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(共60张PPT)
3　传感器的
应用举例
[学习目标]　
1.了解温度传感器的应用——电熨斗和电饭锅。2.了解光传感器的应用——火灾报警器。3.了解汽车中各种传感器的应用。4.了解传感器问题的分析方法。
探究·必备知识
「探究新知」
知识点一　温度传感器的应用——电熨斗
1.电熨斗的构造(如图所示)
2.敏感元件:热双金属片。
3.工作原理:温度变化时,由于上层金属的热膨胀系数 下层金属的热膨胀系数,双金属片向下弯曲或恢复原状,从而控制电路的通断。
大于
1.电饭锅的构造(如图所示)
知识点二　温度传感器的应用——电饭锅
2.敏感元件:感温铁氧体。
3.工作原理
(1)居里温度:感温铁氧体常温下具有铁磁性,温度升高到 时,就失去了铁磁性,这一温度称为该材料的“居里温度”。
(2)自动断电原理:用手按下开关通电加热,开始煮饭,当锅内加热温度达到103 ℃时,感温铁氧体失去铁磁性,不能吸引磁铁了,被弹簧弹开,从而推动杠杆使触点开关断开。
103 ℃
1.烟雾报警器带孔的罩子内装有 元件和 元件,根据其结构特点一般可分为 型和 型两种。
2.结构特点:(1)遮光型光电式烟雾报警器的发光元件和受光元件是 的。
(2)散射型光电式烟雾报警器的发光元件和受光元件 的。
知识点三　光传感器的应用——火灾报警器
发光
受光
遮光
散射
正对
不是正对
目前,一辆普通轿车上安装 到 个传感器,而配制较高的车型上的传感器数量可多达 个。各种传感器主要应用于汽车的 控制系统、底盘控制系统和车身控制系统。
知识点四　各种传感器的应用——汽车
几十
近百
几百
发动机
「新知检测」
1.思考判断
(1)洗衣机的自动控制装置利用了压力传感器。　　(　 　)
(2)自动门利用了红外线传感器。(　 　)
(3)指纹识别器是利用压力传感器。(　 　)
(4)无人管理的自动灌溉系统,用到了温度传感器。(　 　)
(5)位移测量装置用到了位移传感器。(　 　)
√
√
×
×
√
2.思维探究
(1)用电熨斗熨烫棉麻衣物需要设定较高的温度,熨烫丝绸衣物需要设定较低的温度。设定过程是如何利用调温旋钮来实现的
【答案】 (1)通过调温旋钮来调节升降螺丝的高度进而实现不同温度的设定。如需设定的温度较高,则应使升降螺丝下降,反之升高。
(2)如果用电饭锅烧水会不会自动断电
【答案】 (2)如果用电饭锅烧水,在水沸腾后因为水温保持在 100 ℃,故不能自动断电,只有水烧干后,温度升到103 ℃才能自动断电。
突破·关键能力
要点一　传感器问题的分析方法
「情境探究」
观察电熨斗的结构图,常温下,上、下触点应是接触的还是分离的 双金属片是怎样控制温度的
【答案】 接触的。温度过高时,由于双金属片的热膨胀系数不同,上部金属膨胀大,下部金属膨胀小,则双金属片向下弯曲,使触点分离,从而切断电源,停止加热。温度降低后,双金属片恢复原状,重新接通电路加热,这样循环进行,起到自动控制温度的作用。
「要点归纳」
1.分析思路
物理传感器是将所能感受的物理量(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.分析传感器问题要注意四点
(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)输出信号分析。
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化规律。
(3)电路结构分析。
认真分析传感器所在的电路结构,在熟悉常用电子元件工作特点的基础上,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,还包含根据所获得的信息控制执行机构进行工作的过程。
[例1] 炎热的夏季,养殖户用自动控温通风系统对养殖场进行控温。要求当养殖场内的温度升高到25 ℃时,通风系统立即启动。小华设计的通风系统工作原理如图甲所示。虚线框内的两接线柱间接测温电阻RT。当R1两端的电压升高到3 V时,控制电路恰能启动通风系统,低于3 V时,通风系统立即停止工作。提供的器材为:
①直流电源(电动势E=5 V,内阻忽略不计);
②电阻箱R1、R2(阻值范围均为0~99 999.9 Ω);
③控制电路模块(电阻可视为无穷大);
④两个测温电阻RT1、RT2(工作特性分别如图乙、丙所示)。
根据原理,选择器材,并完成调试。
(1)图甲中测温电阻应选用　　　　　(选填“RT1”或“RT2”)。
RT1
【解析】 (1)由于当R1两端的电压升高到3 V时,控制电路恰能启动通风系统,低于3 V时,通风系统立即停止工作。则测温电阻的阻值必定随温度的升高而减小,则题图甲中测温电阻应选用RT1。
(2)接好测温电阻后,为实现25 ℃时开启通风系统,对电路进行调试,先将开关S2拨到触点b,并将电阻箱R2的阻值调至　　 　　 kΩ,电阻箱R1的阻值调至
　　　　 kΩ,再闭合开关S1,测试通风系统能否正常工作。若能正常工作,再将开关S2拨回触点a即可。(结果均保留2位有效数字)
12
18
对于含有敏感元件的传感器,要明确使用了哪种敏感元件,根据敏感元件的原理,确定外界因素发生变化时,敏感元件将如何变化,又将会引起相应的电学量如何变化,根据电学量的变化做出相应的判断。
·名师点拨·
[针对训练1] 某学校物理兴趣小组的同学用热敏电阻设计了一个“过热自动报警电
