2024-2025學(xué)年高中物理第六章傳感器2傳感器的應(yīng)用學(xué)案新人教版選修3-2

PAGE12-2傳感器的應(yīng)用

1．傳感器工作的一般模式聲控電燈開關(guān)是如何工作的？提示：話筒作為聲音傳感器，把聲音轉(zhuǎn)化為電信號，集成電路把電信號放大，使繼電器工作，完成對電燈開關(guān)的限制．2．力傳感器的應(yīng)用——電子秤(1)力傳感器的構(gòu)造：它是由金屬架和應(yīng)變片組成，應(yīng)變片是一種敏感元件，多用半導(dǎo)體材料制成．(2)力傳感器的工作原理如圖所示：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(yīng)變片，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(yīng)變片的電阻變大，下表面的電阻變?。瓼越大，彎曲形變越大，應(yīng)變片的阻值變更就越大．假如讓應(yīng)變片中通過的電流保持恒定，那么上面應(yīng)變片兩端的電壓變大，下面應(yīng)變片兩端的電壓變小．因此可得，外力越大，得出的電壓差值也就越大．(3)應(yīng)變力傳感器的作用：它能夠把物體形變這個力學(xué)量轉(zhuǎn)換成電壓這個電學(xué)量．3．溫度傳感器的應(yīng)用——電熨斗(1)電熨斗的構(gòu)造(如圖所示)：(2)雙金屬片溫度傳感器的作用是限制電路通斷，雙金屬片上層金屬的膨脹系數(shù)大于下層金屬．4．溫度傳感器的應(yīng)用——電飯鍋電飯鍋中的溫度傳感器主要元件是感溫鐵氧體，它具有這樣的性質(zhì)：常溫下具有鐵磁性，能被磁體吸引，當(dāng)溫度上升到約103℃時，就失去鐵磁性，不能被磁體吸引，因此103℃這個臨界溫度干脆確定了開關(guān)的動作．5．光傳感器的應(yīng)用——火災(zāi)報警器煙霧式火災(zāi)報警器的結(jié)構(gòu)如圖，煙霧上升，到達天花板底下，煙感報警器通過煙發(fā)覺火災(zāi)，所以煙霧式火災(zāi)報警器安裝在天花板上．有的火災(zāi)報警器是利用煙霧對光的散射來工作的，其帶孔的罩子內(nèi)裝有發(fā)光二極管LED、光電三極管和不透亮的擋板．平常間電三極管收不到LED發(fā)出的光，呈現(xiàn)高電阻狀態(tài)．煙霧進入罩內(nèi)后對光有散射作用，使部分光線照耀到光電三極管上，其電阻變?。c傳感器連接的電路檢測出這種變更，就會發(fā)出警報．用電飯鍋燒水，水開后能否自動斷電？提示：不能，因為水沸騰后水溫保持100℃不變，沒有達到居里點，故不能自動斷電，只有水燒干后，溫度上升到103℃才能自動斷電．考點一力傳感器的應(yīng)用1．應(yīng)變式力傳感器的構(gòu)造如圖所示，應(yīng)變式力傳感器由金屬架和應(yīng)變片組成．其中，應(yīng)變片是一種敏感元件．2．應(yīng)變式力傳感器的工作原理如上圖所示，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(yīng)變片，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(yīng)變片的電阻變大，下表面應(yīng)變片的電阻變?。瓼越大，彎曲形變越大，應(yīng)變片的阻值變更就越大．