2019-2020年高中物理第5章傳感器及其應(yīng)用第3節(jié)大顯身手的傳感器教學(xué)案魯科版選修3-2.doc
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2019-2020年高中物理第5章傳感器及其應(yīng)用第3節(jié)大顯身手的傳感器教學(xué)案魯科版選修3-2 一、洗衣機(jī)水位控制裝置 全自動洗衣機(jī)的水位控制裝置使用了壓力傳感器。當(dāng)水位達(dá)到設(shè)定的高度時(shí)接通控制電路關(guān)閉進(jìn)水電磁閥門,接通洗滌電動機(jī)電源。 二、自動門 1.控制自動門開關(guān)的是一種紅外線傳感器。 2.自動門工作流程: 三、指紋識別器 指紋識別器是通過電容傳感器來識別指紋的。手指皮膚與電容傳感器表面構(gòu)成了電容器,由于指紋的凹凸導(dǎo)致不同位置的電容器的電容值也不相同。 四、傳感器與機(jī)器人 1.機(jī)器人組成 由機(jī)械系統(tǒng)、傳感器系統(tǒng)、信息處理和控制系統(tǒng)組成。 2.機(jī)器人傳感器的分類 分為外部傳感器和內(nèi)部傳感器。 3.傳感器用途 (1)外部傳感器用于感知外部工作環(huán)境和外界事物對機(jī)器人的刺激。包括視覺傳感器、超聲波傳感器、溫度傳感器、壓力傳感器、位移傳感器等。 (2)內(nèi)部傳感器(如角度傳感器、關(guān)節(jié)傳感器等),用于檢測機(jī)器人自身的狀態(tài)。 1.自主思考——判一判 (1)全自動洗衣機(jī)水位控制裝置應(yīng)用了壓力傳感器。(√) (2)自動門應(yīng)用了紅外線傳感器。(√) 2.合作探究——議一議 (1)為什么指紋的脊和谷相對于另一個(gè)極板的距離不同,電容值就不同呢? 提示:由C=知,當(dāng)正對面積和介電常數(shù)一定時(shí),電容與兩極間距離是一一對應(yīng)的,距離越大,電容越小,所 以脊和谷相對于另一個(gè)極板的距離不同時(shí),電容值就不同。 (2)機(jī)器人有哪些分類?你能說出幾種? 提示:①家務(wù)型機(jī)器人:能幫助人們打理生活,做簡單的家務(wù)活。 ②操作型機(jī)器人:能自動控制,可重復(fù)編程,多功能,有幾個(gè)自由度,可固定或運(yùn)動,用于相關(guān)自動化系統(tǒng)中。 ③程控型機(jī)器人:按預(yù)先要求的順序及條件,依次控制機(jī)器人的機(jī)械動作。 ④智能機(jī)器人:以人工智能決定其行動的機(jī)器人。 生活中的傳感器 1.洗衣機(jī)水位控制原理分析 (1)結(jié)構(gòu):如圖531(a)所示,1和2分別是洗衣機(jī)的外筒和內(nèi)筒,3是氣室,4是傳感器的膜盒。氣室下部與外筒連通,上部與軟管、傳感器的膜盒連通。 圖531 (2)過程:向內(nèi)筒中注水時(shí),水通過內(nèi)筒壁上的小孔流入外筒,部分水進(jìn)入氣室,氣室內(nèi)被密封的空氣壓強(qiáng)增大,使傳感器的膜片向上凸起,如圖(b)所示。當(dāng)筒中水位到達(dá)設(shè)定的高度時(shí),凸起的膜片使動觸點(diǎn)a與靜觸點(diǎn)b脫離,并與靜觸點(diǎn)c接觸,從而接通控制電路,關(guān)閉進(jìn)水電磁閥門,接通洗滌電動機(jī)電源,開始洗滌衣物。 2.