2019-2020学年高中物理 第6章 传感器 2 传感器的应用课件 新人教版选修3-2

第2节传感器的应用第六章传感器1．了解传感器在日常生产、生活中的应用。2．理解传感器在电子秤、电熨斗、电饭锅中的应用。3．理解光传感器在火灾报警器中的应用。1．应变式力传感器可用来测量各种力，其中的应变片能把物体形变这个力学量转换为电压这个电学量。2．电熨斗因为装有双金属片温度传感器，所以它能够自动控制温度。双金属片上层金属的热膨胀系数大于下层金属。3．电饭锅中的温度传感器主要元件是感温铁氧体。4．有一种火灾报警器是利用了光传感器的作用，即利用烟雾对光的散射来工作。01课前自主学习一、传感器工作的一般模式二、传感器的应用实例1．力传感器的应用——电子秤(1)组成及敏感元件：由金属梁和组成，敏感元件是。(2)工作原理□1应变片□2应变片(3)作用：应变片将物体这个力学量转换为电压这个电学量。(4)应用：电子秤。□3形变2．温度传感器的应用实例3．光传感器的应用——火灾报警器如图所示，平时发光二极管LED发出的光线因挡板照射不到光电三极管上，光电三极管的电阻较大；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而发出警报。判一判(1)应变式力传感器中金属梁是敏感元件。()(2)感温铁氧体的温度上升到“居里温度”时，就会失去铁磁性。()(3)光电三极管在受到光照时呈高电阻状态。()×√提示：应变式力传感器中应变片是敏感元件。×提示：光电三极管在受到光照时呈低电阻状态。02课堂合作探究考点传感器问题的分析1．分析思路物理传感器是将所感受的物理量(如力、热、光等)转换为便于测量的电学量的器件。我们可以把传感器的应用过程分为三个步骤：(1)信息采集；(2)信息加工、放大、传输；(3)利用所获得的信息执行某种操作。2．分析传感器问题要注意四点(1)检测量分析：要明确传感器所检测的量，如力、热、光、磁、声等。(2)敏感元件分析：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。①以力传感器为例：传感器感受力的信息(如大小、方向是否变化等)后转化为电压、电流、电阻等电学量，然后经过放大，传输到执行机构进行某种操作(如借助继电器控制电路通断，借助仪表进行显示等)。②以光传感器为例：光传感器感受光的信息(如光的强弱、颜色等)，通过敏感元件(如光敏电阻、光电池等)将光的信息转化为电阻、电流等电学量，然后经过放大，传输到执行机构后执行某种操作。(1)传感器中的敏感元件用于接收非电学量，并将其转化为电学量。(2)传感器一般用于有害于人体或人们不能轻易到达的环境。例1压敏电阻的阻值会随所受压力的增大而减小。某位同学利用压敏电阻设计了判断电梯运动状态的装置，其装置示意图如图所示，将压敏电阻平放在电梯内，受压面朝上，在上面放一物体m，电梯静止时电流表示数为I0，电梯在不同的运动过程中，电流表的示数分别如图甲、乙、丙、丁所示，下列判断中不正确的是()A．甲图表示电梯可能做匀速直线运动B．乙图表示电梯可能做匀加速上升运动C．丙图表示电梯可能做匀加速上升运动D．丁图表示电梯可能做变减速下降运动1.压敏电阻的作用及特点是什么？提示：压敏电阻是把压力的大小转化为电阻大小的元器件，它的特点是随压力的增大电阻减小，反之电阻增大。2．本题思路为电流的情况反映出的情况，从而反映出的情况，即物体所受的情况，分析物体所受的判断出的情况，从而确定物体的。电阻压力支持力合外力加速度运动情况[解析]因为压敏电阻的阻值随着压力的增大而减小，根据欧姆定律有I＝UR，当电梯静止时，物体对压敏电阻的压力为mg，电流为I0＝UR，所以当电流为I0时，物体对压敏电阻的压力为mg，则物体处于平衡状态，故题图甲表示电梯可能做匀速直线运动，A正确；题图乙中电流在均匀增大，则压敏电阻阻值在均匀减小，则压力在均匀增大，且大于mg，则电梯的加速度向上，且均匀增大，则B错误，同理可判断题图丙电梯可能做匀加速上升运动，C正确；题图丁中电梯可能做变减速下降运动，D正确。