资源简介

5.2~5.3　常见传感器的工作原理　传感器的应用举例
学习目标
1.通过任务1及其活动,知道金属热电阻和热敏电阻的特征,了解其在传感器中的应用。(科学思维、科学态度与责任)
2.通过任务2及其活动,知道光敏电阻的特征及其在传感器中的应用。(物理观念、科学态度与责任)
3.通过任务3及其活动,知道电阻应变片的原理,了解其在传感器中的应用。(科学思维)
【自主预习·悟新知】
思考并回答问题。
思考1:(1)电熨斗中的双金属片是两块一样的金属片吗
(2)热双金属片温度传感器接在电路中相当于哪一种常见的元件

思考2:应用光敏电阻设计的实验电路如图所示。闭合开关后,用光照射光敏电阻,发现光照强度增加时,灯变得更亮,这说明光敏电阻有何特点
正确的打“√”,错误的打“×”。
(1)光敏电阻的阻值随光照的强弱而变化,光照越强电阻越大。 (　　)
(2)热敏电阻一般用半导体材料制作,导电能力随温度的升高而增强,但灵敏度低。 (　　)
(3)电阻应变片能够把物体的形变情况转变为电阻的变化。 (　　)
【合作探究·提素养】
任务1　温度传感器
　　实验:如图所示,将多用电表的选择开关置于欧姆挡,再将电表的两支表笔与负温度系数的热敏电阻RT(温度升高,电阻减小)的两端相连,这时表针恰好指在刻度盘的正中央。
阅读课本“热敏电阻和金属热电阻”部分的内容,回答下列问题。
1.金属材料的电阻率与温度有什么关系


2.半导体制作的热敏电阻的电阻率与温度有什么关系

3.金属热电阻与热敏电阻各有什么优缺点


4.金属热电阻和热敏电阻能够把什么非电学量转换为什么电学量


　　金属热电阻和热敏电阻
氧化锰热敏电阻 金属热电阻
特点 电阻率随温度的升高而①　　 电阻率随温度的升高而②　　
电阻随 温度变 化图像
制作材料 半导体 ③　　
优点 灵敏度好 化学稳定性好,测温范围大
作用 将④　　这个热学量转换为⑤　　这个电学量
　　金属热电阻与热敏电阻相比,金属热电阻的化学稳定性好,测温范围大,但灵敏度⑥　　(选填“较好”或“较差”)。
应用1　热敏电阻的应用
利用热敏电阻作为感温元件可以制作简易温度计,其电路图如图1所示。用热敏电阻RT作为测温探头,把电流表的电流刻度改为相应的温度刻度,可以直接读出温度值。已知电源电动势E=6.0 V,内阻不计;电流表量程为0~300 mA,内阻为10 Ω;保护电阻R0=5 Ω。热敏电阻RT的阻值随温度t变化的规律如图2所示,下列说法正确的是 (　　)
图1
图2
A.电流表示数越大,对应温度越低
B.该温度计测量的最高温度为50 ℃
C.电流表零刻度线处对应温度为0 ℃
D.该温度计表盘上温度的刻度是均匀的
应用2　含热敏电阻电路的动态分析
(多选)在温控电路中,利用热敏电阻的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,电路中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的带电荷量增大
B.电压表的示数增大
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
涉及热敏电阻,首先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,判断其阻值的变化,再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。
任务2　光传感器
　　实验:将一只光敏电阻接到多用电表的两端,电表选用倍率为×100的电阻挡。在室内自然光的照射下,观察电阻阻值大小,用手掌遮光时电阻阻值又是多少 用阳光直接照射呢
1.实验结果表明,光敏电阻的阻值随着光照条件的不同有什么变化 普通电阻有变化吗


