2024-2025學(xué)年新教材高中物理第5章傳感器及其應(yīng)用第2節(jié)科學(xué)制作：簡單的自動控制裝置第3節(jié)大顯身手的傳感器學(xué)案魯科版選擇性必修2

PAGE9-第2節(jié)科學(xué)制作：簡潔的自動限制裝置第3節(jié)大顯身手的傳感器學(xué)習(xí)目標(biāo)：1.[科學(xué)探究]利用傳感器制作簡潔的自動限制裝置，進(jìn)一步理解傳感器的工作原理。2.[科學(xué)思維]了解敏感元件在自動限制電路中的作用。3.[科學(xué)看法與責(zé)任]了解生活中傳感器的簡潔應(yīng)用及給人類生產(chǎn)、生活帶來的便利。閱讀本節(jié)教材，梳理必要學(xué)問點。一、簡潔的自動限制裝置1．試驗?zāi)康?1)設(shè)計并制作光報警裝置。(2)設(shè)計并制作溫度報警裝置。(3)了解制作的報警裝置的工作原理。2．試驗器材光敏電阻、熱敏電阻、溫度計、干電池、手電筒、蜂鳴器、開關(guān)、導(dǎo)線、變阻器。3．試驗原理與設(shè)計(1)光報警裝置：如圖所示，利用光敏電阻作限制元件，從而通過光線來實現(xiàn)自動限制，當(dāng)光照強度發(fā)生變更時，電阻R發(fā)生變更，電路中的電流變更，當(dāng)R的阻值變更到肯定值時，蜂鳴器發(fā)生報警。(2)溫度報警裝置：如圖所示，利用熱敏電阻作限制元件，從而通過溫度來實現(xiàn)自動限制，當(dāng)溫度發(fā)生變更時，電阻RT發(fā)生變更，電路中的電流變更，當(dāng)RT的阻值變更到肯定值時，蜂鳴器發(fā)生報警。4．試驗步驟(1)光報警裝置試驗步驟①依據(jù)電路圖將各元件組裝到集成電路試驗板上。②檢查各元件的連接，確保無誤。③接通電源，調(diào)整滑動變阻器，使蜂鳴器在一般光照條件下不報警。④用黑紙漸漸遮住光敏電阻，留意蜂鳴器是否發(fā)聲，并做好記錄。⑤漸漸撤掉黑紙，留意蜂鳴器是否發(fā)聲，并做好記錄。(2)溫度報警裝置①依據(jù)電路圖將各元件組裝到集成電路試驗板上。②檢查各元件的連接，確保無誤。③接通電源，調(diào)整滑動變阻器，使蜂鳴器常溫下不發(fā)聲。④用熱水使熱敏電阻的溫度上升，留意蜂鳴器是否發(fā)聲，并做好記錄。⑤將熱敏電阻從熱水中取出，留意蜂鳴器是否發(fā)聲，并做好記錄。二、大顯身手的傳感器1．自動感應(yīng)門(1)限制自動門的開關(guān)裝有一種紅外線傳感器(2)自動門系統(tǒng)三環(huán)節(jié)：檢測門前是否有人，推斷結(jié)果發(fā)出指令，執(zhí)行指令2．洗衣機的水位限制裝置全自動洗衣機的水位限制裝置中運用壓力傳感器，當(dāng)筒內(nèi)水位到達(dá)設(shè)定高度時，凸起的膜片使動觸點接觸限制電路的靜觸點，使限制電路接通，關(guān)閉進(jìn)水電磁閥門，同時接通洗滌電動機電源。3．指紋識別器指紋識別器是通過電容傳感器來識別指紋的。手指皮膚與電容傳感器表面構(gòu)成了電容陣列，指紋的脊和谷相對于另一極板的距離不同，使電容陣列中不同位置的電容器電容不同。4．機器人(1)機器人傳感器的分類：機器人傳感器分為外部傳感器和內(nèi)部傳感器。(2)傳感器用途①外部傳感器用于感知外部工作環(huán)境和外界事物對機器人的刺激。使機器人擁有類似人的視覺、聽覺、觸覺、嗅覺、味覺等感覺。②內(nèi)部傳感器(如角度傳感器、關(guān)節(jié)傳感器等)用于檢測機器人自身的狀態(tài)。思索推斷(正確的打“√”，錯誤的打“×”)(1)洗衣機的自動限制裝置利用了壓力傳感器。 (√)(2)自動門利用了紅外線傳感器。 (√)(3)指紋識別器是利用壓力傳感器。 (×)(4)機器人利用多種傳感器從而具有擬人化的特點。 (√)(5)自動限制裝置的設(shè)計是利用敏感元件的特性設(shè)計的。 (√)簡潔的自動限制裝置1.數(shù)據(jù)測量(1)光報警裝置中記錄滑動變阻器滑片的位置，光敏電阻特性、光照強度與蜂鳴器報警的關(guān)系光敏電阻特性測量步驟：①將光敏電阻、多用電表、燈泡、滑動變阻器按試驗原理圖甲所示電路連接好，其中多用電表置于“×100”擋；甲②先測出在室內(nèi)自然光的照耀下光敏電阻的阻值，并記錄數(shù)據(jù)；③打開電源，讓小燈泡發(fā)光，調(diào)整小燈泡的亮度使之漸漸變亮，視察多用電表表盤指針顯示電阻阻值的狀況，并記錄；④用手掌(或黑紙)遮光時，視察多用電表表盤指針顯示電阻阻值的狀況，并記錄。依據(jù)記錄數(shù)據(jù)分析光敏電阻的特性；⑤光敏電阻在暗環(huán)境下電阻值很大，強光照耀下電阻值很小；⑥試驗中，假如效果不明顯，可將電阻部分電路放入帶蓋的紙盒中，并通過蓋上小孔變更射到光敏電阻上的光的多少來達(dá)到試驗?zāi)康模?2)溫度報警裝置中記錄滑動變阻器滑片的位置，熱敏電阻特性、溫度與蜂鳴器報警的關(guān)系熱敏電阻特性測量步驟：①按試驗原理圖乙連接好電路，將熱敏電阻絕緣處理；乙②把多用電表置于歐姆擋，并選擇適當(dāng)?shù)牧砍虦y出燒杯中沒有水時熱敏電阻的阻值，并登記溫度計的示數(shù)；③向燒杯中注入少量的冷水，使熱敏電阻浸沒在冷水中，登記溫度計的示數(shù)和多用電表測量的熱敏電阻的阻值；④將熱水分幾次注入燒杯中，測出不同溫度下熱敏電阻的阻值，并記錄；⑤在如圖坐標(biāo)系中，粗略畫出熱敏電阻的阻值隨溫度變更的圖線；⑥熱敏電阻的阻值隨溫度的上升而減小，隨溫度的降低而增大；⑦試驗時，加熱水后要等一會兒再測熱敏電阻阻值，以使電阻溫度與水的溫度相同，并同時讀出水溫。2．留意事項(1)安裝前，對器材進(jìn)行測試，確保各元件性能良好后，再進(jìn)行安裝。(2)光報警裝置試驗中，留意光敏電阻的特性選擇是否合適，否則繼電器不能正常工作。(3)光報警裝置試驗中要想光更弱時蜂鳴器報警，應(yīng)當(dāng)把滑動變阻器的阻值調(diào)小些。(4)溫度報警器試驗中，要使蜂鳴器在更低的溫度時報警，應(yīng)當(dāng)把滑動變阻器的阻值調(diào)小些?！纠?】現(xiàn)有熱敏電阻、電爐絲、電源、電磁繼電器、滑動變阻器、開關(guān)和導(dǎo)線若干，如圖所示，試設(shè)計一個溫控電路，要求溫度低于某一溫度時，電爐絲自動通電供熱，超過某一溫度又可以自動斷電，畫出電路圖并說明工作過程。[解析]熱敏電阻RT與滑動變阻器及電磁繼電器構(gòu)成低壓限制電路。電路圖如圖所示當(dāng)溫度低于某一值時，熱敏電阻的阻值很大，流過電磁繼電器的電流很小，繼電器無法吸引銜鐵P，K處接通，電爐絲處于加熱狀態(tài)；當(dāng)溫度高于某一值時，熱敏電阻的阻值變得很小，通過電磁繼電器的電流較大，繼電器吸引銜鐵P，K處斷開，電爐絲停止加熱。[答案]見解析eq\o([跟進(jìn)訓(xùn)練])1．一臺臭氧發(fā)生器P的電阻為10kΩ，當(dāng)供電電壓等于24V時能正常工作，否則不產(chǎn)生臭氧?，F(xiàn)要用這種臭氧發(fā)生器制成自動消毒裝置，要求它在有光照時能產(chǎn)生臭氧，在黑暗時不產(chǎn)生臭氧，擬用一個光敏電阻R1對它進(jìn)行限制，R1的阻值在有光照時為100Ω，黑暗時為1000Ω，允許通過的最大電流為3mA；電源E的電壓為36V，內(nèi)阻不計；另有一個滑動變阻器R2，阻值為0～100Ω，允許通過的最大電流為0.4A；一個開關(guān)S和導(dǎo)線若干。