高中物理 第4章 傳感器與現代社會 4_3用傳感器做實驗 4_4信息時代離不開傳感器教師用書 滬科版選修3-2

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4.3　用傳感器做實驗 4.4　信息時代離不開傳感器 學 習 目 標 知 識 脈 絡 1.了解日常生活中常見的一些傳感器及其應用. 2.了解常見的傳感器做一些簡單實驗. 3.掌握傳感器應用的設計.(難點) 4.掌握現代信息技術中傳感器的電路分析.(重點) 幾種常見的傳感器 1.溫度傳感器 溫度傳感器是利用熱敏電阻的阻值隨溫度的變化而變化的原理制成的，它能把溫度這個熱學量轉換為電壓這個電學量.溫度傳感器中用于測溫的敏感元件是熱敏電阻，它由鉑金屬制成.鉑金屬電阻的溫度系數穩(wěn)定、電阻率高、測量范圍寬，在工業(yè)測溫中應用廣泛. 2.力傳感器 將力學量轉換為電學量的裝置稱為力傳感器.力傳感器的工作原理是通過內部的懸臂梁先將力學量轉換成金屬材料的形變，然后由敏感元件將這種形變轉換成電學量.力傳感器的敏感元件是金屬電阻應變片，在外力作用下電阻絲的長度和截面改變引起電阻變化. 3.磁傳感器——霍爾元件的應用 霍爾元件是將磁感應強度這個磁學量轉化為電壓這個電學量的元件.磁傳感器中的敏感元件是磁敏感元件，也稱為霍爾元件. 霍爾電壓：如圖431所示，E、F間通入恒定電流I，同時外加與薄片垂直的磁場B，則M、N間出現霍爾電壓UH，UH＝KHIB. 圖431 1.家用遙控系統使用的是紅外線傳感器.(√) 2.火災報警器是利用的溫度傳感器.() 3.霍爾元件的作用是把磁感應強度這個磁學量轉換為電壓這個電學量.(√) 在一些酒店、銀行安裝有自動門，人到門前，門能自動打開，人過后，門又能關上，這種傳感器是靠什么工作的？ 【提示】　自動門內部有紅外線感應系統(也有靠雷達的)，當人在紅外線檢測區(qū)域內，傳感器將電動機啟動、開門、關門. 如圖所示為一矩形霍爾元件，沿EF方向通的電流I，放入勻強磁場B之中. 圖432 探討1：霍爾元件是將磁學量轉換為什么物理量？ 【提示】　電壓. 探討2：若此霍爾元件為半導體材料制成的，則N、M兩點的電勢哪點高？ 【提示】　N點高. 探討3：若此霍爾元件為金屬材料制成的，則N，M兩點的電勢哪點高？ 【提示】　M點高. 1.霍爾元件 如圖433所示，在一個很小的矩形半導體(例如砷化銦)薄片上，制作四個電極E、F、M、N，就成為一個霍爾元件.霍爾元件能夠把磁感應強度這個磁學量轉換成為電壓這個電學量. 圖433 2.霍爾電壓UH＝k (1)其中k為比例系數，稱為霍爾系數，其大小與薄片的材料有關. (2)一個霍爾元件的厚度d、霍爾系數k為定值，再保持I恒定，則UH的變化就與B成正比，因此霍爾元件又稱磁敏元件. (3)霍爾效應的原理 外部磁場使運動的載流子受到洛倫茲力，在導體板的一側聚集，在導體板的另一側會出現多余的另一種電荷，從而形成橫向電場；橫向電場對電子施加與洛倫茲力方向相反的靜電力，當靜電力與洛倫茲力達到平衡時，導體板左右兩側會形成穩(wěn)定的電壓，設圖中MN方向長度為l2，則q＝qvB. 根據電流的微觀解釋，I＝nqSv，整理后，得UH＝. 令k＝，因為n為材料單位體積的導電粒子個數，q為單個導電粒子的電荷量，它們均為常數，所以UH＝k. UH與B成正比，這就是為什么霍爾元件能把磁學量轉換成電學量的原因. 1.霍爾元件能轉換哪兩個量(　　) A.把溫度這個熱學量轉換為電阻這個電學量 B.把磁感應強度這個磁學量轉換為電壓這個電學量 C.把物體形變這個力學量轉換為電壓這個電學量 D.把光照強弱這個光學量轉換為電阻這個電學量 【解析】　霍爾電壓UH＝kIB/d，它是把磁感應強度這個磁學量轉換為電壓這個電學量，所以選B. 【答案】　B 2.一種半導體材料稱為霍爾材料，用它制成的元件稱為霍爾元件，這種材料有可定向移動的電荷，稱為載流子，每個載流子的電荷量大小為1個元電荷，即q＝1.610－19C，霍爾元件在自動檢測、探測領域得到廣泛應用，如錄像機中用來測量磁鼓的轉速、電梯中用來檢測電梯門是否關閉以及自動控制升降機電動機的電源通斷等. 