2019_2020学年高中物理第三章传感器第三节第四节传感器的应用用传感器制作自控装置学案粤教版选修3_2.docx

教学资料范本2019_2020学年高中物理第三章传感器第三节第四节传感器的应用用传感器制作自控装置学案粤教版选修3_2编 辑：_时 间：_第三节 传感器的应用 第四节 用传感器制作自控装置学科素养与目标要求物理观念：了解传感器在日常生活和生产中的应用科学探究：1.通过实验或演示实验，认识传感器在技术或生产中的应用.2.能设计简单的传感器应用电路科学态度与责任：通过对传感器原理及应用的了解，体会所学知识在实际应用中的价值，增强学习兴趣并培养正确的科学态度一、传感器的应用1生活中的传感器电饭煲、电冰箱、微波炉、空调机、消毒碗柜等与温度控制相关的家用电器，几乎都要用到温度传感器；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，均使用了红外线传感器；另外还有照相机中的光敏传感器、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无人管理的自动灌溉系统利用了湿度传感器；自动化温室种植中，温室的自动控温就是在温度传感器的帮助下实现的；现代粮库采用了温度传感器和湿度传感器3工业生产中的传感器生产安全中，如将一种埋入式光纤传感器安置在大桥或水坝中，随时可以监测大桥或水坝的裂痕等安全隐患；在自动控制系统中，如数控机床中的位移测量装置就是利用高精度位移传感器(如光栅传感器)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运载火箭、载人飞船中，应用传感器供遥测和遥控系统使用；对宇航员各种生理状况的测量有生理传感器，如测量血压、心电图、体温等二、用传感器制作自控装置课题：应用光敏电阻制作光控自动照明灯电路图1实验器材二极管VD、晶闸管VS、光敏电阻RG、电阻R(7.5M)、灯泡L.实验原理由晶闸管VS与电灯L构成主回路，控制回路由R与RG组成的分压器及二极管VD构成，如图1所示(1)当白天自然光线较强时，光敏电阻呈低电阻，与R分压后使晶闸管VS门电极处于低电平，VS关断(2)当夜幕降临时，照在RG上的自然光线减弱，RG呈高阻，使VS的门电极处于高电平，VS获正向触发电压而导通，灯L亮(3)改变R的阻值，即改变其与RG的分压比，可调整电路的起控点1判断下列说法的正误(1)电子秤中的应变片的电阻随形变大小而变化()(2)电熨斗和电饭锅都是利用双金属片控制电路通断的()(3)火灾报警器中的光电三极管的电阻随光照的增强而变小()(4)利用红外线敏感元件可以实现无接触测温()2电子打火机的点火原理是压电效应，压电片在受压时会在两侧形成电压且电压大小与压力近似成正比现有一利用压电效应制造的电梯加速度传感器，如图2所示压电片安装在电梯地板下，电压表与压电片构成闭合回路用来测量压电片两侧形成的电压若发现电压表示数增大，则电梯加速度一定_(填“向上”或“向下”)，电梯可能_(填“加速”或“减速”)下降图2答案向上减速一、传感器的应用分析1传感器的应用步骤(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分析传感器应注意的四个分析(1)检测量分析：要明确传感器所检测的量，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)执行机构分析：分析非电学量与电学量之间的转换过程，分析根据所获得的信息控制执行机构进行工作的过程例1如图3甲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，调节滑动变阻器的滑片，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乙所示，试根据这一特性用图丙中给定的器材设计一个自动光控电路并写出控制过程图3答案见解析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：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，灯开始工作二、传感器应用的实例分析1温度传感器的应用(1)电熨斗构造(如图4所示)图4敏感元件：双金属片工作原理：温度变化时，由于双金属片上层金属与下层金属的膨胀系数不同，双金属片发生弯曲从而控制电路的通断(2)电饭锅构造(如图5所示)图5敏感元件：感温铁氧体工作原理(i)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，这一温度称为该材料的“居里温度”(ii)自动断电原理：用手按上开关通电加热，开始煮饭，当锅内加热温度达到103时，铁氧体失去磁性，与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2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6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的大小图63光传感器的应用火灾报警器如图7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：图7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，就会发出警报例2如图8所示是电饭煲的电路图，S1是一个温控开关，手动闭合后，当此开关温度达到居里点(103)时，会自动断开S2是一个自动温控开关，当温度低于70时，会自动闭合；温度高于80时，会自动断开红灯是加热时的指示灯，黄灯是保温时的指示灯分流电阻R1R2500，加热电阻丝R350，两灯的电阻不计图8(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)简要回答，如果不闭合开关S1能将饭煮熟吗？