2020版高中物理 第六章 传感器2 传感器的应用

2020版高中物理 第六章 传感器2 传感器的应用

‎2　传感器的应用 3　实验：传感器的应用 ‎[学习目标] 1.了解传感器在日常生活和生产中的应用.2.了解传感器应用的一般模式.3.能设计简单的应用传感器的控制电路．‎ 一、力传感器的作用及原理 ‎1．应变式力传感器可以用来测重力、压力、拉力等各种力．‎ ‎2．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．‎ 二、温度传感器的工作原理 ‎1．双金属片温度传感器的工作原理：温度变化时，因双金属片上层金属与下层金属的热膨胀系数不同，双金属片发生弯曲从而控制电路的通断．‎ ‎2．(1)电饭锅中温度传感器为感温铁氧体．感温铁氧体常温下具有铁磁性，温度上升到约‎103 ℃‎时，失去铁磁性，这一温度称为该材料的“居里温度”或“居里点”．‎ ‎(2)用手按下开关按钮通电加热，开始煮饭，当锅内温度达到103_℃时，感温铁氧体失去磁性，与永久磁铁失去吸引力，被弹簧弹开，从而推动杠杆使触点开关断开．‎ 三、光传感器的原理及应用 ‎1．光传感器能把光信号转化为电信号．‎ ‎2．最常见的光传感器有光敏电阻、光电管、光电二极管、光电三极管等．‎ ‎3．典型的应用，如鼠标、火灾报警器、光敏自动计数器等．‎ ‎[即学即用]‎ 8‎ ‎1．判断下列说法的正误．‎ ‎(1)电子秤中的应变片的电阻随形变大小而变化．(　√　)‎ ‎(2)电熨斗和电饭锅都是利用双金属片控制电路通断的．(　×　)‎ ‎(3)火灾报警器中的光电三极管的电阻随光照的增强而变小．(　√　)‎ ‎(4)利用红外线敏感元件可以实现无接触测温．(　√　)‎ ‎2．电子打火机的点火原理是压电效应，压电片在受压时会在两侧形成电压且电压大小与压力近似成正比．现有一利用压电效应制造的电梯加速度传感器，如图1所示．压电片安装在电梯地板下，电压表与压电片构成闭合回路用来测量压电片两侧形成的电压．若发现电压表示数增大，则电梯加速度一定________(填“向上”或“向下”)，电梯可能________(填“加速”或“减速”)下降．‎ 图1‎ 答案　向上　减速 一、力传感器的应用——电子秤 ‎[导学探究]　如图2所示是一个应变式力传感器，弹簧钢制成的梁形元件右端固定，在梁的上下表面各贴一个应变片．结合力传感器的特点，叙述它的工作原理．‎ 图2‎ 答案　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．力F越大，弯曲形变越大，应变片的电阻变化就越大．如果让应变片中通过的电流保持恒定，那么上表面应变片两端的电压变大，下表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．力F越大，输出的电压差值也就越大．‎ 例1　(多选)为了锻炼身体，小明利用所学物理知识设计了一个电子拉力计，如图3所示是原理图．轻质弹簧右端和金属滑片P固定在一起(弹簧的电阻不计，P与R1间的摩擦不计)，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处于a端．下列关于这个电路的说法正确的是(不计电源内阻)(　　)‎ 8‎ 图3‎ A．小明在电路中连入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，回路短路会损坏电源，R0的存在使电路不出现短路，因此A正确；当拉环不受力时，滑片P在a端，由闭合电路欧姆定律得，I＝＝‎0.1 A，故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，由闭合电路欧姆定律得，I′＝＝‎0.3 A，故D错误，C正确．‎ 二、温度传感器的应用——电熨斗、电饭锅 ‎[导学探究]　(1)如图4所示为电熨斗的构造，其中双金属片上层金属的热膨胀系数大于下层金属．常温下，电熨斗的上、下触点应当是接触的还是分离的？当温度过高时双金属片将怎样起作用？‎ 图4‎ ‎(2)电饭锅的结构如图5所示．‎ 图5‎ ‎①开始煮饭时为什么要压下开关按钮？手松开后这个按钮是否会恢复到图示的状态？为什么？‎ 8‎ ‎②煮饭时水沸腾后锅内是否会大致保持一定的温度？为什么？如果用电饭锅烧水，能否在水沸腾后自动断电？‎ ‎③饭熟后，水分被大米吸收，锅底的温度会有什么变化？这时电饭锅会自动发生哪些动作？‎ 答案　(1)常温时，电熨斗的上、下触点接触，这样电熨斗接通电源后能进行加热．当温度过高时双金属片膨胀，因上层的热膨胀系数较大，故上层膨胀的厉害，双金属片向下弯曲，弯曲到一定程度后，两触点分离，电路断开，电热丝停止加热；当温度降低后，双金属片恢复原状，重新接通电路加热．‎ ‎(2)①煮饭时压下开关按钮，感温磁体与永磁体相互吸引结合在一起，触点相接，电路接通，开始加热，手松开后，由于锅内的温度低，感温磁体与永磁体相互吸引而不能使按钮恢复到图示的状态．‎ ‎②煮饭时水沸腾后锅内的温度基本保持在水的沸点不变．因为水沸腾时，温度不变．　不能自动断电，因为如果用电饭锅烧水，水沸腾后，锅内的温度保持在‎100 ℃‎不变，低于“居里温度”(‎103 ℃‎)，电饭锅不能自动断电，只有水烧干后，温度升高到‎103 ℃‎才能自动断电，因此用电饭锅来烧水、煲汤不能实现自动控温．‎ ‎③饭熟后，水分被大米吸收，锅底的温度会升高，当温度上升到“居里温度”(约‎103 ℃‎)时，感温磁体失去磁性，在弹簧作用下永磁铁与之分离，开关自动断开，且不能自动复位．