高二物理 6.3《传感器的应用（二）》课件1

欢迎进入物理课堂 传感器的简单应用 传感器的含义传感器的简单应用例1电子秤热电传感器 例2例3温度传感器的应用例5例6光电传感器练习例7磁电传感器 霍尔元件的应用例9例1007年江苏省扬州市一模112007年高考广东卷8江苏省启东市07届第一学期期中测试707年扬州市期末调研测试907年1月广东省汕尾市调研测试1507年扬州市期末调研测试12 2 07年广东普宁市华侨中学三模卷1806年江苏连云港市最后模拟考试15南京市07届二模试卷18 传感器的简单应用 一 传感器的含义 传感器是指这样一类元件 它能够感受诸如位移 速度 力 温度 湿度 流量 声强 温度 光 声 化学成分等等非电学量 并能把它们按照一定的规律转换为电压 电流等电学量 或转换为电路的通断 把非电学量转换为电学量以后 就可以很方便地进行测量 传输 处理和自动控制了 传感器一般由敏感元件 转换器件 转换电路三个部分组成 通过敏感元件获取外界信息并转换成电信号 通过输出部分输出 然后经控制器分析处理 二 传感器的分类1 力电传感器2 热电传感器3 光电传感器4 声电传感器5 电容式传感器6 磁电传感器7 超声波传感器8 气敏传感器等 三 传感器的简单应用 1 力电传感器 力电传感器主要是利用敏感元件和变阻器把力学信号 位移 速度 加速度等 转化为电学信号 电压 电流等 的仪器 力电传感器广泛地应用于社会生产 现代科技中 如安装在导弹 飞机 潜艇和宇宙飞船上的惯性导航系统及ABS防抱死制动系统等 例1 电子秤 如图所示为某种电子秤的原理示意图 AB为一均匀的滑线电阻 阻值为R 长度为L 两边分别有P1 P2两个滑动头 P1可在竖直绝缘光滑的固定杆MN上保持水平状态而上下自由滑动 弹簧处于原长时 P1刚好指着A端 P1与托盘固定相连 若P1 P2间出现电压时 该电压经过放大 通过信号转换后在显示屏上将显示物体重力的大小 已知弹簧的劲度系数为k 托盘自身质量为m0 电源电动势为E 内阻不计 当地的重力加速度为g 求 1 托盘上未放物体时 在托盘自身重力作用下 P1离A的距离xl 2 托盘上放有质量为m的物体时 P1离A的距离x2 3 在托盘上未放物体时通常先核准零点 其方法是 调节P2 使P2离A的距离也为xl 从而使P1 P2间的电压为零 校准零点后 将物体m放在托盘上 试推导出物体质量m与P1 P2间的电压U之间的函数关系式 分析 托盘的移动带动P1移动 使P1 P2间出现电势差 电势差的大小反映了托盘向下移动距离的大小 由于R为均匀的滑线电阻 则其阻值与长度成正比 解 1 由力的平衡知识知 解得 2 放上重物重新平衡后 解得 3 由欧姆定律知E IRU IRx 由 其中x为P1 P2间的距离 Rx为P1 P2间的电阻 则 联立解得 题目 2 热电传感器 热电传感器是利用热敏电阻的阻值会随温度的升高减小 与金属热电阻的特性相反 的原理制成的 它能用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 火警报警器 恒温箱等 例2 如图所示 将多用表的选择开关置于 欧姆 挡 再将电表的两支表笔与负温度系数的热敏电阻Rt 负温度系数的热敏电阻是指阻值随温度的升高而减小的热敏电阻 的两端相连 这时表针恰好指在刻度盘的正中间 若往Rt上擦一些酒精 表针将向 填 左 或 右 移动 若用吹风机将热风吹向电阻 表针将向 填 左 或 右 移动 分析 若往Rt上擦一些酒精 由于酒精蒸发吸热 热敏电阻Rt温度降低 电阻值增大 所以电流减少 指针应向左偏 用吹风机将热风吹向电阻 电阻Rt温度升高 电阻值减小 电流增大 指针向右偏 左 右 注意 欧姆表的表盘刻度最右侧为0 最左侧为最大值 例3 如图所示 R1为定值电阻 R2为负温度系数的热敏电阻 负温度系数热敏电阻是指阻值随温度的升高而减小的热敏电阻 L为小灯泡 