假如讓應(yīng)變片中通過的電流保持恒定，則上表面應(yīng)變片兩端的電壓變大，下表面應(yīng)變片兩端的電壓變?。虼丝傻?，力F越大，輸出的電壓差值就越大．3．應(yīng)變式力傳感器的作用應(yīng)變式力傳感器能夠把壓力這個力學(xué)量轉(zhuǎn)換成電壓這個電學(xué)量．1.對應(yīng)變片的相識應(yīng)變片一般是用半導(dǎo)體材料制成的，當(dāng)應(yīng)變片的表面被拉伸時，其電阻變大，當(dāng)它的表面被壓縮時，其電阻變小．作用在應(yīng)變式力傳感器上的力越大，它輸出的電壓差值越大．2．相識電容式力傳感器下圖是測定壓力F的電容式傳感器，待測壓力F作用于可動膜片電極上的時候，膜片發(fā)生形變，使極板間距離d發(fā)生變更，這樣就可以知道F的變更狀況．【例1】如圖所示為某種電子秤的原理示意圖，AB為一勻稱的滑線電阻，總阻值為R，長度為L，兩邊分別有P1、P2兩個滑動頭，P1可在豎直絕緣光滑的固定桿MN上保持水平狀態(tài)而上下自由滑動．彈簧處于原長時，P1剛好指著A端，P1與托盤固定相連．若P1、P2間出現(xiàn)電壓時，該電壓經(jīng)過放大，通過信號轉(zhuǎn)換后在顯示屏上顯示物體重力的大小．已知彈簧的勁度系數(shù)為k，托盤自身質(zhì)量為m0，電源電動勢為E，內(nèi)阻不計，當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣葹間.(1)求托盤上未放置物體時，在托盤自身重力作用下，P1與A端的距離x1；(2)求托盤上放置質(zhì)量為m的物體時，P1與A端的距離x2；(3)在托盤上未放置物體時通常先校準(zhǔn)零點，其方法是：調(diào)整P2，使P2離A端的距離也為x1，從而使P1、P2間的電壓為零．校準(zhǔn)零點后，將物體m放在托盤上，試推導(dǎo)出物體質(zhì)量m與P1、P2間的電壓U之間的函數(shù)關(guān)系式．解答本題的關(guān)鍵是駕馭以下兩點：(1)物體放在托盤上，物體和托盤重力的大小與彈簧的彈力大小相等，故彈簧的形變量可由胡克定律求出；(2)電阻AB間的電流保持恒定，兩滑動頭間的電壓與兩觸點間的距離成正比，而兩觸點間的距離與彈簧的形變量相等．[答案](1)eq\f(m0g,k)(2)eq\f(m＋m0g,k)(3)m＝eq\f(kLU,gE)[解析]托盤的移動帶動P1移動，使P1、P2間出現(xiàn)電勢差，電勢差的大小反映了托盤向下移動距離的大小，由于R為勻稱滑線電阻，則其阻值與長度成正比．(1)由力的平衡學(xué)問得m0g＝kx1，解得x1＝eq\f(m0g,k)(2)放上物體m重新平衡后，有m0g＋mg＝kx解得x2＝eq\f(m＋m0g,k)(3)由閉合電路歐姆定律得U＝IR串(R串為P1、P2間的電阻，I為通過滑線電阻的電流)又E＝IR，因而有eq\f(U,E)＝eq\f(R串,R)＝eq\f(x,L)(x為P1、P2間的距離)則x＝x2－x1＝eq\f(mg, k)，聯(lián)立解得m＝eq\f(kLU,gE).【點評】力傳感器能夠把物體的形變轉(zhuǎn)換為電壓或電流的變更，外力越大，電壓或電流的變更就越大，由變更的差值大小，可以得知外力的大小．力傳感器的種類繁多，在詳細應(yīng)用中，應(yīng)能依據(jù)其特性，綜合利用其他學(xué)問進行分析與計算．總結(jié)提能物理傳感器是將所感受到的物理量(如力、熱、光等)轉(zhuǎn)換為便于測量的電學(xué)量的器件．