【创新设计】2021-2022学年高二物理人教版选修3-2学案：6.2 传感器的应用

第2讲传感器的应用[目标定位] 1.了解传感器在日常生产、生活中的应用.2.理解传感器在电子秤、电熨斗、电饭锅中的应用.3.理解光传感器在鼠标器和火灾报警器中的应用．一、传感器应用的一般模式传感器→放大转换电路→⎩⎪⎨⎪⎧执行机构显示器(指针式电表、数字屏)计算机系统二、力传感器的应用——电子秤1．组成：电子秤使用的测力装置是力传感器．常用的一种力传感器是由金属梁和应变片组成的．应变片是一种敏感元件，现在多用半导体材料制成．2．原理：如图1所示，弹簧钢制成的梁形元件右端固定，在梁的上下表面各贴一个应变片，在梁的自由端施力F，则梁发生弯曲，上表面拉伸，下表面压缩，上表面应变片的电阻变大，下表面应变片的电阻变小．力F越大，弯曲形变越大，应变片的电阻变化就越大．假如让应变片中通过的电流保持恒定，那么上表面应变片两端的电压变大，下表面应变片两端的电压变小．传感器把这两个电压的差值输出．力F越大，输出的电压差值也就越大．图13．作用：应变片将物体形变这个力学量转换为电压这个电学量．三、温度传感器的应用1．电熨斗(1)构造(如图2所示)图2它主要由调温旋钮、升降螺钉、绝缘支架、触点、双金属片、弹性铜片、电热丝、金属底板等几部分组成．(2)敏感元件：双金属片．(3)工作原理：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把握电路的通断．2．电饭锅(1)构造(如图3所示)图3(2)敏感元件：感温铁氧体(3)工作原理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，这一温度称为该材料的“居里温度”．②自动断电原理：用手按下开关通电加热，开头煮饭，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．四、光传感器的应用——火灾报警器1．构造：带孔的罩子内装有发光二极管LED、光电三极管和不透亮的挡板．2．工作原理：平常，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．一、传感器的工作原理分析分析传感器的工作原理要从以下几个方面进行：(1)感受量分析：明确传感器所感受的物理量，如力、热、光、磁、声等．(2)输出信号分析：明确传感器的敏感元件，分析它的输入信号及输出信号，以及输入信号与输出信号间的变化规律．(3)电路结构分析：认真分析传感器所在的电路结构，在生疏常用元件工作特点的基础上，分析电路输出信号与输入信号间的规律．例1下列说法中不正确的是()A．话筒是一种常用的声传感器，其作用是将电信号转换为声音信号B．电熨斗能够自动把握温度的缘由是它装有双金属片C．电子秤所使用的测力装置是力传感器D．热敏电阻能够把温度这个热学量转换为电阻这个电学量解析话筒是声传感器，能将声音信号转换成电信号，故A错．答案A针对训练1为解决楼道的照明，在楼道内安装一个传感器与电灯的把握电路相接．当楼道内有走动而发出声响时，电灯即与电源接通而发光，这种传感器为________传感器，它输入的是________信号，经传感器转换后，输出的是________信号．答案声声音电二、常见传感器的应用实例1．与温度把握相关的家用电器：电饭煲、电冰箱、微波炉、空调、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．4．农业生产中的传感器(1)湿度传感器：推断农田的水分蒸发状况，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．由于有了格外先进牢靠的测试技术，有效地削减了霉变现象．5．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，节省原材料等．(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．例2关于电子秤中应变式力传感器说法正确的是()A．