滬科版高中物理選修(3-2)第4章《傳感器與現(xiàn)代社會》教案2

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1、 3 / 13 學案2用傳感器做實驗 信息時代離不開傳感器 ［學習目標定位］1.知道溫度傳感器、力傳感器的原理和應(yīng)用 .2.理解霍爾元件的原理.3. 了解現(xiàn)代生產(chǎn)、生活中常用的傳感器. 知識?儲備區(qū) 溫故追本溯源推除方可打新 3知識徒接 1 .帶電粒子在電場中受到的電場力 F = Eq. 2 .當帶電粒子以速度 v在磁場中運動時，若速度方向與磁感應(yīng)強度方向垂直 ，那么粒子 受到的洛倫茲力為 F= qvB,方向用左手定則判定. 3新知呈現(xiàn) 一、溫度傳感器：將溫度的變化量轉(zhuǎn)換成電學量的裝置. 二、力傳感器 將力學量轉(zhuǎn)換為電學量的裝置. 三、

2、磁傳感器 1 .霍爾元件是一種磁敏感元件. 2 .霍爾效應(yīng)：在金屬薄片相對的兩側(cè)面通以控制電流 I,在與薄片垂直方向施加磁感應(yīng) 強度為B的磁場，那么，在垂直于電流和磁場方向的另外兩個側(cè)面將產(chǎn)生與控制電流和磁場 I B 成正比的電動勢 Uh，這種現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)，即Uh = RhJ 四、隨處可見的傳感器 傳感器在現(xiàn)代生活中的例子有紅外測溫儀、數(shù)碼相機和攝像機、酒精濃度測試儀、煤 后土巴就契至 工了|又育崩洋. 基礎(chǔ)自學落實重點互動探究 學習?探究區(qū) 一、實驗中常見幾種傳感器分析 1 .溫度傳感器的原理 溫度傳感器是利用熱敏電阻的阻值會隨溫度的變化而變化的原理制成的 ，它

3、能把溫度這 個熱學量轉(zhuǎn)換為電壓這個電學量.如各種家用電器 （空調(diào)、冰箱、熱水器、飲水機等 ）的溫 度控制器、火警報警器、恒溫箱等. 2 .力傳感器的原理 如圖1所示，力傳感器可以用來測重力、壓力、拉力等各種力 ，應(yīng)變片能夠把物體形變這 個力學量轉(zhuǎn)換為電壓這個電學量. 應(yīng)變片 / / \ 金屬架應(yīng)變片 圖1 3 .霍爾效應(yīng)的原理 如圖2所示，當電流垂直于外磁場通過導體時 ，在導體的垂直于磁場 和電流方向的兩個端面之間會出現(xiàn)電勢差 ，這一現(xiàn)象便是霍爾效應(yīng). 二、隨處可見的傳感器 1 .紅外測溫儀：是一種將紅外輻射波轉(zhuǎn)換成電信號的傳感裝置. 2 .數(shù)碼相機和攝像機：敏感

4、元件叫做電荷耦合器件 （CCD）,它能將光信號轉(zhuǎn)換成模擬電 信號，模擬電信號再通過 A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字電信號. 3 .酒精濃度測試儀：敏感元件是酒精傳感器. 在生活中還有煤氣報警器、火警報警器、紅外報警器、防盜報警器等等.工業(yè)生產(chǎn)中 有熱軋生產(chǎn)線上的傳感器，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中有空氣濕度傳感器、土壤濕度傳感器、土壤營養(yǎng)傳感 三、信息社會離不開傳感器 智能式傳感器集信息檢測、信息處理、信息記憶、邏輯思維和判斷功能于一身 ，把計算 機、各種用途的傳感器和輸入輸出接口等制在同一塊芯片上 ，即成為大規(guī)模集成電路智能傳 感器. 四、遙測與遙感 遙感遙測的基本原理是通過遙感傳感器對觀測目標產(chǎn)生