路”,它由热敏电阻RT和继电器组成。如图甲所示,将热敏电阻RT安装在需要探测温度的地方,当测温区温度正常时,某一指示灯亮;当测温区温度达到或超过报警温度时,另一个指示灯亮。图甲中继电器的供电电源电动势E1=10 V,内阻不计,继电器线圈用漆包线绕成,线圈电阻为40 Ω,当线圈中的电流大于等于50 mA时,继电器的衔铁将被吸合。图乙是热敏电阻RT的阻值随温度变化的图像。
(1)当测温区温度升高时,继电器的磁性将　 　　　(选填“增强”“减弱”或“不变”)。
增强
【解析】 (1)继电器电路是一个串联电路,当环境温度升高时,从题图乙中可以看出热敏电阻阻值变小,总电阻也变小,电源电压不变,通过线圈的电流变大,因此继电器的磁性会增强。
(2)如果要使报警电路在测温区温度超过40 ℃报警,需要把可变电阻R1的阻值调节为　　　 Ω;当测温区温度超过40 ℃时,指示灯　　 　　(选填“A”或“B”)亮。
90
A
(3)若要设置报警电路在更高的温度报警,下列方案可行的是　　 　　。(多选)
A.适当增大电源电动势E1
B.适当减小电源电动势E1
C.适当调大可变电阻R1的阻值
D.适当调小可变电阻R1的阻值
BC
要点二　传感器的实际应用
「情境探究」
(1)很多汽车的车窗有防夹手功能,车窗在关闭过程中碰到障碍时会停止并打开,实现该功能可能使用的是什么传感器
【答案】 (1)压力传感器。
(2)在发生地震及泥石流灾害时,救援队借助“生命探测仪”可以发现深埋在废墟中的伤员,根据所学知识判断,“生命探测仪”可能用到了什么传感器
【答案】 (2)红外线传感器。
「要点归纳」
常见传感器的应用
(1)双金属片温度传感器的应用:电熨斗、恒温箱等。
(2)热敏电阻温度传感器的应用:空调、电冰箱、微波炉、消毒柜等。
(3)光敏电阻传感器的应用:工业自动化控制、光电计数器等。
(4)红外线传感器的应用:航空摄影、卫星遥感遥测、自动门、红外线测温仪、防盗防火警报器、家用电器遥控器等。
(5)另外还有压力传感器、生物传感器、气体传感器等。
[例2] (多选)为锻炼身体,小冬利用所学物理知识设计了一个电子拉力计,原理图如图所示。轻质弹簧右端和金属滑片P固定在一起,弹簧劲度系数为 100 N/cm。定值电阻R0=5 Ω,ab是一根长为5 cm的均匀电阻丝,阻值R1=25 Ω,电源输出电压恒为U=3 V,理想电流表的量程为0~0.6 A。当拉环不受力时,滑片P位于a端。下列关于这个电路的说法正确的是(弹簧的电阻不计,P与R1间的摩擦不计)(　 　)
[A] 小冬在电路中连入R0的目的是保护电路
[B] 当拉环不受力时,闭合开关后电流表的读数为0.1 A
[C] 当拉力为400 N时,电流表指针指在0.3 A处
[D] 当拉力为400 N时,电流表指针指在0.5 A处
ABC
力传感器的分析方法
(1)将力传感器的工作原理分析清楚,明确装置是如何将力这个非电学量转化为电学量是解决该类问题的关键。
(2)涉及电路计算时,注意欧姆定律及分压原理的应用。
·名师点拨·
[针对训练2] 图甲所示是用来称重的电子吊秤,其中称重的关键元件是拉力传感器,其工作原理是挂钩上挂上重物,拉力传感器中拉力敏感电阻丝在拉力作用下发生形变,拉力敏感电阻丝的电阻也随之发生变化,再经过相应的测量电路把这一电阻变化转换为电信号(电压或电流),从而完成将重物的重力转换为电信号的过程。
小超找到了一根拉力敏感电阻丝RL,其阻值随拉力变化的图像如图乙所示,小超设计了合适的电路图并按图制成了一个简易“吊秤”。实验室提供了如下器材:
电源E(电动势为15 V,内阻约2 Ω);
灵敏毫安表(量程为0~10 mA,内阻约50 Ω);
滑动变阻器R(最大阻值为10 kΩ);
RL接在A、B两接线柱之间,通过光滑绝缘小滑环可将重物吊起;
开关S和导线若干。
(1)请在图丙中帮助小超将设计的实验电路图补充完整。
【答案及解析】 (1)如图所示。
(2)他根据设计好的电路图,连接好实验电路,完成下列操作:
a.滑环下不吊重物时,调节滑动变阻器,当电流表为某一合适示数时,读出电流表的示数I1;
b.滑环下吊上待测重物,测出电阻丝与竖直方向的夹角为θ,保持滑动变阻器滑片位置不变,读出此时电流表的示数I2。
设RL-F图像的斜率为k,待测重物的重力G的表达式为G=　　　　　　(用已知物理量的符号表示)。
(3)小超在实验的过程中不慎将灵敏毫安表烧坏,现手头只有量程为0~2 mA、内阻(标称值)为200 Ω的电流表,还有定值电阻R1(50 Ω)、定值电阻R2(10 Ω)可供选择,为了使实验顺利进行,他决定改装电流表,将0~2 mA的量程扩大至0~10 mA,他改装的方法是电流表应该和定值电阻　　 　　(选填“串联”或
“并联”),且定值电阻应选择　　　　(填写字母代号)。
并联
R1
【解析】 (3)将0~2 mA的电流表的量程扩大至0~10 mA,根据并联分流原理,电流表应该和定值电阻并联,由并联电路电压相等可知IgRg=(I-Ig)R′,解得R′=50 Ω,故选择R1。
(4)由于量程为0~2 mA、内阻为200 Ω的电流表内阻的真实值比标称值略大,导致改装后的电流表示数与真实示数相比　　　　(选填“偏大”或“偏小”),应该使选择的定值电阻阻值适当　　　 　(选填“增大”“减小”或“不变”)。
偏小
增大
提升·核心素养
「模型·方法·结论·拓展」
电容式传感器
1.电容器的电容决定于极板间的正对面积S、极板间距d、极板间的电介质这几个因素。如果某个物理量(如角度θ、位移x、深度H等)的变化引起上述某个因素的变化,从而引起电容的变化,那么通过电容的变化就可以确定上述物理量的变化,这种电容器称为电容式传感器。