我們可以把傳感器的應(yīng)用過程分為三個步驟：(1)信息采集；(2)信息加工、放大、傳輸；(3)利用所獲得的信息執(zhí)行某種操作．加速度傳感器如圖甲所示．較重的滑塊2可以在光滑的框架1中平移，滑塊兩側(cè)用彈簧3拉著；R為滑動變阻器，4是滑片，它與滑動變阻器任一端間的電阻值都與它到這端的距離成正比．工作時將框架固定在被測物體上，使彈簧及滑動變阻器R均與物體的運動方向平行．當(dāng)被測物體加速運動時，滑塊將在彈簧的作用下，以同樣的加速度運動．通過電路中電壓表的讀數(shù)，可以得知加速度的大?。妷罕頌橹羔樖街绷麟妷罕?可視為志向電壓表)．(1)電壓表零刻度在表盤中心(即可顯示正負(fù)電壓)，當(dāng)P端的電勢高于Q端時，指針向零點左側(cè)偏轉(zhuǎn)．當(dāng)物體具有圖示方向的加速度a時，電壓表的指針將向零點右(填“左”或“右”)側(cè)偏轉(zhuǎn)．(2)若將電壓表的表盤換成干脆表示加速度大小及方向的刻度盤，則表盤的刻度勻稱(填“勻稱”或“非勻稱”)分布．(3)電壓表是由靈敏電流計改裝而成的，靈敏電流計表盤如圖乙所示．當(dāng)被測物體具有圖示方向、大小為1m/s2的加速度時，滑片4從MN的中心向某側(cè)平移的距離為MN總長的eq\f(1,6)，且滑片4在M或N端時，靈敏電流計示數(shù)最大．以圖示方向為加速度正方向，若將靈敏電流計的表盤換成干脆表示加速度大小及方向的刻度盤，則靈敏電流計表盤上－30刻度線對應(yīng)的加速度為－3_m/s2.解析：(1)當(dāng)物體具有題圖所示方向的加速度a時，滑塊左移，滑片與M之間的電阻減小，故P端的電勢降低，所以P端的電勢低于Q端，則電壓表的指針將向零點右側(cè)偏轉(zhuǎn)．(2)設(shè)加速度為a時，電壓表的讀數(shù)為U，則2kx＝ma，又U＝eq\f(x,L)·2E，聯(lián)立解得U＝eq\f(mE,kL)a，由于U與a成正比，所以表盤的刻度勻稱分布．(3)由U＝eq\f(mE,kL)a可知，當(dāng)a＝1m/s2時，x＝eq\f(L,6)，則此時U＝eq\f(Um,3)，則當(dāng)U＝Um時，a＝3m/s2，即靈敏電流計表盤上－30刻線處對應(yīng)的加速度為－3m/s2.考點二溫度傳感器的應(yīng)用1．電熨斗(1)雙金屬片傳感器在溫度傳感器中，有一種雙金屬片傳感器，它把兩種不同熱膨脹系數(shù)的金屬片貼合在一起，制成一條雙金屬片，溫度變更時，因為兩種金屬片伸長不一樣而發(fā)生彎曲，使電路的開關(guān)閉合或斷開．在日光燈啟動器和電熨斗中都有這種雙金屬片傳感器．(2)電熨斗的工作原理如圖所示，這是一個電熨斗的內(nèi)部圖，熨燙衣物時須要肯定的溫度．①電熨斗通過電熱絲對電熨斗的金屬底板進行加熱，兩根導(dǎo)線分別接在開關(guān)兩端．②電熨斗內(nèi)部裝有雙金屬片溫度傳感器，這種傳感器的作用是限制電路的通斷，如圖所示．常溫下，上、下觸點應(yīng)是接觸的，但溫度過高時，由于雙金屬片受熱膨脹系數(shù)不同，上部金屬膨脹大，下部金屬膨脹小，則雙金屬片向下彎曲，使觸點分別，從而切斷電源，停止加熱．溫度降低后，雙金屬片復(fù)原其原來狀態(tài)，重新接通電路加熱，這樣循環(huán)進行，起到自動限制溫度的作用．③通過調(diào)溫旋鈕可以調(diào)整升降螺釘?shù)纳祦韺崿F(xiàn)不同溫度的設(shè)定．若須要的熨燙溫度較低，則應(yīng)使升降螺釘上升．