新高中物理第六章传感器2传感器的应用学案新人教版选修3doc.docx
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新高中物理第六章传感器2传感器的应用学案新人教版选修3
[目标定位] 1。
了解传感器在日常生产、生活中的应用。
2。
理解传感器在电子秤、电熨斗、电饭锅中的应用。
3。
理解光传感器在鼠标器和火灾报警器中的应用。
一、传感器的应用分析
1。
传感器应用的一般模式
传感器→电路→
2。
传感器的工作原理分析
（1）检测量分析：
明确传感器所检测的物理量，如力、热、光、磁、声等。
（2）输出信号分析：
明确传感器的敏感元件，分析它的输入信号及输出信号，以及输入信号与输出信号间的变化规律。
（3）电路结构分析：
认真分析传感器所在的电路结构，在熟悉常用元件工作特点的基础上，分析电路输出信号与输入信号间的规律。
二、传感器的应用实例
1。
力传感器的应用——电子秤
（1）组成及敏感元件：
由金属梁和应变片组成，敏感元件是应变片。
（2）工作原理：
（3）作用：
应变片将物体形变这个力学量转换为电压这个电学量。
2。
温度传感器的应用实例
（1）电熨斗
①构造（如图1所示）
图1
②敏感元件：
双金属片。
③工作原理：
温度变化时，由于双金属片上层金属与下层金属的膨胀系数不同，双金属片发生弯曲从而控制电路的通断。
（2）电饭锅
①构造（如图2所示）
图2
②敏感元件：
感温铁氧体
③工作原理
（ⅰ）居里温度：
感温铁氧体常温下具有铁磁性，温度上升到约103_℃时，失去铁磁性，这一温度称为该材料的“居里温度”。
（ⅱ）自动断电原理：
用手按下开关通电加热，开始煮饭，当锅内加热温度达到103_℃时，铁氧体失去磁性，与永久磁铁失去吸引力，被弹簧片弹开，从而推动杠杆使触点开关断开。
3。
光传感器的应用——火灾报警器
（1）组成及敏感元件：
由带孔的罩子、发光二极管LED、光电三极管和不透明的挡板组成，敏感元件为光电三极管。
（2）工作原理：
⇨⇨⇨
深度思考
（1）用电熨斗熨烫棉麻衣物需要设定较高的温度，熨烫丝绸衣物需要设定较低的温度。
它是如何利用调温旋钮来实现的？
（2）如果用电饭锅烧水会不会自动断电？
答案
（1）通过调温旋钮来调升降螺丝的高度来实现不同温度的设定。
如需设定的温度较高，则应使升降螺丝下降；反之升高。
（2）如果用电饭锅烧水，在水沸腾后因为水温保持在100℃，故不能自动断电，只有水烧干后，温度升到103℃才能自动断电。
例1 关于电子秤中应变式力传感器说法正确的是（ ）
A。
应变片是由导体材料制成
B。
当应变片的表面拉伸时，其电阻变大，反之变小
C。
传感器输出的是金属架上的电压
D。
外力越大，输出的电压差值也越大
解析 应变片多用半导体材料制成，应变片的表面拉伸时，其电阻变大，反之变小，故选项A错，B对；传感器输出的是应变片上、下两表面的电压差，并且随着外力的增大，输出的电压差值也增大，故C错，D对。
答案 BD
例2 为了锻炼身体，小明利用所学物理知识设计了一个电子拉力计，如图3所示是原理图。
轻质弹簧右端和金属滑片P固定在一起（弹簧的电阻不计，P与R1间的摩擦不计），弹簧劲度系数为100N/cm。
定值电阻R0＝5Ω，ab是一根长为5cm的均匀电阻丝，阻值R1＝25Ω，电源输出电压恒为U＝3V，理想电流表的量程为0～0。
6A。
当拉环不受力时，滑片P处于a端。
下列关于这个电路的说法正确的是（不计电源内阻）（ ）
