高中物理32传感器.docx
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高中物理32传感器
第六章 传感器
【全章概述】
在日常生活中我们可能有这样的经历：
当走近自动门时，门会自动打开；电梯关门，当两门靠拢到接触人体时，门又会重新自动打开…….这是由于传感器在起作用，传感器是自动化控制装置中必不可少的器件，在信息技术高速发展的今天，传感器发挥着越来越重要的作用。
本章知识与我们的生活息息相关，在学习过程中，记要熟记各种敏感元件的特性，又要结合实例，认真体会传感器在实际中的应用，努力培养自己理论联系实际的能力和动手能力；同时应注意观察身边的与传感器有关的例子，并通过查资料或上网了解他们的工作原理，培养自己的观察能力和自学能力。
【单元划分】
本章可分为两个单元：
第一单元：
介绍传感器及其工作原理；第二单元：
介绍传感器的简单应用。
【知识结构】
第1节传感器及其工作原理
一．课前预习
1．什么是传感器
传感器是把 量（如位移、速度、压力、温度、湿度、流量、声强、光照度等）转换成易于测量、传输、处理的 量（如电压、电流、电容等）的一种组件，起自动控制作用。
2．三种常见的敏感元件
（1）光敏电阻：
能够把光照强度这个________量转换为电阻大小这个______量。
（2）热敏电阻和金属热电阻：
能够把温度这个量转换为电阻大小这个______量。
相比较而言，金属热电阻的化学稳定性好，测温范围大，而热敏电阻的较好。
（3）霍尔元件：
能够把磁感应强度这个量转换为电压这个量。
霍尔电压：
____________________。
二．课堂练习
1.一般光敏电阻的阻值随入射光强度的增加而＿＿＿＿＿。
由于它对光照较敏感，所以可以作＿＿＿＿＿传感器。
2.关于热敏电阻以下说法中正确的是（）
A．热敏电阻的阻值随温度升高而增大
B．热敏电阻的阻值随温度升高而减小
C．热敏电阻的阻值随温度变化而均匀变化
D．热敏电阻可以用金属氧化物制作
三．课后提高
3.
（2008-江苏）如图所示，R1为定值电阻，R2为负温度系数的热敏电阻（负温度系数热敏电阻是指阻值随温度的升高而减小的热敏电阻），L为小灯泡，当温度降低时（）
A．R1两端的电压增大B．电流表的示数增大
C．小灯泡的亮度变强D．小灯泡的亮度变弱
4.
试推导霍尔电压的表达式UB＝kIB/d
第2节 传感器的应用
（一）
一．课前预习
1．传感器应用的一般模式
2．传感器应用的实例。
力传感器的应用——
传感器的应用声传感器的应用——
温度传感器的应用——
二．课堂练习
1.电子秤使用的是（），电熨斗使用的是（）
A．超声波传感器B．温度传感器
C．压力传感器D．红外线传感器
2.
传感器是一种采集信息的重要器件。
如图所示是一种测定压力的电容式传感器。
当待测压力F作用于可动膜片电极时，可使膜片产生形变，引起电容的变化，将电容器、灵敏电流计和电源串联成闭合电路，那么（）
A．当F向上压膜片电极时，电容将减小
B．当F向上压膜片电极时，电容将增大
C．若电流计有示数，则压力F发生变化
D．若电流计有示数，则压力F不发生变化
3.关于话筒，下列说法正确的是（）
A．无论动圈式话筒、电容式话筒、还是驻极体话筒，作用相同都将声波这个力学量转换成了电压或电流这个电学量
B．电容式话筒和驻极体话筒原理相同，都是声波的变化引起电容变化，进而引起输出电压的变化
C．动圈式话筒利用通电线圈在磁场中受到安培力作用而振动，实现声向电的转化
D．因为驻极体话筒价格便宜、灵敏度高，会场大都用驻极体话筒
三．课后提高
4.将如图所示装置安装在沿直轨道运动的火车车厢中，使杆沿轨道方向固定，就可以对火车运动的加速度进行检测。
闭合开关S，当系统静止时，穿在光滑绝缘杆上的小球停在O点，固定在小球上的变阻器滑片停在变阻器BC的正中央，此时，电压表指针指在表盘刻度中央。
当火车在水平方向有加速度时，小球在光滑绝缘杆上移动，滑片P随之
在变阻器上移动，电压表指针发生偏转。
已知，当火车向左加速运动时，电压表的指针向右偏。
则 （）
A．电压表指针向左偏，说明火车可能在向右做加速运动
B．电压表指针向右偏，说明火车可能在向右做加速运动
C．电压表指针向左偏，说明火车可能在向右做减速运动
D．电压表指针向右偏，说明火车可能在向右做减速运动
5.
