第3節(jié)　傳感器的應(yīng)用舉例　

第3節(jié)傳感器的應(yīng)用舉例核心素養(yǎng)導(dǎo)學(xué)物理觀念(1)進(jìn)一步了解溫度傳感器和光傳感器的工作原理。(2)知道傳感器在生產(chǎn)、生活中的應(yīng)用?？茖W(xué)思維(1)理解溫度傳感器在電熨斗、電飯鍋中的工作流程。(2)理解光傳感器在火災(zāi)報(bào)警器中的工作流程。科學(xué)態(tài)度與責(zé)任(1)體會(huì)傳感技術(shù)的應(yīng)用給人類(lèi)社會(huì)帶來(lái)的挑戰(zhàn)。(2)認(rèn)識(shí)傳感技術(shù)的應(yīng)用與人類(lèi)社會(huì)發(fā)展的關(guān)系。一、溫度傳感器的應(yīng)用——電熨斗1．電熨斗的結(jié)構(gòu)2．工作原理(1)通電后，_______發(fā)熱并將熱量傳給電熨斗底部的金屬底板，熨燙衣物。(2)當(dāng)?shù)装鍦囟冗_(dá)到設(shè)定溫度時(shí)，與底板固定在一起的雙金屬片受熱向下彎曲，兩觸點(diǎn)_____，電路斷開(kāi)；當(dāng)?shù)装鍦囟冉迪聛?lái)，雙金屬片的形變______，電路接通繼續(xù)加熱，如此往復(fù)，使底板溫度保持在一定的范圍內(nèi)。(3)旋轉(zhuǎn)調(diào)溫旋鈕的升降螺絲，可根據(jù)需要設(shè)定不同的溫度。電熱絲分離恢復(fù)二、溫度傳感器的應(yīng)用——電飯鍋1．傳統(tǒng)電飯鍋的結(jié)構(gòu)2．工作原理：按下手動(dòng)開(kāi)關(guān)，觸點(diǎn)連接，電熱板加熱，此時(shí)永磁鐵與感溫鐵氧體吸附在一起，當(dāng)鍋內(nèi)缺水或鍋底開(kāi)始糊鍋，溫度升高到______

℃時(shí)，感溫鐵氧體___________，永磁鐵下移，兩觸點(diǎn)分離，鍋底溫度不再升高。103失去磁性三、光傳感器的應(yīng)用——火災(zāi)報(bào)警器1．遮光型光電式煙霧報(bào)警器(1)結(jié)構(gòu)(如右圖)(2)工作原理：正常情況下，發(fā)光元件發(fā)出的光通過(guò)透鏡聚焦成平行光照射到受光元件上，將其轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，使整個(gè)電路維持在正常狀態(tài)，不發(fā)出警報(bào)。發(fā)生火災(zāi)時(shí)煙霧進(jìn)入檢測(cè)室，光被煙霧粒子反射或散射，照射到受光元件上的光照強(qiáng)度_______，由此發(fā)出報(bào)警信號(hào)。減弱2．散射型光電式煙霧報(bào)警器(1)結(jié)構(gòu)(如右圖)(2)工作原理：正常情況下，發(fā)光元件發(fā)出的光通過(guò)透鏡聚焦成平行光，不能照射到受光元件上，電路維持正常狀態(tài)。當(dāng)發(fā)生火災(zāi)時(shí)，光經(jīng)煙霧反射或散射照射到受光元件上，由此發(fā)出報(bào)警信號(hào)。四、各種傳感器的應(yīng)用——汽車(chē)1．目前，一輛普通轎車(chē)上安裝幾十到近百個(gè)傳感器，而配置較高的車(chē)型上的傳感器數(shù)量可多達(dá)幾百個(gè)。2．傳感器感受到汽車(chē)行駛過(guò)程中的各種工況信息，并將這些信息按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成________或其他所需形式的信號(hào)，進(jìn)而對(duì)汽車(chē)各種信息進(jìn)行實(shí)時(shí)、有效地監(jiān)控，從而使汽車(chē)工作在______狀態(tài)。,1.如左欄圖所示的電熨斗的結(jié)構(gòu)圖，判斷以下說(shuō)法是否正確。(1)常溫狀態(tài)下，上下兩觸點(diǎn)是分離的。

