2022年高中物理 《传感器及其应用》教案 教科版选修1-1

2022年高中物理 传感器及其应用教案 教科版选修1-1课时安排：2课时教学目标：1知道什么是传感器，知道传感器是由敏感元件、电子线路与控制线路等组成的2常见的传感器工作原理及简单应用3应用传感器知识解决一些实际问题本讲重点：常见的传感器工作原理及简单应用本讲难点：应用传感器知识解决一些实际问题考点点拨：1热敏电阻的特性2光敏电阻的特性3力传感器的应用4温度传感器的应用5霍尔元件的应用第一课时一、考点扫描知识整合1什么是传感器？它是怎样的一类元件？2热敏电阻和金属热电阻是一回事吗？它们的阻值随温度分别怎样变化？3霍尔电压UH=_，式中各量分别表示什么？4光敏电阻有何特性？5传感器应用的一般模式是怎样的？请画图表示。6常用的一种力传感器是由_和_组成的，_是一种敏感元件，现在多用半导体材料组成，受压时其上表面拉伸，电阻变_，下表面压缩，电阻变_。外力越大，这两个表面的电压差值就越_。7指出以下传感器应用的实例中，所应用的传感器，或主要元件。（1）电子秤：_的应用，敏感元件是_（2）话筒：_的应用，分_和_两种。（3）电熨斗：_的应用，敏感元件是_，作用：控制_的通断。（4）电饭锅：_的应用，敏感元件是_，作用：控制_的通断。（5）测温仪：_的应用，测温元件是_或_、_、_。（6）鼠标器：_的应用，主要元件是_或_（7）火灾报警器：_的应用，利用烟雾对_来工作的。二、高考要点精析（一）热敏电阻的特性考点点拨热敏电阻的阻值随温度升高而减小。与金属热电阻的特性相反。【例1】如图所示，将多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（负温度系数热敏电阻是指阻值随温度的升高而减小的热敏电阻）的两端相连，这时表针恰好指在刻度盘的正中间若往R t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。分析：若往R t上擦一些酒精，由于酒精蒸发吸热，热敏电阻R t温度降低，电阻值增大，所以电流减少，指针应向左偏；用吹风机将热风吹向电阻，电阻R t温度升高，电阻值减小，电流增大，指针向右偏答案：左 右点评：欧姆表的表盘刻度最右侧为 0，最左侧为最大值考点精炼1如图所示，R 1为定值电阻，R 2为负温度系数的热敏电阻（负温度系数热敏电阻是指阻值随温度的升高而减小的热敏电阻），L为小灯泡，当温度降低时（ ）AR 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（二）光敏电阻的特性考点点拨光敏电阻的阻值与光照强度有关。光照越强，阻值越小。【例2】如图所示，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，（ ）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分析：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答案：ABC考点精炼2如图所示，将多用电表的选择开关置于欧姆档，再将电表的两支表笔分别与光敏电阻Rt的两端相连，这时表针恰好指在刻度盘的正中间若用不透光的黑纸将Rt包裹起来，表针将向_（填“左”或“右”）转动；若用手电筒光照射Rt，表针将向_（填“左”或“右”）转动。（三）力传感器的应用考点点拨力传感器是将力信号转化为电流信号的元件。【例3】如图所示为某种电子秤的原理示意图，AB为一均匀的滑线电阻，阻值为R，长度为L，两边分别有P1、P2两个滑动头，P1可在竖直绝缘光滑的固定杆MN上保持水平状态而上下自由滑动，弹簧处于原长时，P1刚好指着A端，P1与托盘固定相连，若P1、P2间出现电压时，该电压经过放大，通过信号转换后在显示屏上将显示物体重力的大小已知弹簧的劲度系数为k，托盘自身质量为m0，电源电动势为E，内阻不计，当地的重力加速度为g。