新教材2024年秋高中物理第5章传感器1.认识传感器教师用书含答案新人教版选择性必修第二册

1．相识传感器1．了解传感器，知道传感器是把非电学量转换成电学量的器件或装置，知道传感器在生产生活等实践中有广泛应用。2．了解传感器的基本组成部分和应用的一般模式。3．知道传感器在某些方面可以代替甚至超过人类对自然的感知，能够变更人类的生产生活方式。奇妙的传感器及其种类1．楼道灯自动开启：这个开关会感知环境的明暗和声音的强弱。只有环境的亮度低于某一数值，同时声强高于某一数值时，声控—光控开关才会接通，灯才会亮。2．自动门：有的自动门装有一种装置，当人走近时，可以检测出人体向外辐射的红外线，从而发出访自动门开关启动的吩咐。这种装置就是红外线传感器。3．便携式酒精检测仪：司机对着“便携式酒精检测仪”呼气，检测仪就会显示呼出气体中的酒精浓度，这是因为检测仪上装有“乙醇传感器”，它能感知乙醇的浓度。4．传感器：它能够感受诸如力、温度、光、声、化学成分等被测量，并能把它们依据肯定的规律转换为便于传送和处理的可用信号输出。通常转换成的可用信号是电压、电流等电学量，或转换为电路的通断。把非电学量转换为电学量，可以很便利地进行测量、传输、处理和限制。5．传感器的种类(1)传感器的种类：力传感器、磁传感器、声传感器等物理传感器。(2)电化学反应原理：把无机或有机化学物质的成分、浓度等转换为电信号。(3)生物活性物质：利用生物活性物质的选择性来识别和测定生物化学物质，如酶传感器、微生物传感器、细胞传感器等生物传感器。干簧管是玻璃管内封入的两个软磁性材料制成的簧片。将干簧管接入图中电路。问题1当磁铁靠近干簧管时，会发生什么现象，为什么？提示：灯泡会亮，因为当磁铁靠近干簧管时，两个簧片被磁化而接通。问题2干簧管的作用是什么？提示：干簧管起到开关的作用，是一种能够感知磁场的传感器。1．传感器的核心元件(1)敏感元件：相当于人的感觉器官，干脆感受被测量，并将其变换成与被测量成肯定关系的易于测量的物理量，如温度、位移等。(2)转换元件：也称为传感元件，通常不干脆感受被测量，而是将敏感元件输出的物理量转换成电学量输出。(3)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、电流等。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、电流、电荷量等，这些输出信号是特别微弱的，通常要经过放大后再输送给限制系统产生各种限制动作。传感器的工作原理如下所示：非电学量3．分类工作原理举例物理传感器利用物质的物理性质和物理效应感知并检测出待测对象信息压力传感器、温度传感器、光电传感器、电感传感器、电容传感器等化学传感器利用化学反应识别和检测信息气敏传感器、湿敏传感器等生物传感器利用生物化学反应识别和检测信息酶传感器、组织传感器、细胞传感器等【典例1】全面了解汽车的运行状态(速度、水箱温度、油量)是确保汽车平安行驶和驾驶员平安的举措之一，为仿照汽车油表原理，某同学自制一种测定油箱油量多少或变更多少的装置。如图所示，其中电源电压保持不变，R是滑动变阻器，它的金属滑片是金属杆的一端。该同学在装置中运用了一只电压表(图中没有画出)，通过视察电压表示数，可以了解油量状况，你认为电压表应当接在图中的________两点之间，依据你的接法请回答：当油箱中油量削减时，电压表的示数将________(选填“增大”或“减小”)。