2024-2025学年新教材高中物理第5章传感器及其应用第2节科学制作：简单的自动控制装置第3节大显身手的传感器学案鲁科版选择性必修2

PAGE9-第2节科学制作：简洁的自动限制装置第3节大显身手的传感器学习目标：1.[科学探究]利用传感器制作简洁的自动限制装置，进一步理解传感器的工作原理。2.[科学思维]了解敏感元件在自动限制电路中的作用。3.[科学看法与责任]了解生活中传感器的简洁应用及给人类生产、生活带来的便利。阅读本节教材，梳理必要学问点。一、简洁的自动限制装置1．试验目的(1)设计并制作光报警装置。(2)设计并制作温度报警装置。(3)了解制作的报警装置的工作原理。2．试验器材光敏电阻、热敏电阻、温度计、干电池、手电筒、蜂鸣器、开关、导线、变阻器。3．试验原理与设计(1)光报警装置：如图所示，利用光敏电阻作限制元件，从而通过光线来实现自动限制，当光照强度发生变更时，电阻R发生变更，电路中的电流变更，当R的阻值变更到肯定值时，蜂鸣器发生报警。(2)温度报警装置：如图所示，利用热敏电阻作限制元件，从而通过温度来实现自动限制，当温度发生变更时，电阻RT发生变更，电路中的电流变更，当RT的阻值变更到肯定值时，蜂鸣器发生报警。4．试验步骤(1)光报警装置试验步骤①依据电路图将各元件组装到集成电路试验板上。②检查各元件的连接，确保无误。③接通电源，调整滑动变阻器，使蜂鸣器在一般光照条件下不报警。④用黑纸渐渐遮住光敏电阻，留意蜂鸣器是否发声，并做好记录。⑤渐渐撤掉黑纸，留意蜂鸣器是否发声，并做好记录。(2)温度报警装置①依据电路图将各元件组装到集成电路试验板上。②检查各元件的连接，确保无误。③接通电源，调整滑动变阻器，使蜂鸣器常温下不发声。④用热水使热敏电阻的温度上升，留意蜂鸣器是否发声，并做好记录。⑤将热敏电阻从热水中取出，留意蜂鸣器是否发声，并做好记录。二、大显身手的传感器1．自动感应门(1)限制自动门的开关装有一种红外线传感器(2)自动门系统三环节：检测门前是否有人，推断结果发出指令，执行指令2．洗衣机的水位限制装置全自动洗衣机的水位限制装置中运用压力传感器，当筒内水位到达设定高度时，凸起的膜片使动触点接触限制电路的静触点，使限制电路接通，关闭进水电磁阀门，同时接通洗涤电动机电源。3．指纹识别器指纹识别器是通过电容传感器来识别指纹的。手指皮肤与电容传感器表面构成了电容阵列，指纹的脊和谷相对于另一极板的距离不同，使电容阵列中不同位置的电容器电容不同。4．机器人(1)机器人传感器的分类：机器人传感器分为外部传感器和内部传感器。(2)传感器用途①外部传感器用于感知外部工作环境和外界事物对机器人的刺激。使机器人拥有类似人的视觉、听觉、触觉、嗅觉、味觉等感觉。②内部传感器(如角度传感器、关节传感器等)用于检测机器人自身的状态。思索推断(正确的打“√”，错误的打“×”)(1)洗衣机的自动限制装置利用了压力传感器。 (√)(2)自动门利用了红外线传感器。 (√)(3)指纹识别器是利用压力传感器。 (×)(4)机器人利用多种传感器从而具有拟人化的特点。 (√)(5)自动限制装置的设计是利用敏感元件的特性设计的。 (√)简洁的自动限制装置1.数据测量(1)光报警装置中记录滑动变阻器滑片的位置，光敏电阻特性、光照强度与蜂鸣器报警的关系光敏电阻特性测量步骤：①将光敏电阻、多用电表、灯泡、滑动变阻器按试验原理图甲所示电路连接好，其中多用电表置于“×100”挡；甲②先测出在室内自然光的照耀下光敏电阻的阻值，并记录数据；③打开电源，让小灯泡发光，调整小灯泡的亮度使之渐渐变亮，视察多用电表表盘指针显示电阻阻值的状况，并记录；④用手掌(或黑纸)遮光时，视察多用电表表盘指针显示电阻阻值的状况，并记录。