砷化铟)薄片上，制作四个电极E、F、M、N，它就成了一个霍尔元件。 (2)工作原理 外部磁场使运动的载流子受到洛伦兹力的作用，从而在导体板的一侧聚集，以致在导体板的另一侧会出现另一种电荷，从而形成电场；横向电场对载流子施加与洛伦兹力方向相反的静电力，当静电力与洛伦兹力达到平衡时，导体板左、右两侧会形成稳定的电压，设导体板左、右两侧的距离为l，导体板的厚度为d，则q＝qvB。根据电流的微观解释I＝nqSv得，UH＝。令k＝，因n为单位体积内带电粒子的个数，q为单个带电粒子的电荷量，它们均为常数，所以UH＝k。UH与B成正比，这就是霍尔元件能把磁学量转换成电学量的原因。 传感器问题中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。 典例1：(多选)如图所示是某居住小区门口利用光敏电阻设计的行人监控装置，R1为光敏电阻、R2为定值电阻，A、B接监控装置，则(　　) A．当有人通过而遮住光线时，A、B之间电压升高 B．当有人通过而遮住光线时，A、B之间电压降低 C．当仅增大R2的阻值时，可增大A、B之间的电压 D．当仅减小R2的阻值时，可增大A、B之间的电压 解析　R1是光敏电阻，当有人通过而遮住光线时，R1的阻值变大，回路中的电流I减小，A、B间的电压U＝IR2减小，故A错误，B正确；由闭合电路的欧姆定律得U＝E－I(R1＋r)，当仅增大R2的阻值时，电路中的电流减小，可得A、B间的电压U增大，故C正确；当减小R2的阻值时，电路中的电流增大，A、B间的电压U减小，故D错误。答案　BC 二．电容式传感器及其应用 1．电容器的电容决定于极板间的正对面积S、极板间距d、极板间的电介质这几个因素。如果某个物理量(如角度θ、位移x、深度H等)的变化引起上述某个因素的变化，从而引起电容的变化，通过电容的变化就可以确定上述物理量的变化，这种电容器称为电容式传感器。 2．常见电容式传感器 名称 传感器 原理 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，知道C的变化，就可以知道θ的变化情况 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，知道C的变化，就可以知道h的变化情况 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上的时候，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，知道C的变化，就可以知道F的变化情况 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发生变化，知道C的变化，就可以知道x的变化情况 　　电容式传感器是应用了电容器的电容跟板间距离、正对面积、电介质及引起它们改变的因素(如力、位移、压强、声音等)的关系，将这些非电学量转化为电容器的电容这个电学量。 典例2：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 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，灵敏电流计中产生由正接线柱流入的电流，所以指针将右偏。F不变时，极板保持固定后，充电结束，指针回到零刻度。故选A。答案　A 当堂达标： 1．许多办公楼及宿舍楼的楼梯上的灯到了晚上能够自动做到“人来即亮，人走即灭”，其神奇功能在于控制灯的“开关”传感器。下列有关该传感器的说法正确的是(　　) A．该传感器能够测量的物理量是位移和温度 B．该传感器能够测量的物理量是位移和光强 C．该传感器能够测量的物理量是光强和声音 D．该传感器能够测量的物理量是压力和位移 2．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，然后把声音播放出来。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．电吉他是磁电传感器 D．弦改用尼龙材料原理不变 3.(多选)如图所示，R1、R2为定值电阻，L为小灯泡，R3为光敏电阻，当入射光强度增大时(　　) A．电压表的示数增大 B．R2中电流减小 C．小灯泡的功率增大 D．电路的路端电压增大 4.(多选)霍尔元件的示意图如图所示。一块通电的铜板放在磁场中，铜板的前、后板面垂直于磁场，板内通有图示方向的电流，a、b是铜板上、下边缘的两点，则(　　) A．电势φa＞φb B．电势φb＞φa C．仅电流增大时，|φa－φb|增大 D．其他条件不变，将铜板改为NaCl溶液时，a、b两点电势高低情况仍然一样 参考答案： 1.解析：C　楼道中安装了自动灯光控制系统，白天灯不亮，和光传感器有关；晚上有人经过时，灯自动亮起来，与声音有关，是声传感器。所以该传感器能够测量的物理量是光强和声音，C正确。 2.解析：C　物理传感器利用的是物理效应，比如光电效应、磁电效应等，能将被测信号量的微小变化转换成电信号。本题中当弦振动时，线圈中产生感应电流，把弦振动时磁场的变化这种非电学量转换为电流这种电学量，属于磁电传感器，故C正确，A、B、D错误。 3.解析：ABC　当入射光强度增大时，R3阻值减小，外电路总电阻随R3的减小而减小，由闭合电路欧姆定律知，干路电流增大，R1两端电压增大，电压表的示数增大，同时内电压增大，电路的路端电压减小，A正确，D错误。因路端电压减小，而R1两端电压增大，故R2两端电压必减小，则R2中电流减小，B正确。结合干路电流增大和R2中电流减小知流过小灯泡的电流必增大，小灯泡的功率增大，C正确。 4.解析：BC　铜板中的自由电荷是电子，电子定向移动的方向与电流的方向相反，由左手定则可判断出电子因受洛伦兹力作用向a侧偏转，所以φb＞φa，B正确，A错误；因|φa－φb|＝k，所以电流增大时，|φa－φb|增大，C正确；若将铜板改为NaCl溶液，溶液中的正、负离子均向a侧偏转，|φa－φb|＝0，即不产生霍尔效应，故D错误。 学科网（北京）股份有限公司 $