如图是电容式话筒的示意图，它是利用电容制作的传感器，话筒的振动膜前面镀有薄薄的金属层，膜后距膜几十微米处有一金属板，振动膜上的金属层和这个金属板构成电容器的两极，在两极间加一电压U，人对着话筒说话时，振动膜前后振动，使电容发生变化，导致话筒所在电路中的其它量发生变化，使声音信号被话筒转化为电信号，其中导致电容变化的原因可能是容器两板间的（）
A．距离变化B．正对面积变化
C．介质变化D．电压变化
6.
用如图所示的装置可以测量汽车在水平路面上做匀加速直线运动的加速度。
该装置是在矩形箱子的前、后壁上各安装一个由力敏电阻组成的压力传感器。
用两根相同的轻弹簧夹着一个质量为2.0kg的滑块可无摩擦滑动，两弹簧的另一端分别压在传感器a、b上，其压力大小可直接从传感器的液晶显示屏上读出。
现将装置沿运动方向固定在汽车上，传感器b在前，传感器a在后。
汽车静止时，传感器a、b在的示数均为10N（取g=10m／s2）。
（1）若传感器a的示数为14N、b的示数为6.0N，求此时汽车的加速度大小和方向。
（2）当汽车以怎样的加速度运动时，传感器a的示数为零。
第3节 传感器的应用
（二）
一．课前预习
二．课堂练习
1.下列器件不是应用温度传感器的是（）
A．电熨斗B．话筒C．电饭锅D．测温仪
2.鼠标器使用的是（）
A．压力传感器 B．温度传感器C．光传感器 D．红外线传感器
3.街道旁的路灯、江海里的航标灯都要求夜晚亮、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．三特性都利用了
4.关于电饭锅的说法正确的是（）
A．电饭锅中的温度传感器其主要元件是氧化铁
B．铁氧体在常温下具有铁磁性，温度很高时失去铁磁性
C．用电饭锅烧水，水开时能自动断电
D．用电饭锅煮饭时，若温控开关自动断电后，它不能自动复位
三．课后提高
5.
角速度计可测量飞机、航天器、潜艇的转动角速度，其结构如图所示。
当系统绕轴OO′转动时，元件A发生位移并输出相应的电压信号，成为飞机、卫星等的制导系统的信息源。
已知A的质量为m，弹簧的劲度系数为k、自然长度为l，电源的电动势为E、内阻不计。
滑动变阻器总长也为l，电阻分布均匀，系统静止时P在B点，当系统以角速度ω转动时，求：
输出电压U与ω的函数关系式。
6.