当温度降低时 A R1两端的电压增大B 电流表的示数增大C 小灯泡的亮度变强D 小灯泡的亮度变弱 分析 R2与灯L并联后与R1串联 与电源构成闭合电路 当热敏电阻温度降低时 电阻R2增大 外电路电阻增大 电流表读数减小 故C正确 其余各项均错 或按 串反并同 的规律 电阻R2增大 则电流表读数减小 R1两端电压减小 灯L电压增大 灯泡亮度变强 C正确 C 例4 家用电热灭蚊器中电热部分的主要部件是PTC元件 PTC元件是由酞酸钡等半导体材料制成的电阻器 其电阻率与温度的关系如图所示 由于这种特性 PTC元件具有发热 控温两重功能 对此以下说法中正确的是 A 通电后其功率先增大后减小B 通电后其功率先减小后增大C 当其产生的热量与散发的热量相等时 温度保持在t1至t2的某一值不变D 当其产生的热量与散发的热量相等时 温度保持在t1或t2不变 3 温度传感器的应用 温度传感器是将温度这个热学量转化为电流这个电学量的 AC 解析 根据PTC元件的电阻率随温度变化的曲线 可知在常温下 它的电阻是相当小的 通入电流以后 随着温度的升高 其电阻率先变小后增大 那么它的功率先变大 后变小 温度保持在在t1至t2的某一值不变 这时候电路处于稳定状态 如果温度再升高 电阻率变大 导致电流变小 温度就会降下来 如果温度降低 电阻率减小 导致电流变大 温度就会升上去 所以本题正确答案为A C 例5 一般的电熨斗用合金丝作发热元件 合金丝电阻随温度t变化的关系如图中实线 所示 由于环境温度以及熨烫的衣物厚度 干湿等情况不同 熨斗的散热功率不同 因而熨斗的温度可能会在较大范围内波动 易损坏衣物 有一种用主要成分为BaTiO3被称为 PTC 的特殊材料作发热元件的电熨斗 具有升温快 能自动控制温度的特点 PTC材料的电阻随温度变化的关系如图中实线 所示 试根据图线分析 1 为什么原处于冷态的PTC熨斗刚通电时比普遍电熨斗升温快 2 通电一段时间后电熨斗温度t自动地稳定在T t T范围之内 填T下标数字 答 冷态时PTC电阻很小 电功率很大 所以升温很快 6 7 如图所示是电饭煲的电路图 S1是一个控温开关 手动闭合后 当此开关温度达到居里点 103 时 会自动断开 S2是一个自动控温开关 当温度低于70 时会自动闭合 温度高于80 时 会自动断开 红灯是加热时的指示灯 黄灯是保温时的指示灯 分流电阻R1 R2 500 计算加热电阻丝R3 50 两灯电阻不计 1 计算加热和保温两种状态下 电饭煲消耗的电功率之比 2 简要回答 如果不闭合开关S1 能将饭煮熟吗 电饭锅中的温度传感器主要元件是感温铁氧体 它的特点是 常温下具有铁磁性 能够被磁铁吸引 但是上升到约103 时 就失去了磁性 不能被磁体吸引了 这个温度在物理学中称为该材料的 居里温度 或 居里点 例6 解 1 加热时电饭煲消耗的电功率 保温时电饭煲消耗的电功率为 从而有 2 如果不闭合开关S1 开始S2总是闭合的 R1被短路 功率为P1 当温度上升到80 时 S2自动断开 功率降为P2 温度降低到70 S2自动闭合 温度只能在70 80 之间变化 不能把水烧开 不能煮熟饭 4 光电传感器 光电传感器中的主要部件是光敏电阻或光电管 光敏电阻 光敏电阻的材料是一种半导体 无光照时 载流子极少 导电性能不好 随着光照的增强 载流子增多 导电性能变好 光敏电阻的阻值随光照强度的增大而减小的 光敏电阻能够把光强度这个光学量转换为电阻这个电学量 它就象人的眼睛 可以看到光线的强弱 自动冲水机 路灯的控制 鼠标器 光电计数器 烟雾报警器等都是利用了光电传感器的原理 练习 如图所示 将多用电表的选择开关置于欧姆档 再将电表的两支表笔分别与光敏电阻Rt的两端相连 这时表针恰好指在刻度盘的正中间 若用不透光的黑纸将Rt包裹起来 表针将向 填 左 或 右 转动 若用手电筒光照射Rt 表针将向 填 左 或 右 转动 分析 光敏电阻受光照越强 