5、的電磁波、熱輻射進行遠距離 收集、轉(zhuǎn)換，用計算機處理、識別，得出結(jié)論.主要應(yīng)用在地球資源勘測、環(huán)境監(jiān)控、氣象預 報、軍事偵察等方面. 典例精析 、對霍爾元件的認識及應(yīng)用 【例1】如圖3所示是霍爾元件的工作原理示意圖 ，如果用d表示薄片 的厚度，k為霍爾系數(shù)，對于一個霍爾元件 d、k為定值，如果彳^持I恒定，則 可以驗證Uh隨B的變化情況.以下說法中正確的是（工作面是指較大的 平面）（ 圖3 A.將永磁體的一個磁極逐漸靠近霍爾元件的工作面 ，Uh將變大 B.在測定地球兩極的磁場強弱時，霍爾元件的工作面應(yīng)保持水平 C.在測定地球赤道上的磁場強弱時，霍爾元件的工作面應(yīng)保持水平

6、 D.改變磁感線與霍爾元件工作面的夾角 ，Uh將發(fā)生變化 解析 將永磁體的磁極逐漸靠近霍爾元件的工作面時 ，B增大，1恒定，由公式Uh =萼知 d Uh將變大，選項A正確；地球兩極的磁場方向在豎直方向上 ，所以霍爾元件的工作面應(yīng)保持 水平，使B與工作面垂直，選項B正確；地球赤道上的磁場沿水平方向 ，只有霍爾元件的工作 面在豎直方向且垂直于南北時 ，B才與工作面垂直，選項C錯誤；改變磁感線與霍爾元件工作 面的夾角，B在垂直工作面方向上的大小發(fā)生變化 ，Uh將發(fā)生變化，選項D正確. 答案 ABD 二、傳感器的應(yīng)用分析 ［例2］按圖4所示連接好電路，合上S,發(fā)現(xiàn)小燈泡不亮，原因是;

7、 用電吹風對熱敏電阻吹一會兒 ，會發(fā)現(xiàn)小燈泡 ，原因是; 停止吹風，會發(fā)現(xiàn) ; 把 熱 敏 電 阻 放 入 冷 水 中 會 發(fā) 現(xiàn) 圖4 答案 由于熱敏電阻阻值較大 電吹風對熱敏電阻加熱使其阻值變小 ，左側(cè)電路電流較小，電磁鐵磁性較弱吸不住銜鐵 亮了 ，電路中電流增大，電磁鐵吸住銜鐵，右側(cè)電路接通 小 燈泡不會立即熄滅，因為熱敏電阻溫度仍然較高 小燈泡熄滅 三、傳感器的應(yīng)用實例 【例3】電飯煲的工作原理如圖 5所示,可分為兩部分，即控制部分：由 &、Ri和黃燈組 成.工作（加熱）部分：由發(fā)熱電阻 R3、R2和紅燈組成，Si是一個磁鐵限溫開關(guān)，手動I^合，當

8、 此開關(guān)的溫度達到居里點 （103 C）時，自動斷開，且不能自動復位（閉合）,S2是一個雙金屬片自 動開關(guān)，當溫度達到70c?80 c時，自動斷開 低于70 c時，自動閉合，紅燈、黃燈是指示燈，通 過的電流必須較小，所以Ri、R2起 作用，R3是發(fā)熱電阻，由于煮飯前溫度低于 70 C, 所以S2是（填“斷開的”或“閉合的” ）.接通電源并按下 Si后,黃燈滅而紅燈 亮,R3發(fā)熱，當溫度達到70c?80 c時,S2斷開，當溫度達到103c時飯熟 向斷開，當溫度降到 70c以下時，S2閉合,電飯煲處于保溫狀態(tài)，由以上描述可知 R2 R3（填“V” “ = ”或 >"，若用電飯煲燒水時

