PAGE15-溫度傳感器和光傳感器目標導航核心素養1.了解雙金屬片、熱電阻和熱敏電阻傳感器的特性和工作原理。2.知道光傳感器的工作原理和實際應用。3.體會溫度傳感器和光傳感器如何將非電信息轉化為電信息以及在應用中的設計思路。物理觀念:熱敏電阻、光敏電阻科學探究:通過試驗知道熱敏電阻、光敏電阻的特性科學思維:圖像法科學看法與責任:知道火災報警器在現實生活的重要作用必備學問·自主學習一、溫度傳感器1.熱雙金屬片溫度傳感器:(1)原理:不同金屬的膨脹系數不同,將兩種膨脹系數相差較大的不同金屬片焊接或軋制成為一體后,溫度上升時,由于兩面金屬膨脹程度不同,雙金屬片受熱變形,并且向膨脹系數小的一方彎曲。(2)應用:日光燈啟動器,電機過熱愛護器等。2.熱電阻傳感器:(1)原理:金屬絲的電阻隨溫度上升而增大。(2)電阻與溫度的關系:R=R0(1+θt)。(3)應用:測溫度、測流量。3.熱敏電阻傳感器:(1)NTC熱敏電阻:溫度上升,電阻減小。常用于測溫、溫度限制或過熱愛護。(2)PTC熱敏電阻:溫度上升,電阻增大。在某個特定溫度旁邊時電阻急劇變更,適用于制成熱愛護開關。二、光傳感器(1)光敏電阻是靠什么導電的?(2)光敏電阻的阻值隨光強如何變更?提示:(1)制作光敏電阻的材料是半導體,半導體是靠空穴和自由電子即載流子導電的。(2)光敏電阻的阻值隨光線的強弱而變更,光照越強電阻越小。1.作用:光傳感器是轉換光信號的傳感器。2.原理:有些金屬或半導體材料,在電路中受到光照時,產生電流或電壓,實現光信號向電信號的轉化。3.應用:自動門、光電式煙塵濃度計、光電式轉速表。關鍵實力·合作學習學問點一光敏電阻的特性1.探究光敏電阻的特性:(1)試驗器材:電壓直流電源、滑動變阻器、小燈泡、多用電表、光敏電阻、導線、黑紙。(2)試驗步驟:①將光敏電阻、多用電表、小燈泡、滑動變阻器按如圖所示電路連接好,并將多用電表置于“×100”②先測出在室內自然光的照耀下光敏電阻的阻值,并記錄數據。③打開電源,讓小燈泡發光,調整小燈泡的亮度使之漸漸變亮,視察表盤指針顯示電阻阻值的狀況,并記錄。④用黑紙遮光,視察表盤指針顯示電阻阻值的狀況,并記錄。(3)數據處理:把記錄的結果填入表中,依據記錄數據分析光敏電阻的特性。光照強度弱中強無光照耀阻值/Ω結論:光敏電阻的阻值被光照耀時發生變更,光照增加電阻變小,光照減弱電阻變大。2.相識光敏電阻:(1)光敏電阻的材料是一種半導體,無光照時,載流子極少,導電性能不好;隨著光照的增加,載流子增多,導電性能變好。(2)光敏電阻能夠把光照強弱這個光學量轉換為電阻這個電學量。它就像人的眼睛,可以看到光線的強弱。光線愈強,阻值愈低。一般光敏電阻的阻值在不受光照時是受光照時的100～1000倍。(3)光敏電阻靈敏度高、體積小、重量輕、性能穩定、價格便宜,因此在自動化技術中應用特別廣泛。3.光傳感器的應用——火災報警器:(1)如圖所示為利用煙霧對光的散射來工作的一種火災報警器,其工作原理是:帶孔的罩子內裝有發光二極管LED、光電三極管和不透亮的擋板。平常,光電三極管收不到LED發出的光,呈現高電阻狀態。(2)煙霧進入罩內后對光有散射作用,使部分光線照耀到光電三極管上,其電阻變小。