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四川省雷波县民族中学高一物理第10章 学案3 传感器的简单使用

上传时间: 2014-08-23

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一、概念规律题组
1．关于传感器的下列说法正确的是(　　)
A．所有传感器的材料都是由半导体材料做成的
B．金属材料也可以制成传感器
C．传感器主要是通过感知电压的变化来传递信号的
D．以上说法都不正确
2．下列说法中正确的是(　　)
A．话筒是一种常用的声音传感器，其作用是将电信号转换为声信号
B．电熨斗能够自动控制温度的原因是它装有双金属片温度传感器，这种传感器的作用是控制电路的通断
C．电子秤所使用的测力装置是力传感器
D．半导体热敏电阻常用作温度传感器，因为温度越高，它的电阻值越大
3．在如图1所示的电路中，

图1
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相距不远，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
4．如图2所示的电路中，当半导体材料做成的热敏电阻浸泡到热水中时，电流表示数增大，则说明(　　)

图2
A．热敏电阻在温度越高时，电阻越大
B．热敏电阻在温度越高时，电阻越小
C．半导体材料温度升高时，导电性能变差
D．半导体材料温度升高时，导电性能变好
二、思想方法题组
5．(广东单科高考)某实验小组探究一种热敏电阻的温度特性，现有器材：直流恒流电源(在正常工作状态下输出的电流恒定)、电压表、待测热敏电阻、保温容器、温度计、开关和导线等．
(1)若用上述器材测量热敏电阻的阻值随温度变化的特性，请你在图3(a)的实物图上连线．
　
(a)　　　　　　　　　　　       (b)
图3
(2)实验的主要步骤：
①正确连接电路，在保温容器中注入适量冷水，接通电源，调节并记录电源输出的电流值；
②在保温容器中添加少量热水，待温度稳定后，闭合开关，________，________，断开开关；
③重复第②步操作若干次，测得多组数据．
(3)实验小组算得该热敏电阻在不同温度下的阻值，并据此绘得图(b)的R－t关系图线，请根据图线写出该热敏电阻的R－t关系式：R＝________＋________t(Ω)(保留3位有效数字)．
6．如图4所示，图甲为热敏电阻的R—t图象，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，继电器的电阻为100 Ω.当线圈的电流大于或等于20 mA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＝9.0 V，内阻可以不计．图中的“电源”是恒温箱加热器的电源．问：
[来源:]
图4
(1)应该把恒温箱内的加热器接在__________(填“A、B端”或“C、D端”)．
(2)如果要使恒温箱内的温度保持50℃，可变电阻R′的阻值应调节为________ Ω.

一、传感器的工作原理
1．概念：能够感受外界信息，并将其按照一定的规律转换成电信号的器件或装置，叫传感器．
2．组成：一般由敏感元件、转换器件、转换电路三个部分组成．
3．原理：通过对某一物理量敏感的元件，将感受到的物理量按一定规律转换成便于测量的量．例如，光电传感器利用光敏电阻将光信号转换成电信号；热电传感器利用热敏电阻将温度信号转换成电信号．
4．流程：

5．类别：最简单的传感器由一个敏感元件(兼转换器)组成，它感受被测量时，直接输出电学量，如热电偶．有的传感器由敏感元件和转换器件组成，设有转换电路，如光电池、光电管等；有的传感器，转换电路不止一个，要经过若干次转换．
6．传感器的分类：目前对传感器尚无一个统一的分类方法，常用的分类方法有两个：
(1)按输入量分类，如输入量分别为温度、压力、位移、速度、加速度等非电学量时，相应的传感器称为温度传感器、压力传感器、位移传感器、速度传感器、加速度传感器．
(2)按传感器的工作原理分类，可分为电阻传感器、电容传感器、电感传感器、电压传感器、霍尔传感器、光电传感器、光栅传感器等．
7．传感器的元件：制作传感器时经常使用的元件有光敏电阻、热敏电阻、金属热电阻、霍尔元件等．
例1 如图5甲是某同学设计的电容式速度传感器原理图，其中上板为固定极板，下板为待测物体，在两极板间电压恒定的条件下，极板上所带电荷量Q将随待测物体的上下运动而变化．若Q随时间t的变化关系为Q＝(a、b为大于零的常数)，其图象如图乙所示，那么图丙、图丁中反映极板间场强大小E和物体速率v随t变化的图线可能是(　　)

图5
A．①和③   B．①和④
C．②和③   D．②和④
[规范思维]
　
 
