资源简介

5.2　传感器的应用
【学习目标】
1.通过任务1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、科学态度和社会责任)
2.通过任务2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、科学态度和社会责任)
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)
4.通过任务4及其活动,知道霍尔元件及其工作原理。(科学思维)
【自主预习·悟新知】
思考并回答问题。
思考1:下图是应用光敏电阻设计的实验电路。闭合开关后,用光照向光敏电阻,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


思考2:(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


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,光照越强阻值越大。 ( )
(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化为电阻的变化。 ( )
【合作探究·提素养】
任务1　光敏电阻
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的欧姆挡。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①　　　　,能够把②　　　　这个光学量转换为③　　　　这个电学量。
(2)原因:硫化镉是一种半导体材料,无光照时,④　　　　极少,导电性能差,电阻率大; 随着光照的增强,⑤　　　　增多,导电性变好,电阻率减小。
光敏电阻的应用
利用光敏电阻自动计数的示意图如图所示,其中A是发光仪器,B是接收光信号的仪器,B中的主要元件是光电传感器——光敏电阻。请说明其计数的原理。



应用　含光敏电阻电路的动态分析
(改编)如图所示电路,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2　热敏电阻和金属热电阻
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化为什么电学量


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⑥　　　　 电阻率随温度的升高而⑦　　　　
电阻随温度变 化图像
制作材料 半导体 ⑧　　　　
优点 灵敏度好 化学稳定性好,测温范围大
作用 将⑨　　　　这个热学量转换为⑩　　　　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　　　　(选填“较好”或“较差”)。
热敏电阻的应用
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,下面是其工作原理图。请用语言讲述其工作原理。

应用　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3　电阻应变片
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.有用半导体制作的电阻应变片吗


4.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
力传感器工作原理
我们经常见到的电子秤,它所使用的力传感器是由金属梁和电阻应变片组成的,其工作原理如图2所示,这种力传感器称为应变式力传感器。请简述其工作原理。




应用　电容传感器
(多选)电容式传感器是用来将各种非电信号转变为电信号的装置。由于电容器的电容C取决于极板正对面积S、极板间距离d以及极板间的电介质这几个因素,当某一物理量发生变化时就能引起上述某个因素的变化,从而又可推出另一个物理量的值,图是四种电容式传感器的示意图,关于这四个传感器的作用,下列说法正确的是 ( )
A.图1的传感器可以用来测量角度
B.图2的传感器可以用来测量液面的高度
C.图3的传感器可以用来测量压力
D.图4的传感器可以用来测量速度
归纳总结
电容器的电容C 决定于极板的正对面积S、极板间的距离d 以及极板间的电介质这三个因素。如果某个物理量的变化能引起上述某个因素的变化,从而引起电容的变化,那么,通过测定电容器的电容就可以确定这个物理量的变化,由此可以制成电容式传感器。
任务4　霍尔元件(拓展学习)
1879 年,美国物理学家霍尔观察到,在匀强磁场中放置一个矩形截面的载流导体,当磁场方向与电流方向垂直时,导体中能够自由移动的带电粒子在洛伦兹力的作用下,向着与电流、磁场都垂直的方向漂移,继而在该方向上出现了电势差。后来大家把这个现象称为霍尔效应,所产生的电势差称为霍尔电势差或霍尔电压。
1.如图所示,若导体中接入恒定电流I,设导体厚度为d,导体中单位体积内自由电荷个数为n,每个自由电荷的电荷为q,请证明MN间霍尔电压UH与磁感应强度B之间为线性关系。



2.怎么判断霍尔元件上下表面电势的高低



3.霍尔元件能够把什么非电学量转化为什么电学量



　　霍尔元件
构造: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,就成为一个霍尔元件。
工作原理:在E、F间通入恒定的电流I, 同时外加与薄片垂直的磁场B,则薄片中的载流子就在洛伦兹力的作用下,向着与电流和磁场都　　　　的方向漂移,使M、N间出现了电压,称为霍尔电压UH。
霍尔电压:UH=k。
a.其中d为　　　　的厚度,k为霍尔系数,其大小与薄片的材料有关。
b.一个霍尔元件的d、k为定值,再保持I恒定,则UH的变化就与B成正比。
作用:把　　　　这个磁学量转换为电压这个电学量。
应用　霍尔元件的计算问题
在一次实验中,一块霍尔材料制成的薄片宽lab=1.0×10-2 m,长lbc=4.0×10-2 m,厚h=1×10-3 m,现将该薄片水平放置在方向竖直向上的磁感应强度大小B=1.5 T的匀强磁场中,bc方向通有I=3.0 A的电流,如图所示,沿薄片宽度产生1.0×10-5 V的横向电压。
(1)假定载流子是电子,a、b两端中的哪端电势较高
(2)薄片上形成电流I的载流子定向运动的速率多大 (结果保留2位有效数字)
解决霍尔效应问题“三步走”:①明确载流子是正电荷还是负电荷;②利用左手定则判定载流子的受力方向;③分析载流子所受洛伦兹力与电场力的大小关系。




