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高中物理选择性必修二素养提升学案
第五章 传感器
5.1　认识传感器
一、新课标要求
1．知道什么是传感器，并了解传感器的种类。
2．知道传感器的组成及应用模式，理解将非电学量转化为电学量的物理意义。
二、科学素养要求
1.物理观念：传感器
2.科学思维：理解将非电学量转化为电学量的物理意义，培养归纳总结、分析推理能力。
3.科学探究：通过实验，体验科学探究过程。
4.科学态度与责任：学习科学家的科学精神，实事求是的科学态度，培养探究科学的兴趣。
三、教材研习
知识点一　认识传感器
[情境导学]
干簧管的结构很简单，如图甲所示，它只是玻璃管内封入两个软磁性材料制成的簧片，接入图乙电路，当磁体靠近干簧管时：
(1)会发生什么现象，为什么？
(2)干簧管的作用是什么？
提示：(1)小灯泡会发光，因为两个簧片被磁化而接通。
(2)干簧管起到了开关的作用。
[知识梳理]
1．神奇的传感器
(1)干簧管是一种能够感知磁场的传感器。
(2)楼道灯白天不亮，晚上有声音时亮，是因为楼道的灯安装了“声控—光探”开关。
(3)一些宾馆安装了自动门，当有人走近时，门会自动打开，是因为自动门安装了红外线传感器。
(4)交通警察在检查司机是否酒后开车时，用的是“便携式酒精检测仪”，上面安装了乙醇传感器。
(5)传感器的定义：能够感受诸如力、温度、光、声、化学成分等被测量，并能够把它们按照一定的规律转换为便于传送和处理的如电压、电流等电学量，或转换为电路的通断的装置。
(6)非电学量转换为电学量的意义：把非电学量转换为电学量，可以很方便地进行测量、传输、处理和控制。
知识点二．传感器的种类
(1)物理传感器：利用物质的物理特性或物理效应制作而成的传感器，如力传感器、磁传感器、声传感器等。
(2)化学传感器：利用电化学反应原理，把无机或有机化学物质的成分、浓度等转换为电信号的传感器，如离子传感器、气体传感器等。
(3)生物传感器：利用生物活性物质的选择性来识别和测定生物化学物质的传感器。如酶传感器、微生物传感器、细胞传感器等。
知识点三．传感器的组成与应用模式
(1)传感器的基本组成部分
①敏感元件：能直接感受或响应外界被测非电学量的部分。
②转换元件：能将敏感元件输出的信号直接转换成电信号的部分。
(2)传感器应用的一般模式
[初试小题]
1．判断正误。
(1)传感器的基本部分一般由敏感元件和转换元件组成。(√)
(2)传感器是用来采集信息的装置。(√)
(3)传感器可以将所有感受到的信号都转换为电学量。(×)
(4)“便携式酒精检测仪”是属于化学传感器。(√)
2．[多选]如图所示，干簧管放在磁场中时两个簧片能被磁化。关于干簧管，下列说法正确的是(　　)
A．干簧管接入电路中相当于电阻
B．干簧管是根据热胀冷缩的原理制成的
C．干簧管接入电路中相当于开关
D．干簧管是作为电控元件以实现自动控制的
四、要点突破
要点一 传感器的理解
[问题探究]
智能机器人能够具有类似人的感官功能，获取外界信息并灵活做各种动作，其中传感器起了重要作用。你知道智能机器人都用什么传感器代替人的感官吗？
提示：眼睛→光传感器　
耳朵→声音传感器　
鼻子→气味传感器　
舌头→味觉传感器　
皮肤→压力、温度、湿度传感器。
[要点归纳]
1．传感器的组成和工作流程
(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：传感器中能将敏感元件输出且与被测物理量成一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学量转换成易于测量的电学量，如电压、电流、电阻等。
(2)传感器的工作流程：
―→―→―→―→
2．传感器的原理
