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3.2 光传感器

传感器及其在物理实验中的应用 · 高二
先确认一下:这一关能不能学
上面这几节是它的地基 —— 没通的话,补完再回来,比硬啃快得多。
讲清楚它是什么

定义 光传感器是将光信号转换为电信号的装置,核心元件为光敏电阻或光电二极管。

从哪来 它建立在 7.1 交变电流图像 之上,利用光照变化引起电阻改变,从而在电路中产生随时间变化的电流信号。

为什么 光敏元件(如半导体)具有内光电效应:当光照射时,光子能量激发电子跃迁,导致载流子浓度增加,电阻减小。在恒定电压下,根据欧姆定律 $I=U/R$,电阻随光照强度的变化而变化,从而将光强这一非电学量转化为电流这一电学量,实现了信号的转换。

生活实例法
从“路灯自动开关”或“手机屏幕亮度调节”入手。
适合:形象思维强、对抽象物理过程感到困难的学生。 讲解逻辑:先展示现象(天黑灯亮),再拆解黑箱(光敏电阻),最后推导原理(光强变→电阻变→电流变→控制电路动作)。
数学建模法
从 $R-L$ 特性曲线入手。
适合:逻辑严密、擅长数据分析的学生。 讲解逻辑:给出光敏电阻阻值 $R$ 与光照强度 $E$ 的反比关系图,结合闭合电路欧姆定律 $I = \frac{E_{source}}{R_{photo} + R_{fixed}}$,推导电流 $I$ 与光照 $E$ 的非线性函数关系,强调信号转换的定量描述。
实验探究法
搭建简单电路,用激光笔改变光照。
适合:动手能力强、喜欢验证性学习的学生。 讲解逻辑:连接电源、光敏电阻、电流表。学生操作激光笔远近/遮挡,观察电流表读数变化。通过“控制变量”(固定电压,改变光照)直接感知“光-电”转换过程,建立感性认识后再引入理论。
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练一道
基础题
某光控开关电路中,光敏电阻 $R_G$ 与定值电阻 $R_0$ 串联,接在 $12V$ 电源上。已知 $R_0 = 4k\Omega$。当光照增强,$R_G$ 从 $8k\Omega$ 降至 $2k\Omega$ 时,求电路中电流的变化量。
变式
若上述电路中,光敏电阻 $R_G$ 的阻值随光照强度 $E$ 满足 $R_G = \frac{k}{E}$ ($k$ 为常数)。当光照强度 $E$ 变为原来的 4 倍时,电路总功率变为原来的多少倍?(设 $R_0$ 不可忽略)
试试手自己判
检测题
一个光控路灯电路,光敏电阻 $R_G$ 与继电器线圈(电阻 $R_L=10\Omega$)串联,接在 $6V$ 电源上。继电器线圈电流达到 $0.3A$ 时吸合,接通路灯。已知 $R_G$ 在光照强度 $E=1000 lx$ 时为 $10\Omega$,且 $R_G \propto 1/E$。求:当光照强度降至多少 $lx$ 时,路灯自动点亮?
看答案和判分标准
答案:1. 吸合条件:$I = 0.3A$。 2. 总电阻 $R_{total} = \frac{U}{I} = \frac{6}{0.3} = 20\Omega$。 3. 此时光敏电阻 $R_G' = R_{total} - R_L = 20 - 10 = 10\Omega$。 4. 根据 $R_G \propto 1/E$,即 $R_G \cdot E = C$(常数)。 5. $10\Omega \cdot 1000 lx = 10\Omega \cdot E'$。 6. 解得 $E' = 1000 lx$。
判对标准:
- 正确计算出吸合时的总电阻 $20\Omega$(2分)。
- 正确计算出此时光敏电阻阻值 $10\Omega$(2分)。
- 正确利用反比关系得出光照强度仍为 $1000 lx$(2分)。
- 若学生得出 $250 lx$ 或其他数值,说明混淆了正比/反比或计算错误,判错。
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