2019-2020学年高中物理 第六章 传感器 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素养提炼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.物理观念：力传感器、温度传感器、光传感器．科学思维：(1)通过对传感器原理和应用的了解体会所学知识在实际应用中的价值．(2)利用所学传感器的原理设计简单的传感器应用电路．科学探究：探究传感器在应用中的一般模式.01课前自主梳理02课堂合作探究03随堂演练达标04课后达标检测一、传感器工作的一般模式执行机构显示器[思考]图中是一款鼠标及其内部的电路，传感器在实际工作过程中为什么需要放大电路？提示：因为传感器将非电学量转换成的电学量信号往往很弱，所以一般要通过放大电路进行放大．二、传感器的应用实例1．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．(2)工作原理(3)作用：应变片将物体这个力学量转换为电压这个电学量．(4)应用：电子秤．应变片应变片形变2．温度传感器的应用实例应用实例敏感元件工作原理电熨斗双金属片温度变化时，因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，这一温度称为该材料的“居里温度”或“居里点”(2)自动断电原理：用手按下开关按钮通电加热，开始煮饭，当锅内加热温度达到时，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膨胀系数103℃103℃3.光传感器的应用——火灾报警器平时，发光二极管LED发出的光线因挡板挡住而照射不到光电三极管上，光电三极管的电阻较大；当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而发出警报．[判断辨析](1)力传感器中金属梁是敏感元件．()(2)感温铁氧体的温度上升到“居里温度”时，就会失去铁磁性．()(3)光电三极管在受到光照时呈高电阻状态．()×√×要点一传感器的应用分析[探究导入]如图所示是电容式话筒的示意图，它是怎样利用改变电容器电容实现把声音的变化转换为电信号的？提示：它是利用电容制作的传感器，话筒的振动膜前面有薄薄的金属层，膜后距膜几十微米处有一金属板，振动膜上的金属层和这个金属板构成电容器的两极．在两极间加一电压U，人对着话筒说话时，振动膜前后振动，使电容发生变化，声音信号被话筒转化为电信号．1．传感器的应用步骤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．①以力传感器为例：传感器感受力的信息(如大小、方向是否变化等)后转化为电压、电流、电阻等电学量，然后经过放大，传输到执行机构进行某种操作(如借助继电器控制电路通断，借助仪表进行显示等)．②以光传感器为例：光传感器感受光的信息(如光的强弱、颜色等)，通过敏感元件(如光敏电阻、光电池等)将光的信息转化为电阻、电流等电学量，然后经过放大，传输到执行机构后执行某种操作．[典例1]如图(a)所示为一测量硫化镉光敏电阻特性的实验电路，电源电压恒定．电流表内阻不计，开关闭合后，调节滑动变阻器滑片，使小灯泡发光亮度逐渐增强，测得流过电阻的电流和光强的关系曲线如图(b)所示，试根据这一特性由图(c)中给定的器材设计一个自动光控电路．[解析]由光敏电阻的特性曲线可以看出，当入射光增强时，光敏电阻的阻值减小，流过光敏电阻的电流增大．根据题意设计的自动光控电路如图所示．控制过程是：当有光照射时，光电流经过放大器输出一个较大的电流，驱动电磁继电器吸引衔铁使两个触点断开，当无光照射时，光电流减小，放大器输出电流减小，电磁继电器释放衔铁，使两个触点闭合，控制电路接通，灯开始工作．[答案]见解析[总结提升]光电传感器是指将光信号转换为电信号的一类传感器，一般以光敏电阻为主要元件，因为光敏电阻的电阻值随光照增强而减小，将光敏电阻连接到电路中时，光照强度改变就会引起电路中相应电学量的改变，从而将光信号转换为电信号．1.如图所示为小型电磁继电器的构造示意图，其中L为含铁芯的线圈．P为可绕O点转动的铁片，K为弹簧，S为一对触头，A、B、C、D为四个接线柱．电磁继电器与传感器配合，可完成自动控制的要求．其工作方式是()A．A与B接信号电压，C与D可跟被控电路串联B．A与B接信号电压，C与D可跟被控电路并联C．C与D接信号电压，A与B可跟被控电路串联D．C与D接信号电压，A与B可跟被控电路并联解析：由题图可知A、B与电磁继电器线圈相连，所以A、B应接信号电压，控制电磁继电器工作，从而使C、D接通或断开，进而起到控制作用，所以选项A正确．答案：A2.(多选)电容式话筒的保真度比动圈式话筒好，其工作原理如图所示，Q是绝缘支架，薄金属膜片M和固定电极N形成一个电容器，被直流电源充电，当声波使膜片M振动时，电容发生变化，电路中形成变化的电流．当膜片M向右运动的过程中有()A．电容变大B．电容变小C．导线AB中有向左的电流D．导线AB中有向右的电流解析：当声波使膜片M向右运动时，电容器极板间距减小，电容变大，电荷量Q＝UC变大，电源要继续给电容器充电，所以导线AB中有向左的电流，故选项A、C正确．答案：AC要点二传感器的应用实例[探究导入]电熨斗通过温度传感器来控制电路的通断，应用的物理原理是怎样的？提示：通过双金属片的热胀冷缩，使得电路断开和接通．1．力传感器的应用——电子秤(1)组成：由金属梁和应变片组成．