最新人教版高中物理选修3-2第六章《传感器及其工作原理》

1 传感器及其工作原理问题探究用遥控器控制电视的开关；用室内温度控制空调的开关；用声音的强弱控制走廊内照明灯的开关；用日光的明暗控制路灯的开关等.你知道这其中的道理吗？敲打微机键盘就可变换显示屏上图文.你知道这其中的秘密吗？答案提示：它们都是利用了传感器将力、光、温度、声等非电学量按一定规律转化为电压、电流等电学量，对电路实行接通或断开，从而达到控制目的.自学导引1.传感器传感器是指这样一类元件：它能够感受诸如力、温度、光、声、化学成分等_________量，并能把它们按照一定的规律转换为电压、电流等_________量，或转换为电路的通断.把非电学量转换为电学量以后，就可以很方便地进行测量、传输、处理和控制了.传感器一般由敏感元件和输出部分组成，通过敏感元件获取外界信息并转换为_________信号，通过输出部分输出，然后经控制照分析处理.常见的传感器有：_________、_________、_________、_________力敏传感器、气敏传感器、超声波传感器、磁敏传感器等.答案：非电学电学电光敏传感器热敏传感器位移传感器霍尔元件2.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，导电性变好.光敏电阻能够把_________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.答案：光照强弱3.热敏电阻或金属热电阻能够把_________这个热学量转换为电阻这个电学量.当环境温度发生变化时，热敏电阻的阻值发生变化，热敏传感器将_________的变化信号转换为电学信号，它就像人的皮肤，能感受到周围的温度的变化.答案：温度温度4.电容式位移传感器能够把物体_________这个力学量转换为_________这个电学量.答案：位移电容5.霍尔元件能够把_________这个磁学量转换为电压这个电学量.答案：磁感应强度疑难剖析1.热敏电阻的应用【例1】如图6-1-1所示是继电器的原理图，当在接线柱2、3间接入电源时，电磁铁便将衔铁P吸离A而与B接触，从而达到控制电路的目的，接线柱_________与接有电源的热敏电阻串接，接线柱_________与外电路串接，即可在温度过高时切断外电路，实现对外电路的自动控制.图6-1-1思路分析：2、3间与接有电源的热敏电阻串联时，温度高时，电阻小、电流大、电磁铁将衔铁P吸离A，切断电路达到电路自动控制的目的，故2、3间与接有电源的热敏电阻串联，接线柱1、5与外电路串联.2.霍尔元件【例2】 如图6-1-2所示，厚度为h 、宽度为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 dIB 式中的比例系数k 称为霍尔系数.图6-1-2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，在导体板的另一侧会出现多余的正电荷，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 是由电子的定向流动形成的，电子的平均定向速度为v ，电荷量为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_______________（填“高于”“低于”或“等于”）下侧面A ′的电势.（2）电子所受的洛伦兹力的大小为_______________.（3）当导体板上下两侧面之间的电势差为U 时，电子所受静电力的大小为_____________.（4）由静电力和洛伦兹力平衡的条件，证明霍尔系数k=ne1，其中n 代表导体板单位体积中电子的个数.解析：（1）电子向左定向移动，由左手定则知电子受洛伦兹力向上，故上侧面A 积聚负电子，下侧面积聚正电荷，上侧面电势低于下侧面.（2）f 洛=evB.（3）F 电=Ee=hU e. （4）当静电力和洛伦兹力平衡时： ehU =evB.U=vBh.又I=nevdh 由U=k d IB k=IB dU =nevdhB dvBh =ne 1. 拓展迁移电磁流量计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6-1-3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流体的管道相连（图6-1-3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.当导电流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ρ，不计电流表的内阻，则可求得流量为（ ）图6-1-3 A.B I （bR+ρa c ） B.BI (aR+ρc b ) C.B I (cR+ρb a ) D.B I (R+ρa bc ) 提示：本题实质上是有关磁与电传感装置的计算题，综合性强、能力要求高.设管中流体的流速为v ，则在Δt 时间内流体在管中向前移动的距离为v Δt,这样如图画线的流体在Δt 时间内都将流过横截面，设此横截面积为S ，则画线的流体体积ΔV=Sv Δt ，除以时间Δt ，则得到流体在该管中的流量为Q=tV ∆∆=Sv.对于题干所给的流量计，横截面积S=bc ，故流过流量计的流量Q=vbc ，对于给定的流量计，b 与c 是常量，可见测流量实质上是测流速.当可导电流体稳定地流经流量计，流体将切割磁感线，这样在流量计的上、下两面产生感应电动势E=vBc ，其中B 是垂直于流量计前后两面的匀强磁场的磁感应强度，c 是流过流量计流体的厚度，v 是可导电流体在流量计中的流速.这样在管外将流量计上、下两表面分别与一串接了电阻R 的电流表的两端连接，如右图所示，则将有电流流过闭合电路.这个闭合电路中的电动势就是由可导电流体沿流量计流动切割磁感线而产生的感应电动势.如图所示，电阻包括外接的电阻R 和可导电流体的电阻r=ρab c .这样根据欧姆定律，得到闭合电路中的电流等于I=)(ab c R vBcρ+由此就得到可导电流体在流量计中流速为 v=Bc I (R+ρabc ) 于是就得到流过流量计的流量 Q=vbc=B I (bR+ρa c ).。

