1、第第 1 1 节节 常见传感器的工作原理常见传感器的工作原理 第第 2 2 节节 科学制作：简单的自动控制装置科学制作：简单的自动控制装置 核 心 素 养 物理观念 科学思维 科学探究 科学态度与 责任 1.了解传感器的 工作原理。 2.知道将非电学 量转化为电学量 的技术意义。 3.了解光敏电阻、 热敏电阻、金属 热电阻和霍尔元 件的性能，知道 其工作原理及作 用。 能尝试将实际问题 中的对象与过程转 换成物理模型； 能分 析传感器中非电学 量转换成电学量的 原理； 能用证据说明 光敏元件、 热敏元件 和霍尔元件的作用； 能对一些传感器提 出改进措施。 能完成“利用传感器制作简单的 自动控制
2、装置”的物理实验。能 针对真实情境提出与实验有关的 物理问题，能对一些传感器设计 提出质疑；能阐述实验原理，设 计实验方案和实验步骤，能动手 制作简单的自动控制装置；能用 证据说明自制控制装置的优势与 问题；能撰写研究报告，在报告 中能呈现实验原理、实验方案、 实验步骤、实验表格、数据分析 过程及实验结论，能提出改进措 施，能与他人分享制作成果。 感受传感技 术在信息时 代的作用与 意义。 知识点一 常见传感器的工作原理 观图助学 上图是生活中常见的感应水龙头和电子秤， 感应水龙头将获得的光信号转换成电 信号，并用于控制水龙头的开关，电子秤将压力信号转换成电信号，并最终在显 示屏上显示出压力的
3、大小，在信号的转换过程中，你知道用到了什么元件吗？ 1传感器 (1)定义：能感受外界信息，并将其按照一定的规律转换成可用输出信号(主要是 电信号)的器件或装置。 (2)传感器的作用：传感器通常应用在自动测量和自动控制系统中，担负着信息 的采集和转化任务。传感器通常需要把非电学量转化为电学量。 (3)传感器的组成：传感器主要由敏感元件和转换元件组成。 2敏感元件 (1)光敏元件 光敏电阻的特点：光照越强，电阻越小。 原因：光敏电阻的构成物质为半导体材料，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，导电性变好。 作用：把光照强弱这个光学量转换为电阻这个电学量。 (2)热敏元件
4、 热敏电阻的特点：NTC 热敏电阻的阻值随温度的升高而减小，被称为负温度 系数热敏电阻。 PTC 热敏电阻的阻值随温度的升高而增大， 被称为正温度系数热 敏电阻。 原因：半导体的电阻随温度的变化而改变。 作用：把温度这个物理量转换为电阻这个物理量。 (3)磁敏元件 霍尔元件：霍尔元件是根据半导体材料的霍尔效应制成的一种磁敏元件。 产生霍尔电压的示意图： 霍尔电压：UHkIB d ，d 为霍尔元件厚度，k 为与材料有关的霍尔系数。 作用：把磁感应强度这个物理量转换为电压这个物理量。 思考判断 (1)光敏电阻电学性质随光照增强电阻减小。() (2)热敏电阻电学性质随温度升高，电阻一定减小。() (
5、3)电冰箱的自动控温装置是一个传感器。() 知识点二 科学制作：简单的自动控制装置 1光报警装置 (1)光报警装置电路图 (2)工作原理：如图所示，当光照强度增强时，光敏电阻的阻值减小，由闭合电 路欧姆定律可知，蜂鸣器的电压增大，当蜂鸣器的电压达到它的工作电压时，蜂 鸣器开始工作报警。 2.温度报警装置 (1)温度报警装置电路图 (2)工作原理：如图所示，当温度升高时，热敏电阻的阻值减小，由闭合电路欧 姆定律可知，蜂鸣器的电压增大，当蜂鸣器的电压达到它的工作电压时，蜂鸣器 开始工作报警。, 并不是所有的传感器都将其他信号转换成电信号。 非电学量敏感 元件 转换 元件 电学量 光敏电阻对光照非常
6、敏感， 不受光照时， 其电阻值是受光照时的 1001 000 倍。 PTC 热敏电阻的原料是半导体材料， 它与金属电阻一样都随温度的升高阻值变大， 但是对温度的变化更敏感。 霍尔元件两极间通入恒定的电流，同时外加与薄片垂直的磁场 B 时，薄片中的 载流子就在洛伦兹力的作用下，向着与电流和磁场都垂直的方向漂移，在另外两 极上形成稳定的电压。 若将蜂鸣器更换为由电流大小控制的开关，就可作为光控开关使用。 另一种温度报警装置 核心要点 对传感器的认识 问题探究 干簧管结构：如图甲所示，玻璃管内封入的两个软磁性材料制成的簧片，将它接 入图乙所示的电路，当条形磁铁靠近干簧管时： (1)会发生什么现象，为