傳感器與機(jī)器人感覺對應(yīng)表 感覺 所用傳感器 效果 當(dāng)前發(fā)展水平 視覺 視覺傳感器 (攝像機(jī)) 使機(jī)器人擁有人眼的視覺功能 離自然人的視覺水平相差甚遠(yuǎn) 聽覺 超聲波傳感器、語識別裝置音 使機(jī)器人擁有類似人耳的聽覺功能 能理解一些簡單的語句,不能真正實(shí)現(xiàn)人機(jī)對話 嗅覺 氣體傳感器 使機(jī)器人擁有類似人的鼻子的功能 只能識別有限的幾種氣體,一般機(jī)器人沒有嗅覺 觸覺 壓力傳感器、溫度傳感器、位移傳感器 使機(jī)器人擁有類似人的皮膚和手的功能 發(fā)展水平較高,雖不如人的感覺敏銳,但能完成大部分要求 [特別提醒] 與當(dāng)代的傳感器相比,人類的感覺能力好得多,但也有一些傳感器比人的感覺功能優(yōu)越,例如人類沒有能力感知紫外線或紅外線輻射,感覺不到電磁場、無色無味的氣體等。 1.電子秤使用的傳感器是( ) A.超聲波傳感器 B.溫度傳感器 C.壓力傳感器 D.紅外線傳感器 解析:選C 電子秤通過感知物體對它的壓力,將其轉(zhuǎn)換為電信號,并由儀表顯示,來測量物體質(zhì)量,所以它感知的是壓力,使用了壓力傳感器,故C選項(xiàng)正確。 2.(xx浙江高考)如圖532所示為一種常見的身高體重測量儀。測量儀頂部向下發(fā)射波速為v的超聲波,超聲波經(jīng)反射后返回,被測量儀接收,測量儀記錄發(fā)射和接收的時(shí)間間隔。質(zhì)量為M0的測重臺置于壓力傳感器上,傳感器輸出電壓與作用在其上的壓力成正比。當(dāng)測重臺沒有站人時(shí),測量儀記錄的時(shí)間間隔為t0,輸出電壓為U0,某同學(xué)站上測重臺,測量儀記錄的時(shí)間間隔為t,輸出電壓為U,則該同學(xué)身高和質(zhì)量分別為( ) 圖532 A.v(t0-t),U B.v(t0-t),U C.v(t0-t),(U-U0) D.v(t0-t),(U-U0) 解析:選D 設(shè)人的身高為x,質(zhì)量為m。 當(dāng)測重臺沒有站人時(shí):=① 當(dāng)人站在測重臺上時(shí):=② 由①②兩式得人的身高x=v(t0-t) 當(dāng)測重臺上沒站人時(shí):M0g=kU0③ 當(dāng)人站在測重臺上時(shí):(M0+m)g=kU④ 由③④兩式得人的質(zhì)量m=(U-U0) 可知選項(xiàng)D正確。 3.類人型機(jī)器人裝有作為眼睛的“傳感器”,猶如大腦的“控制器”,以及可以行走的“執(zhí)行器”,在它碰到障礙物前會自動避讓并及時(shí)轉(zhuǎn)彎。下列有關(guān)該機(jī)器人“眼睛”的說法中正確的是( ) A.是力傳感器 B.是光傳感器 C.是溫度傳感器 D.是聲音傳感器 解析:選B 遇到障礙物會繞開,說明它是光傳感器,B對,A、C、D錯(cuò)。 電容傳感器原理的理解與應(yīng)用 1.如圖533甲所示是用來測定角度θ的電容傳感器。當(dāng)動片與定片之間的角度θ發(fā)生變化時(shí),引起極板正對面積S的變化,使電容C 發(fā)生變化。知道電容C的變化,就可以知道角度θ的變化情況。 2.如圖乙所示是測定液面高度h的電容傳感器。在導(dǎo)線芯的外面涂上一層絕緣物質(zhì),放入導(dǎo)電液體中。導(dǎo)線芯和導(dǎo)電液體構(gòu)成電容器的兩個(gè)極,導(dǎo)線芯外面的絕緣物質(zhì)就是電介質(zhì)。液面高度h發(fā)生變化時(shí),引起正對面積S發(fā)生變化,使電容C發(fā)生變化。知道電容C的變化,就可以知道液面高度h的變化情況。 圖533 3.如圖丙所示是測定壓力F的電容傳感器。待測壓力F作用于可動膜片電極上的時(shí)候,膜片發(fā)生形變,使極板間距離d發(fā)生變化,引起電容C的變化。知道電容C的變化,就可以知道壓力F的變化情況。 4.如圖丁所示是測定位移s的電容傳感器。隨著電介質(zhì)進(jìn)入極板間的長度發(fā)生變化,電容C發(fā)生變化。知道電容C的變化,就可以知道位移s的變化情況。 1.電容式話筒的保真度比動圈式話筒好,其工作原理如圖534所示。