2.光敏电阻常用什么材料制作


3.为什么硫化镉的电阻率会随着光照的增强而变小


4.光敏电阻能够把什么非电学量转化为什么电学量


　　光敏电阻
(1)特征:光敏电阻的阻值随照射光强度的变化而变化,光照增强,其阻值⑦　　,能够把⑧　　这个光学量转换为⑨　　这个电学量。
(2)原因:硫化镉是一种半导体材料,无光照时,⑩　　极少,导电性能差,电阻率大; 随着光照的增强,　　增多,导电性变好,电阻率减小。
应用1　光敏电阻的应用
如图1所示,条形码扫描笔的原理是扫描笔头在条形码上匀速移动时,遇到黑色线条,发光二极管发出的光线将被吸收,光敏三极管接收不到反射光,呈高阻抗;遇到白色间隔,光线被反射到光敏三极管,三极管呈低阻抗。光敏三极管将条形码变成一个个电脉冲信号,信号经信号处理系统处理,即完成对条形码信息的识别,等效电路图如图2所示,其中R为光敏三极管的等效电阻,R0为定值电阻,下列判断正确的是 (　　)
　　　　图1　　　　　　　　　　　　图2
A.当扫描笔头在黑色线条上移动时,信号处理系统获得高电压
B.当扫描笔头在白色间隔上移动时,信号处理系统获得低电压
C.扫描速度对信号处理系统接收到的电压信号无影响
D.扫描笔头外壳出现破损时可能无法正常工作
应用2　含光敏电阻电路的动态分析
(改编)在如图所示电路中,照射光敏电阻R的光强不断减弱,下列说法正确的是 (　　)
A.电源的输出功率一定先增大后减小
B.电源的总功率一定减小
C.电源的内部损耗功率可能增大
D.电源的效率一定减小
涉及光敏电阻,首先明确光照的变化情况,判断其阻值的变化,再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。
任务3　力传感器
　　电阻应变片是一种使用非常广泛的力敏元件,下面是电阻应变片的照片和结构图。阅读课本“电阻应变片”部分的内容,思考、回答下列问题:
1.金属导体的电阻与其长度和横截面积有什么关系


