高中物理 第4章 傳感器與現(xiàn)代社會 4_1傳感器的原理 4_2探究熱敏電阻的溫度特性曲線教師用書 滬科版選修3-2

4.1傳感器的原理4.2探究熱敏電阻的溫度特性曲線學 習 目 標知 識 脈 絡1.了解傳感器的概念，知道傳感器的常見類型.2.掌握傳感器的敏感元件和轉(zhuǎn)換電路.(重點)3.掌握熱敏電阻的阻值與溫度的關(guān)系.(重點)4.會用光敏電阻和熱敏電阻設計、分析一些實際問題.傳 感 器 的 原 理1.傳感器(1)定義：傳感器是通過測量外界的物理量、化學量或生物量來捕捉和識別信息，并將被測量的非電學量轉(zhuǎn)換成電學量的裝置.它一般包括敏感元件和轉(zhuǎn)換電路等.(2)敏感元件：它是傳感器的核心，它利用各種物理、化學、生物效應，將非電學參數(shù)的變化轉(zhuǎn)換成電學參數(shù)的變化.(3)轉(zhuǎn)換電路：將敏感元件采集的信息進行處理，以電壓或電流的形式輸出.2.智能傳感器當轉(zhuǎn)換電路采用計算機進行信息處理，并輸出數(shù)字信息的傳感器.3.光敏電阻的導電特性光敏電阻的阻值隨光照強度的增強而減小.4.傳感器的類型類型特性舉例物理型傳感器利用被測物理量變化時，敏感元件的電學量(如電壓、電阻、電容等)發(fā)生明顯的變化的特性制成的力學傳感器化學型傳感器用能把化學物質(zhì)的成分、濃度等化學量轉(zhuǎn)換為電學量的敏感元件制成的離子傳感器生物型傳感器利用生物體組織的各種生物、化學與物理效應制成的酶傳感器、免疫傳感器、抗原抗體傳感器等1.傳感器是把電學量轉(zhuǎn)換為非電學量的裝置.()2.地震救災時使用的生命探測儀是利用了生物傳感器.()3.計算機用的鼠標器是一個光敏傳感器.()1.光敏電阻和熱敏電阻各是由什么材料制成的？金屬與熱敏電阻的電阻率各有什么特點？【提示】光敏電阻和熱敏電阻由半導體材料制成；金屬熱電阻的電阻率隨溫度升高而增大，熱敏電阻的電阻率隨溫度升高而減小且非線性變化.2.所有的敏感元件都是把非電學量轉(zhuǎn)化為電學量嗎？【提示】是的.不同的傳感器中的敏感元件不同，工作原理也不相同，但都是將非電學量轉(zhuǎn)化為電學量的.傳感器是一種檢測裝置，能感受到被測量的信息，并能將感受到的信息，按一定規(guī)律變換成電信號或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲、顯示、記錄和控制等要求.探討1：傳感器的基本作用是什么？【提示】將被測量的非電學量轉(zhuǎn)換成電學量.探討2：不便于測量和控制的非電學量有哪些？【提示】角度、位移、速度、壓力、溫度、聲強、光照等.探討3：便于測量和控制的電學量有哪些？【提示】電流、電壓等.1.傳感器的工作原理傳感器感受的一般是非電學量，如壓力、溫度、位移、濃度、速度、酸堿度等，而它輸出的通常是電學量，如電壓值、電流值、電荷量等，這些輸出信號是非常微弱的，通常要經(jīng)過放大后，再輸送給自動控制系統(tǒng)以使其產(chǎn)生各種控制動作.傳感器：非電學量傳感器電學量傳感器換能器：一種形式的能量另一種形式的能量2.三類傳感器的異同(1)相同點：都能將感受到的非電學量信息轉(zhuǎn)化成電學量，都是利用敏感元件的某種敏感效應制成的.(2)不同點：三類傳感器的工作原理不同，所利用的敏感元件的敏感效應不同.