金榜夺冠物理第十一章第二单元第3课时.ppt

第二单元传感器第3课时传感器的原理及其应用 选修3 2第十一章交变电流传感器 基础回顾 1 传感器 传感器是指这样一类元件 它能感受例如力 温度 光 声 化学成分等 量 并能把它们转换成电压 电流等 量 或转换为电路的 从而能方便地进行测量 传输 处理和控制 2 传感器的元件 制作传感器时经常使用的元件有光敏电阻 热敏电阻 金属热电阻 霍尔元件等 1 热敏电阻是由半导体材料制成的 常态时其阻值约为10k 其电阻率随温度的变化而变化 温度升高时 其电阻率显著 答案 1 非电学电学电压2 1 减小 2 光敏电阻也是由半导体材料制成的 其电阻率在光照射下显著 在没有光照射下其阻值可以达到几十兆欧 在一般室内光照射下 电阻可以降到几千欧 利用多用电表的欧姆挡测量不同温度下的热敏电阻以及不同光照射条件下光敏电阻的阻值 就可以了解热敏电阻随温度以及光敏电阻随光照的变化规律 3 霍尔元件能够把磁感应强度转换成电压 当电流一定时 霍尔电压UH与磁感应强度B成 比 答案 2 减小 3 正 要点深化 1 传感器的定义国家标准GB7665 87对传感器有如下的定义 能感受规定的被测量 并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置 通常由敏感元件和转换元件组成 通俗地说 传感器在现代技术中是指这样一类元件 它能够感受诸如力 温度 光 声 化学成分等非电学量 并且能够按照一定的规律转换为电压 电流等电学量 其工作过程是通过对某一物理量敏感的元件 将感受到的信号按一定的规律转变为便于利用的电信号 把非电学量转换为电学量以后 就可以方便的进行测量 传输 处理和控制了 2 传感器的原理传感器感受到的通常是非电学量 如电压 温度 位移 浓度 速度等 而它传输的通常是电学量 如电压值 电流值 电荷量等 这些输出信号非常微弱 通常经过放大后再送给控制系统产生各种控制动作 传感器的原理也可以用下图表示 基础回顾 1 传感器应用的一般模式 2 传感器的分类目前对传感器尚无一个统一的分类方法 常用的分类方法有两个 1 按 分类 如输入量分别是温度 压力 位移 速度 加速度等非电学量时 相应的传感器称为温度传感器 压力传感器 位移传感器 速度传感器 加速度传感器 这种分类的方法给使用者提供了方便 容易根据测量对象选择需要的传感器等 2 按传感器的 分类 可分为电阻传感器 电容传感器 电感传感器 电压传感器 霍尔传感器 光电传感器 光栅传感器等 答案 2 1 输入量 2 工作原理 要点深化 1 力传感器的应用 电子秤 1 电子秤有应变片 电压放大器 模数转换器 微处理器和数字显示器等器件 电阻应变片受到力的作用时 它的电阻会发生变化 把应变片放在合适的电路中 他能够把物体形变这个力学量转换为电压这个电学量 2 工作原理 如下图所示 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 应变片的阻值变化就越大 如果让应变片中通过的电流保持恒定 那么上面应变片两端的电压变大 下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 2 声传感器的应用 话筒 1 如下图所示的话筒是一种把声信号转换为电信号的传感器 2 工作原理 金属膜片M和固定电极N形成一个电容器 Q是两个绝缘支架 电容器被直流电源充电后 当声波冲击薄金属膜片M而使之周期性振动时 电容器两极间距离的变化而导致电容大小发生变化 电容器的电荷量随之发生变化 电路中形成变化的电流 于是电阻R两端就输出了与声音变化规律相同的电压 3 温度传感器的应用 电熨斗 电饭锅 1 如下图所示 温度传感器一般由半导体材料制成的热敏电阻和金属热电阻制成 它是把热信号转换为电压信号而进行自动控制的 电熨斗的内部装有双金属片温度传感器 双金属片的膨胀系数不同 上层金属的膨胀大于下层金属 温度变化时 由于双金属片的膨胀系数不同从而控制电路的通断 以达到控制温度的目的 2 如右图所示 电饭锅中应用的温度传感器 其主要元件是感温铁氧体 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 能够被磁体吸引 但是当温度上升到 居里温度 或 居里点 约103 时 就失去了铁磁性 不能被磁体吸引了 电饭锅中的温度传感器起限温开关的作用 手动闭合 当感温铁氧体的温度上升到 居里点 时 开关自动断开 且不能自动复位 以此来控制电饭锅中的温度 结合传感器的选择题在近几年可谓雨后春笋 千姿百态 给人们耳目一新的感觉 那么 解答这类题的关键是要明确各类元件的特点 结合动力学和电学知识进行分析 从而作出正确的选择 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 加速度计的构造原理的示意图如右图所示 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 滑块原来静止于O点 