2.常见电容式传感器。
名称 传感器示意图 原理
测定角度θ的电容式传感器 当动片与定片之间的角度θ发生变化时,引起极板正对面积S的变化,使电容C发生变化,知道C的变化,就可以知道θ的变化情况
测定压力F的电容式传感器 待测压力F作用于可动膜片电极上的时候,膜片发生形变,使极板间距离d发生变化,引起电容C的变化,知道C的变化,就可以知道F的变化情况
测定液面高度h的电容式传感器　　 在导线芯的外面涂上一层绝缘物质,放入导电液体中,导线芯和导电液体构成电容器的两个极板,导线芯外面的绝缘物质就是电介质,液面高度h发生变化时,引起正对面积发生变化,使电容C发生变化,知道C的变化,就可以知道h的变化情况
测定位移x的电容式传感器 随着电介质进入极板间的长度发生变化,电容C发生变化,知道C的变化,就可以知道x的变化情况
[示例] 如图所示为测定压力的电容式传感器,将平行板电容器、灵敏电流表(零刻度在中间)和电源串联成闭合回路,当压力F作用于可动膜片电极上时,膜片发生形变,引起电容的变化,导致灵敏电流表指针偏转,在对膜片开始施加压力使膜片电极从图中的虚线推到图中实线位置并保持固定的过程中,灵敏电流表指针偏转情况为(电流从电流表正接线柱流入时指针向右偏)(　　)
[A] 向右偏到某一刻度后回到零刻度
[B] 向左偏到某一刻度后回到零刻度
[C] 向右偏到某一刻度后不动
[D] 向左偏到某一刻度后不动
A
「科学·技术·社会·环境」
　非接触式红外测温仪
利用红外线敏感元件可以实现无接触测温。
由于物体的温度不同,发射红外线的情况也不同,非接触式红外测温仪(如图)通过接收人体的红外辐射实现体温测试,可在距离人体 50~300 cm 处快速、有效地筛查出公共场所中的高温人员,再由医护人员对其进行确诊。一般的非接触式红外测温仪测温时间少于 0.5 s,与传统的接触式医用温度计相比有两大优点:
(1)非接触式红外测温仪在测温时不必与被测物体表面接触。
(2)可立即显示温度值,而口含式温度计要30 s后才能显示最终温度值。
[示例] 在机场、车站等交通出入口,使用红外测温仪测温,红外测温仪通过红外线遥感,可检测出经过它时的发热病人,从而可以有效控制疾病的传播。关于红外测温仪,下列说法正确的是(　　)
[A] 选择红外线进行检测,主要是因为红外线具有荧光效应
[B] 红外测温仪通过发射红外线照射人体来检测
[C] 红外测温仪同时还具有杀菌作用
[D] 一切物体都能发射红外线,而且物体在不同温度下发射的红外线的频率和强度不同
D
【解析】 只有较高能量的光子才能产生荧光效应,红外测温仪是根据物体发射的红外线的频率和强度不同而工作的,故选项A、B、C错误,
D正确。
检测·学习效果
1.小方拟设计一个汽车超载自动报警装置,以更好地保障道路交通安全。小方可能选择的传感器是(　　)
[A] 湿度传感器
[B] 压力传感器
[C] 声音传感器
[D] 气体传感器
B
【解析】 汽车超载自动报警装置类似于电子秤的工作原理,当电子秤受到压力的作用时,会显示相应的压力值大小,当示数超过规定的压力值时,会触发报警装置报警,所以应用的是压力传感器,故选B。
2.如图甲所示,在电喷汽车的进气管道中,广泛地使用着一种叫“电热丝式”空气流量传感器的部件,其核心部分是一种用特殊合金材料制作的电热丝。如图乙所示,当进气管道中的冷空气流速越大时,电阻R两端的电压U0就变得越高;反之,电压U0就越低。这样,管道内空气的流量就转变成了可以测量的电压信号,便于汽车内的电脑系统实现自动控制。如果将这种电热丝放在实验室中测量,得到的U-I曲线可能是(　　)
C
[A] [B] [C] [D]
C选项U-I图像中,随着电流I增大,其U-I图线上的点与原点连线斜率逐渐增大,即电阻Rt随温度升高而增大,接入空气流量传感器电路中,冷空气让电阻温度降低,电阻Rt减小,R两端的电压U0增大,C符合;D选项U-I图像中,随着电流I增大,U-I图线上的点与原点连线斜率逐渐增大,电阻变小,即电阻Rt随温度升高而减小,电阻Rt接入空气流量传感器电路中,冷空气进入时,电阻Rt随着空气流速变大,温度降低,电阻变大,R两端的电压U0变大,故D不符合。
3.(多选)为了节能和环保,一些公共场所用光敏电阻制作光控开关来控制照明系统,图甲为电路原理图。图甲中,直流电源电动势为3 V,内阻可不计,R1和R2其中一个是定值电阻,另一个是光敏电阻。光敏电阻的阻值随照度变化的规律如图乙所示(照度是描述光的强弱的物理量,光越强照度越大,lx是它的单位)。控制开关两端电压高于2 V时照明系统将自动开启。下列说法正确的是( 　　)
[A] R2是光敏电阻
[B] 若定值电阻的阻值为20 kΩ,则当照度为1.0 lx时照明系统将开启
[C] 若要使照明系统在照度为0.6 lx时开启,则定值电阻的阻值应为15 kΩ
[D] 定值电阻的阻值越大,开启照明系统时的光照越暗
CD
4.传感器在现代生活、生产和科技中有着相当广泛的应用,如图甲是一个压力传感器。设计电路,要求从表盘上直接读出压力大小,其中R1是保护电阻,
R2是调零电阻(总电阻200 Ω),理想电流表量程为0~10 mA,电源电动势E=
10 V(内阻不计),压敏电阻的阻值R与所受压力大小F的对应关系如图乙所示。
(1)有三个规格的保护电阻,R1应选　　　　。
A.8 Ω　　　B.80 Ω　　　C.800 Ω
C
