《2017-2018學(xué)年高中物理 第4章 傳感器與現(xiàn)代社會(huì) 學(xué)案2 用傳感器做實(shí)驗(yàn) 信息時(shí)代離不開傳感器同步備課學(xué)案 滬科版選修3-2》由會(huì)員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《2017-2018學(xué)年高中物理 第4章 傳感器與現(xiàn)代社會(huì) 學(xué)案2 用傳感器做實(shí)驗(yàn) 信息時(shí)代離不開傳感器同步備課學(xué)案 滬科版選修3-2（11頁珍藏版）》請?jiān)谘b配圖網(wǎng)上搜索。

1、 學(xué)案2　用傳感器做實(shí)驗(yàn)　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． 3．磁傳感器的原理(霍爾效應(yīng)的應(yīng)用)

2、 (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，那么，在垂直于電流和磁場方向的另外兩個(gè)側(cè)面將產(chǎn)生與控制電流和磁場成正比的電動(dòng)勢UH，這種現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)，即UH＝RH. 　 圖1　　　　　　圖2 圖3 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)(　　) 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、在測定地球兩極的磁場強(qiáng)弱時(shí)，霍爾元件的工作面應(yīng)保持水平 C．在測定地球赤道上的磁場強(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

5、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．紅外測溫儀：是一種將紅外輻射波轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的傳感裝置． 2．?dāng)?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

6、、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 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出這種變化，發(fā)出警報(bào)，C對． 例4　電飯煲的工作原理如圖6所示，可分為兩部

7、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)， 圖6 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

8、，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． 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． 三、信息社會(huì)離不開傳感器 智能式傳感器集信息檢測、信息處理

9、、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在同一塊芯片上，即成為大規(guī)模集成電路智能傳感器． 四、遙測與遙感 遙感遙測的基本原理是通過遙感傳感器對觀測目標(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、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?。煌瑢W(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7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

10、(　　) 圖7 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．(傳感器的應(yīng)用實(shí)例)在家用電熱滅蚊器中，電熱部分主要元件是PTC元件，PTC元件是由鈦酸鋇等半導(dǎo)體材料制成的電阻器，其電阻率ρ隨溫度t的變化關(guān)系如圖8所示，由于這種特性，PTC元件具有發(fā)熱、保溫雙重功能．對此，以下判斷正確的是 (　　) 圖8 ①通電后，其電功率先增

11、大后減小　②通電后，其電功率先減小后增大　③當(dāng)其產(chǎn)生的熱量與散發(fā)的熱量相等時(shí)，溫度保持在t1不變?、墚?dāng)其產(chǎn)生的熱量與散發(fā)的熱量相等時(shí)，溫度保持在t1和t2之間的某一值不變 A．①② B．②③ C．②④ D．①④ 答案　D 解析　當(dāng)溫度由零升到t1的過程中，PTC的電阻率ρ隨溫度升高而減小，其電阻R隨之減小，由于加在滅蚊器上的電壓U保持不變，滅蚊器的熱功率P隨之增大，當(dāng)t＝t1時(shí)，P＝P1達(dá)到最大．當(dāng)溫度繼續(xù)升高，ρ增大，R增大，P減??；而溫度越高，其與外界環(huán)境溫度的差別也就越大，電熱滅蚊器的散熱功率P′也就越大，因此在這之間的某一溫度t3會(huì)有P＝P3＝P′，即電熱功率P減小到等

12、于散熱功率時(shí)，即達(dá)到保溫；當(dāng)t＜t3時(shí)，P＞P′，使溫度自動(dòng)升高到t3；當(dāng)t＞t3時(shí)，P＜P′，使溫度自動(dòng)降到t3，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)保溫，正確選項(xiàng)為D. 3．(傳感器的應(yīng)用分析)如圖9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9 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，吸引力減小，銜鐵

13、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． 題組一　傳感器應(yīng)用實(shí)例 1．在電梯門口放置一障礙物，會(huì)發(fā)現(xiàn)電梯門不停地開關(guān)，這是由于在電梯門上裝有的傳感器是(　　) A．光傳感器 B．溫度傳感器 C．聲傳感器 D．壓力傳感器 答案　A 解析　在電梯門口放置一障礙物，電梯門不停地開關(guān)，說明電梯門口有一個(gè)光傳感器，故A選項(xiàng)正確． 2．(多選)電飯鍋的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，如果感溫磁體的“居里溫度”為103 ℃時(shí)，下列說法中正確的是(　　) 圖1 A．常溫下感溫磁體具有較強(qiáng)的磁性 B．當(dāng)溫度超過103 ℃時(shí)，感溫磁體的磁性較強(qiáng) C．飯熟后，水分