[解析]由题图可知当油箱内液面高度变更时，R的金属滑片将会移动，从而引起R两端电压的变更，且当R′≫R时，UR＝IR可视为UR与R成正比，所以电压表应接在b、c两点之间；当油量削减时，电压表示数将增大。[答案]b、c增大传感器问题的分析思路不同类型的传感器，其工作原理一般不同，但全部的传感器都是把非电学量的变更转换为电学量的变更。因此我们可以依据电学量的变更来推想相关量的变更。[跟进训练]1．下列关于物理传感器、化学传感器和生物传感器的说法，正确的是()A．物理传感器利用材料的某种物理性质工作，因而只能用于机械加工行业而不能用于化工领域B．化学传感器是利用某种化学反应来工作的，因而只能输出某种化学物质而不能输出电学量C．生物传感器的适用范围广，可在随意温度下工作D．生物传感器由于含有生命物质，因而对运用传感器的环境有肯定要求D[物理传感器在化工领域也可以运用，如温度传感器等，故A错误；化学传感器一般也是输出电学量，如离子传感器等，故B错误；生物传感器能够运用的前提是传感器中的生命物质保持生物活性，故C错误，D正确。]2．(2024·福州高二检测)某电容式话筒的原理示意图如图所示，E为电源，R为电阻，薄片P和Q为两金属极板。对着话筒说话时，P振动而Q可视为不动，在P向左运动的过程中()A．P、Q构成的电容器的电容增大B．P上电荷量保持不变C．M点的电势比N点的低D．M点的电势比N点的高D[当P向左运动时，据平行板电容器公式C＝εrS4πkd知d增加，则C变小，A错误；稳定后电容器两极板间的电压不变，则据Q＝CU知C削减，U不变，则Q削减，B错误；电容器两极板的电荷量削减，产生放电电流，方向从M→N传感器的组成与应用模式1．敏感元件：是指能干脆感受或响应外界被测非电学量的部分。2．转换元件：是指能将敏感元件输出的信号干脆转换成电信号的部分。它们分别完成检测和转换两个基本功能。传感器的基本部分一般由敏感元件和转换元件组成。3．传感器应用的一般模式如图是应变片的原理及力学传感器的应用的图片。问题1电子秤的敏感元件是什么？提示：电阻应变片。问题2电阻应变片是怎样把非电学量转化为电学量的？提示：当电阻应变片长度和横截面积发生变更时，由电阻定律可知电阻发生变更。1．分析思路物理传感器是将所感受的物理量(如力、热、光等)转换为便于测量的电学量的器件。我们可以把传感器的应用过程分为三个步骤：(1)信息采集。(2)信息加工、放大、传输。(3)利用所获得的信息执行某种操作。2．分析传感器问题要留意四点(1)感受量分析要明确传感器所感受的物理量，如力、热、光、磁、声等。(2)敏感元件分析明确传感器的敏感元件，分析它的输入信号及输出信号，以及输入信号与输出信号间的变更规律。(3)电路结构分析仔细分析传感器所在的电路结构，在熟识常用电子元件工作特点基础上，分析电路输出信号与输入信号间的规律。(4)执行机构工作分析传感器的应用，不仅包含非电学量如何向电学量转化的过程，还包含依据所获得的信息限制执行机构进行工作的过程。【典例2】酒精测试仪利用的是一种二氧化锡半导体型酒精气体传感器，其电阻r的倒数与酒精气体的浓度c成正比。如图所示的电路接在恒压电源上，R和R0为定值电阻，则电压表的示数U与酒精气体浓度c的对应关系为()A．U越大，表示c越大，但是c与U不成正比B．U越大，表示c越大，而且c与U成正比C．U越大，表示c越小，但是c与U不成反比D．U越大，表示c越小，而且c与U成反比A[由题图知，酒精气体传感器和定值电阻串联在电路中，电压表测R0两端的电压。依据酒精气体传感器的电阻的倒数与酒精气体的浓度成正比，得1r＝kc(k是比例系数)①，依据欧姆定律得UR0＝ER0+R+r②，由①②式整理得U＝ER[跟进训练]3．