(2)正确选取、安装保护电阻R1后,要对压力传感器进行调零(要求压力为零时电流表满偏),则调零电阻R2应调为　　　　 Ω。
100
(3)接下来对表盘进行重新赋值,原5 mA刻度线应标注　　　　 N。
1 000
感谢观看3　传感器的应用举例
[学习目标]　1.了解温度传感器的应用——电熨斗和电饭锅。2.了解光传感器的应用——火灾报警器。3.了解汽车中各种传感器的应用。4.了解传感器问题的分析方法。
探究新知
知识点一　温度传感器的应用——电熨斗
1.电熨斗的构造(如图所示)
2.敏感元件:热双金属片。
3.工作原理:温度变化时,由于上层金属的热膨胀系数大于下层金属的热膨胀系数,双金属片向下弯曲或恢复原状,从而控制电路的通断。
知识点二　温度传感器的应用——电饭锅
1.电饭锅的构造(如图所示)
2.敏感元件:感温铁氧体。
3.工作原理
(1)居里温度:感温铁氧体常温下具有铁磁性,温度升高到103 ℃时,就失去了铁磁性,这一温度称为该材料的“居里温度”。
(2)自动断电原理:用手按下开关通电加热,开始煮饭,当锅内加热温度达到103 ℃时,感温铁氧体失去铁磁性,不能吸引磁铁了,被弹簧弹开,从而推动杠杆使触点开关断开。
知识点三　光传感器的应用——火灾报警器
1.烟雾报警器带孔的罩子内装有发光元件和受光元件,根据其结构特点一般可分为遮光型和散射型两种。
2.结构特点:(1)遮光型光电式烟雾报警器的发光元件和受光元件是正对的。
(2)散射型光电式烟雾报警器的发光元件和受光元件不是正对的。
知识点四　各种传感器的应用——汽车
目前,一辆普通轿车上安装几十到近百个传感器,而配制较高的车型上的传感器数量可多达几百个。各种传感器主要应用于汽车的发动机控制系统、底盘控制系统和车身控制系统。
新知检测
1.思考判断
(1)洗衣机的自动控制装置利用了压力传感器。　　(　√　)
(2)自动门利用了红外线传感器。(　√　)
(3)指纹识别器是利用压力传感器。(　×　)
(4)无人管理的自动灌溉系统,用到了温度传感器。(　×　)
(5)位移测量装置用到了位移传感器。(　√　)
2.思维探究
(1)用电熨斗熨烫棉麻衣物需要设定较高的温度,熨烫丝绸衣物需要设定较低的温度。设定过程是如何利用调温旋钮来实现的
(2)如果用电饭锅烧水会不会自动断电
【答案】 (1)通过调温旋钮来调节升降螺丝的高度进而实现不同温度的设定。如需设定的温度较高,则应使升降螺丝下降,反之升高。
(2)如果用电饭锅烧水,在水沸腾后因为水温保持在 100 ℃,故不能自动断电,只有水烧干后,温度升到103 ℃才能自动断电。
要点一　传感器问题的分析方法
情境探究
观察电熨斗的结构图,常温下,上、下触点应是接触的还是分离的 双金属片是怎样控制温度的
【答案】 接触的。温度过高时,由于双金属片的热膨胀系数不同,上部金属膨胀大,下部金属膨胀小,则双金属片向下弯曲,使触点分离,从而切断电源,停止加热。温度降低后,双金属片恢复原状,重新接通电路加热,这样循环进行,起到自动控制温度的作用。
要点归纳
1.分析思路
物理传感器是将所能感受的物理量(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.分析传感器问题要注意四点
(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)输出信号分析。
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化规律。
(3)电路结构分析。
认真分析传感器所在的电路结构,在熟悉常用电子元件工作特点的基础上,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,还包含根据所获得的信息控制执行机构进行工作的过程。
[例1] 炎热的夏季,养殖户用自动控温通风系统对养殖场进行控温。要求当养殖场内的温度升高到25 ℃时,通风系统立即启动。小华设计的通风系统工作原理如图甲所示。虚线框内的两接线柱间接测温电阻RT。当R1两端的电压升高到3 V时,控制电路恰能启动通风系统,低于3 V时,通风系统立即停止工作。提供的器材为:
①直流电源(电动势E=5 V,内阻忽略不计);
②电阻箱R1、R2(阻值范围均为0~99 999.9 Ω);
③控制电路模块(电阻可视为无穷大);
④两个测温电阻RT1、RT2(工作特性分别如图乙、丙所示)。
根据原理,选择器材,并完成调试。
(1)图甲中测温电阻应选用　　　　　(选填“RT1”或“RT2”)。
(2)接好测温电阻后,为实现25 ℃时开启通风系统,对电路进行调试,先将开关S2拨到触点b,并将电阻箱R2的阻值调至　　　　 kΩ,电阻箱R1的阻值调至　　　　 kΩ,再闭合开关S1,测试通风系统能否正常工作。若能正常工作,再将开关S2拨回触点a即可。(结果均保留2位有效数字)
【答案】 (1)RT1　(2)12　18
【解析】 (1)由于当R1两端的电压升高到3 V时,控制电路恰能启动通风系统,低于3 V时,通风系统立即停止工作。则测温电阻的阻值必定随温度的升高而减小,则题图甲中测温电阻应选用RT1。
(2)由题图乙可知,温度为25 ℃时,RT1=12 kΩ,为实现25 ℃时开启通风系统,对电路进行调试,先将开关S2拨到触点b,并将电阻箱R2的阻值调至12 kΩ,此时R1两端电压U1=3 V,根据闭合电路欧姆定律有=,解得R1=18 kΩ。
对于含有敏感元件的传感器,要明确使用了哪种敏感元件,根据敏感元件的原理,确定外界因素发生变化时,敏感元件将如何变化,又将会引起相应的电学量如何变化,根据电学量的变化做出相应的判断。
