2022-2023學(xué)年粵教版選擇性必修第二冊 5.2 傳感器的應(yīng)用 學(xué)案

學(xué)習(xí)目標(biāo)物理與STSE1.了解傳感器在日常生活和生產(chǎn)中的應(yīng)用.2.會(huì)設(shè)計(jì)簡單的有關(guān)傳感器應(yīng)用的控制電路，提高分析解決問題的能力eq\a\vs4\al(心率測算)eq\a\vs4\al(汽車上的傳感器)知識(shí)點(diǎn)一生活中的傳感器電飯煲、電冰箱、微波爐、空調(diào)機(jī)、消毒碗柜等與溫度控制相關(guān)的家用電器，幾乎都要用到溫度傳感器；自動(dòng)門、家電遙控器、生命探測器、非接觸紅外測溫儀以及防盜、防火報(bào)警器等，均使用了紅外線傳感器；另外還有照相機(jī)中的光敏傳感器、家用便攜式電子秤的壓力傳感器等.知識(shí)點(diǎn)二農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的傳感器無人管理的自動(dòng)灌溉系統(tǒng)利用了濕度傳感器；自動(dòng)化溫室種植中，溫室的自動(dòng)控溫就是在溫度傳感器的幫助下實(shí)現(xiàn)的；現(xiàn)代糧庫采用了濕度傳感器和溫度傳感器.知識(shí)點(diǎn)三工業(yè)生產(chǎn)中的傳感器生產(chǎn)安全中，如將一種埋入式光纖傳感器安置在大橋或水壩中，隨時(shí)可以監(jiān)測大橋或水壩的裂痕等安全隱患；在自動(dòng)控制系統(tǒng)中，如數(shù)控機(jī)床中的位移測量裝置就是利用高精度位移傳感器（如光柵傳感器）進(jìn)行位移測量，從而實(shí)現(xiàn)對零部件的精密加工.知識(shí)點(diǎn)四航天航空中的傳感器在運(yùn)輸火箭、載人飛船中，應(yīng)用傳感器供遙測和遙控系統(tǒng)使用；對宇航員各種生理狀況的測量有生理傳感器，如測量血壓、心電圖、體溫等.小試身手1.（多選）下列關(guān)于光傳感火災(zāi)報(bào)警器的說法中正確的是（）A.發(fā)光二極管、光電三極管都是由半導(dǎo)體材料制成的B.光電三極管與光敏電阻一樣都是光敏感元件，都是將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)C.發(fā)光二極管發(fā)出的是脈沖微光D.如果把擋板撤去，火災(zāi)報(bào)警器照樣工作解析：發(fā)光二極管工作時(shí)是持續(xù)發(fā)光的，擋板撤去，光始終照到光電三極管上，始終發(fā)出警報(bào)，和有無火災(zāi)無關(guān).答案：AB2.（多選）下列關(guān)于電子秤中應(yīng)變式力傳感器的說法正確的是（）A.應(yīng)變片是由導(dǎo)體材料制成B.當(dāng)應(yīng)變片的表面拉伸時(shí)，其電阻變大；反之，變小C.傳感器輸出的是應(yīng)變片上的電壓D.外力越大，輸出的電壓值也越大解析：應(yīng)變片多用半導(dǎo)體材料制成，故選項(xiàng)A錯(cuò)誤；當(dāng)應(yīng)變片拉伸時(shí)，其電阻變大，選項(xiàng)B正確；傳感器輸出的是上、下兩應(yīng)變片上的電壓差值，并且隨著外力的增大，輸出的電壓差值越大，故選項(xiàng)C錯(cuò)誤，選項(xiàng)D正確.答案：BD探究一傳感器問題的分析方法1.分析思路.物理傳感器是將所感受的物理量（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(gè)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.2.分析傳感器應(yīng)注意的四點(diǎn)問題：（1）檢測量分析：要明確傳感器所檢測的量，如力、熱、光、磁、聲等.（2）敏感元件分析：明確傳感器的敏感元件，分析它的輸入信號(hào)及輸出信號(hào)，以及輸入信號(hào)與輸出信號(hào)間的變化規(guī)律.（3）電路結(jié)構(gòu)分析：認(rèn)真分析傳感器所在的電路結(jié)構(gòu)，在熟悉常用電子元件工作特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，分析電路輸出信號(hào)與輸入信號(hào)間的規(guī)律.