人教版物理選修3-2講義第6章2傳感器的應(yīng)用Word版含答案

2傳感器的應(yīng)用[學(xué)習(xí)目標(biāo)]1.了解傳感器在日常生活和生產(chǎn)中的應(yīng)用．(重點(diǎn))2.了解傳感器的一般應(yīng)用模式．3.會(huì)設(shè)計(jì)簡單的有關(guān)傳感器應(yīng)用的控制電路，提升分析問題、解決問題的能力．(難點(diǎn))一、傳感器應(yīng)用的一般模式二、傳感器的應(yīng)用實(shí)例1．力傳感器的應(yīng)用——電子秤(1)組成及敏感元件：由金屬梁和應(yīng)變片組成，敏感元件是應(yīng)變片．(2)工作原理：(3)作用：應(yīng)變片將物體形變這個(gè)力學(xué)量轉(zhuǎn)換為電壓這個(gè)電學(xué)量．2．溫度傳感器的應(yīng)用實(shí)例敏感元件工作原理電熨斗雙金屬片溫度變化時(shí)，由于雙金屬片上層金屬與下層金屬的膨脹系數(shù)不同，雙金屬片發(fā)生彎曲從而控制電路的通斷電飯鍋感溫鐵氧體(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“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，3.光傳感器的應(yīng)用——火災(zāi)報(bào)警器(1)組成：如圖所示，發(fā)光二極管LED、光電三極管和不透明的擋板．(2)工作原理：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)．1．思考判斷(正確的打“√”，錯(cuò)誤的打“×”)(1)傳感器可以直接用來進(jìn)行自動(dòng)控制． (×)(2)傳感器可以用來采集信息． (√)(3)傳感器可以將所有感受到的信號(hào)都轉(zhuǎn)換為電學(xué)量． (×)(4)鼠標(biāo)是力傳感器． (×)(5)電吉他是光電傳感器． (×)2．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)，所以選項(xiàng)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)誤；燈的亮熄與壓力更無關(guān)系，A、D錯(cuò)誤．]3．如圖所示，實(shí)線是某同學(xué)利用力傳感器懸掛一鉤碼在豎直方向運(yùn)動(dòng)時(shí)，數(shù)據(jù)采集器記錄下的力傳感器中拉力的大小變化情況．從圖中可知道該鉤碼的重力約為____N，A、B、C、D四段圖線中鉤碼處于超重狀態(tài)的為________，處于失重狀態(tài)的為________．[解析]當(dāng)拉力的大小不變時(shí)，力傳感器懸掛的鉤碼在豎直方向是勻速運(yùn)動(dòng)，此時(shí)力傳感器的讀數(shù)就是鉤碼的重力，約10N．當(dāng)力傳感器讀數(shù)大于重力時(shí)，鉤碼處于超重狀態(tài)，即A、D狀態(tài)．當(dāng)力傳感器讀數(shù)小于重力時(shí)，鉤碼處于失重狀態(tài)，即B、C狀態(tài)．[答案]10A、DB、C傳感器問題的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．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．【例1】用如圖所示的裝置可以測量汽車在水平路面上做勻加速直線運(yùn)動(dòng)的加速度．該裝置是在矩形箱子的前、后壁上各安裝一個(gè)由力敏電阻組成的壓力傳感器．用兩根相同的輕彈簧夾著一個(gè)質(zhì)量為2kg的滑塊，滑塊可無摩擦滑動(dòng)，兩彈簧的另一端分別壓在傳感器a、b上，其壓力大小可直接從傳感器的液晶顯示屏上讀出．現(xiàn)將裝置沿運(yùn)動(dòng)方向固定在汽車上，傳感器b在前，傳感器a在后．汽車靜止時(shí)，傳感器a、b的示數(shù)均為10N(g取10m/s2)．(1)若傳感器a的示數(shù)為14N，b的示數(shù)為6N，求此時(shí)汽車的加速度大小和方向．(2)當(dāng)汽車以怎樣的加速度運(yùn)動(dòng)時(shí)，傳感器a的示數(shù)為零？[解析](1)如圖所示，依題意得左側(cè)彈簧對(duì)滑塊向右的推力F1＝14N，右側(cè)彈簧對(duì)滑塊的向左的推力F2＝6N，滑塊所受合力產(chǎn)生加速度a1，根據(jù)牛頓第二定律有F1－F2＝ma1可得a1＝eq\f(F1－F2,m)＝eq\f(14－6,2)m/s2＝4m/s2a1與F1同方向，即向前(向右)．