人教版物理選修3-2講義第6章2傳感器的應(yīng)用Word版含答案

2傳感器的應(yīng)用[學習目標]1.了解傳感器在日常生活和生產(chǎn)中的應(yīng)用．(重點)2.了解傳感器的一般應(yīng)用模式．3.會設(shè)計簡單的有關(guān)傳感器應(yīng)用的控制電路，提升分析問題、解決問題的能力．(難點)一、傳感器應(yīng)用的一般模式二、傳感器的應(yīng)用實例1．力傳感器的應(yīng)用——電子秤(1)組成及敏感元件：由金屬梁和應(yīng)變片組成，敏感元件是應(yīng)變片．(2)工作原理：(3)作用：應(yīng)變片將物體形變這個力學量轉(zhuǎn)換為電壓這個電學量．2．溫度傳感器的應(yīng)用實例敏感元件工作原理電熨斗雙金屬片溫度變化時，由于雙金屬片上層金屬與下層金屬的膨脹系數(shù)不同，雙金屬片發(fā)生彎曲從而控制電路的通斷電飯鍋感溫鐵氧體(1)居里溫度：感溫鐵氧體常溫下具有鐵磁性，溫度上升到約103℃時，失去鐵磁性，這一溫度稱為“居里溫度(2)自動斷電原理：用手按下開關(guān)通電加熱，開始煮飯，當鍋內(nèi)加熱溫度達到103℃時，鐵氧體失去磁性，與永久磁鐵失去吸引力，被彈簧片彈開，3.光傳感器的應(yīng)用——火災(zāi)報警器(1)組成：如圖所示，發(fā)光二極管LED、光電三極管和不透明的擋板．(2)工作原理：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．1．思考判斷(正確的打“√”，錯誤的打“×”)(1)傳感器可以直接用來進行自動控制． (×)(2)傳感器可以用來采集信息． (√)(3)傳感器可以將所有感受到的信號都轉(zhuǎn)換為電學量． (×)(4)鼠標是力傳感器． (×)(5)電吉他是光電傳感器． (×)2．為了節(jié)約能源，合理適時地使用路燈，要求夜晚亮、白天熄，利用半導體的某種特性制成自動點亮熄滅的裝置，實現(xiàn)了自動控制．這是利用半導體的()A．壓敏性 B．光敏性C．熱敏性 D．三種特性都利用了B[由題意可知，這一裝置要對光敏感，能區(qū)分白天(光線強)與夜晚(光線暗)，所以選項B正確；雖然白天與夜晚溫度也不相同，但溫度除與晝夜有關(guān)外，還與季節(jié)有關(guān)，因此C錯誤；燈的亮熄與壓力更無關(guān)系，A、D錯誤．]3．如圖所示，實線是某同學利用力傳感器懸掛一鉤碼在豎直方向運動時，數(shù)據(jù)采集器記錄下的力傳感器中拉力的大小變化情況．從圖中可知道該鉤碼的重力約為____N，A、B、C、D四段圖線中鉤碼處于超重狀態(tài)的為________，處于失重狀態(tài)的為________．[解析]當拉力的大小不變時，力傳感器懸掛的鉤碼在豎直方向是勻速運動，此時力傳感器的讀數(shù)就是鉤碼的重力，約10N．當力傳感器讀數(shù)大于重力時，鉤碼處于超重狀態(tài)，即A、D狀態(tài)．當力傳感器讀數(shù)小于重力時，鉤碼處于失重狀態(tài)，即B、C狀態(tài)．[答案]10A、DB、C傳感器問題的分析思路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量的器件．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．【例1】用如圖所示的裝置可以測量汽車在水平路面上做勻加速直線運動的加速度．該裝置是在矩形箱子的前、后壁上各安裝一個由力敏電阻組成的壓力傳感器．用兩根相同的輕彈簧夾著一個質(zhì)量為2kg的滑塊，滑塊可無摩擦滑動，兩彈簧的另一端分別壓在傳感器a、b上，其壓力大小可直接從傳感器的液晶顯示屏上讀出．現(xiàn)將裝置沿運動方向固定在汽車上，傳感器b在前，傳感器a在后．汽車靜止時，傳感器a、b的示數(shù)均為10N(g取10m/s2)．(1)若傳感器a的示數(shù)為14N，b的示數(shù)為6N，求此時汽車的加速度大小和方向．