(山东省)高中物理选修1-1讲义：传感器的应用

1、 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。 宀有一种火灾报警器是利用了光传感器的作用， . 、传感器应用的一般模式 、传感器的应用实例 1. 力传感器的应用电子秤 (i)(i) _ 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: 金属梁 金属梁 应变片 I两应变片上 自由端 ? 发生 ?的电阻?电压的差值 受力 F 弯曲 变化 |变化 (3)作用

2、：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 一 电熨斗 电饭锅 敏感兀件 双金属片 感温铁氧体 传感器的应用 谍前n左学列基稳才葩權高 即利用烟雾对光的散射来工 传感器 要记牢 关键语旬 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 系数不冋，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 C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 C时， 铁氧体失去磁性，永久磁铁失 去吸引力，被弹簧片弹开，从

3、 而推动杠杆使触点开关断开 3.光传感器的应用一一火灾报警器 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 烟雾进入 部分光线照 罩内后对4射到光电三 光线散射 极管上 1. 自主思考一一判一判 (1) 传感器可以直接用来进行自动控制。 ( (X ) (2) 传感器可以用来米集信息。 ( (V) 传感器可以将所有感受到的信号都转换为电学量。 ( (X) (4) 鼠标是力传感器。( (X ) (5) 电吉他是光电传感器。 ( (X ) (6) 火灾报警器是温度传感器。 ( (X ) 2. 合作探究一一议一议 (1)生活中与温度控制相关的家用电器有很多，试举例说明

4、。 提示：电饭煲、电冰箱、电冰柜、微波炉、空调、消毒柜等。 分析传感器问题应注意哪些问题？电阻 变小 与传感器连接的 寺电路检测到其变 化发出警报 甲氏花板上的火灾报警盟 乙结构和原理 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、 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。 (

5、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 C,不会再升高，而使感温铁氧体失去磁性的温度为 103 C，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 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

6、。汽车静止时，传感器 a、b 的示数均为 10 N(取 g= 10 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 F1= 14 N ,丘 尸亓 门 右侧弹簧对滑块向左的推力 F2= 6.0 N，滑块所受合力产生加速度 a1, 根据牛顿第二定律有 F1- F2= ma1, 课堂讲

7、练设计.举一能逋类题 2.0 等。 rrr F 1_ F2 14 6.0 . 2 2 得 a1= = m/s = 4.0 m/ s 。 m 2.0 ai与 Fi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 Fi = 0，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 F2 = 20 N。滑块所受合力产生 加速度，由牛顿第二定律得 F合=F2 = ma2, 得 a2=巳一=10 m/s2,负号表示方向向后（向左）。 m 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。

8、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。 通题组 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

9、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 Pi、P2两个滑动头，Pi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， Pi刚好指着 A 端，Pi与托盘固定相连。若 Pi、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 mo,电源电动势为 E，内阻不计，当地的重力加速度 为 g。求： 托盘上放有质量为 m 的物体时，Pi与 A 端的距离 X2。 在托盘上未放物体时通常先校准零点， 其方法是：调

10、节 P2,使 P2离 A 端的距离也为 xi,从而使 Pi、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 Pi、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： mg= kxi，解得 xi=畀閉。 (2) 放上物体 m 重新平衡后： mog+ mg= kx2, 解得 x2=严。 (3) 托盘的移动带动 Pi移动，使 Pi、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： E = IR，由部分电路欧姆定律知： U = IR串(R串为 Pi、P2间电阻) )

11、 由 RF= L，其中 x 为 Pi、P2间的距离， 则 x=X2xi=mg 联立解得：m=器。 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 E = 9.0 V，内阻 可忽略不计；G 为灵敏电流表，内阻 r 保持不变；Ro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 C时，电流表示数 Ii= 2.25 mA。则当电流表的示 数 3.6 mA时，热敏电

12、阻 R 的温度是多少摄氏度？ 思路点拨本题的解答思路为答案：罟咛 7 (3)m= kLU gE J 20 40 SO 80100120140 160 解析(1)题中的 R-t 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 R = kt+ b。由图像知 ti= 0 C 时，Ri= 4.25 k Q 得 b= 4.25，再根据 t2= 120 C 时，R2= 2 kQ,得 k=- 0.018 75，所以 R 与 t 的关系式为 R =- 0.018 75t+ 4.25(k Q) 根据题中的 R-t 图像，t3= 40 C时，热敏电阻的阻值 R3= 3.5 k Q有 E =

13、1十+ Ro + R3);电流 I2= 3.6 mA 时，设热敏电阻的阻值为 R4,有 E = (r+ Ro+ R4)，代入数据可解得 R4= 2 k Q,由题中的 R-t 图像或将 R4= 2 k Q代入 R 与 t 的关系式可得 120 C) 答案(1)R= 0.018 75t+ 4.25(k Q (2)120 C 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。 通题组 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

14、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I )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 C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 Q),直流电源( (输出电压为 U，内阻不计), 滑动变阻器R1(

15、最大阻值为 1 000 Q)滑动变阻器 R2(最大阻值为 2 000 Q)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,lc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 C时阻值为 650.0 Q) (1) 完成待调节的报警系统原理电路图的连线。由图知热敏电阻 为负温度系数热 敏电阻 由温度与电阻成 线性关系求出对 应的电阻 由欧姆定律 得电流对应 的温度值 | I报警搭 电源 ZIE_ 4.血 开关I ； 电限仅 c I d 潸动变阻器 _ iz5 _ 梢矗电阻 （2） _ 电路中应

16、选用滑动变阻器 （填 Ri”或代2”。 （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 _ Q ; 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 U = Ic（R 滑+ R 热） 代入数据可得 R滑=1 150.0 Q,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

17、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 Q。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 650.0 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）650.0 b 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 一、基础题備熟 课后层级训练，步步提升能力 1 下列器件是应用力传感器的是 （ ） A 鼠标器 B.火灾

18、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 0K 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

19、：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， Ri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 Ri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 Ri时，信号处理系统获得低电压 B.当有光照射 Ri时，信号处

20、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 Ri时，Ri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 = E，电路中的电流增大， R2是定值电阻，U2= IR2, R2两端电压增大，信 R总 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.

21、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 C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 C,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

22、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 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

23、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。 二、易错题窗 B 月 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 0 点的距离为 s,则这段时间内导弹的加速度 （ ） B.当滑动触头 P

24、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 滑杆潸块 A .方向向左，大小为 ks B.方向向右，大小为 ks 解析：选 D 当指针向左偏离 0 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

25、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

26、表达式 2 THR V = P 。 (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 niR 2 冗 NR (2) v = p ( (3) )s p 三、能力题筋通 9. 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 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 Ri时，处理系统获得高电压 B.当有光照射 Ri时，处理系统获得低电压 C 信号处理系统每获得一次低电

27、压就计数一次 C .方向向左，大小为 2ks D .方向向右，大小为 2ks Ri为光敏电阻，R2 D 信号处理系统每获得一次高电压就计数一次 解析：选 AD Ri、R2和电源组成一个闭合电路，当激光照到光敏电阻 Ri时，Ri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 （ ） A .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

28、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 BaTiO 3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 线（导找 图 2 To Ti T? T3 Ti 7g Tn Tt Tit 图线分析： （1）为什么处于冷态的 PTC 熨斗刚通电时比普通电熨斗升温快？ 通电一段时间电熨斗温度 t 自动稳