生物傳感器與物理傳感器和化學傳感器的最大區(qū)別在于生物傳感器的感受器中含有生命物質(zhì).3.一些常見的傳感器傳感器種類繁多，具體功能各不相同，下表給出一些常見的傳感器及其工作原理.傳感器品種工作原理可被測定的非電學量力敏電阻、熱敏電阻、半導體傳感器阻值變化力、質(zhì)量、加速度、溫度、濕度、氣體電容傳感器電容量變化力、質(zhì)量、加速度、液面、濕度感應傳感器電感量變化力、質(zhì)量、加速度、旋進數(shù)、轉(zhuǎn)矩、磁場霍爾傳感器霍爾效應角度、旋進度、力、磁場壓電傳感器，超聲波傳感器壓電效應壓力、加速度、距離1.下列說法正確的是()A.凡將非電學量轉(zhuǎn)化為電學量的傳感器都是物理傳感器B.濕敏傳感器只能是物理傳感器C.物理傳感器只能將采集到的信息轉(zhuǎn)化為電壓輸出D.物理傳感器利用的是物質(zhì)的物理性質(zhì)和物理效應【解析】各種傳感器雖然工作原理不同，但基本功能相似，多數(shù)是將非電學量轉(zhuǎn)化為電學量，故A錯；濕敏傳感器為化學傳感器，故B錯；傳感器既可將信息轉(zhuǎn)化為電壓輸出，也可轉(zhuǎn)化為電流、電阻等輸出，故C錯；由物理傳感器定義知D正確.【答案】D2.關(guān)于物理傳感器、化學傳感器和生物傳感器的下列說法中，正確的是()A.物理傳感器是利用材料的某種物理性質(zhì)工作的，因而只能用于機械加工行業(yè)不能用于化工領(lǐng)域B.化學傳感器是利用某種化學反應來工作的，因而只能輸出某種化學物質(zhì)而不能輸出電學量C.生物傳感器的適用范圍廣，可在任意溫度條件下工作D.生物傳感器由于含有生命物質(zhì)，因而對使用傳感器的環(huán)境條件有一定要求【解析】不論哪種傳感器都可以將非電學量轉(zhuǎn)換成電學量輸出，故B錯；物理傳感器在化工領(lǐng)域也可以使用，如溫度傳感器等，故A錯；生物傳感器能夠使用的前提是感受器中的生命物質(zhì)保持生物活性，故C錯、D對.【答案】D3.如圖411所示的電路可將聲音信號轉(zhuǎn)化為電信號，該電路中右側(cè)固定不動的金屬板b與能在聲波驅(qū)動下沿水平方向振動的鍍有金屬層的振動膜a構(gòu)成一個電容器，a、b通過導線與恒定電源兩極相接.聲源S做位移xAsin(100t)的振動，則()圖411A.a振動過程中，a、b板間的電場強度不變B.a振動過程中，a、b板所帶電荷量不變C.a振動過程中，靈敏電流表中始終有方向不變的電流D.a向右的位移最大時，a、b板所構(gòu)成的電容器的電容最大【解析】由于平行板電容器兩極板與電池兩極相連接，因此兩極板間的電壓U保持不變，根據(jù)場強E，C可判斷A錯、D對；再由QCU可知，B錯；由于Q變化，使電容器出現(xiàn)充電、放電現(xiàn)象，顯然電流表中電流方向不斷變化，C錯.【答案】D傳感器的優(yōu)點電學量具有便于控制、放大、衰減、波形整理、顯示、可儲存、遠距離傳輸?shù)燃夹g(shù)方面的優(yōu)點，尤其是將電學量與計算機技術(shù)結(jié)合，可以方便地實現(xiàn)信息的采集、處理、輸出的自動化和智能化，所以現(xiàn)代信息技術(shù)與自動控制中常將非電學量轉(zhuǎn)化成電學量進行信息收集.探 究 熱 敏 電 阻 的 溫 度 特 性 曲 線一、探究熱敏電阻的阻值隨溫度變化的方案1.