2019_2020學(xué)年高中物理第三章傳感器第三節(jié)第四節(jié)傳感器的應(yīng)用用傳感器制作自控裝置學(xué)案粵教版選修3_2.docx

教學(xué)資料范本2019_2020學(xué)年高中物理第三章傳感器第三節(jié)第四節(jié)傳感器的應(yīng)用用傳感器制作自控裝置學(xué)案粵教版選修3_2編 輯：_時 間：_第三節(jié) 傳感器的應(yīng)用 第四節(jié) 用傳感器制作自控裝置學(xué)科素養(yǎng)與目標(biāo)要求物理觀念：了解傳感器在日常生活和生產(chǎn)中的應(yīng)用科學(xué)探究：1.通過實驗或演示實驗，認識傳感器在技術(shù)或生產(chǎn)中的應(yīng)用.2.能設(shè)計簡單的傳感器應(yīng)用電路科學(xué)態(tài)度與責(zé)任：通過對傳感器原理及應(yīng)用的了解，體會所學(xué)知識在實際應(yīng)用中的價值，增強學(xué)習(xí)興趣并培養(yǎng)正確的科學(xué)態(tài)度一、傳感器的應(yīng)用1生活中的傳感器電飯煲、電冰箱、微波爐、空調(diào)機、消毒碗柜等與溫度控制相關(guān)的家用電器，幾乎都要用到溫度傳感器；自動門、家電遙控器、生命探測器、非接觸紅外測溫儀以及防盜、防火報警器等，均使用了紅外線傳感器；另外還有照相機中的光敏傳感器、家用便攜式電子秤的壓力傳感器等2農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的傳感器無人管理的自動灌溉系統(tǒng)利用了濕度傳感器；自動化溫室種植中，溫室的自動控溫就是在溫度傳感器的幫助下實現(xiàn)的；現(xiàn)代糧庫采用了溫度傳感器和濕度傳感器3工業(yè)生產(chǎn)中的傳感器生產(chǎn)安全中，如將一種埋入式光纖傳感器安置在大橋或水壩中，隨時可以監(jiān)測大橋或水壩的裂痕等安全隱患；在自動控制系統(tǒng)中，如數(shù)控機床中的位移測量裝置就是利用高精度位移傳感器(如光柵傳感器)進行位移測量，從而實現(xiàn)對零部件的精密加工4飛向太空的傳感器在運載火箭、載人飛船中，應(yīng)用傳感器供遙測和遙控系統(tǒng)使用；對宇航員各種生理狀況的測量有生理傳感器，如測量血壓、心電圖、體溫等二、用傳感器制作自控裝置課題：應(yīng)用光敏電阻制作光控自動照明燈電路圖1實驗器材二極管VD、晶閘管VS、光敏電阻RG、電阻R(7.5M)、燈泡L.實驗原理由晶閘管VS與電燈L構(gòu)成主回路，控制回路由R與RG組成的分壓器及二極管VD構(gòu)成，如圖1所示(1)當(dāng)白天自然光線較強時，光敏電阻呈低電阻，與R分壓后使晶閘管VS門電極處于低電平，VS關(guān)斷(2)當(dāng)夜幕降臨時，照在RG上的自然光線減弱，RG呈高阻，使VS的門電極處于高電平，VS獲正向觸發(fā)電壓而導(dǎo)通，燈L亮(3)改變R的阻值，即改變其與RG的分壓比，可調(diào)整電路的起控點1判斷下列說法的正誤(1)電子秤中的應(yīng)變片的電阻隨形變大小而變化()(2)電熨斗和電飯鍋都是利用雙金屬片控制電路通斷的()(3)火災(zāi)報警器中的光電三極管的電阻隨光照的增強而變小()(4)利用紅外線敏感元件可以實現(xiàn)無接觸測溫()2電子打火機的點火原理是壓電效應(yīng)，壓電片在受壓時會在兩側(cè)形成電壓且電壓大小與壓力