(2)當汽車以怎樣的加速度運動時，傳感器a的示數(shù)為零？[解析](1)如圖所示，依題意得左側(cè)彈簧對滑塊向右的推力F1＝14N，右側(cè)彈簧對滑塊的向左的推力F2＝6N，滑塊所受合力產(chǎn)生加速度a1，根據(jù)牛頓第二定律有F1－F2＝ma1可得a1＝eq\f(F1－F2,m)＝eq\f(14－6,2)m/s2＝4m/s2a1與F1同方向，即向前(向右)．(2)a傳感器的讀數(shù)恰為零，即左側(cè)彈簧的彈力F′1＝0，因兩彈簧相同，左側(cè)彈簧伸長多少，右側(cè)彈簧就縮短多少，所以右側(cè)彈簧的彈力變?yōu)镕′2＝20N.滑塊所受合力產(chǎn)生加速度a2，由牛頓第二定律得F合＝F′2＝ma2可得a2＝eq\f(F′2,m)＝10m/s2，方向向左．[答案](1)4m/s2方向向右(2)以方向向左、大小為10m/s2的加速度運動力傳感器是一種測量力的大小的工具.此類題常與牛頓第二定律、運動學的內(nèi)容綜合.當只知道加速度的大小和方向，不知道物體的運動方向時，物體的運動情況有兩種可能，即沿某一方向的勻加速或相反方向的勻減速，不要漏掉其中一種.1.如圖所示為大型電子地磅電路圖，電源電動勢為E，內(nèi)阻不計，不稱物體時，滑動頭P在A端，滑動變阻器接入電路中有效電阻最大，電流較?。环Q重物時，在壓力作用下滑動頭下移，滑動變阻器有效電阻變小，電流變大．這樣把電流對應(yīng)的質(zhì)量值刻在刻度盤上，就可以讀出被稱物體的質(zhì)量．若滑動變阻器上A、B間長度為l，最大阻值為R0，已知兩彈簧的總彈力與形變量成正比，比例系數(shù)為k，試導出所稱重物重力G與電路中電流I的函數(shù)關(guān)系．[解析]設(shè)稱重物G時彈簧的壓縮量為x，由題意得G＝kx①此時，滑動頭P距B端距離為l－x，滑動變阻器有效電阻為R0－eq\f(x,l)R0，由歐姆定律有I＝eq\f(E,R0＋\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(R0－\f(x,l)R0)))②由①②式解得G＝2kl－eq\f(Ekl,IR0).[答案]G＝2kl－eq\f(Ekl,IR0)常見傳感器1.生活中的傳感器(1)與溫度控制相關(guān)的家用電器：電飯煲、電冰箱、微波爐、空調(diào)、消毒碗柜等，都用到溫度傳感器．(2)紅外傳感器：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)照相機中的光傳感器和家用便攜式電子秤的壓力傳感器等．2．農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的傳感器(1)濕度傳感器：判斷農(nóng)田的水分蒸發(fā)情況，自動供水或停水．(2)溫度傳感器和濕度傳感器：可對上百個點進行溫度和濕度監(jiān)測．由于有了十分先進可靠的測試技術(shù)，有效地減少了霉變現(xiàn)象．3．工業(yè)生產(chǎn)中的傳感器(1)生產(chǎn)的自動化和半自動化．用機器人、自動化小車、自動機床、各種自動生產(chǎn)線或者系統(tǒng)，代替人完成加工、裝配、包裝、運輸、存儲等工作．各種傳感器使生產(chǎn)的自動運行保持在最佳狀態(tài)，以確保產(chǎn)品質(zhì)量，提高效率和產(chǎn)量，節(jié)約原材料等．(2)在數(shù)控機床中的位移測量裝置，就是利用高精度位移傳感器進行位移測量，從而實現(xiàn)對零部件的精密加工．4．飛向太空的傳感器在航空、航天技術(shù)領(lǐng)域，傳感器應(yīng)用得較早，也應(yīng)用得較多，在運載火箭、載人飛船中，都應(yīng)用了大量的傳感器供遙測和遙控系統(tǒng)使用．這些傳感器對控制航天器的姿態(tài)、接收和發(fā)送信息、收集太空數(shù)據(jù)等都有重要作用．