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2021-2022版高中物理 第六章 传感器 2 传感器的应用学案 新人教版选修3-22021-2022版高中物理 第六章 传感器 2 传感器的应用学案 新人教版选修3-2年级：姓名：- 14 -传感器的应用目 标 导 航思 维 脉 图1.了解传感器在日常生活和生产中的应用。(物理观念)2.通过实验了解传感器的一般应用模式。(科学思维)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。(科学态度与责任)必备知识自主学习一、传感器应用的一般模式二、力传感器的应用电子秤电子秤使用的测力装置是什么?它是由什么元件组成的?提示:测力装置是力传感器,力传感器是由金属梁和应变片组成的。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量。三、温度传感器的应用实例生活中与温度控制相关的家用电器有很多,试举例说明。提示:电饭煲、电冰箱、电冰柜、微波炉、空调、消毒柜等。1.电熨斗:(1)构造(如图所示):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热膨胀系数不同,双金属片发生弯曲从而控制电路的通断。2.电饭锅:(1)构造(如图所示):(2)敏感元件:感温铁氧体。(3)工作原理: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”。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烟雾散射式火灾报警器的工作原理是什么?提示:烟雾散射式火灾报警器的工作原理: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.组成:如图所示发光二极管LED、光电三极管和不透明的挡板。2.工作原理:3.关于传感器的解释符合科学实际的有:应变片是由导体材料制成的。当应变片的表面拉伸时,其电阻变大,反之变小。传感器输出的是金属架上的电压。外力越大,输出的电压差值也越大。(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。()关键能力合作学习知识点一传感器问题的分析1.分析思路:物理传感器是将所感受的物理量(如力、热、光等)转换为便于测量的电学量的器件。我们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。2.分析传感器问题要注意四点:(1)感受量分析:要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,在熟悉常用电子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。(4)执行机构工作分析:传感器的应用,不仅包含非电学量如何向电学量转化的过程,还包含根据所获得的信息控制执行机构进行工作的过程。【典例】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。(1)若传感器a的示数为14 N,传感器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,右侧弹簧对滑块向左的推力F2=6 N,滑块所受合力产生加速度a1,根据牛顿第二定律有F1-F2=ma1可得a1= m/s2=4 m/s2a1与F1同方向,即向前(向右)。(2)传感器a的读数恰为零,即左侧弹簧的弹力F1=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F2=20 N。滑块所受合力产生加速度a2,由牛顿第二定律得F合=F2=ma2可得a2=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P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,就可以读出被称重物的质量。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,试推导出所称重物重力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-R0,由欧姆定律有I=由式解得G=2kl-。答案:G=2kl-【加固训练】1.如图所示为一种常见的身高体重测量仪,测量仪顶部向下发射超声波,超声波经反射后返回,被测量仪接收,测量仪可记录发射和接收的时间间隔。