应变片是由导体材料制成B．当应变片的表面拉伸时，其电阻变大，反之变小C．传感器输出的是金属架上的电压D．外力越大，输出的电压差值也越大解析应变片多用半导体材料制成，应变片的表面拉伸时，其电阻变大，反之变小，故选项A错，B对；传感器输出的是应变片上、下两表面的电压差，并且随着外力的增大，输出的电压差值也增大，故C错，D对．答案BD针对训练2为了熬炼身体，小明利用所学物理学问设计了一个电子拉力计，如图4所示是原理图．轻质弹簧右端和金属滑片P固定在一起(弹簧的电阻不计，P与R1间的摩擦不计)，弹簧劲度系数为100 N/cm.定值电阻R0＝5 Ω，ab是一根长为5 cm的均匀电阻丝，阻值R1＝25 Ω，电源输出电压恒为U＝3 V，抱负电流表的量程为0～0.6 A．当拉环不受力时，滑片P处于a端．下列关于这个电路的说法正确的是(不计电源内阻)()图4A．小明在电路中连入R0的目的是爱护电路B．当拉环不受力时，闭合开关后电流表的读数为0.1 AC．当拉力为400 N时，电流表指针指在0.3 A处D．当拉力为400 N时，电流表指针指在0.5 A处答案ABC解析若电路无电阻R0，且金属滑片P在b端时，回路短路损坏电源，R0的存在使电路不消灭短路，因此A正确；当拉环不受力时，滑片P在a端，由闭合电路欧姆定律得，I＝UR0＋R1＝0.1 A，故B正确；拉力为400 N时，由F＝kΔx，则Δx＝4 cm，对应的电阻为R aP＝20 Ω，R1接入电路的电阻R Pb＝5 Ω，由闭合电路欧姆定律得，I′＝UR0＋R Pb＝0.3 A，故D错，C正确．例3如图5是电饭锅的结构图，假如感温磁体的“居里温度”为103 ℃时，下列说法中正确的是()图5A．常温下感温磁体具有较强的磁性B．当温度超过103 ℃时，感温磁体的磁性较强C．饭熟后，水分被大米吸取，锅底的温度会超过103 ℃，这时开关按钮会跳起D．常压下只要锅内有水，锅内的温度就不行能达到103 ℃，开关按钮就不会自动跳起答案ACD力传感器的应用1．压敏电阻的阻值随所受压力的增大而减小，在升降机中将重物放在压敏电阻上，压敏电阻接在如图6甲所示的电路中，电流表示数变化如图乙所示，某同学依据电流表的示数变化状况推断升降机的运动状态，下列说法中正确的是()图6A．0～t1时间内，升降机肯定匀速运动B．0～t1时间内，升降机可能减速上升C．t1～t2时间内，升降机可能匀速上升D．t1～t2时间内，升降机可能匀加速上升答案B解析在0～t1时间内，电流恒定，表明压敏电阻的阻值恒定，则重物对压敏电阻压力恒定，则升降机可能处于静止、匀速运动或匀变速直线运动，故A选项错误，B选项正确；t1～t2时间内，电流在增加，表明压敏电阻的阻值在减小，则重物对压敏电阻的压力在增大，故不行能做匀速运动或匀加速运动，C、D两项都错．温度传感器的应用2．传感器的种类多种多样，其性能也各不相同，空调机在室内温度达到设定的温度后，会自动停止工作，空调机内使用的传感器是()A．生物传感器B．红外传感器C．温度传感器D．压力传感器答案C3．如图7所示是自动调温式电熨斗，下列说法正确的是()图7A．常温时上、下触点是接触的B．双金属片温度上升时，上金属片形变较大，双金属片将向下弯曲C．原来温度把握在80 ℃断开电源，现要求60 ℃断开电源，应使调温旋钮下移一些D．由熨烫丝绸衣物状态转化为熨烫棉麻衣物状态，应使调温旋钮下移一些答案ABD 解析常温工作时，上、下触点是接通的，当温度上升时，上金属片形变大，向下弯曲，切断电源．断开温度要上升则应使调温旋钮下移一些，A、B、D对，C错．光传感器的应用4．如图8为烟雾散射式火灾报警器，它主要由带孔的外罩、发光二极管LED、光电三极管及不透亮的挡板组成，请简述它的工作原理．图8答案见解析解析报警器工作时发光二极管处于发光状态，由于挡板遮挡，平常间电三极管接收不到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，就会报警.(时间：60分钟)题组一力传感器的应用1．电子秤使用的是()A．超声波传感器B．压力传感器C．