2020版高中物理 第六章 2 传感器的应用课件 新人教版选修3-2

2传感器的应用[学习目标]1.了解传感器的一般应用模式.2.了解传感器在日常生活和生产中的应用.3.会设计简单的有关传感器应用的控制电路,提高分析解决问题的能力.课前预习掌握新知知识梳理一、力传感器的应用——电子秤1.组成及敏感元件:由金属梁和组成,敏感元件是.3.作用:应变片将这个力学量转换为这个电学量.应变片应变片2.工作原理金属梁自由端受力F→梁发生弯曲→应变片的变化→两应变片上的差值变化电阻电压物体形变电压二、温度传感器的应用实例热膨胀系数敏感元件工作原理电熨斗双金属片温度变化时,双金属片上层金属与下层金属的不同,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约时,感温铁氧体失去铁磁性,与永磁体失去吸引力,被弹簧弹开,从而推动杠杆使触点开关断开103℃103℃三、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、和不透明的挡板.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.与传感器连接的电路检测出这种变化,就会发出警报.光电三极管变小科学思维1.思考判断(1)电子秤中的应变片的电阻随形变大小而变化.()(2)应变式力传感器可以用来测量重力,也可用来测牵引力.()(3)电熨斗和电饭锅都是利用双金属片控制电路通断的.()(4)常温下,电熨斗上、下触点应当是分离的,温度过高时,触点接触.()(5)电饭锅内温度达到100℃时,触点分离,切断电源,停止加热.()(6)利用红外线敏感元件可以实现无接触测温.()(7)火灾报警器中的光电三极管的电阻随光照的增强而变小.()√√×××√√2.思维探究(1)应用传感器的实际工作过程中为什么需要放大电路?答案:因为传感器将非电学量转换为电学量的信号往往很弱,所以一般要通过放大电路放大.(2)在机场、车站、码头等人员集散地都设有体温检测点,为什么测体温时一般不用水银温度计,而用红外线测温仪?答案:用水银温度计,测温时间长,同时又容易引起交叉感染,用红外线测温仪测温速度快,也不需要与人体直接接触,又避免了交叉感染,因此用红外线测温仪较好.课堂探究突破要点要点一传感器的原理分析[探究导学]如图所示,是测定液面高低的传感器示意图,A为固定的导体芯,B为导体芯外面的一层绝缘物体,C为导电液体,把传感器接到图示电路中.已知灵敏电流计指针偏转方向与电流方向相同.如果发现指针正向左偏转,则导电液体的深度h是如何变化的?并说明电容器的电容的变化.答案:深度h增大,电容增大.[要点归纳]各种用途的传感器(1)温度传感器:电饭煲、电冰箱、微波炉、空调、消毒碗柜等家用电器都用到与温度控制相关的传感器.(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)湿度传感器:可用来判断农田的水分蒸发情况,自动供水或停水.(4)生理传感器:测量血压、心电图、体温等生理状况.(5)位移传感器: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.(6)电容式传感器:可以测定距离、面积、压力、位移、压强等.[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2kg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10N(g取10m/s2).(1)若传感器a的示数为14N,b的示数为6N,求此时汽车的加速度大小和方向.(2)当传感器a的示数为零时,求此时汽车的加速度大小和方向.审题指导题干关键获取信息a的示数为14N,b的示数为6N滑块受到向右的力为14N,滑块受到向左的力为6N,可以求出滑块的合力两根相同的轻弹簧左侧弹簧伸长多少,右侧弹簧就缩短多少,所以左侧弹簧减少多大的力,右侧弹簧就增加多大的力a传感器的读数恰为零b的示数为20N解析:(1)如图所示,依题意得左侧弹簧对滑块向右的推力F1=14N,右侧弹簧对滑块的向左的推力F2=6N,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=12FFm=1462m/s2=4m/s2,a1与F1同方向,即向前(向右).(2)a传感器的读数恰为零,即左侧弹簧的弹力由10N减小到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由10N增大到20N,设为F2′=20N.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=2Fm=10m/s2,方向向左.答案:(1)4m/s2方向向右(2)10m/s2方向向左学霸笔记(2)电容式传感器常与电容器的介质的变化、距离的变化,正对面积的变化的内容综合分析问题.各种传感器用途分析思路(1)力传感器是一种测量力的大小的工具,常与牛顿第二定律、运动学的内容综合分析问题.(教师备用)例1-1:(多选)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判断升降机运动状态的装置,如图(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A,升降机静止时电流表示数为I0.某过程中电流表的示数如图(乙)所示,则在此过程中()A.物体处于失重状态B.物体处于超重状态C.升降机一定向上做匀加速运动D.升降机可能向下做匀减速运动BD解析:电流表的示数变为2I0且保持不变,说明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,但不一定向上加速运动,选项B,D正确,A,C错误.