()(2)溫度超過(guò)設(shè)計(jì)溫度時(shí)，雙金屬片發(fā)生彎曲使上下兩觸點(diǎn)分離。

()(3)若需要較高溫度熨燙，應(yīng)將調(diào)節(jié)旋鈕向上移動(dòng)一些。

()(4)雙金屬片彎曲程度發(fā)生變化，可以完成加熱電路的通斷狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。()電信號(hào)最佳×√×√2．如左欄圖所示的電飯鍋的結(jié)構(gòu)圖，判斷以下說(shuō)法是否正確(1)常溫下感溫鐵氧體具有較強(qiáng)的磁性。

()(2)當(dāng)溫度超過(guò)103℃時(shí)，感溫鐵氧體具有較強(qiáng)的磁性。

()(3)飯熟后，開(kāi)關(guān)按鈕會(huì)自動(dòng)跳起，斷開(kāi)電源。

()(4)常壓下只要鍋內(nèi)有水，鍋內(nèi)的溫度就不可能達(dá)到103℃，開(kāi)關(guān)按鈕不會(huì)自動(dòng)跳起。

()√××√3.

如圖所示是會(huì)議室和賓館房間的天花板上裝有的火災(zāi)報(bào)警器的結(jié)構(gòu)原理圖：罩內(nèi)裝有發(fā)光二極管LED、光電三極管和不透明的擋板。平時(shí)光電三極管接收不到LED發(fā)出的光，呈現(xiàn)高阻狀態(tài)。發(fā)生火災(zāi)時(shí)，火災(zāi)報(bào)警器是如何實(shí)現(xiàn)報(bào)警的？提示：發(fā)生火災(zāi)時(shí)，進(jìn)入罩內(nèi)的煙霧對(duì)光有散射作用，部分光線(xiàn)照到光電三極管上，光電三極管電阻變小，檢測(cè)電路檢測(cè)出變化發(fā)出警報(bào)。4.家用汽車(chē)已經(jīng)配備自動(dòng)大燈，可以自動(dòng)控制燈光的開(kāi)啟和關(guān)閉，比如你白天突然進(jìn)入隧道或者清晨傍晚光線(xiàn)不好時(shí)，大燈自動(dòng)打開(kāi)照亮前路，使行車(chē)更安全。請(qǐng)問(wèn)是如何實(shí)現(xiàn)的？提示：用光控開(kāi)關(guān)控制大燈開(kāi)啟，光敏元件收集到光照強(qiáng)度較弱時(shí)，開(kāi)關(guān)打開(kāi)，大燈亮起。新知學(xué)習(xí)(一)|傳感器應(yīng)用問(wèn)題分析[任務(wù)驅(qū)動(dòng)]如圖所示是中大型超市賣(mài)場(chǎng)在入口處安裝的自動(dòng)感應(yīng)單向門(mén)，人走到跟前就會(huì)自動(dòng)打開(kāi)，過(guò)去之后自動(dòng)關(guān)閉，這種感應(yīng)門(mén)的工作原理是什么呢？提示：當(dāng)單向門(mén)上的(雷達(dá)或者紅外線(xiàn))傳感器檢測(cè)到有人到達(dá)入口時(shí)，發(fā)出開(kāi)門(mén)信號(hào)，門(mén)自動(dòng)打開(kāi)。

[重點(diǎn)釋解]分析傳感器應(yīng)用問(wèn)題的四點(diǎn)提醒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(hào)分析明確傳感器的敏感元件，分析它的輸入信號(hào)及輸出信號(hào)，以及輸入信號(hào)與輸出信號(hào)間的變化規(guī)律。3．電路結(jié)構(gòu)分析認(rèn)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(diǎn)的基礎(chǔ)上，分析電路輸出信號(hào)與輸入信號(hào)間的規(guī)律。4．執(zhí)行機(jī)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(guò)程，還包含根據(jù)所獲得的信息控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行工作的過(guò)程。[典例體驗(yàn)][典例]

如圖所示為一種常見(jiàn)的身高體重測(cè)量?jī)x。測(cè)量?jī)x頂部向下發(fā)射波速為v的超聲波，超聲波經(jīng)反射后返回，被測(cè)量?jī)x接收，測(cè)量?jī)x記錄發(fā)射和接收的時(shí)間間隔。質(zhì)量為M0的測(cè)重臺(tái)置于壓力傳感器上，傳感器輸出電壓與作用在其上的壓力成正比。當(dāng)測(cè)重臺(tái)沒(méi)有站人時(shí)，測(cè)量?jī)x記錄的時(shí)間間隔為t0，輸出電壓為U0，某同學(xué)站上測(cè)重臺(tái)，測(cè)量?jī)x記錄的時(shí)間間隔為t，輸出電壓為U，則該同學(xué)身高和質(zhì)量分別為