近似成正比現(xiàn)有一利用壓電效應(yīng)制造的電梯加速度傳感器，如圖2所示壓電片安裝在電梯地板下，電壓表與壓電片構(gòu)成閉合回路用來測量壓電片兩側(cè)形成的電壓若發(fā)現(xiàn)電壓表示數(shù)增大，則電梯加速度一定_(填“向上”或“向下”)，電梯可能_(填“加速”或“減速”)下降圖2答案向上減速一、傳感器的應(yīng)用分析1傳感器的應(yīng)用步驟(1)信息采集(2)信息加工、放大、傳輸(3)利用所獲得的信息執(zhí)行某種操作2分析傳感器應(yīng)注意的四個分析(1)檢測量分析：要明確傳感器所檢測的量，如力、熱、光、磁、聲等(2)敏感元件分析：明確傳感器的敏感元件，分析它的輸入信號及輸出信號以及輸入信號與輸出信號間的變化規(guī)律(3)電路結(jié)構(gòu)分析：認真分析傳感器所在的電路結(jié)構(gòu)，在熟悉常用電子元件工作特點的基礎(chǔ)上，分析電路輸出信號與輸入信號間的規(guī)律(4)執(zhí)行機構(gòu)分析：分析非電學(xué)量與電學(xué)量之間的轉(zhuǎn)換過程，分析根據(jù)所獲得的信息控制執(zhí)行機構(gòu)進行工作的過程例1如圖3甲所示為一測量硫化鎘光敏電阻特性的實驗電路，電源電壓恒定電流表內(nèi)阻不計，開關(guān)閉合后，調(diào)節(jié)滑動變阻器的滑片，使小燈泡發(fā)光亮度逐漸增強，測得流過電阻的電流和光強的關(guān)系曲線如圖乙所示，試根據(jù)這一特性用圖丙中給定的器材設(shè)計一個自動光控電路并寫出控制過程圖3答案見解析解析由光敏電阻的特性曲線可以看出，當(dāng)入射光增強時，光敏電阻的阻值減小，流過光敏電阻的電流增大根據(jù)題意設(shè)計的自動光控電路如圖所示控制過程：當(dāng)有光照射時，光電流經(jīng)過放大器輸出一個較大的電流，驅(qū)動電磁繼電器吸引銜鐵使兩個觸點斷開，當(dāng)無光照射時，光電流減小，放大器輸出電流減小，電磁繼電器釋放銜鐵，使兩個觸點閉合，控制電路接通，燈開始工作二、傳感器應(yīng)用的實例分析1溫度傳感器的應(yīng)用(1)電熨斗構(gòu)造(如圖4所示)圖4敏感元件：雙金屬片工作原理：溫度變化時，由于雙金屬片上層金屬與下層金屬的膨脹系數(shù)不同，雙金屬片發(fā)生彎曲從而控制電路的通斷(2)電飯鍋構(gòu)造(如圖5所示)圖5敏感元件：感溫鐵氧體工作原理(i)居里溫度：感溫鐵氧體常溫下具有鐵磁性，溫度上升到約103時，失去鐵磁性，這一溫度稱為該材料的“居里溫度”(ii)自動斷電原理：用手按上開關(guān)通電加熱，開始煮飯，當(dāng)鍋內(nèi)加熱溫度達到103時，鐵氧體失去磁性，與永久磁鐵失去吸引力，被彈簧片彈開，從而推動杠桿使觸點開關(guān)斷開2力傳感器的應(yīng)用電子秤(1)組成：由金屬梁和應(yīng)變片組成(2)工作原理：如圖6所示，彈簧鋼制成的梁形元件右端固定，在梁的上下表面各貼一個應(yīng)變片，在梁的自由端施力F，則梁發(fā)生彎曲，上表面拉伸，下表面壓縮，上表面應(yīng)變片的電阻變大，下表面的電阻變小F越大，彎曲形變越大，應(yīng)變片的電阻變化就越大如果讓應(yīng)變片中通過的電流保持恒定，那么上表面應(yīng)變片兩端的電壓變大，下表面應(yīng)變片兩端的電壓變小傳感器把這兩個電壓的差值輸出外力越大，輸出的電壓差值也就越大，由電壓差值的大小，即可得到外