高中物理第4章传感器与现代社会1传感器的原理课件-58张 58页

第 4 章　传感器与现代社会 4.1 　传感器的原理 　　　　　 一、传感器 1. 定义 : 传感器是通过测量外界的物理量、化学量或生 物量来捕捉和识别信息 , 并将被测量的非电学量转换成 _______ 的 装置。 电学量 2. 构造 : 传感器一般 包括 _________ 与转换电路等。传 感器的核心是 _________ 。 敏感元件 敏感元件 3. 实例研究 —— 光声控延时开关 : (1) 工作原理 ( 如图 ) 。 (2) 用途 : 光电转换器件是将 _______ 转换为电信号的器 件。声电转换器件是将 _______ 转换为电信号的器件。 光信号 声信号 二、光敏电阻 1. 实验探究 : 如图所示 , 当光照增强时 , 电流表读数 _____, 说明光敏电阻的阻值随光照增强而 _____ 。 2. 作用 : 把 _________ 这个光学量转换为 _____ 这个电学 量。 增大 减小 光照强弱 电阻 【 生活链接 】 光敏电阻的阻值随光照强度增强 , 其阻值变小 , 那么电 阻率如何发生变化 ? 为什么 ? 提示 : 变小。由于随光强增大 , 光敏电阻阻值减小 , 由 R= 知 ,R 变小 ,L 和 S 不变 , 则 ρ 变小。 三、种类繁多的传感器 1. 物理传感器 : (1) 工作原理 : 利用物质的物理性质和 _________ 感知并 检测出待测对象信息。 (2) 特点 : 发展快、品种多、应用广等。 物理效应 2. 化学传感器 : (1) 工作原理 : 利用化学反应识别和 _________ 。 (2) 特点 : 广泛应用于环保、火灾报警、医疗卫生、家 用电器等。 检测信息 3. 生物传感器 : (1) 工作原理 : 利用生物化学反应识别和 _________ 。 (2) 特点 : 专一性好 , 易操作 , 设备简单 , 测量快速准确 , 适用范围广。 检测信息 一　对传感器的认识 【 典例 】 传感器是把非电学物理量 ( 如位移、压力、流 量、声强等 ) 转换成电学量的一种元件。如图为一种电 容式传感器 , 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 发出一个频率恒定的声波使 a 振动 , 则 a 在振动过程中 A.a 、 b 板之间的电场强度不变 B.a 、 b 板所带的电荷量不变 C. 电路中始终有方向不变的电流 D. 向右位移最大时 , 电容器的电容量最大 【 解析 】 选 D 。 a 、 b 始终跟电源相连 , 电势差 U 不变 , 由 于 a 、 b 间距离 d 变化 , 由 E= 知电场强度变化 ,A 错误 ; 由 C= 知 ,d 变化时 C 变化 ,a 向右位移最大时 , 电容 最大 ,D 正确 ; 由 Q=CU 知 a 、 b 所带电荷量变化 , 电路中电 流方向改变 ,B 、 C 错误。 【 核心归纳 】 1. 传感器的组成和工作流程 : (1) 传感器的组成。 ①敏感元件 : 相当于人的感觉器官 , 是传感器的核心部分 , 是利用材料的某种敏感效应 ( 如热敏、光敏、压敏、力敏、湿敏等 ) 制成的。 ② 转换元件 : 是传感器中能将敏感元件输出的与被测物理量成一定关系的非电信号转换成电信号的电子元件。 ③转换电路 : 将转换元件输出的不易测量的电学量转换成易于测量的电学量 , 如电压、电流、电阻等。 (2) 传感器的工作流程。 2. 传感器的原理 : 传感器感受的通常是非电学量 , 如力、温度、位移、浓度、速度、酸碱度等 , 而输出的通常是电学量 , 如电压、电流、电荷量等。这些输出的信号是非常微弱的 , 通常需要经过放大后 , 再传送给控制系统产生各种控制动作。 