Q是絕緣支架,薄金屬膜片M和固定電極N形成一個(gè)電容器,被直流電源充電,當(dāng)聲波使膜片M振動時(shí),電容發(fā)生變化,電路中形成變化的電流。當(dāng)膜片M向右運(yùn)動的過程中有( ) 圖534 A.電容不變 B.電容變小 C.導(dǎo)線AB中有向左的電流 D.導(dǎo)線AB中有向右的電流 解析:選C 膜片M向右運(yùn)動時(shí),電容器兩極板間的距離減小,電容變大。電荷量Q=CU變大,電源要繼續(xù)給電容器充電,所以導(dǎo)線AB中的電流由B流向A。 2.如圖535所示為一測液面高低的傳感器示意圖,A為固定的導(dǎo)體芯,B為導(dǎo)體芯外面的一層絕緣物質(zhì),C為導(dǎo)電液體,把傳感器接到圖示的電路中,已知靈敏電流計(jì)指針偏轉(zhuǎn)方向與電流方向相同,如果發(fā)現(xiàn)指針正向右偏轉(zhuǎn),則導(dǎo)電液體的深度h變化為( ) 圖535 A.h正在增大 B.h正在減小 C.h不變 D.無法確定 解析:選B 由電源極性及電流方向可知,A、B、C構(gòu)成的電容器上的電荷量正在減小,由Q=CU可知C減小,則正對面積減小,即h在減小,故B正確。 1.機(jī)器人技術(shù)發(fā)展迅速,以下哪方面是現(xiàn)有的機(jī)器人不能很好地完成的( ) A.汽車工業(yè)中自動焊接領(lǐng)域 B.深水探險(xiǎn) C.藝術(shù)體操和與人對話 D.機(jī)械加工 解析:選C 現(xiàn)有的機(jī)器人技術(shù)限于制造工藝、計(jì)算機(jī)技術(shù)和傳感器技術(shù),還很難達(dá)到類似人對肢體的控制能力,其動作精確但較僵硬,語音識別能力還很差,在其他幾個(gè)方面機(jī)器人都有上佳表現(xiàn)。 2.傳感器的種類多種多樣,其性能也各不相同。空調(diào)機(jī)在室內(nèi)溫度達(dá)到設(shè)定的溫度后,會自動停止工作,空調(diào)機(jī)內(nèi)使用的傳感器是( ) A.生物傳感器 B.紅外傳感器 C.溫度傳感器 D.壓力傳感器 解析:選C 空調(diào)機(jī)根據(jù)溫度調(diào)節(jié)工作狀態(tài),所以內(nèi)部使用了溫度傳感器,故C正確。 3.下列和電視機(jī)遙控器中使用同一類傳感器的是( ) A.紅外報(bào)警裝置 B.火災(zāi)報(bào)警裝置 C.自動洗衣機(jī)中的壓力傳感裝置 D.電飯煲中控制加熱和保溫的溫控器 解析:選A 紅外報(bào)警裝置接收物體發(fā)出的紅外線,和電視機(jī)遙控器中使用的是同一類傳感器,故A正確;火災(zāi)報(bào)警裝置采用的是光敏電阻做成的光電傳感器,電飯煲中控制加熱和保溫的溫控器是熱敏電阻做成的溫度傳感器,故B、C、D錯(cuò)誤。 4.關(guān)于電子秤中應(yīng)變式力傳感器的說法正確的是( ) A.應(yīng)變片是由導(dǎo)體材料制成的 B.當(dāng)應(yīng)變片的表面拉伸時(shí),其電阻變大;反之變小 C.傳感器輸出的是應(yīng)變片電壓 D.外力越大,輸出的電壓差越小 解析:選B 應(yīng)變片是由半導(dǎo)體材料制成的,A錯(cuò)誤;應(yīng)變片的表面拉伸時(shí),R值變大,應(yīng)變片壓縮時(shí),R值變小,B正確;傳感器輸出的是應(yīng)變片兩個(gè)電壓的差值,外力越大,輸出電壓差值越大,C、D錯(cuò)誤。 5.有一種在光照或溫度升高時(shí)排氣扇都能啟動的自動控制裝置,下列說法正確的是( ) A.兩個(gè)傳感器都是光電傳感器 B.兩個(gè)傳感器分別是光電傳感器和溫度傳感器 C.