(2)a傳感器的讀數(shù)恰為零，即左側(cè)彈簧的彈力F′1＝0，因兩彈簧相同，左側(cè)彈簧伸長多少，右側(cè)彈簧就縮短多少，所以右側(cè)彈簧的彈力變?yōu)镕′2＝20N.滑塊所受合力產(chǎn)生加速度a2，由牛頓第二定律得F合＝F′2＝ma2可得a2＝eq\f(F′2,m)＝10m/s2，方向向左．[答案](1)4m/s2方向向右(2)以方向向左、大小為10m/s2的加速度運(yùn)動(dòng)力傳感器是一種測量力的大小的工具.此類題常與牛頓第二定律、運(yùn)動(dòng)學(xué)的內(nèi)容綜合.當(dāng)只知道加速度的大小和方向，不知道物體的運(yùn)動(dòng)方向時(shí)，物體的運(yùn)動(dòng)情況有兩種可能，即沿某一方向的勻加速或相反方向的勻減速，不要漏掉其中一種.1.如圖所示為大型電子地磅電路圖，電源電動(dòng)勢(shì)為E，內(nèi)阻不計(jì)，不稱物體時(shí)，滑動(dòng)頭P在A端，滑動(dòng)變阻器接入電路中有效電阻最大，電流較??；稱重物時(shí)，在壓力作用下滑動(dòng)頭下移，滑動(dòng)變阻器有效電阻變小，電流變大．這樣把電流對(duì)應(yīng)的質(zhì)量值刻在刻度盤上，就可以讀出被稱物體的質(zhì)量．若滑動(dòng)變阻器上A、B間長度為l，最大阻值為R0，已知兩彈簧的總彈力與形變量成正比，比例系數(shù)為k，試導(dǎo)出所稱重物重力G與電路中電流I的函數(shù)關(guān)系．[解析]設(shè)稱重物G時(shí)彈簧的壓縮量為x，由題意得G＝kx①此時(shí)，滑動(dòng)頭P距B端距離為l－x，滑動(dòng)變阻器有效電阻為R0－eq\f(x,l)R0，由歐姆定律有I＝eq\f(E,R0＋\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(R0－\f(x,l)R0)))②由①②式解得G＝2kl－eq\f(Ekl,IR0).[答案]G＝2kl－eq\f(Ekl,IR0)常見傳感器1.生活中的傳感器(1)與溫度控制相關(guān)的家用電器：電飯煲、電冰箱、微波爐、空調(diào)、消毒碗柜等，都用到溫度傳感器．(2)紅外傳感器：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．(3)照相機(jī)中的光傳感器和家用便攜式電子秤的壓力傳感器等．2．農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的傳感器(1)濕度傳感器：判斷農(nóng)田的水分蒸發(fā)情況，自動(dòng)供水或停水．(2)溫度傳感器和濕度傳感器：可對(duì)上百個(gè)點(diǎn)進(jìn)行溫度和濕度監(jiān)測．由于有了十分先進(jìn)可靠的測試技術(shù)，有效地減少了霉變現(xiàn)象．3．工業(yè)生產(chǎn)中的傳感器(1)生產(chǎn)的自動(dòng)化和半自動(dòng)化．用機(jī)器人、自動(dòng)化小車、自動(dòng)機(jī)床、各種自動(dòng)生產(chǎn)線或者系統(tǒng)，代替人完成加工、裝配、包裝、運(yùn)輸、存儲(chǔ)等工作．各種傳感器使生產(chǎn)的自動(dòng)運(yùn)行保持在最佳狀態(tài)，以確保產(chǎn)品質(zhì)量，提高效率和產(chǎn)量，節(jié)約原材料等．(2)在數(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進(jìn)行位移測量，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)零部件的精密加工．4．飛向太空的傳感器在航空、航天技術(shù)領(lǐng)域，傳感器應(yīng)用得較早，也應(yīng)用得較多，在運(yùn)載火箭、載人飛船中，都應(yīng)用了大量的傳感器供遙測和遙控系統(tǒng)使用．這些傳感器對(duì)控制航天器的姿態(tài)、接收和發(fā)送信息、收集太空數(shù)據(jù)等都有重要作用．在載人飛船中還使用一類測量航天員各種生理狀況的生理傳感器，如測量血壓、心電圖、體溫等．