【 过关训练 】 1. 下列说法正确的是 ( 　　 ) A. 凡将非电学量转化为电学量的传感器都是物理传感器 B. 湿敏传感器只能是物理传感器 C. 物理传感器只能将采集到的信息转化为电压输出 D. 物理传感器利用的是物质的物理性质和物理效应 【 解析 】 选 D 。各种传感器虽然工作原理不同 , 但基本功能相似 , 多数是将非电学量转化为电学量 , 故 A 错 ; 湿敏传感器为化学传感器 , 故 B 错 ; 传感器既可将信息转化为电压输出 , 也可转化为电流、电阻等输出 , 故 C 错 ; 由物理传感器定义知 D 对。 2.( 多选 ) 电子电路中常用到一种称为“干簧管”的元件 ( 如图所示 ), 它的结构很简单 , 只是玻璃管内封入两个软磁性材料制成的簧片。当磁体靠近干簧管时 , 两个簧片被磁化而接通 , 所以干簧管能起到开关的作用 , 操纵开关的是磁场这只看不见的“手”。关于干簧管 , 下列说法正确的是 ( 　　 ) A. 干簧管接入电路中相当于电阻的作用 B. 干簧管是根据热胀冷缩的原理制成的 C. 两个磁性材料制成的簧片接通的原因是被磁化后相互吸引 D. 干簧管接入电路中相当于开关的作用 【 解析 】 选 C 、 D 。当磁体靠近干簧管时 , 两个簧片被磁化相互吸引而接通 , 故选项 B 错误 , 选项 C 正确 ; 当磁体远离干簧管时 , 软磁性材料制成的簧片失去磁性 , 所以两簧片又分开 , 因此干簧管在电路中相当于开关的作用 , 选项 A 错误 , 选项 D 正确。 【 补偿训练 】 1. 关于传感器工作的一般流程 , 下列说法中正确的是 ( 　　 ) A. 非电学量→敏感元件→转换电路→电学量→转换元件 B. 电学量→敏感元件→转换电路→转换元件→非电学量 C. 非电学量→敏感元件→转换元件→转换电路→电学量 D. 非电学量→转换电路→转换元件→敏感元件→电学量 【 解析 】 选 C 。传感器工作的一般流程为 : 非电学量 敏感元件 转换元件 转换电路 电学量 , 因此 A 、 B 、 D 错 ,C 对。 2. 已知磁敏电阻在没有磁场时电阻很小 , 有磁场时电阻变大 , 并且磁场越强阻值越大。为探测磁场的有无 , 利用磁敏电阻作为传感器设计了如图所示的电路 , 电源的电动势 E 和内阻 r 不变 , 在没有磁场时调节变阻器 R 使电灯 L 正常发光 , 若探测装置从无磁场区进入强磁场区。则 ( 　　 ) A. 电灯 L 变暗　　　　　　 B. 电灯 L 亮度不变 C. 电流表的示数增大 D. 电流表的示数减小 【 解析 】 选 D 。探测装置从无磁场区进入强磁场区 , 磁 敏电阻阻值变大 , 则闭合电路的总电阻 R 总 变大 , 由闭合 电路欧姆定律知 , 电路中的电流 I= 减小 , 电流表的示 数减小 , 故选项 C 错误、选项 D 正确 ; 由 U 灯 =E-Ir 可知 U 灯 变大 , 电灯 L 变亮 , 故选项 A 、 B 错误。 二　三类传感器的异同及常见传感器的应用 【 典例 】 下列有关传感器的说法中错误的是 ( 　　 ) A. 地震时用的生命探测仪利用了生物传感器 B. 嫦娥三号月球登陆器搭载的立体相机获取月球数据利用了光传感器 C. 电子秤称量物体质量是利用了力传感器 D. 火灾报警器能够在发生火灾时报警是利用了温度传感器 【 解析 】 选 D 。生命探测仪是利用生物传感器 ; 立体相机是利用光传感器 ; 电子秤是利用压力传感器 ; 火灾报警器是在烟雾浓度达到一定程度时能够输出电信号 , 使警铃发声或使红灯闪烁 , 自动报警 , 利用了烟雾传感器而不是利用了温度传感器 , 故 A 、 B 、 C 对 ,D 错。 【 核心归纳 】 1. 三类传感器的异同 : (1) 相同点 : 都能将感受到的非电学量信息转化成电学量 , 都是利用敏感元件的某种敏感效应制成的。 (2) 不同点 : 三类传感器的工作原理不同 , 所利用的敏感元件的敏感效应不同。 生物传感器与物理传感器和化学传感器的最大区别在于生物传感器的感受器中含有生命物质。 2. 一些常见的传感器的特点及原理 : 传 感 器 输 入 量 输 出 量 工作原理 光电二极管 光 电压 光电效应 湿敏电阻 湿度 电压 ( 电阻 ) 感湿材料电阻随湿度发生变化 话筒 声音 电流 电磁感应 加速度 传感器 加速度 电压 电磁感应 传 感 器 输 入 量 输 出 量 工作原理 热电偶 温度 电压 热电效应 酒精气体传感器 酒精气体 电阻 化学反应后引起电阻变化 【 过关训练 】 1. 数码相机的普及逐渐淘汰了传统胶片相机。数码相机的主要部件是电荷耦合器 (CCD), 能将光学量转化为电学量。该部件可看作一种 ( 　　 ) A. 力传感器 B. 温度传感器 C. 光传感器 D. 霍尔元件 【 解析 】 选 C 。因为 CCD 能把光学量转化为电学量 , 因而是一种光传感器。 2. 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 ( 　　 ) A.0 ～ t 1 时间内 , 升降机一定匀速运动 B.0 ～ t 1 时间内 , 升降机可能匀减速上升 C.t 1 ～ t 2 时间内 , 升降机可能匀速上升 D.t 1 ～ t 2 时间内 , 升降机可能匀加速上升 【 解析 】 选 B 。 0 ～ t 1 时间内 , 电流不变 , 则电阻 R 不变 , 说明重物对压敏电阻的压力不变 , 则加速度不变 , 所以升降机有可能做匀速运动 , 也可能做匀变速运动 ,A 错误、 B 正确 ;t 1 ～ t 2 时间内 , 电流随时间逐渐增大 , 则电阻逐渐减小 , 压力逐渐增大 , 所以加速度一定是变化的 , 所以升降机一定是做变加速运动 ,C 、 D 均错误。故选 B 。 【 补偿训练 】 　　 1. 在一些星级宾馆的洗手间经常装有自动干手机 , 洗手后将手靠近 , 机内的传感器就开通电热器加热 , 有热空气从机内喷出 , 将手烘干。手靠近干手机能使传感器工作 , 是因为 ( 　　 ) A. 改变温度 　 B. 改变湿度 　 C. 改变磁场 　 D. 改变电容 【 解析 】 选 D 。干手机是一个电容器 , 当手靠近时 , 手就变成了导体 , 在电容器中放入导体 , 改变了电容器的电容 , 电路中电容改变 , 干手机开始工作 , 故选 D 。 2. 关于传感器的下列说法正确的是 ( 　　 ) A. 所有传感器都是由半导体材料制成的 B. 金属材料也可以制成传感器 C. 传感器主要是通过感知电压的变化来传递信号的 D. 以上说法都不正确 【 解析 】 选 B 。半导体材料可以制成传感器 , 其他材料也可以制成传感器 , 所以 A 、 D 错误 ,B 正确。传感器不但能感知电压的变化 , 还能感受力、温度、光、声、化学成分等非电学量的变化 , 所以 C 错。 【 拓展例题 】 考查内容 : 温度传感器与图像、电路知识的 综合 【 典例 】 温度传感器广泛应用于室内空调、电冰箱等 家用电器中 , 它是利用热敏电阻的阻值随温度变化的特 殊性来工作的。如图甲所示 , 电源的电动势 E=9 V, 内阻 不计 ;G 为灵敏电流表 , 内阻 R g 保持不变 ;R 为热敏电阻 , 其电阻阻值与温度的变化关系如图乙所示。闭合开关 S, 当 R 的温度等于 20 ℃ 时 , 电流表示数 I 1 =2 mA 。求当电流表的示数 I 2 =3.6 mA 时 , 热敏电阻的温度。 