2024-2025學(xué)年高中物理第三章傳感器1傳感器學(xué)案教科版選修3-2

PAGE10-傳感器目標(biāo)導(dǎo)航核心素養(yǎng)1.了解什么是傳感器及作用。2.知道將非電信息轉(zhuǎn)化為電信息的意義。3.知道敏感元件的原理、作用及其分類。4.了解熱敏電阻和干簧管在傳感器中的作用及原理。物理觀念:傳感器,敏感元件科學(xué)思維:比較法,圖像法科學(xué)探究:熱敏電阻的特性科學(xué)看法與責(zé)任:了解干簧管在生產(chǎn)生活中的應(yīng)用必備學(xué)問·自主學(xué)習(xí)一、傳感器如圖所示,當(dāng)人們走近或離開一些賓館、商場(chǎng)的自動(dòng)門時(shí),門會(huì)自動(dòng)開關(guān),是什么在起主要作用?提示:傳感器。1.定義:把被測(cè)的非電信息,按肯定規(guī)律轉(zhuǎn)換成與之對(duì)應(yīng)的電信息的器件或裝置。2.結(jié)構(gòu):由敏感元件和處理電路組成。二、敏感元件的原理1.原理:利用物理學(xué)中能干脆感受到的非電信息轉(zhuǎn)換成易于測(cè)量的物理量,形成電信號(hào)。2.敏感元件分類:(1)物理類:基于力、熱、光、電磁和聲等物理效應(yīng)。(2)化學(xué)類:基于化學(xué)反應(yīng)原理。(3)生物類:基于酶、抗體和激素等分子識(shí)別功能。3.熱敏電阻的特性:熱敏電阻是用半導(dǎo)體材料制成的,它具有電阻隨溫度靈敏變更的特性,可以實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的測(cè)量。4.干簧管的工作原理:干簧管可以感受外界磁場(chǎng),當(dāng)干簧管的兩個(gè)鐵質(zhì)簧片處有磁場(chǎng)時(shí),兩簧片磁化,在磁力作用下由原來的分別狀態(tài)變成閉合狀態(tài),磁場(chǎng)減弱時(shí)兩簧片又分開。在電路中的作用就是一個(gè)磁控開關(guān)。關(guān)鍵實(shí)力·合作學(xué)習(xí)學(xué)問點(diǎn)一對(duì)傳感器的相識(shí)1.傳感器的組成:(1)敏感元件:相當(dāng)于人的感覺器官,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)物理量成肯定關(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:將轉(zhuǎn)換元件輸出的不易測(cè)量的電信息轉(zhuǎn)換成易于測(cè)量的電信息,如電壓、電流、電阻等。2.傳感器的原理:傳感器感受的通常是非電信息,如力、溫度、位移、濃度、速度、酸堿度等,而輸出的通常是電信息,如電壓、電流、電荷量等。這些輸出的信號(hào)是特別微弱的,通常須要經(jīng)過放大后,再傳送給限制系統(tǒng)產(chǎn)生各種限制動(dòng)作。【典例】(多選)如圖所示,甲圖是錄音機(jī)的錄音電路原理圖,乙圖是探討自感現(xiàn)象的試驗(yàn)電路圖,丙圖是火災(zāi)報(bào)警器的光電傳感器的部分電路圖,丁圖是電容式話筒的電路原理圖,下列說法正確的是 ()A.甲圖中錄音機(jī)錄音時(shí),由于話筒的聲電轉(zhuǎn)換,線圈中變更的電流在磁頭縫隙處產(chǎn)生變更的磁場(chǎng)B.乙圖電路中,開關(guān)斷開瞬間,燈泡會(huì)突然閃亮一下,并在開關(guān)處產(chǎn)生電火花C.丙圖電路中,當(dāng)有煙霧進(jìn)入罩內(nèi)時(shí),光電三極管上就會(huì)因煙霧的散射而有光的照耀,表現(xiàn)出電阻的變更D.丁圖電路中,當(dāng)聲波使膜片振動(dòng)時(shí),電容發(fā)生變更,會(huì)在電路中產(chǎn)生變更的電流【解析】選A、C、D。