[变式训练1]在例题中，若电流表示数如图所示，试分析t1～t3时间段内电梯的运动情况。答案t1～t2时间内电梯做加速度向上均匀减小到零再向下均匀增大的变加速运动；t2～t3时间内电梯做加速度向下、大小不变的匀变速运动。解析由题图结合压敏电阻的特点可知：t1～t2时间内电流均匀减小，所以压敏电阻所受的压力均匀减小，当II0时，压力大于物体重力，即物体所受支持力大于重力，当I＝I0时，支持力等于重力，当II0时，支持力小于重力，故电梯做加速度向上均匀减小到零再向下均匀增大的变加速运动。t2～t3时间内，电流不变，II0，说明电梯做加速度向下、大小恒定不变的匀变速运动。考点力传感器的应用力传感器的应用——电子秤(1)构成电子秤的测力装置是力传感器，常用的一种力传感器由一个金属梁和两个应变片组成，如图所示。(2)工作原理在金属梁没有受力的情况下，金属梁处于水平状态，梁的上下应变片的长度没变且相等，两应变片的电阻大小也相等，当给金属梁施加竖直向下的力时，金属梁会向下弯曲，使得金属梁上面的应变片被拉长，电阻变大，两端电压也变大，而下边的应变片被挤压收缩，电阻变小，两端的电压也减小，使得两应变片的两端电压值不相等，存在差值，经过放大电路将差值信号放大，再在显示器上显示出数字，即力F的大小。金属梁自由端受力F→梁发生弯曲→应变片的电阻变化→两应变片上电压变化作用：应变片将物体形变这个力学量转换为电压这个电学量。(3)应用力传感器常用于测量汽车载重，以及电子秤。(如图所示)例2如图是某同学在科技制作活动中自制的电子秤原理图，利用电压表(内电阻很大)的示数来指示物体的质量。托盘与电阻可忽略的弹簧相连，托盘与弹簧的质量均不计。滑动变阻器的滑动端与弹簧上端连接，当托盘中没有放物体时，电压表的示数为零。设变阻器的总电阻为R，总长度为L，电源电动势为E，内阻为r，限流电阻为R0，弹簧的劲度系数为k，若不计一切摩擦和其他阻力。(1)求出电压表示数Ux与所称物体质量m的关系式为Ux＝_________________；(2)由(1)的计算结果可知，电压表示数与待测物体质量不成正比，不便于制作刻度。为使电压表示数与待测物体质量成正比，请利用原有器材进行改进，在上图的基础上完成改进后的电路原理图，并得出电压表示数Ux与待测物体质量m的关系式为Ux＝____________________。mgERkLR0＋r＋mgRmgERR0＋r＋RLk1.改进前电子秤的工作原理是：放上重物，滑动变阻器指针，电压表测R的电压，R下面部分电阻被，电压表示数，所以刻度不均匀。2．电子秤改进以后，电压表测电压，电压表示数Ux＝，可见UxRx，所以电子秤刻度均匀。下移上面部分短路Ux＝Er＋R0＋RxRxRx部分Er＋R0＋RRx∝[解析](1)由胡克定律知mg＝kx，R连入电路中的有效电阻Rx＝RLx＝mgRkL，根据闭合电路的欧姆定律可知I＝ER0＋r＋Rx，Ux＝IRx＝mgERkLR0＋r＋mgR。(2)改进后的电路图如图所示。Ux＝ER0＋r＋R·RL·mgk＝mgERR0＋r＋RLk。力学传感器的分析方法(1)分析清楚力学传感器的工作原理，明确装置是如何将力这个非电学量转化为电学量是解决该类问题的关键。2涉及电路计算时，注意欧姆定律及分压原理的应用。[变式训练2](多选)关于电子秤中应变式力传感器的说法正确的是()A．应变片是由导体材料制成的B．当应变片的表面拉伸时，其电阻变大；反之，变小C．传感器输出的是应变片上的电压D．外力越大，输出的电压差值也越大解析应变片多用半导体材料制成，表面拉伸时，其电阻值变大，故选项A错误，B正确。传感器输出的是上、下两应变片上的电压差，并且随着外力的增大，输出的电压差值也增大，故C错误，D正确。