探究方案(一)(1)實驗電路如圖421所示圖421(2)原理固定熱敏電阻兩端的電壓U0，測量熱敏電阻在各溫度下的電流值Ii.由歐姆定律求得其電阻R，探究阻值跟溫度的關(guān)系.(3)實驗步驟將熱敏電阻用塑料薄膜緊貼著包裹一層，使得水浴時熱敏電阻的引線不直接與水接觸.用帶有導線的金屬夾夾住熱敏電阻的引線，連接好電路.閉合開關(guān)，記下電壓表及電流表讀數(shù)，計算出熱敏電阻阻值，并記下熱敏電阻的溫度(即水溫)t.多次改變水的溫度，調(diào)節(jié)滑鍵P的位置，使電壓表示數(shù)保持U0不變，記下電流表讀數(shù)及水溫，計算出對應的電阻值.作出熱敏電阻Rt圖線.2.探究方案(二)(1)實驗器材：熱敏電阻、多用電表、燒杯(備用冷、熱水)、溫度計、鐵架臺(2)實驗步驟如圖422所示，將一熱敏電阻連入電路中，用多用電表歐姆擋測其電阻，記錄溫度、電阻值.圖422將熱敏電阻放入裝有少量冷水并插有溫度計的燒杯中，記錄溫度、電阻值.再分幾次向燒杯中倒入熱水觀察不同溫度下熱敏電阻的阻值.把測量到的溫度、電阻值填入表中.次數(shù)12345t/CR/在圖423中，粗略描繪出熱敏電阻的阻值R隨t變化的Rt圖線.圖423二、熱敏電阻的溫度特性1.熱敏電阻由半導體材料制成，所用材料根據(jù)其溫度特性可分為三類：(1)負溫度系數(shù)：它的電阻隨溫度的升高而減小，像NTC熱敏電阻；(2)正溫度系數(shù)：它的電阻隨溫度的升高而增大，像PTC熱敏電阻；(3)臨界溫度系數(shù)：它的電阻在很小的溫度范圍(臨界)內(nèi)急劇下降，像CTC熱敏電阻.2.用途：CTC型熱敏電阻，阻值隨溫度急劇變化，因此常用作開關(guān)元件；PTC和NTC型熱敏電阻用于溫度測量中.三、熱敏電阻與金屬熱電阻氧化錳熱敏電阻金屬熱電阻特點電阻率隨溫度的升高而減小電阻率隨溫度的升高而增大制作材料半導體金屬優(yōu)點靈敏度好化學穩(wěn)定性好，測溫范圍大作用將溫度這個熱學量轉(zhuǎn)換為電阻這個電學量電熨斗、電飯鍋、火災報警器等是生活中常見的傳感器的應用實例，其中熱敏電阻、金屬熱電阻是常用的敏感元件.探討1：金屬熱電阻的阻值隨溫度的升高怎樣變化？【提示】增大.探討2：負溫度系數(shù)的熱敏電阻的阻值隨溫度的升高怎樣變化？在含有熱敏電阻傳感器的電路中，歐姆定律是否依然成立？【提示】減小成立.一、常見幾種傳感器的工作原理1.光敏電阻和熱敏電阻的原理光敏電阻和熱敏電阻一般是由半導體材料做成，當半導體材料受到光照增強或溫度升高時，會有更多的電子獲得能量成為自由電子，于是導電性能明顯增強，電阻減小.2.金屬熱電阻的原理金屬的電阻率隨溫度升高而增大，隨溫度降低而減小，故能感受周圍溫度的變化.3.熱敏電阻和金屬熱電阻的區(qū)別兩者原理不同，材料不同，同樣的溫度變化電阻變化不同，金屬熱電阻化學穩(wěn)定性好，測溫范圍大，熱敏電阻靈敏度高.熱敏電阻和金屬熱電阻的阻值隨溫度變化的圖像如圖424所示.圖424二、兩類熱敏電阻的區(qū)別與應用1.區(qū)別NTC熱敏電阻具有負溫度系數(shù)，阻值隨溫度的升高而減??；PTC熱敏電阻具有正溫度系數(shù)，阻值隨溫度的升高而增大.2.應用(1)PTC熱敏電阻的應用電器過流過熱的保護，主要應用于電腦、電視機、吹風機、熱水機等；照明延時；消磁器，主要用于電視機的消磁電路；啟動器，用于空調(diào)、冰箱等.