14、被大米吸收，鍋底的溫度會(huì)達(dá)到103 ℃，這時(shí)開關(guān)按鈕會(huì)跳起 D．常壓下只要鍋內(nèi)有水，鍋內(nèi)的溫度就不可能達(dá)到103 ℃，開關(guān)按鈕就不會(huì)自動(dòng)跳起 答案　ACD 3．某樓梯口的電燈開關(guān)裝有傳感器，天黑時(shí)，出現(xiàn)聲音才能發(fā)光，而白天即使有聲音，電燈也不能發(fā)光，該開關(guān)中有兩種傳感器元件，它們可能是(　　) A．熱敏電阻和光敏電阻 B．金屬熱電阻和光敏電阻 C．熱敏電阻和霍爾元件 D．光敏電阻和駐極體話筒 答案　D 解析　兩種傳感器分別把聲音信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，把光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，所以選項(xiàng)D正確． 4．如圖2所示是一個(gè)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)電液體

15、中，導(dǎo)線芯和導(dǎo)電液體構(gòu)成電容器的兩極，把這兩極接入外電路，當(dāng)電容值增大引起外電路的電流變化時(shí)，說明導(dǎo)電液體的深度h(　　) 圖2 A．增大 B．減小 C．不變 D．無法確定 答案　A 解析　由題意知，導(dǎo)線芯和導(dǎo)電液體構(gòu)成電容器的兩極，類似于平行板電容器的兩極．當(dāng)導(dǎo)電液體深度h增大時(shí)，導(dǎo)線芯和導(dǎo)電液體正對面積增大，電容器的電容值變大． 題組二　對霍爾元件的認(rèn)識(shí)及應(yīng)用 5．如圖3所示，截面為矩形的金屬導(dǎo)體，放在磁場中，當(dāng)導(dǎo)體中通有圖示電流時(shí)，導(dǎo)體的上、下表面的電勢關(guān)系為(　　) 圖3 A．UM>UN B．UM＝UN C．UM

16、 解析　霍爾效應(yīng)形成的原因是帶電粒子在磁場中受到洛倫茲力作用定向移動(dòng)，根據(jù)左手定則，金屬導(dǎo)體中自由電子受到向下的洛倫茲力作用，向?qū)w的下表面N運(yùn)動(dòng)，則導(dǎo)體的上表面M剩下正電荷，所以UM>UN.故選A. 6．如圖4所示，厚度為d、寬度為h的導(dǎo)體板放在垂直于它的磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場中，當(dāng)電流通過導(dǎo)體板時(shí)，在導(dǎo)體板的上側(cè)面A和下側(cè)面A′之間會(huì)產(chǎn)生電勢差，這種現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)．實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)磁場不太強(qiáng)時(shí)，電勢差UH、電流I和磁感應(yīng)強(qiáng)度B的關(guān)系為UH＝RH.式中的比例系數(shù)RH稱為霍爾系數(shù)．霍爾效應(yīng)可解釋如下：外部磁場的洛倫茲力使運(yùn)動(dòng)的電子聚集在導(dǎo)體板的一側(cè)，在導(dǎo)體板的另一側(cè)會(huì)出現(xiàn)多余的正電荷，從而形

17、成橫向電場．橫向電場對電子施加與洛倫茲力方向相反的電場力．當(dāng)電場力與洛倫茲力達(dá)到平衡時(shí)，導(dǎo)體板上下兩側(cè)之間就會(huì)形成穩(wěn)定的電勢差． 設(shè)電流I是由電子的定向移動(dòng)形成的，電子的平均定向速度為v，電荷量為e，回答下列問題： 圖4 (1)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，導(dǎo)體板上側(cè)面A的電勢________下側(cè)面A′的電勢(填“高于”“低于”或“等于”)． (2)電子所受的洛倫茲力的大小為________． (3)當(dāng)導(dǎo)體板上、下兩側(cè)之間的電勢差為UH時(shí)，電子所受電場力的大小為________． (4)由電場力和洛倫茲力平衡的條件，證明霍爾系數(shù)為RH＝，其中n代表導(dǎo)體板單位體積中電子的個(gè)數(shù)． 答案　見解析

