2020版高中物理 第4章 传感器与现代社会 信息时代离不开传感器学案 沪科版选修3-2

2020版高中物理 第4章 传感器与现代社会 信息时代离不开传感器学案 沪科版选修3-2

‎4.3　用传感器做实验4.4　信息时代离不开传感器 ‎[目标定位] 1.知道温度传感器、力传感器的原理和应用.2.理解霍尔元件的原理.3.了解现代生产、生活中常用的传感器.‎ 一、实验中常见的几种传感器的分析 ‎1.温度传感器的原理 温度传感器是利用热敏电阻的阻值会随温度的变化而变化的原理制成的，它能把温度这个热学量转换为电压这个电学量.如各种家用电器(空调、冰箱、热水器、饮水机等)的温度控制器、火警报警器、恒温箱等.‎ ‎2.力传感器的原理 如图1所示，力传感器可以用来测重力、压力、拉力等各种力，应变片能够把物体形变这个力学量转换为电压这个电学量.‎ 图1‎ ‎3.磁传感器的原理(霍尔效应的应用)‎ ‎(1)霍尔元件是一种磁敏感元件.‎ ‎(2)霍尔效应：如图2所示，在金属薄片相对的两侧面通以控制电流I 6‎ ‎，在与薄片垂直方向施加磁感应强度为B的磁场，那么，在垂直于电流和磁场方向的另外两个侧面将产生与控制电流和磁场成正比的电动势UH，这种现象称为霍尔效应，即UH＝RH.‎ 图2‎ 6‎ 例1　(多选)如图3所示是霍尔元件的工作原理示意图，如果用d表示薄片的厚度，k为霍尔系数，对于一个霍尔元件d、k为定值，如果保持I恒定，则可以验证UH随B的变化情况.以下说法中正确的是(工作面是指较大的平面)(　　)‎ 图3‎ A.将永磁体的一个磁极逐渐靠近霍尔元件的工作面，UH将变大 B.在测定地球两极的磁场强弱时，霍尔元件的工作面应保持水平 C.在测定地球赤道上的磁场强弱时，霍尔元件的工作面应保持水平 D.改变磁感线与霍尔元件工作面的夹角，UH将发生变化 答案　ABD 解析　将永磁体的磁极逐渐靠近霍尔元件的工作面时，B增大，I恒定，由公式UH＝知UH将变大，选项A正确；地球两极的磁场方向在竖直方向上，所以霍尔元件的工作面应保持水平，使B与工作面垂直，选项B正确；地球赤道上的磁场沿水平方向，只有霍尔元件的工作面在竖直方向且垂直于南北时，B才与工作面垂直，选项C错误；改变磁感线与霍尔元件工作面的夹角，B在垂直工作面方向上的大小发生变化，UH将发生变化，选项D正确.‎ 例2　按图4所示连接好电路，合上S，发现小灯泡不亮，原因是______________；‎ 用电吹风对热敏电阻吹一会儿，会发现小灯泡________，原因是________________；‎ 停止吹风，会发现_________；把热敏电阻放入冷水中会发现______________.‎ 图4‎ 答案　由于热敏电阻阻值较大，左侧电路电流较小，电磁铁磁性较弱吸不住衔铁　亮了　电吹风对热敏电阻加热使其阻值变小，电路中电流增大，电磁铁吸住衔铁，右侧电路接通　小灯泡不会立即熄灭，因为热敏电阻温度仍然较高　小灯泡熄灭 二、随处可见的传感器 ‎1.红外测温仪：是一种将红外辐射波转换成电信号的传感装置.‎ ‎2.数码相机和摄像机：敏感元件叫做电荷耦合器件(CCD)，它能将光信号转换成模拟电信号，模拟电信号再通过A/D转换器转换成数字电信号.‎ ‎3.酒精浓度测试仪：敏感元件是酒精传感器.‎ 在生活中还有煤气 6‎ 报警器、火警报警器、红外报警器、防盗报警器等等.工业生产中有热轧生产线上的传感器，农业生产中有空气湿度传感器、土壤湿度传感器、土壤营养传感器等等.‎ 例3　如图5所示是会议室和宾馆房间的天花板上装有的火灾报警器的结构原理图，罩内装有发光二极管LED、光电三极管和不透明的挡板.平时光电三极管接收不到LED发出的光，呈现高电阻状态.发生火灾时，下列说法正确的是(　　)‎ 图5‎ A.进入罩内的烟雾遮挡了光线，使光电三极管电阻更大，检测电路检测出变化发出警报 B.光电三极管温度升高，电阻变小，检测电路检测出变化发出警报 C.