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1、第六章 传感器 1 传感器及其工作原理 学习目标 1.知道什么是传感器,理解各类传感器的工作原理. 2.知道光敏电阻的特点及作用. 3.掌握热敏电阻和金属热电阻的特点及区别. 4.理解霍尔元件的原理及作用. 自主探究 1.传感器能够感受诸如力、温度、光、声、化学成分等 量,并能把它们按照一定 的规律转换为便于传送和处理的 、 等电学量,或转换为电路的 . 2.光敏电阻在被光照时电阻发生变化,光照越强,电阻越 . 3.热敏电阻的阻值随温度的升高而 ,且阻值随温度变化非常明显. 4.霍尔电压的决定式为UH=k.式中d为 ,k为 .霍尔系数的大小与薄片的 有关. 合作探究 一、什么是传感器 活动体验
2、: 音乐茶杯平放在桌上时,无声无息,提起茶杯,茶杯播放悦耳的音乐. 提出问题: 音乐茶杯的工作开关在哪里?开启的条件是什么? 猜想假设: (1)开关在茶杯底部,茶杯被提起后,所受的压力发生改变,茶杯的开关闭合,音乐响起. (2)开关在茶杯底部,茶杯被提起后,茶杯底部的光线由弱变强,茶杯的开关闭合,音乐响起. 实验探究: (1)提起茶杯,用两根手指使劲挤压茶杯的底部,音乐并没有停止. (2)提起茶杯,用书挡住茶杯的底部但不挤压,音乐停止. 自主学习:阅读课本 P52“什么是传感器”的内容,学习相关的知识. 传感器把 量转换为 量,便于测量、传输、处理和控制. 二、光敏电阻 活动体验:将一只光敏电
3、阻接到多用电表的两端,电表置于倍率为 100 的欧姆挡.在室内自 然光的照射下,电阻值很大;在强光的照射下,电阻值很小. 提出问题:换用一只普通的电阻,小心地把电阻表面的漆涂层除去一些,使里面的导电膜漏 出来接受光照.重做上述实验,结果相同吗? 自主学习:阅读课本的 P53“光敏电阻”的内容,学习相关的知识. 1.光敏电阻能够把光照强弱这个光学量转换为 这个电学量. 2.工作原理:光敏电阻在光照射下 发生变化.光敏电阻是由硫化镉制成的,硫化镉 是一种半导体材料,无光照时,载流子极少,导电性能不好;随着光照的增强,载流子增多,导电性 变好. 三、热敏电阻 活动体验:将一只热敏电阻接到多用电表的两
4、端,电表置于倍率为 100 的欧姆挡.在冷水中, 电阻值很小;在热水中,电阻值很小. 提出问题:换用一只金属热电阻,重做上述实验,结果相同吗? 自主学习:阅读课本的 P54“热敏电阻和金属热电阻”的内容,学习相关的知识. 1.热敏电阻与金属热电阻相比,化学稳定性 ,温度范围 ,灵敏度 . 2.热敏电阻或金属热电阻都能够把温度这个热学量转换为 这个电学量. 四、霍尔元件 自主学习:阅读课本 P55“霍尔元件”的内容,学习相关的知识. 如图,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.若在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
5、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垂直的方向漂移,使M、N间出现电压UH.这个 电压叫做霍尔电压,其决定式为UH=k.式中d为薄片的厚度,k为霍尔系数,它的大小与薄片的 材料有关. 1.一个霍尔元件的厚度d、k为定值,若保持I恒定,则UH的变化就与B成 . 2.霍尔元件能够把磁感应强度这个磁学量转换为 这个电学量. 课堂检测 1.关于干簧管,下列说法正确的是( ) A.干簧管接入电路中相当于电阻的作用 B.干簧管是根据热胀冷缩的原理制成的 C.干簧管接入电路中相当于开关的作用 D.干簧管是作为电控元件以实现自动控制的 2.下列关于传感器的说法正确的是( ) A.所有传感器都
6、是由半导体材料做成的 B.金属材料也可以制成传感器 C.传感器主要是通过感知电压的变化来传递信号的 D.以上说法都不正确 3.有一个消毒用电器P,电阻为20 k,它只有在电压高于24 V时才能工作.今用一个光敏电 阻R1对它进行控制,光敏电阻在光照时为 100 ,黑暗时为 1 000 .电源电动势E为 36 V,内阻 不计,另有一个定值电阻R2,电阻为 1 000 .下列电路,开关闭合后能使消毒用电器在光照时正 常工作、黑暗时停止工作的是( ) 4.如图所示,将一光敏电阻接在多用电表两表笔上,将多用电表的选择开关置于欧姆挡,用 光照射光敏电阻时,表针自左向右的偏转角度为;现用手掌挡住部分光线,
