高二物理：4.4《信息时代离不开传感器》课件 （沪科选修3-2）

欢迎进入物理课堂 4 4信息时代离不开传感器 课标定位 学习目标 1 了解日常生活中常见的一些传感器及其应用 2 会用常见的传感器做一些简单的实验 3 体验科学探究的乐趣和运用所学知识分析新问题 解决新问题 感受物理与生活 生产的密切联系 重点难点 常见传感器的原理及应用 核心要点突破 课堂互动讲练 课前自主学案 知能优化训练 4 4 课前自主学案 一 温度传感器1 测温仪使用了温度传感器将 信号转换成 信号 2 测温仪中的温度传感器主要采用 电阻 热电阻 等元件 也有的用红外线敏感元件等 温度 电 热敏 金属 热电偶 二 力传感器常见的力传感器是由 和 组成的 是一种敏感元件 现在多用 材料制成 上下表面的应变片在压力作用下发生弯曲 上下应变片的阻值变化不一样 电压也就不一样 外力越大 输出的电压差也就越 填 大 或 小 三 磁传感器1 磁传感器是将磁信号转化为电信号的传感器 2 磁传感器的中心元件是 霍尔元件 霍尔元件能够把磁感应强度这个磁场量转换为电压这个电学量 金属梁 应变片 应变片 半导体 大 四 随处可见的传感器1 红外测温仪 是一种将 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 CCD 它将光信号转换成模拟电信号 模拟电信号再通过一种 A D 专门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 报警器 报警器 红外报警器 防盗报警器等等 工业生产中有热轧生产线上的传感器 农业生产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 红外辐射波 电荷耦合器 煤气 火警 五 信息社会离不开传感器智能式传感器集信息 信息 信息 逻辑思维和判断功能于一身 把计算机 各种用途的传感器和输入输出等制在同一芯片上 成为大规模集成电路智能传感器 六 遥测与遥感遥感遥测的基本原理是通过遥感传感器对观测目标产生的 进行远距离收集 转换 用计算机处理 识别 得出结论 主要应用在地球资源勘探 环境监测 气象预报 军事侦察等等 检测 处理 记忆 电磁波 热辐射 核心要点突破 一 实验中常见几种传感器分析1 温度传感器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 的温度控制器 火警报警器 恒温箱等 2 力传感器原理如图4 3 1所示 用弹簧钢制成的金属架右端固定 在梁形金属架上 下表面各贴一个应变片 由半导体材料制成 在梁的自由端施力F 则梁发生弯曲 上表面拉伸 下表面压缩 上表面应变片的电阻变大 下表面应变片的电阻变小 F越大 弯曲形变越大 应变片的阻值变化就越大 如果让应变片中通过的电流保持恒定 那么上面应变片两端的电压变大 下面应变片两端的电压变小 传感器把这两个电压的差值输出 外力越大 输出的电压差值也就越大 图4 3 1应变式力传感器可以用来测重力 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 3 霍尔效应的原理某些导体或半导体 内部载流子带同种电荷 做成薄片 通有电流时 同时外加与薄片垂直的磁场B 薄片中的载流子在洛伦兹力作用下向着与电流和磁场都垂直的方向漂移 使导体薄片 图4 3 2 的M N两端产生电势差 即霍尔电压UH 当霍尔效应稳定后 每个载流子受到的洛伦兹力和电场力相等 图4 3 2 从以上结论可以看出保持I恒定 则霍尔电压UH与磁感应强度B成正比 霍尔效应的原理 外部磁场使运动的载流子受到洛伦兹力 在导体板的一侧聚集 在导体板的另一侧会出现多余的另一种电荷 从而形成横向电场 横向电场对载流子施加与洛伦兹力方向相反的静电力 当静电力与洛伦兹力达到平衡时 