高中物理 第4章 传感器与现代社会 4.1传感器的原理 4.2探究热敏电阻的温度特性曲线教师用书 沪科版选修3-2

4.1 传感器的原理4.2 探究热敏电阻的温度特性曲线[先填空]1.传感器(1)定义：传感器是通过测量外界的物理量、化学量或生物量来捕捉和识别信息，并将被测量的非电学量转换成电学量的装置.它一般包括敏感元件和转换电路等.(2)敏感元件：它是传感器的核心，它利用各种物理、化学、生物效应，将非电学参数的变化转换成电学参数的变化.(3)转换电路：将敏感元件采集的信息进行处理，以电压或电流的形式输出.2.智能传感器当转换电路采用计算机进行信息处理，并输出数字信息的传感器.3.光敏电阻的导电特性光敏电阻的阻值随光照强度的增强而减小.4.传感器的类型1.传感器是把电学量转换为非电学量的装置.(×)2.地震救灾时使用的生命探测仪是利用了生物传感器.(√)3.计算机用的鼠标器是一个光敏传感器.(√) [后思考]1.光敏电阻和热敏电阻各是由什么材料制成的？金属与热敏电阻的电阻率各有什么特点？【提示】 光敏电阻和热敏电阻由半导体材料制成；金属热电阻的电阻率随温度升高而增大，热敏电阻的电阻率随温度升高而减小且非线性变化.2.所有的敏感元件都是把非电学量转化为电学量吗？【提示】 是的.不同的传感器中的敏感元件不同，工作原理也不相同，但都是将非电学量转化为电学量的.[合作探讨]传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将感受到的信息，按一定规律变换成电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求.探讨1：传感器的基本作用是什么？【提示】 将被测量的非电学量转换成电学量. 探讨2：不便于测量和控制的非电学量有哪些？【提示】 角度、位移、速度、压力、温度、声强、光照等. 探讨3：便于测量和控制的电学量有哪些？ 【提示】 电流、电压等. [核心点击] 1.传感器的工作原理传感器感受的一般是非电学量，如压力、温度、位移、浓度、速度、酸碱度等，而它输出的通常是电学量，如电压值、电流值、电荷量等，这些输出信号是非常微弱的，通常要经过放大后，再输送给自动控制系统以使其产生各种控制动作.传感器：非电学量―→传感器―→电学量⎭⎪⎬⎪⎫本质角度位移速度压力温度湿度―→传感器―→⎩⎪⎨⎪⎧电压电流电阻换能器：一种形式的能量――→转换另一种形式的能量 2.三类传感器的异同(1)相同点：都能将感受到的非电学量信息转化成电学量，都是利用敏感元件的某种敏感效应制成的. (2)不同点：三类传感器的工作原理不同，所利用的敏感元件的敏感效应不同. 生物传感器与物理传感器和化学传感器的最大区别在于生物传感器的感受器中含有生命物质.3.一些常见的传感器传感器种类繁多，具体功能各不相同，下表给出一些常见的传感器及其工作原理.1.下列说法正确的是( )A.凡将非电学量转化为电学量的传感器都是物理传感器B.湿敏传感器只能是物理传感器C.物理传感器只能将采集到的信息转化为电压输出D.物理传感器利用的是物质的物理性质和物理效应【解析】 各种传感器虽然工作原理不同，但基本功能相似，多数是将非电学量转化为电学量，故A 错；湿敏传感器为化学传感器，故B 错；传感器既可将信息转化为电压输出，也可转化为电流、电阻等输出，故C 错；由物理传感器定义知D 正确.【答案】 D2.关于物理传感器、化学传感器和生物传感器的下列说法中，正确的是( ) A.物理传感器是利用材料的某种物理性质工作的，因而只能用于机械加工行业不能用于化工领域B.