物理選修3262課件

1.了解傳感器在日常生活中的應(yīng)用.2.了解傳感器工作的一般模式.3.會(huì)分析簡單的傳感器的應(yīng)用電路和結(jié)構(gòu)圖及原理圖.4.能設(shè)計(jì)簡單的應(yīng)用傳感器的自動(dòng)控制電路.重點(diǎn)：1.傳感器在實(shí)際工作中的應(yīng)用.2.傳感器應(yīng)用的工作流程、原理、電路和相關(guān)圖象.難點(diǎn)：1.傳感器應(yīng)用的工作原理、電路和相關(guān)圖象的分析.2.自己設(shè)計(jì)簡單的應(yīng)用傳感器的自動(dòng)控制電路.【思考】應(yīng)用傳感器的實(shí)際工作過程中為什么需要放大電路？提示：因?yàn)閭鞲衅鲗⒎请妼W(xué)量轉(zhuǎn)換為電學(xué)量的信號(hào)往往很弱，所以一般要通過放大電路放大.【思考】傳感器應(yīng)用中信號(hào)是如何顯示或處理的？提示:通過執(zhí)行機(jī)構(gòu)自動(dòng)化完成相應(yīng)的操作，或通過指針式電表或顯示器把要反映的情況表示出來，或通過計(jì)算機(jī)系統(tǒng)儲(chǔ)存或做進(jìn)一步分析、判斷,顯示出問題(信號(hào))的變化情況.1.傳感器的應(yīng)用步驟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.分析傳感器問題要注意四點(diǎn)(1)感受量分析:要明確傳感器所感受的物理量，如力、熱、光、磁、聲等.(2)輸出信號(hào)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)工作分析傳感器的應(yīng)用，不僅包含非電學(xué)量如何向電學(xué)量轉(zhuǎn)化的過程，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)化為電壓、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).【典例1】如圖甲(a)所示為一測量硫化鎘光敏電阻特性的實(shí)驗(yàn)電路，電源電壓恒定．電流表內(nèi)阻不計(jì)，開關(guān)閉合后，調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器滑片，使小燈泡發(fā)光亮度逐漸增強(qiáng)，測得流過電阻的電流和光強(qiáng)的關(guān)系曲線如圖甲(b)所示，試根據(jù)這一特性由圖乙中給定的器材設(shè)計(jì)一個(gè)自動(dòng)光控電路．【解題指導(dǎo)】(1)此設(shè)計(jì)要求由光控制電路.(2)了解核心元件的特性.(3)通過信號(hào)放大器將信號(hào)放大.(4)利用電磁繼電器實(shí)現(xiàn)電路的開關(guān)控制電路.答案：見標(biāo)準(zhǔn)解答圖【變式訓(xùn)練】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(duì)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】選A.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接通或斷開，進(jìn)而起到控制作用，所以選項(xiàng)A正確.(一)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：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，下表面應(yīng)變片的電阻變小.F越大，彎曲形變?cè)酱?，?yīng)變片的電阻變化就越大.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.常溫下，上下觸點(diǎn)應(yīng)是接觸的，但溫度過高時(shí)，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(diǎn)分離，從而切斷電源停止加熱，溫度降低后，雙金屬片恢復(fù)原狀，重新接通電路加熱，這樣循環(huán)進(jìn)行，起到自動(dòng)控制溫度的作用.2.