新教材2023年秋高中物理第5章傳感器1.認(rèn)識傳感器教師用書含答案新人教版選擇性必修第二冊

1．認(rèn)識傳感器1．了解傳感器，知道傳感器是把非電學(xué)量轉(zhuǎn)換成電學(xué)量的器件或裝置，知道傳感器在生產(chǎn)生活等實(shí)踐中有廣泛應(yīng)用。2．了解傳感器的基本組成部分和應(yīng)用的一般模式。3．知道傳感器在某些方面可以代替甚至超過人類對自然的感知，能夠改變?nèi)祟惖纳a(chǎn)生活方式。神奇的傳感器及其種類1．樓道燈自動開啟：這個(gè)開關(guān)會感知環(huán)境的明暗和聲音的強(qiáng)弱。只有環(huán)境的亮度低于某一數(shù)值，同時(shí)聲強(qiáng)高于某一數(shù)值時(shí)，聲控—光控開關(guān)才會接通，燈才會亮。2．自動門：有的自動門裝有一種裝置，當(dāng)人走近時(shí)，可以檢測出人體向外輻射的紅外線，從而發(fā)出使自動門開關(guān)啟動的命令。這種裝置就是紅外線傳感器。3．便攜式酒精檢測儀：司機(jī)對著“便攜式酒精檢測儀”呼氣，檢測儀就會顯示呼出氣體中的酒精濃度，這是因?yàn)闄z測儀上裝有“乙醇傳感器”，它能感知乙醇的濃度。4．傳感器：它能夠感受諸如力、溫度、光、聲、化學(xué)成分等被測量，并能把它們按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換為便于傳送和處理的可用信號輸出。通常轉(zhuǎn)換成的可用信號是電壓、電流等電學(xué)量，或轉(zhuǎn)換為電路的通斷。把非電學(xué)量轉(zhuǎn)換為電學(xué)量，可以很方便地進(jìn)行測量、傳輸、處理和控制。5．傳感器的種類(1)傳感器的種類：力傳感器、磁傳感器、聲傳感器等物理傳感器。(2)電化學(xué)反應(yīng)原理：把無機(jī)或有機(jī)化學(xué)物質(zhì)的成分、濃度等轉(zhuǎn)換為電信號。(3)生物活性物質(zhì)：利用生物活性物質(zhì)的選擇性來識別和測定生物化學(xué)物質(zhì)，如酶傳感器、微生物傳感器、細(xì)胞傳感器等生物傳感器。干簧管是玻璃管內(nèi)封入的兩個(gè)軟磁性材料制成的簧片。將干簧管接入圖中電路。問題1當(dāng)磁鐵靠近干簧管時(shí)，會發(fā)生什么現(xiàn)象，為什么？提示：燈泡會亮，因?yàn)楫?dāng)磁鐵靠近干簧管時(shí)，兩個(gè)簧片被磁化而接通。問題2干簧管的作用是什么？提示：干簧管起到開關(guān)的作用，是一種能夠感知磁場的傳感器。1．傳感器的核心元件(1)敏感元件：相當(dāng)于人的感覺器官，直接感受被測量，并將其變換成與被測量成一定關(guān)系的易于測量的物理量，如溫度、位移等。(2)轉(zhuǎn)換元件：也稱為傳感元件，通常不直接感受被測量，而是將敏感元件輸出的物理量轉(zhuǎn)換成電學(xué)量輸出。(3)轉(zhuǎn)換電路：是將轉(zhuǎn)換元件輸出的電學(xué)量轉(zhuǎn)換成易于測量的電學(xué)量，如電壓、電流等。2．傳感器的工作原理傳感器感受的通常是非電學(xué)量，如壓力、溫度、位移、濃度、速度、酸堿度等，而它輸出的通常是電學(xué)量，如電壓、電流、電荷量等，這些輸出信號是非常微弱的，通常要經(jīng)過放大后再輸送給控制系統(tǒng)產(chǎn)生各種控制動作。傳感器的工作原理如下所示：非電學(xué)量3．