(

)[針對(duì)訓(xùn)練]1．傳感器廣泛應(yīng)用在我們的生產(chǎn)生活中，常用的計(jì)算機(jī)鍵盤(pán)就是一種傳感器。如圖所示，鍵盤(pán)上每一個(gè)鍵的下面都連有一小金屬片，與該金屬片隔有一定空氣間隙的是另一小的固定金屬片，這兩個(gè)金屬片組成一個(gè)小電容器，當(dāng)鍵被按下時(shí)，此小電容器的電容發(fā)生變化，與之相連的電子線(xiàn)路就能夠檢測(cè)出哪個(gè)鍵被按下，從而給出相應(yīng)的信號(hào)。這種計(jì)算機(jī)鍵盤(pán)使用的是

(

)A．溫度傳感器 B．壓力傳感器C．磁傳感器

D．光傳感器解析：小金屬片被按下時(shí)，作用的壓力不一樣，小金屬片下移的距離不同，兩個(gè)極板之間的距離不同，電容就不同，即將壓力這個(gè)力學(xué)量轉(zhuǎn)換為電容這個(gè)電學(xué)量，所以計(jì)算機(jī)鍵盤(pán)使用的是壓力傳感器，B正確，A、C、D錯(cuò)誤。答案：B

2．(多選)如圖甲所示是電飯鍋的電路圖，S1是一個(gè)限溫開(kāi)關(guān)，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖乙所示，按下此開(kāi)關(guān)按鈕，兩觸點(diǎn)閉合，當(dāng)溫度達(dá)到居里點(diǎn)(103℃)時(shí)此開(kāi)關(guān)會(huì)自動(dòng)斷開(kāi)。S2是一個(gè)自動(dòng)溫控開(kāi)關(guān)，當(dāng)溫度低于70℃時(shí)會(huì)自動(dòng)閉合，溫度高于80℃時(shí)會(huì)自動(dòng)斷開(kāi)，R1是限流電阻，R2是加熱電阻。下列說(shuō)法正確的是(

)A．當(dāng)感溫磁體的溫度達(dá)到居里點(diǎn)(103℃)時(shí)，由于感溫磁體失去了磁性，不能被永磁體吸引，在彈簧的作用下，兩觸點(diǎn)斷開(kāi)B．開(kāi)始煮飯時(shí)不按下限溫開(kāi)關(guān)S1，一樣可以把飯煮熟C．電飯鍋的飯煮熟后可以長(zhǎng)時(shí)間保持米飯的溫度在70℃到80℃之間D．用電飯鍋燒水，當(dāng)水沸騰后限溫開(kāi)關(guān)S1也會(huì)自動(dòng)斷開(kāi)解析：當(dāng)感溫磁體的溫度達(dá)到居里點(diǎn)(103℃)時(shí)，由于感溫磁體失去了磁性，不能被永磁體吸引，從而在彈簧的作用下，使得兩觸點(diǎn)斷開(kāi)，A正確。如果開(kāi)始煮飯時(shí)不按下限溫開(kāi)關(guān)S1，由于S2的作用，當(dāng)鍋內(nèi)溫度低于70℃時(shí)S2會(huì)自動(dòng)閉合，從而對(duì)鍋加熱，但當(dāng)溫度高于80℃時(shí)S2會(huì)自動(dòng)斷開(kāi)，使電飯鍋處于保溫狀態(tài)，因此鍋內(nèi)的溫度會(huì)控制在70℃到80℃之間，而無(wú)法將飯煮熟，所以B錯(cuò)誤，C正確。用電飯鍋燒水，水沸騰后水的溫度會(huì)保持100℃不變，鍋底溫度不能達(dá)到居里點(diǎn)(103℃)，因此限溫開(kāi)關(guān)S1不會(huì)自動(dòng)斷開(kāi)，D錯(cuò)誤。答案：AC

新知學(xué)習(xí)(二)|電容式傳感器分析[重點(diǎn)釋解]1．如圖甲所示是用來(lái)測(cè)定角度θ的電容傳感器。當(dāng)動(dòng)片與定片之間的角度θ發(fā)生變化時(shí)，引起極板正對(duì)面積S的變化，使電容C

