【講與練】高中物理人教版(2019)選擇性必修2：5.1 認(rèn)識(shí)傳感器學(xué)案

1．認(rèn)識(shí)傳感器課程標(biāo)準(zhǔn)1．知道非電學(xué)量轉(zhuǎn)換成電學(xué)量的技術(shù)意義。2．了解傳感器在生產(chǎn)生活中的應(yīng)用。3．深入認(rèn)識(shí)物理學(xué)對(duì)現(xiàn)代生活和科技發(fā)展的促進(jìn)作用。素養(yǎng)目標(biāo)1．物理觀念：了解傳感器的定義，感受傳感器的應(yīng)用技術(shù)在信息時(shí)代的作用與意義。2．科學(xué)思維：知道常見(jiàn)傳感器的作用，會(huì)分析其工作原理。知識(shí)點(diǎn)1神奇的傳感器1．傳感器的應(yīng)用實(shí)例(1)樓道的燈安裝了“_聲控—光控__”開(kāi)關(guān)。這個(gè)開(kāi)關(guān)會(huì)感知環(huán)境的明暗和聲音的強(qiáng)弱。(2)自動(dòng)門(mén)裝有一種裝置，這種裝置就是_紅外線傳感器__。(3)酒精檢測(cè)儀上裝有“_乙醇傳感器__”，它能感知乙醇的濃度。2．傳感器：能夠感受諸如力、溫度、光、聲、化學(xué)成分等_被測(cè)量__，并能把它們按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換為便于傳送和處理的_可用信號(hào)__輸出的一類器件或裝置。3．非電學(xué)量轉(zhuǎn)換為電學(xué)量的意義：把_非電學(xué)量__轉(zhuǎn)換成電壓、電流等電學(xué)量，或轉(zhuǎn)換為電路的_通斷__，可以很方便地進(jìn)行測(cè)量、傳輸、處理和_控制__?！号幸慌小?1)傳感器的功能與人的視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)、嗅覺(jué)等功能相似。(√)(2)傳感器擔(dān)負(fù)著信息采集的任務(wù)，它常常是將電學(xué)量轉(zhuǎn)化為力學(xué)量。(×)(3)敏感元件是指能直接感受或響應(yīng)外界被測(cè)電學(xué)量的部分。(×)(4)話筒是一種能夠?qū)⒙曇粜盘?hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的傳感器。(√)知識(shí)點(diǎn)2傳感器的種類1．物理傳感器根據(jù)物質(zhì)的_物理特性__或_物理效應(yīng)__制作而成，如力傳感器、磁傳感器、聲傳感器等。2．化學(xué)傳感器利用電化學(xué)反應(yīng)原理，把無(wú)機(jī)或有機(jī)化學(xué)物質(zhì)的成分、濃度等轉(zhuǎn)換為_(kāi)電信號(hào)__，如離子傳感器、氣體傳感器等。3．生物傳感器利用生物活性物質(zhì)的選擇性來(lái)識(shí)別和測(cè)定生物化學(xué)物質(zhì)，如酶?jìng)鞲衅?、_微生物__傳感器、_細(xì)胞__傳感器等?！哼x一選』當(dāng)你走近某些賓館、酒樓的大門(mén)時(shí)，門(mén)就會(huì)自動(dòng)為你打開(kāi)；當(dāng)你走進(jìn)門(mén)之后，門(mén)又在你身后自動(dòng)關(guān)上。你覺(jué)得這可能是將下列哪種外界信息轉(zhuǎn)換為有用的信息(D)A．溫度 B．運(yùn)動(dòng)C．可見(jiàn)光 D．紅外線解析：自動(dòng)門(mén)的自動(dòng)控制要求靈敏、可靠，若以溫度控制，人的體溫與夏季氣溫接近，則在夏季自動(dòng)門(mén)將無(wú)法使用。