求：（1）托盘上未放物体时，在托盘自身重力作用下，P1离A的距离xl（2）托盘上放有质量为m的物体时，P1离A的距离x2（3）在托盘上未放物体时通常先核准零点，其方法是：调节P2，使P2离A的距离也为xl，从而使P1、P2间的电压为零校准零点后，将物体m放在托盘上，试推导出物体质量m与P1、P2间的电压U之间的函数关系式分析：托盘的移动带动P1移动，使P1、P2间出现电势差，电势差的大小反映了托盘向下移动距离的大小，由于R为均匀的滑线电阻，则其阻值与长度成正比解：（1）由力的平衡知识知： 解得（2）放上重物重新平衡后， 解得（3）由闭合电路欧姆定律知E=IR由部分电路欧姆定律：U=IRx由，其中x为P1、P2间的距离，Rx为P1、P2间的电阻，则联立解得 点评：在有关力电传感器的计算中，必然涉及电路计算，注意欧姆定律及分压原理的应用考点精炼3磁场具有能量，磁场中单位体积所具有的能量叫做能量密度，其值为式中B是磁感应强度，是磁导率，在空气中为一已知常数为了近似测得条形磁铁磁极端面附近的磁感强度B，一学生用一根端面面积为A的条形磁铁吸住一相同面积的铁片P，再用力将铁片与磁铁拉开一段微小距离，并测出拉力F，如图所示因为F所做的功等于间隙中磁场的能量，所以由此可得磁感应强度B与F、A之间的关系为B=_第二课时（四）温度传感器的应用考点点拨温度传感器是将温度这个热学量转化为电流这个电学量的。【例4】家用电热灭蚊器中电热部分的主要部件是PTC元件，PTC元件是由酞酸钡等半导体材料制成的电阻器，其电阻率与温度的关系如图所示，由于这种特性，PTC元件具有发热、控温两重功能，对此以下说法中正确的是（ ）A通电后其功率先增大后减小B通电后其功率先减小后增大C当其产生的热量与散发的热量相等时，温度保持在t1至t2的某一值不变D当其产生的热量与散发的热量相等时，温度保持在t1或t2不变解析：根据PTC元件的电阻率随温度变化的曲线，可知在常温下，它的电阻是相当小的，通入电流以后，随着温度的升高，其电阻率先变小后增大，那么它的功率先变大，后变小，温度保持在在t1至t2的某一值不变，这时候电路处于稳定状态，如果温度再升高，电阻率变大，导致电流变小，温度就会降下来；如果温度降低，电阻率减小，导致电流变大，温度就会升上去，所以本题正确答案为A、C。答案：AC考点精炼4一般的电熨斗用合金丝作发热元件，合金丝电阻随温度t变化的关系如图中实线所示由于环境温度以及熨烫的衣物厚度、干湿等情况不同，熨斗的散热功率不同，因而熨斗的温度可能会在较大范围内波动，易损坏衣物有一种用主要成分为BaTiO3被称为“PTC”的特殊材料作发热元件的电熨斗，具有升温快、能自动控制温度的特点PTC材料的电阻随温度变化的关系如图中实线所示试根据图线分析：（1）为什么原处于冷态的PTC熨斗刚通电时比普遍电熨斗升温快？（2）通电一段时间后电熨斗温度t自动地稳定在T_tT_范围之内（填下标数字）（五）霍尔元件的应用考点点拨霍尔元件是将电磁感应这个磁学量转化为电压这个电学量的元件。【例5】 如图所示，厚度为h、宽为d的导体板放在垂直于它的磁感应强度为B的均匀磁场中，当电流通过导体板时，在导体板的上侧面A和下侧面A之间会产生电势差，这种现象称为霍尔效应。实验表明，当磁场不太强时电势差U，电流I和B的关系为U=k，式中的比例系数k称为霍尔系数。霍尔效应可解释如下：外部磁场的洛伦兹力使运动的电子聚集在导体板的一侧，在导体板的另一侧出现多余的正电荷，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，导体板上下两侧之间就会形成稳定的电势差。设电流I是由电子定向流动形成的，电子的平均定向速度为v，电量为e，回答下列问题：（1）达到稳定状态时，导体板上侧面A的电势 下侧面的电势（填高于、低于或等于）。（2）电子所受的洛伦兹力的大小为 。 （3）当导体板上下两侧之间的电势差为U时，电子所受的静电力的大小为 （4）由静电力和洛伦兹力平衡的条件，证明霍尔系数k=，其中n代表导体板单位体积中电子的个数。解析：霍尔效应对学生来说是课本里没有出现过的一个新知识，但试题给出了霍尔效应的解释，要求学生在理解的基础上，调动所学知识解决问题，这实际上是对学生学习潜能的测试，具有较好的信度和效度。（1）首先分析电流通过导体板时的微观物理过程。由于导体板放在垂直于它的磁感应强度为B的匀强磁场中，电流是电子的定向运动形成的，电流方向从左到右，电子运动的方向从右到左。根据左手定则可判断电子受到的洛仑兹力的方向向上，电子向A板聚集，A板出现多余的正电荷，所以A板电势低于A板电势，应填“低于”。（2）电子所受洛仑兹力的大小为（3）横向电场可认为是匀强电场，电场强度 ，电子所受电场力的大小为（4）电子受到横向静电力与洛伦兹力的作用，由两力平衡有eevB 可得h v B通过导体的电流强度微观表达式为 由题目给出的霍尔效应公式 ，有得点评：该题是带电粒子在复合场中的运动，但原先只有磁场，电场是在通电后自行形成的，在分析其他问题时，要注意这类情况的出现。联系宏观量I和微观量的电流表达式 是一个很有用的公式。考点精炼5电磁流量计广泛应用于测量可导电流体（如污水）在管中的流量（在单位时间内通过管内横截面的流体的体积）。为了简化，假设流量计是如图7所示的横截面为长方形的一段管道，其中空部分的长、宽、高分别为图中的a、b、c，流量计的两端与输送液体的管道相连接（图中虚线）。图中流量计的上下两面是金属材料，前后两面是绝缘材料，现于流量计所在处加磁感应强度为B的匀强磁场，磁场方向垂直于前后两面。当导电液体稳定地流经流量计时，在管外将流量计上、下两表面分别与一串接了电阻R的电流表的两端连接，I表示测得的电流值。已知流体的电阻率为，不计电流表的内阻，则可求得流量为A BC D考点精炼参考答案1分析：R 2与灯L并联后与R1串联，与电源构成闭合电路，当热敏电阻温度降低时，电阻R 2增大，外电路电阻增大，电流表读数减小，灯 L电压增大，灯泡亮度变强，R1两端电压减小，故 C正确，其余各项均错答案：C2简析：光敏电阻受光照越强，电阻越小，电流越大，所以将Rt包裹起来电阻增大，电流减小，指针向左偏，反之向右偏答案：左 右3简析：在用力将铁片与磁铁拉开一段微小距离的过程中，拉力F可认为不变，因此，F所做的功以w表示间隙中磁场的能量密度，则间隙中磁场的能量由题给条件得 故因为F所做的功等于间隙中磁场的能量，即W=E，故有 解得4答案：（1）冷态时PTC电阻很小，电功率很大，所以升温很快（2）6 75答案：A三、考点落实训练1利用半导体材料可以制成（ ）A标准电阻 B热敏电阻 C光敏电阻 D晶体管2下列方法有可能使半导体材料的电阻率减小的是（ ）A升高半导体的温度 B用光照射半导体C在半导体中加入微量其它杂质 D以上情况都不可能3有一电学元件，温度升高时电阻却大幅度减小，则这种元件可能是（ ）A金属导体 B绝缘体 C半导体 D超导体4关于各种材料的电阻率，下列说法正确的是（ ）A纯金属的电阻率较合金的电阻率小B把一根长导线截成两段，每段的电阻率是原来的C任何材料的电阻率在任何条件下都不可能为零D任何材料的电阻率都随温度的升高而增大5如图所示是电容式话筒的示意图，它是利用电容制作的传感器，话筒的振动膜前面镀有薄薄的金属层，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，导致话筒所在的电路中的其它量发生变化，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可能是电容器两板间的（ ）A距离变化 B正对面积变化C介质变化 D电压变化6如图所示是一种延时开关，当S1闭合时，电磁铁F将衔铁D吸下，C线路接通。当S1断开时，由于电磁感应作用，D将延迟一段时间才被释放。