（风力测定仪）如图所示为一种测定风作用力的仪器原理图，图中P为金属球，悬挂在一细长裸金属丝下面，O是悬挂点，R0是保护电阻，CD是水平放置的光滑电阻丝，与悬挂小球的细金属丝始终保持良好接触，无风时细金属丝与电阻丝在C点接触，此时电路中的电流为I0，有风时细金属丝将偏转一角度θ（θ与风力大小有关），细金属丝与电阻丝在C’点接触，已知风力方向水平向左，OC=h，CD=L，球的质量为M，电阻丝单位长度的电阻为k，电源内电阻和细金属丝电阻均不计，金属丝偏转θ角时，电流表的示数为I’，此时风力大小为F，试写出：
（1）风力大小F与θ的关系式；
（2）风力大小F与电流表示数I’的关系式。
第4节传感器的应用实例
一．课前预习
1．光控开关
电路组成：
斯密特触发器， 电阻RG，发光二极管LED模仿路灯，滑线变阻器R1，定值电阻R2，电路如图所示。
注意：
要想在天暗时路灯才会亮，应该把R1的阻值调一些，这样要使斯密特触发器的输入端A电压达到某个值1.6V，就需要RG的阻值达到更大，即天色更暗。
2．温度报警器（热敏电阻式报警器）
结构组成：
斯密特触发器， 电阻RT，蜂鸣器，滑线变阻器R1，如图所示。
注意：
要使热敏电阻在感测到更高的温度时才报警，应该R1的阻值，R1阻值越小，要使斯密特触发器输入达到高电平，则热敏电阻阻值要求越小，即温度越高。
3．二极管的特点和作用
（1）二极管具有性
（2）发光二极管除了具有单向导电性外，导电时还能，常用做指示灯。
二．课堂练习
1.“与”门的输入端输入信号为何时，输出端输出“1”（）
A．00B．01C．10D．11
2.“或”门的输入端输入信号为何时，输出端输出“0”（）
A．00B．10C．01D．11
3.联合国安理会每个常任理事国都拥有否决权，假设设计一个表决器，常任理事国投反对票时输入“0”，投赞成或弃权时输入“1”，提案通过为“1”，通不过为“0”，则这个表决器应具有哪种逻辑关系（）
A．与门B．非门C．或门D．与非门
三．课后提高
4.（2003-上海）用遥控器调换电视机频道的过程，实际上就是传感器把光信号转化为电信号的过程。
下列属于这类传感器的是（）
A．红外报警装置
B．走廊照明灯的声控开关
C．自动洗衣机中的压力传感装置
D．电饭煲中控制加热和保温的温控器
5.
（2003-上海）图1为某一热敏电阻（电阻值随温度的改变而改变，且对温度很敏感）的I-U关系曲线图。
（1）为了通过测量得到图1所示I-U关系的完整曲线，在图2和图3两个电路中应选择的是图________；简要说明理由：
____________。
（电源电动势为9V，内阻不计，滑线变阻器的阻值为0-100Ω）。
（2）在图4电路中，电源电压恒为9V，电流表读数为70mA，定值电阻R1=250Ω。
由热敏电阻的I-U关系曲线可知，热敏电阻两端的电压为________V；电阻R2阻值为______Ω。
《传感器》单元测试
1．
压敏电阻的阻值随所受压力的增大而减小，某位同学利用压敏电阻设计了判断小车运动状态的装置，其工作原理如图（a）所示，将压敏电阻和一块挡板固定在绝缘小车上，中间放置一个绝缘重球。
小车向右做直线运动过程中，电流表示数如图（b）所示，下列判断正确的是（）
A．从t1到t2时间内，小车做匀速直线运动
B．从t1到t2时间内，小车做匀加速直线运动
C．从t2到t3时间内，小车做匀速直线运动
D．从t2到t3时间内，小车做匀加速直线运动
2．
某实验小组的同学在电梯的天花板上固定一根弹簧秤，使其测量挂钩向下，并在钩上悬挂一个重为10N的钩码。
弹簧秤弹力随时间变化的规律可通过一传感器直接得出，如图所示．则下列分析正确的是（）