與傳感器連接的電路檢測出這種變更,就會發出警報。光敏電阻的導電特性【典例】機器人裝有作為眼睛的“傳感器”,如同大腦的“限制器”,以及可以行走的“執行器”,在它遇到障礙物前會自動避讓并剛好轉彎。下列有關該機器人“眼睛”的說法中正確的是 ()A.該機器人“眼睛”利用了光傳感器B.該機器人“眼睛”利用了力傳感器C.該機器人“眼睛”利用了溫度傳感器D.該機器人“眼睛”利用了聲音傳感器【解析】選A。遇到障礙物會繞開,說明該機器人“眼睛”利用了光傳感器,故選A。1.街道旁的路燈利用半導體的電學特性制成了白天自動熄滅,夜晚自動點亮的裝置,該裝置的工作原理是應用了半導體的 ()A.熱敏性 B.壓敏性C.光敏性 D.三個特性同時應用【解析】選C。路燈要求夜晚亮、白天熄。白天有光,黑夜沒有光,則是由光導致電路的電流變更,所以電路中光傳感器導致電阻變更,實現自動限制,因此是利用半導體的光敏性,故C正確、A、B、D錯誤。故選C。2.如圖所示是某居住小區門口利用光敏電阻設計的行人監控裝置,R1為光敏電阻、R2為定值電阻,A、B接監控裝置。則 ()A.當有人通過而遮擋光線時,A、B之間電壓上升B.當有人通過而遮擋光線時,A、B之間電壓降低C.當僅增大R2的阻值時,可減小A、B之間的電壓D.當僅減小R2的阻值時,可增大A、B之間的電壓【解析】選B。R1是光敏電阻,有光照耀時,電阻變小,當有人通過遮擋光線時,R1的阻值變大,回路中的電流I減小,A、B間的電壓U=IR2減小,故A項錯誤,B項正確;由閉合電路歐姆定律得:U=E-I(R1+r),當僅增大R2的阻值時,電路中的電流減小,A、B間的電壓U增大,故C項錯誤;當減小R2的阻值時,電路中的電流增大,A、B間的電壓U減小,故D項錯誤。3.光傳感器是一種傳感裝置,在自動限制中發揮著重要作用,主要是應用了半導體材料制成的光敏電阻,某試驗小組用光敏電阻做試驗:(1)為了探討光敏電阻在室內正常光照耀和室外強光源照耀時電阻的大小關系,用圖甲所示電路進行試驗,得出兩種U-I圖線如圖乙所示。依據U-I圖線可知正常光照耀時間敏電阻阻值為Ω,強光源照耀時電阻為Ω;

(2)若試驗中所用電壓表的內阻約為7kΩ,毫安表的內阻約為300Ω,考慮到電表內阻對試驗結果的影響,為了減小誤差,用圖甲所示電路進行試驗,用(選填“正常光”或“強光”)照耀時測得的電阻誤差較小;

(3)在下列有關其他電阻應用的說法中,正確的是。

A.熱敏電阻可應用于溫度測控裝置中B.光敏電阻是一種光電傳感器C.電阻絲可應用于電熱設備中D.電阻在電路中主要起到通過直流、阻礙溝通的作用【解析】(1)因為光敏電阻的阻值隨光照強度的上升而減小,故由乙圖可知b圖像是強光源照耀,a圖像是正常光照耀,故Ra=6000Ω,Rb=400Ω;(2)用圖甲所示電路進行試驗,毫安表采納的是內接法,強光照耀時,光敏電阻與毫安表的內阻相差不大,這樣兩者電壓相差不大,故造成誤差大;而正常光照時,光敏電阻遠大于毫安表的內阻,毫安表分得電壓較小,誤差較小。(3)熱敏電阻對溫度很敏感,光敏電阻對光照很敏感,電阻絲可用于電加熱,這很常見,選項A、B、C正確;溝通電、直流電均可通過電阻,電阻對它們均可產生阻礙作用,選項D錯誤。