2017_2018學(xué)年高中物理第4章傳感器與現(xiàn)代社會同步備課（課件學(xué)案）（打包6套）滬科版.zip

2017_2018學(xué)年高中物理第4章傳感器與現(xiàn)代社會同步備課（課件學(xué)案）（打包6套）滬科版.zip,2017,_2018,學(xué)年,高中物理,傳感器,現(xiàn)代社會,同步,備課,課件,打包,滬科版 學(xué)案2　用傳感器做實驗　信息時代離不開傳感器 [目標(biāo)定位] 1.知道溫度傳感器、力傳感器的原理和應(yīng)用.2.理解霍爾元件的原理.3.了解現(xiàn)代生產(chǎn)、生活中常用的傳感器． 一、實驗中常見的幾種傳感器的分析 1．溫度傳感器的原理 溫度傳感器是利用熱敏電阻的阻值會隨溫度的變化而變化的原理制成的，它能把溫度這個熱學(xué)量轉(zhuǎn)換為電壓這個電學(xué)量．如各種家用電器(空調(diào)、冰箱、熱水器、飲水機等)的溫度控制器、火警報警器、恒溫箱等． 2．力傳感器的原理 如圖1所示，力傳感器可以用來測重力、壓力、拉力等各種力，應(yīng)變片能夠把物體形變這個力學(xué)量轉(zhuǎn)換為電壓這個電學(xué)量． 3．磁傳感器的原理(霍爾效應(yīng)的應(yīng)用) (1)霍爾元件是一種磁敏感元件． (2)霍爾效應(yīng)：如圖2所示，在金屬薄片相對的兩側(cè)面通以控制電流I，在與薄片垂直方向施加磁感應(yīng)強度為B的磁場，那么，在垂直于電流和磁場方向的另外兩個側(cè)面將產(chǎn)生與控制電流和磁場成正比的電動勢UH，這種現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)，即UH＝RH. 　 圖1　　　　　　圖2 圖3 例1　(多選)如圖3所示是霍爾元件的工作原理示意圖，如果用d表示薄片的厚度，k為霍爾系數(shù)，對于一個霍爾元件d、k為定值，如果保持I恒定，則可以驗證UH隨B的變化情況．以下說法中正確的是(工作面是指較大的平面)(　　) A．將永磁體的一個磁極逐漸靠近霍爾元件的工作面，UH將變大 B．在測定地球兩極的磁場強弱時，霍爾元件的工作面應(yīng)保持水平 C．在測定地球赤道上的磁場強弱時，霍爾元件的工作面應(yīng)保持水平 D．改變磁感線與霍爾元件工作面的夾角，UH將發(fā)生變化 答案　ABD 解析　將永磁體的磁極逐漸靠近霍爾元件的工作面時，B增大，I恒定，由公式UH＝知UH將變大，選項A正確；地球兩極的磁場方向在豎直方向上，所以霍爾元件的工作面應(yīng)保持水平，使B與工作面垂直，選項B正確；地球赤道上的磁場沿水平方向，只有霍爾元件的工作面在豎直方向且垂直于南北時，B才與工作面垂直，選項C錯誤；改變磁感線與霍爾元件工作面的夾角，B在垂直工作面方向上的大小發(fā)生變化，UH將發(fā)生變化，選項D正確． 例2　按圖4所示連接好電路，合上S，發(fā)現(xiàn)小燈泡不亮，原因是__________________________； 用電吹風(fēng)對熱敏電阻吹一會兒，會發(fā)現(xiàn)小燈泡________，原因是_________________________； 停止吹風(fēng)，會發(fā)現(xiàn)___________________________________________；把熱敏電阻放入冷水中會發(fā)現(xiàn)__________________________________． 圖4 答案　由于熱敏電阻阻值較大，左側(cè)電路電流較小，電磁鐵磁性較弱吸不住銜鐵　亮了　電吹風(fēng)對熱敏電阻加熱使其阻值變小，電路中電流增大，電磁鐵吸住銜鐵，右側(cè)電路接通　小燈泡不會立即熄滅，因為熱敏電阻溫度仍然較高　小燈泡熄滅 二、隨處可見的傳感器 1．