高中物理 课件第5章-第1节 揭开传感器的“面纱”

对全反射现象的解释和光导纤维
[先填空] 1．解释全反射现象 (1)水或玻璃中的气泡看起来特别亮，是由于光射到气泡上发生了全反射． (2)在沙漠里，接近地面的热空气的折射率比上层空气的折射率 小 ，从远处 物体射向地面的光线的入射角 大于 临界角时，发生全反射，人们就会看到远处 物体的倒影．
2．全反射棱镜 (1)形状：截面为 直角等腰 三角形的棱镜． (2)光学特性： ①当光垂直于截面的直角边射入棱镜时，光在截面的斜边上发生 全反射 ， 光射出棱镜时，传播方向改变了 90° . ②当光垂直于截面的斜边射入棱镜时，在 直角边 上各发生一次全反射，使 光的传播方向改变了 180° .
【答案】 B
2．(2016·福州高二检测)关于物理传感器，化学传感器和生物传感器的下列 说法中，正确的是( )
A．物理传感器利用材料的某种物理性质工作，因而只能用于机械加工行业 不能用于化工领域
B．化学传感器是利用某种化学反应来工作的，因而只能输出某种化学物质 而不能输出电学量
C．生物传感器的适用范围广，可在任意温度条件下工作 D．生物传感器由于含有生命物质，因而对使用传感器的环境条件有一定要 求
学
知
业
识
分
点
层
一
第 1 节 揭开传感器的“面纱”
测
评
学习目标 1.知道什么是传感器. 2.知道传感器的作用和意义．(重 点) 3.知道传感器的种类．(重点) 4.理解传感器的工作原理．(难点)
知识脉络
传感器
[先填空] 1．什么是传感器 (1)定义：能够感受外界信息，并将其按照一定的规律转换成电信号的器件或 装置． (2)功能：传感器通常用在自动测量和自动控制系统中，担负着信息采集和 转化任务，把 非电学量转化为电学量．
2．对光疏介质和光密介质的理解 (1)光疏介质和光密介质的比较：
光疏介质 光密介质
光的传播速度 大 小
折射率 小 大
(2)相对性：光疏介质、光密介质是相对的．任何两种透明介质都可以通过比 较光在其中传播速度的大小或折射率的大小来判断谁是光疏介质或光密介质．
3．不同色光的临界角：不同颜色的光由同一介质射向空气或真空时，频率 越高的光的临界角越小，越易发生全反射．
[后思考] 通过比较什么可以知道两种介质哪个是光密介质，哪个是光疏介质？ 【提示】 可以通过比较光在两种介质中传播速度的大小或折射率的大小来 确定光密介质和光疏介质，也可通过光线射入不同介质时的偏折程度判断．
[核心点击] 1．全反射现象 (1)全反射的条件： ①光由光密介质射向光疏介质． ②入射角大于或等于临界角． (2)全反射遵循的规律：发生全反射时，光全部返回原介质，入射光与反射光 遵循光的反射定律，由于不存在折射光线，光的折射定律不再适用．
【解析】 上面是介质，下面是真空，入射角i＝30°，折射角r＝60°，则折 射率n＝ssiinn ri＝ssiinn 3600°°＝ 3，故选项A错误，选项B正确；sinC＝1n＝ 33＜ 22，则C ＜45°，故选项C正确；光线按如图所示的方向入射，当入射角大于临界角时，就 会发生全反射现象，故选项D错误．光从真空射向介质，不可能发生全反射现 象，E正确．
1.一束光从某介质进入真空，方向如图4-2-1所示，则下列判断中正确的是 ()
【导学号：78510045】
图4-2-1
A．该介质的折射率是
3 3
B．该介质的折射率是 3
C．该介质相对真空发生全反射的临界角小于45 °
D．光线按如图所示的方向入射，无论怎样改变入射方向都不可能发生全反
射现象
E．如果光从真空射向介质，则不可能发生全反射现象
和物理效应感知并检 器
测出待测对象信息
电容传感器、电感传感 品种多、应用广、发展
器，光电、压电传感器 快
等
化学传感 利用化学反应识别和 气敏传感器、湿敏传感 广泛应用于环保、火灾
器 检测信息
器
报警、医疗卫生
生物传感 利用生物化学反应识 器 别和检测信息
含有生命物质，专一性 组织传感器、细胞传感
好，易操作、快速、准 器、酶传感器
[后思考] 炎热的夏天，在公路上有时能看到远处物体的倒影，这是一种什么现象？
【提示】 是一种蜃景现象，是由光的全反射造成的．
