2024-2025学年高中物理第六章传感器2传感器的应用学案新人教版选修3-2

PAGE12-2传感器的应用

1．传感器工作的一般模式声控电灯开关是如何工作的？提示：话筒作为声音传感器，把声音转化为电信号，集成电路把电信号放大，使继电器工作，完成对电灯开关的限制．2．力传感器的应用——电子秤(1)力传感器的构造：它是由金属架和应变片组成，应变片是一种敏感元件，多用半导体材料制成．(2)力传感器的工作原理如图所示：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，下表面的电阻变小．F越大，弯曲形变越大，应变片的阻值变更就越大．假如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．因此可得，外力越大，得出的电压差值也就越大．(3)应变力传感器的作用：它能够把物体形变这个力学量转换成电压这个电学量．3．温度传感器的应用——电熨斗(1)电熨斗的构造(如图所示)：(2)双金属片温度传感器的作用是限制电路通断，双金属片上层金属的膨胀系数大于下层金属．4．温度传感器的应用——电饭锅电饭锅中的温度传感器主要元件是感温铁氧体，它具有这样的性质：常温下具有铁磁性，能被磁体吸引，当温度上升到约103℃时，就失去铁磁性，不能被磁体吸引，因此103℃这个临界温度干脆确定了开关的动作．5．光传感器的应用——火灾报警器烟雾式火灾报警器的结构如图，烟雾上升，到达天花板底下，烟感报警器通过烟发觉火灾，所以烟雾式火灾报警器安装在天花板上．有的火灾报警器是利用烟雾对光的散射来工作的，其带孔的罩子内装有发光二极管LED、光电三极管和不透亮的挡板．平常间电三极管收不到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，使部分光线照耀到光电三极管上，其电阻变小．与传感器连接的电路检测出这种变更，就会发出警报．用电饭锅烧水，水开后能否自动断电？提示：不能，因为水沸腾后水温保持100℃不变，没有达到居里点，故不能自动断电，只有水烧干后，温度上升到103℃才能自动断电．考点一力传感器的应用1．应变式力传感器的构造如图所示，应变式力传感器由金属架和应变片组成．其中，应变片是一种敏感元件．2．应变式力传感器的工作原理如上图所示，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，应变片的阻值变更就越大．假如让应变片中通过的电流保持恒定，则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．因此可得，力F越大，输出的电压差值就越大．3．应变式力传感器的作用应变式力传感器能够把压力这个力学量转换成电压这个电学量．1.对应变片的相识应变片一般是用半导体材料制成的，当应变片的表面被拉伸时，其电阻变大，当它的表面被压缩时，其电阻变小．作用在应变式力传感器上的力越大，它输出的电压差值越大．2．相识电容式力传感器下图是测定压力F的电容式传感器，待测压力F作用于可动膜片电极上的时候，膜片发生形变，使极板间距离d发生变更，这样就可以知道F的变更状况．【例1】如图所示为某种电子秤的原理示意图，AB为一匀称的滑线电阻，总阻值为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.(1)求托盘上未放置物体时，在托盘自身重力作用下，P1与A端的距离x1；(2)求托盘上放置质量为m的物体时，P1与A端的距离x2；(3)在托盘上未放置物体时通常先校准零点，其方法是：调整P2，使P2离A端的距离也为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．解答本题的关键是驾驭以下两点：(1)物体放在托盘上，物体和托盘重力的大小与弹簧的弹力大小相等，故弹簧的形变量可由胡克定律求出；(2)电阻AB间的电流保持恒定，两滑动头间的电压与两触点间的距离成正比，而两触点间的距离与弹簧的形变量相等．[答案](1)eq\f(m0g,k)(2)eq\f(m＋m0g,k)(3)m＝eq\f(kLU,gE)[解析]托盘的移动带动P1移动，使P1、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为匀称滑线电阻，则其阻值与长度成正比．(1)由力的平衡学问得m0g＝kx1，解得x1＝eq\f(m0g,k)(2)放上物体m重新平衡后，有m0g＋mg＝kx解得x2＝eq\f(m＋m0g,k)(3)由闭合电路欧姆定律得U＝IR串(R串为P1、P2间的电阻，I为通过滑线电阻的电流)又E＝IR，因而有eq\f(U,E)＝eq\f(R串,R)＝eq\f(x,L)(x为P1、P2间的距离)则x＝x2－x1＝eq\f(mg, k)，联立解得m＝eq\f(kLU,gE).