(2)NTC熱敏電阻的應用家用電器，如應用于電飯鍋、干燥箱的溫度傳感器上；電子禮品，如電子萬年臺歷；應用于工業(yè)上，如應用于醫(yī)藥、化工生產(chǎn)設備中的溫度傳感器上；電池充電器等.4.有一電學元件，溫度升高時電阻卻大幅度減小，則這種元件可能是()A.金屬導體B.絕緣體C.半導體D.超導體【解析】上述四種材料只有半導體的電阻隨溫度升高而減小，故選C.【答案】C5.(多選)溫度傳感器是應用最廣泛的傳感器之一，它能把溫度的高低轉(zhuǎn)變成電信號，通常是利用物體的某一物理性質(zhì)隨溫度的變化而改變的特性制成.電熨斗就是靠溫度傳感器來控制溫度的.電熨斗裝有雙金屬片溫度傳感器，這種傳感器的作用是控制電路的通斷，其結(jié)構(gòu)如圖425所示.下列說法正確的是()圖425A.常溫下，上、下觸點應是接觸的B.熨燙棉麻衣物和熨燙絲綢衣物時，需要設定不同的溫度，此時可通過調(diào)溫旋鈕調(diào)節(jié)升降螺絲C.常溫下，上、下觸點應是分離的D.溫度過高時，上、下觸點應是接觸的【解析】常溫下，上、下觸點應是接觸的，但溫度過高時，由于雙金屬片受熱膨脹系數(shù)不同，上部金屬片膨脹大，下部金屬片膨脹小，則雙金屬片向下彎曲，使觸點分離，從而切斷電源，停止加熱，溫度降低后，雙金屬片恢復原狀，重新接通電路加熱，這樣循環(huán)進行，從而起到自動控制溫度的作用，所以A正確，C、D錯；熨燙棉麻衣物和熨燙絲綢衣物需要設定不同的溫度，此時可通過調(diào)溫旋鈕調(diào)節(jié)升降螺絲，升降螺絲帶動彈性銅片升降，從而改變觸點接觸的難易，達到控制不同溫度的目的，B正確.【答案】AB6.如圖426所示，R1為定值電阻，R2為負溫度系數(shù)的熱敏電阻，L為小燈泡，當溫度降低時()圖426A.R1兩端的電壓增大B.電流表的示數(shù)增大C.小燈泡的亮度變強D.小燈泡的亮度變?nèi)酢窘馕觥縍2與燈L并聯(lián)后與R1串聯(lián)，與電源構(gòu)成閉合電路，當熱敏電阻溫度降低時，電阻R2增大，外電路電阻增大，電流表讀數(shù)變小，燈L兩端電壓增大，燈泡亮度變強，R1兩端電壓減小，故C正確，其余各項均錯.【答案】C關(guān)于熱敏電阻的兩點提醒(1)熱敏電阻隨溫度的升高，電阻有可能減小，也有可能增大.(2)并非所有半導體材料都可以當成光敏電阻或熱敏電阻使用.學業(yè)分層測評(十二)(建議用時：45分鐘)學業(yè)達標1.人類發(fā)射的繞地球運轉(zhuǎn)的所有航天器，在軌道上工作時都需要電能，所需要的電能都是由太陽能電池把太陽能轉(zhuǎn)化為電能得到的，要求太陽能電池板總是對準太陽，為達到這一要求應利用下列哪種傳感器感知太陽方位()A.力傳感器B.光傳感器C.溫度傳感器D.生物傳感器【解析】太陽能電池板的有效采光面積不同，所產(chǎn)生的電流不同，當電流最大時正對太陽，所以應用的是光傳感器，B對，A，C，D錯.【答案】B2.有一熱敏電阻的電阻值在t1t4的溫度變化范圍內(nèi)，Rt圖像如圖427所示.現(xiàn)將該熱敏電阻接在歐姆表的兩表筆上，做成一個電阻溫度計.為了便于讀數(shù)，再把歐姆表上的電阻值轉(zhuǎn)換成溫度值.現(xiàn)在要使該溫度計對溫度的變化反應較為靈敏，那么該溫度計測量哪段范圍內(nèi)的溫度較為適宜(設在t1t4溫度范圍內(nèi)，歐姆表的倍率不變)()圖427A.t1t2B.t2t3C.t3t4D.