磁帶錄音機(jī)的錄音原理是:錄音時(shí),話筒將聲音先轉(zhuǎn)變成強(qiáng)弱變更的電流,即聲信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)(這是利用了電磁感應(yīng)現(xiàn)象),送到錄音磁頭;由題圖可知:錄音磁頭是一個(gè)蹄形電磁鐵,它的磁性強(qiáng)弱會(huì)隨電信號(hào)變更,將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為磁信號(hào)(利用了電流的磁效應(yīng)),故A正確;乙圖電路中,開關(guān)斷開瞬間,燈泡馬上熄滅,故B錯(cuò)誤;光電三極管也是一種晶體管,它有三個(gè)電極。當(dāng)光照強(qiáng)弱變更時(shí),電極之間的電阻會(huì)隨之變更。當(dāng)有煙霧進(jìn)入罩內(nèi)時(shí),光電三極管上就會(huì)因煙霧的散射而有光的照耀,表現(xiàn)出電阻的變更,故C正確;電容式話筒一樣利用振膜接受空氣振動(dòng)信號(hào),振膜與固定的平面電極之間形成一個(gè)電容,兩者之間的距離變更會(huì)導(dǎo)致其電容容量的變更。在電容兩端施加固定頻率及大小的電壓,通過電容的電流就會(huì)變更,故D正確。故選A、C、D。1.傳感器的輸出量通常為 ()A.非電量信號(hào) B.電量信號(hào)C.位移信號(hào) D.光信號(hào)【解析】選B。傳感器是將非電學(xué)量轉(zhuǎn)換為電學(xué)量的元件,則傳感器的輸出量通常為電量信號(hào)。故選B。2.下列關(guān)于傳感器的說法,正確的是 ()A.金屬熱電阻是一種可以將電學(xué)量轉(zhuǎn)換為熱學(xué)量的傳感器B.傳感器不是電視遙控接收器的主要元件C.干簧管是一種能夠感知電場(chǎng)的傳感器D.傳感器能將非電學(xué)量按肯定規(guī)律轉(zhuǎn)換成電學(xué)量或轉(zhuǎn)換為電路的通斷【解析】選D。金屬熱電阻是一種將溫度這個(gè)熱學(xué)量轉(zhuǎn)化為電阻這個(gè)電學(xué)量的傳感器,故A錯(cuò)誤;電視遙控接收器的主要元件是紅外線傳感器,故B錯(cuò)誤;干簧管是一種能夠感知磁場(chǎng)的元件,故C錯(cuò)誤;傳感器能將非電學(xué)量按肯定規(guī)律轉(zhuǎn)換為電學(xué)量或轉(zhuǎn)換為電路的通斷,故D正確。故選D。3.傳感器是把非電學(xué)量(如溫度、速度、壓力等)的變更轉(zhuǎn)換為電學(xué)量變更的一種元件,在自動(dòng)限制中有著相當(dāng)廣泛的應(yīng)用。如圖是一種測(cè)量液面高度h的電容式傳感器的示意圖。電容C大小的變更就能反映液面的升降狀況。關(guān)于兩者關(guān)系的說法中正確的是 ()A.C增大表示h減小B.C減小表示h增大C.C減小表示h減小D.C的變更與h變更無干脆關(guān)系【解析】選C。C增大表示電容器的正對(duì)面積變大,h增大,C減小表示h減小,故C正確?！炯庸逃?xùn)練】如圖所示是某種汽車上的一種自動(dòng)測(cè)定油箱內(nèi)油面高度的裝置。R是滑動(dòng)變阻器,它的金屬滑片是杠桿的一端,從油量表(由電流表改裝而成)指針?biāo)傅目潭?就可以知道油箱內(nèi)油面的高度,當(dāng)滑動(dòng)變阻器的金屬片向下移動(dòng)時(shí) ()A.電路中的電流減小,油箱內(nèi)油面降低B.電路中的電流減小,油箱內(nèi)油面上升C.電路中的電流增大,油箱內(nèi)油面降低D.電路中的電流增大,油箱內(nèi)油面上升【解析】選D。油面上升,金屬片向下移動(dòng),R接入電路中的電阻減小,電路中電流增大,所以選項(xiàng)D正確。學(xué)問點(diǎn)二三類傳感器的異同和應(yīng)用1.三類傳感器的異同:(1)相同點(diǎn):都能將感受到的非電學(xué)量信息轉(zhuǎn)化成電學(xué)量,都是利用敏感元件的某種敏感效應(yīng)制成的。(2)不同點(diǎn):三類傳感器的工作原理不同,所利用的敏感元件的敏感效應(yīng)不同。