答案见解析解析(1)接上电源，S2自动闭合，同时手动闭合S1，这时黄灯短路，红灯亮，电饭煲处于加热状态，加热到80时，S2自动断开，S1仍闭合；饭煮熟后，温度升高到103时，S1自动断开，黄灯亮，电饭煲处于保温状态，由于散热，待温度降至70时，S2自动闭合，电饭煲重新加热，温度达到80时，S2又自动断开，再次处于保温状态，如此循环(2)加热时电饭煲消耗的电功率P1，保温时电饭煲消耗的电功率P2，两式中R并，故.(3)如果不闭合S1，开始时S2是闭合的，R1短路，功率为P1；当温度上升到80时，S2自动断开，功率降为P2；温度降低到70，S2自动闭合温度只能在7080之间变化，不能将饭煮熟三、用温度传感器制作自动报警装置的设计例3传感器担负着信息的采集任务，在自动控制中发挥着重要作用，传感器能够将感受到的物理量(如温度、光、声等)转换成便于测量的量(通常是电学量)，例如热敏传感器，主要是应用了半导体材料制成的热敏电阻，某热敏电阻RT阻值随温度变化的图线如图9甲所示，图乙是由该热敏电阻RT作为传感器制作的简单自动报警器线路图图9(1)为了使温度过高时报警器铃响，c应接在_(填“a”或“b”)处(2)若要使启动报警的温度提高些，应将滑动变阻器的滑片P向_(填“左”或“右”)移动(3)如果在调试报警器达到最低报警温度时，无论如何调节滑动变阻器的滑片P都不能使报警器工作，且电路连接完好，各电路元件都能处于工作状态，则造成工作电路不能正常工作的原因可能是_答案(1)a(2)左(3)电源提供电压太小，以至于电磁铁磁性太弱或弹簧劲度系数太大解析(1)热敏电阻RT在温度升高时阻值变小，电路中电流变大，电磁铁磁性增强，把右侧衔铁吸引过来，与a接触，故c应接在a处(2)为使启动报警的温度提高，则应使电路中电阻更大，滑动变阻器的滑片应左移1(温度传感器的应用)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压力传感器答案C2(力传感器的应用)压敏电阻的阻值随所受压力的增大而减小，在升降机中将重物放在压敏电阻上，压敏电阻接在如图10甲所示的电路中，电流表示数变化如图乙所示，某同学根据电流表的示数变化情况推断升降机的运动状态，下列说法中正确的是()图10A0t1时间内，升降机一定匀速运动B0t1时间内，升降机可能减速上升Ct1t2时间内，升降机可能匀速上升Dt1t2时间内，升降机可能匀加速上升答案B解析在0t1时间内，电流恒定，表明压敏电阻的阻值恒定，则重物对压敏电阻的压力恒定，则升降机可能处于静止、匀速运动或匀变速直线运动状态，故A选项错误，B选项正确；t1t2时间内，电流在增加，表明压敏电阻的阻值在减小，则重物对压敏电阻的压力在增大，重物的加速度是变化的，故不可能做匀速运动或匀加速运动，C、D选项错误3.(电容式传感器的应用)如图11所示是一个测定液面高度的传感器，在导线芯的外面涂上一层绝缘物质，放在导电液中，导线芯和导电液构成电容器的两极把这两极接入外电路，当外电路中的电流变化显示电容值增大时，则导电液的深度h变化为()图11Ah增大Bh减小Ch不变D无法确定答案A解析由题意知，导线芯和导电液构成电容器的两极，类似于平行板电容器的两极当液面高度发生变化时相当于两极板正对面积发生变化，会引起电容的变化与平行板电容器类比可得，导电液体深度h增大时，导线芯和导电液正对面积增大，电容器的电容值变大一、选择题考点一温度传感器的应用1当出现某疫情时，在机场、车站等交通出入口，使用红外线热像仪，红外线热像仪通过红外线遥感，可检测出经过它时的发热病人，从而可以有效控制疫情的传播关于红外线热像仪，下列说法正确的是()A选择红外线进行检测，主要是因为红外线具有荧光效应B红外线热像仪通过发射红外线照射人体来检测C红外线热像仪同时还具有杀菌作用D一切物体都能发射红外线，而且物体在不同温度下发射的红外线的频率和强度不同答案D解析红外线热像仪是根据物体发射的红外线的频率和强度不同而工作的，故D正确2(多选)如图1所示是自动调温式电熨斗的结构图，下列说法正确的是()图1A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，应使调温旋钮下移一些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答案ABD解析常温时，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，切断温度要升高则应使调温旋钮下移一些，A、B、D对，C错考点二光传感器的应用3(多选)(20xx市高二检测)如图2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为由电动机带动的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，计数器就计数一次此计数器的基本工作原理是()图2A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答案BC解析当光照射R1时，R1阻值减小，R总减小，电源电压不变，故电路中的电流增大，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，A错误，B正确；当有人时信号处理系统获得低电压，计数器计数一次，C正确，D错误4.