(通用版)2018-2019版高中物理 第4章 傳感器與現(xiàn)代社會(huì) 4.3-4.4 用傳感器做實(shí)驗(yàn) 信息時(shí)代離不開傳感器學(xué)案 滬科版選修3-2

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1、 4.3 用傳感器做實(shí)驗(yàn)4.4 信息時(shí)代離不開傳感器 [目標(biāo)定位] 1.知道溫度傳感器、力傳感器的原理和應(yīng)用.2.理解霍爾元件的原理.3.了解現(xiàn)代生產(chǎn)、生活中常用的傳感器. 一、實(shí)驗(yàn)中常見的幾種傳感器的分析 1.溫度傳感器的原理 溫度傳感器是利用熱敏電阻的阻值會(huì)隨溫度的變化而變化的原理制成的,它能把溫度這個(gè)熱學(xué)量轉(zhuǎn)換為電壓這個(gè)電學(xué)量.如各種家用電器(空調(diào)、冰箱、熱水器、飲水機(jī)等)的溫度控制器、火警報(bào)警器、恒溫箱等. 2.力傳感器的原理 如圖1所示,力傳感器可以用來測(cè)重力、壓力、拉力等各種力,應(yīng)變片能夠把物體形變這個(gè)力學(xué)量轉(zhuǎn)換為電壓這個(gè)電學(xué)量. 圖1 3.磁傳感器的原理

2、(霍爾效應(yīng)的應(yīng)用) (1)霍爾元件是一種磁敏感元件. (2)霍爾效應(yīng):如圖2所示,在金屬薄片相對(duì)的兩側(cè)面通以控制電流I,在與薄片垂直方向施加磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的磁場(chǎng),那么,在垂直于電流和磁場(chǎng)方向的另外兩個(gè)側(cè)面將產(chǎn)生與控制電流和磁場(chǎng)成正比的電動(dòng)勢(shì)UH,這種現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng),即UH=RH. 圖2 例1 (多選)如圖3所示是霍爾元件的工作原理示意圖,如果用d表示薄片的厚度,k為霍爾系數(shù),對(duì)于一個(gè)霍爾元件d、k為定值,如果保持I恒定,則可以驗(yàn)證UH隨B的變化情況.以下說法中正確的是(工作面是指較大的平面)(  ) 圖3 A.將永磁體的一個(gè)磁極逐漸靠近霍爾元件的工作面,UH將變大 B.

3、在測(cè)定地球兩極的磁場(chǎng)強(qiáng)弱時(shí),霍爾元件的工作面應(yīng)保持水平 C.在測(cè)定地球赤道上的磁場(chǎng)強(qiáng)弱時(shí),霍爾元件的工作面應(yīng)保持水平 D.改變磁感線與霍爾元件工作面的夾角,UH將發(fā)生變化 答案 ABD 解析 將永磁體的磁極逐漸靠近霍爾元件的工作面時(shí),B增大,I恒定,由公式UH=知UH將變大,選項(xiàng)A正確;地球兩極的磁場(chǎng)方向在豎直方向上,所以霍爾元件的工作面應(yīng)保持水平,使B與工作面垂直,選項(xiàng)B正確;地球赤道上的磁場(chǎng)沿水平方向,只有霍爾元件的工作面在豎直方向且垂直于南北時(shí),B才與工作面垂直,選項(xiàng)C錯(cuò)誤;改變磁感線與霍爾元件工作面的夾角,B在垂直工作面方向上的大小發(fā)生變化,UH將發(fā)生變化,選項(xiàng)D正確. 例2

4、 按圖4所示連接好電路,合上S,發(fā)現(xiàn)小燈泡不亮,原因是______________; 用電吹風(fēng)對(duì)熱敏電阻吹一會(huì)兒,會(huì)發(fā)現(xiàn)小燈泡________,原因是________________; 停止吹風(fēng),會(huì)發(fā)現(xiàn)_________;把熱敏電阻放入冷水中會(huì)發(fā)現(xiàn)______________. 圖4 答案 由于熱敏電阻阻值較大,左側(cè)電路電流較小,電磁鐵磁性較弱吸不住銜鐵 亮了 電吹風(fēng)對(duì)熱敏電阻加熱使其阻值變小,電路中電流增大,電磁鐵吸住銜鐵,右側(cè)電路接通 小燈泡不會(huì)立即熄滅,因?yàn)闊崦綦娮铚囟热匀惠^高 小燈泡熄滅 二、隨處可見的傳感器 1.紅外測(cè)溫儀:是一種將紅外輻射波轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的傳感裝置.