化学传感器是利用某种化学反应来工作的，因而只能输出某种化学物质而不能输出电学量C.生物传感器的适用范围广，可在任意温度条件下工作D.生物传感器由于含有生命物质，因而对使用传感器的环境条件有一定要求【解析】 不论哪种传感器都可以将非电学量转换成电学量输出，故B 错；物理传感器在化工领域也可以使用，如温度传感器等，故A 错；生物传感器能够使用的前提是感受器中的生命物质保持生物活性，故C 错、D 对.【答案】 D3.如图4­1­1所示的电路可将声音信号转化为电信号，该电路中右侧固定不动的金属板b 与能在声波驱动下沿水平方向振动的镀有金属层的振动膜a 构成一个电容器，a 、b 通过导线与恒定电源两极相接.声源S 做位移x ＝A sin(100πt )的振动，则( )图4­1­1A.a 振动过程中，a 、b 板间的电场强度不变B.a 振动过程中，a 、b 板所带电荷量不变C.a 振动过程中，灵敏电流表中始终有方向不变的电流D.a 向右的位移最大时，a 、b 板所构成的电容器的电容最大【解析】 由于平行板电容器两极板与电池两极相连接，因此两极板间的电压U 保持不变，根据场强E ＝U d ，C ＝εS 4πkd可判断A 错、D 对；再由Q ＝CU 可知，B 错；由于Q 变化，使电容器出现充电、放电现象，显然电流表中电流方向不断变化，C 错.【答案】 D传感器的优点电学量具有便于控制、放大、衰减、波形整理、显示、可储存、远距离传输等技术方面的优点，尤其是将电学量与计算机技术结合，可以方便地实现信息的采集、处理、输出的自动化和智能化，所以现代信息技术与自动控制中常将非电学量转化成电学量进行信息收集.[先填空]一、探究热敏电阻的阻值随温度变化的方案 1.探究方案(一)(1)实验电路如图4­2­1所示图4­2­1(2)原理固定热敏电阻θ两端的电压U 0，测量热敏电阻在各温度下的电流值I i .由欧姆定律求得其电阻R ＝U 0I i，探究阻值跟温度的关系.(3)实验步骤①将热敏电阻用塑料薄膜紧贴着包裹一层，使得水浴时热敏电阻的引线不直接与水接触.②用带有导线的金属夹夹住热敏电阻的引线，连接好电路.③闭合开关，记下电压表及电流表读数，计算出热敏电阻阻值，并记下热敏电阻的温度(即水温)t .④多次改变水的温度，调节滑键P 的位置，使电压表示数保持U 0不变，记下电流表读数及水温，计算出对应的电阻值.⑤作出热敏电阻R ­t 图线. 2.探究方案(二)(1)实验器材：热敏电阻、多用电表、烧杯(备用冷、热水)、温度计、铁架台 (2)实验步骤①如图4­2­2所示，将一热敏电阻连入电路中，用多用电表欧姆挡测其电阻，记录温度、电阻值.图4­2­2②将热敏电阻放入装有少量冷水并插有温度计的烧杯中，记录温度、电阻值.③再分几次向烧杯中倒入热水观察不同温度下热敏电阻的阻值.把测量到的温度、电阻值填入表中.④在图4­2­3.图4­2­3二、热敏电阻的温度特性1.热敏电阻由半导体材料制成，所用材料根据其温度特性可分为三类：(1)负温度系数：它的电阻随温度的升高而减小，像NTC热敏电阻；(2)正温度系数：它的电阻随温度的升高而增大，像PTC热敏电阻；(3)临界温度系数：它的电阻在很小的温度范围(临界)内急剧下降，像CTC热敏电阻.2.用途：CTC型热敏电阻，阻值随温度急剧变化，因此常用作开关元件；PTC和NTC型热敏电阻用于温度测量中.三、热敏电阻与金属热电阻[合作探讨]电熨斗、电饭锅、火灾报警器等是生活中常见的传感器的应用实例，其中热敏电阻、金属热电阻是常用的敏感元件.探讨1：金属热电阻的阻值随温度的升高怎样变化？【提示】增大.探讨2：负温度系数的热敏电阻的阻值随温度的升高怎样变化？