9、，直到水被燒干Si才會斷開，試解釋此現(xiàn)象. 解析 Ri、R2起的作用是限流，防止指示燈（速泡）因電流過大而燒毀，S2是自動控制溫度 開關(guān)，當溫度低于70 c時自動閉合，當溫度達到70c?80 c時又自動斷開，使電飯煲處于保溫 狀態(tài)，由于R3的功率較大，因此R2>R3.由于開關(guān)Si必須當溫度達到103c時才自動斷開，而水 的沸點只有i00C,因此用電飯煲燒水時，直到水被燒干后 &才會斷開. 答案見解析 ［例4 一般的電熨斗用合金絲作為發(fā)熱元件，合金絲電阻隨溫度 / ①巾 變化的關(guān)系如圖6中實線①所示，由于環(huán)境溫度以及熨燙的衣服厚 工morr || I I I I I I P 度、干濕

10、等情況不同，電熨斗的散熱功率不同，因而電熨斗的溫度可 賓科右九元丸丸力九， 能會在較大范圍內(nèi)波動，易損壞衣物. 圖6 有一種用主要成分為 BaTiO3、被稱為“ PTC”的特殊材料作為發(fā)熱元件的電熨斗 ，具有 升溫快、能自動控制溫度的特點 ，PTC材料的電阻隨溫度變化的關(guān)系如圖中實線②所示 ，根據(jù) 圖線分析： （i）為什么處于較低溫度的 PTC電熨斗剛通電時比普通電熨斗升溫快？ （2）通電一段時間后電熨斗溫度 t自動穩(wěn)定在

11、電阻較小，熱功率較大，所以生熱快于散熱，升 到一定溫度時，電阻值迅速增大，相應(yīng)的生熱功率減小，當生熱功率小于散熱 功率時，電阻溫度降低，電阻值減小，生熱功率會相應(yīng)增大，故電熨斗的溫度會穩(wěn)定在 T6? T7之間. 答案（1）溫度較低時的PTC材料的電阻值小，電功率大，所以升溫快 （2）T6 T7 @課堂要點小結(jié) （溫度傳感器 用傳感器做實驗J力傳感器 L磁傳感器-霍爾元件 ‘紅外測溫儀 數(shù)碼相機和攝像機 酒精濃度測試儀 信息時代離 不開傳感器 （隨處可見的傳感器J蔬菜種植大棚中的傳感器 熱軋生產(chǎn)線上的傳感器 智能傳感器 【微型傳感器 信息社會離不開傳感器 〔遙測與遙感

12、 9 / 13 檢測學習效果 缽驗成功快樂 自我?檢測區(qū) 1.（傳感器的應(yīng)用實例）壓敏電阻的阻值會隨所受壓力的增大而減小.一同學利用壓敏 電阻設(shè)計了判斷升降機運動狀態(tài)的裝置 ，如圖7甲所示，將壓敏電阻平放在升降機內(nèi) ，受壓面 朝上，在上面放一物體 m,升降機靜止時電流表示數(shù)為 Io.某過程中電流表的示數(shù)如圖乙所示 則在此過程（ ） /V r 甲 乙 圖7 A.物體處于失重狀態(tài) 8 .物體處于超重狀態(tài) C.升降機一定向上做勻加速運動 D.升降機可能向下做勻減速運動 答案 BD 解析 電流表的示數(shù)變?yōu)?2Io且保持不變，說明壓敏電阻的阻值比升降機靜止時小

13、，壓敏 電阻所受壓力變大，物體處于超重狀態(tài)，即物體具有向上的加速度，B、D正確,A、C錯誤. 9 .（傳感器的應(yīng)用實例）在家用電熱滅蚊器中，電熱部分主要元件是 PTC元件,PTC元件 是由鈦酸鋼等半導體材料制成的電阻器 ，其電阻率p隨溫度t的變化關(guān)系如圖8所示,由于這 種特性，PTC元件具有發(fā)熱、保溫雙重功能.對此 ，以下判斷正確的是（ ） ①通電后，其電功率先增大后減小 ②通電后，其電功率先減小后增大 ③當其產(chǎn)生的熱 量與散發(fā)的熱量相等時，溫度保持在ti不變④當其產(chǎn)生的熱量與散發(fā)的熱量相等時 ，溫度保 持在ti和t2之間的某一值不變 A.①② B.②③ C.②④ D.①④

