第五章传感器讲义-高二下学期物理人教版选择性

§传感器一．知识解码一．传感器的定义传感器是把非电学物理量（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、处理的电学量（如电压、电流、电容等）的一种组件，起自动控制作用。一般由敏感元件、转换器件、转换电路三个部分组成，如：非电学量——敏感元件——转换元件——转换电路——电学量敏感元件：相当于人的感觉器官，直接感受被测量并将其变换成与被测量成一定关系的易于测量的物理量，如温度、位移等。转换元件：也称为传感元件，通常不直接感受被测量，而是将敏感元件输出的物理量转换成电学量输出。转换电路：是将转换元件输出的电学量转换成易于测量的电学量，如电压、电流、频率等。二：常见传感器1.力学传感器力电传感器主要是利用敏感元件和变阻器把力学信号（位移、速度、加速度等）转化为电学信号（电压、电流等）的仪器。力电传感器广泛地应用于社会生产、现代科技中，如安装在导弹、飞机、潜艇和宇宙飞船上的惯性导航系统及ABS防抱死制动系统等。２.热传感器热电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，如各种家用电器（空调、冰箱、热水器、饮水机、电饭煲等）的温度控制、火警报警器、恒温箱等。３.光传感器光电传感器中的主要部件是光敏电阻或光电管。如果是光敏电阻的阻值随光照强度的变化而变化的原理制成的。如自动冲水机、路灯的控制、光电计数器、烟雾报警器等都是利用了光电传感器的原理。二．题型解码题型一：力学传感器的应用对应解码套路：: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、后壁上各安装一个有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2.0㎏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上其压力大小可以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,a在后.汽车静止时,传感器a、b的示数均为10N（取g=10m／s2）（１）若传感器a示数为14N，b的示数为6.0N,求此时汽车的加速度和方向?（２）当汽车以怎样的加速度运动时,传感器a的示数为零？解：（１）如图所示左侧弹簧对滑块向右的推力Ｆ１＝１４Ｎ，右侧弹簧对滑块的向左的推力Ｆ２＝６.０Ｎ，滑块所受合力产生加速度ａ１，由牛顿第二定律得：Ｆ１－Ｆ２＝ｍａ１，所以ａ１＝４ｍ／ｓ２。同方向，（向右）(2)传感器a的读数恰为零,即左侧弹簧的弹力F11=0,所以右测弹簧的弹力变为F21=20N,由牛顿第二定律有:F21=ma2,所以a2=10m/s2.方向向左.课后提升训练：1．演示位移传感器的工作原理如右图示，物体M在导轨上平移时，带动滑动变阻器的金属滑杆p，通过电压表显示的数据，来反映物体位移的大小x。假设电压表是理想的，则下列说法正确的是（）A．物体M运动时，电源内的电流会发生变化B．物体M运动时，电压表的示数会发生变化C．物体M不动时，电路中没有电流D．物体M不动时，电压表没有示数２.为了测量列车运行的速度和加速度的大小，可采用如图所示的装置，它是由一块安装在列车头底部的强磁体和埋设在轨道地面的一组线圈及电流测量仪组成的（测量仪未画出）。当列车经过线圈上方时，线圈中产生的电流被记录下来，就能求出列车在各位置的速度和加速度。假设磁体端部磁感强度为B=0.004T，且全部集中在端面范围内，与端面垂直，磁体宽度与线圈宽度相同，且都很小，线圈匝数n=5，长L=0.2m，电阻0.4Ω（包括引线电阻），测试记录下来的电流—位移如图所示。试求：⑴在离O（原点）30m，130m处列车的速度v1和v2的大小。⑵假设列车是匀变速运动，求列车加速度的大小。３．角速度计可测得航天器自转的角速度ω，其结构如图6－11所示，当系统OO１转动时，元件A在光滑杆上发生滑动，并输出电信号成为航天器的制导信号源．已知A质量为m，弹簧的劲度系数为k，原长为Ｌo，电源电动势为Ｅ，内阻不计．滑动变阻器总长为Ｌ，电阻分布均匀，系统静止时滑动变阻器滑动触头Ｐ在中点，与固定接头Ｑ正对，当系统以角速度ω转动时，求：弹簧形变量ｘ与ω的关系式；（2）电压表的示数Ｕ与角速度ω的函数关系．４．如图所示是一种悬球式加速度仪，它可以用来测定沿水平轨道运动的列车的加速度。金属球的质量为ｍ，它系在金属丝的下端。