　
 
[针对训练1] 如图6所示是电饭锅的结构，试回答下列问题：

图6
(1)开始煮饭时为什么要压下开关按钮？手松开后这个按钮是否会恢复到图示的状态？为什么？
(2)煮饭时水沸腾后锅内是否会大致保持一定的温度？为什么？
(3)饭熟后，水分被大米吸收．锅底的温度会有什么变化？这时电饭锅会自动地发生哪些动作？ 
(4)如果用电饭锅烧水，能否在水沸腾后自动断电？为什么？
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
二、传感器的应用
1．力传感器的应用——电子秤
(1)作用：称量物体重量
(2)敏感元件：应变片．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．
2．声传感器的应用——话筒
(1)话筒的作用：把声信号转换为电信号．
(2)话筒分类：①电容式话筒；②驻极体话筒；③动圈式话筒．
3．温度传感器：(1)敏感元件：热敏电阻和金属热电阻；(2)应用：电熨斗、电饭锅、测温仪、温度报警器．
4．光传感器：(1)敏感元件：光敏电阻、光电管、光电二极管、光电三极管等；(2)应用：鼠标、火灾报警器、光控开关．
【例2】 (2010·全国理综Ⅱ·23)

图7
如图7，一热敏电阻RT放在控温容器M内；A为毫安表，量程6 mA，内阻为数十欧姆；E为直流电源，电动势约为3 V，内阻很小；R为电阻箱，最大阻值为999.9 Ω；S为开关．已知RT在95℃时的阻值为150 Ω，在20℃时的阻值约为550 Ω.现要求在降温过程中测量在95℃～20℃之间的多个温度下RT的阻值．
(1)在图中画出连线，完成实验原理电路图．
(2)完成下列实验步骤中的填空：
①依照实验原理电路图连线．
②调节控温容器M内的温度，使得RT的温度为95℃.
③将电阻箱调到适当的初值，以保证仪器安全．
④闭合开关，调节电阻箱，记录电流表的示数I0，并记录____________．
⑤将RT的温度降为T1(20℃＜T1＜95℃)；调节电阻箱，使得电流表的读数__________，记录______________．
⑥温度为T1时热敏电阻的电阻值RT1＝__________.
⑦逐步降低T1的数值，直至20℃为止；在每一温度下重复步骤⑤⑥.
[规范思维]
　
 
　
[针对训练2] 如图8甲所示为某工厂成品包装车间的光传感记录器，光敏电阻R1能接收到发光元件A发出的光，每当工件挡住A发出的光，光传感器B就输出一个电信号，并经信号处理器处理后在屏幕显示出电信号与时间的关系，如图乙所示．若传送带保持匀加速运动，每个工件均相对传送带静止，且相邻工件间距依次为5、10、15、20、…(单位：cm)．则以下说法正确的是(不计工件挡住光的时间)(　　)

图8
A．工件的加速度为0.1 m/s2
B．工件的加速度为0.2 m/s2
C．当无光照射R1时，光传感器就输出一次高电压
D．当无光照射R1时，光传感器就输出一次低电压
[规范思维]
　[来源:]
 
　
 
【基础演练】
 
1．(2011·江苏·6)美国科学家Willard S. Boyle与George E. Smith因电荷耦合器件(CCD)的重要发明荣获2009年度诺贝尔物理学奖．CCD是将光学量转变成电学量的传感器．下列器件可作为传感器的有(　　)
A．发光二极管   B．热敏电阻
C．霍尔元件   D．干电池
2．传感器担负着信息的采集任务，在自动控制中发挥着重要作用，传感器能够将感受到的物理量(如温度、光、声等)转换成便于测量的量(通常是电学量)，例如热敏传感器，主要是应用了半导体材料制成的热敏电阻将热学量转换为电学量．热敏电阻随温度变化的图象如图9甲所示，图乙是由热敏电阻Rt作为传感器制作的简单自动报警器线路图．问：

图9
(1)为了使温度过高时报警器铃响，c应接在________(填“a”或“b”)
(2)若使启动报警的温度提高些，应将滑动变阻器滑片P点向________移动(填“左”或“右”)．
(3)如果在调试报警器达到最低报警温度时，无论如何调节滑动变阻器滑片P都不能使报警器工作，且电路连接完好，各电路元件都能处于工作状态，则造成工作电路实际不能工作的原因可能是__________________________________．
3．用如图10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合成的压力传感器，用两根相同的轻弹簧夹着一个质量为2.0 kg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10 N．(g取10 m/s2)

