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3.1 温度传感器

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 利用敏感元件将温度变化转换为电信号(如电压、电阻)的装置。

从哪来 它建立在 7.1 交变电流图像 之上。

为什么 温度是分子热运动剧烈程度的宏观表现。当温度改变时,半导体或金属内部载流子的浓度、迁移率或晶格振动频率发生变化,导致其导电性能(电阻率)随之改变。这种物理性质的连续变化,使得传感器能够实时、动态地反映环境温度的波动,其响应特性与交变电流随时间连续变化的图像逻辑一致,即通过物理量的连续映射实现信号转换。

讲法
适合:形象思维强、喜欢生活实例的学生 讲法:厨房里的“电子舌头” 想象你做饭时,锅底的温度会不断变化。如果让你用手去摸,既危险又不准确。温度传感器就是锅底的“电子舌头”。它里面有一种特殊的材料(热敏电阻),这种材料有个怪脾气:温度越高,它“阻碍”电流通过的能力(电阻)就越小(对于NTC型)。就像水流过管道,管道变粗(电阻变小),水流(电流)就变大。传感器通过测量电流的变化,就能反推出温度的高低。
讲法
适合:逻辑严密、偏好数学建模的学生 讲法:函数映射与信号转换 从数学角度看,温度传感器是一个函数 $R(T)$ 或 $V(T)$。输入变量是温度 $T$,输出变量是电阻 $R$ 或电压 $V$。 以NTC热敏电阻为例,其电阻值 $R$ 与绝对温度 $T$ 的关系近似满足 $R = R_0 e^{B(1/T - 1/T_0)}$。 这与我们在“交变电流图像”中分析的 $i = I_m \sin(\omega t + \phi)$ 类似,都是自变量(时间 $t$ 或温度 $T$)与因变量(电流 $i$ 或电阻 $R$)之间的连续函数关系。传感器本质上是将非电学量(温度)通过物理机制映射为电学量(电阻/电压),以便后续电路进行放大和处理。
讲法
适合:动手能力强、喜欢探究实验的学生 讲法:黑箱探测与特性曲线 把传感器看作一个“黑箱”。我们不知道里面是什么,但我们可以测试它。 1. 准备一个热敏电阻、一个电源、一个电流表。 2. 将热敏电阻放入冷水中,记录电流 $I_1$。 3. 逐渐加热,记录电流 $I_2, I_3...$ 4. 你会发现,随着温度升高,电流显著增大(对于NTC)。 5. 绘制 $I-T$ 图像。这条曲线就是传感器的“指纹”。 6. 结论:只要知道这条曲线,测出电流,就能查出温度。这就是传感器的工作原理——标定与反演。
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练一道
基础题
某NTC热敏电阻在 $20^\circ\text{C}$ 时阻值为 $100\,\Omega$,在 $100^\circ\text{C}$ 时阻值为 $10\,\Omega$。若将其接入一个电压恒定为 $5\,\text{V}$ 的电路中,求在 $100^\circ\text{C}$ 时电路中的电流大小。
变式
上述热敏电阻接入同一电路($5\,\text{V}$)。若测得电路电流为 $0.1\,\text{A}$,且已知该电阻在 $20^\circ\text{C}$ 时为 $100\,\Omega$,在 $100^\circ\text{C}$ 时为 $10\,\Omega$。假设电阻随温度线性变化(简化模型),求此时的大致温度。
试试手自己判
检测题
一个由NTC热敏电阻 $R_t$ 和定值电阻 $R_0$ 串联组成的电路,接在电压恒定的电源上。电压表并联在 $R_t$ 两端。当环境温度突然升高时,电压表的示数将如何变化?请说明理由。
看答案和判分标准
答案:电压表示数减小。
判对标准:
1. 明确指出“减小”(2分)。
2. 理由包含:NTC电阻随温度升高而减小(2分)。
3. 理由包含:串联分压原理,电阻越小分得电压越小(2分)。
4. 逻辑清晰,无科学性错误(2分)。
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