高中物理 第六章第二节 传感器的应用课件 新人教版选修32.ppt

教学教法分析 课前自主导学 当堂双基达标 课后知能检测 教学方案设计 课堂互动探究 2传感器的应用 课标要求1 通过实验 知道常见传感器的工作原理 2 列举传感器在生活和生产中的应用 课标解读1 了解传感器应用的一般模式 2 了解力传感器在电子秤上的应用 3 了解温度传感器在电熨斗 电饭锅上的应用 4 了解光敏元件的工作特性及其在火灾报警器中的应用 5 感受传感器技术给人类生活带来的便利 拓展学生的设计思路 教学地位本节知识在高考中尽管很少直接命题 但它与现实生活联系较紧密 是以后进一步学习自动控制 信息采集等知识的基础 学习本节时应引起足够的重视 新课导入建议2011年第十二届 未来伙伴杯 中国智能机器人大赛于2011年11月19日至20日落户国家历史文化名城 江苏省常熟市 各种机器人各显神通 赢得了在场观众的阵阵喝彩 你是否思考过这些机器人是如何实现现场互动以及完成各项复杂任务的呢 通过本节课的学习 你对传感器会有更进一步的理解 教学流程设计 1 基础知识 2 探究交流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 1 基本知识 1 力传感器的应用 电子秤 组成及敏感元件 由金属梁和 组成 敏感元件是 工作原理 应变片 应变片 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 膨胀系数 103 c 约103 c 103 c 3 光传感器的应用 火灾报警器 如图6 2 1甲 组成 发光二极管led 光电三极管和不透明的挡板 工作原理 如图6 2 1乙 平时光电三极管收不到led发出的光 呈现 状态 烟雾进入罩内后对光有 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 高电阻 散射 变小 2 思考判断 1 应变式力传感器可以用来测量重力 也可用来测牵引力 2 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 3 电饭锅内温度达到100 时 触点分离 切断电源 停止加热 3 探究交流如图6 2 2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 提示 冷库中温度较低时 导电液体积较小 此时两电极未与导电液接触 制冷机不工作 当冷库中温度升高 致使导电液受热膨胀 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 问题导思 1 分析传感器问题的一般思路是什么 2 分析传感器问题时要注意哪些方面 1 分析思路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 敏感元件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 传感器是把非电学量 如速度 温度 压力等 转换成电学量的一种元件 在自动控制中有着相当广泛的应用 有一种测量人体重的电子秤 其测量部分的原理图如图6 2 3中的虚线框所示 它主要由压力传感器r 电阻值会随所受压力的大小发生变化的可变电阻 显示体重大小的仪表a 实质是理想的电流表 组成 压力传感器表面能承受的最大压强为1 107pa 且已知压力传感器r的电阻与所受压力的关系如下表所示 设踏板和压杆的质量可以忽略不计 接通电源后 压力传感器两端的电压恒为4 8v 取g 10m s2 请回答 1 把r写成关于f的函数关系 2 该秤零起点 即踏板空载时 的刻度线应标在电流表刻度盘 a处 3 如果某人站在该秤踏板上 电流表刻度盘的示数为20ma 这个人的质量是 kg 1 如图6 2 4所示 两块水平放置的金属板距离为d 用导线 开关s与一个n匝的线圈连接 线圈置于方向竖直向上的变化磁场b中 两板间放一台小压力传感器 压力传感器上表面静止放置一个质量为m 电量为 q的小球 s断开时传感器上有示数 s闭合时传感器上恰好无示数 则线圈中的磁场b的变化情况和磁通量变化率分别是 答案 d 问题导思 1 你能举出一些生活 生产等方面应用传感器的例子吗 2 怎样利用传感器实现信息采集和自动控制 1 生活中的传感器 1 与温度控制相关的家用电器 如电饭煲 电冰箱 微波炉 空调 消毒碗柜等 都用到温度传感器 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 照相机中的光传感器和家用便携式电子秤的压力传感器等 