人教版高二物理32传感器全章成套教学案及课后作业新人教.docx
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人教版高二物理32传感器全章成套教学案及课后作业新人教
传感器
自主探究
一．传感器及工作原理
1．传感器是这样一种元件：
它能够感受诸如力、温度、光、声、化学成分等非电学量，并能把它们按照一定的规律转换为__________、__________等电学量，或转化为___________。
2．传感器的工作原理：
传感器感受的通常是非电学量，如压力、温度、位移、浓度、速度、酸碱度等，而它输出的通常是电学量，如电压值、电流值、电荷量等，这些输出信号是非常微弱的，通常要经过放大后，再送给控制系统产生各种控制动作。
二．几种传感器及其特征
传感器元件
材料
工作原理
输入物理量x
输出物理量y
y与x的关系
光敏电阻
热敏电阻
金属热电阻
霍尔元件
几种典型的电容式传感器及原理
（1）测定角度θ：
（2）测定液面高度h：
（3）测定压力F：
（4）测定位移x：
尝试体验
1．如图所示，R1、R2为定值电阻，L是小灯泡，R3为光敏电阻，当照射光强度增大时，（）
A．电压表的示数增大
B．R2中电流减小
C．小灯泡的功率增大
D．电路的路端电压增大
2．有定值电阻、热敏电阻、光敏电阻三只元件，将这三只元件分别接入如图所示的电路中A、B两点后，用黑纸包住元件或把元件置于热水中，观察欧姆表的示数，下列说法正确的是（）
A．置于热水中与不置于热水中相比，欧姆表示数变化较大，这个元件一定是热敏电阻
B．置于热水中与不置于热水中相比，欧姆表示数不变化，这个元件一定是定值电阻
C．用黑纸包住元件与不用黑纸包住相比，欧姆表示数变化较大，这个元件一定是光敏电阻
D．用黑纸包住元件与不用黑纸包住相比，欧姆表示数相同，这个元件一定是定值电阻
领悟整合
3．传感器是一种采集信号的重要器件，如图是一种测定压力的电容式传感器，当待测压力F作用于可动膜片产生变形，引起电容的变化，若将电容器、灵敏电流计和电源串联接成闭合电路，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
4．如图所示，有电流I流过长方体金属块，金属块宽度为d，高为b，有一磁感应强度为B的匀强磁场垂直于纸面向里，金属块单位体积内的自由电子数为n，试问金属块上、下表面哪面电势高？
电势差是多少？
开放探究
5．如图为测定液面高度的装置，已知圆柱形金属芯的直径为2cm，电介质的厚度为0.2mm，介电常数为2，在导电液体的底部和金属芯之间加上恒定电压为5V，在某一次液面上升的过程中测得对应的电量增加了3×10-8C，求在此过程中液面上升的高度。
传感器（课后作业）
班级_______________姓名________________
巩固拓展
1．如图所示，R1为定值电阻，R2为热敏电阻，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
2．关于光敏电阻，下列说法正确的是（）
A．光敏电阻能够把光照强弱这个光学量转换为电阻这个电学量
B．硫化镉是一种半导体材料，无光照射时，载流子极少，导电性能不好
C．硫化镉是一种半导体材料，无光照射时，载流子较少，导电性能良好
D．半导体材料的硫化镉，随着光照的增强，载流子增多，导电性能变好
3．如图所示，R3是光敏电阻，当开关S闭合后在没有光照射时，a、b两点等电势，当用光照射电阻R3时，则（）
A．R3的电阻变小，a点电势高于b点电势
B．R3的电阻变小，a点电势低于b点电势
C．R3的电阻变小，a点电势等于b点电势
D．R3的电阻变大，a点电势低于b点电势
4．有一电学元件，温度升高时电阻却大幅度减小，则这种元件可能是（）
A．金属导体B．绝缘体C．半导体D．超导体
5．如图是观察电阻值随温度变化情况示意图。
现把杯中的水由冷水变为热水，关于欧姆表的读数变化情况正确的是（）
A．如果R为金属热电阻，读数变大，且变化非常明显
B．如果R为金属热电阻，读数变小，且变化不明显
C．如果R为热敏电阻（用半导体材料制作），读数变化非常明显
D．如果R为热敏电阻（用半导体材料制作），读数变化不明显
6．霍尔元件能转换哪两个量（）
A．把温度这个热学量转换为电阻这个电学量
B．把磁感应强度这个磁学量转换为电压这个电学量