导体板左右两侧就会形成稳定的电压 即时应用 即时突破 小试牛刀 1 如图4 3 3所示 截面为矩形的金属导体 放在磁场中 当导体中通有电流时 导体的上下表面的电势有什么关系 图4 3 3 A UM UNB UM UNC UM UND 无法判断解析 选C 霍尔效应形成的原因是带电粒子在磁场中受到洛伦兹力作用 做定向移动形成的 根据左手定则 电子受到向上的洛伦兹力作用 向M板运动 则N板剩下正电荷 所以UM UN 故选C 二 传感器的广泛应用传感器技术已经深入到日常生活 生产 科学研究和军事技术等各个领域 2003年 当SARS肆虐时 在机场 车站等公共场所都配备了红外测温仪 这是一种将红外辐射波转换成电信号的传感装置 能够非接触快速测温 可帮助机场 车站工作人员快速检测旅客体温 而又不会造成交叉感染 机动车驾驶员酒后驾车 极易发生交通事故 严重危害交通安全和人身财产安全 怎样才能判定驾驶员酒后驾车呢 人饮酒后 酒精通过消化系统被人体吸收 经血液循环 约有90 的酒精通过肺部呼气排出 因此测量呼气中的酒精含量就可以判断其饮酒程度 我国已制成对低浓度酒精有高灵敏性的酒精传感器 日常生活中还有煤气报警器 家庭用的红外报警器 蔬菜大棚中监测二氧化碳浓度 土壤湿度等的传感器等 随着科技的发展 智能传感器正在大量使用在航天领域等 总之 传感器在生活中的应用可以归结到以下几个方面 1 检测位置 2 尺寸控制 3 识别对象 4 检测异常 5 信息传送 6 计数及控制 7 转换及速度控制 8 剂量控制 9 检测物体存在与否 10 液位监控 即时应用 即时突破 小试牛刀 2 传感器可将非电学量转化为电学量 起自动控制作用 如计算机鼠标中有位移传感器 电熨斗 电饭锅中有温度传感器 电视机 录像机 影碟机 空调机中有光电传感器 用遥控器调换电视频道的过程 实际上就是传感器把光信号转化为电信号的过程 下列属于这类传感器的是 A 红外线警报器B 走廊照明灯的声控开关C 自动洗衣机中的压力传感装置D 电饭锅中控制加热和保温的温控器解析 选A 红外线警报器的工作原理是如果有人通过 红外线达到传感器可以觉察到的范围 那么红外线传感器就会发出信号 并与触点接通 使灯点亮且发出警报 因此 红外线警报器的工作过程是将光信号转化为电信号 A选项正确 而B选项是将声音信号转换为电信号 C选项是利用压力来传递信息的 D选项是通过温度来控制的 所以选项B C D错误 课堂互动讲练 试说明下列各种场合分别选用了怎样的传感器 1 普通电冰箱中的自动温度控制电路 2 马路两侧的路灯控制电路 3 气垫导轨上用的光电门 4 楼梯灯控制电路 5 宾馆的自动门 6 话筒 7 非接触式体温计 8 遥控电视机的接收器 精讲精析 1 普通电冰箱中的自动温度控制电路主要应用了温度传感器 2 马路两侧的路灯控制电路主要应用了光传感器 3 气垫导轨上用的光电门主要应用了光传感器 4 楼梯灯控制电路主要应用了光传感器 声传感器 5 宾馆的自动门主要应用了光 红外线 传感器 6 话筒主要应用了声传感器 7 非接触式体温计主要应用了光 红外线 传感器 8 遥控电视机的接收器主要应用了光 红外线 传感器 答案 见精讲精析 方法总结 熟悉各类传感器的原理和用途是解答此类问题的关键 例如声控开关 当有声音时 比如人的脚步声 引起空气的振动 电路中产生微弱电信号 被放大后 声控开关接通 灯亮 由于电路中提前设置了默认的时间 一段时间后 开关自动断开 灯灭 青岛奥运会帆船赛场采用风力发电给蓄电池充电 为路灯提供电能 用光敏电阻作为传感器控制路灯电路的开关 实现自动控制 光敏电阻的阻值随照射光的强弱而变化 作为简化模型 可以近似认为 照射光较强 如白天 时电阻几乎为0 照射光较弱 如黑天 时电阻接近于无穷大 利用光敏电阻作为传感器 借助电磁开关 可以实现路灯自动在白天关闭 黑天打开 电磁开关的内部结构如图4 3 4所示 1 2两接线柱之间是励磁线圈 