如图3所示，机器人装有作为眼睛的“传感器”，犹如大脑的“控制器”，以及可以行走的“执行器”，在它碰到障碍物前会自动避让并及时转弯下列有关该机器人“眼睛”的说法中正确的是()图3A力传感器B光传感器C温度传感器D声音传感器答案B解析遇到障碍物会绕开，说明它是光传感器，故选项B正确，A、C、D错误5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三种特性都利用了答案B解析由题意可知，这一装置要对光敏感，能区分白天(光线强)与夜晚(光线暗)，所以选项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错误；灯的亮熄与压力无关，A、D错误考点三力传感器的应用6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电压D外力越大，输出的电压差值越小答案B解析应变片是由半导体材料制成的，A错误；应变片的表面拉伸时，R变大，应变片压缩时，R变小，B正确；传感器输出的是应变片两个电压的差值，外力越大，输出电压差值越大，C、D错误7(多选)压敏电阻的阻值会随所受压力的增大而减小一同学利用压敏电阻设计了判断升降机运动状态的装置，如图4甲所示，将压敏电阻平放在升降机内，受压面朝上，在上面放一物体m，升降机静止时电流表示数为I0.某过程中电流表的示数如图乙所示，则在此过程中()图4A物体处于失重状态B物体处于超重状态C升降机一定向上做匀加速运动D升降机可能向下做匀减速运动答案BD解析电流表的示数变为2I0且保持不变，说明此时压敏电阻的阻值比升降机静止时小，压敏电阻所受压力变大，物体处于超重状态，即物体具有向上的加速度，B、D正确，A、C错误考点四电容式传感器的应用8(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5所示Q是绝缘支架，薄金属膜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振动时，电容发生变化，电路中形成变化的电流在膜片向右运动的过程中，有()图5A电容变大B电容变小C导线AB中有向左的电流D导线AB中有向右的电流答案AC9(多选)如图6所示，电容式触摸屏的构造主要是在玻璃屏幕上镀一层透明的薄膜导体层，再在导体层外加上一块保护玻璃，电容式触摸屏在触摸屏四边均镀上狭长的电极，在导体层内形成一个低电压交流电场在触摸屏幕时，由于人体是导体，手指与内部导体间会形成一个特殊电容(耦合电容)，四边电极发出的电流会流向触点，而电流强弱与手指到电极的距离成正比，位于触摸屏后的控制器便会计算电流的比例及强弱，准确算出触摸点的位置由以上信息可知()图6A电容式触摸屏的两极板分别是导体层和手指B当用手触摸屏幕时，手指与屏的接触面积越大，电容越大C当用手触摸屏幕时，手指与屏的接触面积越大，电容越小D如果用带了手套的手触摸屏幕，照样能引起触摸屏动作答案AB解析电容触摸屏在原理上把人体当作电容器元件的一个极板，把导体层当作另一个极板，故A正确；手指与屏的接触面积越大，即两个极板的正对面积越大，故电容越大，B正确，C错误；如果带了手套或手持不导电的物体触摸时没有反应，这是因为手与导体层距离较大，不能引起导体层电场的变化，D错误考点五自动控制电路的分析与设计10(多选)如图7所示，全自动洗衣机中的排水阀是由程序控制器控制其动作的，当进行排水和脱水工序时，控制铁芯1的线圈通电，使铁芯2运动，从而牵引排水阀的阀门排除污水以下说法中正确的是()图7A若输入的控制电流由a流入，由b流出，则铁芯2中A端为N极，B端为S极B若输入的控制电流由a流入，由b流出，则铁芯2中A端为S极，B端为N极C若a、b处输入交变电流，铁芯2不能被吸入线圈中D若a、b处输入交变电流，铁芯2仍能被吸入线圈中答案AD解析铁芯被通电螺线管磁化11.(多选)某同学设计的家庭电路保护装置如图8所示，铁芯左侧线圈L1由火线和零线并行绕成当右侧线圈L2中产生电流时，电流经放大器放大后，使电磁铁吸起铁质开关K，从而切断家庭电路仅考虑L1在铁芯中产生的磁场，下列说法正确的有()图8A家庭电路正常工作时，L2中的磁通量为零B家庭电路中使用的电器增多时，L2中的磁通量不变C家庭电路发生短路时，开关K将被电磁铁吸起D地面上的人接触火线发生触电时，开关K将被电磁铁吸起答案ABD解析由于零线、火线中电流方向相反，产生的磁场方向相反，所以家庭电路正常工作时，L2中的磁通量为零，选项A正确；家庭电路短路和用电器增多时均不会引起L2中磁通量的变化，选项B正确，C错误；地面上的人接触火线发生触电时，线圈L1中磁场变化引起L2中磁通量的变化，产生感应电流，吸起K，切断家庭电路，选项D正确二、非选择题12图9甲为在温度为10左右的环境中工作的某自动恒温箱的原理简图图9箱内的电阻R120k，R210k，R340k，Rt为热敏电阻，它的电阻随温度变化的图线如图乙所示当a、b端的电压Uab0时，电压鉴别器会使S断开，停止加热则恒温箱内的温度恒定在_.答案35解析设电路两端电压为U，当Uab0时，有R1R3，解得Rt20k，由Rtt图可知，当Rt20k时，t35.13.如图10所示，一热敏电阻RT放在控温容器M内；为毫安表，量程为6mA，内阻为