则A由于A线圈的电磁感应作用，才产生延时释放D的作用B由于B线圈的电磁感应作用，才产生延时释放D的作用C如果断开B线圈的电键S2，无延时作用D如果断开B线圈的电键S2，延时将变长7如图所示为一测定液面高低的传感器示意图，A为固定的导体芯，B为导体芯外面的一层绝缘物质，C为导电液体，把传感器接到图示电路中，已知灵敏电流表指针偏转方向与电流方向相同。如果发现指针正向右偏转，则导电液体的深度h变化为（ ）Ah正在增大 Bh正在减小Ch不变 D无法确定8随着生活质量的提高，自动干手机已进人家庭。洗手后，将湿手靠近自动干手机，机内的传感器便驱动电热器加热，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改变了湿度 B改变了温度C改变了磁场 D改变了电容9如图所示为小型电磁继电器的构造示意图，其中L为含铁芯的线圈P为可经O点转动的铁片，K为弹簧，S为一对触头，A、B、C、D为四个接线柱电磁继电器与传感器配合，可完成自动控制的要求其工作方式是（ ）AA与B接信号电压，C与D可跟被控电路串联BA与B接信号电压，C与D可跟被控电路并联CC与 D接信号电压，A与B可跟被控电路串联DC与 D接信号电压，A与B可跟被控电路并联10演示位移传感器的工作原理如图所示，物体M在导轨上平移时，带动滑动变阻器的金属滑杆P，通过电压表显示的数据，来反映物体位移的大小x，假设电压表是理想的，则下列说法正确的是（ ）A物体M运动时，电源内的电流会发生变化B物体M运动时，电压表的示数会发生变化C物体M不动时，电路中没有电流D物体M不动时，电压表没有示数11下述仪器或装置用到传感器的有_（填字母代号）A自动报警器 B电子台秤 C电视遥控器 D红外线探测仪12为解决楼道的照明问题，在楼道内安装一个传感器与控制电灯的电路相接。当楼道内有走动而发出声响时，电灯即被电源接通而发光，这种传感器为_传感器，它输入的是_信号，经传感器转换后，输出的是_信号。13光电传感器利用_将_信号转换成了_信号；热电传感 器利用_将_信号转换成了_信号，从而实现自动控制的目的。14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，发现小灯泡亮度变化是_，发生这一现象的主要原因是_（填字母代号）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图 1215如图所示为一种加速度仪的示意图。质量为m的振子两端连有劲度系数均为k的轻弹簧，电源的电动势为E，不计内阻，滑动变阻器的总阻值为R，有效长度为L，系统静止时滑动触头位于滑动变阻器正中，这时电压表指针恰好在刻度盘正中。求：系统的加速度a（以向右为正）和电压表读数U的函数关系式。将电压表刻度改为加速度刻度后，其刻度是均匀的还是不均匀的？为什么？若电压表指针指在满刻度的3/4位置，此时系统的加速度大小和方向如何？16某学生为了测量一个物体的质量，找到一个力电转换器，该转换器的输出电压正比于受压面的压力（比例系数为k），如图所示，测量时先调节输入端的电压，使转换器空载时的输出电压为0；而后在其受压面上放一物体，即可测得与物体的质量成正比的输出电压U。现有下列器材：力电转换器、质量为m0的砝码、电压表、滑动变阻器、干电池各一个，开关及导线若干、待测物体（可置于力电转换器的受压面上）请完成对该物体质量的测量：（1）设计一个电路，要求力电转换器的输入电压可调。并且使调节范围尽可能大，画出这一完整的电路（包括力电转换器在内）（2）简要说明测量步骤，求出比例系数k，并测出待测物体的质量m（3）设想实验中可能会出现的问题17现有热敏电阻、电炉丝、电源、电磁继电器、滑动变阻器、开关和导线若干如图所示，试设计一个温控电路要求温度低于某一温度时，电炉丝自动通电供热，超过某一温度时，又可以自动断电，画出电路图说明工作过程考点落实训练参考答案1BCD 点拨：标准电阻是几乎不受温度影响的电阻，一般是用锰铜合金或镍铜合金制作的。