選修3-2（高中物理舊教材同步講義）第6章 2 傳感器的應用 3 實驗：傳感器的應用同步講義

2傳感器的應用3實驗：傳感器的應用[學習目標]1.了解傳感器在日常生活和生產(chǎn)中的應用.2.了解傳感器應用的一般模式.3.能設計簡單的應用傳感器的控制電路．一、力傳感器的作用及工作原理1．應變式力傳感器可以用來測重力、壓力、拉力等各種力．2．應變片能夠把物體形變這個力學量轉換為電壓這個電學量．二、溫度傳感器的工作原理1．雙金屬片溫度傳感器的工作原理：溫度變化時，因雙金屬片上層金屬與下層金屬的熱膨脹系數(shù)不同，雙金屬片發(fā)生彎曲從而控制電路的通斷．2．(1)電飯鍋中溫度傳感器為感溫鐵氧體．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，這一溫度稱為該材料的“居里溫度”或“居里點”．(2)用手按下開關按鈕通電加熱，開始煮飯，當鍋內(nèi)溫度達到約103℃時，感溫鐵氧體失去鐵磁性，與永磁體失去吸引力，被彈簧彈開，從而推動杠桿使觸點開關斷開．三、光傳感器的工作原理及應用1．光傳感器能把光信號轉換為電信號．2．最常見的光傳感器有光敏電阻、光電管、光電二極管、光電三極管等．3．典型的應用，如鼠標、火災報警器、光敏自動計數(shù)器等．四、實驗：光控開關和溫度報警器1．斯密特觸發(fā)器是具有特殊功能的非門，符號為.2．當加在斯密特觸發(fā)器的輸入端A的電壓逐漸上升到某個值(1.6V)時，輸出端Y會突然從高電平跳到低電平(0.25V)，而當輸入端A的電壓下降到另一個值(0.8V)時，Y會從低電平跳到高電平(3.4V)．這樣它將連續(xù)變化的模擬信號轉換為突變的數(shù)字信號．1．判斷下列說法的正誤．(1)電子秤中的應變片的電阻隨形變大小而變化．(√)(2)電熨斗和電飯鍋都是利用雙金屬片控制電路通斷的．(×)(3)火災報警器中的光電三極管的電阻隨光照的增強而變?。?√)(4)利用紅外線敏感元件可以實現(xiàn)無接觸測溫．(√)2．電子打火機的點火原理是壓電效應，壓電片在受壓時會在兩側形成電壓且電壓大小與壓力近似成正比．現(xiàn)有一利用壓電效應制造的電梯加速度傳感器，如圖1所示．壓電片安裝在電梯地板下，電壓表與壓電片構成閉合回路用來測量壓電片兩側形成的電壓．若發(fā)現(xiàn)電壓表示數(shù)增大，則電梯加速度一定(選填“向上”或“向下”)，電梯可能(選填“加速”或“減速”)下降．圖1答案向上減速一、力傳感器的應用——電子秤如圖2所示是一個應變式力傳感器，彈簧鋼制成的梁形元件右端固定，在梁的上下表面各貼一個應變片．結合力傳感器的特點，敘述它的工作原理．圖2答案在梁的自由端施力F，則梁發(fā)生彎曲，上表面拉伸，下表面壓縮，上表面應變片的電阻變大，下表面的電阻變小．力F越大，彎曲形變越大，應變片的電阻變化就越大．如果讓應變片中通過的電流保持恒定，那么上面應變片兩端的電壓變大，下面應變片兩端的電壓變?。畟鞲衅靼堰@兩個電壓的差值輸出．力F越大，輸出的電壓差值也就越大．例1(多選)(2019·山東肥城六中高二期末)為了鍛煉身體，小明利用所學物理知識設計了一個電子拉力計，如圖3所示是原理圖．輕質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處于a端．下列關于這個電路的說法正確的是()圖3A．