臭氧發(fā)生器P和光敏電阻R1的符號如圖所示。設(shè)計一個滿意上述要求的電路圖，圖中各元件要標(biāo)上字母代號，其中滑動變阻器兩固定接線柱端分別標(biāo)上字母A、B。(電路圖畫在虛線框內(nèi))[解析]為了能限制臭氧發(fā)生器，應(yīng)當(dāng)用滑動變阻器的分壓式接法，有光照時P能正常工作，無光照時P不工作。電路圖如圖所示：[答案]見解析圖大顯身手的傳感器火災(zāi)探測器(如圖所示)的核心元件為氣敏傳感器，當(dāng)煙霧在空氣中的濃度超過設(shè)定值時，可以觸發(fā)報警，并對外發(fā)出聲光報警信號。此時傳感器是將什么量進(jìn)行轉(zhuǎn)換的？提示：傳感器是將煙霧產(chǎn)生的光學(xué)量轉(zhuǎn)換為電路的接通，從而對外發(fā)出聲光報警信號。1．洗衣機水位限制裝置——壓力傳感器工作原理圖及結(jié)構(gòu)：(1)結(jié)構(gòu)：1是洗衣機的外筒，2是洗衣機的內(nèi)筒，3是氣室，4是傳感器的膜盒。(2)工作原理：如圖(a)所示，氣室下部與外筒連通，上部與軟管、傳感器的膜盒連通。當(dāng)向桶內(nèi)注水后，有一部分水進(jìn)入氣室，氣室內(nèi)被密封的空氣壓強增大，使傳感器的膜盒中的膜片受力向上凸起，如圖(b)所示，當(dāng)筒中水位達(dá)到設(shè)定的高度時，凸起的膜片使動觸點a與靜觸點b脫離，并與靜觸點c接觸，從而接通限制電路，關(guān)閉進(jìn)水電磁閥門，接通洗滌電動機電源，洗衣機起先工作。2．自動門——紅外線傳感器(1)工作原理當(dāng)有人接近自動門時，人體發(fā)出的紅外線被傳感器接收到，就會產(chǎn)生電壓輸出信號，信號經(jīng)過電路處理后，使定時器工作，由定時器構(gòu)成的電路使繼電器通電，自動門電動機轉(zhuǎn)動，門自動打開；當(dāng)人通過自動門幾秒后，定時器又使繼電器斷電，自動門電動機反轉(zhuǎn)，門自動關(guān)閉。(2)工作流程圖3．指紋識別器——電容傳感器工作原理：指紋識別器是通過電容器來識別指紋的。傳感器表面集合了許多個電容器的極板，其外面是絕緣表面，當(dāng)用戶的手指放在絕緣表面上時，手指的皮膚就成了電容器的另一個極板，由于指紋的脊和谷相對于另一個極板的距離不同，使電容陣列不同位置的電容器的電容值也不同。通過讀取這些電容的差異，就能夠獲得指紋信息。這樣就把指紋的信息轉(zhuǎn)化成了電信號，再經(jīng)過電路對電信號的比較，就可以實現(xiàn)對指紋的識別。4．機器人與傳感器(1)機器人①定義：是一種擬人化的電子機械裝置，具有肯定的運動、感覺和推斷功能。②組成：機械系統(tǒng)、傳感器系統(tǒng)、信息處理和限制系統(tǒng)。(2)傳感器系統(tǒng)①作用：機器人的感覺器官。②分類：外部傳感器和內(nèi)部傳感器?！纠?】當(dāng)你走近某些寫字樓、機場、賓館等大廳的入口時，大門會自動打開，進(jìn)入大廳后，門又會自動關(guān)閉，關(guān)于這種自動門的下列說法中正確的是()A．限制這種自動門開關(guān)的是一種紅外線傳感器B．限制這種自動門開關(guān)的是一種一般光電傳感器，能使自動門“見光開”C．大人走近門會自動打開，小孩走近門，門不會自動打開D．男孩走近門會自動打開，女孩走近門，門可能不會開A[限制自動門開關(guān)的傳感器是紅外線傳感器，A對，B錯；盡管不同物體(包括大人、孩子)不同溫度發(fā)出的紅外線波長不同，但在設(shè)置這個傳感器范圍時應(yīng)當(dāng)充分考慮到大人、小孩個體的差異及人體體溫的變更范圍。大人、小孩、男孩、女孩靠近，門都會自動打開，C、D錯。]eq\o([跟進(jìn)訓(xùn)練])2．