2019-2020学年高中物理 第六章 传感器 章末优化总结课件 新人教版选修3-2

章末优化总结01核心素养规律归纳02热点素养分类聚焦章末过关检测核心素养构建1.物理观念：传感器、热敏电阻、光敏电阻、霍尔元件2.科学思维1理解不同传感器的结构和特性2根据传感器的工作原理分析传感器在自控电路中所起的作用3.科学探究：探究传感器的工作原理知识体系1.传感器及其工作原理(1)定义：将非电学量转换为电学量或控制电路的通断的元件(2)敏感元件热敏电阻和金属热电阻——温度传感器光敏电阻——光传感器霍尔元件——磁传感器(3)工作流程：非电学量→敏感元件→转换元件→转换电路→电学量知识体系2.传感器的应用(1)工作模式：传感器――→放大转换电路执行机构显示器指针式电表数字屏计算机系统(2)应用力传感器——电子秤温度传感器电熨斗电饭锅光传感器——火灾报警器(3)实验光控开关温度报警器利用斯密特触发器可将连续变化的模拟信号转换为突变的数字信号的特点素养1传感器工作原理、常见敏感元件及应用1．传感器的工作原理传感器感受的都是非电学量，如力、热、磁、光、声等，而它输出的通常是电学量，这些输出信号一般都是非常微弱的，通常要经过放大后再传送给控制系统产生各种控制动作，传感器原理如框图所示．2．常见敏感元件及特性(1)光敏电阻：光敏电阻的阻值与所受光照的强度有关，光照增强电阻减小，光照减弱电阻增大．(2)金属热电阻：金属热电阻的电阻率随温度升高而增大．(3)热敏电阻：热敏电阻有正温度系数和负温度系数两种．正温度系数的热敏电阻的阻值随温度升高而增大，负温度系数的热敏电阻的阻值随温度升高而减小．(4)电容器：平行板电容器的电容与极板面积、极板间距及电介质材料有关，电容器可以感知引起电容变化的任一外界信息，并将其转化为电容变化．例如，当极板受力时会改变极板间距，从而引起电容变化．3．传感器的应用传感器的应用过程包括三个环节：感、传、用．(1)“感”是指传感器的敏感元件感受信息，并转化为电学量．(2)“传”是指通过电路等将传感器敏感元件获取并转化的电学信息传给执行机构．(3)“用”是指执行机构利用传感器传来的信息进行某种显示或某种动作．4．传感器电路问题的设计思路处理与传感器有关的电路设计问题时，可将整个电路分解为：(1)传感器所在的信息采集部分．(2)转化传输部分(这部分电路往往与直流电路的动态分析有关)．(3)执行电路．[典例1]热敏电阻是传感电路中常用的电子元件，现用伏安法研究负温度系数热敏电阻在不同温度下的伏安特性曲线，要求特性曲线尽可能完整．已知常温下待测热敏电阻的阻值约为40～50Ω.热敏电阻和温度计插入带塞的保温杯中，杯内有一定量的冷水，其他备用的仪表和器具有：盛有热水的热水瓶(图中未画出)、电源(3V、内阻可忽略)、直流电流表(内阻约1Ω)、直流电压表(内阻为5kΩ)、滑动变阻器(0～10Ω)、开关、导线若干．(1)图中，a、b、c三条图线能反映出热敏电阻的伏安特性的曲线是________．(2)在虚线框中画出实验电路图，要求测量误差尽可能小．(3)根据电路图，在图中的实物图上连线．[解析](1)负温度系数热敏电阻随温度的升高，阻值减小，在I­U图线中，任一点的IU＝1R，可见c正确．(2)热敏电阻约40～50Ω，由电压表、电流表内阻知临界阻值R0＝RVRA＝5000Ω＝502Ω，即热敏电阻属小电阻，应用“外接法”．因要描绘伏安特性曲线，电压从0开始连续变化．因此用滑动变阻器的“分压式”接法，电路图如图所示．(3)实物连线如图：[答案](1)c(2)图见解析(3)图见解析1．如图为某一热敏电阻(电阻值随温度的改变而改变，且对温度很敏感)的IU关系曲线图．(1)为了通过测量得到如图所示I­U关系的完整曲线，在图甲和图乙两个电路中应选择的是图________；简要说明理由：________________________.(电源电动势为9V，内阻不计，滑动变阻器的阻值为0～100Ω)(2)在如图所示电路中，电源电压恒为9V，电流表读数为70mA，定值电阻R1＝250Ω.由热敏电阻的I­U关系曲线可知，热敏电阻两端的电压为________V；电阻R2的阻值为________Ω.解析：(1)应选择图甲，因为图甲电路电压可从零调到所需电压，电压调节范围大．(2)由题图知R2与热敏电阻串联后与R1并联接在9V电源上，总电流I＝70mA，R1＝250Ω.设通过热敏电阻的电流为I2，通过R1的电流为I1，则I＝I1＋I2，故I2＝I－I1＝(70－9250×103)mA＝34mA.由图象查得34mA对应的电压为5.0V，R2两端电压U2＝9V－5.0V＝4.0V，所以R2＝4.0V34×10－3A＝117.6Ω.