物理选修3-2人教新课标第6章传感器回顾总结课件要点

第六章传感器本章回顾总结一、传感器工作原理及常见敏感元件1．传感器感受的通常是非电学量，如力、热、磁、光、声等，而它输出的通常是电学量，这些输出信号是非常微弱的，通常要经过放大后，再送给控制系统产生各种控制动作，传感器原理如下面框图所示．非电学量―→敏感元件―→转换器件―→转换电路―→电学量2．常见敏感元件及特性(1)光敏电阻：光敏电阻在被光照射时电阻发生变化，光照增强电阻减小，光照减弱电阻增大．(2)热敏电阻和金属热电阻：金属热电阻的电阻率随温度升高而增大．热敏电阻有正温度系数、负温度系数两种．正温度系数的热敏电阻的阻值随温度升高而增大，负温度系数的热敏电阻的阻值随温度升高而减小．(3)霍尔元件：能把磁感应强度这一磁学量转换成电压这一电学量，UH＝kIBd.酒精测试仪的工作原理如图所示，其中P是半导体型酒精气体传感器，该传感器电阻r′的倒数与酒精气体的浓度C成正比，R0为定值电阻．以下关于电压表示数的倒数1U与酒精气体浓度的倒数1C之间关系的图象，正确的是解析：酒精气体传感器电阻r′的倒数与酒精气体的浓度成正比，可以写出1r′＝kC，k为比例系数，则r′＝1kC，根据欧姆定律可知电路中的电流为I＝UR0，再根据闭合电路的欧姆定律有E＝U＋UR0(r＋r′)＝U＋UR0r＋1kC，整理得：1U＝1E＋rER0＋1kER0·1C，可以看出1U与1C成一次函数关系，选项A正确．答案：A•二、传感器在实际问题中的应用•以传感器为桥梁可以将多方面的物理知识整合在一起，在实际问题中既可以直接考查传感器知识，也可以考查敏感元件的敏感特性，几种传感器及与其相联系的物理知识，如下表.传感器种类敏感元件与之相联系的物理知识光电传感器光敏电阻直流电路动态分析温度传感器热敏电阻直流电路问题力传感器压敏电阻等力学、运动学与直流电路电容传感器电容器力、运动与含容电路•青岛奥运会帆船赛场采用风力发电给蓄电池充电，为路灯提供电能．用光敏电阻作为传感器控制路灯电路的开关，实现自动控制．光敏电阻的阻值随照射光的强弱而变化，作为简化模型，可以近似认为，照射光较强(如白天)时电阻几乎为零；照射光较弱(如黑天)时电阻接近于无穷大．利用光敏电阻作为传感器，借助电磁开关，可以实现路灯自动在白天关闭，黑天打开．电磁开关的内部结构如图所示.1、2两接线柱之间是励磁线圈，3、4两接线柱分别与弹簧片和触点连接．•当励磁线圈中电流大于50mA时，电磁铁吸合铁片，弹簧片和触点分离，3、4断开；当电流小于50mA时，3、4接通，励磁线圈中允许通过的最大电流为100mA.(1)利用以下器材设计一个自动控制路灯的电路，画出电路原理图．光敏电阻R1，符号灯泡L，额定功率40W，额定电压36V，符号⊗L保护电阻R2，符号电磁开关，符号蓄电池E，电压36V，内阻很小；开关S，导线若干．•(2)回答下列问题：•①如果励磁线圈的电阻为200Ω，励磁线圈允许加的最大电压为______V，保护电阻R2的阻值范围为______Ω.•②在有些应用电磁开关的场合，为了安全，往往需要在电磁铁吸合铁片时，接线柱3、4之间从断开变为接通．为此，电磁开关内部结构应如何改造？请结合本题中电磁开关内部结构图说明．•答：_________________________________________.•③任意举出一个其他的电磁铁应用的例子．•答：_________________________________.•解析：(1)电路原理图如图所示．