2020高中物理 第章 2 传感器的应用学案

学必求其心得，业必贵于专精 - 1 - 2 传感器的应用

［学习目标] 1。了解传感器在日常生活和生产中的应用．(重点) 2。了解传感器的一般应用模式． 3。会设计简单的有关传感器应用的控制电路，提升分析问题、解决问题的能力．（难点）

一、传感器应用的一般模式

二、 传感器的应用实例 1．力传感器的应用-—电子秤 (1）组成及敏感元件：由金属梁和应变片组成，敏感元件是应变片． (2）工作原理:

（3）作用:应变片将物体形变这个力学量转换为电压这个电学学必求其心得，业必贵于专精

- 2 - 量．

2．温度传感器的应用实例 敏感元件 工作原理

电熨斗 双金属片 温度变化时，由于双金属片上层金属与下层金属的膨胀系数不同,双金属片发生弯曲从而

控制电路的通断

电饭锅 感温铁氧体 (1）居里温度：感温铁氧体常温下具有铁磁性，温度上升到约103 ℃时，失去铁磁性,这一温度称为“居里温度” (2)自动断电原理：用手按下开关通电加热，开始煮饭，当锅内加热温度达到103 ℃时，铁氧体失去磁性，与永久磁铁失去吸引力，被弹簧片弹开，从而推动杠杆使触点开关断开 3.光传感器的应用-—火灾报警器 (1）组成:如图所示，发光二极管LED、光电三极管和不透明的挡板． 学必求其心得，业必贵于专精

- 3 - （2）工作原理：平时光电三极管收不到LED发出的光,呈现高电阻状态，烟雾进入罩内后对光有散射作用,使部分光线照射到光电三极管上，其电阻变小．与传感器连接的电路检测出这种变化,就会发出警报．

1．思考判断（正确的打“√”，错误的打“×"） （1)传感器可以直接用来进行自动控制． （×) （2)传感器可以用来采集信息． (3）传感器可以将所有感受到的信号都转换为电学量． （4)鼠标是力传感器． (5）电吉他是光电传感器． 2．为了节约能源,合理适时地使用路灯，要求夜晚亮、白天熄，利用半导体的某种特性制成自动点亮熄灭的装置，实现了自动控制．这是利用半导体的（ ） A．压敏性 B．光敏性 C．热敏性 D．三种特性都利用了 学必求其心得，业必贵于专精 - 4 - B [由题意可知,这一装置要对光敏感，能区分白天（光线强）

与夜晚（光线暗)，所以选项B正确；虽然白天与夜晚温度也不相同，但温度除与昼夜有关外，还与季节有关，因此C错误;灯的亮熄与压力更无关系，A、D错误．] 3．如图所示，实线是某同学利用力传感器悬挂一钩码在竖直方向运动时,数据采集器记录下的力传感器中拉力的大小变化情况．从图中可知道该钩码的重力约为____N，A、B、C、D四段图线中钩码处于超重状态的为________,处于失重状态的为________．

［解析] 当拉力的大小不变时，力传感器悬挂的钩码在竖直方向是匀速运动，此时力传感器的读数就是钩码的重力，约10 N．当力传感器读数大于重力时，钩码处于超重状态,即A、D状态．当力传感器读数小于重力时，钩码处于失重状态，即B、C状态． [答案］ 10 A、D B、C

传感器问题的分析思路 物理传感器是将所感受的物理量(如力、热、光等）转换为便于学必求其心得，业必贵于专精 - 5 - 测量的电学量的器件．可以把传感器的应用过程分为三个步骤：

（1)信息采集． (2）信息加工、放大、传输． (3）利用所获得的信息执行某种操作． 【例1】 用如图所示的装置可以测量汽车在水平路面上做匀加速直线运动的加速度．该装置是在矩形箱子的前、后壁上各安装一个由力敏电阻组成的压力传感器．用两根相同的轻弹簧夹着一个质量为2 kg的滑块，滑块可无摩擦滑动,两弹簧的另一端分别压在传感器a、b上，其压力大小可直接从传感器的液晶显示屏上读出．现将装置沿运动方向固定在汽车上，传感器b在前,传感器a在后．汽车静止时，传感器a、b的示数均为10 N（g取10 m/s2)． (1）若传感器a的示数为14 N，b的示数为6 N，求此时汽车的加速度大小和方向． (2)当汽车以怎样的加速度运动时，传感器a的示数为零？ [解析］ （1）如图所示，依题意得左侧弹簧对滑块向右的推力F1＝14 N，右侧弹簧对滑块的向左的推力F2＝6 N,滑块所受合力学必求其心得，业必贵于专精 - 6 - 产生加速度a1，

根据牛顿第二定律有 F1－F2＝ma1

可得a1＝错误!＝错误! m/s2＝4 m/s2

a1与F1同方向，即向前（向右)．

（2）a传感器的读数恰为零，即左侧弹簧的弹力F′1＝0，因两弹簧相同，左侧弹簧伸长多少，右侧弹簧就缩短多少,所以右侧弹簧的弹力变为F′2＝20 N。 滑块所受合力产生加速度a2，由牛顿第二定律得 F合＝F′2＝ma2

