【学案导学设计】高中物理 第4章 传感器与现代社会 用传感器做实验 信息时代离不开传感器学案 沪科版选修32.doc

学案2用传感器做实验信息时代离不开传感器学习目标定位 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1带电粒子在电场中受到的电场力feq.2当带电粒子以速度v在磁场中运动时，若速度方向与磁感应强度方向垂直，那么粒子受到的洛伦兹力为fqvb，方向用左手定则判定一、温度传感器：将温度的变化量转换成电学量的装置二、力传感器将力学量转换为电学量的装置三、磁传感器1霍尔元件是一种磁敏感元件2霍尔效应：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uhrh.四、随处可见的传感器传感器在现代生活中的例子有红外测温仪、数码相机和摄像机、酒精浓度测试仪、煤气报警器等.一、实验中常见几种传感器分析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图13.霍尔效应的原理如图2所示,当电流垂直于外磁场通过导体时,在导体的垂直于磁场和电流方向的两个端面之间会出现电势差,这一现象便是霍尔效应.图2二、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、军事侦察等方面一、对霍尔元件的认识及应用例1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)() 图3a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正确答案abd二、传感器的应用分析例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三、传感器的应用实例例3电饭煲的工作原理如图5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7080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7080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5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7080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r2r3.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才会断开答案见解析例4一般的电熨斗用合金丝作为发热元件，合金丝电阻随温度变化的关系如图6中实线所示，由于环境温度以及熨烫的衣服厚度、干湿等情况不同，电熨斗的散热功率不同，因而电熨斗的温度可能会在较大范围内波动，易损坏衣物图6有一种用主要成分为batio3、被称为“ptc”的特殊材料作为发热元件的电熨斗，具有升温快、能自动控制温度的特点，ptc材料的电阻随温度变化的关系如图中实线所示，根据图线分析： (1)为什么处于较低温度的ptc电熨斗刚通电时比普通电熨斗升温快？(2)通电一段时间后电熨斗温度t自动稳定在_tun bumuncumun.故选a.6.电磁流量计广泛应用于测量可导电流体(如污水)在管中的流量(即单位时间内通过管内横截面的流体的体积)为了简化，假设流量计是如图4所示的横截面为长方形的一段管道，中空部分的长、宽、高分别为图中的a、b、c.流量计的两端与输送流体的管道相连(图中虚线)图中流量计的上、下两面是金属材料，前、后两面是绝缘材料现于流量计所在处加磁感应强度为b的匀强磁场，磁场方向垂直于前、后两面当导电流体稳定地流经流量计时，在管外将流量计上、下两表面分别与一串接了电阻r的电流表的两端连接，i表示测得的电流值已知流体的电阻率为，不计电流表的内阻，则可求得流量为()图4a.(br) b.(ar)c.(cr) d.(r)答案a解析如图甲，导电流体在管中流量qvbc导电流体流经流量计时，在其上、下两表面产生的电动势ebcv等效电路如图乙，ei(r)由可得q(br)，a正确7如图5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uhrh.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5(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eee(4)由f洛f电得beveuhhvb导体中通过的电流inevdh由uhrh得hvbrh，得rh.答案见解析题组三传感器的应用分析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6aa与b接信号电压，c与d可跟被控电路串联ba与b接信号电压，c与d可跟被控电路并联cc与d接信号电压，a与b可跟被控电路串联dc与d接信号电压，a与b可跟被控电路并联答案a9如图7所示为一自动控制温度的电路，请说明其工作原理图7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10如图8甲所示为一测量硫化镉光敏电阻特性的实验电路，电源电压恒定电流表内阻不计，开关闭合后，调节滑动变阻器的滑片，使小灯泡发光亮度逐渐增强，测得流过电阻的电流和光强的关系曲线如图乙所示，试根据这一特性