紅外測溫儀：是一種將紅外輻射波轉(zhuǎn)換成電信號的傳感裝置． 2．?dāng)?shù)碼相機和攝像機：敏感元件叫做電荷耦合器件(CCD)，它能將光信號轉(zhuǎn)換成模擬電信號，模擬電信號再通過A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字電信號． 3．酒精濃度測試儀：敏感元件是酒精傳感器． 在生活中還有煤氣報警器、火警報警器、紅外報警器、防盜報警器等等．工業(yè)生產(chǎn)中有熱軋生產(chǎn)線上的傳感器，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中有空氣濕度傳感器、土壤濕度傳感器、土壤營養(yǎng)傳感器等等． 例3　如圖5所示是會議室和賓館房間的天花板上裝有的火災(zāi)報警器的結(jié)構(gòu)原理圖，罩內(nèi)裝有發(fā)光二極管LED、光電三極管和不透明的擋板．平時光電三極管接收不到LED發(fā)出的光，呈現(xiàn)高電阻狀態(tài)．發(fā)生火災(zāi)時，下列說法正確的是(　　) 圖5 A．進(jìn)入罩內(nèi)的煙霧遮擋了光線，使光電三極管電阻更大，檢測電路檢測出變化發(fā)出警報 B．光電三極管溫度升高，電阻變小，檢測電路檢測出變化發(fā)出警報 C．進(jìn)入罩內(nèi)的煙霧對光有散射作用，部分光線照到光電三極管上，電阻變小，發(fā)出警報 D．以上說法均不正確 答案　C 解析　由火災(zāi)報警器的原理可知，發(fā)生火災(zāi)時煙霧進(jìn)入罩內(nèi)，使光發(fā)生散射，部分光線照到光電三極管上，電阻變小，與傳感器相連的電路檢測出這種變化，發(fā)出警報，C對． 例4　電飯煲的工作原理如圖6所示，可分為兩部分，即控制部分：由S2、R1和黃燈組成．工作(加熱)部分：由發(fā)熱電阻R3、R2和紅燈組成，S1是一個磁鐵限溫開關(guān)，手動閉合，當(dāng)此開關(guān)的溫度達(dá)到居里點(103℃)時， 圖6 自動斷開，且不能自動復(fù)位(閉合)，S2是一個雙金屬片自動開關(guān)，當(dāng)溫度達(dá)到70℃～80℃時，自動斷開，低于70℃時，自動閉合，紅燈、黃燈是指示燈，通過的電流必須較小，所以R1、R2起________作用，R3是發(fā)熱電阻，由于煮飯前溫度低于70℃，所以S2是________(填“斷開的”或“閉合的”)．接通電源并按下S1后，黃燈滅而紅燈亮，R3發(fā)熱，當(dāng)溫度達(dá)到70℃～80℃時，S2斷開，當(dāng)溫度達(dá)到103℃時飯熟，S1斷開，當(dāng)溫度降到70℃以下時，S2閉合，電飯煲處于保溫狀態(tài)，由以上描述可知R2________R3(填“＜”“＝”或“＞”)，若用電飯煲燒水時，直到水被燒干S1才會斷開，試解釋此現(xiàn)象． 答案　見解析 解析　R1、R2起的作用是限流，防止指示燈(氖泡)因電流過大而燒毀，S2是自動控制溫度開關(guān)，當(dāng)溫度低于70℃時自動閉合，當(dāng)溫度達(dá)到70℃～80℃時又自動斷開，使電飯煲處于保溫狀態(tài)，由于R3的功率較大，因此R2＞R3.由于開關(guān)S1必須當(dāng)溫度達(dá)到103℃時才自動斷開，而水的沸點只有100℃，因此用電飯煲燒水時，直到水被燒干后S1才會斷開． 三、信息社會離不開傳感器 智能式傳感器集信息檢測、信息處理、信息記憶、邏輯思維和判斷功能于一身，把計算機、各種用途的傳感器和輸入輸出接口等制在同一塊芯片上，即成為大規(guī)模集成電路智能傳感器． 