3 4两接线柱分别与弹簧片和触点连接 当励磁线圈中电流大于50mA时 电磁铁吸合铁片 弹簧片和触点分离 3 4断开 电流小于50mA时 3 4接通 励磁线圈中允许通过的最大电流为100mA 电磁开关内部结构图图4 3 4 1 利用以下器材设计一个自动控制路灯的电路 画出电路原理图 光敏电阻R1 符号灯泡L 额定功率40W 额定电压36V 符号保护电阻R2 符号电磁开关 符号蓄电池E 电压36V 内阻很小 开关S 导线若干 2 回答下列问题 如果励磁线圈的电阻为200 励磁线圈允许加的最大电压为 V 保护电阻R2的阻值范围是 在有些应用电磁开关的场合 为了安全 往往需要在电磁铁吸合铁片时 接线柱3 4之间从断开变为接通 为此 电磁开关内部结构应如何改造 请结合本题中电磁开关内部结构图说明 答 任意举出一个其他的电磁铁应用的例子 答 精讲精析 1 解析过程略 2 Um ImR 100 10 3 200V 20V E I R2 R 其中50mA I 100mA 故R2在160 520 之间 解析见答案 解析见答案 答案 1 电路原理如图4 3 5所示 2 20160 520 把触点从弹簧片右侧移到弹簧片左侧 保证当电磁铁吸合铁片时 3 4之间接通 不吸合时 3 4之间断开 电磁起重机 图4 3 5 方法总结 含有敏感元件的电路动态分析 传感器实际应用的组装和调试等都必须在综合运用相关知识的前提下才能解决 这需要我们能够把一个复杂的问题分解为若干较简单的问题 找出它们之间的联系 从而能够灵活地运用物理知识解决所遇到的问题 某同学为了测量一个物体的质量 找到一个力 电转换器 该转换器的输出电压正比于受压面受到的压力 比例系数为k 如图4 3 6所示 测量时先调节输入端的电压 使转换器空载时的输出电压为0 而后在其受压面上放上物体 即可测得与物体的质量成正比的输出电压U 图4 3 6 现有下列器材 力 电转换器 质量m0的砝码 电压表 滑动变阻器 干电池一个 开关及导线若干 待测物体 可置于力 电转换器的受压面上 请完成对该物体质量m的测量 1 设计一个电路 要求力 电转换器的输入电压可调 并且使电压的调节范围尽可能大 画出完整的测量电路图 2 简要说明测量步骤 求出比例系数k 并测出待测物体的质量m 3 请设想实验中可能会出现的一个问题 思路点拨 解决此题应注意三点 1 力 电转换器使用前需要 调零 2 为了使电压调节范围大些 采用分压电路 3 充分利用 被测物体质量与输出电压成正比 来求m 自主解答 1 设计的电路图如图4 3 7所示 输入电压采用分压接法 目的是让电压可调范围尽可能大 2 测量步骤 调节滑动变阻器 使转换器的输出电压为零 将质量为m0的砝码放在转换器上 记下输出电压U0 将待测物体放在转换器上 记下输出电压U1 由U0 km0g得k U0 m0g 测得U1 kmg 所以m m0U1 U0 3 可能出现的问题 本题属于开放性问题 答案不唯一 输出电压调不到零 待测物体质量超出转换器量程 答案 见自主解答 图4 3 7 变式训练如图4 3 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 调节滑动变阻器的滑片 使小灯泡发光逐渐增强 测得流过电阻R的电流和光强的关系曲线如图乙所示 试根据这一特性设计一个自动光控电路 图4 3 8 解析 由光敏电阻的特性曲线可以看出 当入射光增强时 光敏电阻的阻值减小 流过光敏电阻的电流增大 根据题意设计一个自动光控电路如图所示 控制过程是 当有光照时 光电流经过放大器输出一个较大的电流 驱动电磁继电器吸合衔铁使两个常闭触点断开 当无光照时 光电流减小 放大器输出电流减小 电磁继电器释放衔铁 使两个常闭触点闭合 控制灯泡电路接通 灯泡开始工作 答案 见解析 同学们 来学校和回家的路上要注意安全 同学们 来学校和回家的路上要注意安全