‎ 例2　如图6所示是自动调温式电熨斗，下列说法不正确的是(　　)‎ 图6‎ 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化为熨烫棉麻衣物状态，应使调温旋钮下移一些 答案　C 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，切断电源，切断温度要升高则应使调温旋钮下移一些，A、B、D对，C错．‎ 例3　(多选)电饭锅的结构图如图7所示，如果感温磁体的“居里温度”为‎103 ℃‎时，下列说法中正确的是(　　)‎ 8‎ 图7‎ A．常温下感温磁体具有较强的磁性 B．当温度超过‎103 ℃‎时，感温磁体的磁性较强 C．饭熟后，水分被大米吸收，锅底的温度会达到‎103 ℃‎，这时开关按钮会跳起 D．常压下只要锅内有水，锅内的温度就不可能达到‎103 ℃‎，开关按钮就不会自动跳起 答案　ACD 8‎ ‎三、光传感器的应用——火灾报警器 ‎[导学探究]　如图8所示是火灾报警器的内部结构，它由发光二极管LED、光电三极管和不透明的挡板组成，请简述它的工作原理．‎ 图8‎ 答案　正常情况下，光电三极管接收不到LED发出的光，呈现高电阻状态，当烟雾进入罩内后对光有散射作用，使部分光线照射到光电三极管上，其电阻变小，与传感器连接的电路检测出这种变化，就会发出警报．‎ 例4　如图9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，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(　　)‎ 图9‎ A．进入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，C对.‎ ‎1．(力传感器的应用)压敏电阻的阻值随所受压力的增大而减小，在升降机中将重物放在压敏电阻上，压敏电阻接在如图10甲所示的电路中，电流表示数变化如图乙所示，某同学根据电流表的示数变化情况推断升降机的运动状态，下列说法中正确的是(　　)‎ 8‎ 图10‎ A．0～t1时间内，升降机一定匀速运动 B．0～t1时间内，升降机可能减速上升 C．t1～t2时间内，升降机可能匀速上升 D．t1～t2时间内，升降机可能匀加速上升 答案　B 解析　在0～t1时间内，电流恒定，表明压敏电阻的阻值恒定，则重物对压敏电阻的压力恒定，则升降机可能处于静止、匀速运动或匀变速直线运动状态，故A选项错误，B选项正确；t1～t2时间内，电流在增加，表明压敏电阻的阻值在减小，则重物对压敏电阻的压力在增大，重物的加速度是变化的，故不可能做匀速运动或匀加速运动，C、D选项错误．‎ ‎2．(温度传感器的应用)传感器的种类多种多样，其性能也各不相同，空调机在室内温度达到设定的温度后，会自动停止工作，空调机内使用的传感器是(　　)‎ A．生物传感器 B．红外传感器 C．温度传感器 D．压力传感器 答案　C ‎3．(温度传感器的应用)小强用恒温箱进行实验时，发现恒温箱的温度持续升高，无法自动控制．经检查，恒温箱的控制器没有故障．参照图11，下列对故障判断正确的是(　　)‎ 图11‎ A．只可能是热敏电阻出现故障 B．只可能是温度设定装置出现故障 C．热敏电阻和温度设定装置都可能出现故障 D．可能是加热器出现故障 答案　C 8‎ 解析　由恒温箱原理图可知，若热敏电阻出现故障或温度设定装置出现故障都会向控制器传递错误信息，导致控制器发出错误指令，故C正确，A、B错误．若加热器出现故障，只有一种可能，即不能加热，而题中加热器一直加热才会使温度持续升高，故D错误．‎ ‎4．(温度传感器的应用)某学习小组的同学在用多用电表研究热敏特性实验中，安装好如图12所示的装置．向杯内加入冷水，温度计的示数为‎20 ℃‎，多用电表选择适当的倍率，读出热敏电阻的阻值R1.然后向杯内加入热水，温度计的示数为‎60 ℃‎，发现多用电表的指针偏转角度较大，则下列说法正确的是(　　)‎ 图12‎ A．多用电表应选用电流挡，温度升高换用大量程测量 B．多用电表应选用电流挡，温度升高换用小量程测量 C．多用电表应选用欧姆挡，温度升高时换用倍率大的挡 D．多用电表应选用欧姆挡，温度升高时换用倍率小的挡 答案　D 解析　测电阻应选用欧姆挡．当温度升高时，热敏电阻受温度变化的影响，多用电表偏转角度增大，说明电阻阻值变小，所以应换用倍率小的挡，故D正确．‎ ‎5．(光传感器的应用)某楼梯口的电灯开关装有传感器，天黑时，出现声音才能发光，而白天即使有声音，电灯也不能发光，该开关中有两种传感器，它们可能是(　　)‎ A．热敏电阻和光敏电阻 B．金属热电阻和光敏电阻 C．热敏电阻和霍尔元件 D．光敏电阻和驻极体话筒 答案　D 解析　两种传感器分别把声音信号转换为电信号、把光信号转换为电信号，所以选项D正确．‎ ‎6．(光传感器的应用)当出现某疫情时，在机场、车站等交通出入口，使用红外线热像仪，红外线热像仪通过红外线遥感，可检测出经过它时的发热病人，从而可以有效控制疫情的传播．关于红外线热像仪，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．红外线热像仪通过发射红外线照射人体来检测 C．红外线热像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　红外线热像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D正确．‎ 8‎