小明在電路中連入R0的目的是保護電路B．當拉環(huán)不受力時，閉合開關后電流表的讀數(shù)為0.1AC．當拉力為400N時，電流表指針指在0.3A處D．當拉力為400N時，電流表指針指在0.5A處答案ABC解析若電路無電阻R0，且金屬滑片P在b端時，電路短路會損壞電源，R0可使電路不出現(xiàn)短路，故A正確；當拉環(huán)不受力時，滑片P處于a端，由閉合電路歐姆定律得I＝eq\f(U,R0＋R1)＝0.1A，即電流表的讀數(shù)為0.1A，故B正確；當拉力為400N時，由F＝kΔx知，Δx＝4cm，對應的電阻為RaP＝20Ω，R1接入電路的電阻RPb＝5Ω，由閉合電路歐姆定律得I′＝eq\f(U,R0＋RPb)＝0.3A，即電流表指針指在0.3A處，故D錯誤，C正確．二、溫度傳感器的應用——電熨斗、電飯鍋1．如圖4所示為電熨斗的結構，其中雙金屬片上層金屬的熱膨脹系數(shù)大于下層金屬．常溫下，電熨斗的上、下觸點應當是接觸的還是分離的？當溫度過高時雙金屬片將怎樣起作用？圖4答案常溫時，電熨斗的上、下觸點接觸，這樣電熨斗接通電源后能進行加熱．當溫度過高時雙金屬片膨脹，因上層的金屬片熱膨脹系數(shù)較大，故上層金屬片膨脹得厲害，雙金屬片向下彎曲，彎曲到一定程度后，兩觸點分離，電路斷開，電熱絲停止加熱；當溫度降低后，雙金屬片恢復原狀，重新接通電路加熱．2．電飯鍋的結構如圖5所示．圖5(2)煮飯時水沸騰后鍋內(nèi)是否會大致保持一定的溫度？為什么？如果用電飯鍋燒水，能否在水沸騰后自動斷電？(3)飯熟后，水分被大米吸收，鍋底的溫度會有什么變化？這時電飯鍋會自動發(fā)生哪些變化？答案(1)煮飯時壓下開關按鈕，感溫磁體與永磁體相互吸引結合在一起，觸點相接，電路接通，開始加熱，手松開后，由于鍋內(nèi)的溫度低，感溫磁體與永磁體相互吸引而不能使按鈕恢復到圖示的狀態(tài)．(2)煮飯時水沸騰后鍋內(nèi)的溫度基本保持在水的沸點不變，因為水沸騰時，溫度不變，不能自動斷電．如果用電飯鍋燒水，水沸騰后，鍋內(nèi)的溫度保持在100℃不變，低于“居里溫度”(約103℃)，電飯鍋不能自動斷電，只有水燒干后，溫度升高到約103℃才能自動斷電，因此用電飯鍋燒水不能實現(xiàn)自動控溫．(3)飯熟后，水分被大米吸收，鍋底的溫度會升高，當溫度上升到“居里溫度”(約103℃)時，感溫磁體失去磁性，在彈簧作用下永磁體與之分離，開關自動斷開，且不能自動復位．例2如圖6所示是自動調(diào)溫式電熨斗，下列說法不正確的是()圖6A．常溫時上、下觸點是接觸的B．雙金屬片溫度升高時，上層的金屬片形變較大，雙金屬片將向下彎曲C．原來溫度控制在80℃斷開電源，現(xiàn)要求60℃斷開電源，應使調(diào)溫旋鈕下移一些D．由熨燙絲綢衣物狀態(tài)(溫度較低)轉換為熨燙棉麻衣物狀態(tài)(溫度較高)，應使調(diào)溫旋鈕下移一些答案C解析常溫時，上、下觸點是接通的；當溫度升高時，上層金屬片形變大，向下彎曲，切斷電源；切斷溫度要升高則應使調(diào)溫旋鈕下移一些，A、B、D正確，C錯誤．例3(多選)電飯鍋的結構如圖7所示，如果感溫磁體的“居里溫度”為103℃時，下列說法中正確的是()圖7A．常溫下感溫磁體具有較強的磁性B．當溫度超過103℃時，感溫磁體的磁性較強C．飯熟后，水分被大米吸收，鍋底的溫度會達到103℃，這時開關按鈕會跳起D．