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  • 2021-05-24 发布

人教版物理选修3-2 第6章第1节 传感器及其工作原理

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第6章 第一节 传感器及其工作原理 课标定位 学习目标:1.知道什么是传感器. 2.知道什么是光敏电阻、热敏电阻、金属热电阻 以及霍尔元件. 3.知道传感器的工作原理. 重点难点:对传感器工作原理的理解. 核心要点突破 课堂互动讲练 知能优化训练 第 一 节  传 感 器 及 其 工 作 原 理 课前自主学案 课前自主学案 一、什么是传感器 1.定义:感受________量,并能把它们按照一定 的规律转换为______量,或转换为电路的______ 的一类元件. 非电学 电学 通断 二、光敏电阻 1.特点:电阻值随光照增强而______. 2.原因分析:光敏电阻由半导体材料制成,无 光照时,载流子___,导电性能___;随着光照的 增强,载流子______,导电性______. 3.作用:把__________这个光学量转换为 ______这个电学量. 减小 少 差 增多 增强 光照强度 电阻 三、热敏电阻和金属热电阻 热敏电阻 金属热电阻 特点 电阻率随温度升高而 减小 电阻率随温度升高 而增大 制作 材料 半导体 金属 优点 灵敏度好 化学稳定性好,测 温范围大 作用 将温度这个热学量转换为电阻这个电学量 四、霍尔元件 1.组成:在一个很小的矩形半导体 薄片上,制作4个电极E、F、M、N, 就成为一个霍尔元件. 2.原理:E、F间通入恒定的电流 I,同时外加与薄片垂直的磁场B时, 薄片中的载流子就在______力作用 下,向着与______和______都垂直的 方向漂移,使M、N间出现______ (如图6-1-1所示). 图6-1-1 磁场 磁场 电流 电压 3.霍尔电压:UH=______,d为薄片厚度,k 为霍尔系数.一个霍尔元件的d、k为定值,若 保持I恒定,则UH的变化就与B成______. 4.作用:把____________这个磁学量转换为 _____这个电学量. 正比 磁感应强度 电压 核心要点突破 一、对热敏电阻和金属热电阻的理解 1.热敏电阻 图6-1-2 用半导体材料制成,其电阻值随温度变化明显, 如图6-1-2所示,(1)为某一热敏电阻的电阻—温 度特性曲线. 2.热敏电阻的两种型号及其特性 热敏电阻器是电阻值随温度变化而变化的敏感元 件.在工作温度范围内,电阻值随温度上升而增 大的是正温度系数(PTC)热敏电阻器;电阻值随温 度上升而减小的是负温度系数(NTC)热敏电阻 器. 3.热敏电阻的用途 热敏电阻器的用途十分广泛,主要应用于: (1)利用电阻——温度特性来测量温度、控制温度 和元件、器件、电路的温度补偿; (2)利用非线性特性完成稳压、限幅、开关、过流 保护作用; (3)利用不同媒质中热耗散特性的差异测量流量、 流速、液面等. 4.金属热电阻 有些金属的电阻率随温度的升高而增大,这样的电 阻也可以制作温度传感器,称为金属热电阻.如图 6-1-2中的(2)为金属导线电阻—温度特性曲线. 相比而言,金属热电阻化学稳定性好,测温范围大, 而热敏电阻的灵敏度较好. 特别提醒:热敏电阻和金属热电阻都能够把温度这 个热学量转换为电阻这个电学量,但相比而言,金 属热电阻的化学稳定性好,测量范围大,而热敏电 阻的灵敏度较高. 即时应用 (即时突破,小试牛刀) 1.如图6-1-3为电阻R随温度T变化的图线,下列 说法中正确的是(  ) 图6-1-3 A.图线1是热敏电阻的图线,它是用金属材料制成 的 B.图线2是热敏电阻的图线,它是用半导体材料制 成的 C.图线1的材料化学稳定性好、测温范围大、灵敏 度高 D.图线2的材料化学稳定性差、测温范围小、灵敏 度高 解析:选BD.热敏电阻是由半导体材料制成的,其 稳定性差,测温范围小,但灵敏度高,其电阻随着 温度的升高而减小.金属电阻阻值随温度的升高而 增大,图线1是金属电阻,图线2是热敏电阻. 二、霍尔元件 1.霍尔元件 如图6-1-4所示,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,就成 为一个霍尔元件. 图6-1-4 2.霍尔效应的原理 外部磁场使运动的载流子受到洛伦兹力,在导体 板的一侧聚集,在导体板的另一侧会出现多余的 另一种电荷,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 与洛伦兹力达到平衡时,导体板左右两侧会形成 稳定的电压. 特别提醒:判断电势高低时首先明确载流子是正电 荷还是负电荷. 即时应用 (即时突破,小试牛刀) 2.霍尔元件能转换哪个物理量(  ) A.把温度这个热学量转换成电阻这个电学量 B.把磁感应强度这个磁学量转换成电压这个电学 量 C.把力这个力学量转换成电压这个电学量 D.把光照强弱这个光学量转换成电阻这个电学量 答案:B 如图6-1-5所示,R1、 R2为定值电阻,L为小灯泡,R3 为光敏电阻,当光照射到R3上的 光强度增大时(  ) A.电压表的示数增大 B.R2中电流减小 C.小灯泡的功率增大 D.电路的路端电压增大 课堂互动讲练 光敏电阻的特性 图6-1-5 【思路点拨】 光敏电阻有随着光照强度的增强而 阻值减小的特征,由闭合电路欧姆定律及串并联的 分压、分流原理对电路进行动态分析. 【自主解答】 当照射光强度增大时,光敏电阻R3 的阻值变小,R3与L串联后再与R2并联的总电阻值 变小、干路中总电流变大,R1两端电压变大,A正 确;R2两端电压减小,通过R2的电流减小,B正确; 总电流变大,通过R2的减小,所以通过小灯泡L的 电流变大,灯泡变亮,功率增大,C正确.因为干路 中电流变大,内电压变大,路端电压变小,D错 误.故选ABC. 【答案】 ABC 【规律总结】 考查光敏电阻,常与直流电路相 联系.串并联电路的特点、动态分析成为这一类 问题考查的热点内容. 变式训练1 如图6-1-6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(  ) 图6-1-6 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 解析:选A.光照射R3时,由光敏电阻特性,R3的 电阻变小,所以UR3减小,a点电势升高,即a点 电势高于b点电势,A正确. 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6-1-7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(  ) 热敏电阻的特征 图6-1-7 A.电容器C的带电量增大 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 【规律总结】 解此类问题时,R2相当于一个滑 动变阻器.要把R2与金属热电阻区别开. 变式训练2 如图6-1-8所示,将万用表的选择 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.若往Rt上擦一些酒精, 表针将向________(填“左”或“右”)移动;若用 吹风机将热风吹向电阻,表针将向________(填 “左”或“右”)移动. 图6-1-8 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, 指针应向左偏;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,指针向右偏. 答案:左 右 霍尔元件的特性 图6-1-9 【答案】 (1)evB (2)证明见精讲精析 变式训练3 如图6-1-10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 电流I恒定,则可以验证UH随B的变化情况.以下 说法中正确的是(  ) 图6-1-10 A.将永磁体的一个磁极逐渐靠近霍尔元件的工 作面时,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