兩個(gè)傳感器可能分別是溫度傳感器、電容式傳感器 D.只有光照和溫度都適合時(shí)排氣扇才能工作 解析:選B 題中提到有光照或溫度升高時(shí)排氣扇都能自動控制,由此可見兩個(gè)傳感器一個(gè)是光電傳感器,一個(gè)是溫度傳感器,而且排氣扇自動工作只需光照和溫度一個(gè)滿足條件即可。 6.如圖1所示是會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1 A.進(jìn)入罩內(nèi)的煙霧遮擋了光線,使光電三極管電阻更大,檢測電路檢測出變化發(fā)出 警報(bào) B.光電三極管溫度升高,電阻變小,檢測電路檢測出變化發(fā)出警報(bào) C.進(jìn)入罩內(nèi)的煙霧對光有散射作用,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 解析:選C 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,部分光線照在光電三極管上,其電阻變小,與傳感器相連的電路檢測出這種變化,發(fā)出警報(bào),C對。 7.壓敏電阻的阻值會隨所受壓力的增大而減小,某位同學(xué)利用壓敏電阻設(shè)計(jì)了判斷電梯運(yùn)動狀態(tài)的裝置,其裝置示意圖如圖2甲所示,將壓敏電阻平放在電梯內(nèi),受壓面朝上,在上面放一物體m,電梯靜止時(shí)電流表示數(shù)為I0,電梯在運(yùn)動過程中,電流表的示數(shù)如圖乙所示,下列判斷中正確的是( ) 圖2 A.乙圖表示電梯做勻速直線運(yùn)動 B.乙圖表示電梯做勻加速運(yùn)動 C.乙圖表示電梯做變加速運(yùn)動 D.乙圖表示電梯做勻減速運(yùn)動 解析:選C 從題圖乙可以看出電流增大,由歐姆定律知道壓敏電阻阻值應(yīng)該減小,結(jié)合壓敏電阻特點(diǎn)可以判斷,壓力增大,而且電流逐漸變大,壓力應(yīng)該也是逐漸增大,說明電梯的加速度逐漸增大,所以電梯做變加速運(yùn)動,C對。 8.(多選)如圖3所示是電飯鍋的結(jié)構(gòu)圖,如果感溫磁體的“居里溫度”為103 ℃,下列說法中正確的是( ) 圖3 A.常溫下感溫磁體具有較強(qiáng)的鐵磁性 B.當(dāng)溫度超過103 ℃時(shí),感溫磁體的鐵磁性較強(qiáng) C.飯熟后,水分被大米吸收,鍋底的溫度會超過103 ℃,這時(shí)開關(guān)按鈕會跳起 D.常壓下只要鍋內(nèi)有水,鍋內(nèi)的溫度不可能達(dá)到103 ℃,開關(guān)按鈕就不會自動跳起 解析:選ACD 常溫下感溫磁體具有較強(qiáng)鐵磁性,A正確;飯熟后,水分被大米吸收,鍋底的溫度會超過“居里溫度”103 ℃,感溫磁體鐵磁性消失,這時(shí)開關(guān)按鈕會跳起,B錯(cuò)誤,C正確;常壓下只要鍋內(nèi)有水,因?yàn)樗姆悬c(diǎn)為100 ℃,鍋內(nèi)的溫度就不可能達(dá)到103 ℃,感溫磁體始終具有鐵磁性,開關(guān)按鈕就不會自動跳起,D正確。 9.演示位移傳感器的工作原理如圖4所示,物體M在導(dǎo)軌上平移時(shí),帶動滑動變阻器的滑片P,通過電壓表顯示的數(shù)據(jù),來反映物體位移的大小。假設(shè)電壓表是理想的,則下列說法正確的是( ) 圖4 A.物體M運(yùn)動時(shí),電源內(nèi)的電流會發(fā)生變化 B.物體M運(yùn)動時(shí),電壓表的示數(shù)會發(fā)生變化 C.物體M不動時(shí),電路中沒有電流 D.物體M不動時(shí),電壓表沒有示數(shù) 解析:選B 電壓表為理想電表,則電壓表不分流,故觸頭移動時(shí)不會改變電路的電阻,也就不會改變電路中的電流,故A錯(cuò)誤。