金榜夺冠 物理 第十一章 第二单元第3课时.ppt

高考总复习,物理,第二单元传感器,第,3,课时传感器的原理及其应用,选修,3,2,第十一章交变电流传感器,基础回顾,考点一,传感器的含义及元件,1,传感器：,传感器是指这样一类元件：它能感受例如力、温度、光、声、化学成分等,_,量，并能把它们转换成电压、电流等,_,量，或转换为电路的,_,从而能方便地进行测量、传输、处理和控制,2,传感器的元件：,制作传感器时经常使用的元件有光敏电阻、热敏电阻、金属热电阻、霍尔元件等,(1),热敏电阻是由半导体材料制成的，常态时其阻值约为,10,k,，其电阻率随温度的变化而变化，温度升高时，其电阻率显著,_,；,答案：,1,非电学电学电压,2,(1),减小,(2),光敏电阻也是由半导体材料制成的，其电阻率在光照射下显著,_,；在没有光照射下其阻值可以达到几十兆欧在一般,室内光照射下，电阻可以降到几千欧，利用多用电表的欧姆挡测量不同温度下的热敏电阻以及不同光照射条件下光敏电阻的阻值，就可以了解热敏电阻随温度以及光敏电阻随光照的变化规律,(3),霍尔元件能够把磁感应强度转换成电压，当电流一定时，霍尔电压,U,H,与磁感应强度,B,成,_,比,答案：,(2),减小,(3),正,要点深化,1传感器的定义,国家标准GB766587对传感器有如下的定义，,“,能感受规定的被测量，并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成,”,通俗地说，传感器在现代技术中是指这样一类元件：它能够感受诸如力、温度、光、声、化学成分等非电学量，并且能够按照一定的规律转换为电压、电流等电学量；其工作过程是通过对某一物理量敏感的元件，将感受到的信号按一定的规律转变为便于利用的电信号，把非电学量转换为电学量以后，就可以方便的进行测量、传输、处理和控制了,2,传感器的原理,传感器感受到的通常是非电学量，如电压、温度、位移、浓度、速度等，而它传输的通常是电学量，如电压值、电流值、电荷量等，这些输出信号非常微弱，通常经过放大后再送给控制系统产生各种控制动作传感器的原理也可以用下图表示,：,基础回顾,考点二,传感器的应用,1,传感器应用的一般模式,传感器电路,放大,转换,执行机构,显示器,（指针式电表，数字屏）,计算机系统,2,传感器的分类,目前对传感器尚无一个统一的分类方法，常用的分类方法有两个,(1),按,_,分类，如输入量分别是温度、压力、位移、速度、加速度等非电学量时，相应的传感器称为温度传感器、压力传感器、位移传感器、速度传感器、加速度传感器这种分类的方法给使用者提供了方便，容易根据测量对象选择需要的传感器等,(2),按传感器的,_,分类，可分为电阻传感器、电容传感器、电感传感器、电压传感器、霍尔传感器、光电传感器、光栅传感器等,答案：,2,(1),输入量,(2),工作原理,要点深化,1,力传感器的应用,电子秤,(1),电子秤有应变片、电压放大器、模数转换器、微处理器和数字显示器等器件电阻应变片受到力的作用时，它的电阻会发生变化，把应变片放在合适的电路中，他能够把物体形变这个力学量转换为电压这个电学量,(2)工作原理：如下图所示，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变大，下表面应变片的电阻变小,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变大，下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，外力越大，输出的电压差值也就越大.,2,声传感器的应用,话筒,1),如下图所示的话筒是一种把声信号转换为电信号的传感器,(2),工作原理：金属膜片,M,和固定电极,N,形成一个电容器，,Q,是两个绝缘支架电容器被直流电源充电后，当声波冲击薄金属膜片,M,而使之周期性振动时，电容器两极间距离的变化而导致电容大小发生变化，电容器的电荷量随之发生变化，电路中形成变化的电流，于是电阻,R,两端就输出了与声音变化规律相同的电压,3,温度传感器的应用,电熨斗、电饭锅,(1),如下图所示，温度传感器一般由半导体材料制成的热敏电阻和金属热电阻制成，它