生物傳感器與物理傳感器和化學(xué)傳感器的最大區(qū)分在于生物傳感器的感受器中含有生命物質(zhì)。2.一些常見的傳感器的特點(diǎn)及原理:傳感器輸入量輸出量工作原理光電二極管光電壓光電效應(yīng)濕敏電阻濕度電壓(電阻)感濕材料電阻隨濕度發(fā)生變更話筒聲音電流電磁感應(yīng)加速度傳感器加速度電壓電磁感應(yīng)熱電偶溫度電壓熱電效應(yīng)酒精氣體傳感器酒精氣體電阻化學(xué)反應(yīng)后引起電阻變更【典例】(多選)下列運(yùn)用壓力傳感器的是 ()A.洗衣機(jī)設(shè)有多段式水位自動(dòng)感應(yīng)裝置B.火災(zāi)報(bào)警器C.酒精測(cè)試儀D.電子秤【解析】選A、D。洗衣機(jī)設(shè)有多段式水位自動(dòng)感應(yīng)裝置,是通過不同的壓力轉(zhuǎn)換成電學(xué)量,運(yùn)用的壓力傳感器,故A正確;火災(zāi)報(bào)警器,是當(dāng)有火災(zāi)時(shí),產(chǎn)生的煙進(jìn)入火災(zāi)報(bào)警器,利用光的漫反射,從而觸發(fā)開關(guān)報(bào)警,故B錯(cuò)誤;酒精測(cè)試儀運(yùn)用的是酒精氣體傳感器,故C錯(cuò)誤;電子秤是將壓力轉(zhuǎn)化為電阻的傳感器,屬于壓力傳感器,故D正確。1.(多選)用多用電表的同一擋位測(cè)量熱敏電阻和光敏電阻的阻值時(shí),下列說法正確的是 ()A.測(cè)熱敏電阻時(shí),溫度越高,多用電表指針偏角越大B.測(cè)熱敏電阻時(shí),溫度越高,多用電表指針偏角越小C.測(cè)光敏電阻時(shí),光照越弱,多用電表指針偏角越大D.測(cè)光敏電阻時(shí),光照越弱,多用電表指針偏角越小【解析】選A、D。溫度越高,熱敏電阻阻值越小;光照強(qiáng)度越大,光敏電阻阻值越小;對(duì)同一擋位,歐姆表指針偏角越大,所測(cè)電阻越小。測(cè)熱敏電阻(NTC)時(shí),溫度越高,熱敏電阻越小,多用電表指針偏角越大,故A正確,B錯(cuò)誤;測(cè)光敏電阻時(shí),光照越弱,光敏電阻阻值越大,多用電表指針偏角越小,故D正確,C錯(cuò)誤;故選A、D。2.(多選)據(jù)統(tǒng)計(jì),交通事故逐年增加,造成交通事故的一個(gè)主要緣由就是酒后駕駛,“嚴(yán)查酒駕”成為全國(guó)交通部門的一項(xiàng)重要任務(wù)。酒精測(cè)試儀是用于現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)機(jī)動(dòng)車駕駛?cè)藛T是否酗酒的一種儀器,它的主要元件是由二氧化錫半導(dǎo)體制成的酒精氣體傳感器,該傳感器的電阻隨酒精氣體濃度的變更而變更。在如圖所示的電路中,不同的酒精氣體濃度對(duì)應(yīng)著傳感器的不同電阻,這樣,顯示儀表的指針就與酒精氣體濃度有了對(duì)應(yīng)關(guān)系。假如二氧化錫半導(dǎo)體型酒精氣體傳感器電阻r′的倒數(shù)與酒精氣體的濃度c成正比,則以下說法正確的是 ()A.U越大,表示c越小B.U越大,表示c越大C.檢測(cè)到駕駛員喝了酒時(shí),U的示數(shù)變小D.U越大,表示檢測(cè)到駕駛員喝酒越多【解析】選B、D。題圖中酒精氣體傳感器與R、R0串聯(lián),電壓表測(cè)R0兩端的電壓,U越大,說明電路中電流越大,酒精氣體傳感器的電阻越小。由題可知,酒精氣體傳感器電阻r′的倒數(shù)與酒精氣體的濃度c成正比,可知U越大,c越大,故A錯(cuò)誤、B正確;檢測(cè)到駕駛員喝了酒時(shí),c增大,r′減小,電路中總電阻減小,電路中電流增大,則U的示數(shù)增大,故C錯(cuò)誤;由以上分析可知,U越大,c越大,表示檢測(cè)到駕駛員喝酒越多,故D正確。故選B、D?！