C．把力转换为电压这个电学量
D．把光照强弱这个光学量转换为电阻这个电学量
7．如图所示，将万用表的选择开关置于“欧姆”挡，再将电表的两支表笔与一热敏电阻Rt的两端相连，这时表针恰好指在刻度盘的正中间。
若往Rt上擦一些酒精，表针将向_________（填“左“或“右”）移动；若用吹风机将热风吹向电阻，表针将向__________（填“左“或“右”）移动。
8．图是霍尔元件的工作原理示意图，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（）
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
创新探究
9．1999年7月12日日本原子能公司所属敦贺湾核电站由于水管破裂导致高辐射冷却剂外流；在检测此次重大事故中应用了非电量变化（冷却剂外泄使管中液面变化）转移为电信号的自动化测量技术，如图是一种通过检测电容器电容的变化来检测液面高低的仪器原理图，容器中装有导电液体，是电容器的一个电极，中间的芯柱是电容器的另一个电极，芯柱外面套有绝缘管，作为电介质，电容器的两个电极分别用导线接在指示器上，指示器上显示的是电容的大小，但从电容的大小就可以知道容器中液面位置的高低，为此，以下说法正确的是（）
A．如果指示器显示出电容增大了，则两电极正对面积增大，液面必升高
B．如果指示器显示出电容减小了，则两电极正对面积增大，液面必升高
C．如果指示器显示出电容增大了，则两电极正对面积减小，液面必降低
D．如果指示器显示出电容减小了，则两电极正对面积增大，液面必降低
10．如图所示为光敏电阻自动计数器的示意图，其中A是发光仪器，B是传送带上物品，R1为光敏电阻，R2为定值电阻，此光电计数器的基本工作原理是（）
A．当有光照射R1时，信号处理系统获得高电压
B．当有光照射R1时，信号处理系统获得低电压
C．信号处理系统每获得一次低电压就记数一次
D．信号处理系统每获得一次高电压就记数一次
传感器的应用
（一）
一、自主探究
1．传感器应用的一般模式
2．传感器应用的实例
Ⅰ．力传感器的应用-------电子秤
（1）组成：
由__________和_________组成
（2）工作原理：
弹簧钢制成的梁形元件固定，在梁的上下表面各贴一个应变片，在梁的自由端施力F，则梁发生弯曲，上表面________，下表面________，上表面应变片的电阻变____，下表面应变片的电阻变____。
F越大，弯曲形变越____，应变片的阻值变化就越____。
如果让应变片中通过的电流保持恒定，那么上面应变片两端的电压变大，下面应变片两端的电压变小，传感器把这两个电压的差值输出。
外力越大，输出的电压差值越大。
应变片能够把物体____________这个力学量转换为___________这个电学量
Ⅱ．声传感器的应用------话筒
（1）作用：
话筒是一种常用的声传感器，其作用是将________转换为____________。
（2）分类：
动圈式话筒
电容式话筒
驻极体话筒：
原理与电容式话筒的相似，它的特点是体积小，质量轻，价格便宜，灵敏度高，工作电压只需3∽6V。
Ⅲ．温度传感器的应用------电熨斗
二、领悟整合
1.关于电子秤中应变式力传感器的说法正确的是（）
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.传感器输出的是应变片上的电压
D.外力越大，输出的电压差值也越大
2.唱卡拉OK用的话筒内有传感器，其中有一种是动圈式的，它的工作原理是在弹性膜片后面粘接一个轻小的金属线圈，线圈处于永磁体的磁场中，当声波使膜片前后振动时，就将声音信号转变为电信号。
下列说法正确的是（）
A.该传感器是根据电流的磁效应工作的
B.该传感器是根据电磁感应原理工作的
C.膜片振动时，穿过金属线圈的磁通量不变
D.膜片振动时，金属线圈中不会产生感应电动势
3.如图所示为某种电子秤的原理示意图，AB为一均匀的滑线电阻，阻值为R，长度为L，两边分别有P1、P2两个滑动头。
P1可在竖直绝缘光滑的固定杆MN上保持水平状态而上下自由滑动，弹簧处于原长时，P1刚好指着A端，P1与托盘固定相连，若P1、P2间出现电压时，该电压经过放大，通过信号转换后在显示屏上将显示物体重力的大小。
已知弹簧的劲度系数为k，托盘自身质量为m0，电源电动势为E，内阻不计，当地的重力加速度为g。
