高中物理第三章传感器2温度传感器和光传感器课件-74张 74页

　 2. 温度传感器和光传感器 一、温度传感器 1. 热双金属片温度传感器 : (1) 原理 : 不同金属的 _________ 不同 , 将两种膨胀系数 相差较大的不同金属片焊接或轧制成为一体后 , 温度升 高时 , 由于两面金属 _________ 不同 , 双金属片受热变形 , 并且向膨胀系数小的一方弯曲。 (2) 应用 : 日光灯 _______, 电机过热保护器等。 膨胀系数 膨胀程度 启动器 2. 热电阻传感器 : (1) 原理 : 金属丝的电阻随温度升高而 _____ 。 (2) 电阻与温度的关系 :R= _________ 。 (3) 应用 : 测 _____ 、测流量。 增大 R 0 (1+θt) 温度 3. 热敏电阻传感器 : (1)NTC 热敏电阻 : 温度升高 , 电阻 _____ 。常用于测温、 温度控制或过热保护。 (2)PTC 热敏电阻 : 温度升高 , 电阻 _____ 。在某个特定温 度附近时电阻急剧变化 , 适用于制成热保护开关。 减小 增大 二、光传感器 1. 作用 : 光传感器是转换 _______ 的传感器。 2. 原理 : 有些金属或半导体材料 , 在电路中受到光照时 , 产生 _____ 或 _____, 实现光信号向电信号的转化。 3. 应用 :_______ 、光电式烟尘浓度计、光电式转速 表。 光信号 电流 电压 自动门 【 思考辨析 】 (1) 光敏电阻的阻值随光线的强弱而变化 , 光照越强电阻越大。 ( 　　 ) (2) 制作光敏电阻的材料是半导体 , 半导体是靠空穴和自由电子即载流子导电的。 ( 　　 ) (3) 半导体中的载流子随光照的增强而减少 , 导电能力也就随光照的增强而减弱。 ( 　　 ) (4) 热敏电阻的阻值随温度的升高而减小。 ( 　　 ) 提示 : (1)× 。光敏电阻的阻值随光线的强弱而变化 , 但光照越强 , 电阻越小 , 导电能力越强。 (2)√ 。 (3)× 。制作光敏电阻的材料是半导体 , 半导体是靠空穴和自由电子即载流子导电的 , 而载流子随光照的增强而增多 , 表现为电阻减小 , 导电能力增强。 (4)× 。正温度系数的热敏电阻在温度升高时电阻值增大。 一　光敏电阻的特性 【 典例 】 为了节能和环保 , 一些公共场所使用光控开关 控制照明系统。光控开关可采用光敏电阻来控制 , 光敏 电阻是阻值随着光的照度而发生变化的元件 ( 照度可以 反映光的强弱 , 光越强照度越大 , 照度单位为 lx) 。某光 敏电阻 R p 在不同照度下的阻值如表 : 照度 /lx 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 电阻 /kΩ 75 40 28 23 20 18 (1) 根据表中数据 , 请在图甲给定的坐标系中描绘出光敏电阻阻值随照度变化的曲线 , 并说明阻值随照度变化的特点。 (2) 如图乙所示 , 当 1 、 2 两端所加电压上升至 2 V 时 , 控制开关自动启动照明系统 , 请利用下列器材设计一个简单电路。给 1 、 2 两端提供电压 , 要求当天色渐暗照度降低至 1.0 lx 时启动照明系统 , 在虚线框内完成电路原理图。 不考虑控制开关对所设计电路的影响 ) 提供的器材如下 : 光敏电阻 R p ( 符号 , 阻值见图表 ) 直流电源 E( 电动势 3 V, 内阻不计 ) 定值电阻 :R 1 =10 kΩ,R 2 =20 kΩ,R 3 =40 kΩ( 限选其中 之一并在图中标出 ); 开关 S 及导线若干。 【 解题探究 】 (1) 如何描绘出光敏电阻阻值随照度变化的曲线 ? 提示 : 根据表中数据 , 先描点 , 后用平滑的曲线连接。 (2) 如何能使 1 、 2 两端所加电压为 2 V? 