【点评】力传感器能够把物体的形变转换为电压或电流的变更，外力越大，电压或电流的变更就越大，由变更的差值大小，可以得知外力的大小．力传感器的种类繁多，在详细应用中，应能依据其特性，综合利用其他学问进行分析与计算．总结提能物理传感器是将所感受到的物理量(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．加速度传感器如图甲所示．较重的滑块2可以在光滑的框架1中平移，滑块两侧用弹簧3拉着；R为滑动变阻器，4是滑片，它与滑动变阻器任一端间的电阻值都与它到这端的距离成正比．工作时将框架固定在被测物体上，使弹簧及滑动变阻器R均与物体的运动方向平行．当被测物体加速运动时，滑块将在弹簧的作用下，以同样的加速度运动．通过电路中电压表的读数，可以得知加速度的大小．电压表为指针式直流电压表(可视为志向电压表)．(1)电压表零刻度在表盘中心(即可显示正负电压)，当P端的电势高于Q端时，指针向零点左侧偏转．当物体具有图示方向的加速度a时，电压表的指针将向零点右(填“左”或“右”)侧偏转．(2)若将电压表的表盘换成干脆表示加速度大小及方向的刻度盘，则表盘的刻度匀称(填“匀称”或“非匀称”)分布．(3)电压表是由灵敏电流计改装而成的，灵敏电流计表盘如图乙所示．当被测物体具有图示方向、大小为1m/s2的加速度时，滑片4从MN的中心向某侧平移的距离为MN总长的eq\f(1,6)，且滑片4在M或N端时，灵敏电流计示数最大．以图示方向为加速度正方向，若将灵敏电流计的表盘换成干脆表示加速度大小及方向的刻度盘，则灵敏电流计表盘上－30刻度线对应的加速度为－3_m/s2.解析：(1)当物体具有题图所示方向的加速度a时，滑块左移，滑片与M之间的电阻减小，故P端的电势降低，所以P端的电势低于Q端，则电压表的指针将向零点右侧偏转．(2)设加速度为a时，电压表的读数为U，则2kx＝ma，又U＝eq\f(x,L)·2E，联立解得U＝eq\f(mE,kL)a，由于U与a成正比，所以表盘的刻度匀称分布．(3)由U＝eq\f(mE,kL)a可知，当a＝1m/s2时，x＝eq\f(L,6)，则此时U＝eq\f(Um,3)，则当U＝Um时，a＝3m/s2，即灵敏电流计表盘上－30刻线处对应的加速度为－3m/s2.考点二温度传感器的应用1．电熨斗(1)双金属片传感器在温度传感器中，有一种双金属片传感器，它把两种不同热膨胀系数的金属片贴合在一起，制成一条双金属片，温度变更时，因为两种金属片伸长不一样而发生弯曲，使电路的开关闭合或断开．在日光灯启动器和电熨斗中都有这种双金属片传感器．(2)电熨斗的工作原理如图所示，这是一个电熨斗的内部图，熨烫衣物时须要肯定的温度．①电熨斗通过电热丝对电熨斗的金属底板进行加热，两根导线分别接在开关两端．②电熨斗内部装有双金属片温度传感器，这种传感器的作用是限制电路的通断，如图所示．常温下，上、下触点应是接触的，但温度过高时，由于双金属片受热膨胀系数不同，上部金属膨胀大，下部金属膨胀小，则双金属片向下弯曲，使触点分别，从而切断电源，停止加热．温度降低后，双金属片复原其原来状态，重新接通电路加热，这样循环进行，起到自动限制温度的作用．③通过调温旋钮可以调整升降螺钉的升降来实现不同温度的设定．若须要的熨烫温度较低，则应使升降螺钉上升．2．电饭锅(1)铁氧体①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．②特点：在常温下具有铁磁性，能够被磁体吸引，但是温度上升到103℃时就会失去铁磁性，不能被磁体吸引了，这个温度在物理学中称为该材料的“居里点”或“居里温度”．电饭锅中的温度传感器主要元件是感温铁氧体．(2)电饭锅的工作原理电饭锅中的温度传感器起开关的作用．煮饭时按下开关按钮，感温铁氧体与永磁体相吸结合在一起，触点相接，电路接通，起先加热．手松开后，由于锅内的温度低，感温铁氧体有铁磁性而与磁体相互吸引，不能使电路断开．煮饭时，水沸腾后锅内的温度基本保持为水的沸点．饭熟后，水分被大米汲取，锅底的温度会上升，当温度上升到“居里温度”(约103℃)时，感温铁氧体失去铁磁性，磁体与之分别，开关自动断开，使按钮复原到如图所示的状态，且不能自动复位．【例2】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更而变更的特性工作的．在图甲中，电源的电动势E＝9.0V，内阻可忽视不计；G为灵敏电流表，内阻r保持不变；R0为爱护电阻，R为热敏电阻，其电阻值与温度变更的关系如图乙所示．试写出热敏电阻的阻值随温度变更的关系式．