【例2】如圖所示，甲為在溫度為10℃左右的環(huán)境中工作的某自動(dòng)恒溫箱原理簡圖，箱內(nèi)的電阻R1＝20kΩ、R2＝10kΩ、R3＝40kΩ，RT為熱敏電阻，它的電阻隨溫度變化的圖線如圖乙所示，a、b端電壓Uab≤0時(shí)，電壓鑒別器會(huì)令開關(guān)S閉合，恒溫箱內(nèi)的電熱絲發(fā)熱，使箱內(nèi)溫度升高；當(dāng)a、b端電壓Uab＞0時(shí)，電壓鑒別器會(huì)令開關(guān)S斷開，停止加熱，甲乙A．10℃B．20℃C．35℃C[由題可知Uab＝0是一個(gè)電壓的臨界點(diǎn)，對(duì)應(yīng)著開關(guān)S的動(dòng)作，而開關(guān)的動(dòng)作對(duì)應(yīng)著溫度的上升或下降．由電路圖可知，在R1、R2、R3給定的條件下，熱敏電阻RT的阻值決定了Uab的正負(fù)．設(shè)電源負(fù)極的電勢(shì)為零，則φa＝eq\f(R2,R1＋R2)U，φb＝eq\f(RT,R3＋RT)U，其中U為電源的路端電壓，令φa＝φb，即Uab＝0，則可得eq\f(R2,R1)＝eq\f(RT,R3)，代入數(shù)據(jù)得RT＝20kΩ，查表得對(duì)應(yīng)的溫度為35℃，故C正確．]溫度傳感器一般使用的是熱敏電阻，負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻的阻值隨溫度升高而減小，正溫度系數(shù)的熱敏電阻的阻值隨溫度升高而增大，在解答有關(guān)溫度傳感器的應(yīng)用問題時(shí)應(yīng)注意區(qū)分這一性質(zhì).2．如圖所示是會(huì)議室和賓館房間的天花板上裝有的火災(zāi)報(bào)警器的結(jié)構(gòu)原理圖，罩內(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)光電三極管接收不到LED發(fā)出的光，呈現(xiàn)高電阻狀態(tài)．發(fā)生火災(zāi)時(shí)，下列說法正確的是()A．進(jìn)入罩內(nèi)的煙霧遮擋了光線，使光電三極管電阻更大，檢測電路檢測出變化發(fā)出警報(bào)B．光電三極管溫度升高，電阻變小，檢測電路檢測出變化發(fā)出警報(bào)C．進(jìn)入罩內(nèi)的煙霧對(duì)光有散射作用，部分光線照到光電三極管上，電阻變小，發(fā)出警報(bào)D．以上說法均不正確C[由火災(zāi)報(bào)警器的原理可知，發(fā)生火災(zāi)時(shí)煙霧進(jìn)入罩內(nèi)，使光發(fā)生散射，部分光線照到光電三極管上，電阻變小，與傳感器相連的電路檢測出這種變化，發(fā)出警報(bào)，選項(xiàng)C正確．]電容式傳感器1.電容器的電容決定于極板間的正對(duì)面積S、極板間距d、極板間的電介質(zhì)這幾個(gè)因素．如果某個(gè)物理量(如角度θ、位移x、深度H等)的變化引起上述某個(gè)因素的變化，從而引起電容的變化，通過電容的變化就可以確定上述物理量的變化，這種電容器稱為電容式傳感器．2．常見電容式傳感器名稱傳感器原理測定角度θ的電容式傳感器當(dāng)動(dòng)片與定片之間的角度θ發(fā)生變化時(shí)，引起極板正對(duì)面積S的變化，使電容C發(fā)生變化，知道C的變化，就可以知道θ的變化情況測定液面高度h的電容式傳感器在導(dǎo)線芯的外面涂上一層絕緣物質(zhì)，放入導(dǎo)電液體中，導(dǎo)線芯和導(dǎo)電液體構(gòu)成電容器的兩個(gè)極，導(dǎo)線芯外面的絕緣物質(zhì)就是電介質(zhì)，液面高度h發(fā)生變化時(shí)，引起正對(duì)面積發(fā)生變化，使電容C發(fā)生變化．知道C的變化，就可以知道h的變化情況測定壓力F的電容式傳感器待測壓力F作用于可動(dòng)膜片電極上的時(shí)候，膜片發(fā)生形變，使極板間距離d發(fā)生變化，引起電容C的變化，知道C的變化，就可以知道F的變化情況測定位移x的電容式傳感器隨著電介質(zhì)進(jìn)入極板間的長度發(fā)生變化，電容C發(fā)生變化，知道C的變化，就可以知道x的變化情況【例3】如圖所示為測定壓力的電容式傳感器，將平行板電容器、靈敏電流表(零刻度在中間)和電源串聯(lián)成閉合回路，當(dāng)壓力F作用于可動(dòng)膜片電極上時(shí)，膜片發(fā)生形變，引起電容的變化，導(dǎo)致靈敏電流表指針偏轉(zhuǎn)，在對(duì)膜片開始施加壓力使膜片電極從圖中的虛線推到圖中實(shí)線位置并保持固定的過程中，靈敏電流表指針偏轉(zhuǎn)情況為(電流從電流表正接線柱流入時(shí)指針向右偏)()A．