常壓下只要鍋內(nèi)有水，鍋內(nèi)的溫度就不可能達到103℃，開關按鈕就不會自動跳起答案ACD三、光傳感器的應用——火災報警器如圖8所示是火災報警器的內(nèi)部結構，它由發(fā)光二極管LED、光電三極管和不透明的擋板組成，請簡述它的工作原理．圖8答案正常情況下，光電三極管接收不到LED發(fā)出的光，呈現(xiàn)高電阻狀態(tài)，當煙霧進入罩內(nèi)后對光有散射作用，使部分光線照射到光電三極管上，其電阻變小，與傳感器連接的電路檢測出這種變化就會發(fā)出警報．例4如圖9所示是會議室和賓館房間的天花板上裝有的火災報警器的結構原理圖，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)生火災時，下列說法正確的是()圖9A．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，檢測電路檢測出變化發(fā)出警報D．以上說法均不正確答案C解析由火災報警器的原理可知，發(fā)生火災時煙霧進入罩內(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，C正確．1．(光傳感器的應用)(多選)(2019·濟寧市高二檢測)如圖10所示為某商廈安裝的光敏電阻自動計數(shù)器的示意圖．其中A為光源，B為由電動機帶動的勻速運行的自動扶梯，R1為光敏電阻，R2為定值電阻．每當扶梯上有顧客經(jīng)過，擋住由A射向R1的光線時，計數(shù)器就計數(shù)一次．此光計數(shù)器的基本工作原理是()圖10A．當有光照射R1時，信號處理系統(tǒng)獲得低電壓B．當有光照射R1時，信號處理系統(tǒng)獲得高電壓C．信號處理系統(tǒng)每獲得一次低電壓就計數(shù)一次D．信號處理系統(tǒng)每獲得一次高電壓就計數(shù)一次答案BC解析當有光照射R1時，R1阻值減小，R總減小，電源電壓不變，故電路中的電流增大，R2為定值電阻，由U2＝IR2，則R2兩端電壓增大，信號處理系統(tǒng)獲得高電壓，A錯誤，B正確；當擋住由A射向R1的光線時，R1的阻值變大，則R2兩端的電壓變小，信號處理系統(tǒng)每獲得一次低電壓就計數(shù)一次，C正確，D錯誤．2．(力傳感器的應用)壓敏電阻的阻值隨所受壓力的增大而減小，有位同學設計了利用壓敏電阻判斷豎直升降機運動狀態(tài)的裝置，其工作原理圖如圖11甲所示，將壓敏電阻固定在升降機底板上，其上放置一個物塊，在升降機運動的過程中，電流表示數(shù)如圖乙所示，已知升降機靜止時電流表的示數(shù)為I1.下列判斷正確的是()圖11A．0到t1時間內(nèi)，升降機一定靜止B．t1到t2時間內(nèi)，升降機可能做勻加速直線運動C．t1到t2時間內(nèi)，升降機運動時的加速度在變化D．t2到t3時間內(nèi)，升降機可能向下勻加速運動答案C3．(溫度傳感器的應用)傳感器擔負著信息采集的任務，在自動控制中發(fā)揮著重要作用，傳感器能夠將感受到的物理量(如溫度、光、聲等)轉換成便于測量的量(電學量)，例如熱敏傳感器．某熱敏電阻RT阻值隨溫度變化的圖線如圖12甲所示，圖乙是由該熱敏電阻RT作為傳感器制作的簡單自動報警器線路圖．