答案:(1)6000400(2)正常光(3)A、B、C【加固訓練】1.利用光敏電阻制作的光傳感器,記錄了傳送帶上工件的輸送狀況,如圖甲所示為某工廠成品包裝車間的光傳感記錄器,光傳感器B能接收到發光元件A發出的光,每當工件攔住A發出的光時,光傳感器就輸出一個電信號,并在屏幕上顯示出電信號與時間的關系,如圖乙所示。若傳送帶始終勻速運動,每兩個工件間的距離為0.2m,A.傳送帶運動的速度是0.1B.傳送帶運動的速度是0.4m/sC.該傳送帶每小時輸送3D.該傳送帶每小時輸送7200個工件【解析】選C。從圖乙可以知道:每間隔1s的時間光傳感器就輸出一個電信號,而在這一段時間內傳送帶運動了兩個工件之間的距離,所以傳送帶運動的速度是v=m/s=0.2m/s。故A、B錯誤;傳送帶每小時傳送的距離為s=vt=0.2×3600m=720m,工件個數為n==3600個2.(多選)如圖所示,R是光敏電阻,當它受到的光照強度增大時 ()A.燈泡L變暗B.光敏電阻R上的電壓增大C.電壓表V的讀數減小D.電容器C的帶電荷量增大【解析】選C、D。當光照強度增大時,光敏電阻阻值減小,外電路總電阻減小,依據歐姆定律得知,總電流I增大,燈泡變亮,故A錯誤;電流增大,電源內阻所占電壓增大,路端電壓減小,所以電壓表的示數減小,而燈泡兩端電壓增大,所以光敏電阻R上的電壓減小,故B錯誤,C正確;燈泡兩端電壓,即電容器兩端電壓增大,依據Q=UC可知,電容器C的帶電量增大,故D正確,故選C、D。3.如圖所示的電路中,R為光敏電阻(增大照耀光的強度電阻會減小)、C為電容器,燈泡L的額定電壓為50V,志向變壓器原、副線圈的匝數比為2∶1。閉合電鍵S,在a、b兩端輸入正弦交變電壓U=100sin10πt(V),則下列說法正確的是 ()A.燈泡會正常發光B.光敏電阻中的電流和燈泡中的電流相等C.增大照耀光的強度照耀光敏電阻,燈泡會變亮D.斷開電鍵S,燈泡會熄滅【解析】選C。由題可知,原線圈兩端的電壓的有效值為100V,依據變壓比,副線圈兩端的電壓為50V,由于電容器和電阻都會阻礙電流,因此燈泡兩端的電壓小于50V,不會正常發光,A錯誤;由于電容器能通溝通電,因此電阻R中的電流小于燈泡中的電流,B錯誤;增大照耀光的強度照耀光敏電阻,光敏電阻的阻值減小,對電流的阻礙減小,因此燈泡中的電流增大,燈泡會變亮,C正確;斷開電鍵S,由于電容器能通過溝通電,因此燈泡不會熄滅,D錯誤。故選C。學問點二熱敏電阻的特性1.探究熱敏電阻:(1)試驗器材:熱敏電阻、多用電表、鐵架臺、燒杯、冷水、熱水、導線等。(2)試驗步驟:①按圖連接好電路,將熱敏電阻絕緣處理。②把多用電表置于“歐姆”擋,并選擇合適的擋位測出燒杯中沒有水時熱敏電阻的阻值,并登記此時溫度計的示數。③向燒杯中注入少量的冷水,使熱敏電阻浸沒在冷水中,登記溫度計的示數和多用電表測量的熱敏電阻的阻值。④將熱水分幾次注入燒杯中,測出不同溫度下熱敏電阻的阻值,并記錄。(3)數據處理:①依據記錄數據,把測量到的溫度值和電阻值填入表中,分析熱敏電阻的特性。