5、 2.數(shù)碼相機(jī)和攝像機(jī):敏感元件叫做電荷耦合器件(CCD),它能將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬電信號(hào),模擬電信號(hào)再通過A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字電信號(hào). 3.酒精濃度測(cè)試儀:敏感元件是酒精傳感器. 在生活中還有煤氣報(bào)警器、火警報(bào)警器、紅外報(bào)警器、防盜報(bào)警器等等.工業(yè)生產(chǎn)中有熱軋生產(chǎn)線上的傳感器,農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中有空氣濕度傳感器、土壤濕度傳感器、土壤營(yíng)養(yǎng)傳感器等等. 例3 如圖5所示是會(huì)議室和賓館房間的天花板上裝有的火災(zāi)報(bào)警器的結(jié)構(gòu)原理圖,罩內(nèi)裝有發(fā)光二極管LED、光電三極管和不透明的擋板.平時(shí)光電三極管接收不到LED發(fā)出的光,呈現(xiàn)高電阻狀態(tài).發(fā)生火災(zāi)時(shí),下列說法正確的是(  ) 圖5 A.進(jìn)入罩內(nèi)的煙

6、霧遮擋了光線,使光電三極管電阻更大,檢測(cè)電路檢測(cè)出變化發(fā)出警報(bào) B.光電三極管溫度升高,電阻變小,檢測(cè)電路檢測(cè)出變化發(fā)出警報(bào) C.進(jìn)入罩內(nèi)的煙霧對(duì)光有散射作用,部分光線照到光電三極管上,電阻變小,發(fā)出警報(bào) D.以上說法均不正確 答案 C 解析 由火災(zāi)報(bào)警器的原理可知,發(fā)生火災(zāi)時(shí)煙霧進(jìn)入罩內(nèi),使光發(fā)生散射,部分光線照到光電三極管上,電阻變小,與傳感器相連的電路檢測(cè)出這種變化,發(fā)出警報(bào),C對(duì). 三、信息社會(huì)離不開傳感器 智能式傳感器集信息檢測(cè)、信息處理、信息記憶、邏輯思維和判斷功能于一身,把計(jì)算機(jī)、各種用途的傳感器和輸入輸出接口等制作在同一塊芯片上,即成為大規(guī)模集成電路智能傳感器.

7、 四、遙測(cè)與遙感 遙感遙測(cè)的基本原理是通過遙感傳感器對(duì)觀測(cè)目標(biāo)產(chǎn)生的電磁波、熱輻射進(jìn)行遠(yuǎn)距離收集、轉(zhuǎn)換,用計(jì)算機(jī)處理、識(shí)別,得出結(jié)論.主要應(yīng)用在地球資源勘測(cè)、環(huán)境監(jiān)控、氣象預(yù)報(bào)、軍事偵察等方面. 1.(傳感器的應(yīng)用實(shí)例)(多選)壓敏電阻的阻值會(huì)隨所受壓力的增大而減小.一同學(xué)利用壓敏電阻設(shè)計(jì)了判斷升降機(jī)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的裝置,如圖6甲所示,將壓敏電阻平放在升降機(jī)內(nèi),受壓面朝上,在上面放一物體m,升降機(jī)靜止時(shí)電流表示數(shù)為I0.某過程中電流表的示數(shù)如圖乙所示,則在此過程(  ) 圖6 A.物體處于失重狀態(tài) B.物體處于超重狀態(tài) C.升降機(jī)一定向上做勻加速運(yùn)動(dòng) D.升降機(jī)可能向下做勻