图3
A。
小明在电路中连入R0的目的是保护电路
B。
当拉环不受力时，闭合开关后电流表的读数为0。
1A
C。
当拉力为400N时，电流表指针指在0。
3A处
D。
当拉力为400N时，电流表指针指在0。
5A处
解析 若电路无电阻R0，且金属滑片P在b端时，回路短路损坏电源，R0的存在使电路不出现短路，因此A正确；当拉环不受力时，滑片P在a端，由闭合电路欧姆定律得，I＝＝0。
1A，故B正确；拉力为400N时，由F＝kΔx，则Δx＝4cm，对应的电阻为RaP＝20Ω，R1接入电路的电阻RPb＝5Ω，由闭合电路欧姆定律得，I′＝＝0。
3A，故D错，C正确。
答案 ABC
力学传感器的分析方法：
1分析清楚力学传感器的工作原理，明确装置是如何将力这个非电学量转化为电学量是解决该类问题的关键。
2涉及电路计算时，注意欧姆定律及分压原理的应用。
例3 如图4是电饭锅的结构图，如果感温磁体的“居里温度”为103℃时，下列说法中正确的是（ ）
图4
A。
常温下感温磁体具有较强的磁性
B。
当温度超过103℃时，感温磁体的磁性较强
C。
饭熟后，水分被大米吸收，锅底的温度会超过103℃，这时开关按钮会跳起
D。
常压下只要锅内有水，锅内的温度就不可能达到103℃，开关按钮就不会自动跳起
答案 ACD
例4 如图5所示是电饭煲的电路图，S1是一个温控开关，手动闭合后，当此开关温度达到居里点（103℃）时，会自动断开。
S2是一个自动温控开关，当温度低于70℃时，会自动闭合；温度高于80℃时，会自动断开。
红灯是加热时的指示灯，黄灯是保温时的指示灯。
分流电阻R1＝R2＝500Ω，加热电阻丝R3＝50Ω，两灯的电阻不计。
图5
（1）分析电饭煲的工作原理；
（2）计算加热和保温两种状态下，电饭煲消耗的电功率之比；
（3）简要回答，如果不闭合开关S1能将饭煮熟吗？
解析
（1）接上电源，S2自动闭合，同时手动闭合S1，这时黄灯短路，红灯亮，电饭煲处于加热状态。
加热到80℃时，S2自动断开，S1仍闭合；饭煮熟后，温度升高到103℃时，S1自动断开，黄灯亮，电饭煲处于保温状态，由于散热，待温度降至70℃时，S2自动闭合，电饭煲重新加热，温度达到80℃时，S2又自动断开，再次处于保温状态，如此循环。
（2）加热时电饭煲消耗的电功率P1＝，保温时电饭煲消耗的电功率P2＝，两式中R并＝＝Ω＝Ω，故＝＝＝。
（3）如果不闭合S1，开始时S2是闭合的，R1被短路，功率为P1；当温度上升到80℃时，S2自动断开，功率降为P2；温度降低到70℃，S2自动闭合……温度只能在70℃～80℃之间变化，不能将饭煮熟。
答案 见解析
例5 下列关于光传感器应用的有关说法中正确的是（ ）
A。
火灾报警器是利用烟雾对光的反射来工作的
B。
火灾报警器中的光电三极管平时收不到LED发出的光，呈现高电阻状态
C。
机械式鼠标器的传感器是红外发射管
D。
当鼠标器在桌面上移动时，红外接收管收到的是断续的红外线脉冲
解析 火灾报警器是利用烟雾对光的散射来工作的，平时光电三极管呈高电阻状态，即选项A错误，选项B正确；机械式鼠标器的两个红外接收管就是两个光传感器，它的作用就是把光信号（红外线脉冲）转换或电信号。
故选项C错误，选项D正确。
答案 BD
光传感器的应用——鼠标器
（1）机械式鼠标器的内部组成如图6所示，包括滚球、滚轴与码盘、红外发射管与红外接收管（光传感器）。
图6
（2）工作原理：