电阻越小 电流越大 所以将Rt包裹起来电阻增大 电流减小 指针向左偏 反之向右偏 左 右 例7 如图所示 R1 R2为定值电阻 L为小灯泡 R3为光敏电阻 当照射光强度增大时 A 电压表的示数增大B R2中电流减小C 小灯泡的功率增大D 电路的路端电压增大 分析 当光强度增大时 R3阻值减小 按 串反并同 的规律 跟R3串联的R1两端电压增大 即电压表的示数增大 A项正确 跟R3串联的小灯泡L的电流增大 则小灯泡的功率增大 C正确 跟R3并联的R2两端电压 电流均减小 B项正确 ABC 5 磁电传感器 霍尔元件的应用 霍尔元件的应用霍尔元件是将电磁感应这个磁学量转化为电压这个电学量的元件 例8 有一个未知的匀强磁场 用如下方法测其磁感应强度 如图所示 把一个横截面是矩形的铜片放在磁场中 使它的上 下两个表面与磁场平行 前 后两个表面与磁场垂直 当通入从左向右的电流I时 连接在上 下两个表面上的电压表示数为U 已知铜片中单位体积内自由电子数为n 电子质量m 带电量为e 铜片厚度 前后两个表面厚度 为d 高度 上 下两个表面的距离 为h 求磁场的磁感应强度B 解 达到动态平衡时有 qvB qE qU h B U vh I nevS nevhd vh I ned B Udne I 例9 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 在单位时间内通过管内横截面的流体的体积 为了简化 假设流量计是如图所示的横截面为长方形的一段管道 其中空部分的长 宽 高分别为图中的a b c 流量计的两端与输送液体的管道相连接 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 当导电液体稳定地流经流量计时 在管外将流量计上 下两表面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 已知流体的电阻率为 不计电流表的内阻 则可求得流量为 A 解 设液体中离子的带电量为q 达到动态平衡时有 内阻 由欧姆定律 流量为 A正确 霍尔效应可解释如下 外部磁场的洛仑兹力使运动的电子聚集在导体板的一侧 在导体板的另一侧会出现多余的正电荷 从而形成横向电场对电子施加与洛仑兹力方向相反的静电力 当静电子与洛仑兹力达到平衡时 导体上下两侧之间就会形成稳定的电势差 如图所示 厚度为h 宽度为d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 实验表明 当磁场不太强时 电势差U 电流I和B的关系为U KIB d式中的比例系数K称为霍尔系数 例10 设电流I是由电子的定向流动形成的 电子的平均定向速度为v 电量为e 回答下列问题 2页 题目 3页 4页 末页 1 达到稳定状态时 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 电子所受洛仑兹力的大小为 3 当导体板上下两侧之间的电势差为U时 电子所受静电力的大小为 4 由静电力和洛仑兹力平衡的条件 证明霍尔系数 其中n代表导体板单位体积中电子的个数 2页 题目 3页 4页 末页 解析 1 首先分析电流通过导体板时的微观物理过程 由于导体板放在垂直于它的磁感应强度为B的匀强磁场中 电流是电子的定向运动形成的 电流方向从左到右 电子运动的方向从右到左 根据左手定则可判断电子受到的洛仑兹力的方向向上 电子向A板聚集 A 板出现多余的正电荷 所以A板电势低于A 板电势 应填 低于 2 电子所受洛仑兹力的大小为 3 横向电场可认为是匀强电场 电场强度 电子所受电场力的大小为 2页 题目 3页 4页 末页 3 上 下两侧面可以看成是平行的 其间的电场认为是匀强电场 由匀强电场知其场强E U h 所以电子所受静电力F电 Ee eU h 又因电子达到稳定 