電飯鍋(1)結(jié)構(gòu)：如圖所示，它的主要元件感溫鐵氧體是用氧化錳、氧化鋅和氧化鐵粉末混合燒結(jié)而成的.它的特點(diǎn)是：常溫下具有磁性，能被磁體吸引，但是溫度上升到約103℃時(shí)，就失去了磁性，不能被磁體吸引了.(2)工作原理：電飯鍋工作時(shí)，按下開關(guān)按鈕，感溫磁體與永磁體接觸，兩個(gè)接線螺釘通過觸點(diǎn)相連，電路接通，開始工作，電飯鍋內(nèi)溫度升高，當(dāng)達(dá)到103℃時(shí)，感溫磁體與永磁體分離，帶動(dòng)觸點(diǎn)分離，電路斷開，不再加熱，電飯鍋停止工作.(三)光傳感器的應(yīng)用——火災(zāi)報(bào)警器如圖所示為利用煙霧對(duì)光的散射來工作的一種火災(zāi)報(bào)警器，其工作原理是：帶孔的罩子內(nèi)裝有發(fā)光二極管LED、光電三極管和不透明的擋板.平時(shí)，光電三極管收不到LED發(fā)出的光，呈現(xiàn)高電阻狀態(tài).煙霧進(jìn)入罩內(nèi)后對(duì)光有散射作用，使部分光線照射到光電三極管上，其電阻變小.與傳感器連接的電路檢測出這種變化，就會(huì)發(fā)出警報(bào).【特別提醒】在不同的儀器中所使用的傳感器一般不同,其原理也不盡相同,但它們都是將非電學(xué)量轉(zhuǎn)化為電學(xué)量.【典例2】如圖所示為某種電子秤的原理示意圖.AB為一均勻的滑線電阻，阻值為R，長度為L，兩邊分別有P1、P2兩個(gè)滑動(dòng)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(dòng).彈簧處于原長時(shí)，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(shí)，該電壓經(jīng)過放大，通過信號(hào)轉(zhuǎn)換后在顯示屏上將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(dòng)勢(shì)為E，內(nèi)阻不計(jì)，當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣葹間.求：(1)托盤上未放物體時(shí)，在托盤自身重力作用下，P1與A端的距離x1.(2)托盤上放有質(zhì)量為m的物體時(shí)，P1與A端的距離x2.(3)在托盤上未放物體時(shí)通常先校準(zhǔn)零點(diǎn)，其方法是：調(diào)節(jié)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(diǎn)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.【標(biāo)準(zhǔn)解答】托盤的移動(dòng)帶動(dòng)P1移動(dòng)，使P1、P2間出現(xiàn)電勢(shì)差，電勢(shì)差的大小反映了托盤向下移動(dòng)距離的大小,由于R為均勻滑線電阻，則其阻值與長度成正比.(1)由力的平衡知識(shí)有：m0g=kx1，解得(2)放上物體m重新平衡后：m0g+mg=kx2,解得(3)由閉合電路歐姆定律知：E=IR，由部分電路歐姆定律知：U=IR串(R串為P1、P2間電阻)由其中x為P1、P2間的距離，則聯(lián)立解得：答案：(1)m0g/k(2)(m+m0)g/k(3)m=kLU/gE【規(guī)律方法】力學(xué)傳感器的分析方法(1)分析清楚力傳感器的工作原理，明確裝置是如何將力這個(gè)非電學(xué)量轉(zhuǎn)化為電學(xué)量是解決該類問題的關(guān)鍵.(2)涉及電路計(jì)算時(shí)，注意歐姆定律及分壓原理的應(yīng)用.【變式訓(xùn)練】如圖所示為一種加速度儀的示意圖.質(zhì)量為m的振子兩端連有勁度系數(shù)均為k的輕彈簧，電源的電動(dòng)勢(shì)為E，不計(jì)內(nèi)阻，滑動(dòng)變阻器的總阻值為R，有效長度為L，系統(tǒng)靜止時(shí)滑動(dòng)觸頭位于滑動(dòng)變阻器正中，這時(shí)電壓表指針恰好在刻度盤正中.