可得a2＝错误!＝10 m/s2，方向向左．

［答案] (1)4 m/s2 方向向右 (2）以方向向左、大小为10 m/s2的加速度运动

力传感器是一种测量力的大小的工具.此类题常与牛顿第二定律、运动学的内容综合。当只知道加速度的大小和方向，不知道物体的运动方向时,物体的运动情况有两种可能，即沿某一方向的匀加速或相反方向的匀减速，学必求其心得，业必贵于专精 - 7 - 不要漏掉其中一种。

1。如图所示为大型电子地磅电路图，电源电动势为E，内阻不计，不称物体时，滑动头P在A端，滑动变阻器接入电路中有效电阻最大,电流较小；称重物时，在压力作用下滑动头下移，滑动变阻器有效电阻变小，电流变大．这样把电流对应的质量值刻在刻度盘上，就可以读出被称物体的质量．若滑动变阻器上A、B间长度为l，最大阻值为R0，已知两弹簧的总弹力与形变量成正比,比例系数为k,试导出所称重物重力G与电路中电流I的函数关系． [解析] 设称重物G时弹簧的压缩量为x，由题意得 G＝kx ①

此时，滑动头P距B端距离为l－x,滑动变阻器有效电阻为R0

－错误!R0，

由欧姆定律有I＝错误! ② 由①②式解得G＝2kl－错误!。 [答案] G＝2kl－错误!

常见传感器

1.生活中的传感器 (1)与温度控制相关的家用电器:电饭煲、电冰箱、微波炉、空调、学必求其心得，业必贵于专精 - 8 - 消毒碗柜等，都用到温度传感器．

（2)红外传感器：自动门、家电遥控器、生命探测器、非接触红外测温仪以及防盗、防火报警器等． （3）照相机中的光传感器和家用便携式电子秤的压力传感器等． 2．农业生产中的传感器 (1)湿度传感器：判断农田的水分蒸发情况，自动供水或停水． (2）温度传感器和湿度传感器：可对上百个点进行温度和湿度监测．由于有了十分先进可靠的测试技术,有效地减少了霉变现象． 3．工业生产中的传感器 (1)生产的自动化和半自动化．用机器人、自动化小车、自动机床、各种自动生产线或者系统，代替人完成加工、装配、包装、运输、存储等工作．各种传感器使生产的自动运行保持在最佳状态,以确保产品质量，提高效率和产量，节约原材料等． （2）在数控机床中的位移测量装置,就是利用高精度位移传感器进行位移测量,从而实现对零部件的精密加工． 4．飞向太空的传感器 在航空、航天技术领域，传感器应用得较早,也应用得较多，在学必求其心得，业必贵于专精 - 9 - 运载火箭、载人飞船中，都应用了大量的传感器供遥测和遥控系统

使用．这些传感器对控制航天器的姿态、接收和发送信息、收集太空数据等都有重要作用．在载人飞船中还使用一类测量航天员各种生理状况的生理传感器,如测量血压、心电图、体温等． 【例2】 如图所示，甲为在温度为10 ℃左右的环境中工作的某自动恒温箱原理简图，箱内的电阻R1＝20 kΩ、R2＝10 kΩ、R3＝40 kΩ,RT为热敏电阻，它的电阻随温度变化的图线如图乙所示，a、b端电压Uab≤0时，电压鉴别器会令开关S闭合，恒温箱内的电热

丝发热,使箱内温度升高;当a、b端电压Uab＞0时，电压鉴别器会令开关S断开,停止加热，则恒温箱内的温度可保持在( ）

甲 乙 A．10 ℃ B．20 ℃ C．35 ℃ D．45 ℃ C ［由题可知Uab＝0是一个电压的临界点，对应着开关S的动作，而开关的动作对应着温度的上升或下降．由电路图可知，在R1、R2、R3给定的条件下，热敏电阻RT的阻值决定了Uab的正负．设

电源负极的电势为零，则φa＝错误!U，φb＝错误!U,其中U为电源的路端学必求其心得，业必贵于专精 - 10 - 电压，令φa＝φb，即Uab＝0，则可得错误!＝错误!，代入数据得RT＝20 kΩ，

查表得对应的温度为35 ℃，故C正确．]

温度传感器一般使用的是热敏电阻,负温度系数的热敏电阻的阻值随温度升高而减小,正温度系数的热敏电阻的阻值随温度升高而增大，在解答有关温度传感器的应用问题时应注意区分这一性质。

2．如图所示是会议室和宾馆房间的天花板上装有的火灾报警器的结构原理图，罩内装有发光二极管LED、光电三极管和不透明的挡板．平时光电三极管接收不到LED发出的光,呈现高电阻状态．发生火灾时，下列说法正确的是( )

A．进入罩内的烟雾遮挡了光线，使光电三极管电阻更大，检测电路检测出变化发出警报 B．光电三极管温度升高，电阻变小，检测电路检测出变化发出警报 C．进入罩内的烟雾对光有散射作用,部分光线照到光电三极管上,电阻变小，发出警报