鼠标器移动时，滚球的运动通过滚轴带动两个码盘转动，红外接收管就收到断续的红外线脉冲，输出相应的电脉冲信号，计算机分别统计x、y两个方向的脉冲信息，处理后就使屏幕上的光标产生相应的位移。
1。
（力传感器的应用）压敏电阻的阻值随所受压力的增大而减小，在升降机中将重物放在压敏电阻上，压敏电阻接在如图7甲所示的电路中，电流表示数变化如图乙所示，某同学根据电流表的示数变化情况推断升降机的运动状态，下列说法中正确的是（ ）
图7
A。
0～t1时间内，升降机一定匀速运动
B。
0～t1时间内，升降机可能减速上升
C。
t1～t2时间内，升降机可能匀速上升
D。
t1～t2时间内，升降机可能匀加速上升
答案 B
解析 在0～t1时间内，电流恒定，表明压敏电阻的阻值恒定，则重物对压敏电阻的压力恒定，则升降机可能处于静止、匀速运动或匀变速直线运动，故A选项错误，B选项正确；t1～t2时间内，电流在增加，表明压敏电阻的阻值在减小，则重物对压敏电阻的压力在增大，重物的加速度是变化的，故不可能做匀速运动或匀加速运动，C、D两项都错。
2。
（温度传感器的应用）传感器的种类多种多样，其性能也各不相同，空调机在室内温度达到设定的温度后，会自动停止工作，空调机内使用的传感器是（ ）
A。
生物传感器B。
红外传感器
C。
温度传感器D。
压力传感器
答案 C
3。
（温度传感器的应用）（多选）如图8所示是自动调温式电熨斗，下列说法正确的是（ ）
图8
A。
常温时上、下触点是接触的
B。
双金属片温度升高时，上金属片形变较大，双金属片将向下弯曲
C。
原来温度控制在80℃断开电源，现要求60℃断开电源，应使调温旋钮下移一些
D。
由熨烫丝绸衣物状态转化为熨烫棉麻衣物状态，应使调温旋钮下移一些
答案 ABD
4。
（光传感器的应用）如图9为烟雾散射式火灾报警器，它主要由带孔的外罩、发光二极管LED、光电三极管及不透明的挡板组成，请简述它的工作原理。
图9
答案 见解析
解析 报警器工作时发光二极管处于发光状态，由于挡板遮挡，平时光电三极管接收不到LED发出的光，呈现高电阻状态。
烟雾进入罩内后对光有散射作用，使部分光线照射到光电三极管上，其电阻变小，与传感器连接的电路检测出这种变化，就会报警。
题组一 力传感器的应用
1。
电子秤使用的是（ ）
A。
超声波传感器B。
压力传感器
C。
温度传感器D。
红外传感器
答案 B
2。
如图1所示，两块水平放置的金属板距离为d，用导线、开关K与一个n匝的线圈连接，线圈置于方向竖直向上的变化磁场B中。
两板间放一台小压力传感器，压力传感器上表面静止放置一个质量为m、电荷量为＋q的小球。
K断开时传感器上有示数，K闭合时传感器上恰好无示数。
则线圈中的磁场B的变化情况和磁通量变化率分别是（ ）
图1
A。
正在增强，＝B。
正在减弱，＝
C。
正在减弱，＝D。
正在增强，＝
答案 D
解析 K闭合时传感器上恰好无示数，说明小球受竖直向上的电场力，且电场力大小等于重力，由楞次定律可判断磁场B正在增强，根据法拉第电磁感应定律E＝n＝U，又q·＝mg得＝，故D正确。
3。
利用传感器和计算机可以研究快速变化的力的大小。
实验时，把图2甲中的小球举高到绳子的悬点O处，然后让小球自由下落。
用这种方法获得的弹性绳的拉力随时间的变化图线如图乙所示。
根据图线所提供的信息，以下判断正确的是（ ）
图2
A。
t2时刻小球所处位置是运动中最高点
B。
t1～t2期间小球速度先增大后减小
C。
t3时刻小球动能最小
D。
t2与t5时刻小球速度大小不同
答案 B