A．从时刻t1到t2，钩码处于超重状态
B．从时刻t3到t4，钩码处于失重状态
C．电梯可能开始在15楼，先加速向下，接着匀速向下，
再减速向下，最后停在1楼
D．电梯可能开始在1楼，先加速向上，接着匀速向上，
再减速向上，最后停在15楼
3．
雷达是利用电磁波来测定物体的位置和速度的设备，它可以向一定方向发射不连续的电磁波，当遇到障碍物时要发生反射。
雷达在发射和接收电磁波时，在荧光屏上分别呈现出一个尖形波。
某型号防空雷达发射相邻两次电磁波之间的时间间隔为5×10－4s。
现在雷达正在跟踪一个匀速移动的目标，某时刻在雷达监视屏上显示的雷达波形如图甲所示，30s后在同一方向上监视屏显示的雷达波形如图乙所示。
已知雷达监视屏上相邻刻线间表示的时间间隔为10－4s，电磁波在空气中的传播速度3×108m/s，则被监视目标的移动速度最接近（）
A．1200m/sB．900m/s C．500m/s D．300m/s
4．
如图所示是电阻式温度计，一般是利用金属铂做的，已知铂丝的电阻随温度的变化情况，测出铂丝的电阻就可以知道其温度。
这实际上是一个传感器，它是将转化为来进行测量的。
5．
（07湖南）光敏电阻是用半导体材料制成的，如图所示，将一个光敏电阻与多用电表联成一电路，此时选择开关放在欧姆挡，照射在光敏电阻上的光强逐渐增大，则欧姆表指针的偏转角度（填“变大”、“变小”或“不变”）；若将选择开关放在电压档，同样增大照射光强度，则指针偏转角度。
6．某同学在资料上发现弹簧振子的周期公式为
，弹簧的弹性势能公式为
（式中k为弹簧的劲度系数，m为振子的质量，x为弹簧的形变量）。
为了验证弹簧的弹性势能公式，他设计了如图甲所示的实验：
轻弹簧的一端固定在水平光滑木板一端，另一端连接一个质量为M的滑块，滑块上竖直固定一个挡光条，每当挡光条挡住从光源A发出的细光束时，传感器B因接收不到光线就产生一个电信号，输入电脑后经电脑自动处理就能形成一个脉冲电压波形；开始时滑块静止在平衡位置恰好能挡住细光束。
在木板的另一端有一个弹簧枪，发射出质量为m，速度为v0的一个弹丸，弹丸击中木块后留在木块中一起做简谐振动。
（1）系统在振动过程中，所具有的最大动能Ek＝ ；
（2）系统振动过程中，在电脑上所形成的脉冲电压波形如图乙所示，由图可知该系统的振动周期大小为：
T＝ ；
（3）如果再测出滑块振动的振幅为A，周期设为T，利用资料上提供的两个公式，结合实验中给出的已知条件求出系统振动过程中弹簧的最大弹性势能为：
Ep＝ ；
通过本实验，根据机械能守恒，如发现Ek＝Ep，即验证了弹簧的弹性势能公式的正确性。
7．
将金属块m用压缩的轻弹簧卡在一个矩形的箱中，如图所示，在箱的上顶板和下底板装有压力传感器，箱可以沿竖直轨道运动。
当箱以a=2.0m/s2的加速度竖直向上做匀减速运动时，上顶板的传感器显示的压力为6.0N，下底板的传感器显示的压力为10.0N。
（取g=10m/s2）
（1）若上顶板传感器的示数是下底板传感器的示数的一半，试判断箱的运动情况。
（2）要使上顶板传感器的示数为零，箱沿竖直方向运动的情况可能是怎样的？
8．
温度传感器广泛应用于室内空调、电冰箱和微波炉等家用电器中，它是利用热敏电阻的随温度变化而变化的特性工作的。
在图甲中，电源的电动势E=9.0V，内电阻可忽略不计；G为灵敏电流表，内阻Rg保持不变；R为热敏电阻，其电阻值与温度变化关系如图乙的R-t图线所示。
闭合开关S，当R的温度等于20℃时，电流表示数I1=2mA，则当电流表的示数I2=3.6mA时，热敏电阻R的温度是多少摄氏度？
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