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x 则这段时间内导弹的加速度 A 方向向左 大小为kx mB 方向向右 大小为kx mC 方向向左 大小为2kx mD 方向向右 大小为2kx m 解析 撇开陌生的信息 通过相似性联系 抓住主要信息并加以比较和分析 从而找到解答试题的正确方法 分析这类问题可知它与平时的受力问题是类似的 问题就转化为我们所熟悉的物理信息 即弹簧受力问题 由导弹沿水平向左偏移x 则以导弹为研究对象 弹簧一边受挤压 一边受拉伸 其受力情况如图 则合力F mg 2kx 加速度a 显然方向是向右的 故D项正确 答案 D 题型训练 1 演示位移传感器的工作原理如图所示 物体M在导轨上平移时 带动滑动变阻器的金属滑杆P 通过电压表显示的数据 来反映物体位移的大小x 假设电压表是理想的 则下列说法正确的是 A 物体M运动时 电源内的电流会发生变化B 物体M运动时 电压表的示数会发生变化C 物体M不动时 电路中没有电流D 物体M不动时 电压表没有示数 解析 物体M运动时 电压表测的对应电阻发生改变 所以其示数会发生变化 但整个电路的总电阻没改变 所以电路中的电流不变 答案 B 这类题目不涉及传感器的技术细节 在考查知识的同时 更多考查同学们对所学知识的理解能力 对实际问题的分析和判断能力 对图象信息的提取和加工能力 同样是知识考查 但经过命题者的匠心组合 题目的内容更加新颖 形式更加灵活 这是现今高考的热点趋势 有的同学因读不透材料 看不懂图象 得不到信息而坠入云里雾中 但若设置成直接考查直线运动 圆周运动等知识的题目 又显得索然无味 将基本知识 基本规律融入新情景中 正是命题专家绞尽脑汁 苦心经营的结果 将金属块m用压缩的轻弹簧卡在一个矩形的箱中 如右图所示 在箱的上顶板和下底板装有压力传感器 箱可以沿竖直轨道运动 当箱以a 2 0m s2的加速度竖直向上做匀减速运动时 上顶板的压力传感器显示的压力为6 0N 下底板的压力传感器显示的压力为10 0N 取g 10m s2 1 若上顶板压力传感器的示数是下底板压力传感器的示数的一半 试判断箱的运动情况 2 要使上顶板压力传感器的示数为零 箱沿竖直方向运动的情况可能是怎样的 解析 1 当箱子以a 2 0m s2的加速度竖直向上做匀减速运动时 对金属块进行受力分析得 mg FN F ma 代入数值得m 0 50kg 由于弹簧长度不变 F 10N当上顶板压力传感器的示数是下底板压力传感器的示数的一半时 对金属块受力分析应用牛顿第二定律可得mg F F ma1 可解得a1 0 箱子处于静止或匀速直线运动 2 当上顶板压力传感器的示数为零时 FN 0 由牛顿第二定律得mg F ma2 解得a2 10m s2 负号表示a方向向上 若箱和金属块的加速度a 10m s2时 进一步压缩弹簧 此时传感器示数也为0 因此 只要a 10m s2 均能使上顶板压力传感器的示数为零 所以箱子可能做a 10m s2竖直向上的匀加速直线运动或竖直向下的匀减速直线运动 答案 1 箱子处于静止或匀速直线运动 2 箱子可能做a 10m s2竖直向上的匀加速直线运动或竖直向下的匀减速直线运动 点评 通过压力传感器 可以把物体的运动状态问题转换为力的测量问题 只要测得所受力就可以知其运动状态 本题最关键的一点是上下板都有示数 弹簧长度不变则弹力不变 故下底板示数仍为10N 题型训练 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 题型训练 1 托盘上未放物体时 在托盘自身重力作用下 P1离A的距离x1 2 托盘上放有质量为m的物体时 P1离A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点的距离也为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 移动托盘带动P1的移动 使P1 P2间出现电势差 电势差大小反映了托盘向下移动的距离大小 因R为均匀的滑线电阻器 故其阻值与长度成正比 1 由平衡条件得 m0g kx1 解得 2 托盘放上重物重新平衡后有 m0g mg kx2 解得 3 设电路中的电流为I 由闭合电路欧姆定律知E IR设P1 P2间的电阻为Rx 距离为x 则根据部分电路欧姆定律得U IRx 又解得答案 1 x1 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 其工作原理如下图 a 所示 将压敏电阻和一块挡板固定在绝缘小车上 中间放置一个绝缘重球 小车向右做直线运动过程中 电流表示数如下图 b 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 错解 由图 b 可知 在t1 t2时间内 电流是均匀增加的 说明小车正在向右做匀加速直线运动 故B正确 在t2 t3时间内 电流大小不变 说明压敏电阻大小不变 小车的加速度等于零 说明小车正在向右做匀速直线运动 故C正确 选BC 分析纠错 以上错解的原因在于不能通过电流