問：圖12(1)為了使溫度過高時報警器響鈴，c應接在(選填“a”或“b”)處．(2)若要使啟動報警的溫度提高些，應將滑動變阻器的滑片P向移動(選填“左”或“右”)．(3)如果在調(diào)試報警器達到最低報警溫度時，無論如何調(diào)節(jié)滑動變阻器的滑片P都不能使報警器工作，且電路連接完好，各電路元件都能處于工作狀態(tài)，則造成工作電路不能正常工作的原因可能是．答案(1)a(2)左(3)電源提供電壓太小以至于電磁鐵磁性太弱或彈簧勁度系數(shù)太大，電磁鐵的吸引力小于彈力解析(1)由題圖甲可知，熱敏電阻RT在溫度升高時阻值變小，電路中電流變大，電磁鐵磁性增強，把右側銜鐵吸引過來，與a接觸，故c應接在a處．(2)若要使啟動報警的溫度提高，則應使電路中電阻更大，滑動變阻器的滑片P向左移動．4．(光傳感器的應用)為了節(jié)能和環(huán)保，一些公共場所使用光控開關控制照明系統(tǒng)．光控開關可采用光敏電阻來控制，光敏電阻是阻值隨著光的照度而發(fā)生變化的元件(照度可以反映光的強弱，光越強照度越大，照度單位為lx)．某光敏電阻RG在不同照度下的阻值如表所示：照度(lx)0.20.40.60.81.01.2電阻(kΩ)754028232018(1)根據(jù)表中的數(shù)據(jù)，請在圖13給定的坐標系中描繪出阻值隨照度變化的曲線，并說明阻值隨照度變化的特點；圖13(2)如圖14所示，當1、2兩端所加電壓上升至2V時，控制開關自動啟動照明系統(tǒng)．請利用下列器材設計一個簡單電路，給1、2兩端提供電壓，要求當天色漸暗照度降低至1.0lx時啟動照明系統(tǒng)，在虛線框內(nèi)完成電路原理圖(不考慮控制開關對所設計電路的影響)．提供的器材如下：光敏電阻RG(符號，阻值見表)；直流電源E(電動勢3V，內(nèi)阻不計)；定值電阻：R1＝10kΩ，R2＝20kΩ，R3＝40kΩ(限選其中之一并在圖中標出)；開關S及導線若干．圖14答案(1)如圖甲所示光敏電阻的阻值隨光的照度的增大而非線性減小(2)如圖乙所示解析(2)原理：利用串聯(lián)電路的分壓規(guī)律設計電路．當照度降低至1.0lx時，光敏電阻為RG＝20kΩ，由題中信息可知U12＝2V，E＝3V，eq\f(U12,RG)＝eq\f(E－U12,R)，所以R＝10kΩ，定值電阻應選R1.1．下列裝置中利用了光電傳感器的是()A．電熨斗 B．電飯鍋C．電子秤 D．火災報警器答案D2．(多選)美國科學家WillardS.Boyle與GeorgeE.Smith因電荷耦合器件(CCD)的重要發(fā)明榮獲2009年度諾貝爾物理學獎．CCD是將光學量轉變成電學量的傳感器．下列器件可作為傳感器的有()A．發(fā)光二極管 B．熱敏電阻C．霍爾元件 D．干電池答案BC解析發(fā)光二極管不可作為傳感器，A錯；熱敏電阻和霍爾元件都可作為傳感器，B、C對；干電池是電源，D錯．3．(多選)下列關于電子秤中應變式力傳感器的說法正確的是()A．應變片多是由導體材料制成B．當應變片的表面拉伸時，其電阻變大C．傳感器輸出的是應變片上的電壓D．外力越大，輸出的電壓差值也越大答案BD解析應變片多用半導體材料制成，故選項A錯誤；當應變片拉伸時，其電阻變大，故選項B正確；傳感器輸出的是上、下兩應變片上的電壓差值，并且隨著外力的增大，輸出的電壓差值也越大，故選項C錯誤，D正確．4．