2024_2025学年新教材高中物理第5章传感器及其应用章末综合提升学案鲁科版选择性必修第二册.doc
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第5章传感器及其应用
主题1传感器工作原理、常见敏感元件及
其应用
1．传感器的工作原理
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，这些输出信号是特别微弱的，通常要经过放大后，再送给限制系统产生各种限制动作，传感器原理如框图所示。
eq\x(\a\al(非电,学量))?eq\x(\a\al(敏感,元件))?eq\x(\a\al(转换,元件))?eq\x(\a\al(转换,电路))?eq\x(\a\al(电学量))
2．光敏电阻
光敏电阻是用半导体材料制成的，其特点是在被光照耀时电阻会发生变更，光照增加电阻减小，光照减弱电阻增大，其作用是把光学量转换为电学量。
3．热敏电阻和金属热电阻
金属热电阻的电阻率随温度上升而增大。其特点是化学稳定性好，测温范围大，但灵敏度较差。
热敏电阻是由半导体材料制成的，其电阻率对温度特别敏感。热敏电阻有正温度系数(PTC热敏电阻)、负温度系数(NTC热敏电阻)两种。正温度系数的热敏电阻的阻值随温度上升而增大，负温度系数的热敏电阻的阻值随温度上升而减小。金属热电阻和热敏电阻都能把热学量转换为电学量。
4．电容器
平行板电容器的电容大小与极板正对面积、极板间距及电介质材料有关，电容器可以感知引起电容变更的任一外界信息并将其转化为相应的电容变更。例如，当极板受力时会变更极板间距，从而引起电容变更。
5．霍尔元件
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，霍尔电压UH＝keq\f(IB,d)。
【典例1】如图为某一热敏电阻(电阻值随温度的变更而变更，且对温度很敏感)的I-U关系曲线图。
(1)为了通过测量得到图所示I-U关系的完整曲线，在图甲和乙两个电路中应选择的是图________；简要说明理由：____________。(电源电动势为9V，内阻不计，滑动变阻器的阻值为0～100Ω)
(2)在如图所示电路中，电源电压恒为9V，电流表读数为70mA，定值电阻R1＝250Ω。由热敏电阻的I-U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。
[解析](1)应选择图甲，因为图甲电路电压可从0V调到所需电压，电压调整范围大。
(2)由题图知R2与热敏电阻串联后与R1并联接在9V电源上，总电流I＝70mA，R1＝250Ω。设通过热敏电阻的电流为I2，通过R1的电流为I1，则I＝I1＋I2，故I2＝I－I1＝eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(70－\f(9,250)×103))mA＝34mA。由图像查得34mA对应的电压为5.0V，R2两端电压9V－5.0V＝4.0V，所以R2＝eq\f(4.0,34×10－3)Ω≈117.6Ω。
[答案](1)甲因为甲电路电压可从0V调到所需电压，电压调整范围大(2)5.0117.6
[一语通关]
对传感器的进一步理解
(1)不同的传感器的原理不同，但都是通过敏感元件把非电学量的变更转变为电学量的变更。
(2)传感器输出的电学量可能为电流、电压、电路通断等，不肯定是电压。
(3)敏感元件只是传感器的一个关键部分，并不肯定就是一个完整的传感器。
主题2传感器在实际问题中的应用
以传感器为桥梁可以将多方面的物理学问整合在一起，在实际问题中既可以干脆考查传感器学问，也可以考查敏感元件的敏感特性，几种传感器及与其相联系的物理学问，如表：
传感器种类
敏感元件
与之相联系的物理学问
光电传感器
光敏电阻
直流电路动态分析
温度传感器
热敏电阻
直流电路问题
力传感器
压敏电阻
力、运动与直流电路
电容传感器
电容器
力、运动与含电容电路
【典例2】青岛奥运会帆船赛场采纳风力发电给蓄电池充电，为路灯供应电能。用光敏电阻作为传感器限制路灯电路的开关，实现自动限制。
光敏电阻的阻值随照耀光的强弱而变更，作为简化模型，可以近似认为，照耀光较强(如白天)时电阻几乎为0；照耀光较弱(如夜晚)时电阻接近于无穷大。利用光敏电阻作为传感器，借助电磁开关，可以实现路灯自动在白天关闭，夜晚打开。电磁开关的内部结构如图所示。1、2两接线柱之间是励磁线圈，3、4两接线柱分别与弹簧片和触点连接。当励磁线圈中电流大于等于50mA时，电磁铁吸合铁片，弹簧片和触点分别，3、4断开；电流小于50mA时，3、4接通。励磁线圈中允许通过的最大电流为100mA。
(1)利用以下器材设计一个自动限制路灯的电路，在下面虚线框中画出电路原理图。
光敏电阻R1，符号
灯泡L，额定功率40W，额定电压36V，符号eq\o(L,\s\up6(?))
爱护电阻R2，符号
电磁开关，符号
蓄电池E，电压36V，内阻很小