四、遙測與遙感 遙感遙測的基本原理是通過遙感傳感器對觀測目標(biāo)產(chǎn)生的電磁波、熱輻射進(jìn)行遠(yuǎn)距離收集、轉(zhuǎn)換，用計算機處理、識別，得出結(jié)論．主要應(yīng)用在地球資源勘測、環(huán)境監(jiān)控、氣象預(yù)報、軍事偵察等方面. 1．(傳感器的應(yīng)用實例)(多選)壓敏電阻的阻值會隨所受壓力的增大而減?。煌瑢W(xué)利用壓敏電阻設(shè)計了判斷升降機運動狀態(tài)的裝置，如圖7甲所示，將壓敏電阻平放在升降機內(nèi)，受壓面朝上，在上面放一物體m，升降機靜止時電流表示數(shù)為I0.某過程中電流表的示數(shù)如圖乙所示，則在此過程(　　) 圖7 A．物體處于失重狀態(tài) B．物體處于超重狀態(tài) C．升降機一定向上做勻加速運動 D．升降機可能向下做勻減速運動 答案　BD 解析　電流表的示數(shù)變?yōu)?I0且保持不變，說明壓敏電阻的阻值比升降機靜止時小，壓敏電阻所受壓力變大，物體處于超重狀態(tài)，即物體具有向上的加速度，B、D正確，A、C錯誤． 2．(傳感器的應(yīng)用實例)在家用電熱滅蚊器中，電熱部分主要元件是PTC元件，PTC元件是由鈦酸鋇等半導(dǎo)體材料制成的電阻器，其電阻率ρ隨溫度t的變化關(guān)系如圖8所示，由于這種特性，PTC元件具有發(fā)熱、保溫雙重功能．對此，以下判斷正確的是 (　　) 圖8 ①通電后，其電功率先增大后減小?、谕姾?，其電功率先減小后增大?、郛?dāng)其產(chǎn)生的熱量與散發(fā)的熱量相等時，溫度保持在t1不變?、墚?dāng)其產(chǎn)生的熱量與散發(fā)的熱量相等時，溫度保持在t1和t2之間的某一值不變 A．①② B．②③ C．②④ D．①④ 答案　D 解析　當(dāng)溫度由零升到t1的過程中，PTC的電阻率ρ隨溫度升高而減小，其電阻R隨之減小，由于加在滅蚊器上的電壓U保持不變，滅蚊器的熱功率P隨之增大，當(dāng)t＝t1時，P＝P1達(dá)到最大．當(dāng)溫度繼續(xù)升高，ρ增大，R增大，P減小；而溫度越高，其與外界環(huán)境溫度的差別也就越大，電熱滅蚊器的散熱功率P′也就越大，因此在這之間的某一溫度t3會有P＝P3＝P′，即電熱功率P減小到等于散熱功率時，即達(dá)到保溫；當(dāng)t＜t3時，P＞P′，使溫度自動升高到t3；當(dāng)t＞t3時，P＜P′，使溫度自動降到t3，實現(xiàn)自動保溫，正確選項為D. 3．(傳感器的應(yīng)用分析)如圖9所示是一種自動控制水溫的裝置，加熱電路的兩個端點P、Q應(yīng)接到觸頭a、b上還是c、d上？熱敏電阻兩端M、N應(yīng)接到哪兩個觸頭上？ 圖9 答案　見解析 解析　P、Q應(yīng)該分別接在觸頭a、b上，同時，M、N應(yīng)該分別接e、f，其工作原理是：當(dāng)水溫升高時，熱敏電阻阻值減小，電磁鐵中電流增大，吸引力增大，使銜鐵被吸下，a、b斷開，使加熱裝置停止加熱；當(dāng)水溫降低到一定程度時，熱敏電阻阻值增大，電磁鐵中電流減小，吸引力減小，銜鐵被彈簧彈上去，使a、b之間連接，加熱裝置開始加熱，從而實現(xiàn)水溫控制． 題組一　傳感器應(yīng)用實例 1．在電梯門口放置一障礙物，會發(fā)現(xiàn)電梯門不停地開關(guān)，這是由于在電梯門上裝有的傳感器是(　　) A．光傳感器 B．溫度傳感器 C．聲傳感器 D．壓力傳感器 答案　A 解析　在電梯門口放置一障礙物，電梯門不停地開關(guān)，說明電梯門口有一個光傳感器，故A選項正確． 2．