[针对训练1] 某学校物理兴趣小组的同学用热敏电阻设计了一个“过热自动报警电路”,它由热敏电阻RT和继电器组成。如图甲所示,将热敏电阻RT安装在需要探测温度的地方,当测温区温度正常时,某一指示灯亮;当测温区温度达到或超过报警温度时,另一个指示灯亮。图甲中继电器的供电电源电动势E1=10 V,内阻不计,继电器线圈用漆包线绕成,线圈电阻为40 Ω,当线圈中的电流大于等于50 mA时,继电器的衔铁将被吸合。图乙是热敏电阻RT的阻值随温度变化的图像。
(1)当测温区温度升高时,继电器的磁性将　　　　(选填“增强”“减弱”或“不变”)。
(2)如果要使报警电路在测温区温度超过40 ℃报警,需要把可变电阻R1的阻值调节为
　　 　 Ω;当测温区温度超过40 ℃时,指示灯　　　 　(选填“A”或“B”)亮。
(3)若要设置报警电路在更高的温度报警,下列方案可行的是　　　　 。(多选)
A.适当增大电源电动势E1
B.适当减小电源电动势E1
C.适当调大可变电阻R1的阻值
D.适当调小可变电阻R1的阻值
【答案】 (1)增强　(2)90　A　(3)BC
【解析】 (1)继电器电路是一个串联电路,当环境温度升高时,从题图乙中可以看出热敏电阻阻值变小,总电阻也变小,电源电压不变,通过线圈的电流变大,因此继电器的磁性会增强。
(2)由题图乙可知测温区温度40 ℃时,热敏电阻的阻值RT=70 Ω,由闭合电路欧姆定律可得E1=I(R1+RT+r),解得可变电阻的阻值R1=-RT-r=90 Ω,当测温区温度超过40 ℃时,继电器的衔铁将被向上吸合,指示灯A亮。
(3)若要设置报警电路在更高的温度报警,热敏电阻阻值更小,而报警电流为50 mA不变,由I=可知,应适当降低E1值或增大R1的值,故B、C正确,A、D错误。
要点二　传感器的实际应用
情境探究
(1)很多汽车的车窗有防夹手功能,车窗在关闭过程中碰到障碍时会停止并打开,实现该功能可能使用的是什么传感器
(2)在发生地震及泥石流灾害时,救援队借助“生命探测仪”可以发现深埋在废墟中的伤员,根据所学知识判断,“生命探测仪”可能用到了什么传感器
【答案】 (1)压力传感器。
(2)红外线传感器。
要点归纳
常见传感器的应用
(1)双金属片温度传感器的应用:电熨斗、恒温箱等。
(2)热敏电阻温度传感器的应用:空调、电冰箱、微波炉、消毒柜等。
(3)光敏电阻传感器的应用:工业自动化控制、光电计数器等。
(4)红外线传感器的应用:航空摄影、卫星遥感遥测、自动门、红外线测温仪、防盗防火警报器、家用电器遥控器等。
(5)另外还有压力传感器、生物传感器、气体传感器等。
[例2] (多选)为锻炼身体,小冬利用所学物理知识设计了一个电子拉力计,原理图如图所示。轻质弹簧右端和金属滑片P固定在一起,弹簧劲度系数为 100 N/cm。定值电阻R0=5 Ω,ab是一根长为5 cm的均匀电阻丝,阻值R1=25 Ω,电源输出电压恒为U=3 V,理想电流表的量程为0~0.6 A。当拉环不受力时,滑片P位于a端。下列关于这个电路的说法正确的是(弹簧的电阻不计,P与R1间的摩擦不计)(　　)
[A] 小冬在电路中连入R0的目的是保护电路
[B] 当拉环不受力时,闭合开关后电流表的读数为0.1 A
[C] 当拉力为400 N时,电流表指针指在0.3 A处
[D] 当拉力为400 N时,电流表指针指在0.5 A处
【答案】 ABC
【解析】 若电路无电阻R0,且金属滑片P在b端时,回路短路损坏电源,R0的存在使电路不会短路,选项A正确;当拉环不受力时,滑片P在a端,由欧姆定律得I==0.1 A,选项B正确;拉力为400 N时,由F=kΔx,则Δx=4 cm,对应的电阻为RaP=20 Ω,R1接入电路的电阻RPb=5 Ω,由欧姆定律得I′==0.3 A,选项C正确,D错误。
力传感器的分析方法
(1)将力传感器的工作原理分析清楚,明确装置是如何将力这个非电学量转化为电学量是解决该类问题的关键。
(2)涉及电路计算时,注意欧姆定律及分压原理的应用。
[针对训练2] 图甲所示是用来称重的电子吊秤,其中称重的关键元件是拉力传感器,其工作原理是挂钩上挂上重物,拉力传感器中拉力敏感电阻丝在拉力作用下发生形变,拉力敏感电阻丝的电阻也随之发生变化,再经过相应的测量电路把这一电阻变化转换为电信号(电压或电流),从而完成将重物的重力转换为电信号的过程。
小超找到了一根拉力敏感电阻丝RL,其阻值随拉力变化的图像如图乙所示,小超设计了合适的电路图并按图制成了一个简易“吊秤”。实验室提供了如下器材:
电源E(电动势为15 V,内阻约2 Ω);
灵敏毫安表(量程为0~10 mA,内阻约50 Ω);
滑动变阻器R(最大阻值为10 kΩ);
RL接在A、B两接线柱之间,通过光滑绝缘小滑环可将重物吊起;
开关S和导线若干。
(1)请在图丙中帮助小超将设计的实验电路图补充完整。
(2)他根据设计好的电路图,连接好实验电路,完成下列操作:
a.滑环下不吊重物时,调节滑动变阻器,当电流表为某一合适示数时,读出电流表的示数I1;
b.滑环下吊上待测重物,测出电阻丝与竖直方向的夹角为θ,保持滑动变阻器滑片位置不变,读出此时电流表的示数I2。
设RL-F图像的斜率为k,待测重物的重力G的表达式为G=　　　　　　　　(用已知物理量的符号表示)。