提示 : 电源电动势为 3 V, 要使 1 、 2 两端所加电压为 2 V, 故应加上一个分压电阻。 【 正确解答 】 (1) 根据表中的数据 , 在坐标纸上描点连线 , 得到如图所示的变化曲线。 阻值随照度变化的特点 : 光敏电阻的阻值随光的照度的 增大非线性减小。 (2) 因天色渐暗照度降低至 1.0 l x 时启动照 明系统 , 此时光敏电阻阻值为 20 kΩ, 两端 电压为 2 V, 电源电动势为 3 V, 故应加上一 个分压电阻 , 分压电阻阻值为 10 kΩ, 即选用 R 1 ; 此电路 的原理图如图所示。 答案 : 见正确解答 【 核心归纳 】 1. 探究光敏电阻的特性 : (1) 实验器材 : 电压直流电源、滑动变阻器、小灯泡、多用电表、光敏电阻、导线、黑纸。 (2) 实验步骤 : ① 将光敏电阻、多用电表、小灯泡、滑动变阻器按如图所示电路连接好 , 并将多用电表置于“ ×100” 挡。 ② 先测出在室内自然光的照射下光敏电阻的阻值 , 并记录数据。 ③打开电源 , 让小灯泡发光 , 调节小灯泡的亮度使之逐渐变亮 , 观察表盘指针显示电阻阻值的情况 , 并记录。 ④用黑纸遮光 , 观察表盘指针显示电阻阻值的情况 , 并记录。 (3) 数据处理 : 把记录的结果填入表中 , 根据记录数据分析光敏电阻的特性。 结论 : 光敏电阻的阻值被光照射时发生变化 , 光照增强电阻变小 , 光照减弱电阻变大。 光照强度 弱 中 强 无光照射 阻值 /Ω 2. 认识光敏电阻 : (1) 光敏电阻的材料是一种半导体 , 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 , 导电性能变好。 (2) 光敏电阻能够把光照强弱这个光学量转换为电阻这个电学量。它就像人的眼睛 , 可以看到光线的强弱。光线愈强 , 阻值愈低。一般光敏电阻的阻值在不受光照时是受光照时的 100 ～ 1 000 倍。 (3) 光敏电阻灵敏度高、体积小、重量轻、性能稳定、价格便宜 , 因此在自动化技术中应用非常广泛。 3. 光传感器的应用 —— 火灾报警器 : (1) 如图所示为利用烟雾对光的散射 来工作的一种火灾报警器 , 其工作原 理是 : 带孔的罩子内装有发光二极管 LED 、光电三极管和不透明的挡板。平时 , 光电三极管 收不到 LED 发出的光 , 呈现高电阻状态。 (2) 烟雾进入罩内后对光有散射作用 , 使部分光线照射到光电三极管上 , 其电阻变小。与传感器连接的电路检测出这种变化 , 就会发出警报。 【 特别提醒 】 (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。 【 过关训练 】 1. 如图所示是某居住小区门口利用光敏电阻设计的行人监控装置 ,R 1 为光敏电阻、 R 2 为定值电阻 ,A 、 B 接监控装置。则 ( 　　 ) A. 当有人通过而遮蔽光线时 ,A 、 B 之间电压升高 B. 当有人通过而遮蔽光线时 ,A 、 B 之间电压降低 C. 当仅增大 R 2 的阻值时 , 可减小 A 、 B 之间的电压 D. 当仅减小 R 2 的阻值时 , 可增大 A 、 B 之间的电压 【 解析 】 选 B 。 R 1 是光敏电阻 , 有光照射时 , 电阻变小 , 当有人通过遮蔽光线时 ,R 1 的阻值变大 , 回路中的电流 I 减小 ,A 、 B 间的电压 U=IR 2 减小 , 故 A 项错误 ,B 项正确 ; 由闭合电路欧姆定律得 :U=E-I(R 1 +r), 当仅增大 R 2 的阻值时 , 电路中的电流减小 ,A 、 B 间的电压 U 增大 , 故 C 项错误 ; 当减小 R 2 的阻值时 , 电路中的电流增大 ,A 、 B 间的电压 U 减小 , 故 D 项错误。 