（4）執(zhí)行機(jī)構(gòu)分析：傳感器的應(yīng)用，不僅包含非電學(xué)量如何向電學(xué)量轉(zhuǎn)換的過程，還包含根據(jù)所獲得的信息控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行工作的過程.①以力傳感器為例：傳感器感受力的信息（如大小、方向是否變化等）后轉(zhuǎn)換為電壓、電流、電阻等電學(xué)量，然后經(jīng)過放大，傳輸?shù)綀?zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行某種操作（如借助繼電器控制電路通斷，借助儀表進(jìn)行顯示等）.②以光傳感器為例：光傳感器感受光的信息（如光的強(qiáng)弱、顏色等），通過敏感元件（如光敏電阻、光電池等）將光的信息轉(zhuǎn)換為電阻、電流等電學(xué)量，然后經(jīng)過放大，傳輸?shù)綀?zhí)行機(jī)構(gòu)后執(zhí)行某種操作.【典例1】下圖是一個(gè)報(bào)警器的裝置的邏輯電路圖.RT是一個(gè)熱敏電阻，低溫時(shí)電阻值很大，高溫時(shí)電阻值很小，R是一個(gè)阻值較小的分壓電阻，A為斯密特觸發(fā)器輸入端.（1）為什么在高溫時(shí)電鈴會(huì)響起？（2）為了提高電路的靈敏度，即將報(bào)警溫度調(diào)得低些，那么R的值應(yīng)該大一些還是小一些.解析：（1）熱敏電阻的溫度上升，RT變小，A端的電壓低到某一值時(shí)，Y端會(huì)由低電平跳到高電平，加在電鈴兩端的電壓變大，電鈴響起.（2）若R的值大，由于它的分壓作用.使RT兩端的電壓不太高，則外界溫度不太高時(shí)，就能使PX之間電壓降到低電壓輸入，而當(dāng)A端的電壓降低到某一值時(shí)，Y端會(huì)由低電平跳到高電平，加在電鈴兩端的電壓變大，電鈴響起.答案：見解析1.如圖甲所示是一火警報(bào)警裝置的一部分電路，其中R2是半導(dǎo)體熱敏電阻（傳感器），它的電阻R隨溫度t變化關(guān)系如圖乙所示，該電路的輸出端a、b接報(bào)警器，當(dāng)傳感器所在處出現(xiàn)火情時(shí)，通過電流表的電流I和a、b兩端電壓U與出現(xiàn)火情前相比（）A.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變小解析：當(dāng)傳感器所在處出現(xiàn)火情時(shí)，溫度升高，即R2的阻值減小，故外電阻減小，干路電流增大，內(nèi)電壓、R4兩端的電壓均增大，故a、b兩端電壓減??；并聯(lián)電路的電壓減小、通過R3的電流減小，而總電流增大，所以R2上通過的電流增大，故D選項(xiàng)正確.答案：D2.如圖所示為小型電磁繼電器的構(gòu)造示意圖，其中L為含鐵芯的線圈，P為可繞O點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)的鐵片，K為彈簧，S為一對觸頭，A、B、C、D為四個(gè)接線柱.電磁繼電器與傳感器配合，可完成自動(dòng)控制的要求.其工作方式是（）A.A與B接信號(hào)電壓，C與D可跟被控電路串聯(lián)B.A與B接信號(hào)電壓，C與D可跟被控電路并聯(lián)C.C與D接信號(hào)電壓，A與B可跟被控電路串聯(lián)D.C與D接信號(hào)電壓，A與B可跟被控電路并聯(lián)解析：由題圖可知A、B與電磁繼電器線圈相連，所以A、B應(yīng)接信號(hào)電壓，控制電磁繼電器工作，從而使C、D所在電路接通或斷開，進(jìn)而起到控制作用，應(yīng)與被控電路串聯(lián)，所以選項(xiàng)A正確.答案：A3.傳感器在日常生活中的應(yīng)用越來越廣泛，溫度傳感器（實(shí)質(zhì)是自動(dòng)開關(guān)）是其中的一種.某一食品消毒柜就是利用溫度傳感器來自動(dòng)控制電路的.常溫下，該溫度傳感器是閉合的；當(dāng)溫度達(dá)到某一設(shè)定值時(shí)，傳感器自動(dòng)斷開，從而切斷整個(gè)電路.下列關(guān)于該消毒柜的幾種電路圖中（圖中S為電源開關(guān)），連接正確的是（）解析：圖中溫度傳感器和消毒柜串聯(lián)，傳感器閉合時(shí)，消毒柜工作，傳感器斷開時(shí)，消毒柜停止工作，符合題意.答案：A探究二傳感器的實(shí)際應(yīng)用1.電熨斗.（1）構(gòu)造（如圖所示）.（2）敏感元件：雙金屬片.（3）工作原理：溫度變化時(shí)，由于雙金屬片上層金屬與下層金屬的受熱膨脹系數(shù)不同，雙金屬片發(fā)生彎曲從而控制電路的通斷.2.