求：(1)系統(tǒng)的加速度a(以向右為正)和電壓表讀數(shù)U的函數(shù)關(guān)系式.(2)將電壓表刻度改為加速度刻度后，其刻度是均勻的還是不均勻的？為什么？(3)若電壓表指針指在滿刻度的3/4位置，此時(shí)系統(tǒng)的加速度大小和方向如何？【解析】(1)當(dāng)振子向左偏離中間位置x距離時(shí)，由牛頓第二定律得:2kx=ma①電壓表的示數(shù)為:②由以上兩式解得a=(E-2U)③(2)均勻，因?yàn)榧铀俣萢與電壓表示數(shù)U是一次函數(shù)(線性)關(guān)系.(3)當(dāng)滑動(dòng)觸頭滑到最右端時(shí)，電壓表最大示數(shù)Um=E，電壓表指針指在滿刻度的3/4位置時(shí)，U=代入③式解得a=方向向左.答案：(1)a=(E-2U)(2)見解析(3)a=方向向左【變式備選】如圖所示，小鉛球P系在細(xì)金屬絲下，懸掛在O點(diǎn)，開始時(shí)小鉛球P沿豎直方向處于靜止?fàn)顟B(tài)，當(dāng)將小鉛球P放入水平流動(dòng)的水中時(shí)，球向左擺動(dòng)一定的角度θ,水流速度越大，θ越大.為了測定水流對(duì)小鉛球作用力的大小，在水平方向固定一根電阻絲BC，其長度為L，它與金屬絲接觸良好，不計(jì)摩擦和金屬絲的電阻，C端在O點(diǎn)正下方處且OC=h.圖中還有電動(dòng)勢(shì)為E的電源(內(nèi)阻不計(jì))和一只電壓表，請(qǐng)你連接一個(gè)電路，使得當(dāng)水速增大時(shí)，電壓表示數(shù)增大.【解析】如圖所示,設(shè)CA=x，P球平衡時(shí)，由平衡條件可得①根據(jù)閉合電路歐姆定律和部分電路的歐姆定律可得②根據(jù)電阻定律可得RL=③Rx=④由①、②、③、④式可得因?yàn)樗魉俣仍酱?，θ越大，則U越大.答案：見解析【典例】如圖甲所示為半導(dǎo)體材料做成的熱敏電阻的阻值隨溫度變化的曲線，圖乙為用此熱敏電阻RT和繼電器設(shè)計(jì)的溫控電路，設(shè)繼電器的線圈電阻為Rx=50Ω，當(dāng)繼電器線圈中的電流IC大于或等于20mA時(shí)，繼電器的銜鐵被吸合.左側(cè)電源電動(dòng)勢(shì)為6V，內(nèi)阻可不計(jì)，溫度滿足什么條件時(shí)，電路右側(cè)的小燈泡會(huì)發(fā)光？【解題指導(dǎo)】執(zhí)行元件是電磁繼電器，原題給出了它的吸合電流，再通過閉合電路求解電路的總電阻，然后由圖象查找滿足燈泡發(fā)光的溫度.【標(biāo)準(zhǔn)解答】熱敏電阻與繼電器串聯(lián)，若使電流不小于IC=20mA，則總電阻不大于R總=E/IC=300Ω.由于R總=RT+Rx，則RT不大于250Ω.由甲圖可看出，當(dāng)RT=250Ω時(shí)，溫度t=50℃，即溫度不小于50℃.答案：溫度不小于50℃時(shí)，電路右側(cè)的小燈泡會(huì)發(fā)光對(duì)電路的作用不清而錯(cuò)誤判斷如圖所示是一種延時(shí)開關(guān)，當(dāng)S1閉合時(shí)，電磁鐵F將銜鐵D吸下，C線路接通.當(dāng)S1斷開時(shí)，由于電磁感應(yīng)作用，D將延遲一段時(shí)間才被釋放.則()A．由于A線圈的電磁感應(yīng)作用，才產(chǎn)生延時(shí)釋放D的作用B．由于B線圈的電磁感應(yīng)作用，才產(chǎn)生延時(shí)釋放D的作用C．如果斷開B線圈的電鍵S2，無延時(shí)作用D．如果斷開B線圈的電鍵S2，延時(shí)將變長【正確解答】選B、C.當(dāng)S1斷開時(shí)，由于通過B線圈的磁通量發(fā)生變化，而有感應(yīng)電流產(chǎn)生，由楞次定律知這個(gè)電流產(chǎn)生的磁場與原磁場同向，故仍有磁場對(duì)D的引力作用，使D將延遲一段時(shí)間才被釋放，故選項(xiàng)B、C正確.【易錯(cuò)分析】本題易錯(cuò)選A項(xiàng).其原因是誤認(rèn)為S1斷開后會(huì)在A線圈上產(chǎn)生自感現(xiàn)象.