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- 2021-05-24 发布
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6.1 传感器及其工作原理 学案(人教版选修3-2)
1.传感器是能够把易感受的力、温度、光、声、化学成分等__________按照一定的规律转换为容易进行测量,传输处理和控制的电压、电流等____________、或转换为电路的______的一类元件.
2.光敏电阻的特性:____________________________,光敏电阻能够把______________这个光学量转换为______这个电学量.
3.金属热电阻的电阻率随温度的升高而______,热敏电阻的电阻率随温度的升高而______,金属热电阻和热敏电阻都可以制作______传感器.与热敏电阻相比,金属热电阻的______________,测温范围________,但________较差.
4.如图1所示,E、F间通入恒定电流I,同时外加与薄片垂直的磁场B,则M、N间出现霍尔电压UH,UH=______________.式中______为薄片的厚度,______为霍尔系数,它的大小与薄片的材料有关.
图1
5.关于干簧管,下列说法正确的是( )
A.干簧管接入电路中相当于电阻的作用
B.干簧管是根据热胀冷缩的原理制成的
C.干簧管接入电路中相当于开关的作用
D.干簧管是作为电控元件以实现自动控制的
6.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
【概念规律练】
知识点一 光敏电阻
1.如图2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分别与光敏电阻RG的两端相连,这时表针恰好指在刻度盘的中央.若用不透光的黑纸将RG包裹起来,表针将向________(填“左”或“右”)转动;若用手电筒的光照射RG,表针将向________(填“左”或“右”)转动.
图2
2.如图3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什么?
图3
知识点二 热敏电阻和金属热电阻
3.如图4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4
A.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
4.如图5所示为电阻R随温度T变化的图线,下列说法中正确的是( )
图5
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
知识点三 霍尔元件
5.如图6所示,有电流I流过长方体金属块,金属块宽为d,高为b,有一磁感应强度为B的匀强磁场垂直于纸面向里,金属块单位体积内的自由电子数为n,问:金属块上、下表面哪面电势高?电势差是多少?
图6
6.图7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(工作面是指较大的平面)( )
图7
A.将永磁体的一个磁极逐渐靠近霍尔元件的工作面,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
【方法技巧练】
含传感器的电路的分析技巧
7.如图8所示,R1、R2为定值电阻,L为小灯泡,R3为光敏电阻,当照射光强度增大时( )
图8
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
8.如图9所示是一火警报警装置的部分电路示意图,其中R2
是半导体热敏传感器,它的电阻随温度升高而减小,a、b接报警器.当传感器R2所在处出现火情时,电流表的电流I和a、b两端两压U与出现火情前相比( )
图9
A.I变大,U变大 B.I变小,U变小
C.I变小,U变大 D.I变大,U变小
参考答案
课前预习练
1.非电学量 电学量 通断
2.随着光照的增强,载流子增多,导电性能变好 光照强弱 电阻
3.增大 减小 温度 化学稳定性好 大 灵敏度
4.k d k
5.CD [干簧管能感知磁场,是因为当两个舌簧所处位置的磁场方向相同时,就会吸引,所以是做开关来使用,当磁场靠近或远离的时候,就会实现闭合或断开.]
6.B [根据霍尔元件工作原理,载流子在洛伦兹力作用下漂移,形成霍尔电压,UH=k,所以,它将磁感应强度这个磁学量转换成电压这个电学量,故B正确.]
课堂探究练
1.左 右
解析 光敏电阻受光照越强,电阻越小,所以将RG用不透光的黑纸包起来,电阻增大,指针左偏;若用手电筒的光照射RG,电阻减小,指针右偏.
2.见解析
解析 当光被元件挡住时,光敏电阻的阻值R1增大,电路中电流减小,R2
两端电压减小,信号处理系统得到低电压,每通过一个元件就获得一次低电压,计数一次.
点评 当光照增强时,光敏电阻的阻值减小,光照减弱时,光敏电阻的阻值增大.即光照强弱的变化引起电路中电流和电压的一系列变化.
3.C [R2与灯L并联后与R1串联,与电源构成闭合电路,当温度降低时,热敏电阻R2的阻值增大,外电路电阻增大,电流表读数变小,R1两端电压减小,灯L两端电压增大,灯泡亮度变强,故C正确,其余各项均错.]
点评 热敏电阻温度升高,电阻减小;温度降低,电阻增大.
4.BD [热敏电阻由半导体材料制成,电阻随温度升高而减小,且灵敏度高,金属热电阻随温度升高电阻增大,灵敏度不高,但测温范围大,化学性质稳定.故B、D正确.]
点评 1.热敏电阻和金属热电阻的阻值随温度的变化方向是相反的.热敏电阻温度升高,电阻减小,金属热电阻温度升高,电阻增大.
2.热敏电阻随温度变化明显.金属热电阻的化学稳定性好,测温范围大.
5.下表面电势高
解析 因为自由电荷为电子,故由左手定则可判定向上偏,则上表面聚集负电荷,下表面带多余等量的正电荷,故下表面电势高,设其稳定电压为U.当运动电荷所受电场力与洛伦兹力平衡时,有e=evB,又因为导体中的电流I=neSv=nev·bd,故U=.
点评 当电流在导体中流动时,运动电荷在洛伦兹力作用下,分别向导体上、下表面聚集,在导体中形成电场,其中上表面带负电,电势低,随着正、负电荷不断向下、上表面积累,电场增强,当运动电荷(Q)所受电场力与洛伦兹力平衡时,即QE=QvB时,电荷将不再向上或向下偏转,上、下表面间形成稳定电压.
6.ABD [根据公式UH=k可以看出,当磁极靠近霍尔元件的工作面时,B增大,UH
将变大,选项A正确;在地球两极附近,可以认为地磁场与水平面垂直,霍尔元件的工作面保持水平,故B正确.而在赤道上,地磁场与水平面平行.若霍尔元件的工作面保持水平,则无电压产生,C错误;改变磁感线与霍尔元件工作面的夹角,相当于改变了霍尔系数k,故UH将发生变化,故D正确.]
点评 霍尔元件把磁感应强度这个磁学量转换为电压这个电学量,电压与磁感应强度的关系为UH=k.
7.ABC [当光强度增大时,R3阻值减小,外电路电阻随R3的减小而减小,R1两端电压因干路电流增大而增大,同时内电压增大,故电路路端电压减小,而电压表的示数增大,A项正确,D项错误;由路端电压减小,而R1两端电压增大知,R2两端电压必减小,则R2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,则小灯泡的功率增大,C项正确.]
8.D [当传感器R2所在处出现火情时,温度升高,电阻减小,电路的总电阻减小,总电流I增大,路端电压Uab=E-Ir减小,I(r+R1)增大,U并=E-I(r+R1)减小,通过R3的电流I3减小,通过R2的电流I2=I-I3增大,D对.]
方法总结 电路中涉及热敏电阻、光敏电阻或金属热电阻等元件时,熟记各种元件的特性,然后依据动态电路问题的分析思路,由部分到整体再到部分的顺序进行分析.
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