解析 小球下落的轨迹展开图如图所示，B处为绳子的原长处，C处为小球重力与绳上拉力相等处，D处为小球下落的最低点，在题F－t图中，0～t1小球在OB间下落，t1～t2小球在BD间下落，t2～t3小球由D处回到B处，t3～t4小球在BO间上升，而后下落至B点。
由F－t图知，小球在t2时刻下落到最大距离，然后最大距离在逐渐减小，由以上分析知，小球的最大速度出现在C点，对应于t1～t2之间，A错，B对；t3时刻小球速度不为零，故动能不可能最小，C错误；t2和t5分别对应小球先后两次下落过程中经过最低点的时刻，速度大小为零，D错误。
正确选项为B。
4。
（多选）压敏电阻的阻值会随所受压力的增大而减小。
一同学利用压敏电阻设计了判断升降机运动状态的装置，如图3甲所示，将压敏电阻平放在升降机内，受压面朝上，在上面放一物体m，升降机静止时电流表示数为I0。
某过程中电流表的示数如图乙所示，则在此过程（ ）
图3
A。
物体处于失重状态
B。
物体处于超重状态
C。
升降机一定向上做匀加速运动
D。
升降机可能向下做匀减速运动
答案 BD
解析 电流表的示数变为2I0且保持不变，说明此时压敏电阻的阻值比升降机静止时小，压敏电阻所受压力变大，物体处于超重状态，即物体具有向上的加速度，B、D正确，A、C错误。
题组二 光传感器的应用
5。
在电梯门口放置一障碍物，会发现电梯门不停地开关，这是由于在电梯门上装有的传感器是（ ）
A。
光传感器B。
温度传感器
C。
声传感器D。
压力传感器
答案 A
解析 在电梯门口放置一障碍物，电梯门不停地开关，说明电梯门口有一个光传感器，故A选项正确。
6。
街旁的路灯、江海里的航标都要求在夜晚亮、白天熄，利用半导体的电学特性制成了自动点亮、熄灭的装置，实现了自动控制，这是利用半导体的（ ）
A。
压敏性B。
光敏性
C。
热敏性D。
三种特性都利用
答案 B
7。
（多选）如图4所示，用光敏电阻LDR和灯泡制成的一种简易水污染指示器，下列说法中正确的是（ ）
图4
A。
严重污染时，LDR是高电阻
B。
轻度污染时，LDR是高电阻
C。
无论污染程度如何，LDR的电阻不变，阻值大小由材料本身因素决定
D。
该仪器的使用会因为白天和晚上受到影响
答案 AD
解析 严重污染时，透过污水照到LDR上的光线较少，LDR电阻较大，A对，B错；LDR由半导体材料制成，受光照影响，电阻会发生变化，C错；白天和晚上自然光的强弱不同，或多或少会影响LDR的电阻，D对。
题组三 温度传感器的应用
8。
在防治“非典”期间，在机场、车站等交通出入口，使用了红外线热像仪，红外线热像仪通过红外线遥感，可检测出经过它时的发热病人，从而可以有效控制疫情的传播。
关于红外线热像仪，下列说法正确的是（ ）
A。
选择红外线进行检测，主要是因为红外线具有荧光效应
B。
红外线热像仪通过发射红外线照射人体来检测
C。
红外线热像仪同时还具有杀菌作用
D。
一切物体都能发射红外线，而且物体在不同温度下发射的红外线的频率和强度不同
答案 D
解析 红外线热像仪是根据物体发射的红外线的频率和强度不同而工作的，故D正确。
9。
小强用恒温箱进行实验时，发现恒温箱的温度持续升高，无法自动控制。
经检查，恒温箱的控制器没有故障。
参照图5，下列对故障判断正确的是（ ）
图5
A。
只可能是热敏电阻出现故障
B。
只可能是温度设定装置出现故障
C。
热敏电阻和温度设定装置都可能出现故障
D。
可能是加热器出现故障
答案 C
