2022年沪科版高中物理选修第4章第2节《用传感器做实验 信息时代离不开传感器》word学案.doc

学案2用传感器做实验信息时代离不开传感器学习目的定位 1.明白温度传感器、力传感器的原理和应用.2.理解霍尔元件的原理.3.理解现代消费、生活中常用的传感器1带电粒子在电场中遭到的电场力FEq.2当带电粒子以速度v在磁场中运动时，假设速度方向与磁感应强度方向垂直，那么粒子遭到的洛伦兹力为FqvB，方向用左手定则断定一、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操纵电流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操纵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)的温度操纵器、火警报警器、恒温箱等2力传感器的原理如图1所示，力传感器能够用来测重力、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仿电信号，模仿电信号再通过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消费中有热轧消费线上的传感器，农业消费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、信息经历、逻辑思维和推断功能于一身，把计算机、各种用处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根本原理是通过遥感传感器对观测目的产生的电磁波、热辐射进展远间隔搜集、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、气象预告、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，假如用d表示薄片的厚度，k为霍尔系数，关于一个霍尔元件d、k为定值，假如保持I恒定，则能够验证UH随B的变化情况以下说法中正确的选项(工作面是指较大的平面)() 图3A将永磁体的一个磁极逐步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步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，因而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，发觉小灯泡不亮，缘故是_；用电吹风对热敏电阻吹一会儿，会发觉小灯泡_，缘故是_；停顿吹风，会发觉_；把热敏电阻放入冷水中会发觉_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，由于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，即操纵部分：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，当此开关的温度到达居里点(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，当温度到达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，因而R1、R2起_作用，R3是发热电阻，由于煮饭前温度低于70，因而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，当温度到达7080时，S2断开，当温度到达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，由以上描绘可知R2_R3(填“”“”或“”)，假设用电饭煲烧水时，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是自动操纵温度开关，当温度低于70时自动闭合，当温度到达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，因而R2R3.由于开关S1必须当温度到达103时才自动断开，而水的沸点只有100，因而用电饭煲烧水时，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”的特别材料作为发热元件的电熨斗，具有升温快、能自动操纵温度的特点，PTC材料的电阻随温度变化的关系如图中实线所示，依照图线分析： (1)为什么处于较低温度的PTC电熨斗刚通电时比一般电熨斗升温快？(2)通电一段时间后电熨斗温度t自动稳定在_<t<_范围之内解析(1)由于温度较低时PTC材料的电阻值小，故由P知，其发热功率大，因而升温快(2)从题图能够看出，温度较低时，PTC材料的电阻较小，热功率较大，因而生热快于散热，升到一定温度时，电阻值迅速增大，相应的生热功率减小，当生热功率小于散热功率时，电阻温度降低，电阻值减小，生热功率会相应增大，故电熨斗的温度会稳定在T6T7之间答案(1)温度较低时的PTC材料的电阻值小，电功率大，因而升温快(2)T6T71(传感器的应用实例)压敏电阻的阻值会随所受压力的增大而减小一同学利用压敏电阻设计了推断升降机运动状态的装置，如图7甲所示，将压敏电阻平放在升降机内，受压面朝上，在上面放一物体m，升降机静止时电流表示数为I0.某过程中电流表的示数如图乙所示，则在此过程()图7A物体处于失重状态B物体处于超重状态C升降机一定向上做匀加速运动D升降机可能向下做匀减速运动答案BD解析电流表的示数变为2I0且保持不变，说明压敏电阻的阻值比升降机静止时小，压敏电阻所受压力变大，物体处于超重状态，即物体具有向上的加速度，B、D正确，A、C错误2(传感器的应用实例)在家用电热灭蚊器中，电热部分主要元件是PTC元件，PTC元件是由钛酸钡等半导体材料制成的电阻器，其电阻率随温度t的变化关系如图8所示，由于这种特性，PTC元件具有发热、保温双重功能对此，以下推断正确的选项 ()图8通电后，其电功领先增大后减小通电后，其电功领先减小后增大当其产生的热量与散发的热量相等时，温度保持在t1不变当其产生的热量与散发的热量相等时，温度保持在t1和t2之间的某一值不变A BC D答案D解析当温度由零升到t1的过程中，PTC的电阻率随温度升高而减小，其电阻R随之减小，由于加在灭蚊器上的电压U保持不变，灭蚊器的热功率P随之增大，当tt1时，PP1到达最大当温度接着升高，增大，R增大，P减小；而温度越高，其与外界环境温度的差异也就越大，电热灭蚊器的散热功率P也就越大，因而在这之间的某一温度t3会有PP3P，即电热功率P减小到等于散热功率时，即到达保温；当tt3时，PP，使温度自动升高到t3；当tt3时，PP，使温度自动降到t3，实现自动保温，正确选项为D.3(传感器的应用分析)如图9所示是一种自动操纵水温的装置，加热电路的两个端点P、Q应接到触头a、b上依然c、d上？