18、 解析　(1)導(dǎo)體中電子定向移動(dòng)形成電流，電子運(yùn)動(dòng)方向與電流方向相反，利用左手定則可判定電子向A板偏，A′板上出現(xiàn)等量正電荷，所以A板電勢低于A′板電勢． (2)洛倫茲力大小F洛＝Bev (3)電場力F電＝Ee＝e (4)由F洛＝F電得Bev＝e　UH＝hvB 導(dǎo)體中通過的電流I＝nev·d·h 由UH＝RH得hvB＝RH，得RH＝. 題組三　傳感器的應(yīng)用分析 7．如圖5所示為用熱敏電阻R和繼電器L等組成的一個(gè)簡單的恒溫控制電路，其中熱敏電阻的阻值會(huì)隨溫度的升高而減?。娫醇着c繼電器、熱敏電阻等組成控制電路，電源乙與恒溫箱加熱器(圖中未畫出)相連接．則 (　　) 圖5

19、A．當(dāng)溫度降低到某一數(shù)值，銜鐵P將會(huì)被吸下 B．當(dāng)溫度升高到某一數(shù)值，銜鐵P將會(huì)被吸下 C．工作時(shí)，應(yīng)該把恒溫箱內(nèi)的加熱器接在C、D端 D．工作時(shí)，應(yīng)該把恒溫箱內(nèi)的加熱器接在A、C端 答案　B 解析　根據(jù)溫度變化，分析R的變化，確定電路中電流的變化，電流增大時(shí)，繼電器L對銜鐵吸引力增大，P將會(huì)被吸下．當(dāng)溫度降低到某一數(shù)值，熱敏電阻R的阻值增大，電路中電流減小，繼電器L對銜鐵吸引力減小，P將不會(huì)被吸下，故A錯(cuò)誤．當(dāng)溫度升高到某一數(shù)值，熱敏電阻R的阻值減小，電路中電流增大，繼電器L對銜鐵吸引力增大，P將會(huì)被吸下．故B正確．恒溫箱內(nèi)溫度高到一定數(shù)值后，應(yīng)與電源斷開停止加熱，由以上分析可知，

20、溫度升高后，A、B端斷開，所以工作時(shí)，應(yīng)該把恒溫箱內(nèi)的加熱器接在A、B端．故C、D錯(cuò)誤．故選B. 8．如圖6所示為小型電磁繼電器的構(gòu)造示意圖，其中L為含鐵心的線圈．P為可繞O點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)的鐵片，K為彈簧，S為一對觸頭，A、B、C、D為四個(gè)接線柱．電磁繼電器與傳感器配合，可完成自動(dòng)控制的要求．其工作方式是 (　　) 圖6 A．A與B接信號(hào)電壓，C與D可跟被控電路串聯(lián) B．A與B接信號(hào)電壓，C與D可跟被控電路并聯(lián) C．C與D接信號(hào)電壓，A與B可跟被控電路串聯(lián) D．C與D接信號(hào)電壓，A與B可跟被控電路并聯(lián) 答案　A 9．(多選)某同學(xué)設(shè)計(jì)的家庭電路保護(hù)裝置如圖7所示，鐵心左側(cè)線圈L1由

21、火線和零線并行繞成．當(dāng)右側(cè)線圈L2中產(chǎn)生電流時(shí)，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在鐵心中產(chǎn)生的磁場，下列說法正確的有(　　) 圖7 A．家庭電路正常工作時(shí)，L2中的磁通量為零 B．家庭電路中使用的電器增多時(shí)，L2中的磁通量不變 C．家庭電路發(fā)生短路時(shí)，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(shí)，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(shí)，L2中的磁通量為零，選項(xiàng)A正確；家庭電路短路和用電器增多時(shí)均不會(huì)引起L2的磁通量的變化，選項(xiàng)B正確，C錯(cuò)誤；地面上的人接觸火線發(fā)生觸電時(shí)，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(xiàng)D正確． 10．如圖8所示為一自動(dòng)控制溫度的電路，請說明其工作原理． 圖8 答案　見解析 解析　當(dāng)開關(guān)P在彈簧拉力作用下拉到上面與a接觸時(shí)，電熱絲工作；隨著溫度升高，熱敏電阻溫度升高、阻值減小，通過電磁鐵的電流增大，電磁鐵磁性增強(qiáng)到一定程度時(shí)把P吸到b，電熱絲停止工作，指示燈亮． 11