(多選)電飯鍋的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，如果感溫磁體的“居里溫度”為103 ℃時，下列說法中正確的是(　　) 圖1 A．常溫下感溫磁體具有較強的磁性 B．當(dāng)溫度超過103 ℃時，感溫磁體的磁性較強 C．飯熟后，水分被大米吸收，鍋底的溫度會達(dá)到103 ℃，這時開關(guān)按鈕會跳起 D．常壓下只要鍋內(nèi)有水，鍋內(nèi)的溫度就不可能達(dá)到103 ℃，開關(guān)按鈕就不會自動跳起 答案　ACD 3．某樓梯口的電燈開關(guān)裝有傳感器，天黑時，出現(xiàn)聲音才能發(fā)光，而白天即使有聲音，電燈也不能發(fā)光，該開關(guān)中有兩種傳感器元件，它們可能是(　　) A．熱敏電阻和光敏電阻 B．金屬熱電阻和光敏電阻 C．熱敏電阻和霍爾元件 D．光敏電阻和駐極體話筒 答案　D 解析　兩種傳感器分別把聲音信號轉(zhuǎn)換為電信號，把光信號轉(zhuǎn)換為電信號，所以選項D正確． 4．如圖2所示是一個測定液面高度的傳感器，在導(dǎo)線芯的外面涂上一層絕緣物質(zhì)，放在導(dǎo)電液體中，導(dǎo)線芯和導(dǎo)電液體構(gòu)成電容器的兩極，把這兩極接入外電路，當(dāng)電容值增大引起外電路的電流變化時，說明導(dǎo)電液體的深度h(　　) 圖2 A．增大 B．減小 C．不變 D．無法確定 答案　A 解析　由題意知，導(dǎo)線芯和導(dǎo)電液體構(gòu)成電容器的兩極，類似于平行板電容器的兩極．當(dāng)導(dǎo)電液體深度h增大時，導(dǎo)線芯和導(dǎo)電液體正對面積增大，電容器的電容值變大． 題組二　對霍爾元件的認(rèn)識及應(yīng)用 5．如圖3所示，截面為矩形的金屬導(dǎo)體，放在磁場中，當(dāng)導(dǎo)體中通有圖示電流時，導(dǎo)體的上、下表面的電勢關(guān)系為(　　) 圖3 A．UM>UN B．UM＝UN C．UMUN.故選A. 6．如圖4所示，厚度為d、寬度為h的導(dǎo)體板放在垂直于它的磁感應(yīng)強度為B的勻強磁場中，當(dāng)電流通過導(dǎo)體板時，在導(dǎo)體板的上側(cè)面A和下側(cè)面A′之間會產(chǎn)生電勢差，這種現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)．實驗表明，當(dāng)磁場不太強時，電勢差UH、電流I和磁感應(yīng)強度B的關(guān)系為UH＝RH.式中的比例系數(shù)RH稱為霍爾系數(shù)．霍爾效應(yīng)可解釋如下：外部磁場的洛倫茲力使運動的電子聚集在導(dǎo)體板的一側(cè)，在導(dǎo)體板的另一側(cè)會出現(xiàn)多余的正電荷，從而形成橫向電場．橫向電場對電子施加與洛倫茲力方向相反的電場力．當(dāng)電場力與洛倫茲力達(dá)到平衡時，導(dǎo)體板上下兩側(cè)之間就會形成穩(wěn)定的電勢差． 設(shè)電流I是由電子的定向移動形成的，電子的平均定向速度為v，電荷量為e，回答下列問題： 圖4 (1)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時，導(dǎo)體板上側(cè)面A的電勢________下側(cè)面A′的電勢(填“高于”“低于”或“等于”)． (2)電子所受的洛倫茲力的大小為________． (3)當(dāng)導(dǎo)體板上、下兩側(cè)之間的電勢差為UH時，電子所受電場力的大小為________． (4)由電場力和洛倫茲力平衡的條件，證明霍爾系數(shù)為RH＝，其中n代表導(dǎo)體板單位體積中電子的個數(shù)． 