2.什么是金属的电阻应变效应


3.电阻应变片能够把什么非电学量转化为什么电学量

1.金属导体的电阻随着它的　　而发生变化的现象,称为金属的　　效应。金属电阻应变片就是利用这一原理制成的。
2.电阻应变片能够把物体　　这个力学量转换为　　这个电学量。
3.电子秤工作原理:
金属梁自由
端受力F→梁发生
弯曲→应变片的
电阻变化→两应变片上电
压的差值变化
应用　含电阻应变片的电路分析
电阻应变片是一种将被测件上的形状变化转换成电信号的敏感器件,其阻值会随着自身的机械形变而发生变化。某同学设计的利用金属丝应变电阻来研究其阻值与拉力大小之间关系的电路如图所示,其中电压表和电流表是理想电表,a、b两点之间连接的是金属丝应变电阻,把一重物悬挂在金属丝中间。当把悬挂重物的质量减小时,下列说法正确的是 (　　)
A.电流表示数变小
B.电压表示数变大
C.电压表与电流表示数之比变大
D.电压表示数变化量与电流表示数变化量之比的绝对值不变
【随堂检测·精评价】
1.(任务1)利用金属热电阻和热敏电阻的阻值与温度之间的对应关系,除了可以测量温度,还可以有其他用途。如图所示,一些汽车的低油位报警装置采用热敏电阻来检测油箱的警戒液位,下列说法正确的是 (　　)
A.当液面高于热敏电阻时,热敏电阻的热量会被液体带走,温度基本不变,指示灯亮
B.给热敏电阻通一定电流,可利用热敏电阻对液体进行快速加热
C.当液体减少,液面低于热敏电阻时,热敏电阻温度升高,指示灯亮
D.无法通过热敏电阻的阻值变化来判断液面是否低于设定值
2.(任务2)在如图所示的实验电路中,电源两端的电压恒定,L为小灯泡,R为光敏电阻,D为发光二极管(电流越大,发出的光越强),且R与D相距很近。下列说法正确的是 (　　)
A.当滑片P向左移动时,L消耗的功率增大
B.当滑片P向左移动时,L消耗的功率减小
C.当滑片P向右移动时,L消耗的功率可能不变
D.无论怎样移动滑片P,L消耗的功率都不变
3.(任务3)某小组利用压敏电阻制作了一台电子秤,其内部电路如图所示,R1是保护电阻,R2是调零电阻,压敏电阻的阻值R随压力F变化的规律为R=kF+C(k、C为常量,k>0)。现对电流表的刻度盘进行改装,使得电流表满偏时对应质量的示数为零,则下列说法正确的是 (　　)
A.刻度盘标注的质量的刻度均匀
B.若使用前质量示数大于零,应将R2的滑片向右滑动
C.电子秤的示数越大,电源的总功率越小
D.电池长时间使用后,若能调零则称量值仍准确
4.(任务1)(多选)某种电饭锅的工作原理电路如图所示。下列关于电饭锅工作原理的说法正确的是 (　　)
A.必须手动按下开关按键后,电饭锅才能开始正常工作
B.插上电源插头后,电饭锅即正常工作,直至饭煮熟
C.感温铁氧体的作用是在锅内温度达到103 ℃时失去磁性,再在弹性铜片的作用下使电路断开
D.通过图示电路即可实现加热和自动保温功能.
答案与解析
自主预习·悟新知
思考1:(1)不是。(2)开关。
思考2:用光照向光敏电阻,发现光照强度增加时,灯变得更亮,则电路的电流变大,总电阻减小,所以光敏电阻的阻值随光照强度增加而减小。
判断　(1)×　(2)×　(3)√　
合作探究·提素养
任务1
问题引领
1.金属材料的电阻率随着温度的升高而增大。
2.随着温度升高,电阻率减小。
3.金属热电阻化学稳定性好,测温范围大,但灵敏度较差;热敏电阻则灵敏度较好,但稳定性较差,测温范围往往有限。
4.都能够把温度这个热学量转换为电阻这个电学量。
知识生成　①减小　②增大　③金属　④温度　⑤电阻
⑥较差
应用探究
例1　B　【解析】由闭合电路欧姆定律有I=,可知电流表示数越大,RT越小,由图2可知,RT越小,温度越高,A项错误;根据A项分析可知,当电流表满偏时,RT最小,此时温度最高,则有RT=-(R0+r)=5 Ω,由图2可知,此时的温度为50 ℃,B项正确;由图2可知,当温度为0 ℃时,RT=28 Ω,此时电流表的示数I1=≈0.14 A,C项错误;由上述分析可知,电流表示数与RT的关系为I=,由图2可知,RT与温度不呈线性关系,则该温度计表盘上温度的刻度是不均匀的,D项错误。
例2　AB　【解析】当环境温度降低时,R2的阻值增大,电路的总电阻增大,由I=可知I减小,又U=E-Ir,则电压表的示数增大,B项正确;由P1=I2R1可知,R1消耗的功率P1减小,D项错误;电容器C两板间的电压U2=U-U1,U1=IR1,可知U1减小,U2增大,由电场强度E'=,Q=CU2可知,Q、E'都增大,A项正确,C项错误。