闭合开关S，当R的温度等于40℃时，电流表示数I1＝2.25mA，则当电流表的示数I2＝3.6mA时，热敏电阻R的温度是多少摄氏度？本题的解答思路为：eq\x(\a\al(由图知热敏电阻,为负温度系数热,敏电阻))→eq\x(\a\al(由温度与电阻成,线性关系求出对,应的电阻))→eq\x(\a\al(由欧姆定律,得电流对应,的温度值))[答案]R＝－0.01875t＋4.25(kΩ)120℃[解析]题中的R－t图象是直线，依据数学学问可写出热敏电阻R与温度t的关系式为R＝kt＋b.由图象知t1＝0℃时，R1＝4.25kΩ，得b＝4.25，再依据t2＝120℃时，R2＝2kΩ，得k＝－0.01875，所以R与t的关系式为R＝－0.01875t＋4.25(kΩ)．依据题中的R－t图象，t3＝40℃时，热敏电阻的阻值R3＝3.5kΩ，有E＝I1(r＋R0＋R3)；电流I2＝3.6mA时，设热敏电阻的阻值为R4，有E＝I2(r＋R0＋R4)，代入数据可解得R4＝2kΩ，由题中的R－t图象或将R4＝2kΩ代入R与t的关系式可得t4＝120℃.总结提能温度传感器一般运用的是热敏电阻，负温度系数的热敏电阻的阻值随温度上升而减小，正温度系数的热敏电阻的阻值随温度上升而增大，在解答有关温度传感器的应用问题时应留意区分这一性质．图中是电饭煲的电路图，S1是一个控温开关，手动闭合后，当此开关温度达到居里点(103℃)时，会自动断开．S2是一个自动控温开关，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R1＝R2＝500Ω，加热电阻R3＝50Ω，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)简要回答：假如不闭合开关S1，能将饭煮熟吗？答案：(1)见解析(2)121(3)不能解析：(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；当温度上升到居里点103℃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℃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．(2)加热时电饭煲消耗的电功率P1＝eq\f(U2,R并)，保温时电饭煲消耗的电功率P2＝eq\f(U2,R1＋R并)，两式中R并＝eq\f(R2R3,R2＋R3)＝eq\f(500,11)Ω，从而有eq\f(P1,P2)＝eq\f(R1＋R并,R并)＝121.(3)假如不闭合开关S1，开关S2闭合，R1被短路，功率为P1，当温度上升到80℃时，S2自动断开，功率P降为P2，温度降低到70℃，S2自动闭合……温度只能在70℃～80℃变更，不能把水烧开，不能煮熟饭.1．办公大楼的大门能“看到”人的到来或离开而自动开或关，利用的传感器是(B)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：自动门的自动限制要求灵敏、牢靠，若以温度限制，人的体温与夏季气温接近，在夏季自动门可能做出错误动作．自动门实际运用的是红外线传感器，红外线属于不行见光，人在白天或黑夜均发出红外线，传感器接收到人体发出的红外线后传给自动限制装置的电动机，实现自动开门．2．用遥控器调换电视机频道的过程，事实上就是传感器把光信号转化为电信号的过程．下列属于这类传感器的是(A)A．红外报警装置B．走廊照明灯的声控开关C．自动洗衣机中的压力传感装置D．电饭煲中限制加热和保温的温控器解析：红外报警装置是将光信号转换成电信号的传感器，因此选项A正确．走廊照明灯的声控开关是将声信号转换成电信号的传感器，故选项B错误．自动洗衣机的压力传感装置是力电传感器，故选项C错误．电饭煲中限制加热和保温的温控器是温度传感器，因此选项D错误．3．[多选]下列说法正确的是(BC)A．电熨斗能自动限制温度主要利用了双金属片，两片金属的膨胀系数相同B．双金属片在常温下，上下触点是接触的；温度过高时，双金属片发生弯曲使上下触点分别C．须要较高温度熨烫时，要调整温度旋钮，使升降螺钉下移并推动弹性铜片下移D．电熨斗中的双金属片是一种半导体材料解析：常温下，上下触点是接触的；温度过高时，双金属片发生弯曲使上下触点分别；须要较高温度熨烫时，要调整温度旋钮，使升降螺钉下移并推动弹性铜片下移．4．传感器是把非电学量(如位移、压力、流量、声音等)转换成电学量的一类元件．如图所示为一种电容传感器，电路可将声音信号转化为电信号．电路中a、b构成一个电容器，b是固定不动的金属板，a是能在声波驱动下沿水平方向振动的镀有金属层的振动膜，若声源S发出频率恒定的声波使a振动