炯庸逃?xùn)練】慣性制導(dǎo)系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于彈道式導(dǎo)彈工程中,這個(gè)系統(tǒng)的重要元件之一是加速度計(jì)。加速度計(jì)的構(gòu)造原理示意圖如圖所示,沿導(dǎo)彈長(zhǎng)度方向安裝的固定光滑桿上套一質(zhì)量為m的滑塊,滑塊兩側(cè)分別與勁度系數(shù)均為k的彈簧相連;兩彈簧的另一端與固定壁相連。滑塊原來靜止,彈簧處于自然長(zhǎng)度。滑塊上有指針,可通過標(biāo)尺測(cè)出滑塊的位移,然后通過限制系統(tǒng)進(jìn)行制導(dǎo)。設(shè)某段時(shí)間內(nèi)導(dǎo)彈沿水平方向運(yùn)動(dòng),指針向左偏離O點(diǎn)的距離為s,則這段時(shí)間內(nèi)導(dǎo)彈的加速度()A.方向向左,大小為B.方向向右,大小為C.方向向左,大小為2D.方向向右,大小為2【解析】選D。當(dāng)指針向左偏離O點(diǎn)的距離為s時(shí),與滑塊相連的左邊彈簧被壓縮s,右邊彈簧被拉伸s,因而彈簧對(duì)滑塊的彈力的大小均為ks,且方向均水平向右,即滑塊受到的合力大小為2ks,方向水平向右。由牛頓其次定律可知a==,選項(xiàng)D正確?！就卣估}】考查內(nèi)容:傳感器與圓周運(yùn)動(dòng)學(xué)問綜合【典例】如圖所示為一試驗(yàn)小車中利用光電脈沖測(cè)量車速和行程的裝置示意圖,A為光源,B為光電接收器,A、B均固定在車身上,C為小車的車輪,D為與C同軸相連的齒輪。車輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),A發(fā)出的光束通過旋轉(zhuǎn)齒輪上齒的間隙后變成脈沖光信號(hào),被B接收并轉(zhuǎn)換成電信號(hào),由電子電路記錄和顯示,若試驗(yàn)顯示單位時(shí)間內(nèi)的脈沖數(shù)為n,累計(jì)脈沖數(shù)為N,則要測(cè)出小車的速度和行程還必需測(cè)量的物理數(shù)據(jù)是;小車速度的表達(dá)式為v=;行程的表達(dá)式為s=。

【解析】小車的速度等于車輪的周長(zhǎng)與單位時(shí)間內(nèi)車輪轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)的乘積。設(shè)車輪的半徑為R,單位時(shí)間內(nèi)車輪轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)為k,則有v=2πRk。若齒輪的齒數(shù)為P,則齒輪轉(zhuǎn)一圈電子電路顯示的脈沖數(shù)即為P,已知單位時(shí)間內(nèi)的脈沖數(shù)為n,所以單位時(shí)間內(nèi)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)為。由于齒輪與車輪同軸相連,它們?cè)趩挝粫r(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)相等,即k=。由以上兩式可得v=。同理,設(shè)車輪轉(zhuǎn)動(dòng)的累計(jì)圈數(shù)為k′,則有s=2πRk′,且k′=,所以s=。可見,要測(cè)出小車的速度v和行程s,除知道單位時(shí)間內(nèi)的脈沖數(shù)n和累計(jì)脈沖數(shù)N外,還必需測(cè)出車輪半徑R和齒輪的齒數(shù)P。答案:車輪半徑R和齒輪的齒數(shù)P課堂檢測(cè)·素養(yǎng)達(dá)標(biāo)1.傳感器擔(dān)負(fù)著信息采集的任務(wù),通常是把被測(cè)的非電信息,根據(jù)肯定的規(guī)律轉(zhuǎn)化成與之對(duì)應(yīng)的電信息的器件或裝置。下列不屬于傳感器任務(wù)的是 ()A.將力學(xué)量(如形變量)轉(zhuǎn)變成電學(xué)量B.將熱學(xué)量轉(zhuǎn)變成電學(xué)量C.將光學(xué)量轉(zhuǎn)變成電學(xué)量D.