都可以【解析】由題圖可知熱敏電阻值隨溫度的升高而增大，在t2t3溫度范圍內(nèi)的電阻值隨溫度的變化較大，即電阻值隨溫度的變化較為靈敏，故選B.【答案】B3.(多選)如圖428所示，用光敏電阻LDR和燈泡制成的一種簡易水污染指示器，下列說法中正確的是()圖428A.嚴重污染時，LDR是高電阻B.輕度污染時，LDR是高電阻C.無論污染程度如何，LDR的電阻不變，阻值大小由材料本身因素決定D.該儀器的使用會因為白天和晚上受到影響【解析】嚴重污染時，透過污水照到LDR上的光線較少，LDR電阻較大，A對，B錯；LDR由半導體材料制成，受光照影響電阻會發(fā)生變化，C錯；白天和晚上自然光強弱不同，或多或少會影響LDR的電阻，D對.【答案】AD4.如圖所示，某半導體熱敏電阻的IU圖線可能是()【解析】半導體熱敏電阻隨溫度的升高電阻減小，在IU圖線中，斜率越大，電阻越小，故B選項正確.【答案】B5.(2016武漢檢測)如圖429所示是一個測定液面高度的傳感器，在導線芯的外面涂上一層絕緣物質(zhì)，放在導電液體中，導線芯和導電液體構(gòu)成電容器的兩極，把這兩極接入外電路，當外電路中的電流變化說明電容值增大時，則導電液體的深度h的變化為()【導學號：72000088】圖429A.h增大B.h減小C.h不變D.無法確定【解析】由題意知，導線芯和導電液體構(gòu)成電容器的兩極，類似于平行板電容器的兩極，當液面高度發(fā)生變化時相當于兩極正對面積發(fā)生變化，會引起電容的變化.與平行板電容器類比可得，導電液體的深度h增大時，導線芯和導電液體正對面積增大，電容器的電容值變大.故A正確.【答案】A6.如圖4210所示是觀察電阻值隨溫度變化情況的示意圖.現(xiàn)把杯中的水由冷水變?yōu)闊崴P(guān)于歐姆表的讀數(shù)變化情況正確的是(設水對電阻阻值的影響不計)()圖4210A.如果R為金屬熱電阻，讀數(shù)變大，且變化非常明顯B.如果R為金屬熱電阻，讀數(shù)變小，且變化不明顯C.如果R為熱敏電阻(用半導體材料制成)，讀數(shù)變化非常明顯D.如果R為熱敏電阻(用半導體材料制成)，讀數(shù)變化不明顯【解析】金屬熱電阻的阻值隨溫度的升高而增大，但靈敏度較差.而熱敏電阻(用半導體材料制成)靈敏度高，所以選C.【答案】C7.傳感器是一種采集信息的重要器件，如圖4211所示為測定壓力的電容式傳感器，將電容器、靈敏電流計(零刻度在中間)和電源串聯(lián)成閉合回路.當壓力F作用于可動電極的膜片上時，膜片產(chǎn)生形變，引起電容的變化，導致靈敏電流計指針偏轉(zhuǎn).在對膜片開始施加恒定的壓力至膜片穩(wěn)定的這段時間，靈敏電流計指針的偏轉(zhuǎn)情況為(電流從靈敏電流計正接線柱流入時指針向右偏)()圖4211A.靈敏電流計指針向右偏B.靈敏電流計指針向左偏C.靈敏電流計指針不動D.不能判斷靈敏電流計指針向哪邊偏【解析】壓力F作用時，極板間距離d變小，由C，電容器電容C變大，又根據(jù)QCU，極板帶電量變大，所以電容器應充電，又由于上極板帶正電，靈敏電流計中產(chǎn)生由負接線柱流入的電流，所以指針向左偏.【答案】B8.(多選)如圖4212所示為光敏電阻自動計數(shù)器的示意圖，其中R1為光敏電阻，R2為定值電阻.此光電計數(shù)器的基本工作原理是()圖4212A.當有光照射R1時，信號處理系統(tǒng)獲得高電壓B.