7、什么？ (2)干簧管的作用是什么？ 答案 (1)灯泡会亮，因为当条形磁铁靠近干簧管时，两个簧片被磁化而接通。 (2)干簧管起到开关的作用，是一种能够感知磁场的传感器。 探究归纳 1传感器的核心元件 (1)敏感元件：相当于人的感觉器官，直接感受被测量，并将其变换成与被测量 成一定关系的易于测量的物理量，如温度、位移等。 (2)转换元件：也称为传感元件，通常不直接感受被测量，而是将敏感元件输出 的物理量转换成电学量输出。 (3)转换电路：是将转换元件输出的电学量转换成易于测量的电学量，如电压、 电流等。 2传感器的工作原理 传感器感受的通常是非电学量，如压力、温度、位移、浓度、速度、酸碱度等， 而
8、它输出的通常是电学量，如电压、电流、电荷量等，这些输出信号是非常微弱 的， 通常要经过放大后再输送给控制系统产生各种控制动作。传感器的工作原理 如下所示： 非电学量 敏感元件 转换器件 转换电路 电学量 经典示例 例 1 下列关于传感器的说法中正确的是( ) A所有传感器都是由半导体材料做成的 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以上说法都不正确 解析 半导体材料可以制成传感器，其他材料也可以制成传感器，如用金属丝可 制作温度传感器，故 A 错误，B 正确；传感器不但能感知电压的变化，还能感 受力、温度、光、声、化学成分等非电学量，故 C 错误。 答案
9、B 针对训练 1 如图所示， 是电容式话筒的示意图， 它是利用电容制成的传感器， 话筒的振动膜前面有薄薄的金属层，膜后距膜几十微米处有一金属板，振动膜上 的金属层和这个金属板构成电容器的两极。在两极间加一电压 U，人对着话筒说 话时， 振动膜前后振动， 使电容发生变化， 从而使声音信号被话筒转化为电信号， 其中导致电容变化的原因是电容器两板间的( ) A距离变化 B正对面积变化 C电介质变化 D电压变化 解析 振动膜前后振动，使振动膜上的金属层与金属板间的距离发生变化，从而 将声音信号转化为电信号，故选项 A 正确。 答案 A 核心要点 敏感元件的特性及应用 问题探究 如图所示，将多用电表的选
10、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(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 RT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？ 答案 由于酒精蒸发，热敏电阻 RT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 RT温度升高，电阻值减小，表针将向右 偏。 探究归纳 1光敏电阻 (1)特点：光敏电阻一般由金属硫化物等半导体材料做成，当半导体材料受到光 照时，会有更多的电子获得能量成为自由电子，同时也形成更多的空穴，于是导 电性能明显增强。 (2)特性：光敏电阻的电阻随光照的增
11、强而减小。光敏电阻在被光照射时电阻发 生变化，这样光敏电阻可以把光照强弱转换为电阻大小这个电学量。 2热敏电阻 (1)特点：热敏电阻由半导体材料制成，有温度系数大、灵敏度极高、反应迅速、 体积小、寿命长等优点。 (2)分类： 正温度系数热敏电阻(PTC 热敏电阻) 这种热敏电阻的电阻率随温度升高而增大，其特性与金属热电阻相似，其电阻随 温度的变化图像如图甲所示； 负温度系数热敏电阻(NTC 热敏电阻) 这种热敏电阻的电阻率随温度升高而明显减小， 其电阻随温度的变化图像如图乙 所示。 用途 热敏电阻是一种灵敏度极高的温度传感器，在测温过程中反应非常快。电子体温 计及家用电器(电脑、空调、冰箱等)
12、的温度传感器，主要使用热敏电阻。 3霍尔元件 (1)特点：霍尔元件在电流、电压稳定时，载流子所受电场力和洛伦兹力二力平 衡。 (2)应用：霍尔效应广泛应用于半导体材料的测试和研究中。例如用霍尔效应可 以确定一种半导体材料是电子型还是空穴型。半导体内载流子的浓度受温度、杂 质以及其他因素的影响很大， 因此霍尔效应为研究半导体载流子浓度的变化提供 了重要的方法。 经典示例 例 2 (多选)如图所示为电阻 R 随温度 T 变化的 RT 图线，下列说法中正确的 是( ) A图线 1 是金属热电阻的 RT 图线，它是用金属材料制成的 B图线 2 是热敏电阻的 RT 图线，它是用半导体材料制成的 C图线