次數溫度/℃電阻/Ω②在坐標系中,粗略畫出熱敏電阻的阻值隨溫度變更的圖線。2.金屬熱電阻和熱敏電阻:金屬熱電阻的電阻率隨溫度的上升而增大,用金屬絲可以制作溫度傳感器,稱為熱電阻。它能把溫度這個熱學量轉換為電阻這個電學量。熱敏電阻的電阻率則可以隨溫度的上升而上升或降低。熱敏電阻主要有兩種:(1)正溫度系數熱敏電阻(PTC):指在某一溫度下電阻急劇增加、具有正溫度系數的熱敏電阻,可特地用作恒定溫度傳感器(甲圖)。(2)負溫度系數熱敏電阻(NTC):指隨溫度的上升電阻呈指數關系減小、具有負溫度系數的熱敏電阻(乙圖)。3.熱敏電阻的應用:(1)熱敏電阻是開發早、種類多、發展較成熟的敏感元件。熱敏電阻由半導體陶瓷材料組成,利用的原理是溫度引起電阻變更,由于半導體熱敏電阻有獨特的性能,所以在應用方面,它不僅可以作為測量元件(如測量溫度、流量、液位等),還可以作為限制元件(如熱敏開關、限流器)和電路補償元件。(2)熱敏電阻廣泛用于家用電器、電力工業、通訊、軍事科學、宇航等多個領域,發展前景極其廣袤?！镜淅磕惩瑢W通過試驗探究熱敏電阻阻值隨溫度的變更規律,他得到了該熱敏電阻的伏安特性曲線圖甲。(1)由圖可知,熱敏電阻的阻值隨溫度上升而。(選填“變大”或“變小”)

(2)他將這個熱敏電阻接入圖乙所示的電路中,其中R1為定值電阻,R2為該熱敏電阻,L為小燈泡,當溫度降低時 ()A.R1兩端的電壓增大 B.電流表的示數增大C.小燈泡的亮度變強 D.小燈泡的亮度變弱【解析】(1)電阻的定義式為R=,則可知I-U圖線的斜率的倒數等于電阻大小。由題圖甲可以看出,隨著電壓上升,電阻溫度上升,電阻變小。(2)R2與燈L并聯后與R1串聯,與電源構成閉合電路,當熱敏電阻溫度降低時,電阻增大,外電路電阻增大,電流表讀數變小,燈L兩端電壓增大,燈泡亮度變強,R1兩端電壓減小,故A、B、D錯誤,C正確。答案:(1)變小(2)C1.如圖所示,由電源、小燈泡、電阻絲、開關組成的電路中,當閉合開關S后,小燈泡正常發光。若用酒精燈加熱電阻絲時,發覺小燈泡亮度變暗,發生這一現象的主要緣由是 ()A.小燈泡的電阻發生了變更B.小燈泡燈絲的電阻率隨溫度發生了變更C.電阻絲的電阻率隨溫度發生了變更D.電源的電壓隨溫度發生了變更【解析】選C。電阻絲的電阻率隨溫度的上升而增大,電阻也增大,依據P=知,小燈泡的實際功率減小,所以變暗,C正確。2.(2024·武漢高二檢測)某同學利用熱敏電阻設計了一個“過熱自動報警電路”,如圖甲所示。將熱敏電阻R安裝在須要探測溫度的地方,當環境溫度正常時,繼電器的上觸點接觸,下觸點分別,指示燈亮;當環境溫度超過某一值時,繼電器的下觸點接觸,上觸點分別,警鈴響。圖甲中繼電器的供電電壓U1=3V,繼電器線圈用漆包線繞成,其電阻R0為40Ω。當線圈中的電流大于等于50mA時,繼電器的銜鐵將被吸合,警鈴響。圖乙是熱敏電阻的阻值隨溫度變更的圖像。(1)圖甲中警鈴的接線柱C應與接線柱相連,指示燈的接線柱D應與接線柱相連(均選填“A”或“B”);

(2)當環境溫度上升時,熱敏電阻阻值將,繼電器的磁性將(均選填“增大”“減小”或“不變”),當環境溫度達到℃時,警鈴報警;