求;
（1）托盘上未放物体时，在托盘自身重力作用下，P1离A的距离x1
（2）托盘上放有质量为m的物体时，P1离A的距离x2
（3）在托盘上未放物体时通常先校准零点，其方法是：
调节P2，使P2离A点的距离也为x1，从而使P1、P2间的电压为零。
校准零点后，将物体m放在托盘上，试推导出物体质量m与P1、P2间的电压U之间的函数关系式。
4．如图所示，图甲为热敏电阻的R－t图像，图乙为用此热敏电阻R和继电器组成的一个简单恒温箱温控电路，继电器线圈的电阻为150Ω。
当线圈中的电流大于或等于20mA时，继电器的衔铁被吸合。
为继电器线圈供电的电池的电动势E＝6V，内阻可以不计，图中的“电源”是恒温箱加热器的电源。
（1）应该把恒温箱内的加热器接在A、B端还是C、D端？
（2）如果要使恒温箱内的温度保持100℃，可变电阻R’的值应调节多少？
5．现有热敏电阻、电炉丝、电源、电磁继电器、滑动变阻器、电键和导线若干。
如图所示，试设计一个温控电路，要求温度低于某一温度时，电炉丝自动通电供热，超过某一温度时，又可以自动断电，画出电路图并说明工作过程。
传感器的应用
（一）（课后作业）
一、
1．电子秤使用的是（）
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．计算机键盘是由两片金属切片组成的小电容器，该电容器的电容可用公式C＝εS/d计算，式中ε＝9×10－12，S为金属片的正对面积，d表示两金属片间距，当键被按下时，此电容器的电容发生变化，与之相连的电子线路就能检测出哪个键被按下了，从而给出相应的信号，设每个金属片的正对面积为50mm2，键未被按下时的金属片间距为0.6mm。
如果电容变化0.25μF，电子线路恰能检测出必要的信号，则键至少需要被按下（）
A.0.15mmB.0.25mmC.0.35mmD.0.45mm
3．随着生活质量的提高，自动干手机已进入了家庭。
洗手后，将湿手靠近自动干手机，机内的传感器便驱动电热器加热，有热空气从机内喷出，将湿手烘干，手靠近干手机能使传感器工作，是因为（）
A.改变了湿度B.改变了温度
C.改变了磁场D.改变了电容
4．电子秤中常用的一种力传感器是由金属梁和_________制成。
___________是一种敏感元件，多用__________材料制成。
5．话筒是一种常用的___________的传感器，其作用是将_________信号转换为_________信号。
6．动圈式话筒是利用___________原理将__________信号转换为___________信号的。
7．驻极体话筒由内部的驻极体____________感受声波。
8．电熨斗装有__________传感器，其作用是____________________。
9．用如图所示的装置可以测量汽车在水平里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，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的示数均为10N（g取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
10．如图所示为大型电子地磅电路图，电源电动势为E，内阻不计，不称物体时，滑动头P在A端，滑动变阻器接入电路中有效电阻最大，电流较小；称重物时，在压力作用下使滑动头下移，滑动变阻器有效电阻变小，电流变大，这样把电流对应的质量值刻在刻度盘上，就可以读出被称物体的质量，若滑动变阻器上A、B间长度为L，最大阻值为R，已知两弹簧的总弹力与形变量成正比，比例系数k，试导出所称重物重力G与电路中电流I的函数关系。
11．某同学设计了一个加速度计，如图所示。
具有一定质量的滑块2可以在光滑的框架1中平移，滑块两侧用弹簧3拉着；R为滑动变阻器，4是滑动片，它与电阻器任一端的电阻值都与它到这端的距离成正比。
这个装置实际上是一个加速度传感器。
两个电池E的电压相同。
按图连接电路后，电压表指针的零点调在中央，当P端的电势高于Q端时，指针向零点右侧偏转。
你认为他的设计在原理上可行吗？
这个装置能否同时测出加速度达的大小和方向？
将框架固定在运动的物体上，当物体具有图示方向的加速度a时，电压表的指针向哪个方向偏转？
12．如图表示普通电冰箱内温度控制器的结构，铜制的测温泡1、细管2和弹性金属膜盒3连通成密封的系统。
