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4.3 光电传感器

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 利用光敏元件将光信号转换为电信号,实现非接触式测量或控制的传感器。

从哪来 基于 7.1 交变电流图像 中关于电流随时间连续变化及周期性波动的理解,光电传感器输出的正是这种随光照强度变化而连续变化的电流信号。

为什么 核心原理是外光电效应(或内光电效应)。当光子照射到光敏材料上时,若光子能量大于材料逸出功,电子吸收能量后挣脱束缚成为自由电子(或激发载流子浓度增加),导致材料电阻改变或产生光电流。因此,光照强度的变化直接映射为电路中电流或电压的变化,实现了光-电转换。

类比法
将光电传感器比作“电子眼睛”。就像人眼看到光会传递信号给大脑,光敏电阻/二极管看到光会让电路“通”或“变强”。
适合:形象思维强、对抽象物理过程感到困难的学生。
电路分析法
从欧姆定律 $I=U/R$ 出发。强调光敏元件是一个“可变电阻”,光照越强,电阻越小(对于光敏电阻),在串联电路中分压越小,电流越大。
适合:逻辑思维强、擅长电路计算和定量分析的学生。
能量守恒法
聚焦于“光子能量 $E=h\nu$”与“电子逸出功 $W_0$”的关系。强调只有当 $h\nu > W_0$ 时,电子才能被激发,从而产生电流。
适合:对微观粒子运动、量子概念感兴趣且基础较好的学生。
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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,电源电压 $U=12V$。已知 $R_0=4\Omega$。当光照增强,$R_g$ 的阻值从 $8\Omega$ 降至 $2\Omega$ 时,求电路中电流的变化量。
变式
若将上述电路改为并联结构,$R_g$ 与 $R_0$ 并联接在 $12V$ 电源两端。当光照增强,$R_g$ 从 $8\Omega$ 降至 $2\Omega$ 时,求干路总电流的变化量。
试试手自己判
检测题
一个自动路灯控制系统中,光敏电阻 $R_g$ 与继电器线圈 $R_L$ 串联。设计要求:白天光照强时灯灭(继电器不吸合),夜晚光照弱时灯亮(继电器吸合)。已知继电器吸合电流为 $0.5A$,电源电压 $6V$,$R_L=10\Omega$。 问:当光照减弱至临界值时,光敏电阻 $R_g$ 的阻值应为多少?
看答案和判分标准
答案:$2\Omega$
判对标准:
1. 正确识别出“夜晚吸合”意味着电流达到 $0.5A$。
2. 正确计算总电阻 $R_{total} = U/I = 6/0.5 = 12\Omega$。
3. 正确计算 $R_g = R_{total} - R_L = 12 - 10 = 2\Omega$。
4. 逻辑清晰,单位正确。
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