【 解析 】 在 20 ℃ 时 , 由乙图知此时电阻 R 1 =4 kΩ, 则有 E=(R g +R 1 )I 1 , 代入数据得 R g =500 Ω; 设当 I 2 =3.6 mA 时 , 热敏电阻的阻值为 R 2 , 则有 E=(R g +R 2 )I 2 代入数据解得 R 2 =2 000 Ω, 从题图乙中查知 t= 120 ℃ 。 答案 : 120 ℃ 物理思想方法 —— 根据电流的变化判断物体的运动状 态的变化 【 案例示范 】 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 , 其工作原理如图甲所示 , 将有压敏电阻的挡板 固定在绝缘水平小车上 , 中间恰能放置一个绝缘的光滑 重球。小车向右做直线运动过程中 , 电流表示数如图乙所示。 试分析 : (1)0 ～ t 3 过程中 , 压敏电阻阻值如何变化 ? (2) 小车在 0 ～ t 3 时间内做什么运动 ? 【 解析 】 0 ～ t 1 和 t 2 ～ t 3 两段时间内电流不变 , 由 R= 说明电路中电阻不变 , 也就是说重球对压敏电阻的压力 不变 , 即重球受到向右的压力不变 , 小车做匀加速直线 运动。 t 1 ～ t 2 时间内电流均匀增加 , 表示电路中电阻减 小 , 说明重球对压敏电阻的压力增大 , 即重球受到向右 的压力变大 , 所以小车做加速度增大的加速运动。 答案 : (1)0 ～ t 1 ,t 2 ～ t 3 电阻不变 ,t 1 ～ t 2 电阻减小。 (2)0 ～ t 1 ,t 2 ～ t 3 时间内小车做匀加速直线运动 ,t 1 ～ t 2 时间内小车做加速度增大的加速运动。 【 方法技巧 】 由电流的变化判断物体的运动状态 (1) 明确压敏电阻的阻值随压力的变化关系。 (2) 由电流的变化判断压敏电阻的变化。 (3) 根据压敏电阻的变化判断物体的受力情况。 (4) 由物体的受力情况判断物体的运动状态的变化。 【 补偿训练 】 　　用如图所示的装置可以测量汽车在水平路面上做 匀变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 2.0 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。现将该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。汽车静止时 , 传感器 a 、 b 的示数均为 10 N(g 取 10 m/s 2 ) 。 (1) 若传感器 a 的示数为 14.0 N,b 的示数为 6.0 N, 求此时汽车的加速度大小和方向。 (2) 当传感器 a 的示数为零时 , 求此时车的加速度大小和方向。 【 解析 】 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 , 此示数即为弹簧上的弹 力大小 , 即该弹簧对滑块的弹力大小。 (1) 如图所示 , 左侧弹簧对滑块向右的推力 F 1 =14.0 N, 右侧弹簧对滑块向左的推力 F 2 =6.0 N, 滑块所受合力产 生加速度 a 1 , 根据牛顿第二定律有 F 1 -F 2 =ma 1 , 得 a 1 = = m/s 2 =4.0 m/s 2 ,a 1 与 F 1 同方向 , 即向前 ( 向右 ) 。 (2) 传感器 a 的读数为零 , 即左侧弹簧的弹力 F′ 1 =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 F 2 ′=20 N 。滑块所受合力产生 加速度 , 由牛顿第二定律得 F 合 =F′ 2 =ma 2 , 得 a 2 = = 10 m/s 2 , 方向向后 ( 向左 ) 。 答案 : (1)4.0 m/s 2 　向右　 (2)10 m/s 2 　向左