图10
(1)若传感器a的示数为14 N，b的示数为6.0 N，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．
 
 
 
 
 
 
4．电流传感器可以像电流表一样测量电流，它的优点是反应非常快，可以捕捉到瞬间的电流变化，还可以与计算机相连，能在很短的时间内画出电流随时间的变化图象．按图11甲连接电路，提供8 V直流电源，先使开关S与1相连，电源向电容器充电，这个过程可在瞬间完成，然后把开关S掷向2，电容器放电，传感器将电流信息传入计算机，屏上显示出电流随时间变化的I－t曲线，如图乙所示．

图11
(1)图中画出的竖直狭长矩形(图乙最左端)，它的面积表示的物理意义是
__________________；
(2)估算电容器在全部放电过程中释放的电荷量是________________C；
(3)根据以上数据估算，电容器的电容是________F.
 
【能力提升】
 
5．这是一个研究圆周运动向心力的实验设计：在一个透明玻璃做成的圆台面上均匀贴了数条反光度很高的狭窄铝箔纸条，在圆盘上方某处安装了一个光传感器，它具有发射红外光线、同时可接收反射光的功能．台面上有一条光滑的凹槽，凹槽的尽头，靠近台壁处安装了一个力传感器(可以感知力的大小)，力传感器前放置一个小球．圆盘转动时，光传感器发出的光线在铝箔处反射被光传感器接收，在没有铝箔处将透射过去．小球压迫力传感器，获得传感器给球的弹力，这个力充当小球做圆周运动的向心力，力的大小可以通过传感器测量．当光传感器和力传感器通过数据采集系统与电脑连接后，电脑显示屏可显示出光接收波形图(见图12)和力的测量数值F0.现已知光传感器在圆台面上的投影与转轴相距r，小球的质量为m，球心与转轴相距R，铝箔宽度d，电脑显示出铝箔条反射光的最短时间为t1.

图12
(1)用上述条件可以求出小球做圆周运动所需要的向心力F＝________，并与F0比较，从而验证向心力公式．
(2)这一设计对转台做非匀速圆周运动的情况是否适用，简要说明理由．
 
 
 
 
 
6．(2009·山东理综·23(2))为了节能和环保，一些公共场所使用光控开关控制照明系统．光控开关可采用光敏电阻来控制，光敏电阻是阻值随着光的照度而发生变化的元件(照度可以反映光的强弱，光越强照度越大，照度单位为lx)．某光敏电阻Rp在不同照度下的阻值如下表：
照度(lx)
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2

电阻(kΩ)
75
40
28
23
20
18

(1)根据表中数据，请在给定的坐标系中描绘出阻值随照度变化的曲线，并说明阻值随照度变化的特点．

图13
(2)如图13所示，当1、2两端所加电压上升至2 V时，控制开关自动启动照明系统．请利用下列器材设计一个简单电路，给1、2两端提供电压，要求当天色渐暗照度降低至1.0 (lx)时启动照明系统，在虚线框内完成电路原理图．
(不考虑控制开关对所设计电路的影响)
提供的器材如下：
光敏电阻Rp(符号，阻值见上表)；
直流电源E(电动势3 V，内阻不计)；
定值电阻：R1＝10 kΩ，R2＝20 kΩ ，R3＝40 kΩ (限选其中之一并在图中标出)
开关S及导线若干．
 
 
 
 
 
 
 
 
 
学案3 传感器的简单使用
 
【课前双基回扣】
1．B　2.BC　3.A
4．BD　[电流表的示数增大，说明电路中的电流增大，电阻减小，所以这个热敏电阻的电阻率是随温度的升高而降低的；电阻率减小，电阻值在其他条件不变时减小，导电性能变好，故选项B、D正确．]
5．(1)连线如图

