2024-2025学年高中物理第三章传感器1传感器学案教科版选修3-2

PAGE10-传感器目标导航核心素养1.了解什么是传感器及作用。2.知道将非电信息转化为电信息的意义。3.知道敏感元件的原理、作用及其分类。4.了解热敏电阻和干簧管在传感器中的作用及原理。物理观念:传感器,敏感元件科学思维:比较法,图像法科学探究:热敏电阻的特性科学看法与责任:了解干簧管在生产生活中的应用必备学问·自主学习一、传感器如图所示,当人们走近或离开一些宾馆、商场的自动门时,门会自动开关,是什么在起主要作用?提示:传感器。1.定义:把被测的非电信息,按肯定规律转换成与之对应的电信息的器件或装置。2.结构:由敏感元件和处理电路组成。二、敏感元件的原理1.原理:利用物理学中能干脆感受到的非电信息转换成易于测量的物理量,形成电信号。2.敏感元件分类:(1)物理类:基于力、热、光、电磁和声等物理效应。(2)化学类:基于化学反应原理。(3)生物类:基于酶、抗体和激素等分子识别功能。3.热敏电阻的特性:热敏电阻是用半导体材料制成的,它具有电阻随温度灵敏变更的特性,可以实现对温度的测量。4.干簧管的工作原理:干簧管可以感受外界磁场,当干簧管的两个铁质簧片处有磁场时,两簧片磁化,在磁力作用下由原来的分别状态变成闭合状态,磁场减弱时两簧片又分开。在电路中的作用就是一个磁控开关。关键实力·合作学习学问点一对传感器的相识1.传感器的组成:(1)敏感元件:相当于人的感觉器官,是传感器的核心部分,是利用材料的某种敏感效应(如热敏、光敏、压敏、力敏、湿敏等)制成的。(2)转换元件:是传感器中能将敏感元件输出的与被测物理量成肯定关系的非电信号转换成电信号的电子元件。(3)转换电路:将转换元件输出的不易测量的电信息转换成易于测量的电信息,如电压、电流、电阻等。2.传感器的原理:传感器感受的通常是非电信息,如力、温度、位移、浓度、速度、酸碱度等,而输出的通常是电信息,如电压、电流、电荷量等。这些输出的信号是特别微弱的,通常须要经过放大后,再传送给限制系统产生各种限制动作。【典例】(多选)如图所示,甲图是录音机的录音电路原理图,乙图是探讨自感现象的试验电路图,丙图是火灾报警器的光电传感器的部分电路图,丁图是电容式话筒的电路原理图,下列说法正确的是 ()A.甲图中录音机录音时,由于话筒的声电转换,线圈中变更的电流在磁头缝隙处产生变更的磁场B.乙图电路中,开关断开瞬间,灯泡会突然闪亮一下,并在开关处产生电火花C.丙图电路中,当有烟雾进入罩内时,光电三极管上就会因烟雾的散射而有光的照耀,表现出电阻的变更D.丁图电路中,当声波使膜片振动时,电容发生变更,会在电路中产生变更的电流【解析】选A、C、D。磁带录音机的录音原理是:录音时,话筒将声音先转变成强弱变更的电流,即声信号转换为电信号(这是利用了电磁感应现象),送到录音磁头;由题图可知:录音磁头是一个蹄形电磁铁,它的磁性强弱会随电信号变更,将电信号转换为磁信号(利用了电流的磁效应),故A正确;乙图电路中,开关断开瞬间,灯泡马上熄灭,故B错误;光电三极管也是一种晶体管,它有三个电极。当光照强弱变更时,电极之间的电阻会随之变更。当有烟雾进入罩内时,光电三极管上就会因烟雾的散射而有光的照耀,表现出电阻的变更,故C正确;电容式话筒一样利用振膜接受空气振动信号,振膜与固定的平面电极之间形成一个电容,两者之间的距离变更会导致其电容容量的变更。在电容两端施加固定频率及大小的电压,通过电容的电流就会变更,故D正确。故选A、C、D。1.传感器的输出量通常为 ()A.非电量信号 B.电量信号C.位移信号 D.光信号【解析】选B。传感器是将非电学量转换为电学量的元件,则传感器的输出量通常为电量信号。故选B。2.下列关于传感器的说法,正确的是 ()A.金属热电阻是一种可以将电学量转换为热学量的传感器B.传感器不是电视遥控接收器的主要元件C.干簧管是一种能够感知电场的传感器D.传感器能将非电学量按肯定规律转换成电学量或转换为电路的通断【解析】选D。金属热电阻是一种将温度这个热学量转化为电阻这个电学量的传感器,故A错误;电视遥控接收器的主要元件是红外线传感器,故B错误;干簧管是一种能够感知磁场的元件,故C错误;传感器能将非电学量按肯定规律转换为电学量或转换为电路的通断,故D正确。故选D。3.传感器是把非电学量(如温度、速度、压力等)的变更转换为电学量变更的一种元件,在自动限制中有着相当广泛的应用。如图是一种测量液面高度h的电容式传感器的示意图。电容C大小的变更就能反映液面的升降状况。