7、表针自左向右的偏 角为,则可判断( ) A.= B. D.不能确定 5.如图所示,R3是光敏电阻,当开关 S 闭合后在没有光照射时,a、b两点等电势,当用光照射 电阻R3时,则( ) A.R3的电阻变小,a点电势高于b点电势 B.R3的电阻变小,a点电势低于b点电势 C.R3的电阻变大,a点电势高于b点电势 D.R3的电阻变大,a点电势低于b点电势 6.如图所示,在信息技术高速发展、电子计算机广泛应用的今天,担负着 信息采集任务的传感器在自动控制、信息处理中发挥着越来越重要的作用, 其 中热电传感器是利用热敏电阻将热信号转换成电信号的元件.某学习小组的 同学在用多用电表研究热敏特性实验中,安装
8、好如图所示装置.向杯内加入冷 水,温度计的示数为 20 ,多用电表选择适当的倍率,读出热敏电阻的阻值R1.然后向杯内加入 热水,温度计的示数为 60 ,发现多用电表的指针偏转角度较大,则下列说法正确的是( ) A.应选用电流挡,温度升高换用大量程测量 B.应选用电流挡,温度升高换用小量程测量 C.应选用欧姆挡,温度升高时换用倍率大的挡 D.应选用欧姆挡,温度升高时换用倍率小的挡 7.如图所示是观察电阻值随温度变化情况的示意图.现把杯中的水由冷 水变为热水,关于欧姆表的示数变化情况正确的是(设水对电阻阻值的影响 不计)( ) A.如果R为金属热电阻,示数变大,且变化非常明显 B.如果R为金属热电
9、阻,示数变小,且变化不明显 C.如果R为热敏电阻(用半导体材料制成),示数变化非常明显 D.如果R为热敏电阻(用半导体材料制成),示数变化不明显 8.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的带电荷量增大 B.电压表的示数增大 C.电容器C两板间的电场强度减小 D.R1消耗的功率增大 9.如图所示是霍尔元件的工作原理示意图,如果用d表示薄片 的厚度,k为霍尔系数.对于一个霍尔元件,d、k为定值,如果保持I恒定, 则可以验证UH随B的变化情
10、况.以下说法中正确的是(工作面是指 较大的平面)( ) A.将永磁体的一个磁极逐渐靠近霍尔元件的工作面,UH将变大 B.在测定地球两极的磁场强弱时,霍尔元件的工作面应保持水平 C.在测定地球赤道上的磁场强弱时,霍尔元件的工作面应保持水平 D.改变磁感线与霍尔元件工作面的夹角,UH将发生变化 10.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的两端相连,这时表针恰好指在刻度盘的正中间.如果往RT上擦一些酒精,那么表针将 向 (选填 “左”或 “右”)移动;如果用吹风机将热风吹向电阻,那么表针将向 (选填 “左” 或“右”)移动. 11.如图所示为
11、自动水位报警器的示意图,在水位低于B时,电磁铁所在的控制电路部分断 路, 灯亮;当水位升高到B时,电磁铁所在的控制电路部分接通, 灯亮. 12.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, 当电流通过导体板时,在导体板的上侧面A和下侧面A之间会产生电势差,这种现象称为霍尔效 应.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,式中的比例系数k称为霍 尔系数. 霍尔效应可解释如下:外部磁场的洛伦兹力使运动的电子聚焦在导体板的一侧,在导体板的 另一侧会出现多余的正电荷,从而形成横向电场.横向电场对电子施加与洛伦兹力方向相反的 静电力.当静电力与洛伦
12、兹力达到平衡时,导体板上下两侧之间就会形成稳定的电势差. 设电流I是由电子的定向移动形成的,电子的平均定向移动速度为v,电荷量为e.回答下列 问题: (1)达到稳定状态时,导体板上侧面A的电势 下侧面A的电势(选填“高于”“低于”或 “等于”). (2)电子所受的洛伦兹力的大小为 . (3)当导体板上下两侧之间的电势差为U时,电子所受静电力的大小为 . (4)由静电力和洛伦兹力平衡的条件,证明霍尔系数为k=,其中n代表导体板单位体积内 1 电子的个数. 参考答案 自主探究 1.非电学 电压 电流 通断 2.小 3.减小 4.薄片的厚度 霍尔系数 材料 合作探究 一、什么是传感器 自主学习:非电
13、学 电学 二、光敏电阻 答案点拨:普通电阻的阻值与光照的程度无关. 自主学习:1.电阻 2.电阻 三、热敏电阻 答案点拨:金属热电阻的化学稳定性好,温度范围大,但灵敏度较差. 自主学习:1.差 小 高 2.电阻 四、霍尔元件 自主学习:1.正比 2.电压 课堂检测 1.CD 解析:干簧管能感知磁场,是因为当两个舌簧所处位置的磁场方向相同时,就会吸引, 所以将其作开关来使用,当磁场靠近的时候,就会闭合或断开. 2.B 解析:半导体材料可以制成传感器,其他材料也可以制成传感器,所以 A 项错误,B项正 确;传感器不但能感知电压的变化,还能感受力、温度、光、声、化学成分等非电学量,所以 C 项错误.