(2)②记录温度计的示数　记录电压表的示数
(3)100　0.400
解析　(1)实物连接要注意导线不能交叉，电压表并联在电阻两端．
(2)根据实验目的，需测出热敏电阻的阻值和水温，水温由温度计读出，电阻用伏安法测量，已记录电流值，因此还需记录电压表示数．
(3)由图象知电阻与温度呈线性关系，设R＝R0＋kt，由图得当t＝10 ℃时，R＝104 Ω；当t＝50 ℃时，R＝120 Ω，代入上式可得R0＝100 Ω，k＝0.400.
6．(1)A、B端　(2)260
解析　恒温箱内的加热器应接在A、B端．当线圈中的电流较小时，继电器的衔铁在上方，恒温箱的加热器处于工作状态，恒温箱内温度升高．
随着恒温箱内温度升高，热敏电阻R的阻值变小，则线圈中的电流变大，当线圈的电流大于或等于20 mA时，继电器的衔铁被吸到下方来，则恒温箱加热器与电源断开，加热器停止工作，恒温箱内温度降低．
随着恒温箱内温度降低，热敏电阻R的阻值变大，则线圈中的电流变小，当线圈的电流小于20 mA时，继电器的衔铁又被释放到上方，则恒温箱加热器又开始工作，这样就可以使恒温箱内保持在某一温度．
要使恒温箱内的温度保持50℃，即50℃时线圈内的电流为20 mA.由闭合电路欧姆定律I＝，r为继电器的电阻．由图甲可知，50℃时热敏电阻的阻值为90 Ω，所以R′＝－R－r＝260 Ω.
 
思维提升
1．所谓传感器，就是能够把不易测量的力、运动、热、光等物理量转换为易于测量的电学物理量的元件或装置．
2．不同的传感器特性不同，制作它们的材料亦不同．熟练掌握不同传感器的不同特性是解决传感器问题的关键．
3．传感器需借助转换器件和转换电路完成非电学量向电学量的转换，分清传感器所在电路和熟知串并联电路的规律是解决传感器问题的基础．
【核心考点突破】
例1 C　[平行板电容器间电压恒定，板间场强E＝＝＝＝，故E∝Q，即E∝，故②可能正确．
板间电荷量Q＝UC＝U＝，与已知Q随时间的变化关系对比可知d∝(t＋a)，即待测物体的运动为匀速运动，故③可能正确．]
[规范思维]本题以电容式速度传感器和图象立意命题，考查了匀强电场中的场强与电势差的关系、平行板电容器知识和用图象表示物理量之间的关系等，本题难度较大．求解本题，要注意利用“Q随时间t的变化关系Q＝及其图象乙”这一信息，然后结合电场相关知识导出图丙、图丁涉及的两物理量间的数学关系式，进而判断给定图象的正误．
【例2】 (1)

(2)④电阻箱的读数R0　⑤仍为I0　电阻箱的读数R1　⑥R0－R1＋150 Ω
解析　(1)电阻箱的最大阻值与热敏电阻的最大阻值相差不大，因此电阻箱应为与热敏电阻串联．
(2)要求出在不同温度下RT的阻值，在闭合电路中读出电流表的示数，然后记录电阻箱的读数R0，由闭合电路欧姆定律E＝I0(RT＋R0＋r)＝I0(150 Ω＋R0＋r)①
改变RT的温度为T1，调节电阻箱，使得电流表的读数仍为I0，记录电阻箱的读数R1，则E＝I0(RT1＋R1＋r)②
解①②得RT1＝R0－R1＋150 Ω.
[规范思维]　(1)热敏电阻的阻值随温度的升高而减小；(2)本题实际上是含有传感器的电学实验的设计，明确实验原理是解题的关键．
[针对训练]
1．见解析
解析　(1)开始煮饭时压下手动开关，使永磁体和感温磁体吸合，以保持触点接触，接通电热电路；手松开后这个按钮不会恢复到图示状态，因为永磁体与感温磁体相互吸引，弹簧的弹力不能使永磁体恢复原状态．
(2)水沸腾后，锅内的温度应大致保持在100℃，因为水的沸点是100℃，此时水分未被米吸收完，锅内水分较充足，所以能保持一段时间．
(3)饭熟后，水分被大米吸收，锅底温度会由100℃升到103℃，达到居里点，此时开关按钮会自动弹起，断开加热电路，进入保温状态．因为锅底温度达到103℃时，感温磁体失去磁性，永磁体再不能与它吸合，在弹簧的作用下，开关按钮恢复初始状态．
(4)如果用电饭锅烧水，水沸腾后不能自动断电，因为水沸腾的温度是100℃，而不能达到103℃(居里点)，水将一直沸腾直到烧干．
2．BD
[规范思维]　光照越强，光敏电阻的阻值越小．
 