里面充有氯甲烷和它的蒸汽，构成了一个温度传感器。
膜盒3为扁圆形（图中显示它的切面），右表面固定，左表面通过小柱体与弹簧片4连接。
盒中气体的压强增大时，盒体就会膨胀。
测温泡1安装在冰箱的冷藏室中。
5、6分别是电路的动触点和静触点，控制制冷压缩机的工作。
拉簧7的两端分别连接到弹簧片4和连杆9上。
连杆9的下端是装在机箱上的轴。
凸轮8是由设定温度的旋钮（图中未画出）控制的。
逆时针旋转时凸轮连杆上端右移，从而加大对弹簧7的拉力。
（1）为什么当冰箱内温度较高时压缩机能够自动开始工作，而在达到设定的低温后又自动停止工作？
（2）为什么用凸轮可以改变设定的温度
传感器的应用
（二）
自主探究
一．温度传感器的应用——电饭锅
1．电饭锅中的温度传感器主要元件是____________，它的特点是：
常温下具有铁磁性，能够被磁铁吸引，但是上升到约103℃时，就失去了磁性，不能被磁体吸引了。
这个温度在物理学中称为该材料的“居里温度”或“居里点”。
2．感温铁氧体是用___________和___________混合烧制而成的。
二．温度传感器的应用——测温仪
1．温度传感器可以把_________转换成电信号，由指针式仪表或数字式仪表显示出来。
2．测温仪中的测温元件可以是___________、__________、_________等，还可以是__________等。
三．光传感器的应用——鼠标器、火灾报警器
1．机械式鼠标器内的码盘两侧分别装有红外发射管和红外接受管，两个红外接受管就是两个__________。
2．有的火灾报警器是利用烟雾对光的散射来工作的，其带孔的罩子内装有发光二极管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，就会发出警报。
尝试体验
1．用遥控器调换电视频道的过程，实际上就是传感器把光信号转化成电信号的过程，下列属于这类传感器的是（）
A．红外报警装置B．走廊照明灯的声控装置
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
2．如图所示的电路中，电源两端的电压恒定，L为小灯泡，R为光敏电阻，LED为发光二极管（电流越大，发出的光越强），且R与LED相距不变，下列说法正确的是（）
A．当滑动触头P向左移动时，L消耗的功率增大
B．当滑动触头P向左移动时，L消耗的功率减小
C．当滑动触头P向右移动时，L消耗的功率可能不变
D．无论怎样移动触头P，L消耗的功率都不变
3．电饭煲的工作原理如图所示，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；有发热电阻R3、、R2和红灯组成，S1是一个磁钢限温开关，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，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，通过其电流必须较小，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________（填断开或闭合）。
接通电源并按下S1后，黄灯熄而红灯亮，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﹦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。
领悟整合
4．如图所示甲为在温度为10℃左右的环境中工作的自动恒温箱简图，箱内电阻R1＝20kΩ，R2＝10kΩ，R3＝40kΩ，R1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，使箱内温度提高；当Uab﹥0时，电压鉴别器使S断开，停止加热，恒温箱内的温度恒定在＿＿＿℃。
甲乙
开放探究
5．如图所示为一实验小车中利用光电脉冲测量车速和行程的装置示意图，A为光源，B为光电接受器，A、B均固定在车身上，C为小车的车轮，D为与C同轴相连的齿轮。
车轮转动时，A发出的光束通过旋转齿轮上齿的间隙后变成脉冲光信号，被B接受并转换成电信号，由电子电路记录和显示。
若实验显示单位时间内的脉冲数为n，累计脉冲数为N，则要测出小车的速度和行程还必须测量的物理数据是______________________________