分類工作原理舉例物理傳感器利用物質(zhì)的物理性質(zhì)和物理效應(yīng)感知并檢測出待測對象信息壓力傳感器、溫度傳感器、光電傳感器、電感傳感器、電容傳感器等化學(xué)傳感器利用化學(xué)反應(yīng)識別和檢測信息氣敏傳感器、濕敏傳感器等生物傳感器利用生物化學(xué)反應(yīng)識別和檢測信息酶傳感器、組織傳感器、細(xì)胞傳感器等【典例1】全面了解汽車的運(yùn)行狀態(tài)(速度、水箱溫度、油量)是確保汽車安全行駛和駕駛員安全的舉措之一，為模仿汽車油表原理，某同學(xué)自制一種測定油箱油量多少或變化多少的裝置。如圖所示，其中電源電壓保持不變，R是滑動變阻器，它的金屬滑片是金屬桿的一端。該同學(xué)在裝置中使用了一只電壓表(圖中沒有畫出)，通過觀察電壓表示數(shù)，可以了解油量情況，你認(rèn)為電壓表應(yīng)該接在圖中的________兩點(diǎn)之間，按照你的接法請回答：當(dāng)油箱中油量減少時(shí)，電壓表的示數(shù)將________(選填“增大”或“減小”)。[解析]由題圖可知當(dāng)油箱內(nèi)液面高度變化時(shí)，R的金屬滑片將會移動，從而引起R兩端電壓的變化，且當(dāng)R′?R時(shí)，UR＝IR可視為UR與R成正比，所以電壓表應(yīng)接在b、c兩點(diǎn)之間；當(dāng)油量減少時(shí)，電壓表示數(shù)將增大。[答案]b、c增大傳感器問題的分析思路不同類型的傳感器，其工作原理一般不同，但所有的傳感器都是把非電學(xué)量的變化轉(zhuǎn)換為電學(xué)量的變化。因此我們可以根據(jù)電學(xué)量的變化來推測相關(guān)量的變化。[跟進(jìn)訓(xùn)練]1．下列關(guān)于物理傳感器、化學(xué)傳感器和生物傳感器的說法，正確的是()A．物理傳感器利用材料的某種物理性質(zhì)工作，因而只能用于機(jī)械加工行業(yè)而不能用于化工領(lǐng)域B．化學(xué)傳感器是利用某種化學(xué)反應(yīng)來工作的，因而只能輸出某種化學(xué)物質(zhì)而不能輸出電學(xué)量C．生物傳感器的適用范圍廣，可在任意溫度下工作D．生物傳感器由于含有生命物質(zhì)，因而對使用傳感器的環(huán)境有一定要求D[物理傳感器在化工領(lǐng)域也可以使用，如溫度傳感器等，故A錯(cuò)誤；化學(xué)傳感器一般也是輸出電學(xué)量，如離子傳感器等，故B錯(cuò)誤；生物傳感器能夠使用的前提是傳感器中的生命物質(zhì)保持生物活性，故C錯(cuò)誤，D正確。]2．(2022·福州高二檢測)某電容式話筒的原理示意圖如圖所示，E為電源，R為電阻，薄片P和Q為兩金屬極板。對著話筒說話時(shí)，P振動而Q可視為不動，在P向左運(yùn)動的過程中()A．P、Q構(gòu)成的電容器的電容增大B．P上電荷量保持不變C．M點(diǎn)的電勢比N點(diǎn)的低D．M點(diǎn)的電勢比N點(diǎn)的高D[當(dāng)P向左運(yùn)動時(shí)，據(jù)平行板電容器公式C＝εrS4πkd知d增加，則C變小，A錯(cuò)誤；穩(wěn)定后電容器兩極板間的電壓不變，則據(jù)Q＝CU知C減少，U不變，則Q減少，B錯(cuò)誤；電容器兩極板的電荷量減少，產(chǎn)生放電電流，方向從M→N，因此M點(diǎn)的電勢比N點(diǎn)的電勢高，傳感器的組成與應(yīng)用模式1．敏感元件：是指能直接感受或響應(yīng)外界被測非電學(xué)量的部分。2．轉(zhuǎn)換元件：是指能將敏感元件輸出的信號直接轉(zhuǎn)換成電信號的部分。它們分別完成檢測和轉(zhuǎn)換兩個(gè)基本功能。傳感器的基本部分一般由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成。