第六章 传感器知识建构专题应用专题一 传感器的工作原理及常用的敏感元件(1)传感器感受的通常是非电学量，如力、热、磁、光、声等，而它输出的通常是电学量，这些输出信号是非常微弱的，通常要经过放大后，再送给控制系统产生各种控制动作，传感器原理如框图所示。

非电学量→敏感元件→转换器件→转换电路→电学量(2)常见敏感元件及特性。

①光敏电阻：光敏电阻在被光照射时电阻发生变化，光照增强电阻减小，光照减弱电阻增大。

②热敏电阻和金属热电阻：金属热电阻的电阻率随温度的升高而增大，热敏电阻有正温度系数、负温度系数两种。

正温度系数的热敏电阻的阻值随温度升高而增大，负温度系数的热敏电阻的阻值随温度升高而减小。

③霍尔元件：能把磁感应强度这一磁学量转换成电压这一电学量，U H ＝k IB d。

【例题1】 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 关系曲线图。

(1)为了通过测量得到如图甲所示I －U 关系的完整曲线，在图乙(a)和图(b)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)甲乙(2)在图丙所示电路中，电源电压恒为9 V，电流表读数为70 mA，定值电阻R1＝250 Ω。

由热敏电阻的IU关系曲线可知，热敏电阻两端的电压为______V；电阻R2的阻值为______Ω。

丙(3)举出一个可以应用热敏电阻的例子。

专题二传感器在实际问题中的应用传感器是以一定的精度和规律把被测量量转换为与之有确定关系的、便于测量的量的一种装置。

在处理实际问题时注意被测量量与测量量之间的关系。

同时传感器一般是把被测量量转换成电学量，因此往往与电子元件一起构成电路，所以注意电路分析，特别是各种敏感元件特性及各种常用电子元件的工作特点，要牢记，并针对具体问题灵活处理。