(3)假如要使報警電路在更低的溫度就報警,下列方案可行的是 ()A.適當減小U1 B.適當增大U1C.適當減小U2 D.適當增大U2【解析】(1)由題意可知,當環境溫度超過某一值時,繼電器的下觸點接觸,上觸點分別,警鈴響,所以圖甲中警鈴的接線柱C應與接線柱B相連;當環境溫度正常時,繼電器的上觸點接觸,下觸點分別,指示燈亮,所以指示燈的接線柱D應與接線柱A相連。(2)由圖乙可知,當環境溫度上升時,熱敏電阻阻值減小,電壓不變,電流將增大,對應繼電器的磁性將增大;由題意可知,當線圈中的電流大于等于50mA時,繼電器的銜鐵將被吸合,警鈴響。當電流等于50mA時,熱敏電阻的阻值為R=-R0=20Ω,則由圖乙可知,當熱敏電阻阻值為20Ω時,溫度為100℃。(3)由圖乙可知,溫度越低,對應熱敏電阻的阻值越大,則由R=-R0可知,電流不變,要使R增大,U1須要適當增大,所以要使報警電路在更低的溫度就報警,應當適當增大U1,故B正確、A錯誤;U2是為指示燈供應電能,所以變更報警器的報警溫度與U2無關,故C、D錯誤。故選B。答案:(1)BA(2)減小增大100(3)B【加固訓練】1.有一熱敏電阻的電阻值在t1～t4的溫度變更范圍內,R-t圖像如圖所示?，F將該熱敏電阻接在歐姆表的兩表筆上,做成一個電阻溫度計。為了便于讀數,再把歐姆表上的電阻值轉換成溫度值?，F在要使該溫度計對溫度的變更反應較為靈敏,那么該溫度計測量哪段范圍內的溫度較為相宜(設在t1～t4溫度范圍內,歐姆表的倍率不變) ()A.t1～t2B.t2～t3C.t3～t4D.【解析】選B。由題圖可知熱敏電阻的電阻值隨溫度的上升而增大,在t2～t3溫度范圍內,電阻值隨溫度的變更較大,即電阻值對溫度的變更較為靈敏,故選B。2.如圖所示是視察電阻值隨溫度變更狀況的示意圖?，F把杯中的水由冷水變為熱水,關于歐姆表的讀數變更狀況正確的是(設水對電阻阻值的影響不計)()A.假如R為金屬熱電阻,讀數變大,且變更特別明顯B.假如R為金屬熱電阻,讀數變小,且變更不明顯C.假如R為熱敏電阻(用半導體材料制成),讀數變更特別明顯D.假如R為熱敏電阻(用半導體材料制成),讀數變更不明顯【解析】選C。金屬熱電阻的阻值隨溫度的上升而增大,但靈敏度較差。而熱敏電阻(用半導體材料制成)靈敏度高,所以選C?！就卣估}】考查內容:傳感器的工作原理和常見敏感元件【典例】如圖所示為某一熱敏電阻(電阻值隨溫度的變更而變更,且對溫度很敏感)的I-U圖像。(1)為了通過測量得到如圖所示I-U關系的完整曲線,在如圖甲所示和如圖乙所示兩個電路中應選擇的是圖;簡要說明理由:。(電源電動勢為9V,內阻不計,滑動變阻器的阻值為0～100Ω)(2)在如圖丙所示電路中,電源電壓恒為9V,電流表讀數為70mA,定值電阻R1=250Ω。由熱敏電阻的I-U關系曲線可知,熱敏電阻兩端的電壓為V;電阻R2的阻值為Ω。