传感器感受的通常是非电学量，如力、温度、位移、浓度、速度、酸碱度等，而输出的通常是电学量，如电压、电流、电荷量等。这些输出的信号是非常微弱的，通常需要经过放大后，再传送给控制系统产生各种控制动作。
[例题1]　全面了解汽车的运行状态(速度、水箱温度、油量)是确保汽车安全行驶和驾驶员安全的举措之一，为模仿汽车油表原理，某同学自制一种测定油箱油量多少或变化多少的装置。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。该同学在装置中使用了一只电压表(图中没有画出)，通过观察电压表示数，可以了解油量情况，你认为电压表应该接在图中的________两点之间，按照你的接法请回答：当油箱中油量减少时，电压表的示数将________(填“增大”或“减小”)。
【方法技巧】
传感器问题的分析思路
(1)明确传感器的类型，了解传感器的工作原理。
(2)确定传感器中的什么量变化时可以引起电学量的变化。
(3)根据电学量的变化确定相关物理量的变化。　　　　
[针对训练]
1．关于传感器，下列说法正确的是(　　)
A．所有传感器都是由半导体材料做成的
B．金属材料也可以制成传感器
C．传感器主要是通过感知电压的变化来传递信号的
D．以上说法都不正确
2．当你走近某些宾馆、酒楼的大门时，门就会自动为你打开；当你走进门之后，门又在你身后自动关上。你觉得这可能是将下列哪种外界信息转换为有用的信息(　　)
A．温度　　　　　　　　 B．运动
C．人 D．光线
3．[多选]美国科学家Willard S．Boyle与George E．Smith因电荷耦合器件(CCD)的重要发明荣获2009年度诺贝尔物理学奖。CCD是将光学量转变成电学量的传感器。下列器件可作为传感器的有(　　)
A．发光二极管　　　　　 B．热敏电阻
C．霍尔元件 D．干电池
【达标训练】
1．许多办公楼及宿舍楼的楼梯上的灯到了晚上能够自动做到“人来即亮，人走即灭”，其神奇功能在于控制灯的“开关”传感器。下列有关该传感器的说法正确的是(　　)
A．该传感器能够测量的物理量是位移和温度
B．该传感器能够测量的物理量是位移和光强
C．该传感器能够测量的物理量是光强和声音
D．该传感器能够测量的物理量是压力和位移
2．许多牛奶制品中被检测出化学原料三聚氰胺。在多种检测三聚氰胺的方法中有一种“酶标法检测”，这种检测方法使用的传感器，应为传感器中的哪一类(　　)
A．物理传感器　　　　　 B．化学传感器
C．生物传感器 D．温度传感器
3．如图所示，电吉他的弦是磁性物质。当弦振动时，线圈中产生感应电流，感应电流输送到放大器、喇叭，然后把声音播放出来。下列说法正确的是(　　)
A．电吉他是光电传感器
B．电吉他是温度传感器
C．电吉他是声音传感器
D．弦改用尼龙材料原理不变
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第五章 传感器
5.1　认识传感器
一、新课标要求
1．知道什么是传感器，并了解传感器的种类。
2．知道传感器的组成及应用模式，理解将非电学量转化为电学量的物理意义。
二、科学素养要求
1.物理观念：传感器
2.科学思维：理解将非电学量转化为电学量的物理意义，培养归纳总结、分析推理能力。
3.科学探究：通过实验，体验科学探究过程。
4.科学态度与责任：学习科学家的科学精神，实事求是的科学态度，培养探究科学的兴趣。
三、教材研习
知识点一　认识传感器
[情境导学]
干簧管的结构很简单，如图甲所示，它只是玻璃管内封入两个软磁性材料制成的簧片，接入图乙电路，当磁体靠近干簧管时：
(1)会发生什么现象，为什么？
(2)干簧管的作用是什么？
提示：(1)小灯泡会发光，因为两个簧片被磁化而接通。
(2)干簧管起到了开关的作用。
[知识梳理]
1．神奇的传感器
(1)干簧管是一种能够感知磁场的传感器。
(2)楼道灯白天不亮，晚上有声音时亮，是因为楼道的灯安装了“声控—光探”开关。