2．電飯鍋(1)鐵氧體①感溫鐵氧體是用氧化錳、氧化鋅和氧化鐵粉末混合燒結(jié)而成．②特點：在常溫下具有鐵磁性，能夠被磁體吸引，但是溫度上升到103℃時就會失去鐵磁性，不能被磁體吸引了，這個溫度在物理學(xué)中稱為該材料的“居里點”或“居里溫度”．電飯鍋中的溫度傳感器主要元件是感溫鐵氧體．(2)電飯鍋的工作原理電飯鍋中的溫度傳感器起開關(guān)的作用．煮飯時按下開關(guān)按鈕，感溫鐵氧體與永磁體相吸結(jié)合在一起，觸點相接，電路接通，起先加熱．手松開后，由于鍋內(nèi)的溫度低，感溫鐵氧體有鐵磁性而與磁體相互吸引，不能使電路斷開．煮飯時，水沸騰后鍋內(nèi)的溫度基本保持為水的沸點．飯熟后，水分被大米汲取，鍋底的溫度會上升，當(dāng)溫度上升到“居里溫度”(約103℃)時，感溫鐵氧體失去鐵磁性，磁體與之分別，開關(guān)自動斷開，使按鈕復(fù)原到如圖所示的狀態(tài)，且不能自動復(fù)位．【例2】溫度傳感器廣泛應(yīng)用于室內(nèi)空調(diào)、電冰箱和微波爐等家用電器中，它是利用熱敏電阻的阻值隨溫度變更而變更的特性工作的．在圖甲中，電源的電動勢E＝9.0V，內(nèi)阻可忽視不計；G為靈敏電流表，內(nèi)阻r保持不變；R0為愛護電阻，R為熱敏電阻，其電阻值與溫度變更的關(guān)系如圖乙所示．試寫出熱敏電阻的阻值隨溫度變更的關(guān)系式．閉合開關(guān)S，當(dāng)R的溫度等于40℃時，電流表示數(shù)I1＝2.25mA，則當(dāng)電流表的示數(shù)I2＝3.6mA時，熱敏電阻R的溫度是多少攝氏度？本題的解答思路為：eq\x(\a\al(由圖知熱敏電阻,為負(fù)溫度系數(shù)熱,敏電阻))→eq\x(\a\al(由溫度與電阻成,線性關(guān)系求出對,應(yīng)的電阻))→eq\x(\a\al(由歐姆定律,得電流對應(yīng),的溫度值))[答案]R＝－0.01875t＋4.25(kΩ)120℃[解析]題中的R－t圖象是直線，依據(jù)數(shù)學(xué)學(xué)問可寫出熱敏電阻R與溫度t的關(guān)系式為R＝kt＋b.由圖象知t1＝0℃時，R1＝4.25kΩ，得b＝4.25，再依據(jù)t2＝120℃時，R2＝2kΩ，得k＝－0.01875，所以R與t的關(guān)系式為R＝－0.01875t＋4.25(kΩ)．依據(jù)題中的R－t圖象，t3＝40℃時，熱敏電阻的阻值R3＝3.5kΩ，有E＝I1(r＋R0＋R3)；電流I2＝3.6mA時，設(shè)熱敏電阻的阻值為R4，有E＝I2(r＋R0＋R4)，代入數(shù)據(jù)可解得R4＝2kΩ，由題中的R－t圖象或?qū)4＝2kΩ代入R與t的關(guān)系式可得t4＝120℃.總結(jié)提能溫度傳感器一般運用的是熱敏電阻，負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻的阻值隨溫度上升而減小，正溫度系數(shù)的熱敏電阻的阻值隨溫度上升而增大，在解答有關(guān)溫度傳感器的應(yīng)用問題時應(yīng)留意區(qū)分這一性質(zhì)．圖中是電飯煲的電路圖，S1是一個控溫開關(guān)，手動閉合后，當(dāng)此開關(guān)溫度達到居里點(103℃)時，會自動斷開．S2是一個自動控溫開關(guān)，當(dāng)溫度低于70℃時，會自動閉合，溫度高于80℃時，會自動斷開．