【例题2】加速度计是测定物体加速度的仪器。

教学设计1传感器及其工作原理本节分析本节以传感器的功能与原理为主线，让学生综合运用已经学过的或将要学到的物理知识来认识传感器的工作原理．这是本章的第一节内容，侧重点在于让学生了解传感器，认识其工作原理，知道有哪些重要的传感器元件，同时还要给学生以学习方法的指导，通过探究性学习和合作学习来获得新知识．传感器在现代生活中已经被广泛应用，是测量和控制电路中不可缺少的元器件．传感器的设计和使用中涉及相当多的物理学知识，将力学、电磁学的知识与传感器的设计、应用紧密联系，是物理教学中的重要内容，也是新课改中心思想的重要体现．这一节内容要求学生能通过观察一些现象和常见的事例，初步形成传感器的概念，并介绍三种制作传感器所使用的敏感元件，运用以前学习过的物理知识了解它们的工作原理，从而为了解传感器的应用打下良好的基础．为了增加学生的技术知识和常识，提高应用知识以及进行电器复杂设计的能力，学好本节知识是非常必要的．学情分析学生在日常物理学习中往往关注理论知识，研究多种物理模型，这是高中物理学习中必要的．但是，学生的技术知识甚至技术常识却十分贫乏，只会做题，不会解决实际问题．所以，要注意为学生创造条件和环境，让学生主动参与，多观察、多动手、多思考，领会研究方法，树立自信，然后使学习演变成兴趣盎然、没有负担的物理研习．教学目标●知识与技能(1)结合实际生产及生活，展示各种事例及应用，使学生知道非电学量转换成电学量的技术意义．(2)通过实验，对传感器中常见的敏感元件加以了解，并从中知道它们的工作原理．(3)通过分析大量传感器在生产和生活中的应用，了解传感器是如何工作的，并会结合原有的电学知识设计一些简单的传感器电路．●过程与方法(1)用热敏电阻、光敏电阻等常用元器件做实验，了解传感器是怎样把非电学量转换成电学量的．(2)通过对实际传感器工作原理的分析，了解传感器是怎样应用到技术中，实现信息采集或自动控制的．(3)结合生活实际，在课外或家庭活动中设计组装简单的自动控制装置．(4)通过调查、上网或从图书馆查阅相关资料，列举传感器的应用实例．(5)根据设计与制作的需要，通过多种方式学习与拓展相关的知识和技能．●情感、态度与价值观在理解传感器工作原理的基础上，通过自己设计简单的传感器，体验科技创新的乐趣，激发学习物理的兴趣．教学重难点1．干簧管、光敏元件、热敏元件等电学实验元件在电路中的作用．2．设计电路，理解传感器的工作原理及应用．教学准备小盒子、小灯泡、干簧管、条形磁铁、干电池、导线、音乐茶杯、光敏电阻、多用电表、金属热电阻、热敏电阻、多媒体课件等．教学过程设计盒子里有什么装置，才能出现这样的现象？答案预设：盒子里有弹性铁质开关.思路点拨：打开盒子，引导学生观察盒内实物的电路思考讨论：生活中常用的电视、空调的遥控器是如何实现远距离操控的？楼梯上的电灯如何做到人来就开，走就熄？工业生产中所用的自动报警器、恒温烘箱是如何换用一只普通的电阻，小心地把电阻表面的漆涂层除去一些，使里面的导电膜漏出来接受光照．述实验，结果相同吗？如图，在一个很小的矩形半导体(例如砷化铟制作四个电极E、F、M、N，它就成了一个霍尔元件．间通入恒定的电流I，同时外加与薄片垂直的磁则薄片中的载流子就在洛伦兹力的作用下，板书设计1传感器及其工作原理1.传感器：能够感受诸如力、温度、光、声、化学成分等物理量，并能把它们按照一定的规律转换为便于传送和处理的另一个物理量(通常是电压、电流等电学量)，或转换为电路的通断的元件2.传感器的优点：把非电学量转换为电学量，很方便地进行测量、传输、处理和控制3.一些制作传感器的元器件(1)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(2)热敏电阻和金属热电阻：能够把温度这个热学量转换为电阻这个电学量(3)霍尔元件：能够把磁感应强度这个磁学量转换为电压这个电学量教学反思1．本节课依据学生的认知规律组织教学，通过趣味实验引入新课，设置悬念，提出问题，激发学生兴趣，增强学生的求知欲；在进行“什么是传感器”的教学中注重实验探究，引导学生从两个实验的探究中加以归纳，让学生了解把非电学量转化为电学量的技术意义；在对光敏电阻、热敏电阻和金属热电阻、霍尔元件这些制作传感器的元器件教学中，注重将教师演示实验与学生动手实验相结合，注重理论与实践相结合．2．整个教学过程符合新课程的三维目标，体现新课程的理念，注重培养学生的自主、合作、探究能力，注意从生活走向物理，从物理走向生活，以此增进学生的学习能力和科学素养．备课资料●遥控开关随着人们生活水平的不断提高，家用电器也在走向智能化和遥控化．遥控技术越来越多地应用于家用电器．遥控开关不仅能用来控制电源开关，也能用来控制电视机选择频道、音量的大小、电风扇的风速、空调的温度等．家用电器的遥控开关，可以用声波、超声波、无线电波和红外线来控制．但应用得最多的是红外线遥控．红外线遥控开关由红外线发射器和接收器两部分组成．发射器就是我们拿在手里的遥控器，遥控器主要包括调制器和红外线发射管，可以对10 m范围内的家用电器进行遥控．红外线发射管能发射出一定波长的红外线，调制器能把控制开关的低频控制信号“加载”在红外线上．所以，从红外线发射器发射出来的红外线携带了控制信号．红外线遥控开关的接收器是安装在被控制的家用电器的正面面板上，它由接收管、抗干扰电路、解调器和开关控制器组成．接收管是一种硅光三极管，通过光电效应将照射在它上面的红外线转变为电信号．抗干扰电路能鉴别和排除周围环境中的红外线、干扰信号．解调器能将“加载”在红外线上的低频控制信号“卸”下来，并送入开关控制器，使电源开关接通或断开．。