14、答案 D 解析 當溫度由零升到ti的過程中，PTC的電阻率p隨溫度升高而減小，其電阻R隨之減 小，由于加在滅蚊器上的電壓 U保持不變，滅蚊器的熱功率 P隨之增大，當t=ti時,P= Pi達到 最大.當溫度繼續(xù)升高，p增大,R增大,P減小；而溫度越高，其與外界環(huán)境溫度的差別也就越 大，電熱滅蚊器的散熱功率 P也就越大，因此在這之間的某一溫度 t3會有P=P3=P,即電 熱功率P減小到等于散熱功率時，即達到保溫；當tvt3時,P>P,使溫度自動升高到 t3；當 t>t3時,PVP,使溫度自動降到t3,實現(xiàn)自動保溫，正確選項為D. 10 （傳感器的應(yīng)用分析）如圖9所示是一種自動控制水溫的裝置

15、 ，加熱電路的兩個端點 P、Q應(yīng)接到觸頭a、b上還是c、d上？熱敏電阻兩端 M、N應(yīng)接到哪兩個觸頭上？ 圖9 答案見解析 解析 P、Q應(yīng)該分別接在觸頭 a、b上,同時,M、N應(yīng)該分別接e、f,其工作原理是：當 水溫升高時，熱敏電阻阻值減小，電磁鐵中電流增大，吸引力增大，使銜鐵被吸下，a、b斷開，使 加熱裝置停止加熱；當水溫降低到一定程度時 ，熱敏電阻溫度減小，電磁鐵中電流減小，吸引 力減小，銜鐵被彈簧彈上去，使a、b之間連接，加熱裝置開始加熱，從而實現(xiàn)水溫控制. 40分鐘課時作業(yè) 題組一傳感器應(yīng)用實例 1 .關(guān)于電飯鍋的說法正確的是 （ ） A.電飯鍋中的溫度傳感器的主要

16、元件是氧化鐵 B.感溫鐵氧體在常溫下具有鐵磁性，溫度很高時失去鐵磁性 C.用電飯鍋燒水，水開時能自動斷電 D.用電飯鍋煮飯時，若溫控開關(guān)自動斷電后，它不能自動復位 答案 BD 2 .如圖1所示 圖1 是會議室和賓館房間的天花板上裝有的火災報警器的結(jié)構(gòu)原理圖 ，罩內(nèi)裝有發(fā)光二極管 LED、光電三極管和不透明的擋板.平時光電三極管接收不到 LED發(fā)出的光，呈現(xiàn)高電阻 狀態(tài).發(fā)生火災時，下列說法正確的是（ ） A.進入罩內(nèi)的煙霧遮擋了光線 ，使光電三極管電阻更大，檢測電路檢測出變化發(fā)出警報 B.光電三極管溫度升高，電阻變小，檢測電路檢測出變化發(fā)出警報 C.進入罩內(nèi)的煙

17、霧對光有散射作用，部分光線照到光電三極管上，電阻變小，發(fā)出警報 D.以上說法均不正確 答案 C 解析由火災報警器的原理可知，發(fā)生火災時煙霧進入罩內(nèi)，使光發(fā)生散射，部分光線照 到光電三極管上，電阻變小，與傳感器相連的電路檢測出這種變化 ，發(fā)出警報，C對. 3.某樓梯口的電燈開關(guān)裝有傳感器 ，天黑時，出現(xiàn)聲音才能發(fā)光，而白天即使有聲音，電燈 也不能發(fā)光，該開關(guān)中有兩種傳感器元件 ，它們可能是（ ） A.熱敏電阻和光敏電阻 B.金屬熱電阻和光敏電阻 C.熱敏電阻和霍爾元件 D.光敏電阻和駐極體話筒 答案 D 解析 兩種傳感器分別把聲音信號轉(zhuǎn)換為電信號 ，把光信號轉(zhuǎn)換為電信號，所