電飯鍋.（1）構(gòu)造（如圖所示）.（2）敏感元件：感溫鐵氧體.（3）工作原理.①居里溫度：感溫鐵氧體常溫下具有鐵磁性，溫度上升到約103℃時(shí)，失去鐵磁性，這一溫度稱為該材料的“居里溫度”.②自動(dòng)斷電原理：用手按下開關(guān)通電加熱，開始煮飯，當(dāng)鍋內(nèi)加熱溫度達(dá)到103℃時(shí)，鐵氧體失去磁性，與永久磁鐵失去吸引力，被彈簧片彈開，從而推動(dòng)杠桿使觸點(diǎn)開關(guān)斷開.3.力傳感器的應(yīng)用——電子秤.（1）組成：由金屬梁和應(yīng)變片組成.（2）工作原理：①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(gè)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，下表面的電阻變小.F越大，彎曲形變越大，應(yīng)變片的電阻變化就越大.②如果讓應(yīng)變片中通過的電流保持恒定，那么上表面應(yīng)變片兩端的電壓變大，下表面應(yīng)變片兩端的電壓變小.傳感器把這兩個(gè)電壓的差值輸出.外力越大，輸出的電壓差值也就越大，由電壓差值的大小，即可得到外力F的大小.4.光傳感器的應(yīng)用——火災(zāi)報(bào)警器.（1）組成及敏感元件：由帶孔的罩子、發(fā)光二極管LED、光電三極管和不透明的擋板組成，敏感元件為光電三極管.（2）工作原理：eq\x(\a\al(煙霧進(jìn)入罩內(nèi),后對光線散射))?eq\x(\a\al(部分光線照射到,光電三極管上))?eq\x(\a\al(電阻,變小))?eq\x(\a\al(與傳感器連接的,電路檢測到其變,化發(fā)出警報(bào)))【典例2】（多選）為了鍛煉身體，小明利用所學(xué)物理知識(shí)設(shè)計(jì)了一個(gè)電子拉力計(jì)，如圖所示是原理圖.輕質(zhì)彈簧右端和金屬滑片P固定在一起（彈簧的電阻不計(jì)，P與R1間的摩擦不計(jì)），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(dāng)拉環(huán)不受力時(shí)，滑片P處于a端.下列關(guān)于這個(gè)電路的說法正確的是（不計(jì)電源內(nèi)阻）（）A.小明在電路中連入R0的目的是保護(hù)電路B.當(dāng)拉環(huán)不受力時(shí)，閉合開關(guān)后電流表的讀數(shù)為0.1AC.當(dāng)拉力為400N時(shí)，電流表指針指在0.3A處D.當(dāng)拉力為400N時(shí)，電流表指針指在0.5A處解析：若電路無電阻R0，且金屬滑片P在b端時(shí)，回路短路損壞電源或電流表，R0的存在使電路不出現(xiàn)短路，因此選項(xiàng)A正確；當(dāng)拉環(huán)不受力時(shí)，滑片P在a端，由閉合電路歐姆定律得，I＝eq\f(U,R0＋R1)＝0.1A，故選項(xiàng)B正確；拉力為400N時(shí)，由F＝kΔx，則Δx＝4cm，對應(yīng)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，故選項(xiàng)D錯(cuò)誤，C正確.答案：ABC4.（多選）如圖是電飯鍋的結(jié)構(gòu)圖，如果感溫磁體的“居里溫度”為103℃時(shí)，下列說法正確的是（）A.常溫下感溫磁體具有較強(qiáng)的磁性B.當(dāng)溫度超過103℃時(shí)，感溫磁體的磁性較強(qiáng)C.飯熟后，水分被大米吸收，鍋底的溫度會(huì)超過103℃，這時(shí)開關(guān)按鈕會(huì)跳起D.常壓下只要鍋內(nèi)有水，鍋內(nèi)的溫度就不可能達(dá)到103℃，開關(guān)按鈕就不會(huì)自動(dòng)跳起答案：ACD5.（多選）壓敏電阻的阻值會(huì)隨所受壓力的增大而減小，某位同學(xué)利用壓敏電阻設(shè)計(jì)了判斷電梯運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的裝置，其裝置示意圖如圖所示，將壓敏電阻平放在電梯內(nèi)，受壓面朝上，在上面放一物體m，電梯靜止時(shí)電流表示數(shù)為I0，電梯在不同的運(yùn)動(dòng)過程中，電流表的示數(shù)分別如下圖甲、乙、丙、丁所示，下列判斷正確的是（）A.圖甲表