下列說法正確的是()A．電飯鍋中的溫度傳感器的主要元件是氧化鐵B．氧化鐵在常溫下具有鐵磁性，溫度很高時失去鐵磁性C．用電飯鍋燒水，水開時能自動斷電D．用電飯鍋煮飯時，若溫控開關自動斷電后，它不能自動復位答案D解析電飯鍋中的溫度傳感器的主要元件為感溫鐵氧體，它在約103℃時失去鐵磁性，選項A、B錯誤；用電飯鍋燒水時，在標準大氣壓下，水溫最高為100℃，電飯鍋不會自動斷電，若無人控制，則會直到水全部蒸發(fā)后才會斷電，選項C錯誤；電飯鍋開關自動斷電后只能手動復位，選項D正確．5.如圖1所示是一火災報警器的一部分電路示意圖，其中R2為用NTC半導體熱敏材料制成的傳感器(溫度越高，電阻越小)，電流表為值班室的顯示器，a、b之間接報警器，當傳感器R2所在處出現(xiàn)火情時，顯示器的電流I、報警器兩端的電壓U的變化情況是()圖1A．I變大，U變大 B．I變小，U變小C．I變小，U變大 D．I變大，U變小答案B解析當R2所在處出現(xiàn)火情時，NTC半導體熱敏材料制成的傳感器的電阻將減小，則此時電路中的總電阻減小，由閉合電路歐姆定律可知：外電路電壓將減小，U減小；電路中的總電流增大，所以R1上的電壓增大，顯示器兩端的電壓將減小，電流I減小，B正確．6．在探究超重和失重規(guī)律時，某重力為G的同學站在一壓力傳感器上完成一次下蹲動作．傳感器和計算機相連，經(jīng)計算機處理后得到壓力F隨時間t變化的圖象，則下列圖象可能正確的是()答案D解析對人的運動過程分析可知，人在加速下蹲的過程中，有向下的加速度，處于失重狀態(tài)，此時人對傳感器的壓力小于人的重力；在減速下蹲的過程中，加速度方向向上，處于超重狀態(tài)，此時人對傳感器的壓力大于人的重力，所以D正確．7．溫度傳感器廣泛應用于家用電器中，它是利用熱敏電阻的阻值隨溫度變化的特性來工作的．如圖2甲所示為某裝置中的傳感器工作原理圖，已知電源的電動勢E＝9.0V，內(nèi)電阻不計；G為靈敏電流表，其電阻Rg保持不變，R為熱敏電阻，其阻值隨溫度的變化關系如圖乙所示．閉合開關S，當R的溫度等于20℃時，電流表示數(shù)I1＝2mA；當電流表的示數(shù)I2＝3.6mA時，熱敏電阻的溫度是()圖2A．60℃ B．80℃C．100℃ D．120℃答案D解析由題圖乙可知，當R的溫度等于20℃時，熱敏電阻的阻值R1＝4kΩ，則由I1＝eq\f(E,R1＋Rg)可得Rg＝0.5kΩ，當電流I2＝3.6mA時，由I2＝eq\f(E,R2＋Rg)可得R2＝2kΩ，由題圖乙可知，此時熱敏電阻的溫度為120℃，故選D.8．(2019·龍巖市漳平一中月考)如圖3是安裝在潛水器上深度表的電路簡圖，顯示器由電流表(電阻不計)改裝而成，壓力傳感器的電阻隨壓力的增大而減小，電源電動勢不變，內(nèi)阻為r，定值電阻阻值為R0，在潛水器下潛過程中，電路中有關物理量的變化情況是()圖3A．通過顯示器的電流減小B．R0兩端的電壓增大C．傳感器兩端的電壓增大D．電路的總功率減小答案B解析在潛水器下潛過程中，壓力傳感器受到的壓力越來越大，壓力傳感器的電阻隨壓力的增大而減小，所以電路中的總電阻減小，由閉合電路歐姆定律I＝eq\f(E,R傳＋R0＋r)可知電路中的總電流增大，即通過顯示器的電流增大，故A錯誤；R0兩端的電壓U＝IR0，電路中的電流增大，則U增大，故B正確；傳感器兩端的電壓U傳＝E－I(R0＋r)，由于I增大，E、R0、r都不變，則傳感器兩端的電壓減小，故C錯誤；由P＝EI可知，電路的總功率增大，故D錯誤．