18、以選項 D 正確. 4.如圖2所示為用熱敏電阻 R和繼電器L等組成的一個簡單的恒溫控制電路 ，其中熱 敏電阻的阻值會隨溫度的升高而減小.電源甲與繼電器、熱敏電阻等組成控制電路 ，電源乙 與恒溫箱加熱器（圖中未畫出）相連接.則（ ） A.當溫度降低到某一數(shù)值，銜鐵P將會被吸下 B.當溫度升高到某一數(shù)值，銜鐵P將會被吸下 C.工作時，應(yīng)該把恒溫箱內(nèi)白^加熱器接在 C、D端 D.工作時，應(yīng)該把恒溫箱內(nèi)的加熱器接在 A、C端 答案 B 解析 根據(jù)溫度變化，分析R的變化，確定電路中電流的變化，電流增大時，繼電器L對銜 鐵吸引力增大，P將會被吸下.當溫度降低到某一數(shù)值 ，熱敏電阻

19、 R的阻值增大，電路中電流 減小,繼電器L對銜鐵吸引力減小，P將不會被吸下，故A錯誤.當溫度升高到某一數(shù)值 ，熱敏 電阻R的阻值減小，電路中電流增大，繼電器L對銜鐵吸引力增大，P將會被吸下.故 B正 確.恒溫箱內(nèi)溫度高到一定數(shù)值后 ，應(yīng)與電源斷開停止加熱 ，由以上分析可知，溫度升高 后,A、B端斷開，所以工作時，應(yīng)該把恒溫箱內(nèi)的加熱器接在 A、B端.故C、D錯誤.故選 B. 題組二對霍爾元件的認識及應(yīng)用 5.如圖3所示，截面為矩形的金屬導體，放在磁場中，當導體中通有圖示電流時 ，導體的 上、下表面的電勢關(guān)系為（ ） A. Um>Un B. Um=un C. Um

20、D.無法判斷 答案 A 解析霍爾效應(yīng)形成的原因是帶電粒子在磁場中受到洛倫茲力作用定向移動 ，根據(jù)左手 定則，金屬導體中自由電子受到向下的洛倫茲力作用 ，向?qū)w的下表面 N運動，則導體的上表 面M剩下正電荷，所以Um>Un.故選A. 6 .電磁流量計廣泛應(yīng)用于測量可導電流體 （如污水）在管中白^流量（即單位時間內(nèi)通過管 內(nèi)橫截面的流體的體積）.為了簡化，假設(shè)流量計是如圖 4所示的橫截面為長方形的一段管道 中空部分的長、寬、高分別為圖中的 a、b、c.流量計的兩端與輸送流體的管道相連 （圖中虛 線）.圖中流量計的上、下兩面是金屬材料 ，前、后兩面是絕緣材料.現(xiàn)于流量計所在處加 磁感

21、應(yīng)強度為 B的勻強磁場，磁場方向垂直于前、后兩面.當導電流體穩(wěn)定地流經(jīng)流量計時 在管外將流量計上、下兩表面分別與一串接了電阻 R的電流表的兩端連接，1表示測得的電 流值.已知流體的電阻率為 《不計電流表的內(nèi)阻，則可求得流量為（ ） 圖4 I _ c _ I _ b A.B（bR+ a） B.B（aR+ pc） I a I bc C.B（cR+ b） D.B（R+ 喧） 答案 A 解析如圖甲導電流體在管中流量 > v ? t\ fb c L ,小 Q= 1 v b c① 導電流體流經(jīng)流量計時，在其上、下兩表面產(chǎn)生的電動勢 E=Bc v② c 等效電路如圖乙，e

22、=i（r+前③ ，………__ I c 由①②③可得Q = B(bR+ &A正確. 7 .如圖5所示,厚度為d、寬度為h的導體板放在垂直于它的磁感應(yīng)強度為 B的勻強磁 場中，當電流通過導體板時，在導體板的上側(cè)面 A和下側(cè)面A之間會產(chǎn)生電勢差，這種現(xiàn)象 稱為霍爾效應(yīng).實驗表明，當磁場不太強時，電勢差Uh、電流I和磁感應(yīng)強度 B的關(guān)系為Uh = Rh，.式中的比例系數(shù) Rh稱為霍爾系數(shù).霍爾效應(yīng)可解釋如下：外部磁場的洛倫茲力使 運動的電子聚集在導體板的一側(cè) ，在導體板的另一側(cè)會出現(xiàn)多余的正電荷 ，從而形成橫向電 場.橫向電場對電子施加與洛倫茲力方向相反的電場力.當電場力與洛倫茲力達

