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、商場的自動門時,門會自動開關(guān),是什么在起主要作用?提示:傳感器。1.定義:把被測的非電信息,按肯定規(guī)律轉(zhuǎn)換成與之對應(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)換成易于測量的物理量,形成電信號。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,可以實現(xiàn)對溫度的測量。4.干簧管的工作原理:干簧管可以感受外界磁場,當(dāng)干簧管的兩個鐵質(zhì)簧片處有磁場時,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),磁場減弱時兩簧片又分開。在電路中的作用就是一個磁控開關(guān)。關(guān)鍵實力·合作學(xué)習(xí)學(xué)問點一對傳感器的相識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物理量成肯定關(guān)系的非電信號轉(zhuǎn)換成電信號的電子元件。(3)轉(zhuǎn)換電路:將轉(zhuǎn)換元件輸出的不易測量的電信息轉(zhuǎn)換成易于測量的電信息,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)生各種限制動作?！镜淅?多選)如圖所示,甲圖是錄音機的錄音電路原理圖,乙圖是探討自感現(xiàn)象的試驗電路圖,丙圖是火災(zāi)報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.甲圖中錄音機錄音時,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B.乙圖電路中,開關(guān)斷開瞬間,燈泡會突然閃亮一下,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,光電三極管上就會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)聲波使膜片振動時,電容發(fā)生變更,會在電路中產(chǎn)生變更的電流【解析】選A、C、D。磁帶錄音機的錄音原理是:錄音時,話筒將聲音先轉(zhuǎn)變成強弱變更的電流,即聲信號轉(zhuǎn)換為電信號(這是利用了電磁感應(yīng)現(xiàn)象),送到錄音磁頭;由題圖可知:錄音磁頭是一個蹄形電磁鐵,它的磁性強弱會隨電信號變更,將電信號轉(zhuǎn)換為磁信號(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錯誤;光電三極管也是一種晶體管,它有三個電極。當(dāng)光照強弱變更時,電極之間的電阻會隨之變更。當(dāng)有煙霧進(jìn)入罩內(nèi)時,光電三極管上就會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信號,振膜與固定的平面電極之間形成一個電容,兩者之間的距離變更會導(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 B.電量信號C.位移信號 D.光信號【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。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熱學(xué)量轉(zhuǎn)化為電阻這個電學(xué)量的傳感器,故A錯誤;電視遙控接收器的主要元件是紅外線傳感器,故B錯誤;干簧管是一種能夠感知磁場的元件,故C錯誤;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,在自動限制中有著相當(dāng)廣泛的應(yīng)用。如圖是一種測量液面高度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測定油箱內(nèi)油面高度的裝置。R是滑動變阻器,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)滑動變阻器的金屬片向下移動時 ()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,R接入電路中的電阻減小,電路中電流增大,所以選項D正確。學(xué)問點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: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: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)下列運用壓力傳感器的是 ()A.洗衣機設(shè)有多段式水位自動感應(yīng)裝置B.火災(zāi)報警器C.酒精測試儀D.電子秤【解析】選A、D。洗衣機設(shè)有多段式水位自動感應(yīng)裝置,是通過不同的壓力轉(zhuǎn)換成電學(xué)量,運用的壓力傳感器,故A正確;火災(zāi)報警器,是當(dāng)有火災(zāi)時,產(chǎn)生的煙進(jìn)入火災(zāi)報警器,利用光的漫反射,從而觸發(fā)開關(guān)報警,故B錯誤;酒精測試儀運用的是酒精氣體傳感器,故C錯誤;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量熱敏電阻和光敏電阻的阻值時,下列說法正確的是 ()A.測熱敏電阻時,溫度越高,多用電表指針偏角越大B.測熱敏電阻時,溫度越高,多用電表指針偏角越小C.測光敏電阻時,光照越弱,多用電表指針偏角越大D.測光敏電阻時,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;光照強度越大,光敏電阻阻值越小;對同一擋位,歐姆表指針偏角越大,所測電阻越小。測熱敏電阻(NTC)時,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錯誤;測光敏電阻時,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錯誤;故選A、D。