高中物理第4章传感器与现代社会学案2用传感器做实验信息时代离不开传感器同步备课学案沪科版选修3.docx

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高中物理第4章传感器与现代社会学案2用传感器做实验信息时代离不开传感器同步备课学案沪科版选修3

学案2　用传感器做实验　信息时代离不开传感器

[目标定位]1.知道温度传感器、力传感器的原理和应用.2.理解霍尔元件的原理.3.了解现代生产、生活中常用的传感器．

一、实验中常见的几种传感器的分析

1．温度传感器的原理

温度传感器是利用热敏电阻的阻值会随温度的变化而变化的原理制成的，它能把温度这个热学量转换为电压这个电学量．如各种家用电器（空调、冰箱、热水器、饮水机等）的温度控制器、火警报警器、恒温箱等．

2．力传感器的原理

如图1所示，力传感器可以用来测重力、压力、拉力等各种力，应变片能够把物体形变这个力学量转换为电压这个电学量．

3．磁传感器的原理（霍尔效应的应用）

（1）霍尔元件是一种磁敏感元件．

（2）霍尔效应：

如图2所示，在金属薄片相对的两侧面通以控制电流I，在与薄片垂直方向施加磁感应强度为B的磁场，那么，在垂直于电流和磁场方向的另外两个侧面将产生与控制电流和磁场成正比的电动势UH，这种现象称为霍尔效应，即UH＝RH

.

图1　　　　　　图2

图3

例1　（多选）如图3所示是霍尔元件的工作原理示意图，如果用d表示薄片的厚度，k为霍尔系数，对于一个霍尔元件d、k为定值，如果保持I恒定，则可以验证UH随B的变化情况．以下说法中正确的是（工作面是指较大的平面）（　　）

A．将永磁体的一个磁极逐渐靠近霍尔元件的工作面，UH将变大

B．在测定地球两极的磁场强弱时，霍尔元件的工作面应保持水平

C．在测定地球赤道上的磁场强弱时，霍尔元件的工作面应保持水平

D．改变磁感线与霍尔元件工作面的夹角，UH将发生变化

答案　ABD

解析　将永磁体的磁极逐渐靠近霍尔元件的工作面时，B增大，I恒定，由公式UH＝

知UH将变大，选项A正确；地球两极的磁场方向在竖直方向上，所以霍尔元件的工作面应保持水平，使B与工作面垂直，选项B正确；地球赤道上的磁场沿水平方向，只有霍尔元件的工作面在竖直方向且垂直于南北时，B才与工作面垂直，选项C错误；改变磁感线与霍尔元件工作面的夹角，B在垂直工作面方向上的大小发生变化，UH将发生变化，选项D正确．

例2　按图4所示连接好电路，合上S，发现小灯泡不亮，原因是__________________________；

用电吹风对热敏电阻吹一会儿，会发现小灯泡________，原因是_________________________；

停止吹风，会发现___________________________________________；把热敏电阻放入冷水中会发现__________________________________．

图4

答案　由于热敏电阻阻值较大，左侧电路电流较小，电磁铁磁性较弱吸不住衔铁　亮了　电吹风对热敏电阻加热使其阻值变小，电路中电流增大，电磁铁吸住衔铁，右侧电路接通　小灯泡不会立即熄灭，因为热敏电阻温度仍然较高　小灯泡熄灭

二、随处可见的传感器

1．红外测温仪：

是一种将红外辐射波转换成电信号的传感装置．

2．数码相机和摄像机：

敏感元件叫做电荷耦合器件（CCD），它能将光信号转换成模拟电信号，模拟电信号再通过A/D转换器转换成数字电信号．

3．酒精浓度测试仪：

敏感元件是酒精传感器．

在生活中还有煤气报警器、火警报警器、红外报警器、防盗报警器等等．工业生产中有热轧生产线上的传感器，农业生产中有空气湿度传感器、土壤湿度传感器、土壤营养传感器等等．

例3　如图5所示是会议室和宾馆房间的天花板上装有的火灾报警器的结构原理图，罩内装有发光二极管LED、光电三极管和不透明的挡板．平时光电三极管接收不到LED发出的光，呈现高电阻状态．发生火灾时，下列说法正确的是（　　）

图5

A．进入罩内的烟雾遮挡了光线，使光电三极管电阻更大，检测电路检测出变化发出警报

B．光电三极管温度升高，电阻变小，检测电路检测出变化发出警报

C．进入罩内的烟雾对光有散射作用，部分光线照到光电三极管上，电阻变小，发出警报

D．以上说法均不正确

答案　C

解析　由火灾报警器的原理可知，发生火灾时烟雾进入罩内，使光发生散射，部分光线照到光电三极管上，电阻变小，与传感器相连的电路检测出这种变化，发出警报，C对．

例4　电饭煲的工作原理如图6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，

图6

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．

答案　见解析

解析　R1、R2起的作用是限流，防止指示灯（氖泡）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，直到水被烧干后S1才会断开．