在含有热敏电阻传感器的电路中，欧姆定律是否依然成立？【提示】减小成立.[核心点击]一、常见几种传感器的工作原理1.光敏电阻和热敏电阻的原理光敏电阻和热敏电阻一般是由半导体材料做成，当半导体材料受到光照增强或温度升高时，会有更多的电子获得能量成为自由电子，于是导电性能明显增强，电阻减小.2.金属热电阻的原理金属的电阻率随温度升高而增大，随温度降低而减小，故能感受周围温度的变化.3.热敏电阻和金属热电阻的区别两者原理不同，材料不同，同样的温度变化电阻变化不同，金属热电阻化学稳定性好，测温范围大，热敏电阻灵敏度高.热敏电阻和金属热电阻的阻值随温度变化的图像如图4­2­4所示.图4­2­4二、两类热敏电阻的区别与应用1.区别NTC热敏电阻具有负温度系数，阻值随温度的升高而减小；PTC热敏电阻具有正温度系数，阻值随温度的升高而增大.2.应用(1)PTC热敏电阻的应用①电器过流过热的保护，主要应用于电脑、电视机、吹风机、热水机等；②照明延时；③消磁器，主要用于电视机的消磁电路；④启动器，用于空调、冰箱等.(2)NTC热敏电阻的应用①家用电器，如应用于电饭锅、干燥箱的温度传感器上；②电子礼品，如电子万年台历；③应用于工业上，如应用于医药、化工生产设备中的温度传感器上；④电池充电器等.4.有一电学元件，温度升高时电阻却大幅度减小，则这种元件可能是( )A.金属导体B.绝缘体C.半导体D.超导体【解析】上述四种材料只有半导体的电阻随温度升高而减小，故选C.【答案】 C5.(多选)温度传感器是应用最广泛的传感器之一，它能把温度的高低转变成电信号，通常是利用物体的某一物理性质随温度的变化而改变的特性制成.电熨斗就是靠温度传感器来控制温度的.电熨斗装有双金属片温度传感器，这种传感器的作用是控制电路的通断，其结构如图4­2­5所示.下列说法正确的是( )图4­2­5A.常温下，上、下触点应是接触的B.熨烫棉麻衣物和熨烫丝绸衣物时，需要设定不同的温度，此时可通过调温旋钮调节升降螺丝C.常温下，上、下触点应是分离的D.温度过高时，上、下触点应是接触的【解析】常温下，上、下触点应是接触的，但温度过高时，由于双金属片受热膨胀系数不同，上部金属片膨胀大，下部金属片膨胀小，则双金属片向下弯曲，使触点分离，从而切断电源，停止加热，温度降低后，双金属片恢复原状，重新接通电路加热，这样循环进行，从而起到自动控制温度的作用，所以A正确，C、D错；熨烫棉麻衣物和熨烫丝绸衣物需要设定不同的温度，此时可通过调温旋钮调节升降螺丝，升降螺丝带动弹性铜片升降，从而改变触点接触的难易，达到控制不同温度的目的，B正确.【答案】AB6.如图4­2­6所示，R1为定值电阻，R2为负温度系数的热敏电阻，L为小灯泡，当温度降低时( )图4­2­6A.R1两端的电压增大B.电流表的示数增大C.小灯泡的亮度变强D.小灯泡的亮度变弱【解析】R2与灯L并联后与R1串联，与电源构成闭合电路，当热敏电阻温度降低时，电阻R2增大，外电路电阻增大，电流表读数变小，灯L两端电压增大，灯泡亮度变强，R1两端电压减小，故C正确，其余各项均错.【答案】 C关于热敏电阻的两点提醒(1)热敏电阻随温度的升高，电阻有可能减小，也有可能增大.(2)并非所有半导体材料都可以当成光敏电阻或热敏电阻使用.学业分层测评(十二)(建议用时：45分钟)[学业达标]1.人类发射的绕地球运转的所有航天器，在轨道上工作时都需要电能，所需要的电能都是由太阳能电池把太阳能转化为电能得到的，要求太阳能电池板总是对准太阳，为达到这一要求应利用下列哪种传感器感知太阳方位( )A.力传感器B.光传感器C.温度传感器D.