在載人飛船中還使用一類測量航天員各種生理狀況的生理傳感器，如測量血壓、心電圖、體溫等．【例2】如圖所示，甲為在溫度為10℃左右的環(huán)境中工作的某自動恒溫箱原理簡圖，箱內(nèi)的電阻R1＝20kΩ、R2＝10kΩ、R3＝40kΩ，RT為熱敏電阻，它的電阻隨溫度變化的圖線如圖乙所示，a、b端電壓Uab≤0時，電壓鑒別器會令開關(guān)S閉合，恒溫箱內(nèi)的電熱絲發(fā)熱，使箱內(nèi)溫度升高；當a、b端電壓Uab＞0時，電壓鑒別器會令開關(guān)S斷開，停止加熱，甲乙A．10℃B．20℃C．35℃C[由題可知Uab＝0是一個電壓的臨界點，對應(yīng)著開關(guān)S的動作，而開關(guān)的動作對應(yīng)著溫度的上升或下降．由電路圖可知，在R1、R2、R3給定的條件下，熱敏電阻RT的阻值決定了Uab的正負．設(shè)電源負極的電勢為零，則φa＝eq\f(R2,R1＋R2)U，φb＝eq\f(RT,R3＋RT)U，其中U為電源的路端電壓，令φa＝φb，即Uab＝0，則可得eq\f(R2,R1)＝eq\f(RT,R3)，代入數(shù)據(jù)得RT＝20kΩ，查表得對應(yīng)的溫度為35℃，故C正確．]溫度傳感器一般使用的是熱敏電阻，負溫度系數(shù)的熱敏電阻的阻值隨溫度升高而減小，正溫度系數(shù)的熱敏電阻的阻值隨溫度升高而增大，在解答有關(guān)溫度傳感器的應(yīng)用問題時應(yīng)注意區(qū)分這一性質(zhì).2．如圖所示是會議室和賓館房間的天花板上裝有的火災(zāi)報警器的結(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．平時光電三極管接收不到LED發(fā)出的光，呈現(xiàn)高電阻狀態(tài)．發(fā)生火災(zāi)時，下列說法正確的是()A．進入罩內(nèi)的煙霧遮擋了光線，使光電三極管電阻更大，檢測電路檢測出變化發(fā)出警報B．光電三極管溫度升高，電阻變小，檢測電路檢測出變化發(fā)出警報C．進入罩內(nèi)的煙霧對光有散射作用，部分光線照到光電三極管上，電阻變小，發(fā)出警報D．以上說法均不正確C[由火災(zāi)報警器的原理可知，發(fā)生火災(zāi)時煙霧進入罩內(nèi)，使光發(fā)生散射，部分光線照到光電三極管上，電阻變小，與傳感器相連的電路檢測出這種變化，發(fā)出警報，選項C正確．]電容式傳感器1.電容器的電容決定于極板間的正對面積S、極板間距d、極板間的電介質(zhì)這幾個因素．如果某個物理量(如角度θ、位移x、深度H等)的變化引起上述某個因素的變化，從而引起電容的變化，通過電容的變化就可以確定上述物理量的變化，這種電容器稱為電容式傳感器．2．常見電容式傳感器名稱傳感器原理測定角度θ的電容式傳感器當動片與定片之間的角度θ發(fā)生變化時，引起極板正對面積S的變化，使電容C發(fā)生變化，知道C的變化，就可以知道θ的變化情況測定液面高度h的電容式傳感器在導線芯的外面涂上一層絕緣物質(zhì)，放入導電液體中，導線芯和導電液體構(gòu)成電容器的兩個極，導線芯外面的絕緣物質(zhì)就是電介質(zhì)，液面高度h發(fā)生變化時，引起正對面積發(fā)生變化，使電容C發(fā)生變化．知道C的變化，就可以知道h的變化情況測定壓力F的電容式傳感器待測壓力F作用于可動膜片電極上的時候，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C的變化，就可以知道F的變化情況測定位移x的電容式傳感器隨著電介質(zhì)進入極板間的長度發(fā)生變化，電容C發(fā)生變化，知道C的變化，就可以知道x的變化情況【例3】如圖所示為測定壓力的電容式傳感器，將平行板電容器、靈敏電流表(零刻度在中間)和電源串聯(lián)成閉合回路，當壓力F作用于可動膜片電極上時，膜片發(fā)生形變，引起電容的變化，導致靈敏電流表指針偏轉(zhuǎn)，在對膜片開始施加壓力使膜片電極從圖中的虛線推到圖中實線位置并保持固定的過程中，靈敏電流表指針偏轉(zhuǎn)情況為(電流從電流表正接線柱流入時指針向右偏)()A．