(3)一些宾馆安装了自动门，当有人走近时，门会自动打开，是因为自动门安装了红外线传感器。
(4)交通警察在检查司机是否酒后开车时，用的是“便携式酒精检测仪”，上面安装了乙醇传感器。
(5)传感器的定义：能够感受诸如力、温度、光、声、化学成分等被测量，并能够把它们按照一定的规律转换为便于传送和处理的如电压、电流等电学量，或转换为电路的通断的装置。
(6)非电学量转换为电学量的意义：把非电学量转换为电学量，可以很方便地进行测量、传输、处理和控制。
知识点二．传感器的种类
(1)物理传感器：利用物质的物理特性或物理效应制作而成的传感器，如力传感器、磁传感器、声传感器等。
(2)化学传感器：利用电化学反应原理，把无机或有机化学物质的成分、浓度等转换为电信号的传感器，如离子传感器、气体传感器等。
(3)生物传感器：利用生物活性物质的选择性来识别和测定生物化学物质的传感器。如酶传感器、微生物传感器、细胞传感器等。
知识点三．传感器的组成与应用模式
(1)传感器的基本组成部分
①敏感元件：能直接感受或响应外界被测非电学量的部分。
②转换元件：能将敏感元件输出的信号直接转换成电信号的部分。
(2)传感器应用的一般模式
[初试小题]
1．判断正误。
(1)传感器的基本部分一般由敏感元件和转换元件组成。(√)
(2)传感器是用来采集信息的装置。(√)
(3)传感器可以将所有感受到的信号都转换为电学量。(×)
(4)“便携式酒精检测仪”是属于化学传感器。(√)
【答案】（1）√ （2）√ （3）× （4）√
2．[多选]如图所示，干簧管放在磁场中时两个簧片能被磁化。关于干簧管，下列说法正确的是(　　)
A．干簧管接入电路中相当于电阻
B．干簧管是根据热胀冷缩的原理制成的
C．干簧管接入电路中相当于开关
D．干簧管是作为电控元件以实现自动控制的
【答案】CD　
【解析】当干簧管周围存在磁场时，两个簧片被磁化，就会相互吸引，所以接入电路中是作开关来使用，作为电控元件以实现自动控制的，故C、D正确。
四、要点突破
要点一 传感器的理解
[问题探究]
智能机器人能够具有类似人的感官功能，获取外界信息并灵活做各种动作，其中传感器起了重要作用。你知道智能机器人都用什么传感器代替人的感官吗？
提示：眼睛→光传感器　
耳朵→声音传感器　
鼻子→气味传感器　
舌头→味觉传感器　
皮肤→压力、温度、湿度传感器。
[要点归纳]
1．传感器的组成和工作流程
(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：传感器中能将敏感元件输出且与被测物理量成一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学量转换成易于测量的电学量，如电压、电流、电阻等。
(2)传感器的工作流程：
―→―→―→―→
2．传感器的原理
传感器感受的通常是非电学量，如力、温度、位移、浓度、速度、酸碱度等，而输出的通常是电学量，如电压、电流、电荷量等。这些输出的信号是非常微弱的，通常需要经过放大后，再传送给控制系统产生各种控制动作。
[例题1]　全面了解汽车的运行状态(速度、水箱温度、油量)是确保汽车安全行驶和驾驶员安全的举措之一，为模仿汽车油表原理，某同学自制一种测定油箱油量多少或变化多少的装置。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。该同学在装置中使用了一只电压表(图中没有画出)，通过观察电压表示数，可以了解油量情况，你认为电压表应该接在图中的________两点之间，按照你的接法请回答：当油箱中油量减少时，电压表的示数将________(填“增大”或“减小”)。
[解析]　由题图可知当油箱内液面高度变化时，R的金属滑片将会移动，从而引起R两端电压的变化，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，当油量减少时，浮标下移，右端接入滑动变阻器的电阻变大，电压表示数将增大。