(3)小超在实验的过程中不慎将灵敏毫安表烧坏,现手头只有量程为0~2 mA、内阻(标称值)为200 Ω的电流表,还有定值电阻R1(50 Ω)、定值电阻R2(10 Ω)可供选择,为了使实验顺利进行,他决定改装电流表,将0~2 mA的量程扩大至0~10 mA,他改装的方法是电流表应该和定值电阻　　 　　(选填“串联”或“并联”),且定值电阻应选择　 　　　(填写字母代号)。
(4)由于量程为0~2 mA、内阻为200 Ω的电流表内阻的真实值比标称值略大,导致改装后的电流表示数与真实示数相比　　　　　　(选填“偏大”或“偏小”),应该使选择的定值电阻阻值适当　　　　　　(选填“增大”“减小”或“不变”)。
【答案】 (1)图见解析　(2)(-)　(3)并联　R1　(4)偏小　增大
【解析】 (1)如图所示。
(2)对待测重物受力分析,由平衡条件得2Fcos θ=G,由题图乙得F=,R0=103 Ω,由闭合电路欧姆定律得R0=-(R+Rg+r),RL=-(R+Rg+r),故RL-R0=-,联立解得G=(-)。
(3)将0~2 mA的电流表的量程扩大至0~10 mA,根据并联分流原理,电流表应该和定值电阻并联,由并联电路电压相等可知IgRg=(I-Ig)R′,解得R′=50 Ω,故选择R1。
(4)改装的电流表的分流电阻分得的电流IR′=,由于Rg实际值比标称值大,因此分流电阻分得的电流偏大,改装后电流表示数比真实值偏小。根据改装电流表的原理,应该减小分流电阻分得的电流,故应适当增大分流电阻的阻值。
模型·方法·结论·拓展
电容式传感器
1.电容器的电容决定于极板间的正对面积S、极板间距d、极板间的电介质这几个因素。如果某个物理量(如角度θ、位移x、深度H等)的变化引起上述某个因素的变化,从而引起电容的变化,那么通过电容的变化就可以确定上述物理量的变化,这种电容器称为电容式传感器。
2.常见电容式传感器。
名称 传感器示意图 原理
测定角度θ的电容式传感器 当动片与定片之间的角度θ发生变化时,引起极板正对面积S的变化,使电容C发生变化,知道C的变化,就可以知道θ的变化情况
测定压力F的电容式传感器 待测压力F作用于可动膜片电极上的时候,膜片发生形变,使极板间距离d发生变化,引起电容C的变化,知道C的变化,就可以知道F的变化情况
测定液面高度h的电容式传感器　　 在导线芯的外面涂上一层绝缘物质,放入导电液体中,导线芯和导电液体构成电容器的两个极板,导线芯外面的绝缘物质就是电介质,液面高度h发生变化时,引起正对面积发生变化,使电容C发生变化,知道C的变化,就可以知道h的变化情况
测定位移x的电容式传感器 随着电介质进入极板间的长度发生变化,电容C发生变化,知道C的变化,就可以知道x的变化情况
[示例] 如图所示为测定压力的电容式传感器,将平行板电容器、灵敏电流表(零刻度在中间)和电源串联成闭合回路,当压力F作用于可动膜片电极上时,膜片发生形变,引起电容的变化,导致灵敏电流表指针偏转,在对膜片开始施加压力使膜片电极从图中的虚线推到图中实线位置并保持固定的过程中,灵敏电流表指针偏转情况为(电流从电流表正接线柱流入时指针向右偏)(　　)
[A] 向右偏到某一刻度后回到零刻度
[B] 向左偏到某一刻度后回到零刻度
[C] 向右偏到某一刻度后不动
[D] 向左偏到某一刻度后不动
【答案】 A
【解析】 压力F作用时,极板间距d变小,由C=知,电容器电容C变大,又根据Q=CU可知,极板带电荷量变大,所以电容器应充电,电路中产生由灵敏电流表正接线柱流入的电流,所以指针将向右偏。F不变时,极板保持固定后,充电结束,指针回到零刻度,故选A。
科学·技术·社会·环境
　非接触式红外测温仪
　　利用红外线敏感元件可以实现无接触测温。
　　由于物体的温度不同,发射红外线的情况也不同,非接触式红外测温仪(如图)通过接收人体的红外辐射实现体温测试,可在距离人体 50~300 cm 处快速、有效地筛查出公共场所中的高温人员,再由医护人员对其进行确诊。一般的非接触式红外测温仪测温时间少于 0.5 s,与传统的接触式医用温度计相比有两大优点:
(1)非接触式红外测温仪在测温时不必与被测物体表面接触。
(2)可立即显示温度值,而口含式温度计要30 s后才能显示最终温度值。
[示例] 在机场、车站等交通出入口,使用红外测温仪测温,红外测温仪通过红外线遥感,可检测出经过它时的发热病人,从而可以有效控制疾病的传播。关于红外测温仪,下列说法正确的是(　　)
[A] 选择红外线进行检测,主要是因为红外线具有荧光效应
[B] 红外测温仪通过发射红外线照射人体来检测
[C] 红外测温仪同时还具有杀菌作用
[D] 一切物体都能发射红外线,而且物体在不同温度下发射的红外线的频率和强度不同
【答案】 D
【解析】 只有较高能量的光子才能产生荧光效应,红外测温仪是根据物体发射的红外线的频率和强度不同而工作的,故选项A、B、C错误,D正确。
1.小方拟设计一个汽车超载自动报警装置,以更好地保障道路交通安全。小方可能选择的传感器是(　　)
[A] 湿度传感器 [B] 压力传感器
[C] 声音传感器 [D] 气体传感器
【答案】 B
【解析】 汽车超载自动报警装置类似于电子秤的工作原理,当电子秤受到压力的作用时,会显示相应的压力值大小,当示数超过规定的压力值时,会触发报警装置报警,所以应用的是压力传感器,故选B。
2.如图甲所示,在电喷汽车的进气管道中,广泛地使用着一种叫“电热丝式”空气流量传感器的部件,其核心部分是一种用特殊合金材料制作的电热丝。如图乙所示,当进气管道中的冷空气流速越大时,电阻R两端的电压U0就变得越高;反之,电压U0就越低。这样,管道内空气的流量就转变成了可以测量的电压信号,便于汽车内的电脑系统实现自动控制。如果将这种电热丝放在实验室中测量,得到的U-I曲线可能是(　　)