(2)工作原理：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，应变片的电阻变化就越大．如果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．外力越大，输出的电压差值也就越大，由电压差值的大小，即可得到外力F的大小．2．温度传感器的应用(1)电熨斗①温度传感器：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电熨斗的自动控温原理：其内部装有双金属片温度传感器，如图所示．常温下，上下触点应是接触的，但温度过高时，由于双金属片受热膨胀系数不同，上部金属膨胀系数大，下部金属膨胀系数小，则双金属片向下弯曲，使触点分离，从而切断电源停止加热，温度降低后，双金属片恢复原状，重新接通电路加热，这样循环进行，起到自动控制温度的作用．(2)电饭锅①结构：如图所示，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．②工作原理：电饭锅工作时，按下开关按钮，感温磁体与永磁体接触，两个接线螺钉通过触点相连，电路接通，开始工作，电饭锅内温度升高，当达到103℃时，感温磁体与永磁体分离，带动触点分离，电路断开，不再加热，电饭锅停止工作．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．[特别提醒]在不同的仪器中所使用的传感器一般不同，其原理也不尽相同，但它们都是将非电学量转化为电学量．[典例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P1、P2两个滑动头，P1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，P1刚好指着A端，P1与托盘固定相连．若P1、P2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m0，电源电动势为E，内阻不计，当地的重力加速度为g.求：(1)托盘上未放物体时，在托盘自身重力作用下，P1与A端的距离x1；(2)托盘上放有质量为m的物体时，P1与A端的距离x2；(3)在托盘上未放物体时通常先校准零点，其方法是：调节P2，使P2离A端的距离也为x1，从而使P1、P2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P1、P2间的电压U之间的函数关系式．[思路点拨]电子秤先是通过弹簧将力的大小转换为位移的大小，然后再通过滑动变阻器的分压电路将位移的大小转换为电压的大小．[解析]托盘的移动带动P1移动，使P1、P2间出现电势差，电势差的大小反映了托盘向下移动距离的大小，由于R为均匀滑线电阻，则其阻值与长度成正比．(1)由力的平衡知识有m0g＝kx1，解得x1＝m0gk.(2)放上物体m重新平衡后m0g＋mg＝kx2，解得x2＝m＋m0kg.(3)由闭合电路欧姆定律知E＝IR，由部分电路欧姆定律知U＝IR串(R串为P1、P2间电阻)由R串R＝xL，其中x为P1、P2间的距离，则x＝x2－x1＝mgk，联立解得m＝kLUgE.[答案](1)m0gk(2)m＋m0kg(3)m＝kLUgE[总结提升]力学传感器的分析方法(1)分析清楚力传感器的工作原理．明确装置是如何将力这个非电学量转化为电学量，这是解决该类问题的关键．(2)涉及电路计算时，注意欧姆定律及分压原理的灵活应用．3．(多选)如图是电饭锅的结构图，如果感温磁体的“居里温度”为103℃时，下列说法中正确的是()A．常温下感温磁体具有较强的磁性，能自动吸起永磁体，通电加热B．当温度超过103℃时，感温磁体的磁性较强C．饭熟后，水分被大米吸收，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，锅内的温度就不可能达到103℃，开关按钮就不会自动跳起解析：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，故A错误；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，在弹簧作用下永磁铁与之分离，开关自动断开，且不能自动复位，故B错误，C正确；电饭锅内有水，水沸腾后，锅内的温度保持在100℃不变，低于“居里温度”103℃，电饭锅不能自动断电，只有水烧干后，温度升高到103℃才能自动断电，因此用电饭锅来烧水、煲汤不能实现自动控温，故D正确．答案：CD4.如图所示是会议室和宾馆房间的天花板上装有的火灾报警器的结构原理图：罩内装有发光二极管LED、光电三极管和不透明的挡板．平时光电三极管接收不到LED发出的光，呈现高电阻状态，发生火灾时，下列说法正确的是()A．进入罩内的烟雾遮挡了光线，使光电三极管电阻更大，检测电路检测出变化发出警报B．光电三极管温度升高，电阻变小，检测电路检测出变化发出警报C．进入罩内的烟雾对光有散射作用，部分光线照到光电三极管上，电阻变小，发出警报D．以上说法均不正确解析：由火灾报警器的工作原理可知，发生火灾时烟雾进入罩内，使光发生散射，部分光线照到光电三极管上，电阻变小，与传感器相连的电路检测出这种变化，发出警报，选项C对．答案：C传感器在日常生活中的应用传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受的