生物传感器【解析】太阳能电池板的有效采光面积不同，所产生的电流不同，当电流最大时正对太阳，所以应用的是光传感器，B对，A，C，D错.【答案】 B2.有一热敏电阻的电阻值在t1～t4的温度变化范围内，R­t图像如图4­2­7所示.现将该热敏电阻接在欧姆表的两表笔上，做成一个电阻温度计.为了便于读数，再把欧姆表上的电阻值转换成温度值.现在要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t1～t4温度范围内，欧姆表的倍率不变)( )图4­2­7A.t1～t2B.t2～t3C.t3～t4D.都可以【解析】由题图可知热敏电阻值随温度的升高而增大，在t2～t3温度范围内的电阻值随温度的变化较大，即电阻值随温度的变化较为灵敏，故选B.【答案】 B3.(多选)如图4­2­8所示，用光敏电阻LDR和灯泡制成的一种简易水污染指示器，下列说法中正确的是( )图4­2­8A.严重污染时，LDR是高电阻B.轻度污染时，LDR是高电阻C.无论污染程度如何，LDR的电阻不变，阻值大小由材料本身因素决定D.该仪器的使用会因为白天和晚上受到影响【解析】严重污染时，透过污水照到LDR上的光线较少，LDR电阻较大，A对，B错；LDR由半导体材料制成，受光照影响电阻会发生变化，C错；白天和晚上自然光强弱不同，或多或少会影响LDR的电阻，D对.【答案】AD4.如图所示，某半导体热敏电阻的I­U图线可能是( )【解析】半导体热敏电阻随温度的升高电阻减小，在I­U图线中，斜率越大，电阻越小，故B选项正确.【答案】 B5.(2016·武汉检测)如图4­2­9所示是一个测定液面高度的传感器，在导线芯的外面涂上一层绝缘物质，放在导电液体中，导线芯和导电液体构成电容器的两极，把这两极接入外电路，当外电路中的电流变化说明电容值增大时，则导电液体的深度h的变化为( )【导学号：72000088】图4­2­9A.h增大B.h减小C.h不变D.无法确定【解析】由题意知，导线芯和导电液体构成电容器的两极，类似于平行板电容器的两极，当液面高度发生变化时相当于两极正对面积发生变化，会引起电容的变化.与平行板电容器类比可得，导电液体的深度h增大时，导线芯和导电液体正对面积增大，电容器的电容值变大.故A正确.【答案】 A6.如图4­2­10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，关于欧姆表的读数变化情况正确的是(设水对电阻阻值的影响不计)( )图4­2­10A.如果R为金属热电阻，读数变大，且变化非常明显B.如果R为金属热电阻，读数变小，且变化不明显C.如果R为热敏电阻(用半导体材料制成)，读数变化非常明显D.如果R为热敏电阻(用半导体材料制成)，读数变化不明显【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，所以选C.【答案】 C7.传感器是一种采集信息的重要器件，如图4­2­11所示为测定压力的电容式传感器，将电容器、灵敏电流计(零刻度在中间)和电源串联成闭合回路.当压力F作用于可动电极的膜片上时，膜片产生形变，引起电容的变化，导致灵敏电流计指针偏转.在对膜片开始施加恒定的压力至膜片稳定的这段时间，灵敏电流计指针的偏转情况为(电流从灵敏电流计正接线柱流入时指针向右偏)( )图4­2­11A.灵敏电流计指针向右偏B.灵敏电流计指针向左偏C.灵敏电流计指针不动D.不能判断灵敏电流计指针向哪边偏【解析】压力F作用时，极板间距离d变小，由C＝εS4πkd，电容器电容C变大，又根据Q＝CU，极板带电量变大，所以电容器应充电，又由于上极板带正电，灵敏电流计中产生由负接线柱流入的电流，所以指针向左偏.