[针对训练1-1]如图(甲)所示是一火警报警装置的一部分电路,其中R2是半导体热敏电阻(传感器),它的电阻随温度t变化关系如图(乙)所示,该电路的输出端a,b接报警器,当传感器所在处出现火情时,通过电流表的电流I和a,b两端电压U与出现火情前相比()A.I变大,U变大B.I变小,U变小C.I变小,U变大D.I变大,U变小D解析:当传感器所在处出现火情时,温度升高,即R2的阻值减小,故外电阻减小,干路电流增大,内电压、R4两端的电压均增大,故a,b两端电压减小;并联电路的电压减小,通过R3的电流减小,而总电流增大,所以R2上通过的电流增大,故选项D正确.要点二传感器工作过程的分析[探究导学]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,试探究分析其自动控温原理.答案:冷库中温度较低时,导电液体体积较小,此时两电极未与导电液体接触,制冷机不工作,当冷库中温度升高,致使导电液体受热膨胀,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,导电液体温度降低,液面下降,当液面与电极分离时,电路断开,制冷机停止工作.[要点归纳]分析传感器应注意的四个分析(1)检测量分析:要清楚传感器所检测的非电学量,如温度、光、声、力等.(2)敏感元件分析:分析敏感元件的输入与输出信号,及输入与输出信号间的联系.(3)电路分析:分析传感器所在的电路结构,分析输入信号变化对电路电流、电压等产生的影响.(4)执行机构分析:分析非电学量与电学量之间的转换过程,分析根据所获得的信息控制执行机构进行工作的过程.[例2]如图所示为普通冰箱内温度控制器的结构.铜质的测温泡1、细管2和弹性金属膜盒3连通成密封的系统,里面充有氯甲烷和它的蒸汽,上述材料就构成了一个温度传感器.膜盒3为扁圆形(图中显示为它的切面),右表面固定,左表面通过小柱体与弹簧片4连接.盒中气体的压强增大时,盒体就会膨胀.测温泡1安装在冰箱的冷藏室中,5,6分别是电路的动触点和静触点,控制制冷压缩机的工作.弹簧7的两端分别连接到弹簧片4和连杆9上,连杆9的下端是装在机箱上的轴.凸轮8是由设定温度的旋钮(图中未画出)控制的.逆时针旋转时凸轮连杆上端右移,从而加大对弹簧7的拉力.(1)为什么当冰箱内温度较高时压缩机能够开始工作,而当达到设定的低温后又自动停止工作?(2)为什么凸轮可以改变设定的温度?思维导图冰箱内温度变化盒体的体积变化→两个触点接触或断开压缩机自动工作或停止解析:(1)冰箱内温度较高时,密封系统中的压强增大,盒体膨胀,膜盒3通过小柱体带动弹簧片4使动触点5与静触点6接触,控制压缩机自动开始工作,而当达到设定的低温时弹簧7带动弹簧片4将触点5,6断开,使压缩机停止工作.(2)凸轮逆时针旋转会加大连杆9对弹簧7的拉力,该拉力与膜盒3共同控制弹簧片4的运动,故凸轮可以改变设定的温度.答案:见解析学霸笔记传感器应用问题的分析方法(1)分清主电路和控制电路.(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.(3)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中.(教师备用)例2-1:电熨斗能自动控制温度,在熨烫不同的织物时,设定的温度可以不同,如图所示为电熨斗的结构图,电熨斗内部装有双金属片,双金属片上层金属的膨胀系数大于下层金属,若把熨烫的棉麻衣物换成丝绸衣物,则如何调节调温旋钮()BA.向下B.向上C.保持原状D.不能确定织物材料尼龙合成纤维丝绸羊毛棉麻熨烫温度低高解析:由题意知,棉麻衣物换成丝绸衣物,就是要求电熨斗在低温时易断开,因双金属片上层金属的膨胀系数大于下层金属,使双金属片向下弯曲,上下触点脱离,电路断开,因此,应向上调节调温旋钮,双金属片受热时,易使触点分离,所以选项B正确.[针对训练2-1](2019·陕西汉中检测)如图所示为用热敏电阻R和继电器L等组成的一个简单的恒温控制电路,其中热敏电阻的阻值会随温度的升高而减小.电源甲与继电器、热敏电阻等组成控制电路,电源乙与恒温箱加热器(图中未画出)相连接.则()A.当温度降低到某一数值,衔铁P将会被吸下B.当温度升高到某一数值,衔铁P将会被吸下C.工作时,应该把恒温箱内的加热器接在C,D端D.工作时,应该把恒温箱内的加热器接在A,C端B解析:根据温度变化,分析R的变化,确定电路中电流的变化,电流增大时,继电器L对衔铁P吸引力增大,P将会被吸下.当温度降低到某一数值,热敏电阻R的阻值增大,电路中电流减小,继电器L对衔铁P吸引力减小,P将不会被吸下,选项A错误;当温度升高到某一数值,热敏电阻R的阻值减小,电路中电流增大,继电器L对衔铁P吸引力增大,P将会被吸下,选项B正确;恒温箱内温度高到一定数值后,应与电源断开停止加热,由以上分析可知,温度升高后,A,B端断开,所以工作时,应该把恒温箱内的加热器接在A,B端,选项C,D错误.随堂演练检测效果1.电子秤使用的传感器是()A.超声波传感器B.温度传感器C.压力传感器D.红外线传感器C解析:电子秤通过感知物体对它的压力,将其转换为电信号,并由仪表显示,来测量物体质量,所以它感知的是压力,使用了压力传感器,故选项C正确.2.用遥控器调换电视机频道的过程,实际上就是传感器把光信号转换为电信号的过程,下列属于这类传感器的是()A.红外报警装置B.走廊照明灯的声控开关C.自动洗衣机中的压力传感装置D.电饭煲中控制加热和保温的温控器A解析:红外报警器是将光信号转换为电信号的传感器,则A选项正确;声控开关是将声音信号转换为电信号的传感器,B错误;压力传感器是将压力转换成电信号的传感器,C错误;温度传感器是将温度转换成电信号的传感器,D错误.3.传感器是将能感受的物理量(如力、热、光、声等)转换成便于测量的量(一般是电学量)的一类元件,在自动控制中有相当广泛的应用,如图所示的装置是一种测定液面高度的电容式传感器.金属芯线与导电液体构成一个电容器,从电容C大小的变化情况就能反映出液面高度h的高低情