是把热信号转换为电压信号而进行自动控制的电熨斗的内部装有双金属片温度传感器，双金属片的膨胀系数不同，上层金属的膨胀大于下层金属，温度变化时，由于双金属片的膨胀系数不同从而控制电路的通断，以达到控制温度的目的,(2),如右图所示，电饭锅中应用的温度传感器，其主要元件是感温铁氧体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，能够被磁体吸引，但是当温度上升到,“,居里温度,”,或,“,居里点,”,(,约,103,),时，就失去了铁磁性，不能被磁体吸引了,电饭锅中的温度传感器起限温开关的作用，手动闭合，当感温铁氧体的温度上升到,“,居里点,”,时，开关自动断开，且不能自动复位，以此来控制电饭锅中的温度,题型一,结合传感器的选择题,结合传感器的选择题在近几年可谓雨后春笋、千姿百态，给人们耳目一新的感觉那么，解答这类题的关键是要明确各类元件的特点，结合动力学和电学知识进行分析，从而作出正确的选择,惯性制导系统已广泛应用于弹道式导弹工程中，这个系统的重要元件之一是加速度计加速度计的构造原理的示意图如右图所示沿导弹长度方向安装的固定光滑杆上套一质量为,m,的滑块，滑块两侧分别与劲度系数均为,k,的弹簧相连；两弹簧的另一端与固定壁相连滑块原来静止于,O,点，弹簧处于自然长度，滑块上有指针可通过标尺测出滑块的位移，然后通过控制系统进行制导设某段时间内导弹沿水平方向运动，指针向左偏离,O,点的距离为,x,，则这段时间内导弹的加速度,(,),A,方向向左，大小为,kx,/,m,B,方向向右，大小为,kx,/,m,C,方向向左，大小为,2,kx,/,m,D,方向向右，大小为,2,kx,/,m,解析：,撇开陌生的信息，通过相似性联系，抓住主要信息并加以比较和分析，从而找到解答试题的正确方法分析这类问题可知它与平时的受力问题是类似的，问题就转化为我们所熟悉的物理信息，即弹簧受力问题由导弹沿水平向左偏移,x,，则以导弹为研究对象，弹簧一边受挤压，一边受拉伸，其受力情况如图：，则合力,F,mg,2,kx,，加速度,a,，显然方向是向右的，故,D,项正确,答案：,D,题型训练,1.,演示位移传感器的工作原理如图所示，物体,M,在导轨上平移时，带动滑动变阻器的金属滑杆,P,，通过电压表显示的数据，来反映物体位移的大小,x,.,假设电压表是理想的，则下列说法正确的是,(,),A,物体,M,运动时，电源,内的电流会发生变化,B,物体,M,运动时，电压,表的示数会发生变化,C,物体,M,不动时，电路,中没有电流,D,物体,M,不动时，电压表没有示数,解析,：,物体,M,运动时，电压表测的对应电阻发生改变，所以其示数会发生变化，但整个电路的总电阻没改变，所以电路中的电流不变,答案：,B,这类题目不涉及传感器的技术细节，在考查知识的同时，更多考查同学们对所学知识的理解能力，对实际问题的分析和判断能力、对图象信息的提取和加工能力同样是知识考查，但经过命题者的匠心组合，题目的内容更加新颖、形式更加灵活，这是现今高考的热点趋势，有的同学因读不透材料、看不懂图象、得不到信息而坠入云里雾中，但若设置成直接考查直线运动、圆周运动等知识的题目，又显得索然无味将基本知识、基本规律融入新情景中，正是命题专家绞尽脑汁、苦心经营的结果,题型二,结合传感器的综合题,将金属块,m,用压缩的轻弹簧卡在一个矩形的箱中，如右图所示，在箱的上顶板和下底板装有压力传感器，箱可以沿竖直轨道运,动当箱以,a,2.0 m/s,2,的加速度竖直向上做匀减速运动时，上顶板的压力传感器显示的压力为,6.0 N,，下底板的压力传感器显示的压力为,10.0 N,(,取,g,10 m/s,2,),(1),若上顶板压力传感器的示数是,下底板压力传感器的示数的一半，,试判断箱的运动情况,(2),要使上顶板压力传感器的示数,为零，箱沿竖直方向运动的情况,可能是怎样的？