【 补偿训练 】 　利用光敏电阻制作的光传感器 , 记录了传送带上工件的输送情况 , 如图甲所示为某工厂成品包装车间的光传感记录器 , 光传感器 B 能接收到发光元件 A 发出的光 , 每当工件挡住 A 发出的光时 , 光传感器就输出一个电信号 , 并在屏幕上显示出电信号与时间的关系 , 如图乙所示。 若传送带始终匀速运动 , 每两个工件间的距离为 0.2 m, 则下列说法正确的是 ( 　　 ) A. 传送带运动的速度是 0.1 m/s B. 传送带运动的速度是 0.4 m/s C. 该传送带每小时输送 3 600 个工件 D. 该传送带每小时输送 7 200 个工件 【 解析 】 选 C 。从图乙可以知道 : 每间隔 1 s 的时间光传 感器就输出一个电信号 , 而在这一段时间内传送带运动 了两个工件之间的距离 , 所以传送带运动的速度是 v= m/s=0.2 m/s 。故 A 、 B 错误 ; 传送带每小时传送的 距离为 s=vt=0.2×3 600 m=720 m, 工件个数为 n= = 3 600 个 ,C 正确 ,D 错误。 2. 如图所示 , 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 ( 　　 ) A. 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. 该仪器的使用不会因白天和晚上受到影响 【 解析 】 选 A 。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 错。 3.(2019· 乐山高二检测 ) 如图所示的电路中 ,R 为光敏 电阻 ( 增大照射光的强度电阻会减小 ) 、 C 为电容器 , 灯 泡 L 的额定电压为 50 V, 理想变压器原、副线圈的匝数 比为 2∶1 。闭合电键 S, 在 a 、 b 两端输入正弦交变电压 U=100 sin 10πt(V), 则下列说法正确的是 世纪金 榜导学号 ( 　　 ) A. 灯泡会正常发光 B. 光敏电阻中的电流和灯泡中的电流相等 C. 增大照射光的强度照射光敏电阻 , 灯泡会变亮 D. 断开电键 S, 灯泡会熄灭 【 解析 】 选 C 。由题可知 , 原线圈两端的电压的有效值 为 100 V, 根据变压比 , 副线圈两端的电压为 50 V, 由于 电容器和电阻都会阻碍电流 , 因此灯泡两端的电压小于 50 V, 不会正常发光 ,A 错误 ; 由于电容器能通交流电 , 因 此电阻 R 中的电流小于灯泡中的电流 ,B 错误 ; 增大照射 光的强度照射光敏电阻 , 光敏电阻的阻值减小 , 对电流 的阻碍减小 , 因此灯泡中的电流增大 , 灯泡会变亮 ,C 正确 ; 断开电键 S, 由于电容器能通过交流电 , 因此灯泡不会熄灭 ,D 错误。故选 C 。 【 规律方法 】 对含光电传感器电路问题的思路分析 (1) 判断电路的整体连接特点。 (2) 由光敏电阻的变化判断出整个电路总电阻的变化。 (3) 根据闭合电路欧姆定律判断干路中电流的变化。 (4) 根据电路串并联特点和欧姆定律判断出各部分电路电压和电流的变化 , 进而得出电压表、电流表的示数的变化和各部分功率等情况的变化。 【 补偿训练 】 　　 ( 多选 ) 如图所示 ,R 是光敏电阻 , 当它受到的光照强度增大时 ( 　　 ) A. 灯泡 L 变暗 B. 光敏电阻 R 上的电压增大 C. 电压表 V 的读数减小 D. 电容器 C 的带电荷量增大 【 解析 】 选 C 、 D 。当光照强度增大时 , 光敏电阻阻值减小 , 外电路总电阻减小 , 根据欧姆定律得知 , 总电流 I 增大 , 灯泡变亮 , 故 A 错误 ; 电流增大 , 电源内阻所占电压增大 , 路端电压减小 , 所以电压表的示数减小 , 而灯泡两端电压增大 , 所以光敏电阻 R 上的电压减小 , 故 B 错误 ,C 正确 ; 灯泡两端电压 , 即电容器两端电压增大 , 根据 Q=UC 可知 , 电容器 C 的带电量增大 , 故 D 正确 , 故选 C 、 D 。 