答案：(1)甲因为甲电路电压可从零调到所需电压，电压调节范围大(2)5.0117.6素养2日常生活中常见的传感器1．红外线传感器红外线传感器接收携带着信息的红外线，转换成电信号，从而得知辐射源的相关参数或信息．自然界几乎所有的物体都能辐射波长在0.76μm～1000μm的电磁波即红外线，因此红外线传感器不仅被广泛用于航空摄影、卫星遥感遥测等高科技领域，也被广泛用于日常生活中，自动门、生命探测器、非接触式红外测温仪、家电遥控系统以及防盗、防火报警器等均使用了红外线敏感传感器．自动门就应用了红外线传感器．自动门的工作流程如图所示．当有人接近自动门时，传感器接收到人体发出的红外线，产生电压输出信号；信号经过电路处理后，使定时器工作；由定时器构成的电路使继电器通电，自动门电动机转动，门自动打开；当人通过自动门几秒钟后，定时器又使继电器断电，自动门电动机反转，门自动关闭．2．压力传感器全自动洗衣机的水位控制装置中使用了压力传感器．图(a)中1和2分别是洗衣机的外筒和内筒，3是气室，4是传感器的膜盒．气室下部与外筒连通，上部与软管、传感器的膜盒连通．向内筒中注水时，水通过内筒壁上的小孔流入外筒，部分水进入气室，气室内被密封的空气压强增大，使传感器的膜片向上凸起如图(b)所示，当筒中水位到达设定的高度时，凸起的膜片使动触点a与静触点b脱离，并与静触点c接触，从而接通控制电路，关闭进水电磁阀门，接通洗涤电动机电源，开始洗涤衣物．3．电脑中的传感器电脑常用的两种温度传感器：热敏电阻传感器和集成温度传感器．以下是这两种温度传感器的工作原理．(1)热敏电阻传感器热敏电阻传感器按温度对电阻变化的影响一般可分为正温度系数热敏电阻、负温度系数热敏电阻，以及临界温度系数热敏电阻．正温度系数热敏电阻及临界温度系数热敏电阻的电阻特性会在特定温度下发生急剧变化，适用于温度检测或控制．负温度系数热敏电阻主要为氧化锰、氧化钴、氧化镍、氧化铜和氧化铝等金属氧化物的复合烧结体，这些金属氧化物材料都具有半导体性质，当温度较低时，半导体内的电子——空穴对数目较少，因此电阻较高．当温度升高时，热敏电阻内的电子——空穴对数目增加，因此导电率增加，电阻值下降．(2)集成温度传感器集成温度传感器是目前电脑普遍采用的温度传感器，具有精确度高、响应速度快、体积小、功耗低、软件界面控制方便等优点．温度检测的主要机制为集成温度传感器内部的电流源和ADC，集成温度传感器的工作原理是利用半导体PN正向导通，使电压与温度变化呈反向线性关系，所以后续处理电路可将正向导通电压变化趋势图线表述为被测温度的变化趋势．4．酒精浓度测试仪机动车驾驶员酒后驾车，极易发生道路交通事故，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．交通警察使用这样的酒精传感器就能迅速、准确地检查出机动车驾驶员是否酒后驾车．[典例2]在航天事业中要用角速度计测得航天器的自转角速度ω，结构如图所示，当系统绕轴OO′转动时元件A在光滑杆上发生滑动，并输出电信号成为航天器的制导信号源，已知A质量为m，弹簧的劲度系数为k，原长为l0，电源电动势为E，内阻不计，滑动变阻器总长为l，电阻分布均匀，系统静止时滑动变阻器触头P在中点，与固定接头Q正对，当系统以角速度ω转动时，求：(1)弹簧形变量x与ω的关系式；(2)电压表示数U与角速度ω的关系式．[解析](1)由圆周运动规律知kx＝mω2R＝mω2(l0＋x)，即kx－mω2x＝mω2l0，所以x＝mω2l0k－mω2.(2)由串联电路的规律知U＝xlE＝mω2l0Elk－mω2.[答案](1)x＝mω2l0k－mω2(2)U＝mω2l0Elk－mω22.酒精测试仪用于对机动车驾驶人员是否酒后驾车及其他严禁酒后作业人员的现场检测，它利用的是一种二氧化锡半导体型酒精气体传感器．酒精气体传感器的电阻随酒精气体浓度的变化而变化，在如图所示的电路中，不同的酒精气体浓度对应着传感器的不同电阻，这样，显示仪表的指针就与酒精气体浓度有了对应关系．如果二氧化锡半导体型酒精气体传感器电阻r′的倒数与酒精气体的浓度成正比，那么，电压表示数U与酒精气体浓度c之间的对应关系正确的是()A．U越大，表示c越大，c与U成正比B．U越大，表示c越大，但是c与U不成正比C．U越大，表示c越小，c与U成反比D．U越大，表示c越小，但是c与U不成反比解析：传感器电阻r′的倒数与浓度c是正比关系，即1r′＝kc.电路中的电流为I＝Er′＋R＋R0＋r，电压表示数U＝IR0＝ER0r′＋R＋R0＋r＝kR0EkR＋R0＋r＋1c，可见电压与浓度的关系不是正比关系，但随浓度的增加而增加，故B正确．答案：B