物理粵教版選修3-2學(xué)案第三章第三節(jié)傳感器的應(yīng)用Word版含答案

第三節(jié)傳感器的應(yīng)用1.了解傳感器在生活和生產(chǎn)中的應(yīng)用，會運用傳感器知識解釋一些生活中的問題．2.會通過圖書館、網(wǎng)絡(luò)獲取信息，自主學(xué)習(xí)，解釋生產(chǎn)、生活中遇到的傳感器的基本原理．,[學(xué)生用書P60])一、生活中的傳感器1．溫度傳感器的應(yīng)用：電飯煲、電冰箱、微波爐、空調(diào)機、消毒碗柜等與溫度控制相關(guān)的家用電器．2．紅外線控制器的應(yīng)用：自動門、家電遙控器、生命探測器、非接觸紅外測溫儀以及防盜、防火報警器等．3．光敏傳感器的應(yīng)用：照相機．4．壓力傳感器的應(yīng)用：電子秤．二、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的傳感器傳感器廣泛應(yīng)用于耕種、栽培、收割、運輸、排灌等過程的自動控制，例如：1．無人管理的自動灌溉系統(tǒng)，用到了濕度傳感器．2．自動化溫室種植用到了溫度傳感器．3．現(xiàn)代糧庫采用了溫度傳感器和濕度傳感器．三、工業(yè)生產(chǎn)中的傳感器生產(chǎn)安全中，如將一種埋入式光纖傳感器安置在大橋或水壩中，隨時可以監(jiān)控大橋或水壩的裂痕等安全隱患；在自動控制系統(tǒng)中，如數(shù)控機床中的位移測量裝置就是利用高精度位移傳感器(如光柵傳感器)對位移測量，從而實現(xiàn)精密加工．四、飛向太空的傳感器飛機保持一定飛行高度，當飛機高度變化時，大氣數(shù)據(jù)計算機自動發(fā)出與給定高度的差值信號，并通過自動駕駛儀操縱升降舵，使飛機恢復(fù)給定高度；在運載火箭、載人飛船中，應(yīng)用了傳感器供遙測和遙控系統(tǒng)使用；對宇航員的各種生理狀態(tài)的測量有生理傳感器，如測量血壓、心電圖、體溫等．傳感器的應(yīng)用分析[學(xué)生用書P60]1．傳感器的應(yīng)用步驟物理傳感器是將所感受的物理量(如力、熱、光等)轉(zhuǎn)換為便于測量的電學(xué)量的器件．我們可以把傳感器的應(yīng)用過程分為三個步驟：(1)信息采集．(2)信息加工、放大、傳輸．(3)利用所獲得的信息執(zhí)行某種操作．2．分析傳感器問題要注意四點(1)感受量分析：要明確傳感器所感受的物理量，如力、熱、光、磁、聲等．(2)輸出信號分析：明確傳感器的敏感元件，分析它的輸入信號及輸出信號，以及輸入信號與輸出信號間的變化規(guī)律．(3)電路結(jié)構(gòu)分析：認真分析傳感器所在的電路結(jié)構(gòu)，在熟悉常用電子元件工作特點的基礎(chǔ)上，分析電路輸出信號與輸入信號間的規(guī)律．(4)執(zhí)行機構(gòu)工作分析：傳感器的應(yīng)用，不僅包含非電學(xué)量如何向電學(xué)量轉(zhuǎn)化的過程，還包含根據(jù)所獲得的信息控制執(zhí)行機構(gòu)進行工作的過程．對于含有敏感元件的傳感器，要明確使用了哪種敏感元件，根據(jù)敏感元件的原理，確定外界因素發(fā)生變化時，敏感元件將如何變化，又將會引起相應(yīng)的電學(xué)量如何變化，根據(jù)電學(xué)量的變化作出相應(yīng)的判斷．如圖所示，圖甲為熱敏電阻的R－t圖象，圖乙為用此熱敏電阻R和繼電器組成的一個簡單恒溫箱溫控電路，繼電器線圈的電阻為200Ω.當線圈中的電流大于或等于20mA時，繼電器的銜鐵被吸合．為繼電器線圈供電的電池的電動勢E＝6V，內(nèi)阻可以不計．圖中的“電源”是恒溫箱加熱器的電源．(1)應(yīng)該把恒溫箱內(nèi)的加熱器接在________端．