2.(多選)據(jù)統(tǒng)計,交通事故逐年增加,造成交通事故的一個主要緣由就是酒后駕駛,“嚴(yán)查酒駕”成為全國交通部門的一項重要任務(wù)。酒精測試儀是用于現(xiàn)場檢測機動車駕駛?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.檢測到駕駛員喝了酒時,U的示數(shù)變小D.U越大,表示檢測到駕駛員喝酒越多【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錯誤、B正確;檢測到駕駛員喝了酒時,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錯誤;由以上分析可知,U越大,c越大,表示檢測到駕駛員喝酒越多,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,這個系統(tǒng)的重要元件之一是加速度計。加速度計的構(gòu)造原理示意圖如圖所示,沿導(dǎo)彈長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?；瑝K原來靜止,彈簧處于自然長度?；瑝K上有指針,可通過標(biāo)尺測出滑塊的位移,然后通過限制系統(tǒng)進(jìn)行制導(dǎo)。設(shè)某段時間內(nèi)導(dǎo)彈沿水平方向運動,指針向左偏離O點的距離為s,則這段時間內(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點的距離為s時,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D正確?！就卣估}】考查內(nèi)容:傳感器與圓周運動學(xué)問綜合【典例】如圖所示為一試驗小車中利用光電脈沖測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)動時,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,被B接收并轉(zhuǎn)換成電信號,由電子電路記錄和顯示,若試驗顯示單位時間內(nèi)的脈沖數(shù)為n,累計脈沖數(shù)為N,則要測出小車的速度和行程還必需測量的物理數(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與單位時間內(nèi)車輪轉(zhuǎn)動圈數(shù)的乘積。設(shè)車輪的半徑為R,單位時間內(nèi)車輪轉(zhuǎn)動圈數(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,已知單位時間內(nèi)的脈沖數(shù)為n,所以單位時間內(nèi)齒輪轉(zhuǎn)動圈數(shù)為。由于齒輪與車輪同軸相連,它們在單位時間內(nèi)轉(zhuǎn)動圈數(shù)相等,即k=。由以上兩式可得v=。同理,設(shè)車輪轉(zhuǎn)動的累計圈數(shù)為k′,則有s=2πRk′,且k′=,所以s=?？梢?要測出小車的速度v和行程s,除知道單位時間內(nèi)的脈沖數(shù)n和累計脈沖數(shù)N外,還必需測出車輪半徑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·素養(yǎng)達(dá)標(biāo)1.傳感器擔(dān)負(fù)著信息采集的任務(wù),通常是把被測的非電信息,根據(jù)肯定的規(guī)律轉(zhuǎn)化成與之對應(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)感知并檢測出相關(guān)信息的,化學(xué)傳感器是利用化學(xué)反應(yīng)識別和檢測信息的。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A錯誤;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發(fā)生反應(yīng),使自身阻值變更,屬于化學(xué)傳感器,故選項B錯誤;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C錯誤,選項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會停止并打開,實現(xiàn)該功能可能運用的傳感器是 ()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會停止并打開,這是因為運用了壓力傳感器,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)被測物體在左右方向發(fā)生位移時,電介質(zhì)板隨之在電容器兩極板之間移動。已知電容器的電容與電介質(zhì)板進(jìn)入電容器的長度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的電容。為推斷被測物體是否發(fā)生微小移動,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)。被測物體的初始位置如圖甲所示。電路閉合一段時間后,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【解析】選A。若電源為直流電源,物體不動,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,故A正確;物體左、右移動分別對應(yīng)充電、放電,不管物體向左、右哪個方向移動,直流電流表示數(shù)都將變大,故B錯誤;電容器有通溝通,隔直流的特點,因此若電源為溝通電源,物體不移動時,溝通電流表示數(shù)也不為零,故C錯誤;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,故D錯誤。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,振動膜上的金屬涂層和這個金屬板構(gòu)成電容器的兩極。在兩極間加一電壓U,人對著話筒說話時,振動膜前后振動,使電容發(fā)生變更,從而使聲音信號被話