二　热敏电阻的特性 【 典例 】 温度传感器广泛应用于室内空调、电冰箱等家用电器中 , 它是利用热敏电阻的阻值随温度变化的特性来工作的。如图甲所示 , 电源的电动势 E=9.0 V, 内阻不计 ,G 为灵敏电流表 , 内阻 R G 保持不变 ,R 为热敏电阻 , 其电阻阻值与温度的变化关系如图乙所示。闭合开关 S, 当温度等于 20 ℃ 时 , 电流表示数 I 1 =2 mA; 当电流表的示数 I 2 =3.6 mA 时 , 热敏电阻的温度是 A.60 ℃ 　　 B.80 ℃ 　 　 C.100 ℃ 　　 D.120 ℃ 【 解析 】 选 D 。由题图乙可知 , 当 t=20 ℃ 时 , 热敏电阻阻值 R 1 =4 kΩ 。由闭合电路欧姆定律 E=I 1 (R 1 +R G ), 代入数值可求得 R G =500 Ω; 当 I 2 =3.6 mA 时 , 设热敏电阻阻值为 R 2 , 则 E=I 2 (R 2 +R G ), 可求得 R 2 =2 kΩ, 由题图乙可知 , 这时热敏电阻温度 t=120 ℃ 。故正确选项为 D 。 【 素养解读 】 核心 素养 素养 角度 素养任务 科学 探究 问题 解释 利用图像探究热敏电阻与温度的关系 科学 思维 科学 推理 根据闭合电路欧姆定律分析求出温度的数值 【 核心归纳 】 1. 探究热敏电阻 : (1) 实验器材 : 热敏电阻、多用电表、 铁架台、烧杯、冷水、热水、导线等。 (2) 实验步骤 : ① 按图连接好电路 , 将热敏电阻绝缘处理。 ② 把多用电表置于“欧姆”挡 , 并选择合适的挡位测出烧杯中没有水时热敏电阻的阻值 , 并记下此时温度计的示数。 ③向烧杯中注入少量的冷水 , 使热敏电阻浸没在冷水中 , 记下温度计的示数和多用电表测量的热敏电阻的阻值。 ④ 将热水分几次注入烧杯中 , 测出不同温度下热敏电阻的阻值 , 并记录。 (3) 数据处理 : ① 根据记录数据 , 把测量到的温度值和电阻值填入表中 , 分析热敏电阻的特性。 　次数 待测量 　　 温度 /℃ 电阻 /Ω ② 在坐标系中 , 粗略画出热敏电阻的阻值随温度变化的图线。 2. 金属热电阻和热敏电阻 : 金属热电阻的电阻率随温度 的升高而增大 , 用金属丝可以制作温度传感器 , 称为热 电阻。它能把温度这个热学量转换为电阻这个电学 量。热敏电阻的电阻率则可以随温度的升高而升高或 降低。 热敏电阻主要有两种 : (1) 正温度系数热敏电阻 (PTC): 指在某一温度下电阻急 剧增加、具有正温度系数的热敏电阻 , 可专门用作恒定温度传感器 ( 甲图 ) 。 (2) 负温度系数热敏电阻 (NTC): 指随温度的上升电阻呈指数关系减小、具有负温度系数的热敏电阻 ( 乙图 ) 。 3. 热敏电阻的应用 : (1) 热敏电阻是开发早、种类多、发展较成熟的敏感元件。热敏电阻由半导体陶瓷材料组成 , 利用的原理是温度引起电阻变化 , 由于半导体热敏电阻有独特的性能 , 所以在应用方面 , 它不仅可以作为测量元件 ( 如测量温度、流量、液位等 ), 还可以作为控制元件 ( 如热敏开关、限流器 ) 和电路补偿元件。 (2) 热敏电阻广泛用于家用电器、电力工业、通讯、军事科学、宇航等多个领域 , 发展前景极其广阔。 【 过关训练 】 1. 如图所示 , 由电源、小灯泡、电阻丝、 开关组成的电路中 , 当闭合开关 S 后 , 小灯 泡正常发光。若用酒精灯加热电阻丝时 , 发现小灯泡亮度变暗 , 发生这一现象的主要原因是 ( 　　 ) A. 小灯泡的电阻发生了变化 B. 小灯泡灯丝的电阻率随温度发生了变化 C. 