[A] [B] [C] [D]
【答案】 C
【解析】 由闭合电路欧姆定律得U0=×R,可知Rt越小,U0越高,再结合题意知,冷空气流速越大,温度越低,U0越高,则温度越低,Rt阻值越小;反之温度越高,Rt阻值越大。A选项U-I图像中电流增大,U不变,在空气流量传感器电路中,冷空气让电阻Rt变化,R两端的电压U0改变,A不符合;B选项中U-I图线斜率不变,即电阻Rt电阻恒定,B不符合;C选项U-I图像中,随着电流I增大,其U-I图线上的点与原点连线斜率逐渐增大,即电阻Rt随温度升高而增大,接入空气流量传感器电路中,冷空气让电阻温度降低,电阻Rt减小,R两端的电压U0增大,C符合;D选项U-I图像中,随着电流I增大,U-I图线上的点与原点连线斜率逐渐增大,电阻变小,即电阻Rt随温度升高而减小,电阻Rt接入空气流量传感器电路中,冷空气进入时,电阻Rt随着空气流速变大,温度降低,电阻变大,R两端的电压U0变大,故D不
符合。
3.(多选)为了节能和环保,一些公共场所用光敏电阻制作光控开关来控制照明系统,图甲为电路原理图。图甲中,直流电源电动势为3 V,内阻可不计,R1和R2其中一个是定值电阻,另一个是光敏电阻。光敏电阻的阻值随照度变化的规律如图乙所示(照度是描述光的强弱的物理量,光越强照度越大,lx是它的单位)。控制开关两端电压高于2 V时照明系统将自动开启。下列说法正确的是(　　)
[A] R2是光敏电阻
[B] 若定值电阻的阻值为20 kΩ,则当照度为1.0 lx时照明系统将开启
[C] 若要使照明系统在照度为0.6 lx时开启,则定值电阻的阻值应为15 kΩ
[D] 定值电阻的阻值越大,开启照明系统时的光照越暗
【答案】 CD
【解析】 当光线较暗,照度较小时,光敏电阻阻值较大,照明系统将自动开启,此时控制开关两端电压高于2 V,R1两端的电压增大,可知R1是光敏电阻,故A错误;若定值电阻的阻值为20 kΩ,根据欧姆定律有=,其中U=2 V,可得R1=40 kΩ,可知当照度为0.4 lx时照明系统将开启,故B错误;照度为0.6 lx时,光敏电阻的阻值为30 kΩ,根据欧姆定律有=,可得R2′=15 kΩ,故C正确;定值电阻的阻值越大,根据分压比可知开启照明系统时,光敏电阻的阻值越大,开启照明系统时的光照越暗,故D正确。
4.传感器在现代生活、生产和科技中有着相当广泛的应用,如图甲是一个压力传感器。设计电路,要求从表盘上直接读出压力大小,其中R1是保护电阻,R2是调零电阻(总电阻
200 Ω),理想电流表量程为0~10 mA,电源电动势E=10 V(内阻不计),压敏电阻的阻值R与所受压力大小F的对应关系如图乙所示。
(1)有三个规格的保护电阻,R1应选　 　　　。
A.8 Ω　　　B.80 Ω　　　C.800 Ω
(2)正确选取、安装保护电阻R1后,要对压力传感器进行调零(要求压力为零时电流表满偏),则调零电阻R2应调为　　 　　 Ω。
(3)接下来对表盘进行重新赋值,原5 mA刻度线应标注　　　　 N。
【答案】 (1)C　(2)100　(3)1 000
【解析】 (1)根据闭合电路欧姆定律得10 mA=,解得R1+R2=900 Ω,故选C。
(2)根据闭合电路欧姆定律得10 mA=,解得R2=100 Ω。
(3)根据闭合电路欧姆定律得5 mA=,解得R=1 100 Ω,根据题图乙得R=F+100,解得F=1 000 N。
课时作业
(分值:40分)
单选题每题4分,多选题每题6分。
1.智能手机的防误触功能表现为当人将手机靠近耳朵接听电话时,手机会自动关闭屏幕从而达到防误触的目的,下列哪一组传感器可实现这一功能 (　　)
[A] 声传感器和压力传感器
[B] 声传感器和温度传感器
[C] 光传感器和位移传感器
[D] 压力传感器和加速度传感器
【答案】 C
【解析】 当人将手机靠近耳朵附近接听电话时,改变了位移,并且耳朵可能挡住了光线,所以可能用到的传感器为光传感器和位移传感器。当人将手机靠近耳朵附近接听电话时,没有温度的变化,也没有产生特别的压力,C正确。
2.(多选)如图所示是自动调温式电熨斗的构造图,下列说法正确的是(　　)
[A] 常温时上、下触点是接触的
[B] 双金属片温度升高时,上金属片形变较大,双金属片将向下弯曲
[C] 原来温度控制在80 ℃断开电源,现要求60 ℃断开电源,应使调温旋钮下移一些
[D] 由熨烫丝绸衣物状态转换为熨烫棉麻衣物状态(应适当升温),应使调温旋钮下移一些
【答案】 ABD
【解析】 常温工作时,上、下触点是接通的,当温度升高时,上层金属片形变大,向下弯曲,原来温度控制在80 ℃切断电源,现要求在60 ℃断开电源,应将调温旋钮上移,由熨烫丝绸衣物状态转换为熨烫棉麻衣物状态,温度要升高,则应使调温旋钮下移一些,选项A、B、D正确,C错误。
3.如图所示是会议室和宾馆房间的天花板上装有的火灾报警器的结构原理图,外罩内装有发光二极管LED、光电三极管和不透明的挡板。平时光电三极管接收不到LED发出的光,呈现高电阻状态。发生火灾时,下列说法正确的是(　　)
[A] 进入外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] 进入外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外罩内,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,选项C正确。
