山东省2018_2019学年高中物理第六章传感器第2节传感器的应用讲义（含解析）新人教版.docx

第2节传感器的应用1应变式力传感器可用来测量各种力，其中的应变片能把物体形变这个力学量转换为电压这个电学量。2电熨斗因为装有双金属片温度传感器，所以它能够自动控制温度。双金属片上层金属的热膨胀系数大于下层金属。3电饭锅中的温度传感器主要元件是感温铁氧体。4有一种火灾报警器是利用了光传感器的作用，即利用烟雾对光的散射来工作。一、传感器应用的一般模式二、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。2温度传感器的应用实例电熨斗电饭锅敏感元件双金属片感温铁氧体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(1)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“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103 时，铁氧体失去磁性，永久磁铁失去吸引力，被弹簧片弹开，从而推动杠杆使触点开关断开3.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、光电三极管和不透明的挡板。(2)工作原理1自主思考判一判(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。()(6)火灾报警器是温度传感器。()2合作探究议一议(1)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。(2)分析传感器问题应注意哪些问题？提示：应注意四点：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。输出信号分析：明确传感器的敏感元件，分析它的输入信号和输出信号，以及输入信号与输出信号间的变化规律。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。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的过程。(3)如果用电饭锅烧水，水沸腾后能否自动断电？提示：电饭锅中的温度传感器主要元件是感温铁氧体。如果用电饭锅烧水，水沸腾后水温保持100 ，不会再升高，而使感温铁氧体失去磁性的温度为103 ，故不能自动断电。力传感器的应用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2.0 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(取g10 m/s2)。(1)若传感器a的示数为14 N，b的示数为6.0 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？思路点拨传感器上所显示出的力的大小，即弹簧对传感器的压力，据牛顿第三定律知，此即为弹簧的弹力大小，亦即该弹簧对滑块的弹力大小。解析(1)如图所示，依题意：左侧弹簧对滑块向右的推力F114 N，右侧弹簧对滑块向左的推力F26.0 N，滑块所受合力产生加速度a1，根据牛顿第二定律有F1F2ma1，得a1 m/s24.0 m/s2。a1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F10，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F220 N。滑块所受合力产生加速度，由牛顿第二定律得F合F2ma2，得a210 m/s2，负号表示方向向后(向左)。答案(1)4.0 m/s2向右(2)以方向向左大小为10 m/s2的加速度运动力传感器是一种测量力的大小的工具。此类题常与牛顿第二定律、运动学的内容综合。当只知道加速度的大小和方向，不知道物体的运动方向时，物体的运动情况有两种可能，即沿某一方向的匀加速或相反方向的匀减速，不要漏掉其中一种。 1多选下列关于电子秤中应变式力传感器的说法正确的是()A应变片是由导体材料制成B当应变片的表面拉伸时，其电阻变大；反之，变小C传感器输出的是应变片上的电压D外力越大，输出的电压值也越大解析：选BD应变片多用半导体材料制成，故选项A错误。当应变片拉伸时，其电阻变大，选项B正确。传感器输出的是上、下两应变片上的电压差值，并且随着外力的增大，输出的电压差值越大，故选项C错误，选项D正确。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。解析：(1)由力的平衡知识有：m0gkx1，解得x1。(2)放上物体m重新平衡后：m0gmgkx2，解得x2。(3)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。由闭合电路欧姆定律知：EIR，由部分电路欧姆定律知：UIR串(R串为P1、P2间电阻)由，其中x为P1、P2间的距离，则xx2x1联立解得：m。