自動(dòng)門(mén)實(shí)際使用的是紅外線傳感器，紅外線屬于不可見(jiàn)光，人在白天或黑夜均發(fā)出紅外線，傳感器接收到人體發(fā)出的紅外線后傳給自動(dòng)控制裝置的電動(dòng)機(jī)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)開(kāi)、關(guān)門(mén)，故D正確?！合胍幌搿煌砩仙蠘菚r(shí)，隨著發(fā)出的腳步聲響，樓梯燈亮了；登上一層樓，燈光照亮一層樓，而身后的燈則依次熄滅，這種樓梯燈好像能“聽(tīng)到”我們的到來(lái)，能“看見(jiàn)”我們的離去，其中的原因是什么呢？解析：電路中安裝了光聲控延時(shí)開(kāi)關(guān)，光聲控延時(shí)開(kāi)關(guān)中安裝有光敏感元件，用于感知外界光線的強(qiáng)弱。還安裝有聲敏感元件，用于感知外界聲響。當(dāng)白天外界光線較強(qiáng)時(shí)，光聲控延時(shí)開(kāi)關(guān)總處于斷開(kāi)狀態(tài)，燈不亮；當(dāng)夜晚光線較弱且有聲響時(shí)，光聲控延時(shí)開(kāi)關(guān)處于導(dǎo)通狀態(tài)，燈亮，延時(shí)一段時(shí)間后，開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，燈熄滅。知識(shí)點(diǎn)3傳感器的組成與應(yīng)用模式1．傳感器的基本部分：由_敏感元件__、_轉(zhuǎn)換元件__組成。2．傳感器原理：傳感器感受的通常是_非電學(xué)量__，如壓力、溫度、位移、濃度、速度、酸堿度等，而它輸出的通常是_電學(xué)量__，如電壓值、電流值、電荷量等，這些輸出信號(hào)是非常微弱的，通常要經(jīng)過(guò)_放大__后，再送給_控制__系統(tǒng)產(chǎn)生各種控制動(dòng)作。3．傳感器應(yīng)用的一般模式[_敏感__元件]→[_轉(zhuǎn)換__元件][_信號(hào)__調(diào)整與_轉(zhuǎn)換__電路]→eq\b\lc\{\rc\(\a\vs4\al\co1(執(zhí)行機(jī)構(gòu),顯示器(指針式電,表或數(shù)字屏),計(jì)算機(jī)系統(tǒng)))探究神奇的傳感器情境導(dǎo)入如圖，機(jī)器人在踢足球，機(jī)器人就是通過(guò)傳感器“看到”事物的。想一想，傳感器的作用是什么？提示：傳感器就像人的眼睛、耳朵、鼻子一樣，接收外界的光、聲音、溫度等信息并把它們轉(zhuǎn)換為便于測(cè)量、傳輸、處理和控制的電學(xué)量(電壓、電流)。要點(diǎn)提煉1．傳感器的作用：能像人的感覺(jué)器官那樣感受外界信息，并能按照一定的規(guī)律和要求，把這些信息轉(zhuǎn)換成可用的輸出信息的器件和裝置，叫作傳感器。傳感器是各種測(cè)量和自動(dòng)控制系統(tǒng)的“感覺(jué)器官”。2．傳感器的分類(1)按工作原理分：電阻式、電容式、電感式、光電式、熱電式、壓電式、磁電式等傳感器。(2)按感受物理量分：力、速度、位移、溫度、流量、煙霧等傳感器。(3)按輸出信號(hào)分：開(kāi)關(guān)型、模擬型、數(shù)字型傳感器。(4)根據(jù)檢測(cè)量的不同，可將傳感器分為物理傳感器、化學(xué)傳感器和生物傳感器。典例剖析典例1(多選)目前智能手機(jī)普遍采用了電容式觸摸屏。因?yàn)楣ぷ髅嫔辖佑懈哳l信號(hào)，如圖所示，當(dāng)用戶手指觸摸電容式觸摸屏?xí)r，手指和工作面形成一個(gè)電容器，控制器可精確確定手指位置。對(duì)于電容式觸摸屏，下列說(shuō)法正確的是(AD)A．電容式觸摸屏只需要觸摸，不需要壓力即能產(chǎn)生位置信號(hào)B．