电场力与洛仑兹力平衡 即F电 Bev 4 因电子稳定 电场力与洛仑兹力平衡 即eU h Bev 得U hvB 且通过导体的电流强度I nevdh 将U及I的表达式代入U KIB d 得K 1 ne 点评 该题是带电粒子在复合场中的运动 但原先只有磁场 电场是在通电后自行形成的 在分析其他问题时 要注意这类情况的出现 联系宏观量I和微观量的电流表达式是一个很有用的公式 2页 题目 3页 4页 末页 11 某位移传感器的工作原理如图甲所示 物体M在导轨上平移时 带动滑动变阻器的金属杆P 通过理想电压表显示的数据来反映物体的位移x 设电源电动势为E 内阻不计 滑动变阻器的长度为L 物体M以O点为平衡位置做简谐运动 取向右为正方向 振幅为L 2 物体经过O点时P恰好位于滑动变阻器的中点 若电压表的示数U随时间t的变化关系如图乙所示 则下列说法中正确的是 A 在t1时刻M具有正方向最大速度B 在t2时刻M的速度为零C 在t1时刻到t2时刻时间内 M的加速度先减小后增大D 在t1时刻到t2时刻时间内 M的加速度先增大后减小 07年江苏省扬州市一模11 AD 2007年高考广东卷8 8 压敏电阻的阻值随所受压力的增大而减小 有位同学利用压敏电阻设计了判断小车运动状态的装置 其工作原理如图6 a 所示 将压敏电阻和一块挡板固定在绝缘小车上 中间放置一个绝缘重球 小车向右做直线运动过程中 电流表示数如图6 b 所示 下列判断正确的是 A 从t1到t2时间内 小车做匀速直线运动B 从t1到t2时间内 小车做匀加速直线运动C 从t2到t3时间内 小车做匀速直线运动D 从t2到t3时间内 小车做匀加速直线运动 D 江苏省启东市07届第一学期期中测试7 7 利用传感器和计算机可以测量快速变化的力 如图是用这种方法获得弹性绳中拉力F随时间t变化的图线 实验时 把小球举高到绳子的悬点O处 然后让其自由下落 根据图线所提供的信息可判定 A t1时刻小球速度最大B t2时刻绳子最长C t3时刻小球动能最大D t3与t4时刻小球动能相同 0 F Fm t t1 t2 t3 t4 BD 07年扬州市期末调研测试9 9 如图所示为用热敏电阻R和继电器L等组成的一个简单的恒温控制电路 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 热敏电阻等组成控制电路 电源乙与恒温箱加热器 图中未画出 相连接 则 A 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 B端 BD 07年1月广东省汕尾市调研测试15 15 16分 在实验研究课上 王明和夏青两位同学分别设计了如图甲 乙两图所示的电子秤 所用器材相同 电源电动势为E 内阻不计 可变电阻长为L 电阻为R 弹簧导电 劲度系数为k 其电阻不计 连接甲图中的电压表的导线可自由伸缩 不测量时指针P均在a处 如图中虚线所示 使电压表的示数与所称的重力对应便成为电子秤 1 不称重时 甲 乙两图中的电压表示数分别是多大 2 分别写出对应于甲 乙两种设计 所称重力G与电压表的示数U以及E k L的关系式 3 比较甲 乙两个电路 哪一个比较好 为什么 解 1 不称重时 甲图电压表读数为0 乙图电压表读数表示路端电压 又由于电源内阻不计 所以读数为电源电动势E 2 当有重物放在电子秤盘时 弹簧的伸长量 甲图由电路分压得电压表示数 由 式得 乙图由电路分压得电压表示数 由 式得 3 甲好 因重力与电压表示数成正比 表的刻度均匀 07年扬州市期末调研测试12 2 11 2 将单摆挂在测力传感器的探头上 用测力探头和计算机组成的实验装置来测定单摆摆动过程中摆线受到的拉力 单摆摆角小于5 计算机屏幕上得到如图a所示的F t图象 然后使单摆保持静止 得到如图b所示的F t图象 那么 此单摆的周期为s 设摆球在最低点时Ep 0 已测得当地重力加速度为g 