發(fā)生變化。知道電容C的變化，就可以知道角度θ的變化情況。2．如圖乙所示是測(cè)定液面高度h的電容傳感器。在導(dǎo)線(xiàn)芯的外面涂上一層絕緣物質(zhì)，放入導(dǎo)電液體中。導(dǎo)線(xiàn)芯和導(dǎo)電液體構(gòu)成電容器的兩個(gè)極，導(dǎo)線(xiàn)芯外面的絕緣物質(zhì)就是電介質(zhì)。液面高度h發(fā)生變化時(shí)，引起正對(duì)面積S發(fā)生變化，使電容C發(fā)生變化。知道電容C的變化，就可以知道液面高度h的變化情況。3．如圖丙所示是測(cè)定壓力F的電容傳感器。待測(cè)壓力F作用于可動(dòng)膜片電極上的時(shí)候，膜片發(fā)生形變，使極板間距離d發(fā)生變化，引起電容C的變化。知道電容C的變化，就可以知道壓力F的變化情況。4．如圖丁所示是測(cè)定位移s的電容傳感器。隨著電介質(zhì)進(jìn)入極板間的長(zhǎng)度發(fā)生變化，電容C發(fā)生變化。知道電容C的變化，就可以知道位移s的變化情況。[典例體驗(yàn)][典例]

如圖所示為某電容傳聲器結(jié)構(gòu)示意圖，膜片和極板組成一個(gè)電容器，當(dāng)人對(duì)著傳聲器講話(huà)時(shí)，膜片會(huì)振動(dòng)。若某次膜片振動(dòng)時(shí)，膜片與極板間的距離減小，則在此過(guò)程中

(

)A．膜片與極板所組成的電容器的電容變小B．極板的帶電荷量增大C．膜片與極板間的電場(chǎng)強(qiáng)度變小D．電阻R中無(wú)電流通過(guò)[針對(duì)訓(xùn)練]1.

如圖所示為一測(cè)液面高低的傳感器示意圖，A為固定的導(dǎo)體芯，B為導(dǎo)體芯外面的一層絕緣物質(zhì)，C為導(dǎo)電液體，把傳感器接到圖示的電路中，已知靈敏電流計(jì)指針偏轉(zhuǎn)方向與電流方向相同，如果發(fā)現(xiàn)指針正向右偏轉(zhuǎn)，則導(dǎo)電液體的深度h變化為

(

)A．h正在增大 B．h正在減小C．h不變

D．無(wú)法確定解析：由電源極性及電流方向可知，A、B、C構(gòu)成的電容器上的電荷量正在減小，由Q＝CU可知C減小，則正對(duì)面積減小，即h在減小，故B正確。答案：B

2.(多選)如圖所示是“電容式加速度傳感器”原理圖，電容器的一個(gè)金屬極板固定在絕緣底座上，另一塊極板用彈性金屬片制成，當(dāng)這種加速度傳感器用在上下移動(dòng)的升降機(jī)中時(shí)，通過(guò)測(cè)量電容C的變化就能感知升降機(jī)加速度的變化情況。設(shè)升降機(jī)加速度為零時(shí)電容器的電容為C0，下列說(shuō)法正確的是

(

)A．當(dāng)升降機(jī)加速上升時(shí)，C＞C0B．當(dāng)升降機(jī)減速上升時(shí)，C＞C0C．當(dāng)升降機(jī)減速下降時(shí)，C＜C0D．當(dāng)升降機(jī)加速下降時(shí)，C＜C0一、好素材分享——看其他教材如何落實(shí)核心素養(yǎng)

物理觀念——對(duì)傳感器工作原理的認(rèn)識(shí)1．(選自滬科版新教材課后練習(xí))(多選)如圖是一種測(cè)定壓力的電容式傳感器。當(dāng)待測(cè)壓力F作用于可動(dòng)膜片電極上時(shí)，可使膜片產(chǎn)生形變，引起電容的變化。如果將這個(gè)電容式傳感器、電流計(jì)和電源串接成閉合電路，那么

(

)A．當(dāng)F向上壓膜片電極時(shí)，電容將變小B．當(dāng)F向上壓膜片電極時(shí)，電容將變大C．若電流計(jì)示數(shù)有變化，則表明壓力F發(fā)生變化D．若電流計(jì)示數(shù)有變化，則表明壓力F不發(fā)生變化

科學(xué)思維——位移傳感器的原理2．(選自人教版新教材課后練習(xí))如圖是一種電感式微小位移傳感器的原理圖。1是待測(cè)位移的物體，3是空心線(xiàn)圈，軟鐵芯2插在線(xiàn)圈3中并且可以隨著物體1在線(xiàn)圈中左右平移。這種傳感器可以把被測(cè)物體位移的大小轉(zhuǎn)換為線(xiàn)圈自感系數(shù)的大小，請(qǐng)定性說(shuō)明它的工作原理，并嘗試設(shè)計(jì)與線(xiàn)圈3相連的電路。解析：