金属丝的上端悬挂在Ｏ点。ＡＢ是一根长为Ｌ的均匀电阻丝，其阻值为Ｒ。金属丝与电阻丝接触良好，摩擦不计。电阻丝的中点Ｃ焊接一根导线，从O点也引出一根导线，两线之间接入一个电压表V，金属丝和导线的电阻不计。图中虚线OC与AB垂直，且OC=h.电阻丝AB接在电压为U的直流稳压电源上，整个装置固定在列车中使AB沿着车前进的方向。列车静止时金属丝呈竖直状态；当列车加速或减速前进时，金属丝将偏离竖直方向。从电压表V的读数变化可以测出加速度的大小。当列车向右作匀加速直线运动时，试导出加速度a与电压表读数U１的关系式（用Ｕ１，Ｕ，Ｌ，ｈ及重力加速度ｇ表示）．用导出的ａ与Ｕ１的关系式说明表盘刻度表示ａ，其刻度是否均匀？二：热学传感器的应用对应解码套路：例１：如图是一火警报警的一部分电路示意图。其中R2为用半导体热敏材料制成的传感器，电流表为值班室的显示器，a、b之间接报警器。当传感器R2所在处出现火情时，显示器的电流I、报警器两端的电压U的变化情况是（）A.I变大，U变大B.I变小，U变小C.I变小，U变大D.I变大，U变小答案：Ｂ课后提升训练：１、下面元件不属于温度传感器的是（）A、电熨斗 B、电饭锅 C、测温仪 D、鼠标器２、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？三：其它典型传感器的应用对应解码套路：例１：动圈式话筒和磁带录音机都应用了电磁感应现象,图623甲所式是话筒原理,图623乙所式是录音机的录音、放音原理图,由图可知:话筒工作时录音磁铁不动,线圈振动而产生感应电流.录音机放音时变化的磁场在静止的线圈里产生感应电流录音机放音时线圈中变化了的电流在磁头缝隙处产生变化的磁场录音机录音时线圈中变化的电流在磁头缝隙处产生变化的磁场其中正确的是:A②③④B①②③C①②④D①③④解:话筒的工作原理是,声波迫使金属线圈在磁铁产生的磁场中振动产生感应电流.①正确,录音时,话筒产生的感应电流经放大电路放大后在录音机磁头缝隙处产生变化的磁场,④正确,磁带在放音时通过变化的磁场使放音磁头产生感应电流,经放大电路后再送到扬声器中,②正确答案:C课后提升训练：1．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2、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3、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４、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５.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６．下列说法不正确的是Ａ．话筒是一种常用的声传感器，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．热敏电阻能够把温度这个热学量转换为电阻这个电学量§传感器（答案）题型一：力学传感器的应用课后提升训练：１答案：Ｂ２．解：I=E/R=nBLv/Rv=IR/nBL=0.4I／5×0.004×0.2=100×I在30m处，I1=0.12A∴v1=12m/s在130m处，I2=0.15A∴v2=15m/s∴a=（v22v12）/2S=0.405m/s2３解：当系统绕OO1转动时,A在光滑杆上发生滑动,使弹簧发生形变,触头P也随之而移动．由牛顿第二定律，Ｆ＝ｍω2R，R=Lo＋ｘ，即kx=ｍω2(Lo＋ｘ)，ｘ＝ｍω2／Lo/(kｍω2).电压表的示数Ｕ＝E=ｍω2LoE／L(kｍω2)４．解：(1)a=g(2)是(２)设列车的加速度为ａ时，小球偏离竖直方向角，此时小球受力情况如图所示．根据牛顿第二定律有mgtan=ma①由几何关系有tan=②由①②两式解得a=g③列车加速度为a时，设电压表的读数为U`．则有U`=．④由④得＝⑤将⑤代入③得ａ＝g⑥由⑥可知，ｇ．Ｌ．Ｕ．ｈ均为常数，则列车的加速度与电压表读数U`成正比，可将电压表的刻度一一对应地改成ａ的数值，因而可知表盘上ａ的刻度值与电压刻度一样是均匀的．二：热学传感器的应用课后提升训练：１．答案：D２．（1）S2是自动控温开关，当温度低于70℃时自动闭合，当温度高于80℃时又自动断开， （2）加热时电饭煲消耗的电功率U2／R并，保温时电饭煲消耗的电功率为U2／（R1﹢R并），R并＝R2R3／（R2﹢R3）＝500×50／（500﹢5