解析 由恒温箱原理图可知，若热敏电阻出现故障或温度设定装置出现故障都会向控制器传递错误信息，导致控制器发出错误指令，故C正确，A、B错误。
若加热器出现故障，只有一种可能，即不能加热，而题中加热器一直加热才会使温度持续升高，故D错误。
10。
（多选）在家用电热灭蚊器中，电热部分主要元件是PTC元件，PTC元件是由钛酸钡等半导体材料制成的电阻器，其电阻率ρ随温度t的变化关系如图6所示，由于这种特性，使PTC元件具有发热、保温双重功能。
以下判断正确的是（ ）
图6
A。
通电后，其电功率先增大后减小
B。
通电后，其电功率先减小后增大
C。
当其产生的热量与散发的热量相等时，温度保持在t1不变
D。
当其产生的热量与散发的热量相等时，温度保持在t1和t2之间的某一值不变
答案 AD
解析 当电热灭蚊器温度由0升到t1的过程中，电阻器的电阻率ρ随温度的升高而减小，其电阻R随之减小，由于加在电热灭蚊器上的电压U保持不变，电热灭蚊器的电功率P随之增大，当t＝t1时，电功率P达到最大。
当温度由t1升高到t2的过程中，ρ增大，R增大，P减小。
而温度越高，其与外界环境温度的差别也就越大，高于环境温度的电热灭蚊器的散热功率P′也就越大。
因此在这之间的某一温度t3会有P＝P3＝P′，即电功率P减小到等于散热功率时，即达到保温；当tP′，使温度自动升高到t3；当t>t3，P11。
如图7甲所示为温度在10℃左右的环境中工作的某自动恒温箱原理简图，箱内的电阻R1＝20kΩ，R2＝10kΩ，R3＝40kΩ，RT为热敏电阻，它的电阻随温度变化的图线如图乙所示。
当a、b两端电压Uab＜0时，电压鉴别器会令开关S接通，恒温箱内的电热丝发热，使箱内温度升高；当Uab＞0时，电压鉴别器会令开关S断开，停止加热，恒温箱内的温度恒定在________℃。
图7
答案 32（31～33均可）
解析 设电路路端电压为U，当Uab＝0时，有R1＝R3，解得RT＝20kΩ。
由题图乙可知，当RT＝20kΩ时，t＝32℃。
12。
电饭煲的工作原理图如图8所示，可分为两部分，即控制部分：
由S2、R1和黄灯组成。
工作（加热）部分：
由发热电阻R3、R2和红灯组成，S1是一个磁铁限温开关，手动闭合，当此开关的温度达到居里点（103℃）时，自动断开，且不能自动复位（闭合），S2是一个双金属片自动开关，当温度达到70～80℃时，自动断开，低于70℃时，自动闭合，红灯、黄灯是指示灯，通过的电流必须较小，所以R1、R2起_______作用，R3是发热电阻，由于煮饭前温度低于70℃，所以S2是_______（填“断开的”或“闭合的”）。
接通电源并按下S1后，黄灯灭而红灯亮，R3发热，当温度达到70～80℃时，S2断开，当温度达到103℃时饭熟，S1断开，当温度降到70℃以下时，S2闭合，电饭煲处于保温状态，由以上描述可知R2_______R3（填“>”、“<”或“＝”），若用电饭煲烧水时，直到水被烧干S1才会断开，试解释此现象。
图8
答案 见解析
解析 R1、R2起的作用是限流，防止指示灯因电流过大而烧毁，S2是自动控制温度开关，当温度低于70℃时自动闭合，当温度达到70～80℃时又自动断开，使电饭煲处于保温状态，由于R3的功率较大，因此R2>R3。
由于开关S1必须当温度达到103℃时才自动断开，而水的沸点只有100℃，因此用电饭煲烧水时，直到水被浇干后S1才会断开。
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