测量仪底部有一压力传感器,其输出电压与作用在其上的压力F成正比,表达式为U=kF(k为比例系数)。某同学已知了自己的身高h、质量m和重力加速度g,他想利用该装置测量超声波速度v和比例系数k,他多次研究发现,当他站上测重台时测量仪记录的时间间隔比他没站上时减少了t;当他没站上测重台时,测量仪已有输出电压为U0(U00),当他站上测重台时测量仪输出电压为U,那么超声波v与比例系数k为()A.v=,k= B.v=,k=C.v=,k= D.v=,k=【解析】选C。设身高体重测量仪高度为L,没有站人时压力传感器的压力为F0,设当测重台上没有站人时,测量仪记录的时间间隔为t0,根据超声波的速度和位移关系可得vt0=2L;根据传感器输出电压与作用在其上的压力成正比可得U0=kF0;当测重台上站人时,测量仪记录的时间间隔为t,同理可得vt=2(L-h),U=k(F0+ mg),联立解得,v=,k=,C正确;故选C。2.用如图所示的传感器可以测物体的位移,说明它们的工作原理有什么不同。【解析】甲是将位移信号转化成电容信号,乙是将位移信号转化成电感信号。答案:见解析知识点二传感器的实际应用1.力传感器的应用电子秤:(1)力传感器的组成:由金属梁和应变片组成。(2)作用:将物体的形变这个力学量转换为电压这个电学量,方便测量、处理和控制。2.温度传感器的应用:(1)电熨斗:由半导体材料制成的热敏电阻和金属热电阻均可制成温度传感器,它可以把温度信号转换为电信号进行自动控制。(2)电饭锅:它的主要元件感温铁氧体是用氧化锰、氧化锌和氧化铁粉末混合烧结而成的。它的特点是:常温下具有铁磁性,能被磁体吸引,但是温度上升到约103 时,就失去了铁磁性,不能被磁体吸引了。3.光传感器的应用火灾报警器:如图所示为利用烟雾对光的散射来工作的一种火灾报警器,其工作原理是:带孔的罩子内装有发光二极管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。在超市里,当我们购买水果时,售货员把水果放在表面平整的电子秤上,电子秤即可显示出所购水果的质量及应付的钱数。电子秤用到的传感器应变片测力的原理是怎样的?提示:应变片的结构如图所示,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增大,下表面应变片的电阻减小。F越大,弯曲形变越大,应变片的阻值变化就越大。如果让应变片中通过的电流保持恒定,那么上面应变片两端的电压增大,下面应变片两端的电压减小。传感器把这两个电压的差值输出。外力越大,输出的电压差值也就越大。【典例】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 k、R2=10 k、R3=40 k,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Uab0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Uab0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()A.10 B.20 C.35 D.45 【解析】选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a= U,b=U,其中U为电源的路端电压,令a=b,即Uab=0,则可得=,代入数据得RT=20 k,由图乙得对应的温度为35 ,故C正确。传感器应用问题的分析方法(1)要分清哪是主电路部分,哪是控制电路部分。(2)联系主电路和控制电路的关键点就是传感器中的敏感元件。敏感元件感知主电路所处的状态,作出相应的反应,促使控制电路工作,保证主电路能工作在相应的设定状态之下。传感器是把非电学量(如速度、温度、压力等)的变化转换成电学量的变化的一种元件,在自动控制中有着相当广泛的应用。有一种测量人的体重的电子秤,其测量部分的原理图如图中的虚线框所示,它主要由压力传感器R(电阻值会随所受压力大小发生变化的可变电阻)和显示体重大小的仪表A (实质是理想电流表)组成。压力传感器表面能承受的最大压强为1107 Pa,且已知压力传感器R的电阻与所受压力的关系如表所示。设踏板和压杆的质量可以忽略不计,接通电源后,压力传感器两端的电压恒为4.8 V,g取10 m/s2。请作答:压力F/N02505007501 0001 2501 500电阻R/300270240210180150120(1)该秤零点(即踏板空载时)的刻度线应标在电流表刻度盘何处?(2)如果某人站在该秤踏板上,电流表刻度盘的示数为20 mA,则这个人的质量是多少?