23、到平衡時 ， 導體板上下兩側(cè)之間就會形成穩(wěn)定的電勢差. 設(shè)電流I是由電子的定向移動形成的，電子的平均定向速度為 V,電荷量為e,回答下列問 題： ⑴達到穩(wěn)定狀態(tài)時 ，導體板上側(cè)面 A的電勢 下側(cè)面 A的電勢(填“高 于” “低于”或“等于" ). (2)電子所受的洛倫茲力的大小為 . (3)當導體板上兩側(cè)之間的電勢差為 Uh時，電子所受電場力的大小為 . ,,,一……，一一 工，一，，, 1 1 (4)由電場力和洛倫茲力平衡的條件 ，證明霍爾系數(shù)為 Rh=；；,其中n代表導體板單位體 ne 積中電子的個數(shù). 解析 (1)導體中電子定向移動形成電流 ，電子運動方向

24、與電流方向相反 ，利用左手定則 可判定電子向A板偏,A板上出現(xiàn)等量正電荷，所以A板電勢低于A板電勢. (2)洛倫茲力大小 F洛=83丫 u Uh (3)電場力F電=Ee = -e Uh (4)由 F 洛=F 電得 Bev= -e Uh= hvB 導體中通過的電流 I= nev d h 由 Uh= RHIB得 hvB = RHnevdhB,# Rh=. d d ne 答案見解析 題組三 傳感器的應(yīng)用分析 8 .如圖6所示為小型電磁繼電器的構(gòu)造示意圖 ，其中L為含鐵心的線圈.P為可繞O 點轉(zhuǎn)動的鐵片，K為彈簧，S為一對觸頭，A、B、C、D為四個接線柱.電磁繼電器與傳感器

25、配 合，可完成自動控制的要求.其工作方式是 ( ) A. A與B接信號電壓，C與D可跟被控電路串聯(lián) B. A與B接信號電壓，C與D可跟被控電路并聯(lián) C. C與D接信號電壓，A與B可跟被控電路串聯(lián) D . C與D接信號電壓，A與B可跟被控電路并聯(lián) 答案 A 9 .如圖7所示為一自動控制溫度的電路 ，請說明其工作原理. 圖7 電熱絲 答案見解析 解析 當開關(guān)P在彈簧拉力作用下拉到上面與 a接觸時，電熱絲工作；隨著溫度升高 ，熱 敏電阻溫度升高、阻值減小 ，通過電磁鐵的電流增大，電磁鐵磁性增強到一定程度時把 P吸 到b,電熱絲停止工作，指示燈亮. 10 .如圖8甲所

26、示為一測量硫化鎘光敏電阻特性的實驗電路 ，電源電壓恒定.電流表內(nèi) 阻不計，開關(guān)閉合后，調(diào)節(jié)滑動變阻器的滑片，使小燈泡發(fā)光亮度逐漸增強，測得流過電阻的電 流和光強的關(guān)系曲線如圖乙所示 ，試根據(jù)這一特性用圖丙中給定的器材設(shè)計一個自動光控電 路. 電流信” 放大器 圖8 答案見解析 解析 由光敏電阻的特性曲線可以看出 ，當入射光增強時，光敏電阻的阻值減小，通過光 敏電阻的電流增大.根據(jù)題意設(shè)計的自動光控電路如圖所示.控制過程是：當有光照射時 電路中電流增大，經(jīng)過放大器輸出一個較大的電流，驅(qū)動電磁繼電器吸引銜鐵使兩個觸點斷開 當無光照射時，電路中電流減小，放大器輸出電流減小，電磁繼電器釋放銜鐵，使兩個觸點閉合 控制電路接通，燈開始工作. 14 /13