將電學(xué)量轉(zhuǎn)變成力學(xué)量【解析】選D。傳感器肯定是通過非電學(xué)量轉(zhuǎn)換成電學(xué)量來傳遞信號(hào)的,D正確。2.物理傳感器是利用物質(zhì)的物理性質(zhì)和物理效應(yīng)感知并檢測(cè)出相關(guān)信息的,化學(xué)傳感器是利用化學(xué)反應(yīng)識(shí)別和檢測(cè)信息的。下列說法正確的是 ()A.凡將非電學(xué)量轉(zhuǎn)化為電學(xué)量的傳感器都是物理傳感器B.氣敏傳感器只能是物理傳感器C.物理傳感器只能將采集到的信息轉(zhuǎn)換為電壓輸出D.物理傳感器可以將采集的信息轉(zhuǎn)換為多種形式物理量輸出【解析】選D。各種傳感器雖然工作原理不同,但基本功能相像,多數(shù)是將非電學(xué)量轉(zhuǎn)化為電學(xué)量,故選項(xiàng)A錯(cuò)誤;氣敏傳感器的核心部件是氣敏電阻,其表面汲取了某種自身敏感的氣體之后會(huì)發(fā)生反應(yīng),使自身阻值變更,屬于化學(xué)傳感器,故選項(xiàng)B錯(cuò)誤;物理傳感器既可將信息轉(zhuǎn)換為電壓輸出,也可將信息轉(zhuǎn)換為電流、電阻等輸出,故選項(xiàng)C錯(cuò)誤,選項(xiàng)D正確。故選D。3.許多汽車的車窗有防夾手功能。車窗在關(guān)閉過程中遇到障礙時(shí)會(huì)停止并打開,實(shí)現(xiàn)該功能可能運(yùn)用的傳感器是 ()A.生物傳感器 B.氣體傳感器C.溫度傳感器 D.壓力傳感器【解析】選D。汽車的車窗有防夾手功能,在關(guān)閉過程中遇到障礙時(shí)會(huì)停止并打開,這是因?yàn)檫\(yùn)用了壓力傳感器,故選D。4.如圖甲所示為一種電容式位移傳感器的原理圖,當(dāng)被測(cè)物體在左右方向發(fā)生位移時(shí),電介質(zhì)板隨之在電容器兩極板之間移動(dòng)。已知電容器的電容與電介質(zhì)板進(jìn)入電容器的長(zhǎng)度x之間的關(guān)系如圖乙所示,其中C0為電介質(zhì)板沒有插入電容器時(shí)的電容。為推斷被測(cè)物體是否發(fā)生微小移動(dòng),將該電容式位移傳感器與電源、電流表、開關(guān)組成串聯(lián)回路(圖中未畫出)。被測(cè)物體的初始位置如圖甲所示。電路閉合一段時(shí)間后,下列說法正確的是 ()A.若電源為直流電源且直流電流表示數(shù)不為零,說明物體肯定在發(fā)生移動(dòng)B.若電源為直流電源且直流電流表示數(shù)變大,說明物體肯定在向右發(fā)生移動(dòng)C.若電源為溝通電源且溝通電流表示數(shù)不為零,說明物體肯定在發(fā)生移動(dòng)D.若電源為溝通電源且溝通電流表示數(shù)變大,說明物體肯定在向右發(fā)生移動(dòng)【解析】選A。若電源為直流電源,物體不動(dòng),則直流電流表示數(shù)必定為零,直流電流表示數(shù)不為零,說明物體肯定在發(fā)生移動(dòng),故A正確;物體左、右移動(dòng)分別對(duì)應(yīng)充電、放電,不管物體向左、右哪個(gè)方向移動(dòng),直流電流表示數(shù)都將變大,故B錯(cuò)誤;電容器有通溝通,隔直流的特點(diǎn),因此若電源為溝通電源,物體不移動(dòng)時(shí),溝通電流表示數(shù)也不為零,故C錯(cuò)誤;若電源為溝通電源且溝通電流表示數(shù)變大,說明電容器容抗變小,即電容變大,說明物體肯定向左發(fā)生移動(dòng),故D錯(cuò)誤。5.如圖所示是電容式話筒的示意圖,它是利用電容制成的傳感器,話筒的振動(dòng)膜前面有薄薄的金屬涂層,膜后距膜幾十微米處有一金屬板,振動(dòng)膜上的金屬涂層和這個(gè)金屬板構(gòu)成電容器的兩極。在兩極間加一電壓U,人對(duì)著話筒說話時(shí),振動(dòng)膜前后振動(dòng),使電容發(fā)生變更,從而使聲音信號(hào)被話