力F的大小圖63光傳感器的應(yīng)用火災(zāi)報警器如圖7所示為利用煙霧對光的散射來工作的一種火災(zāi)報警器，其工作原理：圖7帶孔的罩子內(nèi)裝有發(fā)光二極管LED、光電三極管和不透明的擋板平時，光電三極管收不到LED發(fā)出的光，呈現(xiàn)高電阻狀態(tài)煙霧進入罩內(nèi)后對光有散射作用，使部分光線照射到光電三極管上，其電阻變小與傳感器連接的電路檢測出這種變化，就會發(fā)出警報例2如圖8所示是電飯煲的電路圖，S1是一個溫控開關(guān)，手動閉合后，當(dāng)此開關(guān)溫度達到居里點(103)時，會自動斷開S2是一個自動溫控開關(guān)，當(dāng)溫度低于70時，會自動閉合；溫度高于80時，會自動斷開紅燈是加熱時的指示燈，黃燈是保溫時的指示燈分流電阻R1R2500，加熱電阻絲R350，兩燈的電阻不計圖8(1)分析電飯煲的工作原理；(2)計算加熱和保溫兩種狀態(tài)下，電飯煲消耗的電功率之比；(3)簡要回答，如果不閉合開關(guān)S1能將飯煮熟嗎？答案見解析解析(1)接上電源，S2自動閉合，同時手動閉合S1，這時黃燈短路，紅燈亮，電飯煲處于加熱狀態(tài)，加熱到80時，S2自動斷開，S1仍閉合；飯煮熟后，溫度升高到103時，S1自動斷開，黃燈亮，電飯煲處于保溫狀態(tài)，由于散熱，待溫度降至70時，S2自動閉合，電飯煲重新加熱，溫度達到80時，S2又自動斷開，再次處于保溫狀態(tài)，如此循環(huán)(2)加熱時電飯煲消耗的電功率P1，保溫時電飯煲消耗的電功率P2，兩式中R并，故.(3)如果不閉合S1，開始時S2是閉合的，R1短路，功率為P1；當(dāng)溫度上升到80時，S2自動斷開，功率降為P2；溫度降低到70，S2自動閉合溫度只能在7080之間變化，不能將飯煮熟三、用溫度傳感器制作自動報警裝置的設(shè)計例3傳感器擔(dān)負著信息的采集任務(wù)，在自動控制中發(fā)揮著重要作用，傳感器能夠?qū)⒏惺艿降奈锢砹?如溫度、光、聲等)轉(zhuǎn)換成便于測量的量(通常是電學(xué)量)，例如熱敏傳感器，主要是應(yīng)用了半導(dǎo)體材料制成的熱敏電阻，某熱敏電阻RT阻值隨溫度變化的圖線如圖9甲所示，圖乙是由該熱敏電阻RT作為傳感器制作的簡單自動報警器線路圖圖9(1)為了使溫度過高時報警器鈴響，c應(yīng)接在_(填“a”或“b”)處(2)若要使啟動報警的溫度提高些，應(yīng)將滑動變阻器的滑片P向_(填“左”或“右”)移動(3)如果在調(diào)試報警器達到最低報警溫度時，無論如何調(diào)節(jié)滑動變阻器的滑片P都不能使報警器工作，且電路連接完好，各電路元件都能處于工作狀態(tài)，則造成工作電路不能正常工作的原因可能是_答案(1)a(2)左(3)電源提供電壓太小，以至于電磁鐵磁性太弱或彈簧勁度系數(shù)太大解析(1)熱敏電阻RT在溫度升高時阻值變小，電路中電流變大，電磁鐵磁性增強，把右側(cè)銜鐵吸引過來，與a接觸，故c應(yīng)接在a處(2)為使啟動報警的溫度提高，則應(yīng)使電路中電阻更大，滑動變阻器的滑片應(yīng)左移1(溫度傳感器的應(yīng)用)傳感器的種類多種多樣，其性能也各不相同，空調(diào)機在室內(nèi)溫度達到設(shè)定的溫度后，會自動停止工作，空調(diào)機內(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