依据记录数据分析光敏电阻的特性；⑤光敏电阻在暗环境下电阻值很大，强光照耀下电阻值很小；⑥试验中，假如效果不明显，可将电阻部分电路放入带盖的纸盒中，并通过盖上小孔变更射到光敏电阻上的光的多少来达到试验目的；(2)温度报警装置中记录滑动变阻器滑片的位置，热敏电阻特性、温度与蜂鸣器报警的关系热敏电阻特性测量步骤：①按试验原理图乙连接好电路，将热敏电阻绝缘处理；乙②把多用电表置于欧姆挡，并选择适当的量程测出烧杯中没有水时热敏电阻的阻值，并登记温度计的示数；③向烧杯中注入少量的冷水，使热敏电阻浸没在冷水中，登记温度计的示数和多用电表测量的热敏电阻的阻值；④将热水分几次注入烧杯中，测出不同温度下热敏电阻的阻值，并记录；⑤在如图坐标系中，粗略画出热敏电阻的阻值随温度变更的图线；⑥热敏电阻的阻值随温度的上升而减小，随温度的降低而增大；⑦试验时，加热水后要等一会儿再测热敏电阻阻值，以使电阻温度与水的温度相同，并同时读出水温。2．留意事项(1)安装前，对器材进行测试，确保各元件性能良好后，再进行安装。(2)光报警装置试验中，留意光敏电阻的特性选择是否合适，否则继电器不能正常工作。(3)光报警装置试验中要想光更弱时蜂鸣器报警，应当把滑动变阻器的阻值调小些。(4)温度报警器试验中，要使蜂鸣器在更低的温度时报警，应当把滑动变阻器的阻值调小些。【例1】现有热敏电阻、电炉丝、电源、电磁继电器、滑动变阻器、开关和导线若干，如图所示，试设计一个温控电路，要求温度低于某一温度时，电炉丝自动通电供热，超过某一温度又可以自动断电，画出电路图并说明工作过程。[解析]热敏电阻RT与滑动变阻器及电磁继电器构成低压限制电路。电路图如图所示当温度低于某一值时，热敏电阻的阻值很大，流过电磁继电器的电流很小，继电器无法吸引衔铁P，K处接通，电炉丝处于加热状态；当温度高于某一值时，热敏电阻的阻值变得很小，通过电磁继电器的电流较大，继电器吸引衔铁P，K处断开，电炉丝停止加热。[答案]见解析eq\o([跟进训练])1．一台臭氧发生器P的电阻为10kΩ，当供电电压等于24V时能正常工作，否则不产生臭氧。现要用这种臭氧发生器制成自动消毒装置，要求它在有光照时能产生臭氧，在黑暗时不产生臭氧，拟用一个光敏电阻R1对它进行限制，R1的阻值在有光照时为100Ω，黑暗时为1000Ω，允许通过的最大电流为3mA；电源E的电压为36V，内阻不计；另有一个滑动变阻器R2，阻值为0～100Ω，允许通过的最大电流为0.4A；一个开关S和导线若干。臭氧发生器P和光敏电阻R1的符号如图所示。设计一个满意上述要求的电路图，图中各元件要标上字母代号，其中滑动变阻器两固定接线柱端分别标上字母A、B。(电路图画在虚线框内)[解析]为了能限制臭氧发生器，应当用滑动变阻器的分压式接法，有光照时P能正常工作，无光照时P不工作。电路图如图所示：[答案]见解析图大显身手的传感器火灾探测器(如图所示)的核心元件为气敏传感器，当烟雾在空气中的浓度超过设定值时，可以触发报警，并对外发出声光报警信号。此时传感器是将什么量进行转换的？提示：传感器是将烟雾产生的光学量转换为电路的接通，从而对外发出声光报警信号。1．洗衣机水位限制装置——压力传感器工作原理图及结构：(1)结构：1是洗衣机的外筒，2是洗衣机的内筒，3是气室，4是传感器的膜盒。(2)工作原理：如图(a)所示，气室下部与外筒连通，上部与软管、传感器的膜盒连通。当向桶内注水后，有一部分水进入气室，气室内被密封的空气压强增大，使传感器的膜盒中的膜片受力向上凸起，如图(b)所示，当筒中水位达到设定的高度时，凸起的膜片使动触点a与静触点b脱离，并与静触点c接触，从而接通限制电路，关闭进水电磁阀门，接通洗涤电动机电源，洗衣机起先工作。2．自动门——红外线传感器(1)工作原理当有人接近自动门时，人体发出的红外线被传感器接收到，就会产生电压输出信号，信号经过电路处理后，使定时器工作，由定时器构成的电路使继电器通电，自动门电动机转动，门自动打开；当人通过自动门几秒后，定时器又使继电器断电，自动门电动机反转，门自动关闭。(2)工作流程图3．指纹识别器——电容传感器工作原理：指纹识别器是通过电容器来识别指纹的。传感器表面集合了许多个电容器的极板，其外面是绝缘表面，当用户的手指放在绝缘表面上时，手指的皮肤就成了电容器的另一个极板，由于指纹的脊和谷相对于另一个极板的距离不同，使电容阵列不同位置的电容器的电容值也不同。通过读取这些电容的差异，就能够获得指纹信息。这样就把指纹的信息转化成了电信号，再经过电路对电信号的比较，就可以实现对指纹的识别。4．机器人与传感器(1)机器人①定义：是一种拟人化的电子机械装置，具有肯定的运动、感觉和推断功能。