紅燈是加熱時的指示燈，黃燈是保溫時的指示燈，分流電阻R1＝R2＝500Ω，加熱電阻R3＝50Ω，兩燈電阻不計．(1)分析電飯煲的工作原理．(2)計算加熱和保溫兩種狀態(tài)下，電飯煲消耗的電功率之比．(3)簡要回答：假如不閉合開關(guān)S1，能將飯煮熟嗎？答案：(1)見解析(2)121(3)不能解析：(1)電飯煲盛上食物后，接上電源，S2自動閉合，同時手動閉合S1，這時黃燈短路，紅燈亮，電飯煲處于加熱狀態(tài)，加熱到80℃時，S2自動斷開，S1仍閉合；當(dāng)溫度上升到居里點103℃時，開關(guān)S1自動斷開，這時飯已煮熟，黃燈亮，電飯煲處于保溫狀態(tài)，由于散熱，待溫度降至70℃時，S2自動閉合，電飯煲重新加熱，溫度達到80℃時，S2又自動斷開，再次處于保溫狀態(tài)．(2)加熱時電飯煲消耗的電功率P1＝eq\f(U2,R并)，保溫時電飯煲消耗的電功率P2＝eq\f(U2,R1＋R并)，兩式中R并＝eq\f(R2R3,R2＋R3)＝eq\f(500,11)Ω，從而有eq\f(P1,P2)＝eq\f(R1＋R并,R并)＝121.(3)假如不閉合開關(guān)S1，開關(guān)S2閉合，R1被短路，功率為P1，當(dāng)溫度上升到80℃時，S2自動斷開，功率P降為P2，溫度降低到70℃，S2自動閉合……溫度只能在70℃～80℃變更，不能把水燒開，不能煮熟飯.1．辦公大樓的大門能“看到”人的到來或離開而自動開或關(guān)，利用的傳感器是(B)A．生物傳感器B．紅外傳感器C．溫度傳感器D．壓力傳感器解析：自動門的自動限制要求靈敏、牢靠，若以溫度限制，人的體溫與夏季氣溫接近，在夏季自動門可能做出錯誤動作．自動門實際運用的是紅外線傳感器，紅外線屬于不行見光，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限制裝置的電動機，實現(xiàn)自動開門．2．用遙控器調(diào)換電視機頻道的過程，事實上就是傳感器把光信號轉(zhuǎn)化為電信號的過程．下列屬于這類傳感器的是(A)A．紅外報警裝置B．走廊照明燈的聲控開關(guān)C．自動洗衣機中的壓力傳感裝置D．電飯煲中限制加熱和保溫的溫控器解析：紅外報警裝置是將光信號轉(zhuǎn)換成電信號的傳感器，因此選項A正確．走廊照明燈的聲控開關(guān)是將聲信號轉(zhuǎn)換成電信號的傳感器，故選項B錯誤．自動洗衣機的壓力傳感裝置是力電傳感器，故選項C錯誤．電飯煲中限制加熱和保溫的溫控器是溫度傳感器，因此選項D錯誤．3．[多選]下列說法正確的是(BC)A．電熨斗能自動限制溫度主要利用了雙金屬片，兩片金屬的膨脹系數(shù)相同B．雙金屬片在常溫下，上下觸點是接觸的；溫度過高時，雙金屬片發(fā)生彎曲使上下觸點分別C．須要較高溫度熨燙時，要調(diào)整溫度旋鈕，使升降螺釘下移并推動彈性銅片下移D．電熨斗中的雙金屬片是一種半導(dǎo)體材料解析：常溫下，上下觸點是接觸的；溫度過高時，雙金屬片發(fā)生彎曲使上下觸點分別；須要較高溫度熨燙時，要調(diào)整溫度旋鈕，使升降螺釘下移并推動彈性銅片下移．4．傳感器是把非電學(xué)量(如位移、壓力、流量、聲音等)轉(zhuǎn)換成電學(xué)量的一類元件．如圖所示為一種電容傳感器，電路可將聲音信號轉(zhuǎn)化為電信號．電路中a、b構(gòu)成一個電容器，b是固定不動的金屬板，a是能在聲波驅(qū)動下沿水平方向振動的鍍有金屬層的振動膜，若聲源S發(fā)出頻率恒定的聲波使a振動