温度传感器D．红外传感器答案B2.如图1所示，两块水平放置的金属板距离为d，用导线、电键K与一个n匝的线圈连接，线圈置于方向竖直向上的变化磁场B中．两板间放一台小压力传感器，压力传感器上表面静止放置一个质量为m、电荷量为＋q的小球．K断开时传感器上有示数，K闭合时传感器上恰好无示数．则线圈中的磁场B的变化状况和磁通量变化率分别是()图1A ．正在增加，ΔΦΔt ＝mgdqB ．正在减弱，ΔΦΔt ＝mgdnqC ．正在减弱，ΔΦΔt ＝mgdqD ．正在增加，ΔΦΔt ＝mgdnq答案 D解析 K 闭合时传感器上恰好无示数，说明小球受竖直向上的电场力，且电场力大小等于重力，由楞次定律可推断磁场B 正在增加，依据法拉第电磁感应定律E ＝n ΔΦΔt ＝U ，又q ·U d ＝mg 得ΔΦΔt ＝mgdnq ，故D 正确．3．利用传感器和计算机可以争辩快速变化的力的大小．试验时，把图2甲中的小球举高到绳子的悬点O 处，然后让小球自由下落．用这种方法获得的弹性绳的拉力随时间的变化图线如图乙所示．依据图线所供应的信息，以下推断正确的是( )图2A ．t 2时刻小球所处位置是运动中最高点B ．t 1～t 2期间小球速度先增大后减小C ．t 3时刻小球动能最小D ．t 2与t 5时刻小球速度大小不同 答案 B解析 小球下落的轨迹开放图如图所示，B 处为绳子的原特长，C 处为小球重力与绳上拉力相等处，D 处为小球下落的最低点，在F －t 图中，0～t 1小球在OB 间下落，t 1～t 2小球在BD 间下落，t 2～t 3小球由D 处回到B 处，t 3～t 4小球在BO 间上升，而后下落至B 点．由F －t 图知，小球在t 2时刻下落到最大距离，然后最大距离在渐渐减小，由以上分析知，小球的最大速度消灭在C 点，对应于t 1～t 2之间，A 错，B 对；t 3时刻小球速度不为零，故动能不行能最小，C 错误；t 2和t 5分别对应小球先后两次下落过程中经过最低点的时刻，速度大小为零，D 错误．正确选项为B.4．压敏电阻的阻值会随所受压力的增大而减小．一同学利用压敏电阻设计了推断升降机运动状态的装置，如图3甲所示，将压敏电阻平放在升降机内，受压面朝上，在上面放一物体m ，升降机静止时电流表示数为I 0.某过程中电流表的示数如图乙所示，则在此过程( )图3A ．物体处于失重状态B ．物体处于超重状态C ．升降机肯定向上做匀加速运动D ．升降机可能向下做匀减速运动 答案 BD解析 电流表的示数变为2I 0且保持不变，说明此时压敏电阻的阻值比升降机静止时小，压敏电阻所受压力变大，物体处于超重状态，即物体具有向上的加速度，B 、D 正确，A 、C 错误． 题组二 光传感器的应用5．在电梯门口放置一障碍物，会发觉电梯门不停地开关，这是由于在电梯门上装有的传感器是( ) A ．光传感器 B ．温度传感器 C ．声传感器 D ．压力传感器答案 A解析 在电梯门口放置一障碍物，电梯门不停地开关，说明电梯门口有一个光传感器，故A 选项正确． 6．街旁的路灯、江海里的航标都要求在夜晚亮、白天熄，利用半导体的电学特性制成了自动点亮、熄灭的装置，实现了自动把握，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 答案 B7．如图4所示，用光敏电阻LDR 和灯泡制成的一种简易水污染指示器，下列说法中正确的是( )图4A ．严峻污染时，LDR 是高电阻B ．轻度污染时，LDR 是高电阻C ．无论污染程度如何，LDR 的电阻不变，阻值大小由材料本身因素打算D ．该仪器的使用会由于白天和晚上受到影响 答案 AD解析严峻污染时，透过污水照到LDR上的光线较少，LDR电阻较大，A对，B错；LDR由半导体材料制成，受光照影响，电阻会发生变化，C错；白天和晚上自然光的强弱不同，或多或少会影响LDR的电阻，D对．题组三温度传感器的应用8．在防治“非典”期间，在机场、车站等交通出入口，使用了红外线热像仪，红外线热像仪通过红外线遥感，可检测出经过它时的发热病人，从而可以有效把握疫情的传播．关于红外线热像仪，下列说法正确的是() A．