2 农业生产中的传感器 1 湿度传感器 判断农田的水分蒸发情况 自动供水或停水 2 温度传感器和湿度传感器 可对上百个点进行温度和湿度监测 由于有了十分先进可靠的测试技术 有效地减少了霉变现象 3 工业生产中的传感器 1 生产的自动化和半自动化 用机器人 自动化小车 自动机床 各种自动生产线或者系统 代替人完成加工 装配 包装 运输 存储等工作 各种传感器使生产的自动运行保持在最佳状态 以确保产品质量 提高效率和产量 节约原材料等 2 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 4 飞向太空的传感器在航空 航天技术领域 传感器应用得较早 也应用得较多 在运载火箭 载人飞船中 都应用了大量的传感器供遥测和遥控系统使用 这些传感器对控制航天器的姿态 接收和发送信息 收集太空数据等都有重要作用 在载人飞船中还使用一类测量航天员各种生理状况的生理传感器 如测量血压 心电图 体温等 如图6 2 5是电饭煲的电路图 s1是一个磁钢限温开关 手动闭合后 当此开关温度达到居里点 103 c 时 会自动断开 且不能自动闭合 s2是一个双金属片自动控温开关 当温度低于70 c时 会自动闭合 温度高于80 c时 会自动断开 红灯是加热指示灯 黄灯是保温指示灯 分流电阻r1 r2 500 加热电阻丝r3 50 两灯电阻不计 1 分析电饭煲的工作原理 2 计算加热和保温两种状态下 电饭煲消耗的电功率之比 3 如果不闭合开关s1 能将饭煮熟吗 审题指导 解析 1 电饭煲盛上食物后 接上电源 s2自动闭合 同时手动闭合s1 这时黄灯被短路不亮 红灯亮 电饭煲处于加热状态 加热到80 c时 s2自动断开 s1仍闭合 水烧开后 温度升高至103 c时 开关s1自动断开 这时饭已煮熟 黄灯亮 电饭煲处于保温状态 由于散热 待温度降至70 c时 s2自动闭合 电饭煲重新加热 温度达到80 c时 s2又自动断开 再次处于保温状态 3 如果不闭合开关s1 开始s2总是闭合的 r1被短路 功率为p1 当温度上升到80 c时 s2自动断开 功率降为p2 温度降低到70 c s2自动闭合 温度只能在70 c 80 c之间变化 不能把水烧开 不能煮熟饭 答案 1 见解析 2 12 1 3 不能煮熟饭 1 明确所用敏感元件的特性 2 注意串 并联电路的分析与计算 2 2014 聊城高二检测 压敏电阻的阻值随所受压力的增大而减小 有位同学利用压敏电阻设计了判断小车运动状态的装置 其工作原理如图6 2 6甲所示 将压敏电阻和一块挡板固定在绝缘小车上 中间放置一个光滑的绝缘重球 小车向右做直线运动过程中 电流表示数变化与时间t的关系如图6 2 6乙所示 下列判断正确的是 a 从t1到t2时间内 小车做匀速直线运动b 从t1到t2时间内 小车做匀加速直线运动c 从t2到t3时间内 小车做匀速直线运动d 从t2到t3时间内 小车做匀加速直线运动 解析 当小车有向右的恒定加速度时 球对压敏电阻的压力是恒力 压敏电阻的阻值就保持不变 电路中有恒定的电流 故从乙图可看出 从0到t1 压敏电阻受的压力为恒力 可能为零 小车可能做匀速运动 也可能做匀加速运动 而从t1到t2时间内 压敏电阻所受压力大于0到t1时的压力 且越来越大 t2到t3时间内 压敏电阻受恒力且大于从0到t1时的压力 故从t1到t2时间内 小车做加速度越来越大的运动 从t2到t3时间内 小车做匀加速直线运动 答案 d 如图6 2 7所示 甲为在温度为10 左右的环境中工作的某自动恒温箱原理简图 箱内的电阻r1 20k r2 10k r3 40k rt为热敏电阻 它的电阻随温度变化的图线如图乙所示 a b端电压uab 0时 电压鉴别器会令开关s接通 恒温箱内的电热丝发热 使箱内温度升高 当a b端电压uab 0时 电压鉴别器会令开关s断开 停止加热 则恒温箱内的温度可保持在 a 10 b 20 c 35 d 45 审题指导 由题可知 uab 0是电热丝加热和停止加热的临界状态 根据串联分压知识可求得uab 0时rt的阻值 然后由乙图读出对应的温度 规范解答 通过审题可知uab 0是一个电压的临界点 对应着开关s的动作 而开关的动作对应着温度的上升或下降 由电路分析可知 在r1 r2 r3给定的条件下 热敏电阻rt的阻值决定了uab的正负 设电源负极的电势为零 答案 c 本题利用热敏电阻为传感器 将温度变化的信号转化为电信号 结合电子线路来控制加热电路 正确的电路分析 计算及看懂热敏电阻的电阻值随温度变化的曲线 是解决本类习题的关键 1 多选 