答案：(1)(2)(3)m温度传感器和光传感器的应用典例温度传感器广泛应用于室内空调、电冰箱和微波炉等家用电器中，它是利用热敏电阻的阻值随温度变化而变化的特性工作的。在图甲中，电源的电动势E9.0 V，内阻可忽略不计；G为灵敏电流表，内阻r保持不变；R0为保护电阻，R为热敏电阻，其电阻值与温度变化的关系如图乙所示。(1)试写出热敏电阻的阻值随温度变化的关系式。(2)闭合开关S，当R的温度等于40 时，电流表示数I12.25 mA。则当电流表的示数I23.6 mA时，热敏电阻R的温度是多少摄氏度？思路点拨本题的解答思路为解析(1)题中的Rt图像是直线，根据数学知识可写出热敏电阻R与温度t的关系式为Rktb。由图像知t10 时，R14.25 k，得b4.25，再根据t2120 时，R22 k，得k0.018 75，所以R与t的关系式为R0.018 75t4.25(k)。(2)根据题中的Rt图像，t340 时，热敏电阻的阻值R33.5 k，有EI1(rR0R3)；电流I23.6 mA时，设热敏电阻的阻值为R4，有EI2(rR0R4)，代入数据可解得R42 k，由题中的Rt图像或将R42 k代入R与t的关系式可得t4120 。答案(1)R0.018 75t4.25(k)(2)120 温度传感器一般使用的是热敏电阻，负温度系数的热敏电阻的阻值随温度升高而减小，正温度系数的热敏电阻的阻值随温度升高而增大，在解答有关温度传感器的应用问题时应注意区分这一性质。 1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AB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。2(2016全国卷)现要组装一个由热敏电阻控制的报警系统，要求当热敏电阻的温度达到或超过60 时，系统报警。提供的器材有：热敏电阻，报警器(内阻很小，流过的电流超过Ic时就会报警)，电阻箱(最大阻值为999.9 )，直流电源(输出电压为U，内阻不计)，滑动变阻器R1(最大阻值为1 000 )，滑动变阻器R2(最大阻值为2 000 )，单刀双掷开关一个，导线若干。在室温下对系统进行调节。已知U约为18 V，Ic约为10 mA；流过报警器的电流超过20 mA时，报警器可能损坏；该热敏电阻的阻值随温度升高而减小，在60 时阻值为650.0 。(1)完成待调节的报警系统原理电路图的连线。(2)电路中应选用滑动变阻器_(填“R1”或“R2”)。(3)按照下列步骤调节此报警系统：电路接通前，需将电阻箱调到一固定的阻值，根据实验要求，这一阻值为_；滑动变阻器的滑片应置于_(填“a”或“b”)端附近，不能置于另一端的原因是_。将开关向_(填“c”或“d”)端闭合，缓慢移动滑动变阻器的滑片，直至_。(4)保持滑动变阻器滑片的位置不变，将开关向另一端闭合，报警系统即可正常使用。解析：(1)电路图连接如图。(2)报警器开始报警时，对整个回路有UIc(R滑R热)代入数据可得R滑1 150.0 ，因此滑动变阻器应选择R2。(3)在调节过程中，电阻箱起到等效替代热敏电阻的作用，电阻箱的阻值应为报警器报警时热敏电阻的阻值，即为650.0 。滑动变阻器在电路中为限流接法，滑片应置于b端附近，若置于另一端a时，闭合开关，则电路中的电流I A27.7 mA，超过报警器最大电流20 mA，报警器可能损坏。开关应先向c端闭合，移动滑动变阻器的滑片，直至报警器开始报警为止。答案：(1)连线见解析图(2)R2(3)650.0b接通电源后，流过报警器的电流会超过20 mA，报警器可能损坏c报警器开始报警1下列器件是应用力传感器的是()A鼠标器B火灾报警器C测温仪 D电子秤解析：选D鼠标器中的传感器是红外线接收管，属于光传感器；火灾报警器中传感器是光电三极管，属于光传感器；测温仪用的是温度传感器；电子秤的敏感元件是应变片，是力传感器，D正确。2唱卡拉OK用的话筒，内有传感器，其中有一种是动圈式的，它的工作原理是在弹性膜片后面粘接一个轻小的金属线圈，线圈处于永磁铁的磁场中，当声波使膜片前后振动时，就将声音信号转变为电信号。下列说法中正确的是()A该传感器是根据电流的磁效应工作的B该传感器是根据电磁感应原理工作的C膜片振动时，穿过线圈的磁通量不变D膜片振动时，金属线圈中不会产生感应电动势解析：选B当声波使膜片前后振动时，线圈切割磁感线产生感应电流，将声音信号转化为电信号，是根据电磁感应原理工作的，A错误，B正确；膜片随着声波而周期性振动，穿过金属线圈的磁通量是周期性变化的，C错误；膜片振动时，金属线圈切割磁感线，会产生感应电动势，D错误。3多选如图所示为某商厦安装的光敏电阻自动计数器的示意图。其中A为光源，B为由电动机带动匀速运行的自动扶梯，R1为光敏电阻，R2为定值电阻。每当扶梯上有顾客经过挡住由A射向R1的光线时，计数器就计数一次。下列说法正确的是()A当有光照射R1时，信号处理系统获得低电压B当有光照射R1时，信号处理系统获得高电压C信号处理系统每获得一次低电压就计数一次D信号处理系统每获得一次高电压就计数一次解析：选BC当光线照射R1时，R1阻值减小，R总减小，且电源电压不变，由闭合电路欧姆定律得I，电路中的电流增大，R2是定值电阻，U2IR2，R2两端电压增大，信号处理系统获得高电压，所以选项A错误，B正确；根据前面分析可知，每当有人经过时，即没有光照时，信号处理系统获得低电压，信号处理系统计数一次，即信号处理系统每获得一次低电压就计数一次，所以选项C正确，D错误。