【答案】 B8.(多选)如图4­2­12所示为光敏电阻自动计数器的示意图，其中R1为光敏电阻，R2为定值电阻.此光电计数器的基本工作原理是( )图4­2­12A.当有光照射R1时，信号处理系统获得高电压B.当有光照射R1时，信号处理系统获得低电压C.信号处理系统每获得一次低电压就计数一次D.信号处理系统每获得一次高电压就计数一次【解析】此题考查了光电计数器的工作原理，当光照射到光敏电阻R1上时，R1电阻减小，电路中电流增大，R2两端电压升高，信号处理系统得到高电压，计数器每当低电压转为高电压，就计一个数，从而达到自动计数的目的.【答案】AD[能力提升]9.如图4­2­13所示是一火警报警器的部分电路示意图.其中R3为用半导体热敏材料制成的传感器.值班室的显示器为电路中的电流表，a、b之间接报警器.当传感器R3所在处出现火情时，显示器的电流I、报警器两端的电压U的变化情况是( )图4­2­13A.I变大，U变大B.I变大，U变小C.I变小，U变小D.I变小，U变大【解析】 半导体热敏电阻，温度越高，电阻越小，干路电流就越大，由U ＝E －I 总r 知U 将减小；由U 1＝I 总R 1知R 1两端电压将增大，由U 并＝U －U 1知U 并减小，由I ＝U 并R 2知I 将减小，故C 选项正确.【答案】 C10.用图4­2­14甲所示电路测量电流表 的内阻.闭合开关S ，当变阻器的滑片滑至c 处时，电流表和电压表的读数分别为40 mA 、9 V ，已知图甲中热敏电阻的I ­U 关系图线如图乙所示，则电流表的内阻为( )【导学号：72000089】甲 乙图4­2­14A.0.14 ΩB.85 ΩC.140 ΩD.225 Ω【解析】 当电流表读数为40 mA 时，说明热敏电阻的电流为40 mA ，由题图知热敏电阻两端电压U R ＝5.6 V ，则电流表两端电压U ＝9 V －5.6 V ＝3.4 V ，由欧姆定律得R mA ＝U I＝3.440×10－3 Ω＝85 Ω，B 正确. 【答案】 B11.按图4­2­15所示接好电路，合上S 1、S 2，发现小灯泡不亮，原因是 ；用电吹风对热敏电阻吹一会儿热风，会发现小灯泡 ，原因是 ；停止吹风，会发现 ；把热敏电阻放入冷水中会发现 .图4­2­15【解析】 根据热敏电阻的性质进行分析，由于热敏电阻在常温时阻值较大，左侧电路电流较小，电磁铁磁性较弱吸不住衔铁；当用电吹风对热敏电阻加热使其阻值变小，电路中电流增大，电磁铁吸住衔铁，使右侧电路接通，小灯泡亮了，停止吹风后，小灯泡不会立即熄灭，因为热敏电阻温度仍然较高，当把热敏电阻放入冷水中后，热敏电阻温度降低很快，阻值变大，故小灯泡熄灭.【答案】见解析12.如图4­2­16(甲)为半导体材料做成的热敏电阻的阻值随温度变化的曲线，图4­2­16(乙)为用此热敏电阻R和继电器做成的温控电路，设继电器的线圈电阻为R x＝50 Ω，当继电器线圈中的电流大于或等于I c(I c＝20 mA)时，继电器的衔铁被吸合.左侧电源电动势为6 V，内阻可不计，试问温度满足什么条件时，电路右侧的小灯泡会发光？【导学号：72000090】甲乙图4­2­16【解析】由题意可知，小灯泡发光，需衔铁被吸合，即继电器线圈中的电流大于或等于I c，而左侧的温控电路，通过继电器线圈的电流等于通过热敏电阻的电流，即I t＝20 mA.根据欧姆定律I＝ER＋R x可得R＝250 Ω，由甲图可知，此时对应的温度为50 ℃，即当温度大于或等于50 ℃时，小灯泡会发光.【答案】大于或等于50 ℃。