②组成：机械系统、传感器系统、信息处理和限制系统。(2)传感器系统①作用：机器人的感觉器官。②分类：外部传感器和内部传感器。【例2】当你走近某些写字楼、机场、宾馆等大厅的入口时，大门会自动打开，进入大厅后，门又会自动关闭，关于这种自动门的下列说法中正确的是()A．限制这种自动门开关的是一种红外线传感器B．限制这种自动门开关的是一种一般光电传感器，能使自动门“见光开”C．大人走近门会自动打开，小孩走近门，门不会自动打开D．男孩走近门会自动打开，女孩走近门，门可能不会开A[限制自动门开关的传感器是红外线传感器，A对，B错；尽管不同物体(包括大人、孩子)不同温度发出的红外线波长不同，但在设置这个传感器范围时应当充分考虑到大人、小孩个体的差异及人体体温的变更范围。大人、小孩、男孩、女孩靠近，门都会自动打开，C、D错。]eq\o([跟进训练])2．机器人通过哪种传感器感知四周环境，从而避开障碍物()A．温度传感器 B．压力传感器C．味觉传感器 D．视觉传感器D[机器人通过“眼睛”(摄像机)即视觉传感器感知四周景物，从而避开障碍物。]1．科学探究：制作简洁的自动限制装置。2．科学思维：敏感元件在自动限制电路中的应用。3．科学看法与责任：传感器在生产、生活中的应用。1．街旁的路灯，江海里的航标都要求在夜晚亮，白天熄，利用半导体的电学特性制成了自动点亮、熄灭的装置，实现了自动限制，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B[由题意可知，这一装置要对光敏感，能区分白天与夜晚，所以选B。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，因此不能选C。]2．传感器广泛应用在我们的生产生活中，常用的计算机键盘就是一种传感器。如图所示，键盘上每一个键的下面都连一小金属片，与该金属片隔有肯定空气间隙的是另一小的固定金属片，这两金属片组成一个小电容器。当键被按下时，此小电容器的电容发生变更，与之相连的电子线路就能够检测出哪个键被按下，从而给出相应的信号。这种计算机键盘运用的是()A．温度传感器 B．压力传感器C．磁传感器 D．光传感器B[小金属片被按下时，对该键有一个压力，小金属片向下移动，两个极板之间的距离变更，电容变更，将压力这个力学量转化为电容这个电学量，所以计算机键盘运用的是压力传感器，B正确，A、C、D错误。]3．下列状况不行能是由于水位限制装置损坏引起的是()A．洗衣机不加水 B．洗衣机加水不能自动停止C．洗衣机不排水 D．洗衣机不洗衣C[洗衣机水位限制装置正常，才能正常加水，且加到合适的水位，若损坏可能导致始终不加水或始终不停地加水，所以A、B可能，而这两种状况都会导致洗衣机洗衣程序不工作，所以D可能，故选C。]4．某小型电磁继电器，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协作，可完成自动限制的要求如图所示。其工作方式是()A．A与B接信号电压，C与D跟被控电路串联B．A与B接信号电压，C与D跟被控电路并联C．C与D接信号电压，A与B跟被控电路串联D．C与D接信号电压，A与B跟被控电路并联A[A、B接电磁继电器线圈，所以A、B应接信号电压，线圈随信号电压变更使电磁继电器相吸或释放，从而使C、D接通或断开，进而起到限制作用，故正确答案为A。]5.传感器是把非电学量(如速度、温度、压力等)的变更转换成电学量的变更的一种元件，在自动限制中有着相当广泛的应用。有一种测量人的体重的电子秤，其测量部分的原理图如图中的虚线框所示，它主要由压力传感器R(电阻值会随所受压力大小发生变更的可变电阻)和显示体重大小的仪表(实质是志向电流表)组成。压力传感器表面能承受的最大压强为1×107Pa，且已知压力传感器的电阻R与所受压力的关系如表所示。设踏板和压杆的质量可以忽视不计，接通电源后，压力传感器两端的电压恒为4.8V，g取10m/s2。请作答：压力F/N0250500750100012501500…电阻R/Ω300270240210180150120…(1)该秤零点(即踏板空载时)的刻度线应标在电流表