【解析】(1)由压力传感器R的电阻与所受压力的关系如表中所示,可得:F=0,R=300 ,由闭合电路欧姆定律:I= A=1.610-2 A,即该秤零起点(即踏板空载时)的刻度线应标在电流表刻度盘1.610-2 A处;(2)由闭合电路欧姆定律:R= =240 由表中数据得,F=500 N,由G=mg,得m=50 kg 如果某人站在该秤踏板上,电流表刻度盘的示数为20 mA,则此人的体重是50 kg答案:(1)应标在电流表刻度盘1.610-2 A处(2)50 kg【加固训练】如图为火灾报警器,在会议室、宾馆房间的天花板上均有安装。当有烟雾进入这种有孔的罩内时即会发出警报,则该报警器中装有的传感器是()A.光传感器B.压力传感器C.声音传感器D.温度传感器【解析】选A。有烟雾进入这种有孔的罩内时对光有散射作用,使光线的光路发生变化,改变传感器上光照强度来发出警报,则该报警器中装有的传感器是光传感器。故A项正确。【拓展例题】考查内容:温控电路的分析计算【典例】如图甲所示为半导体材料制成的热敏电阻的阻值随温度变化的曲线,图乙为用此热敏电阻RT和继电器设计的温控电路,设继电器的线圈电阻为Rx=50 ,当继电器线圈中的电流IC大于或等于20 mA时,继电器的衔铁被吸合。左侧电源电动势为6 V,内阻可不计,温度满足什么条件时,电路右侧的小灯泡会发光?【解析】热敏电阻与继电器串联,若使电流不小于IC=20 mA,则总电阻不大于R总=300 。由于R总=RT+Rx,则RT不大于250 。由甲图可看出,当RT=250 时,温度t=50 ,即温度不小于50 。答案:温度不小于50 时,电路右侧的小灯泡会发光。情境模型素养电饭锅的结构如图所示。探究:(1)开始煮饭时压下开关按钮,手松开后这个按钮是否会恢复到图示的状态?为什么?(2)饭熟后,水分被大米吸收,锅底的温度会有什么变化?这时电饭锅会自动发生哪些动作?【解析】(1)煮饭时压下开关按钮,感温磁体与永磁体相互吸引结合在一起,触点相接,电路接通,开始加热,手松开后,由于锅内的温度低,感温磁体与永磁体相互吸引而不能使按钮恢复到题图所示的状态。(2)饭熟后,水分被大米吸收,锅底的温度会升高,当温度上升到“居里温度”(约103 )时,感温磁体失去磁性,在弹簧作用下永磁体与之分离,开关自动断开。答案:见解析如图所示为一冷库中的自动控温设备,容器中是导电液体,其液面与两个电极刚刚接触。探究:试探究分析其自动控温原理。【解析】冷库中温度较低时,导电液体积较小,此时两电极未与导电液接触,制冷机不工作,当冷库中温度升高,致使导电液受热膨胀,体积增大,液面升高,当液面与两电极接触时,电路接通,制冷机开始工作,冷库温度降低,导电液温度降低,液面下降,当液面与电极分离时,电路断开,制冷机停止工作。答案:见解析课堂检测素养达标1.(多选)(教材二次开发P58【思考与讨论】变式题)如图所示是自动调温式电熨斗,下列说法正确的是()A.常温时上下触点是接触的B.双金属片温度升高时,上金属片形变较大,双金属片将向下弯曲C.原来温度控制在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【解析】选A、B、D。常温工作时,上下触点是接通的,当温度升高时,上金属片形变较大,双金属片向下弯曲,切断电源。切断温度要升高则应使调温旋钮下移一些,A、B、D对,C错。2.(多选)下列关于光传感火灾报警器的说法中正确的是()A.发光二极管、光电三极管都是由半导体材料制成的B.光电三极管与光敏电阻一样都是光敏感元件,都是将光信号转换为电信号C.发光二极管发出的是脉冲微光D.如果把挡板撤去,火灾报警器照样工作【解析】选A、B。发光二极管工作时是持续发光的,挡板撤去,光始终照到光电三极管上,始终发出警报,和有无火灾无关。3.(多选)如图为握力器原理示意图,握力器把手上的弹簧与连杆一起上下移动,握力的大小可通过一定的换算关系由电流表的示数获得。当人紧握握力器时,如果握力越大,下列判断正确的有()A.电路中电阻越大B.电路中电阻越小C.电路中电流越小D.电路中电流越大【解析】选B、D。由题图看出,握力越大,变阻器接入电路的电阻越小,外电路的总电阻越小,故B正确,A错误;根据闭合电路欧姆定律可知,电路中电流越大,故D正确,C错误。4.如图所示,小铅球P系在细金属丝下,悬挂在O点,开始时小铅球P沿竖直方向处于静止状态,当将小铅球P放入水平流动的水中时,球向左摆动一定的角度,水流速度越大,越大。为了测定水流对小球作用力的大小,在水平方向固定一根电阻丝BC,其长为L,它与金属丝接触良好,不计摩擦和金属丝的电阻,C端在O点正下方处且OC=h。图中还有电动势为E的电源(内阻不计)和一只电压表。请你连接一个电路,使得当水速增大时,电压表示数增大。【解析】如图所示,设CE=x,P球平衡时,由平衡条件可得tan=根据闭合电路欧姆定律和部分电路的欧姆定律可得I=根据电阻定律可得RL=Rx=由、式可得U=,因为水速越大,越大,则U越大。答案:见解析