13、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 由题图可知，图线 1 是金属热电阻的 RT 图线，图线 2 是热敏电阻的 R T 图线，根据它们的材料和特点可知，选项 A、B、D 正确。 答案 ABD 针对训练 2 (多选)如图所示，R1、R2为定值电阻，L 为小灯泡，R3为光敏电阻， 当入射光强度增大时( ) A电压表的示数增大 BR2中电流减小 C小灯泡的功率增大 D电路的路端电压增大 解析 当入射光强度增大时，R3阻值减小，外电路电阻随 R3的减小而减小，由 闭合电路欧姆定律 I E rR知电路中的电流增大，R1 两端电压因干路电
14、流增大而 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，选项 A 正确， D 错误； 因路端电压减小， 而 R1两端电压增大， 故 R2两端电压必减小， 则 R2中电流减小，故选项 B 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，选项 C 正确。 答案 ABC 1(对传感器的认识)关于传感器的作用，下列说法中正确的是( ) A通常的传感器可以直接用来进行自动控制 B传感器可以用来采集信息 C传感器可以将感受到的一些信号转换为力学量 D传感器可以将所有感受到的信号转换为电学量 解析 通常的传感器输出的电信号非常微弱，要经过放大，再送给控制系统产生 各
15、种控制动作，选项 A 错误；传感器通过采集力、温度、光、声、磁场、化学 成分等信息，按一定规律转换为电压、电流、电阻等电学量或电路的通断，传感 器并不能将所有非电学量都转换为电学量，故选项 B 正确，选项 C、D 错误。 答案 B 2(传感器的应用)有一些星级宾馆的洗手间装有自动干手机，洗手后将湿手靠 近，机内的传感器就开通电热器加热，有热空气从机内喷出，将湿手烘干，手靠 近干手机能使传感器工作，是因为( ) A改变湿度 B改变温度 C改变磁场 D改变电容 解析 根据自动干手机工作的特征，手靠近干手机电热器工作，手撤离后电热器 停止工作，人是一种导体，可以与其他导体构成电容器。手靠近时相当于连
16、接一 个电容器， 可以确定干手机内设有电容式传感器， 由于手的靠近改变了电容大小， 故选项 D 正确；用湿度和温度来驱动电热器工作，理论上可行，但是假如干手 机是由于温度、湿度的变化工作就成了室内烘干机，选项 A、B、C 错误。 答案 D 3(敏感元件的应用)(多选)美国科学家 Willards Boyle 与 George E Smith 因电荷 耦合器件(CCD)的重要发明荣获 2009 年度诺贝尔物理学奖。CCD 是将光学量转 变成电学量的传感器。下列器件可作为传感器的有( ) A发光二极管 B热敏电阻 C霍尔元件 D干电池 解析 传感器是指能够感受诸如力、温度、光、声、化学成分等非电学
17、量，并把 它们按照一定的规律转换为电压、 电流等电学量的元件。 发光二极管是电学元件， 是电能转换成光能的元件，不是传感器，选项 A 错误；干电池是一种电源，不 是传感器，选项 D 错误；热敏电阻受热时，其电阻会发生变化，能把热学量转 换成电学量，是传感器，选项 B 正确；霍尔元件能够把磁感应强度这个非电学 量转换成电压这个电学量，是传感器，选项 C 正确。 答案 BC 4(霍尔元件的应用)霍尔元件是磁传感器，是实际生活中的重要元件之一。如 图所示为长度一定的霍尔元件，在该元件中通有方向从 E 到 F 的恒定电流 I，现 在空间加一竖直向下的匀强磁场，磁感应强度大小为 B，其中元件中的载流子为
18、 带负电的电荷。则下列说法正确的是( ) A该元件能把电学量转换为磁学量 B左表面的电势高于右表面 C如果用该元件测赤道处的磁场，应保持平面呈水平状态 D如果在霍尔元件中的电流大小不变，则左右表面的电势差与磁场的磁感应强 度成正比 解析 霍尔元件能够把磁学量转换为电学量，A 错误；由于元件中的载流子为带 负电的电荷，则负电荷的运动方向由 F 到 E，由左手定则可知负电荷向左表面偏 转，则右表面的电势高，B 错误；如果用该元件测赤道处的磁场，由于地磁场与 水平面平行，因此如果霍尔元件的平面保持水平，则无电压产生，C 错误；根据 qvBqU d， 得 UBdv， 由电流的微观定义式 InqSv(n 是单位体积内的导电粒子 数，q 是单个导电粒子所带的电荷量，S 是导体的横截面积，v 是导电粒子运动 的速度)整理得 v I nqS，联立解得 U IBd nqS，保持电流不变，则左右表面的电势差 与磁感应强度成正比，D 正确。 答案 D