4.自行车速度计的工作原理主要依靠的就是安装在前轮上的一块磁体,当磁体运动到霍尔传感器附近时,就产生了霍尔电压,霍尔电压通过导线传入一个小型放大器中,放大器就能检测到霍尔电压,这样便可测出在某段时间内的脉冲数。当自行车以某个速度匀速直线行驶时,检测到单位时间内的脉冲数为N,已知磁铁和霍尔传感器到前轮轮轴的距离均为R1,前轮的半径为R2,脉冲的宽度为Δt,峰值为Um,下列说法正确的是(　　)
[A] 车速越快,脉冲的峰值Um越大
[B] 车速越快,脉冲的宽度Δt越大
[C] 车速为2πNR2
[D] 车速为2πNR1
【答案】 C
【解析】 根据qvB=q得,Um=Bdv,由电流的微观定义式I=neSv,n是单位体积内的电子数,e是单个导电粒子所带的电荷量,S是导体的横截面积,v是导电粒子运动的速度,整理得v=,联立解得Um=,可知用霍尔元件可以测量磁场的磁感应强度,保持电流不变,霍尔电压Um与车速大小无关,故A、B均错误。由题意,当在单位时间t=1 s 内的脉冲数为N时,自行车的转速为n0=,则车速为v=2πnR2==2πNR2,故C正确,D错误。
5.如图是一名同学设计的防盗门报警器的简化电路示意图。门打开时,红外光敏电阻R3受到红外线照射,电阻减小;门关闭会遮蔽红外线源(红外线源没有画出),经实际实验,灯的亮、灭能反映门的开、关状态。与门关闭时相比,门打开时两灯的发光情况以及R2两端的电压U2变化情况分别是(　　)
[A] 红灯亮,U2变大 [B] 绿灯亮,U2变大
[C] 绿灯亮,U2变小 [D] 红灯亮,U2变小
【答案】 D
【解析】 门打开时,R3的阻值减小,导致总电阻R总减小和总电流I总增大,内电压Ur和R1两端的电压U1均变大,R2两端的电压U2=E-(U1+Ur)减小,通过R3的电流I3=I总-增大,电磁继电器磁性增强,把衔铁吸下,红灯亮,绿灯灭,选项D正确。
6.图甲为在10 ℃左右的环境中工作的某自动恒温箱原理图,箱内的电阻R1=2 kΩ,R2=
1.5 kΩ,R3=4 kΩ,RT为热敏电阻,它的电阻随温度变化的图线如图乙所示,当a、b两端电压Uab<0时,电压鉴别器会令开关S接通,恒温箱内的电热丝发热;当Uab>0时,电压鉴别器使S断开,停止加热。则恒温箱内的温度大约保持在(　　)
[A] 35 ℃ [B] 30 ℃ [C] 25 ℃ [D] 20 ℃
【答案】 C
【解析】 由题意可知,当Uab=0时,即φa=φb时,恒温箱保持稳定,根据串、并联电路电压与电阻的关系可知R1∶R2=2∶1.5=4∶3,只有当R3∶RT=4∶3 时,Uab=0,此时有=,解得RT=3 kΩ,从题图乙可以看出,温度为25 ℃。故选C。
7.演示位移传感器的工作原理图如图所示,物体M在导轨上平移时,带动滑动变阻器的金属滑片P,通过电压表显示的数据来反映物体位移的大小x,假设电压表是理想的,则下列说法正确的是(　　)
[A] 物体M运动时,电源内的电流会发生变化
[B] 物体M运动时,电压表的示数会发生变化
[C] 物体M不动时,电路中没有电流
[D] 物体M不动时,电压表没有示数
【答案】 B
【解析】 电阻完全接入电路,所以电流不受M位移的影响,而电压表与一部分电阻并联,当M向右运动时,电压表示数增大;当M向左运动时,电压表示数减小;当M不动时,在电阻中间位置仍会有电压值。故B正确。
8.(10分)某科技小组设计了一种“车辆闯红灯违法记录仪”,在路面停止线前侧埋上压敏电阻,其阻值随压力的变化如图甲所示,和压敏电阻组合的仪器如图乙所示,仪器主要由控制电路和工作电路组成,控制电路中的光控开关接收到红光时会自动闭合,接收到绿光或黄光时会自动断开;控制电路中电源的电动势为9 V,内阻为2 Ω,继电器线圈电阻为8 Ω,滑动变阻器连入电路的电阻为 50 Ω;当控制电路中的电流大于0.06 A时,衔铁会被吸引,从而启动工作电路,电控照相机拍照记录违法车辆。
(1)由图甲可判断,压敏电阻随压力减小而　　　　(选填“增大”“减小”或“不变”)。
(2)当红灯亮时,若车辆越过停止线,电流表A的示数会变　　　　(选填“大”或“小”)。
(3)车辆对压敏电阻的压力超过　　　　N后,车辆闯红灯时才会被拍照记录。
(4)若要增大“车辆闯红灯违法记录仪”的灵敏度,即违法车辆的质量比第(3)问结果小,也会被拍照记录,则滑动变阻器的滑片应向　　　　(选填“a”或“b”)端滑动。
【答案】 (1)增大　(2)大　(3)5×103　(4)b
【解析】 (1)由题图甲可判断,压敏电阻随压力减小而增大。
(2)当红灯亮时,若车辆越过停止线,压敏电阻所受压力增大,阻值减小,控制电路中总电阻减小,电流增大,电流表的示数会变大。
(3)设压敏电阻阻值为R时,控制电路中的电流等于0.06 A,则R总== Ω=150 Ω,R总=
2 Ω+8 Ω+50 Ω+R,解得R=90 Ω,由题图甲可知,此时压敏电阻受到的压力为5×103 N,所以车辆对压敏电阻的压力超过5×103 N后,车辆闯红灯时才会被拍照记录。
(4)若要增大“车辆闯红灯违法记录仪”的灵敏度,即车辆对压敏电阻的压力小于5×103 N时也要拍照,当压力小于5×103 N时,压敏电阻阻值大于90 Ω,此时若要拍照,电路中的总电阻不能大于150 Ω,就要减小滑动变阻器接入电路的阻值,故滑片应该向b端滑动。

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