電壓表測得的是滑片P左側(cè)電阻分得的電壓,故電壓表的示數(shù)隨物體M的移動而變化,即隨滑片的運(yùn)動而變化,故B正確,C、D均錯(cuò)誤。 10.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,無法自動控制。經(jīng)檢查,恒溫箱的控制器沒有故障。參照圖5,下列對故障判斷正確的是( ) 圖5 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 解析:選C 恒溫箱內(nèi)溫度持續(xù)升高,說明加熱器沒有損壞,選項(xiàng)D錯(cuò)誤。無法自動控制,而經(jīng)檢查控制器又沒有故障,說明控制器沒問題。熱敏電阻或溫度設(shè)定裝置出現(xiàn)故障都能使溫度持續(xù)升高,故應(yīng)選C。 11.某實(shí)驗(yàn)小組探究一種熱敏電阻的溫度特性。現(xiàn)有器材:直流恒流電源(在正常工作狀態(tài)下輸出的電流恒定)、電壓表、待測熱敏電阻、保溫容器、溫度計(jì)、開關(guān)和導(dǎo)線等。 圖6 (1)若用上述器材測量熱敏電阻的阻值隨溫度變化的特性,請你在圖6甲中的實(shí)物圖上 連線。 (2)實(shí)驗(yàn)的主要步驟: ①正確連接電路,在保溫容器中注入適量冷水,接通電源,調(diào)節(jié)并記錄電源輸出的電 流值; ②在保溫容器中添加少量熱水,待溫度穩(wěn)定后,閉合開關(guān),________,________,斷開開關(guān); ③重復(fù)第②步操作若干次,測得多組數(shù)據(jù)。 (3)實(shí)驗(yàn)小組算得該熱敏電阻在不同溫度下的阻值,并據(jù)此繪得如圖乙所示的Rt關(guān)系圖像,請根據(jù)圖像寫出該熱敏電阻的Rt關(guān)系式:R=______+______t(Ω)(保留3位有效數(shù)字)。 解析:(1) (2)水溫改變后,熱敏電阻的阻值會變化,在電流不變的情況下,電壓表的示數(shù)隨之改變。每次待溫度穩(wěn)定后,閉合開關(guān),需要記錄溫度計(jì)的數(shù)值和電壓表的數(shù)值。 (3)從圖像知R與t成線性關(guān)系,且縱軸上截距(當(dāng)t=0 ℃時(shí))R=100 Ω;當(dāng)t=10 ℃時(shí),R=104 Ω;當(dāng)t=70 ℃時(shí)R=128 Ω,所以斜率==0.400,所以R=100+0.400t (Ω)。 答案:(1)見解析 (2)②記錄溫度計(jì)的數(shù)值 記錄電壓表的數(shù)值 (3)100 0.400 12.現(xiàn)有熱敏電阻、電爐絲、電源、電磁繼電器、滑動變阻器、開關(guān)和導(dǎo)線若干。如圖7所示,試設(shè)計(jì)一個(gè)溫控電路。要求溫度低于某一溫度時(shí),電爐絲自動通電供熱,超過某一溫度時(shí),又可以自動斷電,畫出電路圖并說明工作過程。 圖7 解析:電路圖如圖所示: 工作過程:閉合S,當(dāng)溫度低于設(shè)計(jì)值時(shí),熱敏電阻阻值大,通過電磁繼電器的電流不能使它工作,K接通,電爐絲通電供熱;當(dāng)溫度達(dá)到設(shè)計(jì)值時(shí),熱敏電阻阻值減小到某值,通過電磁繼電器的電流達(dá)到工作電流,K斷開,電爐絲斷電,停止供熱。當(dāng)溫度低于設(shè)計(jì)值,又重復(fù)前述過程。 答案:見解析- 1.請仔細(xì)閱讀文檔,確保文檔完整性,對于不預(yù)覽、不比對內(nèi)容而直接下載帶來的問題本站不予受理。
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