使用絕緣筆在電容式觸摸屏上也能進(jìn)行觸控操作C．手指靠近觸摸屏?xí)r，由于手指與屏的夾層工作面距離變小，電容變小D．手指與屏的接觸面積變大時(shí)，電容變大解析：由題意可知當(dāng)用戶手指觸摸電容式觸摸屏?xí)r，手指和工作面形成一個(gè)電容器，因?yàn)楣ぷ髅嫔辖佑懈哳l信號(hào)，電流通過(guò)這個(gè)電容器分別從屏的四個(gè)角上的電極中流出，且流經(jīng)四個(gè)電極的電流與手指到四個(gè)角的距離成比例，控制器通過(guò)對(duì)四個(gè)電流比例的精密計(jì)算來(lái)確定手指位置，因此不需要手指有壓力，A正確。絕緣筆與工作面不能形成電容器，所以不能在電容式觸摸屏上進(jìn)行觸控操作，B錯(cuò)誤。手指靠近觸摸屏?xí)r，由于手指與屏的夾層工作面距離變小，根據(jù)C＝eq\f(εrS,4πkd)可知，電容將變大，C錯(cuò)誤。手指與屏的接觸面積變大時(shí)，根據(jù)C＝eq\f(εrS,4πkd)可知，電容變大，D正確。對(duì)點(diǎn)訓(xùn)練?機(jī)器人裝有作為眼睛的“傳感器”，猶如大腦的“控制器”，以及可以行走的“執(zhí)行器”，在它碰到障礙物前會(huì)自動(dòng)避讓并及時(shí)轉(zhuǎn)彎。下列有關(guān)該機(jī)器人“眼睛”的說(shuō)法中正確的是(B)A．力傳感器 B．光傳感器C．溫度傳感器 D．聲音傳感器解析：遇到障礙物會(huì)繞開(kāi)，說(shuō)明它是光傳感器，故選項(xiàng)B正確，選項(xiàng)A、C、D錯(cuò)誤。探究傳感器的組成及工作過(guò)程情境導(dǎo)入干簧管結(jié)構(gòu)：如圖甲所示，它只是玻璃管內(nèi)封入的兩個(gè)軟磁性材料制成的簧片。將干簧管接入圖乙電路，當(dāng)磁鐵靠近干簧管時(shí)：會(huì)發(fā)生什么現(xiàn)象，為什么？干簧管的作用是什么？提示：燈泡會(huì)亮，因?yàn)楫?dāng)磁鐵靠近干簧管時(shí)，兩個(gè)簧片被磁化而接通；干簧管起到開(kāi)關(guān)的作用，是一種能夠感知磁場(chǎng)的傳感器。要點(diǎn)提煉1．傳感器的組成(1)敏感元件相當(dāng)于人的感覺(jué)器官，是傳感器的核心部分，是利用材料的某種敏感效應(yīng)(如熱敏、光敏、壓敏、力敏、濕敏等)制成的。(2)轉(zhuǎn)換元件是傳感器中能將敏感元件輸出的，與被測(cè)物理量成一定關(guān)系的非電信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的電子元件。(3)轉(zhuǎn)換電路是將轉(zhuǎn)換元件輸出的不易測(cè)量的電學(xué)量轉(zhuǎn)換成易于測(cè)量的電學(xué)量，如電壓、電流、電阻等。2．工作過(guò)程eq\x(非電學(xué)量)→eq\x(敏感元件)→eq\x(轉(zhuǎn)換元件)→eq\x(轉(zhuǎn)換電路)→eq\x(電學(xué)量)典例剖析典例2關(guān)于物理傳感器、化學(xué)傳感器和生物傳感器的下列說(shuō)法中，正確的是(D)A．物理傳感器是利用材料的某種物理性質(zhì)工作的，因而只能用于機(jī)械加工行業(yè)不能用于化工領(lǐng)域B．化學(xué)傳感器是利用某種化學(xué)反應(yīng)來(lái)工作的，因而只能輸出某種化學(xué)物質(zhì)而不能輸出電學(xué)量C．生物傳感器的適用范圍廣，可在任意溫度條件下工作D．生物傳感器由于含有生命物質(zhì)，因而對(duì)使用傳感器的環(huán)境條件有一定要求解析：不論哪種傳感器都可以將非電學(xué)量轉(zhuǎn)換成電學(xué)量輸出，故B錯(cuò)誤；物理傳感器在化工領(lǐng)域也可以使用，如溫度傳感器等，故A錯(cuò)誤；生物傳感器能夠使用的前提是感受器中的生命物質(zhì)保持生物活性，故C錯(cuò)誤、D正確。