进入罩内的烟雾对光有散射作用，部分光线照到光电三极管上，电阻变小，发出警报 D.以上说法均不正确 答案　C 解析　由火灾报警器的原理可知，发生火灾时烟雾进入罩内，使光发生散射，部分光线照到光电三极管上，电阻变小，与传感器相连的电路检测出这种变化，发出警报，C对.‎ 三、信息社会离不开传感器 智能式传感器集信息检测、信息处理、信息记忆、逻辑思维和判断功能于一身，把计算机、各种用途的传感器和输入输出接口等制作在同一块芯片上，即成为大规模集成电路智能传感器.‎ 四、遥测与遥感 遥感遥测的基本原理是通过遥感传感器对观测目标产生的电磁波、热辐射进行远距离收集、转换，用计算机处理、识别，得出结论.主要应用在地球资源勘测、环境监控、气象预报、军事侦察等方面.‎ ‎1.(传感器的应用实例)(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6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(　　)‎ 6‎ 图6‎ A.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.‎ ‎2.(温度传感器的应用)小强用恒温箱进行实验时，发现恒温箱的温度持续升高，无法自动控制.经检查，恒温箱的控制器没有故障.参照图7，下列对故障判断正确的是(　　)‎ 图7‎ A.只可能是热敏电阻出现故障 B.只可能是温度设定装置出现故障 C.热敏电阻和温度设定装置都可能出现故障 D.可能是加热器出现故障 答案　C 解析　由恒温箱原理图可知，若热敏电阻出现故障或温度设定装置出现故障都会向控制器传递错误信息，导致控制器发出错误指令，故C正确，A、B错误.若加热器出现故障，只有一种可能，即不能加热，而题中加热器一直加热才会使温度持续升高，故D错误.‎ ‎3.(传感器的应用分析)如图8所示是一种自动控制水温的装置，加热电路的两个端点P、Q应接到触头a、b上还是c、d上？热敏电阻两端M、N应接到哪两个触头上？‎ 图8‎ 6‎ 答案　见解析 解析　P、Q应该分别接在触头a、b上，同时，M、N应该分别接e、f，其工作原理是：当水温升高时，热敏电阻阻值减小，电磁铁中电流增大，吸引力增大，使衔铁被吸下，a、b断开，使加热装置停止加热；当水温降低到一定程度时，热敏电阻阻值增大，电磁铁中电流减小，吸引力减小，衔铁被弹簧弹上去，使a、b之间连接，加热装置开始加热，从而实现水温控制.‎ ‎4.(传感器的应用实例)电饭煲的工作原理如图9所示，可分为两部分，即控制部分：由S2、R1和黄灯组成.工作(加热)部分：由发热电阻R3、R2和红灯组成，S1是一个磁铁限温开关，手动闭合，当此开关的温度达到居里点(‎103℃‎)时，自动断开，且不能自动复位(闭合)，S2是一个双金属片自动开关，当温度达到‎70℃‎～‎80℃‎时，自动断开，低于‎70℃‎时，自动闭合，红灯、黄灯是指示灯，通过的电流必须较小，所以R1、R2起________作用，R3是发热电阻，由于煮饭前温度低于‎70℃‎，所以S2是________(填“断开的”或“闭合的”).接通电源并按下S1后，黄灯灭而红灯亮，R3发热，当温度达到‎70℃‎～‎80℃‎时，S2断开，当温度达到‎103℃‎时饭熟，S1断开，当温度降到‎70℃‎以下时，S2闭合，电饭煲处于保温状态，由以上描述可知R2________R3(填“＜”“＝”或“＞”)，若用电饭煲烧水时，直到水被烧干S1才会断开，试解释此现象.‎ 图9‎ 答案　见解析 解析　R1、R2起的作用是限流，防止指示灯(氖泡)因电流过大而烧毁，S2是自动控制温度开关，当温度低于‎70℃‎时自动闭合，当温度达到70℃～‎80℃‎时又自动断开，使电饭煲处于保温状态，由于R3的功率较大，因此R2＞R3.由于开关S1必须当温度达到‎103℃‎时才自动断开，而水的沸点只有‎100℃‎，因此用电饭煲烧水时，直到水被烧干后S1才会断开.‎ 6‎