2020高中物理3.1 认识传感器 学案（粤教版选修3-2）

2020高中物理3.1 认识传感器 学案（粤教版选修3-2）

3.1 认识传感器 学案（粤教版选修 3-2） 1．国家标准(GB7665－87)给出的传感器定义是：能感受规定的被测量，并按照 一定的规律转换成可用信号的器件或装置，通常由____________、____________和 ____________组成． 2．传感器是一种________装置，能感受到被测量的________，并能将检测感受 到的信息按一定规律变换成为________或其他所需形式的信息输出，以满足信息的 ________、处理、________、显示、记录和________等要求． 3．传感器可按下列三种不同的方法进行分类：(1)按__________分类；(2)按 ____________分类；(3)按________________分类． 4．为解决楼道的照明问题，在楼道内安装一个传感器与控制电灯的电路相接．当 楼道内有走动且发出声响时，电灯即被电源接通而发光，这种传感器为________传 感器，它输入的是________信号，经传感器转换后，输出的是________信号． 5． (双选)下述仪器或装置用到传感器的有( ) A．自动报警器 B．天平 C．电视遥控器 D．秒表 6．(双选)传感器是一种采集信息的重要器件，如图 1 所示是一种测定压力的电 容式传感器，当待测压力 F 作用于可动膜片电极上时，可使膜片产生形变，引起电 容的变化，将电容器、灵敏电流计和电源串接成闭合电路，那么以下说法正确的是 ( ) 图 1 A．若 F 向上压膜片电极时，电容将减小 B．若电流计有示数，则压力 F 发生变化 C．若电流计有向右的电流通过，则压力 F 在增大 D．电流计有向右的电流通过，则压力 F 在减小 7．在电梯门口放置一障碍物，会发现电梯门不停地开关，这是由于在电梯门上 装有的传感器是( ) A．光传感器 B．温度传感器 C．声传感器 D．压力传感器 【概念规律练】 知识点一 电容式话筒的工作原理 1．(双选)电容式话筒的保真度比动圈式话筒好，其工作原理如图 2 所示．Q 是 绝缘支架，薄金属膜 M 和固定电极 N 形成一个电容器，被直流电流充电．当声波使 膜片振动时，电容发生变化，电路中形成变化的电流．当膜片向右运动的过程中， 有( ) 图 2 A．电容变大 B．电容变小 C．导线 AB 中有向左的电流 D．导线 AB 中有向右的电流 2．(双选)如图 3 所示，电容式话筒右侧固定不动的金属板 b 与能在声波驱动下 沿声源水平方向振动的镀有金属层的振动膜 a 构成一个电容器，a、b 分别通过导线 与恒定电源两极相接．声源 S 做位移为 x＝Asin 2 000πt 的振动，则有( ) 图 3 A．a 振动过程中 a、b 板之间的电场强度不变 B．导线中的电流的频率为 2 000 Hz C．导线中的电流的频率为 1 000 Hz D．a 向右位移最大时，a、b 板形成的电容最大 知识点二 霍尔元件 3．如图 4 所示，有电流 I 流过长方体金属块，金属块宽为 d，高为 b，有一磁 感应强度为 B 的匀强磁场垂直于纸面向里，金属块单位体积内的自由电子数为 n， 问：金属块上、下表面哪面电势高？电势差是多少？ 图 4 4．图 5 是霍尔元件的工作原理示意图，如果用 d 表示薄片的厚度，k 为霍尔系 数，对于一个霍尔元件 d、k 为定值，如果保持 I 恒定，则可以验证 UH 随 B 的变化 情况．以下说法不正确的是(工作面是指较大的平面)( ) 图 5 A．将永磁体的一个磁极逐渐靠近霍尔元件的工作面，UH 将变大 B．在测定地球两极的磁场强弱时，霍尔元件的工作面应保持水平 C．在测定地球赤道上的磁场强弱时，霍尔元件的工作面应保持水平 D．改变磁感线与霍尔元件工作面的夹角，UH 将发生变化 【方法技巧练】 传感器电路的分析技巧 5．动圈式话筒和磁带录音机都应用了电磁感应现象，图 6 甲所示是话筒原理图， 图乙所示是录音机的录音、放音原理图，由图可知 图 6 ①话筒工作时磁铁不动，线圈移动而产生感应电流 ②录音机放音时变化的磁场在静止的线圈里产生感应电流 ③录音机放音时线圈中变化的电流在磁头缝隙处产生变化的磁场 ④录音机录音时线圈中变化的电流在磁头缝隙处产生变化的磁场 其中正确的是( ) A．