傳感器問(wèn)題的三點(diǎn)注意(1)不同的傳感器的原理不同，但都是通過(guò)敏感元件把非電學(xué)量的變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡妼W(xué)量的變化。(2)傳感器輸出的電學(xué)量可能為電流、電壓、電路通斷等，不一定是電壓。(3)敏感元件只是傳感器的一個(gè)關(guān)鍵部分并不一定就是一個(gè)完整的傳感器。對(duì)點(diǎn)訓(xùn)練?目前許多手機(jī)都有指紋解鎖功能，常用的指紋識(shí)別傳感器是電容式傳感器，如圖所示。指紋的凸起部分叫作“脊”，凹下部分叫作“谷”，傳感器上有大量面積相同的小極板，當(dāng)手指貼在傳感器上時(shí)，這些小極板和與之正對(duì)的皮膚表面就形成了大量的小電容器，由于距離不同，所以這些小電容器的電容不同。此時(shí)傳感器給所有的小電容器充電達(dá)到某一電壓值，然后開(kāi)始放電，其中電容值較小的小電容器放電較快，于是根據(jù)放電快慢的不同，就可以探測(cè)到脊和谷的位置，從而形成指紋的圖像數(shù)據(jù)。根據(jù)以上信息，下列說(shuō)法中正確的是(C)A．在谷處形成的小電容器電容較大B．在谷處形成的小電容器放電較慢C．在脊處形成的小電容器充電后帶電荷量較大D．潮濕的手指對(duì)指紋識(shí)別沒(méi)有任何影響解析：在谷處，小極板和正對(duì)的皮膚表面的距離變大，根據(jù)C＝eq\f(εS,4πkd)可知形成的小電容器電容較小，A錯(cuò)誤。電容小的電容器放電較快，在谷處形成的小電容器電容較小，放電較快，B錯(cuò)誤。充電后在脊處形成的小電容器電容較大，根據(jù)Q＝CU可知電容器的電荷量較大，C正確。潮濕的手指的皮膚表面有皺褶，影響指紋識(shí)別的效果，D錯(cuò)誤。聲傳感器——電容式話筒1．話筒把聲音信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的傳感器。2．結(jié)構(gòu)組成如圖所示為電容式話筒的組成結(jié)構(gòu)示意圖。話筒的振動(dòng)膜片涂有薄薄的金屬層。膜后相距幾十微米有一個(gè)金屬片(固定電極)，它們構(gòu)成電容器的兩個(gè)極板。3．工作原理電容式話筒利用電容器的電容與極板間距離的關(guān)系來(lái)工作。案例(多選)電容式話筒的保真度比動(dòng)圈式話筒好，其工作原理如圖所示。Q是絕緣支架，薄金屬膜M和固定電極N形成一個(gè)電容器，被直流電源充電。當(dāng)聲波使膜片振動(dòng)時(shí)，電容發(fā)生變化，電路中形成變化的電流。在膜片向右運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中(AC)A．電容變大B．電容變小C．導(dǎo)線AB中有向左的電流 D．導(dǎo)線AB中有向右的電流解析：聲波使膜片向右振動(dòng)，MN間距減小，電容變大，A正確，B錯(cuò)誤；由Q＝CU知：C變大，若U不變，則Q變大，繼續(xù)充電，則導(dǎo)線AB中有向左的電流，C正確，D錯(cuò)誤。一、神奇?zhèn)鞲衅?．下列關(guān)于傳感器的說(shuō)法中，正確的是(B)A．一般的傳感器可以直接用來(lái)進(jìn)行自動(dòng)控制B．傳感器可以用來(lái)采集信息C．金屬材料不可以制成傳感器D．