(填“A、B”或“C、D”)(2)如果要使恒溫箱內(nèi)的溫度保持100℃，可變電阻R′的值應(yīng)調(diào)節(jié)為________Ω.[解析](1)當溫度較低的時候，熱敏電阻的電阻較大，電路中的電流較小，此時繼電器的銜鐵與AB部分連接，此時是需要加熱的，恒溫箱內(nèi)的加熱器要工作，所以該把恒溫箱內(nèi)的加熱器接在A、B端．(2)當溫度達到100℃時，加熱電路就要斷開，此時的繼電器的銜鐵要被吸合，即控制電路的電流要到達20mA，根據(jù)閉合電路歐姆定律可得，I＝eq\f(E,R＋R′＋R0)，由圖甲可知，當100℃時熱敏電阻阻值為50Ω，因此，0.02＝eq\f(6,200＋50＋R′)，解得R′＝50Ω.[答案](1)A、B(2)50eq\a\vs4\al()有關(guān)熱敏電阻的傳感器應(yīng)用問題，實際上是電路中的電阻計算問題和阻值變化問題，基本方法是根據(jù)歐姆定律確定電阻，再找電阻和溫度的關(guān)系，或先根據(jù)溫度確定電阻，再求解其他物理量．1.如圖所示，圖中1是彈簧，2是銜鐵，3是觸點，4是電磁鐵，5是負溫度系數(shù)的熱敏電阻，6是滑動變阻器，7是電鈴，它們組成一種溫度自動報警電路，試說明這種簡單溫度自動報警電路的工作原理．解析：當熱敏電阻溫度升高到一定值時，電磁鐵電路中的電流增大，電磁鐵吸引銜鐵使電鈴電路閉合，電鈴響并報警；當溫度下降后，電阻增大，電流減小，電磁鐵磁性減弱，銜鐵被彈簧拉起，電鈴電路斷開，電鈴不發(fā)聲．答案：見解析傳感器的應(yīng)用實例[學(xué)生用書P61]1．力傳感器的應(yīng)用——電子秤(1)構(gòu)成：電子秤的測力裝置是力傳感器，常用的一種力傳感器由一個金屬梁和兩個應(yīng)變片組成．如圖所示．(2)工作原理：在金屬梁沒有受力的情況下，金屬梁處于水平狀態(tài)，梁的上下應(yīng)變片的長度沒變且相等，兩應(yīng)變片的電阻大小也相等，當給金屬梁施加豎直向下的力時，金屬梁會向下彎曲，使得金屬梁上面的應(yīng)變片被拉長，電阻變大，兩端電壓也變大，而下邊的應(yīng)變片被擠壓收縮，電阻變小，兩端的電壓也減小，使得兩應(yīng)變片的兩端電壓值不相等，存在差值，控制電路就通過這個差值，經(jīng)過放大電路將差值信號放大，再在顯示器上顯示出數(shù)字，即力F的大?。?3)應(yīng)用：力傳感器常用于測量汽車載重，以及商店超市的電子秤．(如圖所示)2．溫度傳感器的應(yīng)用(1)電熨斗①溫度傳感器：由半導(dǎo)體材料制成的熱敏電阻和金屬熱電阻均可制成溫度傳感器，它可以把溫度信號轉(zhuǎn)換為電信號進行自動控制．②電熨斗的自動控溫原理：其內(nèi)部裝有雙金屬片溫度傳感器，如圖所示：常溫下，上下觸點應(yīng)是接觸的，但溫度過高時，由于雙金屬片受熱膨脹系數(shù)不同，上部金屬膨脹大，下部金屬膨脹小，則雙金屬片向下彎曲，使觸點分離，從而切斷電源停止加熱，溫度降低后，雙金屬片恢復(fù)原狀，重新接通電路加熱，這樣循環(huán)進行，起到自動控制溫度的作用．(2)電飯鍋①結(jié)構(gòu)：如圖所示，它的主要元件感溫鐵氧體是用氧化錳、氧化鋅和氧化鐵粉末混合燒結(jié)而成的．它的特點是：常溫下具有磁性，能被磁體吸引，但是溫度上升到約103℃時，就失去了磁性，不能被磁體吸引了．②工作原理：電飯鍋工作時，按下開關(guān)按鈕，感溫磁體與永磁體接觸，兩個接線螺釘通過觸點相連，電路接通，開始工作，電飯鍋內(nèi)溫度升高，當達到103℃時，感溫磁體與永磁體分離，帶動觸點分離，電路斷開，不再加熱，電飯鍋停止工作．3．光傳感器的應(yīng)用——火災(zāi)報警器如圖所示為利用煙霧對光的散射來工作的一種火災(zāi)報警器，其工作原理是：帶孔的罩子內(nèi)裝有發(fā)光二極管LED、光電三極管和不透明的擋板．