3．傳感器應(yīng)用的一般模式如圖是應(yīng)變片的原理及力學(xué)傳感器的應(yīng)用的圖片。問題1電子秤的敏感元件是什么？提示：電阻應(yīng)變片。問題2電阻應(yīng)變片是怎樣把非電學(xué)量轉(zhuǎn)化為電學(xué)量的？提示：當(dāng)電阻應(yīng)變片長度和橫截面積發(fā)生變化時(shí)，由電阻定律可知電阻發(fā)生變化。1．分析思路物理傳感器是將所感受的物理量(如力、熱、光等)轉(zhuǎn)換為便于測量的電學(xué)量的器件。我們可以把傳感器的應(yīng)用過程分為三個(gè)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．分析傳感器問題要注意四點(diǎn)(1)感受量分析要明確傳感器所感受的物理量，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(rèn)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(diǎn)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(jī)構(gòu)工作分析傳感器的應(yīng)用，不僅包含非電學(xué)量如何向電學(xué)量轉(zhuǎn)化的過程，還包含根據(jù)所獲得的信息控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行工作的過程。【典例2】酒精測試儀利用的是一種二氧化錫半導(dǎo)體型酒精氣體傳感器，其電阻r的倒數(shù)與酒精氣體的濃度c成正比。如圖所示的電路接在恒壓電源上，R和R0為定值電阻，則電壓表的示數(shù)U與酒精氣體濃度c的對應(yīng)關(guān)系為()A．U越大，表示c越大，但是c與U不成正比B．U越大，表示c越大，而且c與U成正比C．U越大，表示c越小，但是c與U不成反比D．U越大，表示c越小，而且c與U成反比A[由題圖知，酒精氣體傳感器和定值電阻串聯(lián)在電路中，電壓表測R0兩端的電壓。根據(jù)酒精氣體傳感器的電阻的倒數(shù)與酒精氣體的濃度成正比，得1r＝kc(k是比例系數(shù))①，根據(jù)歐姆定律得UR0＝ER0+R+r②，由①②式整理得U＝ER0R0[跟進(jìn)訓(xùn)練]3．(多選)為了保證行車安全和乘客身體健康，動車上裝有煙霧報(bào)警裝置，其原理如圖所示。M為煙霧傳感器，其阻值RM隨著煙霧濃度的改變而變化，電阻R為可變電阻。車廂內(nèi)有人抽煙時(shí)，煙霧濃度增大，導(dǎo)致S兩端的電壓增大，裝置發(fā)出警報(bào)。下列說法正確的是()A．RM隨煙霧濃度的增大而增大B．RM隨煙霧濃度的增大而減小C．若要提高報(bào)警靈敏度可增大RD．若要提高報(bào)警靈敏度可減小RBC[S兩端電壓U增大，故傳感器兩端電壓一定減??；當(dāng)有煙霧，使傳感器電阻變化，即RM變小，則有RM隨著煙霧濃度的增大而減小，故A錯(cuò)誤，B正確。R越大，M與R并聯(lián)的電阻R并越接近RM，U增大越明顯，導(dǎo)致S上電壓變化越明顯，故C正確，D錯(cuò)誤。]1．下列說法正確的是()A．傳感器將感受到的非電學(xué)量轉(zhuǎn)換為電學(xué)量，或轉(zhuǎn)換為電路的通斷B．傳感器將感受到的電學(xué)量轉(zhuǎn)換為非電學(xué)量C．傳感器只能將感受到的非電學(xué)量轉(zhuǎn)換為電路的通斷D．