壓力傳感器答案C2(力傳感器的應(yīng)用)壓敏電阻的阻值隨所受壓力的增大而減小，在升降機中將重物放在壓敏電阻上，壓敏電阻接在如圖10甲所示的電路中，電流表示數(shù)變化如圖乙所示，某同學(xué)根據(jù)電流表的示數(shù)變化情況推斷升降機的運動狀態(tài)，下列說法中正確的是()圖10A0t1時間內(nèi)，升降機一定勻速運動B0t1時間內(nèi)，升降機可能減速上升Ct1t2時間內(nèi)，升降機可能勻速上升Dt1t2時間內(nèi)，升降機可能勻加速上升答案B解析在0t1時間內(nèi)，電流恒定，表明壓敏電阻的阻值恒定，則重物對壓敏電阻的壓力恒定，則升降機可能處于靜止、勻速運動或勻變速直線運動狀態(tài)，故A選項錯誤，B選項正確；t1t2時間內(nèi)，電流在增加，表明壓敏電阻的阻值在減小，則重物對壓敏電阻的壓力在增大，重物的加速度是變化的，故不可能做勻速運動或勻加速運動，C、D選項錯誤3.(電容式傳感器的應(yīng)用)如圖11所示是一個測定液面高度的傳感器，在導(dǎo)線芯的外面涂上一層絕緣物質(zhì)，放在導(dǎo)電液中，導(dǎo)線芯和導(dǎo)電液構(gòu)成電容器的兩極把這兩極接入外電路，當(dāng)外電路中的電流變化顯示電容值增大時，則導(dǎo)電液的深度h變化為()圖11Ah增大Bh減小Ch不變D無法確定答案A解析由題意知，導(dǎo)線芯和導(dǎo)電液構(gòu)成電容器的兩極，類似于平行板電容器的兩極當(dāng)液面高度發(fā)生變化時相當(dāng)于兩極板正對面積發(fā)生變化，會引起電容的變化與平行板電容器類比可得，導(dǎo)電液體深度h增大時，導(dǎo)線芯和導(dǎo)電液正對面積增大，電容器的電容值變大一、選擇題考點一溫度傳感器的應(yīng)用1當(dāng)出現(xiàn)某疫情時，在機場、車站等交通出入口，使用紅外線熱像儀，紅外線熱像儀通過紅外線遙感，可檢測出經(jīng)過它時的發(fā)熱病人，從而可以有效控制疫情的傳播關(guān)于紅外線熱像儀，下列說法正確的是()A選擇紅外線進行檢測，主要是因為紅外線具有熒光效應(yīng)B紅外線熱像儀通過發(fā)射紅外線照射人體來檢測C紅外線熱像儀同時還具有殺菌作用D一切物體都能發(fā)射紅外線，而且物體在不同溫度下發(fā)射的紅外線的頻率和強度不同答案D解析紅外線熱像儀是根據(jù)物體發(fā)射的紅外線的頻率和強度不同而工作的，故D正確2(多選)如圖1所示是自動調(diào)溫式電熨斗的結(jié)構(gòu)圖，下列說法正確的是()圖1A常溫時上下觸點是接觸的B雙金屬片溫度升高時，上金屬片形變較大，雙金屬片將向下彎曲C原來溫度控制在80斷開電源，現(xiàn)要求60斷開電源，應(yīng)使調(diào)溫旋鈕下移一些D由熨燙絲綢衣物狀態(tài)轉(zhuǎn)化為熨燙棉麻衣物狀態(tài)，應(yīng)使調(diào)溫旋鈕下移一些答案ABD解析常溫時，上下觸點是接通的，當(dāng)溫度升高時，上層金屬片形變大，向下彎曲，切斷電源，切斷溫度要升高則應(yīng)使調(diào)溫旋鈕下移一些，A、B、D對，C錯考點二光傳感器的應(yīng)用3(多選)(20xx市高二檢測)如圖2所示為某商廈安裝的光敏電阻自動計數(shù)器的示意圖其中A為光源，B為由電動機帶動的勻速運行的自動扶梯，R1為光敏電阻，R2為定值電阻每當(dāng)扶梯上有顧客經(jīng)過，擋住由A射向