电阻丝的电阻率随温度发生了变化 D. 电源的电压随温度发生了变化 【 解析 】 选 C 。电阻丝的电阻率随温度的升高而增大 , 电阻也增大 , 根据 P= 知 , 小灯泡的实际功率减小 , 所 以变暗 ,C 正确。 2. 如图所示 ,R 1 为定值电阻 ,R 2 为负温度系数的热敏电阻 ,L 为小灯泡 , 当温度降低时 ( 　　 ) A.R 1 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 】 选 C 。 R 2 与灯 L 并联后与 R 1 串联 , 与电源构成闭合电路 , 当温度降低时 , 负温度系数热敏电阻 R 2 的阻值增大 , 外电路电阻增大 , 电流表读数变小 ,R 1 两端电压减小 , 灯 L 两端电压增大 , 灯泡亮度变强 , 故 C 正确 , 选项 A 、 B 、 D 错误。 【 补偿训练 】 1. 有一热敏电阻的电阻值在 t 1 ～ t 4 的温度变化范围 内 ,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 t 1 ～ t 4 温度范围内 , 欧姆表的倍率不变 ) ( 　　 ) A.t 1 ～ t 2 　　 B.t 2 ～ t 3 　　 C.t 3 ～ t 4 　　 D. 都可以 【 解析 】 选 B 。由题图可知热敏电阻的电阻值随温度的升高而增大 , 在 t 2 ～ t 3 温度范围内 , 电阻值随温度的变化较大 , 即电阻值对温度的变化较为灵敏 , 故选 B 。 2. 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 , 关于欧姆表的读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 , 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 】 选 C 。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 。 【 拓展例题 】 考查内容 : 传感器的工作原理和常见敏感元件 【 典例 】 如图所示为某一热敏电阻 ( 电阻值随温度的改变而改变 , 且对温度很敏感 ) 的 I-U 图像。 (1) 为了通过测量得到如图所示 I-U 关系的完整曲线 , 在 如图甲所示和如图乙所示两个电路中应选择的是图 __ ____; 简要说明理由 :__________________________ ______________ 。 ( 电源电动势为 9 V, 内阻不计 , 滑动变阻器的阻值为 0 ～ 100 Ω)  (2) 在如图丙所示电路中 , 电源电压恒为 9 V, 电流表读数为 70 mA, 定值电阻 R 1 =250 Ω 。由热敏电阻的 I-U 关系曲线可知 , 热敏电阻两端的电压为 ______V; 电阻 R 2 的阻值为 ____Ω 。  【 正确解答 】 (1) 由于 I-U 图线是从 0 开始 , 所以应选择 的是图甲。图甲电路电压可从 0 V 调到所需电压 , 电压 调节范围大。 (2) 由于 R 2 与热敏电阻串联后与 R 1 并联接在 9 V 电源上 , 总电流 I=70 mA,R 1 =250 Ω 。设通过热敏电阻的电流为 I 2 , 通过 R 1 的电流为 I 1 , 则 I=I 1 +I 2 , 故 I 2 =I-I 1 =(70- ×10 3 ) mA=34 mA 。由 I-U 图像查得 34 mA 对应的电压为 5.4 V,R 2 两端电压 U 2 =9 V-5.4 V=3.6 V, 故 R 2 = ≈105.9 Ω 。 答案 : (1) 甲　图甲电路电压可从 0 V 调到所需电压 , 电 压调节范围大　 (2)5.4 　 105.9