单摆的周期用T表示 那么测得此单摆摆动时的机械能E的表达式是 0 8 答 或 解见下页 解 单摆摆动过程中 一个周期中摆线有两次受到的拉力最小 所以由图象知 T 0 8s 由图象知 单摆摆动过程中摆线受到的最大拉力为F1 单摆摆动过程中摆线受到的最小拉力 Fmin F2 mgcos 单摆不摆动时摆线受到的拉力F3 mg 07年广东普宁市华侨中学三模卷18 18 起跳摸高是学生常进行的一项活动 竖直起跳的时间和平均蹬地力的大小能够反映学生在起跳摸高中的素质 为了测定竖直起跳的时间和平均蹬地力的大小 老师在地面上安装了一个压力传感器 通过它可以在计算机上绘出平均压力与时间的关系图象 小亮同学身高1 72m 站立时举手达到2 14m 他弯曲两腿 做好起跳的准备 再用力蹬地竖直跳起 测得他对传感器的压力F与时间t的关系图象如图所示 已知图中网格间距相等 不计空气阻力 取g 10m s2 求小亮同学起跳摸高的最大高度约为多少 0 5 1 0 t s F N 300 600 900 0 解 从图可知小亮质量为60kg 它蹬地作用力为1050N 加速离开地面时间为0 4s 设它蹬地过程中的平均加速度大小为a 由牛顿第二定律得 小亮离开地面时获得的速度约为 离开地面后做竖直上抛运动上升的高度为 摸高约为 06年江苏连云港市最后模拟考试15 15 14分 如图所示的装置可以测量汽车在水平路面上运动时的加速度 该装置是在矩形箱子的前 后壁上各安装了一个压力传感器a和b 用两根相同的轻弹簧夹着一个质量m 2 0kg的滑块 滑块可无摩擦滑动 两弹簧的另一端分别压在a b上 其压力大小可直接从传感器的液晶显示屏上读出 当弹簧作用在传感器上的力为压力时 示数为正 当弹簧作用在传感器上的力为拉力时 示数为负 现将装置沿运动方向固定在汽车上 汽车静止时 a b的示数均为10N 取g 10m s2 若传感器b的示数为14N a的示数应该是多少 当汽车以什么样的加速度运动时 传感器b的示数为零 若传感器b的示数为 5N 车的加速度大小和方向如何 由题意知 Fa0 Fb0 kx0 10N Fb k x0 x 14N 解之得 Fb k x 4N 代入得 Fa k x0 x 10N 4N 6N 传感器b的示数为零时 Fb 10N 则Fa Fa0 Fb 10N 10N 20N 对m应用牛顿第二定律得Fa ma 得a F m 20 2 0m s2 10m s2 加速度的方向向左 解 若当Fb 5N时 Fb 15N 则Fa Fa0 Fb 10N 15N 25N m受到的合力大小为 此时m的加速度为 a F m 30 2m s2 15m s2 方向向左 题目 18 将力传感器连接到计算机上就可以测量迅速变化的力的大小 在图甲所示的装置中 可视为质点的小滑块沿固定的光滑半球形容器内壁在竖直平面的AB之间往复运动 OA OB与竖直方向之间的夹角相等且都为 10 某次实验 用力传感器测得滑块对器壁的压力大小F随时间t变化的曲线如图乙所示 图中t 0时 滑块从A点开始运动 试根据力学规律和题中 包括图中 所给出的信息 求 1 压力大小F随时间t变化的周期与小滑块运动的周期之比 2 容器的半径和小滑块的质量 3 小滑块运动过程中的最大动能 取10m s2 南京市07届二模试卷18 解 1 读图可得 压力大小F随时间t变化的周期T1T1 0 2 s 经判断知滑块运动的周期T1是压力大小变化周期T2的1 2倍 故T1 T2 1 2 2 滑块在之间做类似于单摆的简谐运动 周期T2 0 4 s 得容器的半径 当滑块运动到最低点时 由牛顿第二定律 在A点时有 其中 滑块由A到最低点过程机械能守恒得 由 式解得小滑块的质量 m 0 10kg cos 0 99 3 当滑块运动到最低点时 滑块的最大动能最大 其值为 题目 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