當有光照射R1時，信號處理系統(tǒng)獲得低電壓C.信號處理系統(tǒng)每獲得一次低電壓就計數(shù)一次D.信號處理系統(tǒng)每獲得一次高電壓就計數(shù)一次【解析】此題考查了光電計數(shù)器的工作原理，當光照射到光敏電阻R1上時，R1電阻減小，電路中電流增大，R2兩端電壓升高，信號處理系統(tǒng)得到高電壓，計數(shù)器每當?shù)碗妷恨D(zhuǎn)為高電壓，就計一個數(shù)，從而達到自動計數(shù)的目的.【答案】AD能力提升9.如圖4213所示是一火警報警器的部分電路示意圖.其中R3為用半導體熱敏材料制成的傳感器.值班室的顯示器為電路中的電流表，a、b之間接報警器.當傳感器R3所在處出現(xiàn)火情時，顯示器的電流I、報警器兩端的電壓U的變化情況是()圖4213A.I變大，U變大B.I變大，U變小C.I變小，U變小D.I變小，U變大【解析】半導體熱敏電阻，溫度越高，電阻越小，干路電流就越大，由UEI總r知U將減??；由U1I總R1知R1兩端電壓將增大，由U并UU1知U并減小，由I知I將減小，故C選項正確.【答案】C10.用圖4214甲所示電路測量電流表 的內(nèi)阻.閉合開關(guān)S，當變阻器的滑片滑至c處時，電流表和電壓表的讀數(shù)分別為40 mA、9 V，已知圖甲中熱敏電阻的IU關(guān)系圖線如圖乙所示，則電流表的內(nèi)阻為() 【導學號：72000089】甲乙圖4214A.0.14 B.85 C.140 D.225 【解析】當電流表讀數(shù)為40 mA時，說明熱敏電阻的電流為40 mA，由題圖知熱敏電阻兩端電壓UR5.6 V，則電流表兩端電壓U9 V5.6 V3.4 V，由歐姆定律得RmA 85 ，B正確.【答案】B11.按圖4215所示接好電路，合上S1、S2，發(fā)現(xiàn)小燈泡不亮，原因是 ；用電吹風對熱敏電阻吹一會兒熱風，會發(fā)現(xiàn)小燈泡 ，原因是 ；停止吹風，會發(fā)現(xiàn) ；把熱敏電阻放入冷水中會發(fā)現(xiàn) .圖4215【解析】根據(jù)熱敏電阻的性質(zhì)進行分析，由于熱敏電阻在常溫時阻值較大，左側(cè)電路電流較小，電磁鐵磁性較弱吸不住銜鐵；當用電吹風對熱敏電阻加熱使其阻值變小，電路中電流增大，電磁鐵吸住銜鐵，使右側(cè)電路接通，小燈泡亮了，停止吹風后，小燈泡不會立即熄滅，因為熱敏電阻溫度仍然較高，當把熱敏電阻放入冷水中后，熱敏電阻溫度降低很快，阻值變大，故小燈泡熄滅.【答案】見解析12.如圖4216(甲)為半導體材料做成的熱敏電阻的阻值隨溫度變化的曲線，圖4216(乙)為用此熱敏電阻R和繼電器做成的溫控電路，設繼電器的線圈電阻為Rx50 ，當繼電器線圈中的電流大于或等于Ic(Ic20 mA)時，繼電器的銜鐵被吸合.左側(cè)電源電動勢為6 V，內(nèi)阻可不計，試問溫度滿足什么條件時，電路右側(cè)的小燈泡會發(fā)光？ 【導學號：72000090】甲乙圖4216【解析】由題意可知，小燈泡發(fā)光，需銜鐵被吸合，即繼電器線圈中的電流大于或等于Ic，而左側(cè)的溫控電路，通過繼電器線圈的電流等于通過熱敏電阻的電流，即It20 mA.根據(jù)歐姆定律I可得R250 ，由甲圖可知，此時對應的溫度為50 ，即當溫度大于或等于50 時，小燈泡會發(fā)光.【答案】大于或等于50