②③④ B．①②③ C．①②④ D．①③④ 6．如图 7 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，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： 图 7 (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 x1； (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校准零点，其方法是：调节 P2，使 P2 离 A 的距 离也为 x1，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． 参考答案 课前预习练 1．敏感元件 转换元件 转换电路 2．检测 信息 电信号 传输 存储 控制 3．被测量 工作原理 能量传递方式 4．声电 声 电 5．AC 6.BC 7．D [当电梯门碰到人或其他障碍物时立即停止关门以防挤伤人，故为压力传 感器．] 课堂探究练 1．AC [由电容器的电容公式 C＝ εrS 4πkd 可知，当膜片向右运动时，相当于电容 器两极间的距离变小，电容变大，电源对电容器充电，电流的方向由电源的正极流 向负极，故导线 AB 中有向左的电流．] 2．CD [a 振动过程中，a、b 间距变化，由平行板电容器公式可知电容 C 变化， 且 a 向右位移最大时，a、b 板电容最大，则 A 错，D 对；振动过程中，电容器不断 地充放电，导线中电流频率与 a 的振动频率一致，C 正确，B 错．] 点评 电容式话筒的薄金属膜和固定电极形成一个电容器，被充电后，声波使 膜振动，电容变化，形成变化的电流． 3．下表面电势高 IB ned 解析 因为自由电荷为电子，故由左手定则可判定向上偏，则上表面聚集负电 荷，下表面带多余等量的正电荷，故下表面电势高，设其稳定电压为 U.当运动电荷 所受电场力与洛伦兹力平衡时，有 eU b ＝evB，又因为导体中的电流 I＝neSv＝ nev·bd，故 U＝ IB ned . 点评 当电流在导体中流动时，运动电荷在洛伦兹力作用下，分别向导体上、 下表面聚集，在导体中形成电场，其中上表面带负电，电势低，随着正、负电荷不 断向下、上表面积累，电场增强，当运动电荷(Q)所受电场力与洛伦兹力平衡时，即 QE＝QvB 时，电荷将不再向上或向下偏转，上、下表面间形成稳定电压． 4．C [根据公式 UH＝k IB d 可以看出，当磁极靠近霍尔元件的工作面时，B 增大， UH 将变大，选项 A 正确；在地球两极附近，可以认为地磁场与水平面垂直，霍尔元 件的工作面保持水平，选项 B 正确；而在赤道上，地磁场与水平面平行．若霍尔元 件的工作面保持水平，则无电压产生，选项 C 不正确；改变磁感线与霍尔元件工作 面的夹角，相当于改变了霍尔系数 k，UH 将发生变化，选项 D 正确；故选 C.] 点评 霍尔元件把磁感应强度这个磁学量转换为电压这个电学量，电压与磁感 应强度的关系式为 UH＝kIB d . 5．C [话筒的工作原理是，声波迫使金属线圈在磁铁产生的磁场中振动产生感 应电流，①正确；录音时，话筒产生的感应电流经放大电路放大后在录音机磁头缝 隙处产生变化的磁场，④正确；磁带在放音时通过变化的磁场使放音头产生感应电 流，经放大电路后再送到扬声器中，②正确．] 6．(1) m0g k (2) m＋m0 g k (3)m＝kL gE U 解析 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． (1)由力的平衡知识知 m0g＝kx1，解得 x1＝m0g k (2)放上重物重新平衡后 m0g＋mg＝kx2 解得 x2＝ m＋m0 g k (3)由闭合电路欧姆定律知 E＝IR， 由部分电路欧姆定律知 U＝IR 串， 由R 串 R ＝x L ，其中 x 为 P1、P2 间的距离，则 x＝x2－x1＝mg k 联立解得 m＝kL gE U 方法总结 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．