1、学案 2 用传感器做实验 信息时代离不开传感器 学习目标定位 1.知道温度传感器、力传感器的原理和应用.2.理解霍尔元件的原理.3. 了解现代生产、生活中常用的传感器 1带电粒子在电场中受到的电场力 FEq. 2当带电粒子以速度 v 在磁场中运动时，若速度方向与磁感应强度方向垂直，那么粒 子受到的洛伦兹力为 FqvB，方向用左手定则判定 一、温度传感器：将温度的变化量转换成电学量的装置 二、力传感器 将力学量转换为电学量的装置 三、磁传感器 1霍尔元件是一种磁敏感元件 2霍尔效应：在金属薄片相对的两侧面通以控制电流 I，在与薄片垂直方向施加磁感 应强度为 B 的磁场，那么，在垂直于电流和磁场方
2、向的另外两个侧面将产生与控制电流和 磁场成正比的电动势 UH，这种现象称为霍尔效应，即 UHR H . IBd 四、随处可见的传感器 传感器在现代生活中的例子有红外测温仪、数码相机和摄像机、酒精浓度测试仪、煤 气报警器等. 一、实验中常见几种传感器分析 1温度传感器的原理 温度传感器是利用热敏电阻的阻值会随温度的变化而变化的原理制成的，它能把温度 这个热学量转换为电压这个电学量如各种家用电器(空调、冰箱、热水器、饮水机等) 的 温度控制器、火警报警器、恒温箱等 2力传感器的原理 如图 1 所示，力传感器可以用来测重力、压力、拉力等各种力，应变片能够把物体形 变这个力学量转换为电压这个电学量 图
3、 1 3.霍尔效应的原理 如图 2 所示,当电流垂直于外磁场通过导体时,在导体的垂直于磁场 和电流方向的两个端面之间会出现电势差,这一现象便是霍尔效应. 图 2 二、随处可见的传感器 1红外测温仪：是一种将红外辐射波转换成电信号的传感装置 2数码相机和摄像机：敏感元件叫做电荷耦合器件(CCD)，它能将光信号转换成模拟 电信号，模拟电信号再通过 A/D 转换器转换成数字电信号 3酒精浓度测试仪：敏感元件是酒精传感器 在生活中还有煤气报警器、火警报警器、红外报警器、防盗报警器等等工业生产中 有热轧生产线上的传感器，农业生产中有空气湿度传感器、土壤湿度传感器、土壤营养传 感器等等 三、信息社会离不开
4、传感器 智能式传感器集信息检测、信息处理、信息记忆、逻辑思维和判断功能于一身，把计 算机、各种用途的传感器和输入输出接口等制在同一块芯片上，即成为大规模集成电路智 能传感器 四、遥测与遥感 遥感遥测的基本原理是通过遥感传感器对观测目标产生的电磁波、热辐射进行远距离 收集、转换，用计算机处理、识别，得出结论主要应用在地球资源勘测、环境监控、气 象预报、军事侦察等方面 一、对霍尔元件的认识及应用 例 1 如图 3 所示是霍尔元件的工作原理示意图，如果用 d 表示薄 片的厚度，k 为霍尔系数，对于一个霍尔元件 d、k 为定值，如果保持 I 恒定，则可以验证 UH 随 B 的变化情况以下说法中正确的是
5、(工作面是指较大的 平面)( ) 图 3 A将永磁体的一个磁极逐渐靠近霍尔元件的工作面， UH 将变大 B在测定地球两极的磁场强弱时，霍尔元件的工作面应保持水平 C在测定地球赤道上的磁场强弱时，霍尔元件的工作面应保持水平 D改变磁感线与霍尔元件工作面的夹角， UH 将发生变化 解析 将永磁体的磁极逐渐靠近霍尔元件的工作面时，B 增大，I 恒定，由公式 UH 知 UH 将变大，选项 A 正确；地球两极的磁场方向在竖直方向上，所以霍尔元件的工作 kIBd 面应保持水平，使 B 与工作面垂直，选项 B 正确；地球赤道上的磁场沿水平方向，只有霍 尔元件的工作面在竖直方向且垂直于南北时，B 才与工作面垂
6、直，选项 C 错误；改变磁感 线与霍尔元件工作面的夹角，B 在垂直工作面方向上的大小发生变化，U H 将发生变化，选 项 D 正确 答案 ABD 二、传感器的应用分析 例 2 按图 4 所示连接好电路，合上 S，发现小灯泡不亮，原因是 _； 用电吹风对热敏电阻吹一会儿，会发现小灯泡_，原因是 _； 停止吹风，会发现_； 把热敏电阻放入冷水中会发现 _ 图 4 答案 由于热敏电阻阻值较大，左侧电路电流较小，电磁铁磁性较弱吸不住衔铁 亮 了 电吹风对热敏电阻加热使其阻值变小，电路中电流增大，电磁铁吸住衔铁，右侧电路 接通 小灯泡不会立即熄灭，因为热敏电阻温度仍然较高 小灯泡熄灭 三、传感器的应用实
7、例 例 3 电饭煲的工作原理如图 5 所示，可分为两部分，即控制部分：由 S2、R 1 和黄灯 组成工作(加热)部分：由发热电阻 R3、R 2 和红灯组成， S1 是一个磁铁限温开关，手动闭 合，当此开关的温度达到居里点(103) 时，自动断开，且不能自动复位 (闭合)，S 2 是一个 双金属片自动开关，当温度达到 7080时，自动断开，低于 70时，自动闭合，红灯、 黄灯是指示灯，通过的电流必须较小，所以 R1、R 2 起_作用，R 3 是发热电阻，由于 煮饭前温度低于 70，所以 S2 是_(填“断开的”或“闭合的”)接通电源并按下 S1 后，黄灯灭而红灯亮，R 3 发热，当温度达到 70
