人教版高中物理选修32第六章 传感器 综合复习docx.docx

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高中物理学习材料

唐玲收集整理

第六章传感器综合复习

教学目标：

1．知识目标

进一步体会非电学量转换成电学量的技术意义。

进一步了解常见传感器的工作原理，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．能力目标

了解传感器的工作原理，并能简单应用传感器知识解决一些实际问题

3．物理方法教育目标

通过传感器在生活、生产与技术中的应用实例分析，拓展学生的思维，培养创新意识，激发学习兴趣。

复习重点：

传感器的工作原理及应用实例分析

教学方法：

传感器的工作原理及应用实例分析

教具

投影片，学案

教学过程

（一）本章知识结构梳理（投影复习提纲，可以印发提纲，要求学生课下预习完成）

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。

8．

如图所示是光控电路，用发光二极管LED模仿路灯，RG为光敏电阻，R1的最大电阻为51kΩ，R2为330kΩ，试分析其工作原理．

要想在天更暗时路灯才会亮，应该把R1的阻值调大些还是调小些？

9．如图所示温度报警器的工作电路，试分析其工作原理。

要使热敏电阻在感测到更高的温度时才报警，应该把R1的阻值调大些还是调小些？

（二）精题讲练

1、热敏电阻的特性

【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。

分析：

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，所以电流减少，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

点评：

欧姆表的表盘刻度最右侧为0，最左侧为最大值．

针对练习1：

如图所示，R1为定值电阻，R2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（）

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

分析：

R2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R2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：

C

2、光敏电阻的特性

【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

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

跟踪练习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。

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、力传感器的应用

【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．

跟踪练习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=_______

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、温度传感器的应用

【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

跟踪练习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①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②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_____

答案：

（1）冷态时PTC电阻很小，电功率很大，所以升温很快

（2）67

5、霍尔元件的应用

【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Ａ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，A¹板出现多余的正电荷，所以A板电势低于A¹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

e

＝evB可得Ｕ＝hvB

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：

①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。

②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。

跟踪练习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ρ，不计电流表的内阻，则可求得流量为

A．

B．

C．

D．

答案：

A