任务2
问题引领
1.光敏电阻的阻值随着光照的增强而减小;普通电阻的阻值与光照强弱无关。
2.硫化镉。
3.见知识生成。
4.见知识生成。
知识生成　⑦减小　⑧光照强弱　⑨电阻　⑩ 载流子　载流子
应用探究
例3　D　【解析】当扫描笔头在黑色线条上移动时,光敏三极管呈高阻抗,信号处理系统获得低电压;在白色间隔上移动时,光敏三极管呈低阻抗,信号处理系统获得高电压,A、B两项错误。扫描速度不同,信号处理系统接收到的因同一黑色线条(白色间隔)产生的低(高)电压时间不同,C项错误。外壳破损,外界光线可能会照到光敏三极管上,导致信息读取错误,D项正确。
例4　B　【解析】由电路图可知,照射光敏电阻R的光强不断减弱,其阻值增大,电路总电阻增大,电源的电动势不变,由闭合电路的欧姆定律可知,电路总电流I减小。当光敏电阻的阻值与电源内阻相等时,电源的输出功率最大,由于电源的内阻与外电阻的大小关系未知,不能判断电源的输出功率如何变化,A项错误。电源电动势E不变,电流I减小,电源的总功率P=EI,则P一定减小,B项正确。电源的内阻r不变,电流I减小,电源内部的发热功率P热=I2r,一定减小,C项错误。电源的效率η=×100%=×100%,外电阻增大,路端电压U增大,则电源效率一定增大,D项错误。
任务3
问题引领
1.根据电阻定律R=ρ可知,金属导体的电阻R与其长度L成正比,与其横截面积S成反比。
2.当金属丝受到拉力时,长度变长、横截面积变小,导致电阻变大;当金属丝受到压力时,长度变短、横截面积变大,导致电阻变小。这种金属导体的电阻随着它的机械形变而发生变化的现象,称为金属的电阻应变效应。
3.电阻应变片能够把物体形变这个力学量转换为电阻这个电学量。
知识生成　机械形变　电阻应变　形变　电阻
应用探究
例5　D　【解析】当悬挂物体的质量减小时,金属丝的长度L变短,金属丝的体积V不变,则其横截面积S变大,由R=ρ可知金属丝电阻变小,由闭合电路欧姆定律可知,电流表示数变大,电压表示数变小,A、B两项错误;电压表示数与电流表示数之比为金属丝的阻值,金属丝电阻变小,故电压表与电流表示数比值变小,C项错误;电压表示数变化量与电流表示数变化量之比的绝对值为电源内阻与滑动变阻器接入电路的阻值之和,保持不变,D项正确。
随堂检测·精评价
1.C　【解析】若给热敏电阻通一定电流,热敏电阻会产生热量,当液面高于热敏电阻时,热敏电阻的热量会被液体带走,温度基本不变,电阻较大,指示灯不亮,A项错误;给热敏电阻通一定电流,热敏电阻会产生热量,给液体进行加热,液体的温度较低,热敏电阻的温度变化不大,阻值变化不大,通过热敏电阻的电流较小,产生的热量较小,液体温度升高得慢,因此利用热敏电阻对液体不能进行快速加热,B项错误;当液体减少,液面低于热敏电阻时,热敏电阻温度升高,阻值较小,电流较大,指示灯亮,就发出报警信号,C项正确;因热敏电阻值与温度的变化是有一定关系的,这个关系转变成电流的变化关系,故可以由热敏电阻的阻值变化来判断液面是否低于设定值,D项错误。
2.A　【解析】当P向左移动,滑动变阻器接入电路的电阻减小,通过二极管的电流变大,发光变强,光敏电阻阻值减小,灯泡中电流增大,功率增大,A项正确。
3.C　【解析】电路中的电流与压敏电阻的阻值大小不是线性关系,压敏电阻的阻值与压力的大小是线性关系,压力的大小又与重物的质量是线性关系,故在刻度盘上标注的质量的刻度不均匀,A项错误;若使用前质量示数大于零,电流偏小,应减小电阻,应将R2的滑片向左滑动,B项错误;电子秤的示数越大,电路中电流越小,电源的总功率越小,C项正确;电池长时间使用后,电动势变小,内阻变大,虽能调零,电流表仍可以满偏,但称量值不准确,偏大,D项错误。
4.AC　【解析】电饭锅插上电源后只有按下开关按键,开关横杆把磁铁向上顶,使磁铁吸住感温铁氧体,这时发热电阻器才接通电源开始加热,A项正确,B项错误;当温度达到103 ℃时,感温铁氧体就不受磁铁的吸引,开关的杠杆在弹性铜片及自身重力的作用下下降,使接触点分开,发热电阻器与电源断开,C项正确;电饭锅的关键原理是能够让温度升到103 ℃而进入保温模式,若温度达不到103 ℃则不能保温,比如烧水就不能自动保温,D项错误。

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