【導學號：72000091】 圖434 在一次實驗中，一塊霍爾材料制成的薄片寬＝1.010－2m、長＝4.010－2m、厚h＝110－3m，水平放置在豎直向上的磁感應強度B＝1.5 T的勻強磁場中，bc方向通有I＝3.0 A的電流，如圖434所示，沿寬度產生1.010－5V的橫向電壓. (1)假定載流子是電子，a、b兩端中哪端電勢較高？ (2)薄板上形成電流I的載流子定向運動的速率多大？ 【解析】　(1)根據左手定則可確定a端電勢高；(2)當導體內載流子沿電流方向所在的直線定向運動時，受洛倫茲力作用而產生橫向分運動，產生橫向電場，橫向電場的電場力與洛倫茲力平衡時，橫向電壓穩(wěn)定.設載流子沿電流方向所在直線定向移動的速度為v，橫向電壓為Uab，橫向電場強度為E，電場力為Fe＝Ee＝e，洛倫茲力FB＝evB，平衡時e＝evB，得v＝≈6.710－4m/s. 【答案】　(1)a　(2)6.710－4 m/s 處理霍爾元件問題的兩點技巧： (1)橫向電場力與洛倫茲力相等是解題關鍵. (2)在勻強電場中有F＝qE，E＝可得U. 信 息 時 代 離 不 開 傳 感 器 1.隨處可見的傳感器 (1)紅外測溫儀：是一種將紅外輻射波轉換成電信號的傳感裝置. (2)數碼相機和攝像機：敏感元件叫做電荷耦合器件(CCD)，它將光信號轉換成模擬電信號，模擬電信號再通過一種專門轉換器(A/D)轉換成數字電信號. (3)酒精濃度測試儀：敏感元件是酒精傳感器. 2.信息社會離不開傳感器 智能式傳感器集信息檢測、信息處理、信息記憶、邏輯思維和判斷功能于一身，把計算機、各種用途的傳感器和輸入輸出接口等制作在同一芯片上，成為大規(guī)模集成電路智能傳感器. 3.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產生的電磁波、熱輻射進行遠距離收集、轉換，用計算機處理、識別，得出結論.主要應用于地球資源勘探、環(huán)境監(jiān)測、氣象預報、軍事偵察等. 1.應變式力傳感器可以測牽引力，也可以測壓力.(√) 2.地球資源勘探、軍事偵察都是通過遙感傳感器來獲取的.(√) 3.機器人由機械系統、傳感器系統、信息處理和控制系統組成的.(√) 現在很多工作單位利用指紋識別器，你知道它是如何工作的嗎？ 【提示】　工作原理：指紋識別器是通過電容器來識別指紋的.傳感器表面集合了很多個電容器的極板，其外面是絕緣表面，當用戶的手指放在絕緣表面上時，手指的皮膚就成了電容器的另一個極板，由于指紋的脊和谷相對于另一個極板的距離不同，使電容陣列不同位置的電容器的電容值也不同.通過讀取這些電容的差異，就能夠獲取指紋信息.這樣就把指紋的信息轉化成了電信號，再經過電路對電信號的比較，就可以實現對指紋的識別. 2003年北京發(fā)生了非典疫情，為防止疫情擴散，當時在機場、車站等人員集散地都設有體溫檢測點. 探討1：要快速準確地篩查體溫偏高者，用水銀溫度計還是用紅外線測溫儀？ 【提示】　紅外線測溫儀. 探討2：紅外線測溫儀有哪些優(yōu)點？ 【提示】　測溫時間短，且不需要與人體直接接觸，避免了交叉感染. 1.生活中的傳感器 (1)與溫度控制相關的家用電器：電飯煲、電冰箱、微波爐、空調、消毒碗柜等，都用到溫度傳感器. (2)紅外傳感器：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. (3)照相機中的光傳感器和家用便攜式電子秤的壓力傳感器等. 2.農業(yè)生產中的傳感器 (1)濕度傳感器：判斷農田的水分蒸發(fā)情況，自動供水或停水. (2)溫度傳感器和濕度傳感器：可對上百個點進行溫度和濕度監(jiān)測.由于有了十分先進可靠的測試技術，有效地減少了霉變現象. 3.工業(yè)生產中的傳感器 (1)生產的自動化和半自動化.