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的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 输出的电压差值也越大 解析 应变片多用半导体材料制成 故选项a错 b对 传感器输出的是上 下两应变片上的电压差 并且随着外力的增大 输出的电压差值也就越大 故c错 d对 故正确答案为b d 答案 bd 2 2014 龙岩高二检测 下列有关传感器的说法中错误的是 a 汶川大地震时用的生命探测仪利用了生物传感器b 嫦娥二号 卫星星载的立体相机获取月球数据利用了光学传感器c 电子秤称量物体质量是利用了压力传感器d 火灾报警器能够在发生火灾时报警是利用了温度传感器 解析 生命探测仪是利用生物传感器 立体相机是利用光学传感器 电子秤是利用压力传感器 火灾报警是在烟雾浓度达到一定程度时能够输出电信号 使警铃发声或使红灯闪烁 自动报警 利用了烟雾传感器而不是利用了温度传感器 a b c对 d错 答案 d 3 多选 关于电饭锅的说法正确的是 a 电饭锅中的温度传感器其主要元件是氧化铁b 铁氧体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 电饭锅中的温度传感器其主要元件是感温铁氧体 它是由氧化锰 氧化锌和氧化铁粉末混合烧结而成的 其特点是常温下具有铁磁性 能够被磁体吸引 温度达到约103 失去铁磁性 水沸腾后 由于锅内保持100 不变 故感温磁体仍与永磁体相吸 继续加热 直到饭熟后 水分被大米吸收 锅底温度升高 当温度升至103 时 感温磁体失去铁磁性 在弹簧作用下 永磁体被弹开 触点分离 它不能自动复位 切断电源 从而停止加热 答案 bd 4 多选 如图6 2 8是自动调温式电熨斗 下列说法正确的是 a 常温时上下触点是接触的b 双金属片温度升高时 上金属片形变较大 双金属片将向下弯曲c 原来温度控制在80 断开电源 现要求60 断开电源 应使调温旋钮下调一些d 由熨烫丝绸衣物状态转化为熨烫棉麻衣物状态 应使调温旋钮下移一些 解析 常温工作时 上下触点是接通的 当温度升高时 上层金属片形变大 向下弯曲 切断电源 原来温度控制在80 断开电源 现要求60 断开 应使调温旋钮上调一些 熨烫棉麻衣物时 温度要升高 则应使调温旋钮下移一些 a b d对 c错 答案 abd 5 2014 芜湖高二检测 驾驶员酒后驾车已成为安全行驶的重大隐患 为此全国上下掀起了一场严查酒后驾驶的安全检查行动 芜湖市酒后驾驶集中整治行动于2009年8月15日全面开始 交通警察在执行任务过程中 要使用一种酒精测试仪检测驾驶员是否属于酒后驾驶 其内部结构如图6 2 9所示 其中酒精气体传感器的电阻随酒精气体浓度的变化而变化 不同酒精浓度对应着传感器的不同电阻 这样显示仪器上的示数就与浓度有对应关系 如果酒精气体传感器的电阻的倒数与酒精气体的浓度成正比 那么电压表示数u与酒精气体浓度c之间的对应关系正确的是 a u越大 表示c越大 c与u成正比b u越大 表示c越大 但c与u不成正比c u越大 表示c越小 c与u成正比d u越大 表示c越小 但c与u不成正比 答案 b 备选习题 教师用书独具 1 传感器的种类多种多样 其性能也各不相同 空调机在室内温度达到设定的温度后 会自动停止工作 空调机内使用的传感器是 a 生物传感器b 红外传感器c 温度传感器d 压力传感器 解析 空调机根据温度调节工作状态 所以内部使用了温度传感器 故c正确 答案 c 2 多选 家用电烙铁在长时间使用过程中 当暂不使用时 如果断开电源电烙铁会很快变凉 而再次使用时 温度不能及时达到要求 如果长时间闭合电源 又浪费电能 为改变这种不足 现将电烙铁改成如图教6 2 1所示电路 其中r0是适当的定值电阻 r是电烙铁 则 a 若暂不使用 应断开sb 若暂不使用 应闭合sc 若再次使用 应闭合sd 若再次使用 应断开s 解析 电压恒定不变 保温时应该增加电阻 从而减小功率 故应断开s 同理再次使用时 减小电阻 应闭合s 增大功率 答案 ac 3 一般的电熨斗用合金丝作发热元件 合金丝电阻随温度t变化的关系如图教6 2 2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 为什么原处于冷态的ptc熨斗刚通电时比普遍电熨斗升温快 2 通电一段时间后电熨斗温度t自动地稳定在t t t 范围之内 填下标数字 3 说明熨斗的温度为何能稳定在一定范围内 解析 解答此题的关键是要看懂图中涉及的物理量的含义 图线 说明合金的电阻基本上不随温度的变化而变化 图线 说明在较低的温度