【解析】(1)由于I-U圖線是從0起先,所以應選擇的是圖甲。圖甲電路電壓可從0V調到所需電壓,電壓調整范圍大。(2)由于R2與熱敏電阻串聯后與R1并聯接在9V電源上,總電流I=70mA,R1=250Ω。設通過熱敏電阻的電流為I2,通過R1的電流為I1,則I=I1+I2,故I2=I-I1=(70-×103)mA=34mA。由I-U圖像查得34mA對應的電壓為5.4V,R2兩端電壓U2=9V-5.4V=3.6V,故R2=Ω≈105.9Ω。答案:(1)甲圖甲電路電壓可從0V調到所需電壓,電壓調整范圍大(2)5.4105.9課堂檢測·素養達標1.關于光敏電阻,下列說法正確的是 ()A.受到光照越強,電阻越小B.受到光照越弱,電阻越小C.它的電阻與光照強弱無關D.以上說法都不正確【解析】選A。光照增加時,光敏電阻中載流體增多,所以導電實力增加,電阻越小,選項A正確。2.如圖所示是利用硫化鎘制成的光敏電阻自動計數器的示意圖,其中A是發光儀器,B是光敏電阻,R是一般定值電阻,下列說法中正確的是 ()A.當傳送帶上沒有物品攔住由A射向B的光信號時,光敏電阻的阻值變小,電壓表讀數變大B.當傳送帶上沒有物品攔住由A射向B的光信號時,光敏電阻的阻值變大,電壓表讀數變小C.當傳送帶上有物品攔住由A射向B的光信號時,光敏電阻的阻值變小,電壓表讀數變小D.當傳送帶上有物品攔住由A射向B的光信號時,光敏電阻的阻值變大,電壓表讀數變大【解析】選D。光敏電阻的阻值與光照強度有關,光照強度越大,光敏電阻阻值越小。當傳送帶上沒有物品攔住由A射向B的光信號時,光敏電阻阻值變小,電路中電流變大,電源內阻上的電壓變大,路端電壓變小,所以電壓表讀數變小,選項A、B錯誤;相反,當傳送帶上有物品攔住由A射向B的光信號時,光敏電阻的阻值變大,電路中電流變小,電源內阻上的電壓變小,路端電壓變大,所以電壓表讀數變大,選項C錯誤、D正確。3.(多選)下列關于傳感器元件的說法正確的是 ()A.熱敏電阻或金屬熱電阻能夠把溫度這個熱學量轉換為電阻這個電學量B.熱敏電阻與金屬熱電阻相比,熱敏電阻化學穩定性好,靈敏度較差C.光敏電阻能夠把光照強弱這個光學量轉換為電阻這個電學量D.霍爾元件能夠把磁感應強度這個磁學量轉換為電壓這個電學量【解析】選A、C、D。熱敏電阻在溫度上升時,電阻會變小,熱敏電阻能把溫度這個熱學量轉換為電阻這個電學量,金屬熱電阻是將溫度轉化為電阻,化學穩定性好,但靈敏度差,故A正確、B錯誤;光敏電阻能夠把光照強弱這個光學量轉換為電阻這個電學量,故C正確;霍爾元件能夠把磁感應強度這個熱學量轉化為電壓這個電學量,故D正確。故選A、C、D?！炯庸逃柧殹?多選)(2024·遵義高二檢測)如圖(a)所示為一種簡易檢測水中懸浮顆粒污染程度的指示器,它是利用光敏電阻的電學特性制成的光敏傳感器。工作原理如圖(b),被污染的水中常含有懸浮的顆粒,這些懸浮物會影響光的通過,當光穿過水照耀到光敏電阻上時,到達光敏電阻的光亮與水的污染程度有關。下列關于指示器的工作分析,正確的是 ()A.污染嚴峻時,光敏電阻阻值大B.污染嚴峻時,光敏電阻阻值小C.污染嚴峻時,指示燈亮D.污染嚴峻時,指示燈滅【解析】選A、D。污染嚴峻時,透過污水照到光敏電阻上的光線削減,光敏電阻的阻值增大,指示燈熄滅,故A、D正確,B、C錯誤。4.溫度傳感器是一種將溫度變更轉換為電學物理量變更的裝置,它通過測量傳感器元件的電學物理量隨溫度的變更來實現溫度