三、信息社会离不开传感器

智能式传感器集信息检测、信息处理、信息记忆、逻辑思维和判断功能于一身，把计算机、各种用途的传感器和输入输出接口等制在同一块芯片上，即成为大规模集成电路智能传感器．

四、遥测与遥感

遥感遥测的基本原理是通过遥感传感器对观测目标产生的电磁波、热辐射进行远距离收集、转换，用计算机处理、识别，得出结论．主要应用在地球资源勘测、环境监控、气象预报、军事侦察等方面.

1．（传感器的应用实例）（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7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7

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．

2．（传感器的应用实例）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8所示，由于这种特性，PTC元件具有发热、保温双重功能．对此，以下判断正确的是（　　）

图8

①通电后，其电功率先增大后减小　②通电后，其电功率先减小后增大　③当其产生的热量与散发的热量相等时，温度保持在t1不变　④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

A．①②B．②③

C．②④D．①④

答案　D

解析　当温度由零升到t1的过程中，PTC的电阻率ρ随温度升高而减小，其电阻R随之减小，由于加在灭蚊器上的电压U保持不变，灭蚊器的热功率P随之增大，当t＝t1时，P＝P1达到最大．当温度继续升高，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，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′，即电热功率P减小到等于散热功率时，即达到保温；当t＜t3时，P＞P′，使温度自动升高到t3；当t＞t3时，P＜P′，使温度自动降到t3，实现自动保温，正确选项为D.

3．（传感器的应用分析）如图9所示是一种自动控制水温的装置，加热电路的两个端点P、Q应接到触头a、b上还是c、d上？

热敏电阻两端M、N应接到哪两个触头上？

图9

答案　见解析

解析　P、Q应该分别接在触头a、b上，同时，M、N应该分别接e、f，其工作原理是：

当水温升高时，热敏电阻阻值减小，电磁铁中电流增大，吸引力增大，使衔铁被吸下，a、b断开，使加热装置停止加热；当水温降低到一定程度时，热敏电阻阻值增大，电磁铁中电流减小，吸引力减小，衔铁被弹簧弹上去，使a、b之间连接，加热装置开始加热，从而实现水温控制．

题组一　传感器应用实例

1．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．

2．（多选）电饭锅的结构图如图1所示，如果感温磁体的“居里温度”为103℃时，下列说法中正确的是（　　）

图1

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，锅底的温度会达到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

3．某楼梯口的电灯开关装有传感器，天黑时，出现声音才能发光，而白天即使有声音，电灯也不能发光，该开关中有两种传感器元件，它们可能是（　　）

A．热敏电阻和光敏电阻B．金属热电阻和光敏电阻

C．热敏电阻和霍尔元件D．光敏电阻和驻极体话筒

答案　D

解析　两种传感器分别把声音信号转换为电信号，把光信号转换为电信号，所以选项D正确．

4．如图2所示是一个测定液面高度的传感器，在导线芯的外面涂上一层绝缘物质，放在导电液体中，导线芯和导电液体构成电容器的两极，把这两极接入外电路，当电容值增大引起外电路的电流变化时，说明导电液体的深度h（　　）

图2

A．增大B．减小

C．不变D．无法确定

答案　A

解析　由题意知，导线芯和导电液体构成电容器的两极，类似于平行板电容器的两极．当导电液体深度h增大时，导线芯和导电液体正对面积增大，电容器的电容值变大．

题组二　对霍尔元件的认识及应用

5．如图3所示，截面为矩形的金属导体，放在磁场中，当导体中通有图示电流时，导体的上、下表面的电势关系为（　　）

图3

A．UM>UN

B．UM＝UN

C．UM

D．无法判断

答案　A

解析　霍尔效应形成的原因是带电粒子在磁场中受到洛伦兹力作用定向移动，根据左手定则，金属导体中自由电子受到向下的洛伦兹力作用，向导体的下表面N运动，则导体的上表面M剩下正电荷，所以UM>UN.故选A.

