物理选修3262课件

1.了解传感器在日常生活中的应用.2.了解传感器工作的一般模式.3.会分析简单的传感器的应用电路和结构图及原理图.4.能设计简单的应用传感器的自动控制电路.重点：1.传感器在实际工作中的应用.2.传感器应用的工作流程、原理、电路和相关图象.难点：1.传感器应用的工作原理、电路和相关图象的分析.2.自己设计简单的应用传感器的自动控制电路.【思考】应用传感器的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为电学量的信号往往很弱，所以一般要通过放大电路放大.【思考】传感器应用中信号是如何显示或处理的？提示:通过执行机构自动化完成相应的操作，或通过指针式电表或显示器把要反映的情况表示出来，或通过计算机系统储存或做进一步分析、判断,显示出问题(信号)的变化情况.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).【典例1】如图甲(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甲(b)所示，试根据这一特性由图乙中给定的器材设计一个自动光控电路．【解题指导】(1)此设计要求由光控制电路.(2)了解核心元件的特性.(3)通过信号放大器将信号放大.(4)利用电磁继电器实现电路的开关控制电路.答案：见标准解答图【变式训练】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】选A.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.(一)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.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，上部金属膨胀大，下部金属膨胀小，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：常温下具有磁性，能被磁体吸引，但是温度上升到约103℃时，就失去了磁性，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.(三)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.【标准解答】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(2)放上物体m重新平衡后：m0g+mg=kx2,解得(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)由其中x为P1、P2间的距离，则联立解得：答案：(1)m0g/k(2)(m+m0)g/k(3)m=kLU/gE【规律方法】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应用.【变式训练】如图所示为一种加速度仪的示意图.质量为m的振子两端连有劲度系数均为k的轻弹簧，电源的电动势为E，不计内阻，滑动变阻器的总阻值为R，有效长度为L，系统静止时滑动触头位于滑动变阻器正中，这时电压表指针恰好在刻度盘正中.求：(1)系统的加速度a(以向右为正)和电压表读数U的函数关系式.(2)将电压表刻度改为加速度刻度后，其刻度是均匀的还是不均匀的？为什么？(3)若电压表指针指在满刻度的3/4位置，此时系统的加速度大小和方向如何？【解析】(1)当振子向左偏离中间位置x距离时，由牛顿第二定律得:2kx=ma①电压表的示数为:②由以上两式解得a=(E-2U)③(2)均匀，因为加速度a与电压表示数U是一次函数(线性)关系.(3)当滑动触头滑到最右端时，电压表最大示数Um=E，电压表指针指在满刻度的3/4位置时，U=代入③式解得a=方向向左.答案：(1)a=(E-2U)(2)见解析(3)a=方向向左【变式备选】如图所示，小铅球P系在细金属丝下，悬挂在O点，开始时小铅球P沿竖直方向处于静止状态，当将小铅球P放入水平流动的水中时，球向左摆动一定的角度θ,水流速度越大，θ越大.为了测定水流对小铅球作用力的大小，在水平方向固定一根电阻丝BC，其长度为L，它与金属丝接触良好，不计摩擦和金属丝的电阻，C端在O点正下方处且OC=h.图中还有电动势为E的电源(内阻不计)和一只电压表，请你连接一个电路，使得当水速增大时，电压表示数增大.【解析】如图所示,设CA=x，P球平衡时，由平衡条件可得①根据闭合电路欧姆定律和部分电路的欧姆定律可得②根据电阻定律可得RL=③Rx=④由①、②、③、④式可得因为水流速度越大，θ越大，则U越大.