8、80时，S 2 断开，当温度达到 103 时饭熟，S 1 断开，当温度降到 70以下时，S 2 闭合，电饭煲处于保温状态，由以上描述可 知 R2_R3(填“” “”或“”) ，若用电饭煲烧水时，直到水被烧干 S1 才会断 开，试解释此现象 图 5 解析 R 1、R 2 起的作用是限流，防止指示灯(氖泡) 因电流过大而烧毁， S2 是自动控制 温度开关，当温度低于 70时自动闭合，当温度达到 7080时又自动断开，使电饭煲 处于保温状态，由于 R3 的功率较大，因此 R2R 3.由于开关 S1 必须当温度达到 103时才 自动断开，而水的沸点只有 100，因此用电饭煲烧水时，直到水被烧干后 S1
9、 才会断开 答案 见解析 例 4 一般的电熨斗用合金丝作为发热元件，合金丝电阻随温 度变化的关系如图 6 中实线 所示，由于环境温度以及熨烫的衣服 厚度、干湿等情况不同，电熨斗的散热功率不同，因而电熨斗的温 度可 能会在较大范围内波动，易损坏衣物 图 6 有一种用主要成分为 BaTiO3、被称为“PTC”的特殊材料作为发热元件的电熨斗，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， 根据图线分析： (1)为什么处于较低温度的 PTC 电熨斗刚通电时比普通电熨斗升温快？ (2)通电一段时间后电熨斗温度 t 自动稳定在_t UN BU MU N CU MU
10、N.故选 A. 6.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 (即单位时间内通过管 内横截面的流体的体积)为了简化，假设流量计是如图 4 所示的横截面为长方形的一段管 道，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 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 ，不计电流表的内阻，则可求得流量为 ( )
11、图 4 A. (bR ) B. (aR ) IB ca IB bc C. (cR ) D. (R ) IB ab IB bca 答案 A 解析 如图甲，导电流体在管中流量 Q vbc vtbct 导电流体流经流量计时，在其上、下两表面产生的电动势 EBc v 等效电路如图乙，EI( R ) cab 由可得 Q (bR )，A 正确 IB ca 7如图 5 所示，厚度为 d、宽度为 h 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 UH、电流 I 和磁感应强度
12、 B 的 关系为 UHR H .式中的比例系数 RH 称为霍尔系数霍尔效应可解释如下：外部磁场的洛 IBd 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电场力当电场力与洛伦兹力 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 是由电子的定向移动形成的，电子的平均定向速度为 v，电荷量为 e，回答下 列问题： 图 5 (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)当导体板上两侧之间的电势差为 UH
13、时，电子所受电场力的大小为 _ (4)由电场力和洛伦兹力平衡的条件，证明霍尔系数为 RH ，其中 n 代表导体板单位 1ne 体积中电子的个数 解析 (1)导体中电子定向移动形成电流，电子运动方向与电流方向相反，利用左手定 则可判定电子向 A 板偏，A板上出现等量正电荷，所以 A 板电势低于 A板电势 (2)洛伦兹力大小 F 洛 Be v (3)电场力 F 电 Ee e UHh (4)由 F 洛 F 电 得 Bev e UHhvB UHh 导体中通过的电流 Inevdh 由 UHR H 得 hvBR H ，得 RH . IBd nevdhBd 1ne 答案 见解析 题组三 传感器的应用分析 8
14、如图 6 所示为小型电磁继电器的构造示意图，其中 L 为含铁心的线圈P 为可绕 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 ( ) 图 6 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 答案 A 9如图 7 所示为一自动控制温度的电路，请说明其工作原理 图 7 答案 见解析 解析 当开关 P 在弹簧拉力作用下拉到上面与 a
15、接触时，电热丝工作；随着温度升高， 热敏电阻温度升高、阻值减小，通过电磁铁的电流增大，电磁铁磁性增强到一定程度时把 P 吸到 b，电热丝停止工作，指示灯亮 10如图 8 甲所示为一测量硫化镉光敏电阻特性的实验电路，电源电压恒定电流表 内阻不计，开关闭合后，调节滑动变阻器的滑片，使小灯泡发光亮度逐渐增强，测得流过 电阻的电流和光强的关系曲线如图乙所示，试根据这一特性用图丙中给定的器材设计一个 自动光控电路 图 8 答案 见解析 解析 由光敏电阻的特性曲线可以看出，当入射光增强时，光敏电阻的阻值减小，通 过光敏电阻的电流增大根据题意设计的自动光控电路如图所示控制过程是：当有光照 射时，电路中电流增大，经过放大器输出一个较大的电流，驱动电磁继电器吸引衔铁使两 个触点断开，当无光照射时，电路中电流减小，放大器输出电流减小，电磁继电器释放衔 铁，使两个触点闭合，控制电路接通，灯开始工作