选择红外线进行检测，主要是由于红外线具有荧光效应B．红外线热像仪通过放射红外线照射人体来检测C．红外线热像仪同时还具有杀菌作用D．一切物体都能放射红外线，而且物体在不同温度下放射的红外线的频率和强度不同答案D解析红外线热像仪是依据物体放射的红外线的频率和强度不同而工作的，故D正确．9．小强用恒温箱进行试验时，发觉恒温箱的温度持续上升，无法自动把握．经检查，恒温箱的把握器没有故障．参照图5，下列对故障推断正确的是()图5A．只可能是热敏电阻消灭故障B．只可能是温度设定装置消灭故障C．热敏电阻和温度设定装置都可能消灭故障D．可能是加热器消灭故障答案C解析由恒温箱原理图可知，若热敏电阻消灭故障或温度设定装置消灭故障都会向把握器传递错误信息，导致把握器发出错误指令，故C正确，A、B错误．若加热器消灭故障，只有一种可能，即不能加热，而题中加热器始终加热才会使温度持续上升，故D错误．10.在家用电热灭蚊器中，电热部分主要元件是PTC元件，PTC元件是由钛酸钡等半导体材料制成的电阻器，其电阻率ρ随温度t的变化关系如图6所示，由于这种特性，使PTC元件具有发热、保温双重功能．以下推断正确的是()图6A．通电后，其电功领先增大后减小B．通电后，其电功领先减小后增大C．当其产生的热量与散发的热量相等时，温度保持在t1不变D．当其产生的热量与散发的热量相等时，温度保持在t1和t2之间的某一值不变答案AD解析当电热灭蚊器温度由0升到t1的过程中，电阻器的电阻率ρ随温度的上升而减小，其电阻R随之减小，由于加在电热灭蚊器上的电压U保持不变，电热灭蚊器的电功率P随之增大，当t＝t1时，电功率P达到最大．当温度由t1上升到t2的过程中，ρ增大，R增大，P减小．而温度越高，其与外界环境温度的差别也就越大，高于环境温度的电热灭蚊器的散热功率P′也就越大．因此在这之间的某一温度t3会有P＝P3＝P′，即电功率P减小到等于散热功率时，即达到保温；当t<t3，P>P′，使温度自动上升到t3；当t>t3，P<P′，使温度自动降为t3，实现自动保温．11．如图7甲所示为温度在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，R T为热敏电阻，它的电阻随温度变化的图线如图乙所示．当a、b两端电压U ab＜0时，电压鉴别器会令开关S接通，恒温箱内的电热丝发热，使箱内温度上升；当U ab＞0时，电压鉴别器会令开关S断开，停止加热，恒温箱内的温度恒定在________℃.图7答案32(31～33均可)解析设电路路端电压为U，当U ab＝0时，有UR1＋R2R1＝UR3＋R TR3，解得R T＝20 kΩ.由题图可知，当R T＝20 kΩ时，t＝32 ℃.12．电饭煲的工作原理图如图8所示，可分为两部分，即把握部分：由S2、R1和黄灯组成．工作(加热)部分：由发热电阻R3、R2和红灯组成，S1是一个磁铁限温开关，手动闭合，当此开关的温度达到居里点(103 ℃)时，自动断开，且不能自动复位(闭合)，S2是一个双金属片自动开关，当温度达到70～80 ℃时，自动断开，低于70 ℃时，自动闭合，红灯、黄灯是指示灯，通过的电流必需较小，所以R1、R2起________作用，R3是发热电阻，由于煮饭前温度低于70 ℃，所以S2是________(填“断开的”或“闭合的”)．接通电源并按下S1后，黄灯灭而红灯亮，R3发热，当温度达到70～80 ℃时，S2断开，当温度达到103 ℃时饭熟，S1断开，当温度降到70 ℃以下时，S2闭合，电饭煲处于保温状态，由以上描述可知R2________R3(填“>”、“<”或“＝”)，若用电饭煲烧水时，直到水被烧干S1才会断开，试解释此现象．图8答案见解析解析R1、R2起的作用是限流，防止指示灯因电流过大而烧毁，S2是自动把握温度开关，当温度低于70 ℃时自动闭合，当温度达到70～80 ℃时又自动断开，使电饭煲处于保温状态，由于R3的功率较大，因此R2>R3.由于开关S1必需当温度达到103 ℃时才自动断开，而水的沸点只有100 ℃，因此用电饭煲烧水时，直到水被浇干后S1才会断开．。