,解析：,(1),当箱子以,a,2.0 m/s,2,的加速度竖直向上做匀减速运动时，对金属块进行受力分析得：,mg,F,N,F,ma,代入数值得,m,0.50 kg.,由于弹簧长度不变，,F,10 N,当上顶板压力传感器的示数是下底板压力传感器的示数的一半时，对金属块受力分析应用牛顿第二定律可得,mg,F,F,ma,1,，可解得,a,1,0,，箱子处于静止或匀速直线运动,(2),当上顶板压力传感器的示数为零时，,F,N,0,，,由牛顿第二定律得,mg,F,ma,2,解得,a,2,10 m/s,2,，负号表示,a,方向向上,若箱和金属块的加速度,a,10 m/s,2,时，进一步压缩弹簧，此时传感器示数也为,0,，因此，只要,a,10 m/s,2,，均能使上顶板压力传感器的示数为零所以箱子可能做,a,10 m/s,2,竖直向上的匀加速直线运动或竖直向下的匀减速直线运动,答案：,(1),箱子处于静止或匀速直线运动；,(2),箱子可能做,a10 m/s2,竖直向上的匀加速直线运动或竖直向下的匀减速直线运动,点评：,通过压力传感器，可以把物体的运动状态问题转换为力的测量问题，只要测得所受力就可以知其运动状态本题最关键的一点是上下板都有示数，弹簧长度不变则弹力不变，故下底板示数仍为,10 N.,题型训练,2.,如图所示为某种电子秤的原理示意图，,AB,为一均匀的滑线电阻，阻值为,R,，长度为,L,，两边分别有,P,1,、,P,2,两个滑动头,P,1,可在竖直绝缘光滑的固定杆,MN,上保持水平状态而上下自由滑动，弹簧处于原长时，,P,1,刚好指着,A,端，,P,1,与托盘固定相连，若,P,1,、,P,2,间出现电压时，该电压经过放大，通过信号转换后在显示屏上将显示物体,重力的大小已知弹簧的,劲度系数为,k,，托盘自身质,量为,m,0,，电源电动势为,E,，,内阻不计，当地的重力加,速度为,g,.,求,：,题型训练,(1),托盘上未放物体时，在托盘自身重力作用下，,P,1,离,A,的距离,x,1,；,(2),托盘上放有质量为,m,的物体时，,P,1,离,A,的距离,x,2,；,(3),在托盘上未放物体时通常先校准零点，其方法是：调节,P,2,，使,P,2,离,A,点的距离也为,x,1,，从而使,P,1,、,P,2,间的电压为零校准零点后，将物体,m,放在托盘上，试推导出物体质量,m,与,P,1,、,P,2,间的电压,U,之间的函数关系式,解析,：,移动托盘带动,P,1,的移动，使,P,1,、,P,2,间出现电势差，电势差大小反映了托盘向下移动的距离大小，因,R,为均匀的滑线电阻器，故其阻值与长度成正比,(1),由平衡条件得：,m,0,g,kx,1,，解得：,(2),托盘放上重物重新平衡后有：,m,0,g,mg,kx,2,，,解得：,(3),设电路中的电流为,I,，由闭合电路欧姆定律知,E,IR,设,P,1,、,P,2,间的电阻为,R,x,，距离为,x,，则根据部分电路欧姆定律得,U,IR,x,，又,解得,答案,：,(1),x,1,压敏电阻的阻值随所受压力的增大而减小，有位同学利用压敏电阻设计了判断小车运动状态的装置，其工作原理如下图,(a),所示将压敏电阻和一块挡板固定在绝缘小车上，中间放置一个绝缘重球小车向右做直线运动过程中，电流表示数如下图,(b),所示下列判断正确的是,(,),A,从,t,1,到,t,2,时间内，小车做匀速直线运动,B,从,t,1,到,t,2,时间内，小车做匀加速直线运动,C,从,t,2,到,t,3,时间内，小车做匀速直线运动,D,从,t,2,到,t,3,时间内，小车做匀加速直线运动,警示,不能正确分析力电传感器的关系,错解：,由图,(b),可知，在,t,1,t,2,时间内，电流是均匀增加的，说明小车正在向右做匀加速直线运动，故,B,正确；在,t,2,t,3,时间内，电流大小不变，说明压敏电阻大小不变，小车的加速度等于零，说明小车正在向右做匀速直线运动，故,C,正确选,BC.,分析纠错：,以上错解的原因在于不能通过电流图象根据电路知识分析压敏电阻的变化，结合题意对压敏电阻的说明分析其所受压力的变化，运用牛顿第二定律解答正确的思路是：由图,(b),可知，从,t,1,到,t,2,时间内，电路中电流持续增大，电阻不断变小，由压敏电阻的原理可知电阻所受的压力持续变大，故小车的加速度变大，小车做变加速直线运动，故,AB,项错误；从,t,2,到,t,3,时间内，电流大小不变，但比,0,t,1,时间内大，说明绝缘小球对压敏电阻的压力比原来大，但保持不变，故小车向右作匀加速直线运动，,C,项错误，则,D,项正确,答案：,D,祝,您,学业有成,