答案：见解析【典例】如图甲所示为半导体材料做成的热敏电阻的阻值随温度变化的曲线，图乙为用此热敏电阻RT和继电器设计的温控电路，设继电器的线圈电阻为Rx=50Ω，当继电器线圈中的电流IC大于或等于20mA时，继电器的衔铁被吸合.左侧电源电动势为6V，内阻可不计，温度满足什么条件时，电路右侧的小灯泡会发光？【解题指导】执行元件是电磁继电器，原题给出了它的吸合电流，再通过闭合电路求解电路的总电阻，然后由图象查找满足灯泡发光的温度.【标准解答】热敏电阻与继电器串联，若使电流不小于IC=20mA，则总电阻不大于R总=E/IC=300Ω.由于R总=RT+Rx，则RT不大于250Ω.由甲图可看出，当RT=250Ω时，温度t=50℃，即温度不小于50℃.答案：温度不小于50℃时，电路右侧的小灯泡会发光对电路的作用不清而错误判断如图所示是一种延时开关，当S1闭合时，电磁铁F将衔铁D吸下，C线路接通.当S1断开时，由于电磁感应作用，D将延迟一段时间才被释放.则()A．由于A线圈的电磁感应作用，才产生延时释放D的作用B．由于B线圈的电磁感应作用，才产生延时释放D的作用C．如果断开B线圈的电键S2，无延时作用D．如果断开B线圈的电键S2，延时将变长【正确解答】选B、C.当S1断开时，由于通过B线圈的磁通量发生变化，而有感应电流产生，由楞次定律知这个电流产生的磁场与原磁场同向，故仍有磁场对D的引力作用，使D将延迟一段时间才被释放，故选项B、C正确.【易错分析】本题易错选A项.其原因是误认为S1断开后会在A线圈上产生自感现象.实际上此时A线圈中虽然有自感电动势，但是由于A线圈不闭合而无感应电流.1.许多办公楼及宿舍楼的楼梯上的电灯到了晚上能够自动做到“人来即亮，人走即灭”，其神奇功能在于控制灯的“开关”传感器，下面有关该传感器的说法中正确的是()A.该传感器能够测量的物理量是位移和温度B.该传感器能够测量的物理量是位移和光强C.该传感器能够测量的物理量是光强和声音D.该传感器能够测量的物理量是压力和位移【解析】选C.由题意可以猜想该传感器能够感受光强弱的变化及声音(或振动)的变化,A、B、D错，C对.2.下列说法正确的是()A．话筒是一种常用的声传感器，其作用是将电信号转换为声信号B．电熨斗能够自动控制温度的原因是它装有双金属片温度传感器，这种传感器作用是控制电路的通断C．电子秤所使用的测力装置是力传感器D．半导体热敏电阻常用作温度传感器，因为温度越高，它的电阻值越大【解析】选B、C.话筒是将声音信号转化为电信号的装置，A错；电熨斗内的双金属片，是利用它的热胀冷缩程度的不同，使电路随温度的改变实现通、断的，B正确；电子秤所使用的测力装置是力传感器，C正确；半导体热敏电阻温度越高，它的电阻值越小，D错.3.“嫦娥二号”卫星上携带7件探测仪器，其中可能有()A.味觉传感器B.气体传感器C.听觉传感器D.视觉传感器【解析】选D.“嫦娥二号”卫星是为探测月球而发射的在轨卫星，而月球上无气体，所以不需要气体传感器和听觉传感器，当然也用不到味觉传感器，但需要的是为月球“照相”的视觉传感器——CCD立体相机.4.为了节约能源，合理适时地使用路灯，要求夜晚亮、白天熄，利用半导体的某种特性制成自动点亮熄灭的装置，实现了自动控制.这是利用半导体的()A.压敏性B.光敏性C.热敏性D.三种特性都利用了【解析】选B.由题意可知，这一装置要对光敏感，能区分白天(光线强)与夜晚(光线暗)，B正确，虽然白天与夜晚温度也不相同，但温度除与昼夜有关外，还与季节有关，因此C错.灯亮熄与压力更无关系，A错、D错.5.氧化锡传感器主要用于汽车尾气中一氧化碳浓度的检测，它的电阻随一氧化碳浓度的变化而变化.在如图甲所示的电路中，不同的一氧化碳浓度对应着传感器的不同电阻，这样，电压表的指针位置就与一氧化碳浓度有了对应关系，观察电压表指针就能判断一氧化碳浓度是否超标.有一种氧化锡传感器，其技术资料中给出的是电导(即电阻的倒数)——CO浓度曲线，如图乙所示.在下列表示一氧化碳浓度c与电压表示数U0之间关系的图象中正确的是()【解析】选D.U0=IR0=一氧化碳浓度c增大，电导增大，电阻R传减小，U0增大,一氧化碳浓度c与电压表示数U0之间的关系是正相关关系，但不是正比关系.选项D正确.6.电子秤中常用的一种力传感器是由金属梁和______制成的.________是一种敏感元件，多由______材料制成.【解析】电子秤多数是用半导体材料制成的应变片,利用它的因拉伸或压缩时的电阻变化的特性,制成敏感元件.答案：应变片应变片半导体7.如图所示是一种悬球式加速度仪，它可以用来测定沿水平轨道运动的列车的加速度.金属球的质量为m，它系在金属丝的下端.金属丝的上端悬挂在O点.AB是一根长