實(shí)際上此時(shí)A線圈中雖然有自感電動(dòng)勢(shì)，但是由于A線圈不閉合而無感應(yīng)電流.1.許多辦公樓及宿舍樓的樓梯上的電燈到了晚上能夠自動(dòng)做到“人來即亮，人走即滅”，其神奇功能在于控制燈的“開關(guān)”傳感器，下面有關(guān)該傳感器的說法中正確的是()A.該傳感器能夠測量的物理量是位移和溫度B.該傳感器能夠測量的物理量是位移和光強(qiáng)C.該傳感器能夠測量的物理量是光強(qiáng)和聲音D.該傳感器能夠測量的物理量是壓力和位移【解析】選C.由題意可以猜想該傳感器能夠感受光強(qiáng)弱的變化及聲音(或振動(dòng))的變化,A、B、D錯(cuò)，C對(duì).2.下列說法正確的是()A．話筒是一種常用的聲傳感器，其作用是將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為聲信號(hào)B．電熨斗能夠自動(dòng)控制溫度的原因是它裝有雙金屬片溫度傳感器，這種傳感器作用是控制電路的通斷C．電子秤所使用的測力裝置是力傳感器D．半導(dǎo)體熱敏電阻常用作溫度傳感器，因?yàn)闇囟仍礁?，它的電阻值越大【解析】選B、C.話筒是將聲音信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)的裝置，A錯(cuò)；電熨斗內(nèi)的雙金屬片，是利用它的熱脹冷縮程度的不同，使電路隨溫度的改變實(shí)現(xiàn)通、斷的，B正確；電子秤所使用的測力裝置是力傳感器，C正確；半導(dǎo)體熱敏電阻溫度越高，它的電阻值越小，D錯(cuò).3.“嫦娥二號(hào)”衛(wèi)星上攜帶7件探測儀器，其中可能有()A.味覺傳感器B.氣體傳感器C.聽覺傳感器D.視覺傳感器【解析】選D.“嫦娥二號(hào)”衛(wèi)星是為探測月球而發(fā)射的在軌衛(wèi)星，而月球上無氣體，所以不需要?dú)怏w傳感器和聽覺傳感器，當(dāng)然也用不到味覺傳感器，但需要的是為月球“照相”的視覺傳感器——CCD立體相機(jī).4.為了節(jié)約能源，合理適時(shí)地使用路燈，要求夜晚亮、白天熄，利用半導(dǎo)體的某種特性制成自動(dòng)點(diǎn)亮熄滅的裝置，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)控制.這是利用半導(dǎo)體的()A.壓敏性B.光敏性C.熱敏性D.三種特性都利用了【解析】選B.由題意可知，這一裝置要對(duì)光敏感，能區(qū)分白天(光線強(qiáng))與夜晚(光線暗)，B正確，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C錯(cuò).燈亮熄與壓力更無關(guān)系，A錯(cuò)、D錯(cuò).5.氧化錫傳感器主要用于汽車尾氣中一氧化碳濃度的檢測，它的電阻隨一氧化碳濃度的變化而變化.在如圖甲所示的電路中，不同的一氧化碳濃度對(duì)應(yīng)著傳感器的不同電阻，這樣，電壓表的指針位置就與一氧化碳濃度有了對(duì)應(yīng)關(guān)系，觀察電壓表指針就能判斷一氧化碳濃度是否超標(biāo).有一種氧化錫傳感器，其技術(shù)資料中給出的是電導(dǎo)(即電阻的倒數(shù))——CO濃度曲線，如圖乙所示.在下列表示一氧化碳濃度c與電壓表示數(shù)U0之間關(guān)系的圖象中正確的是()【解析】選D.U0=IR0=一氧化碳濃度c增大，電導(dǎo)增大，電阻R傳減小，U0增大,一氧化碳濃度c與電壓表示數(shù)U0之間的關(guān)系是正相關(guān)關(guān)系，但不是正比關(guān)系.選項(xiàng)D正確.6.電子秤中常用的一種力傳感器是由金屬梁和______制成的.________是一種敏感元件，多由______材料制成.【解析】電子秤多數(shù)是用半導(dǎo)體材料制成的應(yīng)變片,利用它的因拉伸或壓縮時(shí)的電阻變化的特性,制成敏感元件.答案：應(yīng)變片應(yīng)變片半導(dǎo)體7.如圖所示是一種懸球式加速度儀，它可以用來測定沿水平軌道運(yùn)動(dòng)的列車的加速度.金屬球的質(zhì)量為m，它系在金屬絲的下端.金屬絲的上端懸掛在O點(diǎn).AB是一根長