6．如图4所示，厚度为d、宽度为h的导体板放在垂直于它的磁感应强度为B的匀强磁场中，当电流通过导体板时，在导体板的上侧面A和下侧面A′之间会产生电势差，这种现象称为霍尔效应．实验表明，当磁场不太强时，电势差UH、电流I和磁感应强度B的关系为UH＝RH

.式中的比例系数RH称为霍尔系数．霍尔效应可解释如下：

外部磁场的洛伦兹力使运动的电子聚集在导体板的一侧，在导体板的另一侧会出现多余的正电荷，从而形成横向电场．横向电场对电子施加与洛伦兹力方向相反的电场力．当电场力与洛伦兹力达到平衡时，导体板上下两侧之间就会形成稳定的电势差．

设电流I是由电子的定向移动形成的，电子的平均定向速度为v，电荷量为e，回答下列问题：

图4

（1）达到稳定状态时，导体板上侧面A的电势________下侧面A′的电势（填“高于”“低于”或“等于”）．

（2）电子所受的洛伦兹力的大小为________．

（3）当导体板上、下两侧之间的电势差为UH时，电子所受电场力的大小为________．

（4）由电场力和洛伦兹力平衡的条件，证明霍尔系数为RH＝

，其中n代表导体板单位体积中电子的个数．

答案　见解析

解析　

（1）导体中电子定向移动形成电流，电子运动方向与电流方向相反，利用左手定则可判定电子向A板偏，A′板上出现等量正电荷，所以A板电势低于A′板电势．

（2）洛伦兹力大小F洛＝Bev

（3）电场力F电＝Ee＝

e

（4）由F洛＝F电得Bev＝

e　UH＝hvB

导体中通过的电流I＝nev·d·h

由UH＝RH

得hvB＝RH

，得RH＝

.

题组三　传感器的应用分析

7．如图5所示为用热敏电阻R和继电器L等组成的一个简单的恒温控制电路，其中热敏电阻的阻值会随温度的升高而减小．电源甲与继电器、热敏电阻等组成控制电路，电源乙与恒温箱加热器（图中未画出）相连接．则（　　）

图5

A．当温度降低到某一数值，衔铁P将会被吸下

B．当温度升高到某一数值，衔铁P将会被吸下

C．工作时，应该把恒温箱内的加热器接在C、D端

D．工作时，应该把恒温箱内的加热器接在A、C端

答案　B

解析　根据温度变化，分析R的变化，确定电路中电流的变化，电流增大时，继电器L对衔铁吸引力增大，P将会被吸下．当温度降低到某一数值，热敏电阻R的阻值增大，电路中电流减小，继电器L对衔铁吸引力减小，P将不会被吸下，故A错误．当温度升高到某一数值，热敏电阻R的阻值减小，电路中电流增大，继电器L对衔铁吸引力增大，P将会被吸下．故B正确．恒温箱内温度高到一定数值后，应与电源断开停止加热，由以上分析可知，温度升高后，A、B端断开，所以工作时，应该把恒温箱内的加热器接在A、B端．故C、D错误．故选B.

8．如图6所示为小型电磁继电器的构造示意图，其中L为含铁心的线圈．P为可绕O点转动的铁片，K为弹簧，S为一对触头，A、B、C、D为四个接线柱．电磁继电器与传感器配合，可完成自动控制的要求．其工作方式是（　　）

图6

A．A与B接信号电压，C与D可跟被控电路串联

B．A与B接信号电压，C与D可跟被控电路并联

C．C与D接信号电压，A与B可跟被控电路串联

D．C与D接信号电压，A与B可跟被控电路并联

答案　A

9．（多选）某同学设计的家庭电路保护装置如图7所示，铁心左侧线圈L1由火线和零线并行绕成．当右侧线圈L2中产生电流时，电流经放大器放大后，使电磁铁吸起铁质开关K，从而切断家庭电路．仅考虑L1在铁心中产生的磁场，下列说法正确的有（　　）

图7

A．家庭电路正常工作时，L2中的磁通量为零

B．家庭电路中使用的电器增多时，L2中的磁通量不变

C．家庭电路发生短路时，开关K将被电磁铁吸起

D．地面上的人接触火线发生触电时，开关K将被电磁铁吸起

答案　ABD

解析　由于零线、火线中电流方向相反，产生的磁场方向相反，所以家庭电路正常工作时，L2中的磁通量为零，选项A正确；家庭电路短路和用电器增多时均不会引起L2的磁通量的变化，选项B正确，C错误；地面上的人接触火线发生触电时，线圈L1中磁场变化引起L2中磁通量的变化，产生感应电流，吸起K，切断家庭电路，选项D正确．

10．如图8所示为一自动控制温度的电路，请说明其工作原理．

图8

答案　见解析

解析　当开关P在弹簧拉力作用下拉到上面与a接触时，电热丝工作；随着温度升高，热敏电阻温度升高、阻值减小，通过电磁铁的电流增大，电磁铁磁性增强到一定程度时把P吸到b，电热丝停止工作，指示灯亮．