第六章传感器本章概要本章以生活中常见的传感器入手，以对传感器的认识过程为主线，以转换思想为理论依据，深入研究了传感器的原理、应用以及自动控制电路的设计。

本章的重点是对传感器认识过程、传感器的原理的理解及其在各领域的广泛应用，学会由非电学量转换为电学量的转换思想，掌握传感器和自动控制电路的工作过程，会用传感器和转换思想设计简单的自控装置。

本章的难点是传感器原理、应用和自控装置的制作。

传感器的应用相当广泛，大到宇宙飞船、人造地球卫星、工业自动控制，小到普通家用电器、电动玩具等，各个领域都有它的身影。

传感器的原理就是将非电学量转换为电学量，因此本章作为一条纽带，紧紧地将电学和力学、光学和热学等各方面的知识紧密联系在一起，其核心是力、电、热、光等知识的综合和应用。

因此通过本章内容学习，可以帮助我们学会用等效替换的思想进行思维转换，有利于培养分析和解决实际问题的综合应用能力。

由于传感器的特殊作用，本章内容还与各个领域和各个学科有着千丝万缕的联系。

以传感器为媒介，物理知识向各个学科的各个领域都有渗透。

因此以传感器的应用创设题目情景，加强对物理知识和其它领域相关知识的考查，使我们最终将知识转化为能力已成为近几年命题的趋势和方向。

在每年的高考试题中，以传感器为背景的新情景题目也都有不同程度的体现。

所以学好本章内容，有助于加强本学科各知识点乃至跨学科综合，有助于提高我们的综合素质。

学习策略本章是力、热、声、光、电等的综合和升华，学习传感器的原理及其应用，离不开各相关学科的知识作为铺垫，尤其是稳恒电路更是学习本部分内容不可缺少的必备知识。

因此，在学习这一章时应重点复习电路中电流、电压、电阻的基本概念和闭合电路欧姆定律。

传感器中各敏感组件的特点和原理都是通过实验探究的方法总结归纳出来的，搞好实验探究，认真观察实验是学好本章的基础。

通过科学探究，学会通过现象进行分析、归纳和总结的基本方法是学好本章的关键。

通过传感器在生活、生产和科技领域的应用，学会制作自控装置，体验从原理到应用的过程，将知识真正转化为能力。

课堂探究一、什么是传感器情景再现夜晚，楼梯上漆黑一片．但随着我们的脚步声响，楼梯的灯亮了；我们登上一层楼，灯光照亮一层楼，而身后的灯则依次熄灭．这种楼梯灯控制装置好像能“看见”我们的到来，开灯迎接；又好像能“听到”我们的离去，关灯节能．这其中的奥妙是什么？要点详解1．传感器传感器是这样一类元件：它能够感受诸如力、光、声、化学成分等非电学量，并能把它们按照一定的规律转换成为电压、电流等电学量，或转换成为电路的通断．2．传感器的分类常用传感器是利用某些物理、化学或生物效应进行工作的．根据测量的不同，可将传感器分为物理型、化学型和生物型三类．物理型传感器是利用被测量物质的某些物理性质（如电阻、电压、电容、磁场等）发生明显变化的特性制成的，如光电传感器、力学传感器等．化学型传感器是利用能把化学物质的成分、浓度等化学量转换成为电学量的敏感元件制成的．生物型传感器是利用各种生物或生物物质的特性做成的，用以检测与识别生物体内化学成分的传感器，生物或生物物质主要是指各种酶、微生物、抗体等，分别对应酶传感器、微生物传感器、免疫传感器等等．3．传感器的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，而它输出的大多是电学量，如电压、电流、电荷量等，这些输出信号是非常微弱的，一般要经过放大等处理后，再通过控制系统产生各种控制动作．传感器原理如图所示．二、光敏电阻情景再现有一种音乐茶杯，茶杯平放在桌面上时，无声无息；若将茶杯提起，茶杯开始播放音乐，并发出五彩的光芒．此时如果用书本（不与茶杯接触）挡住底部，音乐又会立即停止．可见，音乐茶杯受光照强度的控制．要点详解1．实验探究（1）探究过程：将一只光敏电阻接到多用电表的两端，电表置于倍率为100的欧姆挡．在室内自然光的照射下，测量光敏电阻的电阻值约为多大；用手遮住光时电阻值是否变化，如何变化．若换用一只普通电阻，重复上述实验，结果如何？说明原因．（2）现象：光敏电阻在光照条件下，电阻值很小；在无光条件下，电阻值很大．普通电阻与光照条件无关．