(2)①由U＝IR得励磁线圈允许加的最大电压为U＝ImR＝0.1×200V＝20V；依据允许通过励磁线圈的电流可得最大值：R2max＝160.05Ω＝320Ω，最小值：R2min＝160.1Ω＝160Ω，因此保护电阻R2的阻值范围为160Ω～320Ω.②把触点从弹簧片右侧移到弹簧片左侧，保证当电磁铁吸合铁片时，3、4之间接通；不吸合时，3、4之间断开．③电磁起重机．答案：(1)见解析(2)①20160～320②把触点从弹簧片右侧移到弹簧片左侧，保证当电磁铁吸合铁片时，3、4之间接通；不吸合时，3、4之间断开③电磁起重机•【考情分析】从近几年的高考来看，对涉及传感器知识的考查，主要集中在传感器及其工作原理和传感器的应用等方面．本部分的知识以单独命题占多数，也可以与电磁感应、电路等相结合，基本题型是以选择题、实验题或计算题出现，重点考查学生分析问题和将知识运用于生活、生产的能力．•【高考冲浪】•常考点一：传感器的工作原理•1．(江苏高考)美国科学家WillardS．Boyle与GeorgeE．Smith因电荷耦合器件(CCD)的重要发明获得2009年度诺贝尔物理学奖．CCD是将光学量转变成电学量的传感器．下列器件可作为传感器的有()•A．发光二极管B．热敏电阻•C．霍尔元件D．干电池•解析：发光二极管具有单向导电性，可以发光，但不能做传感器，热敏电阻可以把温度转化为电学量，霍尔元件可以把磁感应强度转化为电压这个电学量，故B、C正确．•答案：BC•2．(江苏高考)2007年度诺贝尔物理学奖授予了法国和德国的两位科学家，以表彰他们发现“巨磁电阻效应”．基于巨磁电阻效应开发的用于读取硬盘数据的技术，被认为是纳米技术的第一次真正应用．在下列有关其他电阻应用的说法中，错误的是()•A．热敏电阻可应用于温度测控装置中•B．光敏电阻是一种光电传感器•C．电阻丝可应用于电热设备中•D．电阻在电路中主要起到通过直流、阻碍交流的作用•解析：温度测控装置运用了热敏电阻的特性，A项正确；光敏电阻是将光照强度转换为电信号的异种光传感器，B项正确；电热设备中有电阻丝的应用，C项正确；电阻在电路中主要起到阻碍电流通过和产生热效应的作用，D项错误．•答案：D•3．(海南高考)当光照射到光敏电阻上时，光敏电阻的阻值______(选填“变大”、“不变”或“变小”)．半导体热敏电阻是利用半导体材料的电阻率随______变化而改变的特性制成的．•解析：光敏电阻的特性是光照增强，阻值减小，半导体热敏电阻的特性是温度变化，电阻的阻值变化．•答案：变小温度•常考点二：传感器的典型应用•1．(广东高考)如图所示，某种自动洗衣机进水时，与洗衣缸相连的细管中会封闭一定质量的空气，通过压力传感器感知管中的空气压力，从而控制进水量．设温度不变，洗衣缸内水位升高，则细管中被封闭的空气()•A．体积不变，压强变小•B．体积变小，压强变大•C．体积不变，压强变大•D．体积变小，压强变小•解析：细管中封闭空气的压强等于洗衣缸与细管间水位差产生的压强加大气压强，洗衣缸内水位升高，两者间水位差变大，封闭气体压强变大，同时细管中水位上升，封闭气体体积减小，故选项B正确．•答案：B•2．(北京高考)利用霍尔效应制作的霍尔元件以及传感器，广泛应用于测量和自动控制等领域．如图1，将一金属或半导体薄片垂直置于磁场B中，在薄片的两个侧面a、b间通以电流I时，另外两侧c、f间产生电势差，这一现象称霍尔效应．其原因是薄片中的移动电荷受洛伦兹力的作用向一侧偏转和积累，于是c、f间建立起电场EH，同时产生霍尔电势差UH.