思想方法总结
传感器问题具有涉及知识点多、综合性强、能力要求高等特点，而传感器的形式又多种多样，有的原理甚至较难理解．但不管怎样，搞清传感器的工作原理及过程是求解问题的关键．因此，求解时必须结合题目提供的所有信息，认真分析传感器所在的电路结构，并注意以下两个方面的问题：
1．确定传感器所感受到的物理量
传感器所感受到的物理量有力、热、磁、光、声等．
2．转换电路把输出转换成电学量信号
通过电学元件把敏感元件输出的物理量转换成电学量信号，最后借助转换电路把电学量信息转换为便于显示、记录、控制的量．
【课时效果检测】
1．BC　[发光二极管有单向导电性，A错；热敏电阻和霍尔元件都可作为传感器，B、C对；干电池是电源，D错．]
2．(1)a　(2)左　(3)电源提供的电流太小，导致电磁铁的磁性太弱或弹簧的劲度系数太大等原因
解析　(1)温度过高时，热敏电阻阻值很小，左边电路电流很大，螺线管产生的强磁场使竖直金属片与a接触，此时报警器工作，则c应接触a才能使电路接通．
(2)使启动报警的温度提高些，即要求温度更高时竖直金属片与a接触，而温度更高时热敏电阻更小，要使电流不至于过早变大而报警，则应增大滑动变阻器的电阻，故滑动变阻器滑片P点向左移动．
(3)在最低报警温度时不能报警，说明此时电路中产生的电流不能让竖直片与a接触．这可能有多种原因造成，如①电源提供的电流太小，导致电磁铁的磁性太弱；②弹簧的劲度系数太大，电磁铁的吸引力小于弹力等．
3．(1)4 m/s2　向右　(2)10 m/s2　向左
解析　传感器上所显示出力的大小，即弹簧对传感器的压力，据牛顿第三定律知，此即为弹簧上的弹力大小，亦即该弹簧对滑块的弹力大小．
(1)如右图所示，

依题意：左侧弹簧对滑块向右的推力F1＝14 N，右侧弹簧对滑块的向左的推力F2＝6.0 N.
滑块所受合力产生加速度a1，根据牛顿第二定律有
F1－F2＝ma1
得a1＝＝ m/s2＝4 m/s2
a1与F1同方向，即向前(向右)．
(2)a传感器的读数恰为零，即左侧弹簧的弹力F1′＝0，因两弹簧相同，左弹簧伸长多少，右弹簧就缩短多少，所以右弹簧的弹力变为F2′＝20 N.
滑块所受合力产生加速度，由牛顿第二定律得
F合＝F2′＝ma2
得a2＝＝－10 m/s2
负号表示方向向后(向左)．
4．(1)电容器0.1 s内放电的电荷量　(2)5.60×10－3(5.52×10－3～5.68×10－3)　(3)7.00×10－4(6.90×10－4～7.10×10－4)
解析　(1)因为q＝It，所以I－t图象下的“面积”表示电荷量q.
(2)图象与坐标轴所围的“面积”有70个格(69～71个格)，所以电量为70×0.2×0.4×10－3 C＝5.60×10－3 C(5.52×10－3～5.68×10－3 C都算正确)．
(3)电容器充电的电压等于电源电动势E＝8 V，由C＝得C＝7.00×10－4 F(6.90×10－4～7.10×10－4 F都算正确)．
5．(1)m　(2)适用．因为牛顿第二定律具有瞬时性，只要取对应瞬时值即可比较．
解析　光传感器所在位置的线速度为d/t1，所以转盘转动的角速度ω＝＝，小球做圆周运动所需向心力F＝mω2R＝m()2R.
6．见解析
解析　(1)光敏电阻的阻值随光照度变化的曲线如下图所示，其特点是：光敏电阻的阻值随光照度的增大非线性减小．


(2)当光照度降至1.0 (lx)时，光敏电阻的阻值为Rp＝20 kΩ，设计原理图如下图所示．根据欧姆定律与串联电阻的分压
＝
即＝
R＝10 kΩ
即与Rp串联的电阻应选R1＝10 kΩ.
 
易错点评
1．注意区分热敏电阻和金属热电阻．随温度的升高，热敏电阻的阻值减小，而金属热电阻的阻值增大．
2．在敏感元件和固定元件串联的电路中，应注意区分电学量信号的输出是从敏感元件两端，还是从固定元件两端．
3．传感器元件往往与电磁继电器相结合，应注意区分被控制的电路是在继电器工作时工作，还是在继电器不工作时工作．
4．传感器元件往往与逻辑电路相结合，应注意分析逻辑电路的逻辑关系．
 
 
 
 
 

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