9．(多選)(2019·大慶市實驗中學月考)如圖4所示的火災報警裝置，R1為熱敏電阻，若溫度升高，則R1的阻值會急劇減小，從而引起電鈴兩端電壓增加，當電鈴兩端電壓達到一定值時，電鈴會響．下列說法正確的是()圖4A．要使報警的臨界溫度升高，可以適當增大電源的電動勢B．要使報警的臨界溫度升高，可以把R2的滑片P適當向下移C．要使報警的臨界溫度降低，可以適當增大電源的電動勢D．要使報警的臨界溫度降低，可以把R2的滑片P適當向下移答案CD解析要使報警的臨界溫度升高，R1對應的阻值減小，電路中電流會增大，電鈴兩端的電壓會增大，而當電鈴兩端電壓達到一定值時，電鈴會響，要使電鈴的電壓仍為原來的值，可以適當減小電源的電動勢，相反，要使報警的臨界溫度降低，可以適當增大電源的電動勢，故A錯誤，C正確；要使報警的臨界溫度升高，根據(jù)串聯(lián)電路的特點可知，可以把R2的滑片P適當向上移，以減小R2接入電路的阻值，相反，要使報警的臨界溫度降低，可以把R2的滑片P適當向下移，故B錯誤，D正確．10．(2016·浙江理綜)如圖5所示為一種常見的身高體重測量儀．測量儀頂部向下發(fā)射波速為v的超聲波，超聲波經(jīng)反射后返回，被測量儀接收，測量儀記錄發(fā)射和接收的時間間隔．質量為M0的測重臺置于壓力傳感器上，傳感器輸出電壓與作用在其上的壓力成正比．當測重臺沒有站人時，測量儀記錄的時間間隔為t0，輸出電壓為U0，某同學站上測重臺，測量儀記錄的時間間隔為t，輸出電壓為U，則該同學的身高和質量分別為()圖5A．v(t0－t)，eq\f(M0,U0)U B.eq\f(1,2)v(t0－t)，eq\f(M0,U0)UC．v(t0－t)，eq\f(M0,U0)(U－U0) D.eq\f(1,2)v(t0－t)，eq\f(M0,U0)(U－U0)答案D解析當測重臺沒有站人時，2x＝vt0，當測重臺站人時，2(x－h(huán))＝vt，聯(lián)立可得h＝eq\f(1,2)v(t0－t)；當測重臺沒有站人時，U0＝kM0g；當測重臺站人時，U＝k(M0g＋mg)，聯(lián)立可得m＝eq\f(M0,U0)(U－U0)，故選項D正確．11．(2019·聊城市高二下學期期末)用壓敏電阻可制成壓力傳感器，它受到的壓力越大，輸出的電壓就越大，用它可以對汽車稱重．經(jīng)實測，某壓力傳感器輸出電壓與壓力的關系如下表：壓力/(×105N)01.22.43.64.86.0輸出電壓/V01.02.03.04.05.0將該壓力傳感器水平放置，并和電阻箱R′(最大電阻999.9Ω)及部分其他器材組成了如圖6甲所示的電路，閉合開關S，當線圈中的電流I≥20mA時，電磁繼電器的銜鐵被吸合．已知繼電器線圈的電阻為25Ω，繼電器控制電路的電壓由傳感器的輸出電壓U提供．(假設U不受繼電器電路影響)圖6(1)根據(jù)表的圖象；(2)當壓力增大到一定程度時，電鈴報警，說明汽車超載，則圖甲中電鈴應接在(選填“A、B”或“C、D”)兩端；(3)為使車重G≥3.0×105N時啟動報警系統(tǒng)，則電阻箱R′的電阻應調(diào)節(jié)到Ω；(4)通過調(diào)為N.答案(1)見解析圖(2)C、D(3)100(4)6.0×104解析(1)橫坐標表示