[答案]　b、c　增大
【方法技巧】
传感器问题的分析思路
(1)明确传感器的类型，了解传感器的工作原理。
(2)确定传感器中的什么量变化时可以引起电学量的变化。
(3)根据电学量的变化确定相关物理量的变化。　　　　
[针对训练]
1．关于传感器，下列说法正确的是(　　)
A．所有传感器都是由半导体材料做成的
B．金属材料也可以制成传感器
C．传感器主要是通过感知电压的变化来传递信号的
D．以上说法都不正确
【答案】B　
【解析】大多数传感器是由半导体材料做成的，某些金属也可以做传感器，如金属热电阻。传感器将非电学信号转换为电学信号，因此传感器感知的是非电学信号。故只有B正确。
2．当你走近某些宾馆、酒楼的大门时，门就会自动为你打开；当你走进门之后，门又在你身后自动关上。你觉得这可能是将下列哪种外界信息转换为有用的信息(　　)
A．温度　　　　　　　　 B．运动
C．人 D．光线
【答案】D　
【解析】自动门的自动控制要求灵敏、可靠，若以温度控制，人的体温与夏季气温接近，则在夏季自动门将无法使用。自动门实际使用的是红外线传感器，红外线属于不可见光，人在白天或黑夜均发出红外线，传感器接收到人体发出的红外线后传给自动控制装置的电动机，实现自动开、关门。故D正确。
3．[多选]美国科学家Willard S．Boyle与George E．Smith因电荷耦合器件(CCD)的重要发明荣获2009年度诺贝尔物理学奖。CCD是将光学量转变成电学量的传感器。下列器件可作为传感器的有(　　)
A．发光二极管　　　　　 B．热敏电阻
C．霍尔元件 D．干电池
【答案】BC　
【解析】传感器是指能够感受诸如力、温度、光、声、化学成分等非电学量，并能把它们按照一定的规律转换为电压、电流等电学量的元件。发光二极管是将电能转化为光能的元件，不是传感器，选项A错误；热敏电阻的温度变化时，其电阻会发生变化，能把热学量转换成电学量，可作为传感器，选项B正确；霍尔元件能够把磁感应强度这个非电学量转换成电压这个电学量，可作为传感器，选项C正确；干电池是一种电源，不是传感器，选项D错误。
【达标训练】
1．许多办公楼及宿舍楼的楼梯上的灯到了晚上能够自动做到“人来即亮，人走即灭”，其神奇功能在于控制灯的“开关”传感器。下列有关该传感器的说法正确的是(　　)
A．该传感器能够测量的物理量是位移和温度
B．该传感器能够测量的物理量是位移和光强
C．该传感器能够测量的物理量是光强和声音
D．该传感器能够测量的物理量是压力和位移
【答案】C　
【解析】楼道中安装了自动灯光控制系统，白天灯不亮，和光传感器有关；晚上有人经过时，灯自动亮起来，与声音有关，是声传感器。所以该传感器能够测量的物理量是光强和声音，C正确。
2．许多牛奶制品中被检测出化学原料三聚氰胺。在多种检测三聚氰胺的方法中有一种“酶标法检测”，这种检测方法使用的传感器，应为传感器中的哪一类(　　)
A．物理传感器　　　　　 B．化学传感器
C．生物传感器 D．温度传感器
【答案】C　
【解析】检测三聚氰胺的方法为酶标法，所以其原理是利用了生物酶，应为生物传感器。故选C。
3．如图所示，电吉他的弦是磁性物质。当弦振动时，线圈中产生感应电流，感应电流输送到放大器、喇叭，然后把声音播放出来。下列说法正确的是(　　)
A．电吉他是光电传感器
B．电吉他是温度传感器
C．电吉他是声音传感器
D．弦改用尼龙材料原理不变
【答案】C　
【解析】物理传感器利用的是物理效应，比如光电效应、磁电效应等，能将被测信号量的微小变化转换成电信号。本题中当弦振动时，线圈中产生感应电流，把声音这种非电学量转换为电流这种电学量，属于声音传感器，故C正确，A、B、D错误。
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