用機器人、自動化小車、自動機床、各種自動生產線或者系統，代替人完成加工、裝配、包裝、運輸、存儲等工作.各種傳感器使生產的自動運行保持在最佳狀態(tài)，以確保產品質量，提高效率和產量，節(jié)約原材料等.(2)在數控機床中的位移測量裝置，就是利用高精度位移傳感器進行位移測量，從而實現對零部件的精密加工. 4.飛向太空的傳感器 在航空、航天技術領域，傳感器應用得較早，也應用得較多，在運載火箭、載人飛船中，都應用了大量的傳感器供遙測和遙控系統使用.這些傳感器對控制航天器的姿態(tài)、接收和發(fā)送信息、收集太空數據等都有重要作用.在載人飛船中還使用一類測量航天員各種生理狀況的生理傳感器，如測量血壓、心電圖、體溫等. 3.(2016龍巖高二檢測)下列有關傳感器的說法中錯誤的是(　　) A.汶川大地震時用的生命探測儀利用了紅外傳感器 B.“嫦娥二號”衛(wèi)星星載的立體相機獲取月球數據利用了光傳感器 C.電子秤稱量物體質量是利用了力傳感器 D.火災報警器能夠在發(fā)生火災時報警是利用了溫度傳感器 【解析】　生命探測儀是利用紅外傳感器，立體相機是利用光學傳感器，電子秤是利用壓力傳感器，火災報警是在煙霧濃度達到一定程度時能夠輸出電信號，使警鈴發(fā)聲或使紅燈閃爍，自動報警，利用了煙霧傳感器而不是利用了溫度傳感器，A、B、C對，D錯. 【答案】　D 4.(多選)數字跑道已在北京奧運會田徑競走、跳遠和三級跳等重點奧運項目中投入使用，數字跑道和數字跑鞋為運動健兒們在科學訓練和比賽中發(fā)揮了積極作用.該跑道采用了大面積柔性壓力陣列傳感器、現場總線網絡和分布式信息處理技術，可實時檢測運動員步頻、步距、足部觸地時間、離地時間、速度、發(fā)力大小、發(fā)力角度等信息，在此基礎上構建了訓練信息采集和技術診斷分析系統，為田徑項目提供了一種全新的科學化訓練平臺.下列關于數字跑道的說法正確的是 (　　) A.傳感器需要有敏感元件和轉換電路等組成 B.壓力陣列傳感器應該是一種力電傳感器 C.奧運會中應用的傳感器智能化程度很高，直接感應的是電學量，不需要力電轉換 D.奧運會中應用的傳感器智能化程度盡管很高，但傳感器都是將非電學量轉換為電學量 【解析】　根據題目情景敘述，跑道上使用的是壓力傳感器，所有的傳感器都要先通過敏感元件采集信息，然后再由轉換電路將采集到的力、熱、光等非電學量轉換為便于測量的電壓或電流等電學量.當轉換電路采用計算機進行信息處理，并輸出數字信息時，這種傳感器就可以稱得上是智能傳感器了. 【答案】　ABD 5.小強用恒溫箱進行實驗時，發(fā)現恒溫箱的溫度持續(xù)升高，無法自動控制.經檢查，恒溫箱的控制器沒有故障.參照圖441，下列對故障判斷正確的是(　　) 圖441 A.只可能是熱敏電阻出現故障 B.只可能是溫度設定裝置出現故障 C.熱敏電阻和溫度設定裝置都可能出現故障 D.可能是加熱器出現故障 【解析】　由恒溫箱原理圖可知，若熱敏電阻出現故障或溫度設定出現故障都會向控制器傳遞錯誤信息，導致控制器發(fā)出錯誤指令，故C正確，A，B錯誤.若加熱器出現故障，只有一種可能，即不能加熱，而題中加熱器一直加熱才會使溫度持續(xù)升高，故D錯誤. 【答案】　C (1)傳感器的作用就是將非電學量轉換為電學量. (2)分析自動控制電路時要根據某種邏輯關系，按照一定的順序進行分析，如由敏感元件→傳感元件→控制電路→工作電路→控制目的. 學業(yè)分層測評(十三) (建議用時：45分鐘) [學業(yè)達標] 1.(多選)下列傳感器中機器人能應用到的傳感器是(　　) A.視覺傳感器　 B.位移傳感器 C.壓力傳感器 D.語言識別裝置 【解析】　視覺傳感器相當于機器人的“眼睛”；壓力傳感器、位移傳感器等使機器人有了“感覺”；語言識別裝置相當于機器人的“耳朵”.故正確答案為A、B、C、D. 【答案】　ABCD 2.(多選)當前傳感器被廣泛應用于各種電器、電子產品之中，下述關于常用的幾種家用電子器件所采用傳感器的說法中正確的是(　　) A.