（3）分析论证：光敏电阻由半导体材料制成，无光照时，载流子极少，导电性不好；随着光照的增强，载流子增多，导电性变好．普通金属电阻内自由电子受光照影响很小，所以电阻一般与光照条件无关．（4）结论：无光时，电阻较大；有光时，电阻较小．2．特点：光敏电阻的电阻大小与光照的强弱有关，光照强度越大，电阻越小．状元笔记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．知识拓展半导体是靠自由电子和空穴导电，在光照或者温度升高时，会有更多的电子或空穴形成，因此导电性能明显增强．三、热敏电阻和金属热电阻情景再现电磁炉、电蚊香、空调等可以自动感知周围的温度，从而自动控制自己的工作；在SARS肆虐的时候，机场、车站等公共场所都配备了一种将红外辐射波转换成电信号的传感装置——红外测温仪．要点详解1．热敏电阻（1）实验探究①探究过程：分别将热敏电阻放入热水和冷水，用万用电表测量热敏电阻阻值的变化，并猜想其变化原因．②现象：温度升高，电阻增大．③分析论证：温度变化时，热敏电阻内的自由电子或空穴明显发生变化，导致其电阻变化．（2）特点：热敏电阻的阻值大小与温度的高低有关．温度变化，阻值有明显变化．（3）作用：热敏电阻是将温度的高低这个热学量转换为电阻这个电学量．热敏电阻器的用途十分广泛，主要应用于：①利用电阻的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、热导、真空度等；④利用热惯性作为时间延迟器．2．金属热电阻有些金属的电阻率随温度的升高而增大，这样的电阻也可以做成传感器，称为热电阻．金属电阻随温度的升高而增加．3．热敏电阻与金属热电阻的区别（1）热敏电阻和金属热电阻都随温度的变化而变化．（2）金属热电阻的化学稳定性好，测温范围大，但灵敏度较差；热敏电阻的灵敏性好，但化学稳定性较差．状元笔记也可以通过实验粗略画出热敏电阻和金属热电阻的阻值随温度变化的Rt图象，根据图象了解它们的温度特性．知识拓展在工作温度范围内，电阻值随温度上升而升高的是正温度系数热敏电阻；电阻值随温度上升而减小的是负温度系数热敏电阻．【示例】如图甲为半导体材料做成的热敏电阻随温度变化的曲线，用该热敏电阻和继电器做成温控电路(如图乙所示)．（1）简要分析温控电路的工作过程：．(2)设继电器的线圈电阻为50 Ω，继电器线圈中的电流大于或等于20 mA时，继电器的衔铁被吸合，左侧电源的电动势为6 V，内阻可以不计，试问温度满足什么条件时，右侧的小灯泡会发光？解答：（1）温度升高，热敏电阻的阻值变小，继电器线圈中的电流增加．温度升高到一临界值t0时，继电器线圈中的电流将达到或超过继电器的动作电流值，继电器将吸合，右侧电路接通，小灯泡发光；当温度低于t 0时，继电器线圈中的电流小于动作电流，右侧电路断开，小灯泡不亮．（2）当t ≥t 0＝50°时，右侧小灯泡发光．四、霍尔元件情景再现 新一代的霍尔齿轮转速传感器，广泛应用于新一代的汽车智能发动机．作为点火装置时用的速度传感器，用于ABS （汽车防抱死制动系统）作为车速传感器等． 要点详解1．霍尔元件如下图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．状元笔记 霍尔元件是通过霍尔效应的原理制成的．2．霍尔效应如上图所示，厚度为d 的导体板放在垂直于它的磁感应强度为B 的匀强磁场中，当恒定电流I 通过导体板时，导体板的左右侧面出现电势差，这种现象称为霍尔效应．3．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．4．霍尔电压dk I B U H ，其中k 为比例系数，称为霍尔系数，其大小与薄片的材料有关． 状元笔记 一个霍尔元件的d 、k 为定值，再保持I 恒定，则U H 的变化就与B 成正比．【示例】如图所示,截面为矩形的金属导体,放在磁场中,当导体中通有电流时,导体的上下表面的电势有什么关系（ ）A．U m＞U n B．U m＝U n C．U m＜U n D．无法判断解析：霍尔效应是因为带电粒子在磁场中受到洛伦兹力作用,做定向移动形成的,根据左手定则,电子受到向下的洛伦兹力作用,向N板运动,则M板剩下正电荷,所以U m＞U n．选A．答案：A。