傳感器可以將所有感受到的信號(hào)都轉(zhuǎn)換為電學(xué)量解析：傳感器一般是通過(guò)非電學(xué)量轉(zhuǎn)換成電學(xué)量來(lái)傳遞信號(hào)的，不能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，A錯(cuò)誤。由于傳感器可將非電學(xué)量轉(zhuǎn)換成電學(xué)量，因此傳感器也可以用來(lái)采集信息，B正確。傳感器材料分半導(dǎo)體材料、陶瓷材料、金屬材料和有機(jī)材料等，C錯(cuò)誤。傳感器可以將感受到的一些信號(hào)轉(zhuǎn)換為電學(xué)量，比如：光敏電阻在有光照射時(shí)，電阻會(huì)變小，D錯(cuò)誤。2．在輸液時(shí)，藥液有時(shí)會(huì)從針口流出體外，為了及時(shí)發(fā)現(xiàn)，設(shè)計(jì)了一種報(bào)警裝置，電路如圖所示。M是貼在針口處的傳感器，接觸到藥液時(shí)其電阻RM發(fā)生變化，導(dǎo)致S兩端電壓U增大，裝置發(fā)出警報(bào)，此時(shí)(C)A．RM變大，且R越大，U增大越明顯B．RM變大，且R越小，U增大越明顯C．RM變小，且R越大，U增大越明顯D．RM變小，且R越小，U增大越明顯解析：此裝置電路中M與R并聯(lián)后再與S串聯(lián)。忽略電源內(nèi)阻，根據(jù)歐姆定律得I＝eq\f(E,RS＋R并)，S兩端的電壓U＝IRS增大，則電流I增大，故R并減小，所以并聯(lián)支路的總電阻減小，RM必減小，A、B錯(cuò)誤。由于eq\f(1,R并)＝eq\f(1,RM)＋eq\f(1,R)，即R并＝eq\f(RRM,R＋RM)＝eq\f(RM,1＋\f(RM,R))，當(dāng)R遠(yuǎn)大于RM時(shí)，eq\f(RM,R)→0，則R并≈RM，此時(shí)可認(rèn)為RM變化了多少，R并就變化了多少，所以R越大，RM的變化對(duì)U的變化影響就越明顯，C正確，D錯(cuò)誤。二、傳感器的種類3．(2023·福建龍巖高二期中)人類發(fā)射的繞地球運(yùn)轉(zhuǎn)的航天器，所需要的電能主要由太陽(yáng)能電池把太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能得到，因此要求太陽(yáng)能電池板總是對(duì)準(zhǔn)太陽(yáng)，為達(dá)到這一要求應(yīng)利用下列哪種傳感器來(lái)感知太陽(yáng)的方位(D)A．溫度傳感器 B．力傳感器C．生物傳感器 D．光傳感器解析：太陽(yáng)能電池是通過(guò)光電轉(zhuǎn)換裝置把太陽(yáng)能直接轉(zhuǎn)化為電能，供航天器使用的，因此需要使用光傳感器，來(lái)感知太陽(yáng)方位，故選D。三、傳感器組成與應(yīng)用模式4．(多選)(2022·山東省滕州市高二期中)電子電路中常用到一種稱為“干簧管”的元件(如圖所示)，它的結(jié)構(gòu)很簡(jiǎn)單，只是玻璃管內(nèi)封入的兩個(gè)軟磁性材料制成的簧片。當(dāng)磁體靠近干簧管時(shí)，兩個(gè)簧片被磁化而接通，所以干簧管能起到開(kāi)關(guān)的作用，操縱開(kāi)關(guān)的是磁場(chǎng)這只看不見(jiàn)的“手”。關(guān)于干簧管，下列說(shuō)法正確的是(CD)A．干簧管接入電路中相當(dāng)于電阻的作用B．干簧管是根據(jù)熱脹冷縮的原理制成的C．兩個(gè)磁性材料制成的簧片接通的原因是被磁化后相互吸引D．干簧管接入電路中相當(dāng)于開(kāi)關(guān)的作用解析：當(dāng)磁體靠近干簧管時(shí)，兩個(gè)簧片被磁化相互吸引而接通，故B錯(cuò)誤，C正確；當(dāng)磁體遠(yuǎn)離干簧管時(shí)，軟磁性材料制成的簧片失去磁性，所以兩簧