14、 3.C 解析:利用相关知识分析可知,电路 A 和 B 只能使消毒用电器在光照时正常工作,不能 在黑暗时停止工作;电路 C 能使消毒用电器在光照时正常工作,黑暗时停止工作;电路 D 不能使 消毒用电器在光照时正常工作,黑暗时停止工作. 4.B 解析:光敏电阻的阻值随光照的减少而增大,所以用手掌挡住部分光线后光敏电阻的 阻值变大,多用电表的指针偏角变小. 5.A 解析:当光照射R3时,R3阻值变小,R4分压变大,则a点电势将会升高,所以a点电势 高于b点电势. 6.D 解析:多用电表与热敏电阻构成的回路中未接入电源,故不能用电流表,A、 B两项错误; 当温度升高时多用电表指针偏转角度较大,说明热
15、敏电阻的阻值变小了,应该换用倍率小的挡, C 项错误,D 项正确. 7.C 解析:金属热电阻的阻值随温度的升高而增大,但灵敏度较差.而热敏电阻(用半导体材 料制成)灵敏度高,C 项正确. 8.AB 解析:当环境温度降低时,R2变大,电路的总电阻变大,由I=知,I变小,又U=E-Ir,电 总 压表的示数U增大,B 项正确;又由U1=IR1及P1=I2R1可知,U1变小,R1消耗的功率P1变小,D 项 错误;电容器两板间的电压U2=U-U1,U2变大,由电场强度E=,Q=CU2可知,Q、E都增大,故 A 2 项正确,C 项错误. 9.ABD 解析:一个磁极靠近霍尔元件工作面时,B增强,由UH=k知
16、,UH将变大,故A项正确; 两极处磁场可看作与地面垂直,所以工作面应保持水平,故 B 项正确;赤道处磁场可看作与地面 平行,所以工作面应保持竖直,故 C 项错误;若磁场与工作面夹角为,则应有qvBsin =q,可见 H 变化时,UH将变化,故 D 项正确. 10.解析:若往RT上擦一些酒精,由于酒精蒸发吸热,热敏电阻RT温度降低,电阻值增大,所以 电流减小,表针应向左偏;用吹风机将热风吹向电阻,电阻RT温度升高,电阻值减小,电流增大,表 针向右偏. 答案:左 右 11.解析:当水位低于B时,电磁铁所在的控制电路部分断路,此时电磁铁不吸引衔铁,绿灯所 在回路接通,所以绿灯亮;当水位升高到B时,电磁铁所在的控制电路部分接通,电磁铁具有磁性, 吸引衔铁使红灯所在回路接通,所以此时红灯亮. 答案:绿 红 12.解析:(1)电子向左移动,由左手定则知,电子受洛伦兹力向上,故上侧面A聚积电子,下侧 面A聚积正电荷,故上侧面电势低于下侧面; (2)洛伦兹力F=evB; (3)电子受静电力eE=e; (4)电子受纵向静电力和洛伦兹力的作用,两力平衡,有eE=e =evB得,U=hvB 通过导体的电流I=nevdh 由U=k得,hvB=k 解得,k=. 1 答案:(1)低于 (2)evB (3) (4)见解析