关于两者关系的说法中正确的是 ()A.C增大表示h减小B.C减小表示h增大C.C减小表示h减小D.C的变更与h变更无干脆关系【解析】选C。C增大表示电容器的正对面积变大,h增大,C减小表示h减小,故C正确。【加固训练】如图所示是某种汽车上的一种自动测定油箱内油面高度的装置。R是滑动变阻器,它的金属滑片是杠杆的一端,从油量表(由电流表改装而成)指针所指的刻度,就可以知道油箱内油面的高度,当滑动变阻器的金属片向下移动时 ()A.电路中的电流减小,油箱内油面降低B.电路中的电流减小,油箱内油面上升C.电路中的电流增大,油箱内油面降低D.电路中的电流增大,油箱内油面上升【解析】选D。油面上升,金属片向下移动,R接入电路中的电阻减小,电路中电流增大,所以选项D正确。学问点二三类传感器的异同和应用1.三类传感器的异同:(1)相同点:都能将感受到的非电学量信息转化成电学量,都是利用敏感元件的某种敏感效应制成的。(2)不同点:三类传感器的工作原理不同,所利用的敏感元件的敏感效应不同。生物传感器与物理传感器和化学传感器的最大区分在于生物传感器的感受器中含有生命物质。2.一些常见的传感器的特点及原理:传感器输入量输出量工作原理光电二极管光电压光电效应湿敏电阻湿度电压(电阻)感湿材料电阻随湿度发生变更话筒声音电流电磁感应加速度传感器加速度电压电磁感应热电偶温度电压热电效应酒精气体传感器酒精气体电阻化学反应后引起电阻变更【典例】(多选)下列运用压力传感器的是 ()A.洗衣机设有多段式水位自动感应装置B.火灾报警器C.酒精测试仪D.电子秤【解析】选A、D。洗衣机设有多段式水位自动感应装置,是通过不同的压力转换成电学量,运用的压力传感器,故A正确;火灾报警器,是当有火灾时,产生的烟进入火灾报警器,利用光的漫反射,从而触发开关报警,故B错误;酒精测试仪运用的是酒精气体传感器,故C错误;电子秤是将压力转化为电阻的传感器,属于压力传感器,故D正确。1.(多选)用多用电表的同一挡位测量热敏电阻和光敏电阻的阻值时,下列说法正确的是 ()A.测热敏电阻时,温度越高,多用电表指针偏角越大B.测热敏电阻时,温度越高,多用电表指针偏角越小C.测光敏电阻时,光照越弱,多用电表指针偏角越大D.测光敏电阻时,光照越弱,多用电表指针偏角越小【解析】选A、D。温度越高,热敏电阻阻值越小;光照强度越大,光敏电阻阻值越小;对同一挡位,欧姆表指针偏角越大,所测电阻越小。测热敏电阻(NTC)时,温度越高,热敏电阻越小,多用电表指针偏角越大,故A正确,B错误;测光敏电阻时,光照越弱,光敏电阻阻值越大,多用电表指针偏角越小,故D正确,C错误;故选A、D。2.(多选)据统计,交通事故逐年增加,造成交通事故的一个主要缘由就是酒后驾驶,“严查酒驾”成为全国交通部门的一项重要任务。酒精测试仪是用于现场检测机动车驾驶人员是否酗酒的一种仪器,它的主要元件是由二氧化锡半导体制成的酒精气体传感器,该传感器的电阻随酒精气体浓度的变更而变更。在如图所示的电路中,不同的酒精气体浓度对应着传感器的不同电阻,这样,显示仪表的指针就与酒精气体浓度有了对应关系。假如二氧化锡半导体型酒精气体传感器电阻r′的倒数与酒精气体的浓度c成正比,则以下说法正确的是 ()A.U越大,表示c越小B.U越大,表示c越大C.检测到驾驶员喝了酒时,U的示数变小D.U越大,表示检测到驾驶员喝酒越多【解析】选B、D。题图中酒精气体传感器与R、R0串联,电压表测R0两端的电压,U越大,说明电路中电流越大,酒精气体传感器的电阻越小。由题可知,酒精气体传感器电阻r′的倒数与酒精气体的浓度c成正比,可知U越大,c越大,故A错误、B正确;检测到驾驶员喝了酒时,c增大,r′减小,电路中总电阻减小,电路中电流增大,则U的示数增大,故C错误;由以上分析可知,U越大,c越大,表示检测到驾驶员喝酒越多,故D正确。故选B、D。【加固训练】惯性制导系统已广泛应用于弹道式导弹工程中,这个系统的重要元件之一是加速度计。加速度计的构造原理示意图如图所示,沿导弹长度方向安装的固定光滑杆上套一质量为m的滑块,滑块两侧分别与劲度系数均为k的弹簧相连;两弹簧的另一端与固定壁相连。滑块原来静止,弹簧处于自然长度。滑块上有指针,可通过标尺测出滑块的位移,然后通过限制系统进行制导。设某段时间内导弹沿水平方向运动,指针向左偏离O点的距离为s,则这段时间内导弹的加速度()A.方向向左,大小为B.方向向右,大小为C.方向向左,大小为2D.方向向右,大小为2【解析】选D。