热敏电阻两端M、N应接到哪两个触头上？图9答案见解析解析P、Q应该分别接在触头a、b上，同时，M、N应该分别接e、f，其工作原理是：当水温升高时，热敏电阻阻值减小，电磁铁中电流增大，吸引力增大，使衔铁被吸下，a、b断开，使加热装置停顿加热；当水温降低到一定程度时，热敏电阻温度减小，电磁铁中电流减小，吸引力减小，衔铁被弹簧弹上去，使a、b之间连接，加热装置开场加热，从而实现水温操纵题组一传感器应用实例1关于电饭锅的说法正确的选项()A电饭锅中的温度传感器的主要元件是氧化铁B感温铁氧体在常温下具有铁磁性，温度非常高时失去铁磁性C用电饭锅烧水，水开时能自动断电D用电饭锅煮饭时，假设温控开关自动断电后，它不能自动复位答案BD2如图1所示图1是会议室和宾馆房间的天花板上装有的火灾报警器的构造原理图，罩内装有发光二极管LED、光电三极管和不透明的挡板平光阴电三极管接收不到LED发出的光，呈现高电阻状态发生火灾时，以下说法正确的选项()A进入罩内的烟雾遮挡了光线，使光电三极管电阻更大，检测电路检测出变化发出警报B光电三极管温度升高，电阻变小，检测电路检测出变化发出警报C进入罩内的烟雾对光有散射作用，部分光线照到光电三极管上，电阻变小，发出警报D以上说法均不正确答案C解析由火灾报警器的原理可知，发生火灾时烟雾进入罩内，使光发生散射，部分光线照到光电三极管上，电阻变小，与传感器相连的电路检测出这种变化，发出警报，C对3某楼梯口的电灯开关装有传感器，天黑时，出现声音才能发光，而白天即便有声音，电灯也不能发光，该开关中有两种传感器元件，它们可能是()A热敏电阻和光敏电阻B金属热电阻和光敏电阻C热敏电阻和霍尔元件D光敏电阻和驻极体话筒答案D解析两种传感器分别把声音信号转换为电信号，把光信号转换为电信号，因而选项D正确4如图2所示为用热敏电阻R和继电器L等组成的一个简单的恒温操纵电路，其中热敏电阻的阻值会随温度的升高而减小电源甲与继电器、热敏电阻等组成操纵电路，电源乙与恒温箱加热器(图中未画出)相连接则 ()图2A当温度降低到某一数值，衔铁P将会被吸下B当温度升高到某一数值，衔铁P将会被吸下C工作时，应该把恒温箱内的加热器接在C、D端D工作时，应该把恒温箱内的加热器接在A、C端答案B解析依照温度变化，分析R的变化，确定电路中电流的变化，电流增大时，继电器L对衔铁吸引力增大，P将会被吸下当温度降低到某一数值，热敏电阻R的阻值增大，电路中电流减小，继电器L对衔铁吸引力减小，P将不会被吸下，故A错误当温度升高到某一数值，热敏电阻R的阻值减小，电路中电流增大，继电器L对衔铁吸引力增大，P将会被吸下故B正确恒温箱内温度高到一定数值后，应与电源断开停顿加热，由以上分析可知，温度升高后，A、B端断开，因而工作时，应该把恒温箱内的加热器接在A、B端故C、D错误应选B.题组二对霍尔元件的认识及应用5如图3所示，截面为矩形的金属导体，放在磁场中，当导体中通有图示电流时，导体的上、下外表的电势关系为()图3AUM>UN BUMUNCUM<UN D无法推断答案A解析霍尔效应构成的缘故是带电粒子在磁场中遭到洛伦兹力作用定向挪动，依照左手定则，金属导体中自由电子遭到向下的洛伦兹力作用，导游体的下外表N运动，则导体的上外表M剩下正电荷，因而UM>UN.应选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、下两外表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经明白流体的电阻率为，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Qv·b·c导电流体流经流量计时，在其上、下两外表产生的电动势EB·c·v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说明，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拢在导体板的一侧，在导体板的另一侧会出现多余的正电荷，从而构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到达平衡时，导体板上下两侧之间就会构成稳定的电势差设电流I是由电子的定向挪动构成的，电子的平均定向速度为v，电荷量为e，答复以下咨询题：图5(1)到达稳定状态时，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)导体中电子定向挪动构成电流，电子运动方向与电流方向相反，利用左手定则可断定电子向A板偏，A板上出现等量正电荷，因而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Inev·d·h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，可完成自动操纵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所示为一自动操纵温度的电路，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，电磁铁磁性加强到一定程度时把P吸到b，电热丝停顿工作，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，调理滑动变阻器的滑片，使小灯泡发光亮度逐步加强，测得流过电阻的电流和光强的关系曲线如图乙所示，试依照这一特性用图丙中给定的器材设计一个自动光控电路图8答案见解析解析由光敏电阻的特性曲线能够看出，当入射光加强时，光敏电阻的阻值减小，通过光敏电阻的电流增大依照题意设计的自动光控电路如下图操纵过程是：当有光照射时，电路中电流增大，通过放大器输出一个较大的电流，驱动电磁继电器吸引衔铁使两个触点断开，当无光照射时，电路中电流减小，放大器输出电流减小，电磁继电器释放衔铁，使两个触点闭合，操纵电路接通，灯开场工作