機器人通過哪種傳感器感知四周環(huán)境，從而避開障礙物()A．溫度傳感器 B．壓力傳感器C．味覺傳感器 D．視覺傳感器D[機器人通過“眼睛”(攝像機)即視覺傳感器感知四周景物，從而避開障礙物。]1．科學(xué)探究：制作簡潔的自動限制裝置。2．科學(xué)思維：敏感元件在自動限制電路中的應(yīng)用。3．科學(xué)看法與責(zé)任：傳感器在生產(chǎn)、生活中的應(yīng)用。1．街旁的路燈，江海里的航標(biāo)都要求在夜晚亮，白天熄，利用半導(dǎo)體的電學(xué)特性制成了自動點亮、熄滅的裝置，實現(xiàn)了自動限制，這是利用半導(dǎo)體的()A．壓敏性 B．光敏性C．熱敏性 D．三種特性都利用B[由題意可知，這一裝置要對光敏感，能區(qū)分白天與夜晚，所以選B。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)，因此不能選C。]2．傳感器廣泛應(yīng)用在我們的生產(chǎn)生活中，常用的計算機鍵盤就是一種傳感器。如圖所示，鍵盤上每一個鍵的下面都連一小金屬片，與該金屬片隔有肯定空氣間隙的是另一小的固定金屬片，這兩金屬片組成一個小電容器。當(dāng)鍵被按下時，此小電容器的電容發(fā)生變更，與之相連的電子線路就能夠檢測出哪個鍵被按下，從而給出相應(yīng)的信號。這種計算機鍵盤運用的是()A．溫度傳感器 B．壓力傳感器C．磁傳感器 D．光傳感器B[小金屬片被按下時，對該鍵有一個壓力，小金屬片向下移動，兩個極板之間的距離變更，電容變更，將壓力這個力學(xué)量轉(zhuǎn)化為電容這個電學(xué)量，所以計算機鍵盤運用的是壓力傳感器，B正確，A、C、D錯誤。]3．下列狀況不行能是由于水位限制裝置損壞引起的是()A．洗衣機不加水 B．洗衣機加水不能自動停止C．洗衣機不排水 D．洗衣機不洗衣C[洗衣機水位限制裝置正常，才能正常加水，且加到合適的水位，若損壞可能導(dǎo)致始終不加水或始終不停地加水，所以A、B可能，而這兩種狀況都會導(dǎo)致洗衣機洗衣程序不工作，所以D可能，故選C。]4．某小型電磁繼電器，其中L為含鐵芯的線圈。P為可繞O點轉(zhuǎn)動的鐵片，K為彈簧，S為一對觸頭，A、B、C、D為四個接線柱。電磁繼電器與傳感器協(xié)作，可完成自動限制的要求如圖所示。其工作方式是()A．A與B接信號電壓，C與D跟被控電路串聯(lián)B．A與B接信號電壓，C與D跟被控電路并聯(lián)C．C與D接信號電壓，A與B跟被控電路串聯(lián)D．C與D接信號電壓，A與B跟被控電路并聯(lián)A[A、B接電磁繼電器線圈，所以A、B應(yīng)接信號電壓，線圈隨信號電壓變更使電磁繼電器相吸或釋放，從而使C、D接通或斷開，進(jìn)而起到限制作用，故正確答案為A。]5.傳感器是把非電學(xué)量(如速度、溫度、壓力等)的變更轉(zhuǎn)換成電學(xué)量的變更的一種元件，在自動限制中有著相當(dāng)廣泛的應(yīng)用。有一種測量人的體重的電子秤，其測量部分的原理圖如圖中的虛線框所示，它主要由壓力傳感器R(電阻值會隨所受壓力大小發(fā)生變更的可變電阻)和顯示體重大小的儀表(實質(zhì)是志向電流表)組成。壓力傳感器表面能承受的最大壓強為1×107Pa，且已知壓力傳感器的電阻R與所受壓力的關(guān)系如表所示。設(shè)踏板和壓桿的質(zhì)量可以忽視不計，接通電源后，壓力傳感器兩端的電壓恒為4.8V，g取10m/s2。請作答：壓力F/N0250500750100012501500…電阻R/Ω300270240210180150120…(1)該秤零點(即踏板空載時)的刻度線應(yīng)標(biāo)在電流表