____________________________；
小车的速度表达式为V＝________________；
行程的表达式为S＝_________________。
6．如图所示是电饭煲的电路图，S1是一个控温开关，手动闭合后，当此开关温度达到居里点（103℃）时，会自动断开。
S2是一个自动控温开关，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，计算加热电阻丝R3＝50Ω，两灯电阻不计。
（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？
61
传感器的应用实验
一、自主探究
1．一些元器件的原理和使用特点
（1）逻辑电路
符号
真值表
“与”门
“或”门
“非”门
“与非”门
“或非”门
（2）斯密特触发器：
具有特殊功能的_______门电路
（3）晶体管
1普通二极管
具有__________导电性，在电子电路中有多种运用，在用多用电表欧姆档测量二极管的正向导通电阻时，黑表笔应接二极管的_____极，若发现阻值较大，则与黑表笔接触的是二极管的_____极。
②发光二极管
除了具有单向导电性外，导电时还能发光，用磷镓或磷砷化镓等半导体材料制成，直接将_____能转化为______能。
③晶体二极管
能够将微弱的信号_________晶体三极管的三极分别是发射极e，基极b和集电极c。
三极管的放大作用表现在基极b的电流对集电极c的电流起了控制作用。
2．模仿路灯光控实验
（1）电平：
在电子技术中，习惯上常用“电平”来描述逻辑电路的输入端和输出端的状态。
其实，电平指的是某个端点与“地”之间的电压，或者说，如果以接地端的电势为零，那么电平表示的是某个端点的电势。
（2）工作原理：
如图所示，当光敏电阻RG受到光照时，阻值______，非门输入端A出现_____电平，输出端Y出现______电平（填“高”或“低”），发光二极管LED反向截止，_____发光（填“能”或“不能”），当把光遮住时，RG阻值增大，输入端A出现____电平，Y端是_____电平（填“高”或“低”），二极管正向导通____发光填“能”或“不能”，达到路灯白天不亮晚上亮的目的。
（3）用小灯泡模拟路灯
因为集成电路允许通过的电流比较小，就要使用继电器来启动另外的供电电路。
如图所示，J为继电器，工作电压为5V，Ja为它的常开触点，并联一个二极管起保护作用。
原理同上，光照时，RG阻值____，A为_____电平，Y为_____电平，继电器不工作，灯泡_______（填“亮”或“不亮”），无光或弱光时，RG阻值____，A为_____电平，Y为______电平，继电器触点接触，电路接通，灯泡______（填“亮”或“不亮”）。
3．温度报警器
（1）电路结构：
RT为热敏电阻，蜂鸣器两端的直流电压达到4∽6V时，发出鸣叫，RT常温小为几百欧姆，R1的最大阻值在1∽2kΩ之间选择
（2）工作原理：
当温度升高时，RT阻值______，A端输入_____电平，Y端输出______电平，蜂鸣器中有电流通过，发出报警声，常温下，RT的阻值较大A端为_____电平，Y端为______电平，无电流通过蜂鸣器，不能发声。
（3）调节___________可使热敏电阻在感测到更高温度时才报警，原因_________________________________________
二、尝试体验
1．在蜂鸣式温度报警器电路中，若将RT和R1两电阻的位置互换，R1取适当阻值，还仍能报警吗，为什么？
2．
一个简单的磁控防盗报警装置，门的上沿嵌入一小块永磁体M，门框内与M相对的位置嵌入干簧管接入图示的电路，睡觉前连接好电路，当盗贼开门时，蜂鸣器就会叫起来，请说明工作原理
3．可以用型号为74LS14的非门集成电路、发光二极管和限流电阻来组成一个逻辑电平检测器，如图所示，使用时，将检测器的输入端A接到被测点，请分析当被测点为高电平时，LED是否发光，低电平呢？
说出道理。
四、开放探究
请你设计一个电热水器的控制方案，要求水烧开时自动断电，而在水温低于沸点约10℃时又自动加热，同时还要有手动开关，必要时可以在任何温度下立即加热。
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