以上說法都不對A[傳感器作為一種將其他形式的信號與電信號之間的轉(zhuǎn)換裝置，能將非電學(xué)量按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成電學(xué)量或者是電路的通斷，故A正確，B、C、D錯(cuò)誤。]2．有一些星級賓館的洗手間裝有自動干手機(jī)，洗手后將濕手靠近，機(jī)內(nèi)的傳感器就開通電熱器加熱，有熱空氣從機(jī)內(nèi)噴出，將濕手烘干，手靠近自動干手機(jī)能使傳感器工作，是因?yàn)楦淖兞?)A．濕度 B．溫度C．磁場 D．電容D[根據(jù)自動干手機(jī)工作的特征，手靠近干手機(jī)時(shí)電熱器工作，手撤離后電熱器停止工作，人是一種導(dǎo)體，可以與其他導(dǎo)體構(gòu)成電容器。手靠近時(shí)相當(dāng)于連接一個(gè)電容器，可以確定干手機(jī)內(nèi)設(shè)有電容式傳感器，由于手的靠近改變了電容大小，故D正確；用濕度和溫度來驅(qū)動電熱器工作，理論上可行，但是假如干手機(jī)是由于溫度、濕度的變化而工作，它就成了室內(nèi)烘干機(jī)，故A、B、C錯(cuò)誤。]3．如圖所示，商店里使用的電子計(jì)價(jià)秤可將貨物的質(zhì)量、單價(jià)和金額清楚地顯示在面板上，既方便了工作人員，又方便了顧客。電子計(jì)價(jià)秤使用的傳感器是()A．紅外線傳感器B．壓力傳感器C．超聲波傳感器D．溫度傳感器B[傳感器將溫度、力、光、聲音等非電學(xué)量轉(zhuǎn)換為電學(xué)量，此處電子計(jì)價(jià)秤使用的傳感器是壓力傳感器，將力學(xué)量轉(zhuǎn)換成電學(xué)量，故B正確，A、C、D錯(cuò)誤。]4．(多選)如圖是一種測定壓力的電容式傳感器。當(dāng)待測壓力F作用于可動膜片電極上時(shí)，可使膜片產(chǎn)生形變，引起電容的變化。如果將這個(gè)電容式傳感器、電流計(jì)和電源串接成閉合電路，那么()A．當(dāng)F向上壓膜片電極時(shí)，電容將變小B．當(dāng)F向上壓膜片電極時(shí)，電容將變大C．若電流計(jì)示數(shù)有變化，則表明壓力F發(fā)生變化D．若電流計(jì)示數(shù)有變化，則表明壓力F不發(fā)生變化BC[當(dāng)F向上壓膜片電極時(shí)，距離d變小，則根據(jù)C＝εrS4πkd，可知電容變大，A錯(cuò)誤，B正確；若電流計(jì)示數(shù)有變化，則可能是電容器充電或放電，即電容發(fā)生了變化，表明壓力F發(fā)生了變化，故回歸本節(jié)知識，自我完成以下問題：(1)傳感器由哪幾部分組成？提示：敏感元件、轉(zhuǎn)換元件、轉(zhuǎn)換電路。(2)常見物理傳感器有哪些？提示：力傳感器、磁傳感器、聲傳感器。機(jī)器人傳感器傳感器在機(jī)器人身上應(yīng)用很多。根據(jù)檢測對象的不同可分為內(nèi)部傳感器和外部傳感器。內(nèi)部傳感器：用來檢測機(jī)器人本身狀態(tài)(如手臂間角度)的傳感器。多為檢測位置和角度的傳感器。外部傳感器：用來檢測機(jī)器人所處環(huán)境(如是什么物體，離物體的距離有多遠(yuǎn)等)及狀況(如抓取的物體是否滑落)的傳感器。具體有物體識別傳感器、物體探傷傳感器、接近覺傳感器、距離傳感器、力覺傳感器、聽覺傳感器等。為了檢測作業(yè)對象及環(huán)境或機(jī)器人與它們的關(guān)系，在機(jī)器人上安裝了觸覺傳感器、視覺傳感器、力覺傳感器、接近覺傳感器、超聲波傳感器和聽覺傳感器，大大改善了機(jī)器人工作狀況，使其能夠更充分地完成復(fù)雜的工作。由于