当指针向左偏离O点的距离为s时,与滑块相连的左边弹簧被压缩s,右边弹簧被拉伸s,因而弹簧对滑块的弹力的大小均为ks,且方向均水平向右,即滑块受到的合力大小为2ks,方向水平向右。由牛顿其次定律可知a==,选项D正确。【拓展例题】考查内容:传感器与圆周运动学问综合【典例】如图所示为一试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为光电接收器,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接收并转换成电信号,由电子电路记录和显示,若试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需测量的物理数据是;小车速度的表达式为v=;行程的表达式为s=。

【解析】小车的速度等于车轮的周长与单位时间内车轮转动圈数的乘积。设车轮的半径为R,单位时间内车轮转动圈数为k,则有v=2πRk。若齿轮的齿数为P,则齿轮转一圈电子电路显示的脉冲数即为P,已知单位时间内的脉冲数为n,所以单位时间内齿轮转动圈数为。由于齿轮与车轮同轴相连,它们在单位时间内转动圈数相等,即k=。由以上两式可得v=。同理,设车轮转动的累计圈数为k′,则有s=2πRk′,且k′=,所以s=。可见,要测出小车的速度v和行程s,除知道单位时间内的脉冲数n和累计脉冲数N外,还必需测出车轮半径R和齿轮的齿数P。答案:车轮半径R和齿轮的齿数P课堂检测·素养达标1.传感器担负着信息采集的任务,通常是把被测的非电信息,根据肯定的规律转化成与之对应的电信息的器件或装置。下列不属于传感器任务的是 ()A.将力学量(如形变量)转变成电学量B.将热学量转变成电学量C.将光学量转变成电学量D.将电学量转变成力学量【解析】选D。传感器肯定是通过非电学量转换成电学量来传递信号的,D正确。2.物理传感器是利用物质的物理性质和物理效应感知并检测出相关信息的,化学传感器是利用化学反应识别和检测信息的。下列说法正确的是 ()A.凡将非电学量转化为电学量的传感器都是物理传感器B.气敏传感器只能是物理传感器C.物理传感器只能将采集到的信息转换为电压输出D.物理传感器可以将采集的信息转换为多种形式物理量输出【解析】选D。各种传感器虽然工作原理不同,但基本功能相像,多数是将非电学量转化为电学量,故选项A错误;气敏传感器的核心部件是气敏电阻,其表面汲取了某种自身敏感的气体之后会发生反应,使自身阻值变更,属于化学传感器,故选项B错误;物理传感器既可将信息转换为电压输出,也可将信息转换为电流、电阻等输出,故选项C错误,选项D正确。故选D。3.许多汽车的车窗有防夹手功能。车窗在关闭过程中遇到障碍时会停止并打开,实现该功能可能运用的传感器是 ()A.生物传感器 B.气体传感器C.温度传感器 D.压力传感器【解析】选D。汽车的车窗有防夹手功能,在关闭过程中遇到障碍时会停止并打开,这是因为运用了压力传感器,故选D。4.如图甲所示为一种电容式位移传感器的原理图,当被测物体在左右方向发生位移时,电介质板随之在电容器两极板之间移动。已知电容器的电容与电介质板进入电容器的长度x之间的关系如图乙所示,其中C0为电介质板没有插入电容器时的电容。为推断被测物体是否发生微小移动,将该电容式位移传感器与电源、电流表、开关组成串联回路(图中未画出)。被测物体的初始位置如图甲所示。电路闭合一段时间后,下列说法正确的是 ()A.若电源为直流电源且直流电流表示数不为零,说明物体肯定在发生移动B.若电源为直流电源且直流电流表示数变大,说明物体肯定在向右发生移动C.若电源为沟通电源且沟通电流表示数不为零,说明物体肯定在发生移动D.若电源为沟通电源且沟通电流表示数变大,说明物体肯定在向右发生移动【解析】选A。若电源为直流电源,物体不动,则直流电流表示数必定为零,直流电流表示数不为零,说明物体肯定在发生移动,故A正确;物体左、右移动分别对应充电、放电,不管物体向左、右哪个方向移动,直流电流表示数都将变大,故B错误;电容器有通沟通,隔直流的特点,因此若电源为沟通电源,物体不移动时,沟通电流表示数也不为零,故C错误;若电源为沟通电源且沟通电流表示数变大,说明电容器容抗变小,即电容变大,说明物体肯定向左发生移动,故D错误。5.如图所示是电容式话筒的示意图,它是利用电容制成的传感器,话筒的振动膜前面有薄薄的金属涂层,膜后距膜几十微米处有一金属板,振动膜上的金属涂层和这个金属板构成电容器的两极。在两极间加一电压U,人对着话筒说话时,振动膜前后振动,使电容发生变更,从而使声音信号被话