4下列说法正确的是()A电饭锅中的温度传感器的主要元件是氧化铁B氧化铁在常温下具有铁磁性，温度很高时失去铁磁性C用电饭锅烧水，水开时能自动断电D用电饭锅煮饭时，若温控开关自动断电后，它不能自动复位解析：选D电饭锅的主要元件为感温铁氧体，它在103 时失去铁磁性，选项A、B均错；用电饭锅烧水时，在标准大气压下，水温最高为100 ，电饭锅不会自动断电，若无人控制，则会直到水全部蒸发后才会断电，选项C错；电饭锅开关自动断电后只能手动复位，选项D正确。5有一种在光照或温度升高时排气扇都能启动的自动控制装置，下列说法正确的是()A两个传感器都是光电传感器B两个传感器分别是光电传感器和温度传感器C两个传感器可能分别是温度传感器、电容式传感器D只有光照和温度都适合时排气扇才能工作解析：选B题中提到有光照或温度升高时排气扇都能自动控制，由此可见两个传感器一个是光电传感器，一个是温度传感器，而且排气扇自动工作只需光照和温度一个满足条件即可，A、C、D错，B对。6.在如图所示的电路中，电源两端的电压恒定，L为小灯泡，R为光敏电阻，D为发光二极管(电流越大，发出的光越强)，且R与D间距不变，下列说法正确的是()A当滑动触头P向左移动时，L消耗的功率增大B当滑动触头P向左移动时，L消耗的功率减小C当滑动触头P向右移动时，L消耗的功率可能不变D无论怎样移动滑动触头P，L消耗的功率都不变解析：选A当P向左移动，滑动变阻器接入电路的电阻减小，通过二极管的电流增大，发光变强，光敏电阻阻值减小，灯泡中电流增大，L消耗的功率增大；同理可知P向右移动时，L消耗的功率减小。7.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。加速度计构造原理的示意图如图所示，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，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s，则这段时间内导弹的加速度()A方向向左，大小为B方向向右，大小为C方向向左，大小为D方向向右，大小为解析：选D当指针向左偏离O点的距离为s时，与滑块相连的左边弹簧被压缩s，右边弹簧被拉伸s，因而弹簧对滑块的弹力的大小均为ks，且方向均水平向右，即滑块受到的合力大小为2ks，方向水平向右。由牛顿第二定律可知选项D正确。8.如图所示为一实验小车中利用光电脉冲测量车速和行程的示意图，A为光源，B为光电接收器，A、B均固定在小车上，C为小车的车轮。D为与C同轴相连的齿轮，车轮转动时，A发出的光束通过旋转齿轮上齿的间隙后变成脉冲光信号，被B接收并转换成电信号，由电子电路记录和显示。若实验显示单位时间的脉冲数为n，累积脉冲数为N。试完成下列问题。(1)要测出小车的速度和行程，还必须测量的物理数据有哪些？(2)推导小车速度的表达式。(3)推导小车行程的表达式。解析：(1)小车的速度等于车轮的周长与单位时间内车轮转动圈数的乘积。所以还要测量车轮的半径R和齿轮的齿数P。(2)齿轮转一圈电子电路显示的脉冲数即为P。已知单位时间内的脉冲数为n，所以单位时间内齿轮转动圈数为。则有小车速度的表达式v。(3)小车行程的表达式s。答案：(1)车轮半径R和齿轮齿数P(2)v(3)s9多选计算机光驱的主要部分是激光头，它可以发射脉冲激光信号，激光扫描光盘时，激光头利用光敏电阻自动计数器将反射回来的脉冲信号传输给信号处理系统，再通过计算机显示出相应信息，光敏电阻自动计数器的示意图如图所示，其中R1为光敏电阻，R2为定值电阻，此光电计数器的基本工作原理是()A当有光照射R1时，处理系统获得高电压B当有光照射R1时，处理系统获得低电压C信号处理系统每获得一次低电压就计数一次D信号处理系统每获得一次高电压就计数一次解析：选ADR1、R2和电源组成一个闭合电路，当激光照到光敏电阻R1时，R1的阻值变小，总电流变大，则R2两端获得高电压，因此只有R2两端获得高电压时，处理系统才能进行信号处理，故选A、D。10动圈式话筒和磁带录音机都应用了电磁感应现象。图1是动圈式话筒的原理图，图2是磁带录音机的录音、放音原理图，由图可知下列选项叙述错误的是()图1图2A话筒工作时磁铁不动，线圈振动而产生感应电流B录音机放音时变化的磁场在静止的线圈里产生感应电流C录音机放音时线圈中变化的电流在磁头缝隙处产生变化的磁场D录音机录音时线圈中变化的电流在磁头缝隙处产生变化的磁场解析：选C话筒的工作原理是声波迫使金属线圈在磁场中振动产生感应电流，A正确。录音时，话筒产生的感应电流经放大电路放大后在录音机磁头缝隙处产生变化的磁场，D正确。磁带在放音时通过变化的磁场使放音磁头产生感应电流，经放大电路后再送到扬声器中，B正确，C错误。11.一般的电熨斗用合金丝作发热元件，合金丝电阻随t变化的关系如图中实线所示，由于环境温度以及熨烫的衣物厚度、干湿等情况不同，熨斗的散热功率不同，因而熨斗的温度可能会在较大范围内波动，易损坏衣物。有一种用主要成分为BaTiO3被称为“PTC”的特殊材料作发热元件的电熨斗，具有升温快、能自动控制温度的特点。PTC材料的电阻随温度变化的关系如图中实线所示。根据图线分析：(1)为什么处于冷