平時，光電三極管收不到LED發(fā)出的光，呈現(xiàn)高電阻狀態(tài)．煙霧進入罩內(nèi)后對光有散射作用，使部分光線照射到光電三極管上，其電阻變?。c傳感器連接的電路檢測出這種變化，就會發(fā)出警報．在不同的儀器中所使用的傳感器一般不同，其原理也不盡相同，但它們都是將非電學(xué)量轉(zhuǎn)化為電學(xué)量．命題視角1力傳感器的應(yīng)用(多選)如圖是某電子秤的原理圖，人只要站在踏板上，儀表G就能顯示人的體重，踏板下面的傳感器R實質(zhì)是一個阻值可隨壓力大小而變化的電阻，顯示體重的儀表G實質(zhì)是理想電流表，如果不計踏板的質(zhì)量，電阻R隨人的體重G變化的函數(shù)關(guān)系式為R＝a－kG(a、k是常量，G和R的單位分別是N和Ω)，下列說法正確的是()A．傳感器R是一個力電傳感器B．閉合電路測量時，電路中的電流隨人的體重均勻變化C．該秤零刻度線(即踏板空載時的刻度線)應(yīng)標在電流表G刻度盤的零刻度處D．如果要擴大電子秤的量程，滑動變阻器R′接入電路中的電阻應(yīng)調(diào)大[解析]根據(jù)閉合電路歐姆定律列式得到電流的表達式和量程的表達式進行討論即可．R是將壓力信號換成電信號的傳感器，即力電傳感器，故A正確；閉合電路測量時，電路中的電流：I＝eq\f(E,a－kG＋r＋R′)，顯然與人的體重不成線性關(guān)系，故B錯誤；當重力為零時，電流最小，但不為零，故C錯誤；由Ig＝eq\f(E,a－kGm＋r＋R′)可知，kGm＝a＋r＋R′－eq\f(E,Ig)，因此變阻器接入電路中的電阻調(diào)大，可以測量的人的最大體重增大，故D正確．[答案]ADeq\a\vs4\al()力學(xué)傳感器的分析方法(1)清楚力學(xué)傳感器的工作原理，明確裝置是如何將力這個非電學(xué)量轉(zhuǎn)化為電學(xué)量是解決該類問題的關(guān)鍵．(2)涉及電路計算時，注意歐姆定律及分壓原理的應(yīng)用．命題視角2溫度傳感器的應(yīng)用如圖所示，M是型理想變壓器，接線柱a、b接在電壓u＝311sin134t(V)的正弦交流電源上，變壓器右側(cè)部分為一火警報警系統(tǒng)原理圖，其中R2為用半導(dǎo)體熱敏材料制成的傳感器，電流表A2為值班室的顯示器，顯示通過R1的電流，電壓表V2顯示加在報警器上的電壓(報警器未畫出)，R3為一定值電阻．當傳感器R2所在處出現(xiàn)火警時，以下說法中正確的是()A．A1的示數(shù)不變，A2的示數(shù)增大B．A1的示數(shù)增大，A2的示數(shù)增大C．V1的示數(shù)增大，V2的示數(shù)增大D．V1的示數(shù)不變，V2的示數(shù)減小[解析]當傳感器R2所在處出現(xiàn)火情時，R2的電阻減小，導(dǎo)致電路的總的電阻減小，所以電路中的總電流將會增大，A1測量的是原線圈中的總的電流，由于副線圈的電流增大了，所以原線圈的電流A1示數(shù)也要增大；由于電源的電壓不變，原副線圈的電壓也不變，所以V1的示數(shù)不變，由于副線圈中電流增大，R3的電壓變大，所以V2的示數(shù)要減小，即R1的電壓也要減小，所以A2的示數(shù)要減小，A、B、C錯誤，D正確．[答案]D命題視角3光傳感器的應(yīng)用電源、開關(guān)S和S′、定值電阻R1、光敏電阻R2和電容器連接成如圖所示電路，電容器的兩平行板水平放置．當開關(guān)S、S′閉合，并且無光照射光敏電阻R2時，一帶電液滴恰好靜止在電容器兩板間的M點．當用強光照射光敏電阻R2時，光敏電阻的阻值變小，則()A．液滴向下運動B．液滴仍然靜止C．R2兩端的電勢差是否升高無法分析D．