【随堂检测·精评价】
1.(任务1)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
2.(任务2)有一热敏电阻的阻值随温度变化的R-t图像如图所示,现将该热敏电阻接在欧姆表的两表笔上,做成一个电子温度计,为了便于读数,再把欧姆表上的阻值转换成温度值。现想使该温度计对温度的变化反应较为灵敏,那么该温度计测量哪段范围内的温度较为适宜 (设在温度范围内,欧姆表的倍率不变) ( )
A.t1~t2段 B.t2~t3段
C.t3~t4段 D.t1~t4段
3.(任务3)(多选)有一种测量人体重的电子秤,其原理如右图中虚线内所示,它主要由三部分构成:踏板、压力传感器R(是一个阻值可随压力大小而变化的电阻器)、显示体重的仪表(实质是理想电流表)。设踏板的质量可忽略不计,已知理想电流表的量程为3 A,电源电动势为12 V,内阻为2 Ω,电阻R随压力变化的函数式为R=30-0.01F(F和R的单位分别是N和Ω)。下列说法正确是 ( )
A.该秤能测量的最大体重是1400 N
B.该秤能测量的最大体重是2800 N
C.该秤零刻度线(踏板空载时的刻度线)应标在电流表刻度盘0.375 A处
D.该秤零刻度线(踏板空载时的刻度线)应标在电流表刻度盘0.400 A处
参考答案
自主预习·悟新知
思考1:由于用光照向光敏电阻,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。
思考2:(1)不是。(2)开关。
判断　(1)×　(2)×　(3)√
合作探究·提素养
任务1
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无关。
2.硫化镉。
3.见知识生成。
4.见知识生成。
知识生成　①减小　②光照强弱　③电阻　④载流子　⑤载流子
应用探究
活动　【提示】当传送带上没有物品挡住由A射向B的光信号时,光敏电阻的阻值减小,供给信号处理系统的电压降低;当传送带上有物品挡住由A射向B的光信号时,光敏电阻的阻值增大,供给信号处理系统的电压升高。这种高低交替变化的信号经过信号处理系统的处理,就会自动将其转化为相应的数字,实现自动计数的功能。
例1　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,电路总电阻变大,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变小,当光敏电阻阻值与电源内阻相等时,电源输出功率最大,由于电源的内阻与外电阻的大小关系未知,不能判断电源输出功率如何变化,A项错误;电源电动势E不变,电流I变小,电源总功率P=EI,则P一定减小,B项正确;电源内阻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2
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　⑥减小　⑦增大　⑧金属　⑨温度　⑩电阻
较差
应用探究
活动　【提示】若给热敏电阻通以一定的电流,热敏电阻会发热。当液面高于热敏电阻的高度时,热敏电阻发出的热量会被液体带走,温度基本不变,阻值较大,指示灯不亮(如图1)。当液体减少、热敏电阻露出液面时,发热导致热敏电阻的温度上升、阻值较小,指示灯亮(如图2),就显示出报警信号。
例2　AB　【解析】当环境温度降低时,R2的阻值变大,电路的总电阻变大,由I=可知I变小,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变小,D项错误;电容器C两板间的电压U2=U-U1,U1=IR1,可知U1变小,U2变大,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.有些半导体材料具有压阻效应,可以用来制作半导体电阻应变片。
4.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
活动　【提示】弹簧钢制成的梁形元件右端固定,在梁的上下表面各贴一个应变片。在梁的自由端施加力F,则梁发生弯曲,上表面拉伸,下表面压缩,上表面应变片的电阻变大,下表面应变片的电阻变小。力F越大,弯曲形变越大,应变片的电阻变化就越大。如果让应变片中通过的电流保持恒定,那么上表面应变片两端的电压变大,下表面应变片两端的电压变小。传感器把这两个电压的差值输出。力F越大,输出的电压差值也就越大。
例3　ABC　【解析】图1中动片角度变化时电容器的正对面积发生改变,导致其电容改变,故可用来测量角度,A项正确;图2中导电液体与金属芯线组成电容器,液面高度变化时,电容器正对面积发生改变,导致其电容改变,故可用来测量液面的高度,B项正确;图3中压力改变时,电容器的极板间距发生改变,导致其电容改变,故可用来测量压力,C项正确;图4中电介质位移变化时,导致其电容改变,故可用来测量位移,D项错误。
任务4
问题引领
1.设MN间距为L,电荷定向移动的速率为v,则I=neSv=nqLdv
自由电荷定向移动时受到的洛伦兹力F磁=qvB
当MN间电势差为UH时,自由电荷受到电场力F电=q
平衡时有F磁=F电
联立解得UH=B
设k=,则有UH=kB
即霍尔电压UH与磁感应强度B为线性关系。
2.因霍尔电压是自由电荷定向移动时受到洛伦兹力作用,而向表面聚集形成电压的,洛伦兹力用左手定则判断,则霍尔元件上下表面电势的高低可以用左手定则来判断。
3.见知识生成。
知识生成　垂直　薄片　磁感应强度
应用探究
例4　【解答】(1)根据左手定则可确定a端电势高。
(2)设电子沿电流反方向所在直线定向移动的速率为v,横向电压为Uab,横向电场强度为E,则静电力
F电=Ee=·e
洛伦兹力F=evB
平衡时·e=evB
解得v==6.7×10-4 m/s。
随堂检测·精评价
1.A　【解析】当P向左移动,滑动变阻器电阻减小,通过二极管的电流变大,发光变强,光敏电阻阻值减小,灯泡中电流变大。
2.B　【解析】做电阻温度计,希望电阻随温度变化比较敏感,故t2~t3段较好,B项正确。
3.BC　【解析】当电路中电流I=3 A时,电子秤测量的体重最大。由闭合电路欧姆定律I=得,R=-r=2 Ω,代入R=30-0.01F得到F=2800 N,A项错误,B项正确。踏板空载时F=0,代入R=30-0.02F得电阻R=30 Ω,由闭合电路欧姆定律得I==0.375 A,所以该秤零刻度线(踏板空载时的刻度线)应标在电流表刻度盘0.375 A处,C项正确,D项错误。

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