電視機對無線遙控信號的接收主要是采用了光電傳感器 B.電子體溫計中主要是采用了溫度傳感器 C.電腦所用的光電鼠標主要采用了聲波傳感器 D.電子秤中主要是采用了力電傳感器 【解析】　C項中電腦所用的光電鼠標主要采用了光電傳感器. 【答案】　ABD 3.“嫦娥一號”衛(wèi)星上裝有8種24件探測儀器，其中可能有(　　) A.味覺傳感器 B.氣體傳感器 C.聽覺傳感器 D.視覺傳感器 【解析】　“嫦娥一號”月球衛(wèi)星是為探測月球而發(fā)射的在軌衛(wèi)星，而月球上無氣體，所以不需要氣體傳感器和聽覺傳感器，當然也用不到味覺傳感器，真正需要的是為月球“畫像”的視覺傳感器——立體相機. 【答案】　D 4.用遙控器調換電視機頻道的過程，實際上就是傳感器把光信號轉換成電信號的過程.下列屬于這類傳感器的是(　　) A.紅外報警裝置 B.走廊照明燈的聲控開關 C.自動洗衣機中的壓力傳感裝置 D.電飯煲中控制加熱和保溫的溫控器 【解析】　A.紅外線是一種不可見的光線，紅外報警裝置就是利用它將光信號轉換為電信號的，所以符合題意；B.聲控開關主要是將聲信號轉換為電信號，所以不合題意；C.洗衣機中的壓力傳感裝置主要是將壓力信號轉換為電信號，所以不合題意；D.電飯煲中的溫控器主要是將溫度信號轉換為電信號，所以不合題意. 【答案】　A 5.(多選)關于電子秤中應變式力傳感器的說法中正確的是(　　) A.懸臂梁發(fā)生形變后將其形變的彈力顯示出來 B.當應變片的表面拉伸時，其電阻變大；反之變小 C.傳感器輸出的是應變片上的電壓 D.外力越大，輸出的電壓差值也越大 【解析】　應變片材料的電阻滿足R＝ρ，當應變片的電阻發(fā)生變化時使輸出的電壓差值變大，由電壓差值與外力的關系轉換成力的大小顯示出來，并不是將形變時的彈力直接顯示出來，由此知B、D正確. 【答案】　BD 6.當你走近某些寫字樓、機場、賓館等大廳的入口時，大門會自動打開，進入大廳后，門又會自動關閉，關于這種自動門的下列說法中正確的是(　　) A.控制這種自動門開關的是一種紅外線傳感器 B.控制這種自動門開關的是一種普通光電傳感器，能使自動門“見光開” C.大人走近門會自動打開，小孩走近門，門不會自動打開 D.男孩走近門會自動打開，女孩走近門，門可能不會開 【解析】　控制自動門開關的傳感器是紅外線傳感器，A對，B錯；盡管不同物體(包括大人、孩子)不同的溫度發(fā)出的紅外線波長不同，但在設置這個傳感器范圍時應當充分考慮到大人、小孩個體的差異及人體體溫的變化范圍.大人、小孩、男孩、女孩靠近，門都應當會自動打開，C、D錯. 【答案】　A 7.如圖442所示是電容式話筒的示意圖，它是利用電容制作的傳感器，話筒的振動膜前面鍍有薄薄的金屬層，膜后距膜幾十微米處有一金屬板，振動膜上的金屬層和這個金屬板構成電容器的兩極，在兩極間加一電壓U，人對著話筒說話時，振動膜前后振動，使電容發(fā)生變化，導致話筒所在電路中的其他量發(fā)生變化，使聲音信號被話筒轉化為電信號，其中導致電容變化的原因可能是電容器兩板間的(　　) 圖442 A.距離變化 B.正對面積變化 C.介質變化 D.電壓變化 【解析】　本題考查傳感器的應用.這個聲傳感器可歸到電容傳感器中.由題意，對著話筒說話時，振動膜前后振動，則金屬層和金屬板間距離改變，即電容器兩極板間距離改變，故導致電容變化的原因可能是電容器兩極板間的距離變化，故正確答案為A. 【答案】　A 8.如圖443所示為一種溫度自動報警器的原理圖，在水銀溫度計的頂端封入一段金屬絲，以下說法正確的是(　　) 【導學號：72000092】 圖443 A.溫度升高至74 ℃時，L1亮燈報警 B.溫度升高至74 ℃時，L2亮燈報警 C.溫度升高至78 ℃時，L1亮燈報警 D.溫度升高至78 ℃時，L2亮燈報警 【解析】　當溫度低于78 ℃時，線圈中沒有電流，此時燈L1亮，但不報警，當溫度升高到78時，線圈中有電流，磁鐵吸引銜鐵，燈L2被接通，所以燈L2亮且報警，溫度升高至74 ℃時，線圈中沒有電流，只是燈L1亮，不會報警. 