当电荷所受的电场力与洛伦兹力处处相等时，EH和UH达到稳定值，UH的大小与I和B以及霍尔元件厚度d之间满足关系式UH＝RHIBd，其中比例系数RH称为霍尔系数，仅与材料性质有关．•(1)设半导体薄片的宽度(c、f间距)为l，请写出UH和EH的关系式；若半导体材料是电子导电的，请判断图1中c、f哪端的电势高；•(2)已知半导体薄片内单位体积中导电的电子数为n，电子的电荷量为e，请导出霍尔系数RH的表达式．(通过横截面积S的电流I＝nevS，其中v是导电电子定向移动的平均速率)；•(3)图2是霍尔测速仪的示意图，将非磁性圆盘固定在转轴上，圆盘的周边等距离地嵌装着m个永磁体，相邻永磁体的极性相反．霍尔元件置于被测圆盘的边缘附近．当圆盘匀速转动时，霍尔元件输出的电压脉冲信号图象如图3所示．•a．若在时间t内，霍尔元件输出的脉冲数目为p，请导出圆盘转速N的表达式．•b．利用霍尔测速仪可以测量汽车行驶的里程．除此之外，请你展开“智慧的翅膀”，提出另一个实例或设想．解析：(1)由场强与电势差关系知UH＝EHI.导体或半导体中的电子定向移动形成电流，电流方向向右，实质是电子向左运动．由左手定则判断，电子会偏向f端面，使其电势低，同时相对的c端电势高．(2)当电场力与洛伦兹力平衡时，有eEH＝evB电流的微观表达式I＝neSv由题意得UH＝RHIBd解得RH＝1ne.(3)a.由于在时间t内，霍尔元件输出的脉冲数目为p，则p＝mNt解得圆盘转速为N＝pmt.b．提出的实例或设想合理即可，例如我们在转动的圆盘的周边等距离的镶嵌着m个永磁体，利用霍尔测速仪测量转动物体的转速．答案：(1)c(2)1ne(3)a.pmtb．见解析•3．(上海高考)如图所示，一水平放置的圆盘绕竖直固定轴转动，在圆盘上沿半径开有一条宽度为2mm的均匀狭缝．将激光器与传感器上下对准，使二者间连线与转轴平行，分别置于圆盘的上下两侧，且可以同步地沿圆盘半径方向匀速移动，激光器连续向下发射激光束．在圆盘转动过程中，当狭缝经过激光器与传感器之间时，传感器接收到一个激光信号，并将其输入计算机，经处理后画出相应图线．图(a)为该装置示意图，图(b)为所接收的光信号随时间变化的图线，横坐标表示时间，纵坐标表示接收到的激光信号强度，图中Δt1＝1.0×10－3s，Δt2＝0.8×10－3s.•(1)利用图(b)中的数据求1s时圆盘转动的角速度；•(2)说明激光器和传感器沿半径移动的方向；•(3)求图(b)中第三个激光信号的宽度Δt3.解析：(1)由图线读得，转盘的转动周期T＝0.8s角速度ω＝2πT＝6.280.8rad/s＝7.85rad/s.(2)激光器和探测器沿半径由中心向边缘移动(理由为：由于脉冲宽度在逐渐变窄，表明光信号能通过狭缝的时间逐渐减小，即圆盘上对应探测器所在位置的线速度逐渐增加，因此激光器和探测器沿半径由中心向边缘移动)．(3)设狭缝宽度为d，探测器接收到第i个脉冲时距转轴的距离为r1，第i个脉冲的宽度为Δti，激光器和探测器沿半径的运动速度为v.Δti＝d2πriT①r3－r2＝r2－r1＝vT②r2－r1＝dT2π1Δt2－1Δt1③r3－r2＝dT2π1Δt3－1Δt2④由②③④式解得Δt3＝Δt1Δt22Δt1－Δt2＝1.0×10－3×0.8×10－32×1.0×10－3－0.8×10－3s≈0.67×10－3s.•答案：(1)7.85rad/s(2)由中心向边缘移动•(3)0.67×10－3s谢谢观看！