R1的光線時，計數(shù)器就計數(shù)一次此計數(shù)器的基本工作原理是()圖2A當(dāng)有光照射R1時，信號處理系統(tǒng)獲得低電壓B當(dāng)有光照射R1時，信號處理系統(tǒng)獲得高電壓C信號處理系統(tǒng)每獲得一次低電壓就計數(shù)一次D信號處理系統(tǒng)每獲得一次高電壓就計數(shù)一次答案BC解析當(dāng)光照射R1時，R1阻值減小，R總減小，電源電壓不變，故電路中的電流增大，R2是定值電阻，U2IR2，R2兩端電壓增大，信號處理系統(tǒng)獲得高電壓，A錯誤，B正確；當(dāng)有人時信號處理系統(tǒng)獲得低電壓，計數(shù)器計數(shù)一次，C正確，D錯誤4.如圖3所示，機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轉(zhuǎn)彎下列有關(guān)該機器人“眼睛”的說法中正確的是()圖3A力傳感器B光傳感器C溫度傳感器D聲音傳感器答案B解析遇到障礙物會繞開，說明它是光傳感器，故選項B正確，A、C、D錯誤5為了節(jié)約能源，合理適時地使用路燈，要求夜晚亮、白天熄，利用半導(dǎo)體的某種特性制成自動點亮熄滅的裝置，實現(xiàn)了自動控制這是利用半導(dǎo)體的()A壓敏性B光敏性C熱敏性D三種特性都利用了答案B解析由題意可知，這一裝置要對光敏感，能區(qū)分白天(光線強)與夜晚(光線暗)，所以選項B正確；雖然白天與夜晚溫度也不相同，但溫度除與晝夜有關(guān)外，還與季節(jié)有關(guān)，因此C錯誤；燈的亮熄與壓力無關(guān)，A、D錯誤考點三力傳感器的應(yīng)用6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，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，輸出的電壓差值越小答案B解析應(yīng)變片是由半導(dǎo)體材料制成的，A錯誤；應(yīng)變片的表面拉伸時，R變大，應(yīng)變片壓縮時，R變小，B正確；傳感器輸出的是應(yīng)變片兩個電壓的差值，外力越大，輸出電壓差值越大，C、D錯誤7(多選)壓敏電阻的阻值會隨所受壓力的增大而減小一同學(xué)利用壓敏電阻設(shè)計了判斷升降機運動狀態(tài)的裝置，如圖4甲所示，將壓敏電阻平放在升降機內(nèi)，受壓面朝上，在上面放一物體m，升降機靜止時電流表示數(shù)為I0.某過程中電流表的示數(shù)如圖乙所示，則在此過程中()圖4A物體處于失重狀態(tài)B物體處于超重狀態(tài)C升降機一定向上做勻加速運動D升降機可能向下做勻減速運動答案BD解析電流表的示數(shù)變?yōu)?I0且保持不變，說明此時壓敏電阻的阻值比升降機靜止時小，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錯誤考點四電容式傳感器的應(yīng)用8(多選)電容式話筒的保真度比動圈式話筒好，其工作原理如圖5所示Q是絕緣支架，薄金屬膜M和固定電極N形成一個電容器，被直流電源充電當(dāng)聲波使膜片振動時，電容發(fā)生變化，電路中形成變化的電流在膜片向右運動的過程中，有()圖5A電容變大B電容變小C導(dǎo)線AB中有向左的電流D導(dǎo)線AB中有向右的電流答案AC9(多選)如圖6所示，電容式觸摸屏的構(gòu)造主要是在玻璃屏