向右偏到某一刻度后回到零刻度B．向左偏到某一刻度后回到零刻度C．向右偏到某一刻度后不動(dòng)D．向左偏到某一刻度后不動(dòng)思路點(diǎn)撥：根據(jù)電容的公式C＝eq\f(εrS,4πkd)和C＝eq\f(Q,U)，按以下思路進(jìn)行分析．A[壓力F作用時(shí)，極板間距d變小，由C＝eq\f(εrS,4πkd)，電容器電容C變大，又根據(jù)Q＝CU，極板帶電荷量變大，所以電容器應(yīng)充電，靈敏電流計(jì)中產(chǎn)生由正接線柱流入的電流，所以指針將右偏．F不變時(shí)，極板保持固定后，充電結(jié)束，指針回到零刻度．故選A.]電容式傳感器是一多功能傳感器，可把壓力、轉(zhuǎn)角、位移、壓強(qiáng)、聲音等非電學(xué)量轉(zhuǎn)換為電容這一電學(xué)量，分析原理時(shí)，關(guān)鍵要搞清是哪個(gè)非電學(xué)量轉(zhuǎn)換為電容，然后結(jié)合電容的決定式來分析.3.傳感器是將能感受的物理量(如力、熱、光、聲等)轉(zhuǎn)換成便于測量的量(一般是電學(xué)量)的一類元件，在自動(dòng)控制中有相當(dāng)廣泛的應(yīng)用，如圖所示的裝置是一種測定液面高度的電容式傳感器．金屬芯線與導(dǎo)電液體構(gòu)成一個(gè)電容器，從電容C大小的變化情況就能反映出液面高度h的高低情況，則兩者的關(guān)系是()①C增大表示h增大②C增大表示h減?、跜減小表示h減?、蹸減小表示h增大A．只有①正確 B．只有①、③正確C．只有②正確 D．只有②、④正確B[液面高度的變化，相當(dāng)于電容器極板正對(duì)面積的變化．當(dāng)h增大時(shí)，相當(dāng)于正對(duì)面積增大，則電容應(yīng)增大；當(dāng)h減小時(shí)，相當(dāng)于正對(duì)面積減小，電容C應(yīng)減小，B正確．]課堂小結(jié)知識(shí)脈絡(luò)1.應(yīng)變式力傳感器可用來測量各種力，其中的應(yīng)變片能把物體形變這個(gè)力學(xué)量轉(zhuǎn)換為電壓這個(gè)電學(xué)量．2．電熨斗因?yàn)檠b有雙金屬片溫度傳感器，所以它能夠自動(dòng)控制溫度．3．電飯鍋中的溫度傳感器主要元件是感溫鐵氧體．4．有一種火災(zāi)報(bào)警器是利用了光傳感器的作用，即利用煙霧對(duì)光的散射來工作.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AB[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)．]2．用遙控器調(diào)換電視機(jī)頻道的過程，實(shí)際上就是傳感器把光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的過程，下列屬于這類傳感器的是()A．紅外報(bào)警裝置B．走廊照明燈的聲控開關(guān)C．自動(dòng)洗衣機(jī)中的壓力傳感裝置D．電飯煲中控制加熱和保溫的溫控器A[紅外報(bào)警器是當(dāng)有人或物通過時(shí)，將紅外線遮住從而使得光信號(hào)被遮住，光電效應(yīng)裝置無電流通過，紅外報(bào)警器則通過另外的裝置聯(lián)系一定的動(dòng)作，是將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的過程，則A選項(xiàng)正確；而B選項(xiàng)是將聲音信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的過程；C選項(xiàng)是利用壓力來傳遞信息的過程；D選項(xiàng)則通過溫度來控制的過程．]3．(多選)家用電熱滅蚊器電熱部分的主要部件是PTC元件，PTC元件是由鈦酸鋇等導(dǎo)體材料組成的電阻器，其電阻率ρ與溫度t的關(guān)系如圖所示．由于這種特性，PTC元件具有發(fā)熱、控溫雙重功能，若電熱滅蚊器環(huán)境溫度低于t1，以下判斷正確的是()A．通電后，其電功率先增大后減小B．通電后，其電功率先減小后增大C．當(dāng)其產(chǎn)生的熱量與散發(fā)的熱量相等時(shí)，溫度保持在t1或t2不變D．當(dāng)其產(chǎn)生的熱量與散發(fā)的熱量相等時(shí)，溫度保持在t1～t2間的某一值不變AD[從