(多选)为了保证行车平安和乘客身体健康，动车上装有烟雾报警装置，其原理如图所示。M为烟雾传感器，其阻值RM随着烟雾浓度的变更而变更，电阻R为可变电阻。车厢内有人抽烟时，烟雾浓度增大，导致S两端的电压增大，装置发出警报。下列说法正确的是()A．RM随烟雾浓度的增大而增大B．RM随烟雾浓度的增大而减小C．若要提高报警灵敏度可增大RD．若要提高报警灵敏度可减小RBC[S两端电压U增大，故传感器两端电压肯定减小；当有烟雾，使传感器电阻变更，即RM变小，则有RM随着烟雾浓度的增大而减小，故A错误，B正确。R越大，M与R并联的电阻R并越接近RM，U增大越明显，导致S上电压变更越明显，故C正确，D错误。]1．下列说法正确的是()A．传感器将感受到的非电学量转换为电学量，或转换为电路的通断B．传感器将感受到的电学量转换为非电学量C．传感器只能将感受到的非电学量转换为电路的通断D．以上说法都不对A[传感器作为一种将其他形式的信号与电信号之间的转换装置，能将非电学量按肯定规律转换成电学量或者是电路的通断，故A正确，B、C、D错误。]2．有一些星级宾馆的洗手间装有自动干手机，洗手后将湿手靠近，机内的传感器就开通电热器加热，有热空气从机内喷出，将湿手烘干，手靠近自动干手机能使传感器工作，是因为变更了()A．湿度 B．温度C．磁场 D．电容D[依据自动干手机工作的特征，手靠近干手机时电热器工作，手撤离后电热器停止工作，人是一种导体，可以与其他导体构成电容器。手靠近时相当于连接一个电容器，可以确定干手机内设有电容式传感器，由于手的靠近变更了电容大小，故D正确；用湿度和温度来驱动电热器工作，理论上可行，但是假如干手机是由于温度、湿度的变更而工作，它就成了室内烘干机，故A、B、C错误。]3．如图所示，商店里运用的电子计价秤可将货物的质量、单价和金额清晰地显示在面板上，既便利了工作人员，又便利了顾客。电子计价秤运用的传感器是()A．红外线传感器B．压力传感器C．超声波传感器D．温度传感器B[传感器将温度、力、光、声音等非电学量转换为电学量，此处电子计价秤运用的传感器是压力传感器，将力学量转换成电学量，故B正确，A、C、D错误。]4．(多选)如图是一种测定压力的电容式传感器。当待测压力F作用于可动膜片电极上时，可使膜片产生形变，引起电容的变更。假如将这个电容式传感器、电流计和电源串接成闭合电路，那么()A．当F向上压膜片电极时，电容将变小B．当F向上压膜片电极时，电容将变大C．若电流计示数有变更，则表明压力F发生变更D．若电流计示数有变更，则表明压力F不发生变更BC[当F向上压膜片电极时，距离d变小，则依据C＝εrS4回来本节学问，自我完成以下问题：(1)传感器由哪几部分组成？提示：敏感元件、转换元件、转换电路。(2)常见物理传感器有哪些？提示：力传感器、磁传感器、声传感器。机器人传感器传感器在机器人身上应用很多。依据检测对象的不同可分为内部传感器和外部传感器。内部传感器：用来检测机器人本身状态(如手臂间角度)的传感器。多为检测位置和角度的传感器。外部传感器：用来检测机器人所处环境(如是什么物体，离物体的距离有多远等)及状况(如抓取的物体是否滑落)的传感器。详细有物体识别传感器、物体探伤传感器、接近觉传感器、距离传感器、力觉传感器、听觉传感器等。为了检测作业对象及环境或机器人与它们的关系，在机器人上安装了触觉传感器、视觉传感器、力觉传感器、接近觉传感器、超声波传感器和听觉传感器，大大改善了机器人工作状况，使其能够更充分地完成困难的工作。由于外部传感