2018-2019版高中物理 第三章 传感器 3.1-3.2 传感器 温度传感器和光传感器学案 教科版选修3-2

1 传感器
2 温度传感器和光传感器
[学习目标] 1.了解什么是传感器，感受传感技术在信息时代的作用与意义.2.了解热敏电阻、敏感元件的特性.3.了解几种温度传感器及光传感器的原理.
一、传感器
1.定义：把被测的非电信息，按一定规律转换成与之对应的电信息的器件或装置.
2.组成：一般由敏感元件和处理电路组成.
(1)敏感元件：将要测量的非电信息变换成易于测量的物理量，形成电信号.
(2)处理电路：将敏感元件输出的电信号转换成便于显示、记录、处理和控制的电学量.
3.敏感元件的原理
(1)物理类：基于力、热、光、电磁和声等物理效应；
(2)化学类：基于化学反应的原理；
(3)生物类：基于酶、抗体和激素等分子识别功能.
二、温度传感器
1.分类
(1)热双金属片温度传感器.
(2)热电阻传感器.
(3)热敏电阻传感器.
①NTC型：电阻值随温度升高而减小.
②PTC型：电阻值随温度升高而增大.
2.作用
将温度变化转换为电学量变化，通过测量传感器元件的电学量随温度的变化来实现温度的测量.
三、光传感器
1.原理：某些金属或半导体材料，在电路中受到光照时，产生电流或电压，实现光信号向电信号的转化.
2.作用：感知光线的变化或场景的变换，使“机器”作出反应.
[即学即用]
1.判断下列说法的正误.
(1)传感器可以把非电学量转化为电学量.( √)
(2)热敏电阻的阻值随温度的升高而增大.( ×)
(3)干簧管可以感知磁场，接入电路，相当于开关的作用.( √)
(4)光敏电阻的阻值随光线的强弱而变化，光照越强电阻越小.( √)
2.如图1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，电流表的读数
________(填“变大”或“变小”)，小灯泡的亮度________(填“变亮”或“变暗”).
图1
答案变小变亮
一、传感器
[导学探究] 当你走进一座大楼时，大堂的自动门是如何“看到”你而自动打开的？
答案人体发出的红外线被传感器接收后传给自动控制装置的电动机，实现自动开关门.
[知识深化]
1.传感器的原理：
非电学量→→电学量
2.在分析传感器时要明确：
(1)核心元件是什么；
(2)是怎样将非电学量转化为电学量的；
(3)是如何显示或控制开关的.
例1如图2是一种测定油箱油量多少或变化多少的装置.其中电源电压保持不变，R是滑动变阻器，它的金属滑片是金属杆的一端.在装置中使用了一只电压表(图中没有画出)，通过观察电压表示数可以了解油量情况.若将电压表分别接在b、c之间与c、d之间，当油量变化时，电压表的示数如何变化？
图2
答案见解析
解析把电压表接在b、c之间，油量增加时，R减小，电压表的示数减小；油量减少时，R增大，电压表的示数增大.把电压表接在c、d之间，油量增加时，R减小，电路中电流增大，则R′两端的电压增大，电压表的示数增大，同理，油量减少时，电压表的示数减小.
二、温度传感器
[导学探究] 如图3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R T(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.若在R T上擦一些酒精，表针将如何偏转？若用吹风机将热风吹向热敏电阻，表针将如何偏转？
图3
答案由于酒精蒸发，热敏电阻R T温度降低，电阻值增大，表针将向左偏；用吹风机将热风吹向热敏电阻，热敏电阻R T温度升高，电阻值减小，表针将向右偏.
[知识深化]
1.温度传感器的作用：将温度的变化转换为电学量的变化.
2.常见的温度传感器
(1)热双金属片温度传感器
①原理：两种膨胀系数相差较大的不同金属片制成一体，温度升高时，双金属片变形，可控制电路的通断.
②应用：日光灯启动器，电机、电冰箱保护等.
(2)热电阻传感器
①原理：用金属丝制作的感温电阻叫热电阻，当外界温度t发生变化时，其电阻值按R＝R0(1＋θt)的规律变化(θ为温度系数，R0为t＝0 ℃时导体的电阻).
②应用：测温度、测流量等.
(3)热敏电阻传感器
①原理：半导体热敏电阻的阻值随温度的变化而变化.
②应用：测温、温度控制或过热保护等.