題圖中被測(cè)物體位移變化，帶動(dòng)軟鐵芯2在線(xiàn)圈中左右移動(dòng)，線(xiàn)圈的電感系數(shù)將變化，這一變化通過(guò)轉(zhuǎn)換電路和檢測(cè)電路輸出電流，就得到了被測(cè)物體位移的變化。將線(xiàn)圈3與交流電流表A串聯(lián)后與正弦式交流電源相連，如圖所示，“～”為頻率一定的正弦式交流電源。線(xiàn)圈自感系數(shù)的變化將使它對(duì)交變電流的感抗發(fā)生變化，從而引起電路中電流的變化，再由電流表A顯示出來(lái)。答案：見(jiàn)解析二、新題目精選——品立意深處所蘊(yùn)含的核心價(jià)值1．電容式觸摸屏內(nèi)有一導(dǎo)電層，導(dǎo)電層四個(gè)角引出四個(gè)電極，當(dāng)手指觸摸屏幕時(shí)，人體和觸摸屏就形成了一個(gè)電容器，電容器具有“通高頻”的作用，從而導(dǎo)致電流分別從觸摸屏四角上的電極中流出，并且流經(jīng)這四個(gè)電極的電流與手指的觸點(diǎn)到四角的距離成正比，控制器通過(guò)對(duì)這四個(gè)電流比例的精確計(jì)算，得出觸摸點(diǎn)的位置信息。在開(kāi)機(jī)狀態(tài)下，下列說(shuō)法正確的是

(

)A．電容式觸摸屏感測(cè)手指觸摸點(diǎn)的位置是利用了手指對(duì)屏幕按壓產(chǎn)生了形變B．電容式觸摸屏感測(cè)手指觸摸點(diǎn)的位置是利用了電磁感應(yīng)現(xiàn)象C．當(dāng)手指觸摸屏幕時(shí)有微弱的電流流過(guò)手指D．當(dāng)手指離開(kāi)屏幕時(shí)，電容變小，電容器對(duì)高頻電流的阻礙變大，控制器不能檢測(cè)到手指離開(kāi)屏幕的準(zhǔn)確位置解析：只要觸摸電容式觸摸屏，控制器通過(guò)計(jì)算流經(jīng)四個(gè)電極的電流比例就能確定手指的觸點(diǎn)的位置，不需要手指對(duì)屏幕有壓力，A錯(cuò)誤；電容式觸摸屏感測(cè)手指觸摸點(diǎn)的位置利用的是電容器的充放電原理，不是電磁感應(yīng)現(xiàn)象，B錯(cuò)誤；由題意可知，手指從觸摸點(diǎn)吸走一部分電荷，在電荷定向移動(dòng)的過(guò)程中，會(huì)有微弱電流通過(guò)手指，C正確；根據(jù)電容器的工作原理可知，當(dāng)手指離開(kāi)屏幕時(shí)，電容變小，電容器將放電，控制器仍然能檢測(cè)到手指離開(kāi)的準(zhǔn)確位置，D錯(cuò)誤。答案：C

2．電動(dòng)自行車(chē)是一種應(yīng)用廣泛的交通工具，其速度控制是通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)右把手實(shí)現(xiàn)的，這種轉(zhuǎn)動(dòng)把手稱(chēng)為“霍爾轉(zhuǎn)把”，屬于傳感器非接觸控制。轉(zhuǎn)把內(nèi)部有永久磁鐵和霍爾器件等，截面如圖甲所示。永久磁鐵的左右兩側(cè)分別為N、S極，開(kāi)啟電源時(shí)，在霍爾器件的上下面之間加一定的電壓，形成電流，如圖乙。隨著轉(zhuǎn)把的轉(zhuǎn)動(dòng)，其內(nèi)部的永久磁鐵也跟著轉(zhuǎn)動(dòng)，霍爾器件能輸出控制車(chē)速的霍爾電壓，已知霍爾電壓與車(chē)速關(guān)系如圖丙所示。以下關(guān)于“霍爾轉(zhuǎn)把”的敘述正確的是

(

)A．為提高控制的靈敏度，可改變永久磁鐵的上、下端分別為N、S極B．按圖甲順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)電動(dòng)車(chē)的右把手(手柄轉(zhuǎn)套)，車(chē)速將變慢