當光照強度不變時斷開S′，把電容器的上極板向上移動段距離，則上極板的電勢比A點的電勢高[解析]當用強光照射光敏電阻R2時，光敏電阻的阻值變小，電路中電流增大，R1兩端間的電壓增大，電容器的電壓增大，板間場強增大，液滴所受的電場力增大，液滴向上運動，故A、B錯誤；當用強光照射光敏電阻R2時，光敏電阻的阻值變小，電路中電流增大，R2兩端間的電壓：UR2＝E－I(R1＋r)一定減小，故C錯誤；當光照強度不變時斷開S′，電容器的帶電量不變，電勢差：UR1＝eq\f(Q,C)＝eq\f(Q,\f(εS,4πkd))＝eq\f(4πkdQ,εS)，把電容器的上極板向上移動段距離，d變大，故電勢差UR1變大，由于下極板電勢為零，故上極板的電勢比A點的電勢高，故D正確．[答案]D2.如圖所示的電路中，GMR為一個磁敏電阻，它的阻值隨所處空間磁場的增強而增大，電源的內(nèi)阻不可忽略．閉合開關(guān)S1和S2后，當滑片P向右滑動時，則()A．L1、L2都變暗 B．L1、L2都變亮C．L1變暗、L2變亮 D．L1變亮，L2變暗解析：選D.當滑片P向右移動時，滑動變阻器接入電路的阻值增大，電源電壓不變，所以電磁鐵電路中的電流減小，電磁鐵的磁場減弱，磁敏電阻阻值減小，右邊電路的外電路電阻減小，電流變大，路端電壓減小，故燈泡L2變暗；由于通過L1支路的電流變大，故L1變亮，選項D正確．傳感器與力學(xué)知識的綜合應(yīng)用[學(xué)生用書P63]如圖所示為某種電子秤的原理示意圖，AB為一均勻的滑線電阻，阻值為R，長度為L，兩邊分別有P1、P2兩個滑動頭，P1可在豎直絕緣光滑的固定桿MN上保持水平狀態(tài)而上下自由滑動，彈簧處于原長時，P1剛好指著A端，P1與托盤固定相連，若P1、P2間出現(xiàn)電壓時，該電壓經(jīng)過放大，通過信號轉(zhuǎn)換后在顯示屏上將顯示物體重力的大?。阎獜椈傻膭哦认禂?shù)為k，托盤自身質(zhì)量為m0，電源電動勢為E，內(nèi)阻不計，當?shù)氐闹亓铀俣葹間.求：(1)托盤上未放物體時，在托盤自身重力作用下，P1離A的距離x1.(2)托盤上放有質(zhì)量為m的物體時，P1離A的距離x2.(3)托盤上未放物體時通常先校準零點，其方法是：調(diào)節(jié)P2，使P2離A的距離也為x1，從而使P1、P2間的電壓為零．校準零點后，將物體m放在托盤上，試推導(dǎo)出物體質(zhì)量m與P1、P2間的電壓U之間的函數(shù)關(guān)系式．[思路點撥]托盤的移動帶動P1移動，使P1、P2間出現(xiàn)電勢差，電勢差的大小反映了托盤向下移動距離的大小，由于R為均勻的滑線電阻，則其阻值與長度成正比．[解析](1)由力的平衡知識知：m0g＝kx1，解得x1＝eq\f(m0g,k).(2)放上重物重新平衡后m0g＋mg＝kx2解得x2＝eq\f(（m＋m0）g,k).(3)由閉合電路歐姆定律知E＝IR由部分電路歐姆定律：U＝IR串由題圖知eq\f(R串,R)＝eq\f(x,L)其中x為P1、P2間的距離，則x＝x2－x1＝eq\f(mg,k)聯(lián)立解得m＝eq\f(kL,gE)U.[答案](1)eq\f(m0g,k)(2)eq\f(（m＋m0）g,k)(3)eq\f(kL,gE)U3.(多選)為鍛煉身體，小明利用所學(xué)物理知識設(shè)計了一個電子拉力計，如圖所示是原理圖．輕質(zhì)彈簧右端和金屬滑片P固定在一起(彈簧的電阻不計，P與R1間的摩擦不計)，彈簧勁度系數(shù)為100N/cm.定值電阻R0＝5Ω，ab是一根長為5cm的均勻電阻絲，阻值R1＝25Ω，電源輸出電壓恒為U＝3V，理想電流表的量程為0～0.6A．當拉環(huán)不受力時，滑片P位于a端．下列關(guān)于這個電路的說法正確的是()A．小明在電路中連入R0的目的是保