【答案】　D [能力提升] 9.如圖444所示是會議室和賓館房間的天花板上裝有的火災報警器的結構原理圖，罩內裝有發(fā)光二極管LED、光電三極管和不透明的擋板.平時光電三極管接收不到LED發(fā)出的光，呈現高電阻狀態(tài).發(fā)生火災時，下列說法正確的是(　　) 圖444 A.進入罩內的煙霧遮擋了光線，使光電三極管電阻更大，檢測電路檢測出變化發(fā)出警報 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 C.進入罩內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 D.以上說法均不正確 【解析】　由火災報警器的原理可知，發(fā)生火災時煙霧進入罩內，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，C對. 【答案】　C 10.(多選)壓敏電阻的阻值會隨所受壓力的增大而減小.一同學利用壓敏電阻設計了判斷升降機運動狀態(tài)的裝置，如圖445甲所示，將壓敏電阻平放在升降機內，受壓面朝上，在上面放一物體m，升降機靜止時電流表示數為I0.某過程中電流表的示數如圖445乙所示，則在此過程中(　　) 【導學號：72000093】 圖445 A.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 【解析】　因為壓敏電阻的阻值會隨所受壓力的增大而減小，由題圖乙知，電流大于靜止時的電流且穩(wěn)定，故壓力增大，物體處于超重狀態(tài)，選項B、D正確. 【答案】　BD 11. 全面了解汽車的運行狀態(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，自制一種測定油箱油量多少或變化多少的裝置.如圖446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.小陽同學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，可以了解油量情況，你認為電壓表應該接在圖中的 兩點之間，按照你的接法請回答：當油箱中油量減少時，電壓表的示數將 (填“增大”或“減小”). 圖446 【解析】　由題圖可知當油箱內液面高度變化時，R的金屬滑片將會移動，從而引起R兩端電壓的變化，且當R′?R時，UR＝IR可視為UR與R成正比，所以電壓表應接在b、c之間，當油量減小時，電壓表示數將增大. 【答案】　b、c　增大 12.如圖447所示為普通冰箱內溫度控制器的結構.銅質的測溫泡1、細管2和彈性金屬膜盒3連通成密封的系統，里面充有氯甲烷和它的蒸汽，上述材料就構成了一個溫度傳感器.膜盒3為扁圓形(圖中顯示為它的切面)，右表面固定，左表面通過小柱體與彈簧片4連接.盒中氣體的壓強增大時，盒體就會膨脹.測溫泡1安裝在冰箱的冷藏室中，5、6分別是電路的動觸點和靜觸點，控制制冷壓縮機的工作.彈簧7的兩端分別連接到彈簧片4和連桿9上，連桿9的下端是裝在機箱上的軸.凸輪8是由設定溫度的旋鈕(圖中未畫出)控制的.逆時針旋轉時凸輪連桿上端右移，從而加大對彈簧7的拉力. 圖447 (1)為什么當冰箱內溫度較高時壓縮機能夠開始工作，而當達到設定的低溫后又自動停止工作？ (2)為什么凸輪可以改變設定的溫度？ 【解析】　(1)冰箱內溫度較高時，密封系統中的壓強增大，盒體膨脹，膜盒3通過小柱體帶動彈簧片4使動觸點5與靜觸點6接觸，控制壓縮機自動開始工作，而當達到設定的低溫時彈簧7帶動彈簧片4將觸點5、6斷開，使壓縮機停止工作. (2)凸輪逆時針旋轉會加大連桿9對彈簧7的拉力，該拉力與膜盒3共同控制彈簧片4的運動，故凸輪可以改變設定的溫度. 【答案】　見解析