③分类：正温度系数的热敏电阻(PTC)，它的电阻随温度升高而增大.
负温度系数的热敏电阻(NTC)，它的电阻随温度的升高而减小.
例2(多选)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4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( )
图4
A.电容器C的带电荷量增大
B.电压表的读数增大
C.电容器C两板间的电场强度减小
D.R1消耗的功率增大
答案AB
解析 当环境温度降低时，R 2变大，电路的总电阻变大，由I ＝
E
R 总
知I 变小，又U ＝E －Ir ，电压表的读数U 增大，B 正确；又由P 1＝I 2
R 1可知，R 1消耗的功率P 1变小，D 错误；电容器两板间的电压U 2＝U －U 1，U 1＝IR 1，可知U 1变小，U 2变大，由场强E ′＝U 2d
，Q ＝CU 2可知，Q 、E ′都增大，故A 正确，C 错误. 三、光传感器
[导学探究] 如图5所示为光电式烟尘浓度计的原理图，请阅读教材，然后简述其工作原理.
图5
答案 光源1发出的光线经半透半反镜3，分成两束强度相等的光线.一路光线直接到达光电转换电路7上，产生作为被测烟尘浓度的参比信号.另一路光线经反射镜4穿过被测烟尘5到达光电转换电路6上，其中一部分光线被烟尘吸收或散射而衰减，烟尘浓度越高，光线的衰减量越大，到达光电转换电路6的光就越弱.两路光线分别转换成电压信号U 1、U 2，如果U 1＝U 2，说明被测的光路上没有烟尘；相反，如果U 1、U 2相差较大，说明烟尘较大，因此可用两者之比，算出被测烟尘的浓度.
例3 (多选)如图6所示，R 1、R 2为定值电阻，L 为小灯泡，R 3为光敏电阻，当入射光强度增大时( )
图6
A.电压表的示数增大
B.R 2中电流减小
C.小灯泡的功率增大
D.电路的路端电压增大 答案 ABC
解析 当入射光强度增大时，R 3阻值减小，外电路总电阻减小，由闭合电路欧姆定律知，干路电流增大，R 1两端电压增大，从而电压表的示数增大，同时内电压增大，故电路的路端电压减小，A 项正确，D 项错误.因路端电压减小，而R 1两端电压增大，故R 2两端电压必减小，则R 2中电流减小，故B 项正确.结合干路电流增大知流过小灯泡的电流必增大，故小灯泡的功率增大，C 项正确.
含有热敏电阻、光敏电阻电路的动态分析步骤：
(1)明确热敏电阻(或光敏电阻)的阻值随温度(或光照强度)的增加是增大还是减小. (2)分析整个回路的电阻的增减、电流的增减.
(3)分析部分电路的电压、电流如何变化.
1.(对传感器的理解)关于传感器，下列说法正确的是 ( )
A.所有传感器都是由半导体材料制成的
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.水银温度计是一种传感器
答案 B
解析大多数传感器是由半导体材料制成的，某些金属也可以制成传感器，如金属热电阻，故A错，B对；传感器将非电学量转换为电学量,因此传感器感知的应该是“非电信号”,故C错；水银温度计能感受热学量，但不能把热学量转化为电学量，因此不是传感器，故D错.
2.(光敏电阻的特性)如图7所示的电路中，电源两端的电压恒定，L为小灯泡，R为光敏电阻，R和L中间用挡板(未画出)隔开，LED为发光二极管(电流越大，发出的光越强)，且R与LED间距不变，下列说法中正确的是( )
图7
A.当滑动触头P向左移动时，L消耗的功率增大
B.当滑动触头P向左移动时，L消耗的功率减小
C.当滑动触头P向右移动时，L消耗的功率可能不变
D.无论怎样移动滑动触头P，L消耗的功率都不变
答案 A
解析滑动触头P左移，滑动变阻器接入电路的电阻减小，流过二极管的电流增大，从而发光增强，使光敏电阻R减小，最终达到增大流过灯泡的电流的效果.
3.(热敏电阻的特性)如图8所示是观察电阻R的阻值随温度变化情况的示意图，现在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( )
图8
A.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(用半导体材料制作)，读数变化非常明显
D.如果R为热敏电阻(用半导体材料制作)，读数变化不明显
答案 C
解析如果R为金属热电阻，则读数变大，但不会非常明显，故A、B均错；如果R为热敏电阻，读数变化非常明显，故C对，D错.。