考点温度传感器的应用1．温度传感器的应用——电熨斗(1)实验探究：取一个报废的日光灯启辉器，去掉外壳，敲碎氖泡的玻璃，可以看到一个U形的双金属片，双金属片的旁边有一根直立的金属丝，两者构成一对触点，常温下触点是分离的，用火焰靠近双金属片，可以看到双金属片的形状变化，与金属丝接触；熄灭火焰，双金属片逐渐恢复原状，两个触点分离。实验结论：这个启动器用于温控开关，可以控制小灯泡的亮和灭。(2)构造：电熨斗的结构，如图所示。(3)工作原理电熨斗的自动温控原理：内部装有双金属片的温度传感器，如图所示其作用是控制电路的通断。常温下，上、下触点应是接触的，但温度过高时，由于双金属片受热膨胀系数不同，上部金属膨胀大，下部金属膨胀小，双金属片向下弯曲，使触点分离，从而切断电源，停止加热；温度降低后，双金属片又恢复原状，重新接通电路加热，这样循环进行，起到自动控制温度的作用。2．温度传感器的应用——电饭锅(1)实验：取一块电饭锅用的感温铁氧体，使它与一小块的永磁体吸在一起，用功率较大的电烙铁给铁氧体加热，经过一段时间后会发生什么现象？实验现象：经过一段时间加热，铁氧体与永磁体分开。(2)感温铁氧体组成：氧化锰、氧化锌和氧化铁粉末混合烧结而成。特点：常温下具有铁磁性，能够被磁体吸引，温度达到约103℃时，失去铁磁性，这个温度称为该材料的居里点，又称居里温度。(3)结构：如图所示。(4)电饭锅的工作过程：开始煮饭时，用手压下开关按钮，永磁体与感温磁体相吸，手松开后，按钮不再恢复到图示状态，则触点接通，电热板通电加热，水沸腾后，由于锅内保持100℃不变，故感温磁体仍与永磁体相吸，继续加热，直到饭熟后，水分被大米吸收，锅底温度升高，当温度升至“居里点”到103℃时，感温磁铁失去铁磁性，在弹簧作用下，永磁体被弹开，触点分离，切断电源，从而停止加热。(5)如果用电饭锅烧水，是否能够实现自动控温？如果用电饭锅烧水，水沸腾后，锅内保持100℃不变，温度低于“居里点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，电饭锅用来烧水不能实现自动控温。例3如图所示是电饭煲的电路图，S1是一个温控开关，手动闭合后，当此开关温度达到居里点(103℃)时，会自动断开。S2是一个自动温控开关，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＝500Ω，加热电阻丝R3＝50Ω，两灯电阻不计。(1)分析电饭煲的工作原理；(2)计算加热和保温两种状态下，电饭煲消耗的电功率之比；(3)简要回答，如果不闭合开关S1能将饭煮熟吗？[答案]见解析1.开关S1、S2的通断是求解本题的一个关键。S1是一个温控开关，闭合后，当此开关温度达到居里点(103℃)时会。S2也是一个自动温控开关，当温度低于70℃时，；温度高于80℃，会。2．认清电路的连接是解题的另一个关键。S1、S2和黄灯及其保温电阻R1，黄灯和R1，加热电阻R3和红灯及其保护电阻R2，这两部分在电源上，S1、S2的闭合会使保温电阻及黄灯。手动自动断开会自动闭合自动断开并联串联并联串接短路[解析](1)接上电源，S2自动闭合，同时手动闭合S1。这时黄灯短路，红灯亮，电饭煲处于加热状态。加热到刚高于80℃时，S2自动断开，S1仍闭合；饭煮熟后，温度升高到103℃时，开关S1自动断开，黄灯亮，电饭煲处于保温状态。由于散热，待温度降至刚低于70℃时，S2自动闭合，电饭煲重新加热，温度达到刚高于80℃时，S2又自动断开，再次处于保温状态，如此循环。(2)加热时电饭煲消耗的电功率P1＝U2R并，保温时电饭煲消耗的电功率P2＝U2R1＋R并，两式中R并＝R2R3R2＋R3＝500×50500＋50Ω＝50011Ω。从而有P1P2＝R1＋R并R并＝500＋5001150011＝121。(3)如果不闭合开关S1，开