答案　見解析 解析　(1)導(dǎo)體中電子定向移動形成電流，電子運動方向與電流方向相反，利用左手定則可判定電子向A板偏，A′板上出現(xiàn)等量正電荷，所以A板電勢低于A′板電勢． (2)洛倫茲力大小F洛＝Bev (3)電場力F電＝Ee＝e (4)由F洛＝F電得Bev＝e　UH＝hvB 導(dǎo)體中通過的電流I＝nev·d·h 由UH＝RH得hvB＝RH，得RH＝. 題組三　傳感器的應(yīng)用分析 7．如圖5所示為用熱敏電阻R和繼電器L等組成的一個簡單的恒溫控制電路，其中熱敏電阻的阻值會隨溫度的升高而減小．電源甲與繼電器、熱敏電阻等組成控制電路，電源乙與恒溫箱加熱器(圖中未畫出)相連接．則 (　　) 圖5 A．當(dāng)溫度降低到某一數(shù)值，銜鐵P將會被吸下 B．當(dāng)溫度升高到某一數(shù)值，銜鐵P將會被吸下 C．工作時，應(yīng)該把恒溫箱內(nèi)的加熱器接在C、D端 D．工作時，應(yīng)該把恒溫箱內(nèi)的加熱器接在A、C端 答案　B 解析　根據(jù)溫度變化，分析R的變化，確定電路中電流的變化，電流增大時，繼電器L對銜鐵吸引力增大，P將會被吸下．當(dāng)溫度降低到某一數(shù)值，熱敏電阻R的阻值增大，電路中電流減小，繼電器L對銜鐵吸引力減小，P將不會被吸下，故A錯誤．當(dāng)溫度升高到某一數(shù)值，熱敏電阻R的阻值減小，電路中電流增大，繼電器L對銜鐵吸引力增大，P將會被吸下．故B正確．恒溫箱內(nèi)溫度高到一定數(shù)值后，應(yīng)與電源斷開停止加熱，由以上分析可知，溫度升高后，A、B端斷開，所以工作時，應(yīng)該把恒溫箱內(nèi)的加熱器接在A、B端．故C、D錯誤．故選B. 8．如圖6所示為小型電磁繼電器的構(gòu)造示意圖，其中L為含鐵心的線圈．P為可繞O點轉(zhuǎn)動的鐵片，K為彈簧，S為一對觸頭，A、B、C、D為四個接線柱．電磁繼電器與傳感器配合，可完成自動控制的要求．其工作方式是 (　　) 圖6 A．A與B接信號電壓，C與D可跟被控電路串聯(lián) B．A與B接信號電壓，C與D可跟被控電路并聯(lián) C．C與D接信號電壓，A與B可跟被控電路串聯(lián) D．C與D接信號電壓，A與B可跟被控電路并聯(lián) 答案　A 9．(多選)某同學(xué)設(shè)計的家庭電路保護(hù)裝置如圖7所示，鐵心左側(cè)線圈L1由火線和零線并行繞成．當(dāng)右側(cè)線圈L2中產(chǎn)生電流時，電流經(jīng)放大器放大后，使電磁鐵吸起鐵質(zhì)開關(guān)K，從而切斷家庭電路．僅考慮L1在鐵心中產(chǎn)生的磁場，下列說法正確的有(　　) 圖7 A．家庭電路正常工作時，L2中的磁通量為零 B．家庭電路中使用的電器增多時，L2中的磁通量不變 C．家庭電路發(fā)生短路時，開關(guān)K將被電磁鐵吸起 D．地面上的人接觸火線發(fā)生觸電時，開關(guān)K將被電磁鐵吸起 答案　ABD 解析　由于零線、火線中電流方向相反，產(chǎn)生的磁場方向相反，所以家庭電路正常工作時，L2中的磁通量為零，選項A正確；家庭電路短路和用電器增多時均不會引起L2的磁通量的變化，選項B正確，C錯誤；地面上的人接觸火線發(fā)生觸電時，線圈L1中磁場變化引起L2中磁通量的變化，產(chǎn)生感應(yīng)電流，吸起K，切斷家庭電路，選項D正確． 10．如圖8所示為一自動控制溫度的電路，請說明其工作原理． 圖8 答案　見解析 解析　當(dāng)開關(guān)P在彈簧拉力作用下拉到上面與a接觸時，電熱絲工作；隨著溫度升高，熱敏電阻溫度升高、阻值減小，通過電磁鐵的電流增大，電磁鐵磁性增強到一定程度時把P吸到b，電熱絲停止工作，指示燈亮． 11