向右偏到某一刻度后回到零刻度B．向左偏到某一刻度后回到零刻度C．向右偏到某一刻度后不動D．向左偏到某一刻度后不動思路點撥：根據(jù)電容的公式C＝eq\f(εrS,4πkd)和C＝eq\f(Q,U)，按以下思路進行分析．A[壓力F作用時，極板間距d變小，由C＝eq\f(εrS,4πkd)，電容器電容C變大，又根據(jù)Q＝CU，極板帶電荷量變大，所以電容器應(yīng)充電，靈敏電流計中產(chǎn)生由正接線柱流入的電流，所以指針將右偏．F不變時，極板保持固定后，充電結(jié)束，指針回到零刻度．故選A.]電容式傳感器是一多功能傳感器，可把壓力、轉(zhuǎn)角、位移、壓強、聲音等非電學量轉(zhuǎn)換為電容這一電學量，分析原理時，關(guān)鍵要搞清是哪個非電學量轉(zhuǎn)換為電容，然后結(jié)合電容的決定式來分析.3.傳感器是將能感受的物理量(如力、熱、光、聲等)轉(zhuǎn)換成便于測量的量(一般是電學量)的一類元件，在自動控制中有相當廣泛的應(yīng)用，如圖所示的裝置是一種測定液面高度的電容式傳感器．金屬芯線與導電液體構(gòu)成一個電容器，從電容C大小的變化情況就能反映出液面高度h的高低情況，則兩者的關(guān)系是()①C增大表示h增大②C增大表示h減小③C減小表示h減?、蹸減小表示h增大A．只有①正確 B．只有①、③正確C．只有②正確 D．只有②、④正確B[液面高度的變化，相當于電容器極板正對面積的變化．當h增大時，相當于正對面積增大，則電容應(yīng)增大；當h減小時，相當于正對面積減小，電容C應(yīng)減小，B正確．]課堂小結(jié)知識脈絡(luò)1.應(yīng)變式力傳感器可用來測量各種力，其中的應(yīng)變片能把物體形變這個力學量轉(zhuǎn)換為電壓這個電學量．2．電熨斗因為裝有雙金屬片溫度傳感器，所以它能夠自動控制溫度．3．電飯鍋中的溫度傳感器主要元件是感溫鐵氧體．4．有一種火災(zāi)報警器是利用了光傳感器的作用，即利用煙霧對光的散射來工作.1．(多選)下列關(guān)于光傳感火災(zāi)報警器的說法中正確的是()A．發(fā)光二極管、光電三極管都是由半導體材料制成的B．光電三極管與光敏電阻一樣都是光敏感元件，都是將光信號轉(zhuǎn)換為電信號C．發(fā)光二極管發(fā)出的是脈沖微光D．如果把擋板撤去，火災(zāi)報警器照樣工作AB[發(fā)光二極管工作時是持續(xù)發(fā)光的，擋板撤去，光始終照到光電三極管上，始終發(fā)出警報，和有無火災(zāi)無關(guān)．]2．用遙控器調(diào)換電視機頻道的過程，實際上就是傳感器把光信號轉(zhuǎn)換為電信號的過程，下列屬于這類傳感器的是()A．紅外報警裝置B．走廊照明燈的聲控開關(guān)C．自動洗衣機中的壓力傳感裝置D．電飯煲中控制加熱和保溫的溫控器A[紅外報警器是當有人或物通過時，將紅外線遮住從而使得光信號被遮住，光電效應(yīng)裝置無電流通過，紅外報警器則通過另外的裝置聯(lián)系一定的動作，是將光信號轉(zhuǎn)換為電信號的過程，則A選項正確；而B選項是將聲音信號轉(zhuǎn)換為電信號的過程；C選項是利用壓力來傳遞信息的過程；D選項則通過溫度來控制的過程．]3．(多選)家用電熱滅蚊器電熱部分的主要部件是PTC元件，PTC元件是由鈦酸鋇等導體材料組成的電阻器，其電阻率ρ與溫度t的關(guān)系如圖所示．由于這種特性，PTC元件具有發(fā)熱、控溫雙重功能，若電熱滅蚊器環(huán)境溫度低于t1，以下判斷正確的是()A．通電后，其電功率先增大后減小B．通電后，其電功率先減小后增大C．當其產(chǎn)生的熱量與散發(fā)的熱量相等時，溫度保持在t1或t2不變D．當其產(chǎn)生的熱量與散發(fā)的熱量相等時，溫度保持在t1～t2間的某一值不變AD[從