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2.1 光敏电阻

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 光敏电阻是一种利用半导体材料光电导效应,将光信号转换为电阻变化信号的敏感元件。

从哪来 它建立在 7.1 交变电流图像 之上。虽然光敏电阻通常用于直流电路,但理解其动态响应特性(如光照变化引起电流随时间变化)需要借助电流-时间图像的分析方法,且在实际传感器应用中,常涉及对微弱信号或周期性光照变化的检测,这与交变电流图像中分析瞬时值、有效值及变化趋势的逻辑相通。

为什么 光敏电阻的核心材料通常是硫化镉(CdS)等半导体。在半导体中,价带电子吸收光子能量后跃迁至导带,产生自由电子-空穴对,从而增加载流子浓度,降低电阻。光照越强,光子能量越大或光子数量越多,产生的载流子越多,电阻越小。反之,光照减弱,载流子复合,电阻增大。因此,光敏电阻的阻值与光照强度呈负相关关系。

讲法
适合:形象思维强、喜欢直观演示的学生 讲法:手电筒实验法 1. 准备一个光敏电阻、一个数字万用表(电阻档)、一个手电筒。 2. 让学生亲手操作:用手电筒照射光敏电阻,观察万用表读数。 3. 引导观察:光强时,读数小;光弱时,读数大;无光时,读数极大(兆欧级)。 4. 总结:光敏电阻就像一个“光控阀门”,光越强,阀门开得越大(电阻越小,电流越容易通过)。
讲法
适合:逻辑推理强、喜欢微观机制的学生 讲法:能带理论简化版 1. 引入半导体的能带模型:价带(满)和导带(空),中间有禁带。 2. 解释光电导效应:光子能量 $h\nu$ 大于禁带宽度 $E_g$ 时,价带电子获得能量跃迁到导带。 3. 推导:导带电子和价带空穴都是载流子,载流子浓度 $n$ 增加,电导率 $\sigma = n e \mu$ 增加,电阻 $R = 1/\sigma$ 减小。 4. 结论:光照强度 $\propto$ 光子数 $\propto$ 载流子浓度 $\propto$ 电导率 $\propto 1/R$。
讲法
适合:应用导向、喜欢解决实际问题学生 讲法:生活场景反推法 1. 提问:路灯为什么天黑自动亮,天亮自动灭? 2. 拆解电路:路灯控制电路需要一个能感知光强的元件。 3. 分析需求:天黑(光弱)时,需要触发开关接通电源;天亮(光强)时,断开电源。 4. 引入元件:光敏电阻在光弱时电阻大,光强时电阻小。 5. 结合分压电路:将光敏电阻与固定电阻串联,接在电源两端。光弱时,光敏电阻分压大,控制电路检测到高电压,接通路灯;光强时,分压小,断开路灯。 6. 总结:光敏电阻是将“光”这个物理量转化为“电”(电压/电流)的桥梁。
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练一道
基础题
一个光敏电阻 $R_L$ 与一个定值电阻 $R_0 = 10\Omega$ 串联,接在 $U = 6V$ 的电源上。当光照强度为 $E_1$ 时,$R_L = 20\Omega$;当光照强度增强为 $E_2$ 时,$R_L = 5\Omega$。求两种情况下电路中的电流 $I_1$ 和 $I_2$,并说明光照增强时电流的变化趋势。
变式
在上题电路中,若将定值电阻 $R_0$ 替换为一个电压表(内阻极大,视为理想电压表),测量 $R_0$ 两端的电压 $U_0$。当环境光线从昏暗变明亮时,电压表的示数如何变化?请画出 $U_0$ 随光照强度 $E$ 变化的定性图像。
试试手自己判
检测题
如图所示电路,电源电压 $U$ 恒定,$R_0$ 为定值电阻,$R_L$ 为光敏电阻。当用手电筒照射 $R_L$ 时,电压表(测 $R_0$ 两端电压)的示数 $U_V$ 将如何变化?若此时突然遮住手电筒,电压表示数将如何变化?
看答案和判分标准
答案:照射时,$U_V$ 增大;遮住时,$U_V$ 减小。
判对标准:
1. 正确判断照射时 $R_L$ 阻值减小(1分)。
2. 正确推导电路总电阻减小,电流增大(1分)。
3. 正确得出 $R_0$ 两端电压 $U_V = I R_0$ 增大(1分)。
4. 正确判断遮住时过程相反,$U_V$ 减小(1分)。
5. 逻辑清晰,因果关系明确(1分)。
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