2ABC3C点拨：金属导体的电阻随温度升高而增大，超导体的电阻几乎为零，半导体（如热敏电阻）的阻值随温度升高而减小。4A 点拨：合金的电阻率比纯金属的大，故A正确；金属电阻率是金属导体的特性，故B错；超导材料达到一定低温时，其电阻率可达到零，故C错；半导体（热敏电阻）的电阻率随温度升高而减小，故D错。5A 解析：电容式话筒中振动膜上的金属层和这个金属板构成电容器相当于一个平行板电容器。当人对着话筒说话时，振动膜前后振动，使两极板间的距离发生变化，从而导致电容器的电容发生变化所以选A6BC7B 点拨：由电源极性及电流方向可知，A、B构成的电容器上的电荷量减小，据，电容C在减小，可推知正对面积S减小，即h在减小。8D 人是导体，可以与其它导体构成电容器。手靠近干手机时，改变了设置在干手机内的电容式传感器的电容，干手机开始工作。能否用湿度和温度来驱使电热器工作，理论上是可行的，但作为干手机，这种传感器的设置有很大缺陷。干手机周围的环境（如湿度和温度）一年四季都在变化，与手的靠近无关，假如湿度、温度发生变化，干手机就马上工作，岂不成了“室内烘干机”？故选项D正确。9A 分析：由图可知A、B是电磁继电器线圈，所以A、B应接信号电压，线圈随信号电压变化使电磁继电器相吸或排斥，从而使C、D接通或断开，进而起到控制作用所以选项A正确10B 分析：电压表为理想电表，则电压表不分流，故触头移动时不会改变电路的电阻，也就不会改变电路中的电流，故A错误；电压表测得是触头P左侧电阻分得的电压，故示数随物体M的移动，亦即触头的运动而变，故B正确，C、D错误11A、B、C、D12声电；声；电13光敏电阻；光；电；热敏电阻；温度；电14变暗； C点拨：电阻丝的电阻率随温度的升高而增大，电阻也增大，根据知，小灯泡的实 际功率减小，所以变暗。15解：（1）当振子向左偏离中间位置x距离时，由牛顿第二定律得 （2分）电压表的示数为 （2分）由以上两式解得 （2分）（2）均匀，因为加速度a与电压表示数U是一次函数（线性关系）。（3）当滑动触头滑到最右端时，电压表最大示数，电压表指针指在满刻度的3/4位置时， （2分）代入式解得 方向向左。 （2分）16分析：（1）力电转换器虽然是一个全新的仪器，但它与其他所有测量仪器一样，有它们的共性，即需要有一个“调零”步骤，这个“调零”工作的要求就是当受压面上不放物体时通过对输入电路的输入电压的调节从而使输出电压为零，这就是力电转换器的“调零”（2）为了使输入电路上的电压可调节且调节范围尽可能大一些，可以用滑动变阻器组成分压电路（3）根据题给信息“被测物体质量与输出电压成正比”，先在受压面上放质量为m0的砝码，测出其输出电压U0，然后将待测物体放在受压面上，测出其输出电压U，根据两者的比例关系，便可得出m解：（14分）（1）设计的电路图如图所示。（4分）（2）测量步骤与结果如下：闭合开关 S，调节变阻器的滑片 P，使力电转换 器的输出电压为零（1分）将质量为m0的砝码放在力电转换器的受压面上，记下此时的输出电压U0（1分）取下砝码，将待测物体放在力电转换器的受压面上，记下此时的输出电压U。（1分）由以上测量可求出比例系数k及待测物体的质量m因为U0=km0g，所以有： （2分）又由于U = kmg，所以待测物体的质量为： （2分）（3）实验中可能会出现的问题有： （3分）因电源电压太小而输出电压调不到零待测物体的质量超过此力电转换器的量程（提出其它问题，只要合理可酌情给分，答出上面任一条给2分，答全给3分）17分析：热敏电阻R1与滑动变阻器及电磁继电器构成低压控制电路 答案：（1）电路图如图所示 （2）工作过程：闭合S当温度低于设计值时热敏电阻阻值大，通过电磁继电器电流不能使它工作，K接通电炉丝加热当温度达到设计值时，热敏电阻减小到某值，通过电磁继电器的电流达到工作电流，K断开，电炉丝断电，停止供热当温度低于设计值，又重复前述过程点评：该电路可以用于恒温箱、自动孵化器等，电路设计是高中电学应了解的内容，对于培养能力、理论联系实际将起到推动作用，也是高考的趋向