幕上鍍一層透明的薄膜導(dǎo)體層，再在導(dǎo)體層外加上一塊保護玻璃，電容式觸摸屏在觸摸屏四邊均鍍上狹長的電極，在導(dǎo)體層內(nèi)形成一個低電壓交流電場在觸摸屏幕時，由于人體是導(dǎo)體，手指與內(nèi)部導(dǎo)體間會形成一個特殊電容(耦合電容)，四邊電極發(fā)出的電流會流向觸點，而電流強弱與手指到電極的距離成正比，位于觸摸屏后的控制器便會計算電流的比例及強弱，準(zhǔn)確算出觸摸點的位置由以上信息可知()圖6A電容式觸摸屏的兩極板分別是導(dǎo)體層和手指B當(dāng)用手觸摸屏幕時，手指與屏的接觸面積越大，電容越大C當(dāng)用手觸摸屏幕時，手指與屏的接觸面積越大，電容越小D如果用帶了手套的手觸摸屏幕，照樣能引起觸摸屏動作答案AB解析電容觸摸屏在原理上把人體當(dāng)作電容器元件的一個極板，把導(dǎo)體層當(dāng)作另一個極板，故A正確；手指與屏的接觸面積越大，即兩個極板的正對面積越大，故電容越大，B正確，C錯誤；如果帶了手套或手持不導(dǎo)電的物體觸摸時沒有反應(yīng)，這是因為手與導(dǎo)體層距離較大，不能引起導(dǎo)體層電場的變化，D錯誤考點五自動控制電路的分析與設(shè)計10(多選)如圖7所示，全自動洗衣機中的排水閥是由程序控制器控制其動作的，當(dāng)進行排水和脫水工序時，控制鐵芯1的線圈通電，使鐵芯2運動，從而牽引排水閥的閥門排除污水以下說法中正確的是()圖7A若輸入的控制電流由a流入，由b流出，則鐵芯2中A端為N極，B端為S極B若輸入的控制電流由a流入，由b流出，則鐵芯2中A端為S極，B端為N極C若a、b處輸入交變電流，鐵芯2不能被吸入線圈中D若a、b處輸入交變電流，鐵芯2仍能被吸入線圈中答案AD解析鐵芯被通電螺線管磁化11.(多選)某同學(xué)設(shè)計的家庭電路保護裝置如圖8所示，鐵芯左側(cè)線圈L1由火線和零線并行繞成當(dāng)右側(cè)線圈L2中產(chǎn)生電流時，電流經(jīng)放大器放大后，使電磁鐵吸起鐵質(zhì)開關(guān)K，從而切斷家庭電路僅考慮L1在鐵芯中產(chǎn)生的磁場，下列說法正確的有()圖8A家庭電路正常工作時，L2中的磁通量為零B家庭電路中使用的電器增多時，L2中的磁通量不變C家庭電路發(fā)生短路時，開關(guān)K將被電磁鐵吸起D地面上的人接觸火線發(fā)生觸電時，開關(guān)K將被電磁鐵吸起答案ABD解析由于零線、火線中電流方向相反，產(chǎn)生的磁場方向相反，所以家庭電路正常工作時，L2中的磁通量為零，選項A正確；家庭電路短路和用電器增多時均不會引起L2中磁通量的變化，選項B正確，C錯誤；地面上的人接觸火線發(fā)生觸電時，線圈L1中磁場變化引起L2中磁通量的變化，產(chǎn)生感應(yīng)電流，吸起K，切斷家庭電路，選項D正確二、非選擇題12圖9甲為在溫度為10左右的環(huán)境中工作的某自動恒溫箱的原理簡圖圖9箱內(nèi)的電阻R120k，R210k，R340k，Rt為熱敏電阻，它的電阻隨溫度變化的圖線如圖乙所示當(dāng)a、b端的電壓Uab0時，電壓鑒別器會使S斷開，停止加熱則恒溫箱內(nèi)的溫度恒定在_.答案35解析設(shè)電路兩端電壓為U，當(dāng)Uab0時，有R1R3，解得Rt20k，由Rtt圖可知，當(dāng)Rt20k時，t35.13.如圖10所示，一熱敏電阻RT放在控溫容器M內(nèi)；為毫安表，量程為6mA，內(nèi)阻為