8、減速運(yùn)動(dòng) 答案 BD 解析 電流表的示數(shù)變?yōu)?I0且保持不變,說明壓敏電阻的阻值比升降機(jī)靜止時(shí)小,壓敏電阻所受壓力變大,物體處于超重狀態(tài),即物體具有向上的加速度,B、D正確,A、C錯(cuò)誤. 2.(溫度傳感器的應(yīng)用)小強(qiáng)用恒溫箱進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí),發(fā)現(xiàn)恒溫箱的溫度持續(xù)升高,無法自動(dòng)控制.經(jīng)檢查,恒溫箱的控制器沒有故障.參照?qǐng)D7,下列對(duì)故障判斷正確的是(  ) 圖7 A.只可能是熱敏電阻出現(xiàn)故障 B.只可能是溫度設(shè)定裝置出現(xiàn)故障 C.熱敏電阻和溫度設(shè)定裝置都可能出現(xiàn)故障 D.可能是加熱器出現(xiàn)故障 答案 C 解析 由恒溫箱原理圖可知,若熱敏電阻出現(xiàn)故障或溫度設(shè)定裝置出現(xiàn)故障都會(huì)向控制器

9、傳遞錯(cuò)誤信息,導(dǎo)致控制器發(fā)出錯(cuò)誤指令,故C正確,A、B錯(cuò)誤.若加熱器出現(xiàn)故障,只有一種可能,即不能加熱,而題中加熱器一直加熱才會(huì)使溫度持續(xù)升高,故D錯(cuò)誤. 3.(傳感器的應(yīng)用分析)如圖8所示是一種自動(dòng)控制水溫的裝置,加熱電路的兩個(gè)端點(diǎn)P、Q應(yīng)接到觸頭a、b上還是c、d上?熱敏電阻兩端M、N應(yīng)接到哪兩個(gè)觸頭上? 圖8 答案 見解析 解析 P、Q應(yīng)該分別接在觸頭a、b上,同時(shí),M、N應(yīng)該分別接e、f,其工作原理是:當(dāng)水溫升高時(shí),熱敏電阻阻值減小,電磁鐵中電流增大,吸引力增大,使銜鐵被吸下,a、b斷開,使加熱裝置停止加熱;當(dāng)水溫降低到一定程度時(shí),熱敏電阻阻值增大,電磁鐵中電流減小,吸引力

10、減小,銜鐵被彈簧彈上去,使a、b之間連接,加熱裝置開始加熱,從而實(shí)現(xiàn)水溫控制. 4.(傳感器的應(yīng)用實(shí)例)電飯煲的工作原理如圖9所示,可分為兩部分,即控制部分:由S2、R1和黃燈組成.工作(加熱)部分:由發(fā)熱電阻R3、R2和紅燈組成,S1是一個(gè)磁鐵限溫開關(guān),手動(dòng)閉合,當(dāng)此開關(guān)的溫度達(dá)到居里點(diǎn)(103℃)時(shí),自動(dòng)斷開,且不能自動(dòng)復(fù)位(閉合),S2是一個(gè)雙金屬片自動(dòng)開關(guān),當(dāng)溫度達(dá)到70℃~80℃時(shí),自動(dòng)斷開,低于70℃時(shí),自動(dòng)閉合,紅燈、黃燈是指示燈,通過的電流必須較小,所以R1、R2起________作用,R3是發(fā)熱電阻,由于煮飯前溫度低于70℃,所以S2是________(填“斷開的”或“閉合

11、的”).接通電源并按下S1后,黃燈滅而紅燈亮,R3發(fā)熱,當(dāng)溫度達(dá)到70℃~80℃時(shí),S2斷開,當(dāng)溫度達(dá)到103℃時(shí)飯熟,S1斷開,當(dāng)溫度降到70℃以下時(shí),S2閉合,電飯煲處于保溫狀態(tài),由以上描述可知R2________R3(填“<”“=”或“>”),若用電飯煲燒水時(shí),直到水被燒干S1才會(huì)斷開,試解釋此現(xiàn)象. 圖9 答案 見解析 解析 R1、R2起的作用是限流,防止指示燈(氖泡)因電流過大而燒毀,S2是自動(dòng)控制溫度開關(guān),當(dāng)溫度低于70℃時(shí)自動(dòng)閉合,當(dāng)溫度達(dá)到70℃~80℃時(shí)又自動(dòng)斷開,使電飯煲處于保溫狀態(tài),由于R3的功率較大,因此R2>R3.由于開關(guān)S1必須當(dāng)溫度達(dá)到103℃時(shí)才自動(dòng)斷開,而水的沸點(diǎn)只有100℃,因此用電飯煲燒水時(shí),直到水被燒干后S1才會(huì)斷開. 6

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