[核心点击] 1．全反射棱镜 (1)用玻璃制成的截面为等腰直角三角形的棱镜，其临界角约为42°. (2)全反射棱镜特点： ①与平面镜相比，全反射棱镜反射率高，几乎可达100%. ②反射面不必涂任何反光物质，反射失真小． ③克服了平面镜成多个象的问题．
3．光导纤维及其应用 (1)原理 利用了 全反射 ． (2)构造 光导纤维是非常细的特制玻璃丝，由内芯和外层透明介质两层组成．内芯的 折射率比外层的 大 ，光传播时在内芯与外层的界面上发生 全反射 ． (3)主要优点 容量大， 能量 损耗小、抗干扰能力强， 保密 性好等．
[再判断] 1．在沙漠里看到的蜃景是一种全反射现象．( √ ) 2．鱼缸中上升的气泡亮晶晶的，是由于光射到气泡上发生了全反射．( √ ) 3．光纤一般由折射率小的玻璃内芯和折射率大的外层透明介质组成．( × )
2．传感器的工作原理 传感器感受的通常是非电学量，如力、温度、位移、浓度、速度、酸碱度 等，而输出的通常是电学量，如电压、电流、电荷量等．这些输出的信号是非 常微弱的，通常需要经过放大后，再送给控制系统产生各种控制动作．
3．传感器的分类及
利用物质的物理性质 物理传感
2．种类繁多的传感器 (1)分类：按传感器的工作原理的不同，把传感器分为 物理传感器、化学 传 感器和生物 传感器． (2)传感器的一般结构
非电学量 → 敏感元件 → 转换元件 → 转换电路 → 电学量
[再判断] 1．传感器就是传递某种信息的电学元件．(×) 2．所有传感器的工作原理都一样．(×) 3．传感器内部一定有某种转换元件．(√) [后思考] 在家庭生活中，人们不必直接接触就可以控制一些机器，试举一些生活中 的例子，看哪些生活用品是通过传感器来完成的． 【提示】 电视机及空调机的遥控器、电冰箱、自动干手机、自动水龙头、 楼道内的声控灯等．
知
识
点
一
第2节 光的全反射
学 业
分
第3节 光导纤维及其应用
层 测
评
知 识 点 二
全反射及其产生条件
[先填空]
1．全反射
光从玻璃射入到空气中时，折射角 大于 入射角，当入射角增大到一定程
度时， 折射光线 完全消失，全部光线都被反射回玻璃内，这种现象称为全反射
现象．
2．临界角
刚好发生全反射(即折射角等于90°)时的 入射角 折射率的关系是 sin C＝1n .
2．光导纤维 (1)构造：光导纤维一般由折射率较大的玻璃内芯和折射率较小的外层透明介 质组成，如图4-2-3所示．
图4-2-3 实际用的光导纤维是非常细的特制玻璃丝，直径只有几微米到一百微米之 间，外层包上折射率比它小的材料，再把若干根光纤集成一束，制成光缆，进一 步提高了光纤的强度．
(2)原理：全反射是光导纤维的基本工作原理．光在光纤内传播时，由光密介 质入射到光疏介质，若入射角i≥C(临界角)，光就会在光纤内不断发生全反射．
(3)应用：光纤通信是光导纤维的一个重要应用．载有声音、图象以及各种数 字信号的激光从光纤一端输入，就可以传到千里之外的另一端，实现光纤通信．
3．下述现象哪些是由于全反射造成的( ) 【导学号：78510046】
A．露水珠或喷泉的水珠，在阳光照耀下格外明亮 B．直棒斜插入水中时呈现弯折现象 C．口渴的沙漠旅行者，往往会看到前方有一潭晶莹的池水，当他们喜出望 外地奔向那潭池水时，池水却总是可望而不可及 D．在盛水的玻璃杯中放一空试管，用灯光照亮玻璃杯侧面，在水面上观察 水中的试管，看到试管壁特别明亮 E．利用“潜望镜”可以从水底观察水面上的情况
【答案】 BCE
2．如图4-2-2所示，半圆形透明介质的横截面，其半径为R.一束光从半圆形 透明介质的左边缘以入射角60°射入透明介质，光束在半圆形透明介质的弧形面发 生两次反射后刚好从半圆形透明介质的另一边缘射出．已知光在真空中传播的速 度为c.求：
图4-2-2
(1)半圆形透明介质的折射率． (2)光线在半圆形透明介质中传播的时间． (3)半圆形透明介质的全反射临界角． 【解析】 (1)由图中几何关系可知，光束折射角r＝30°，由折射定律，玻璃 砖的折射率n＝ssiinn ri＝ 3
图 5-1-2
【解析】 由题图可知当油箱内液面高度变化时，R 的金属滑片将会移动， 从而引起 R 两端电压的变化，且当 R′≫R 时，UR＝IR 可视为 UR 与 R 成正比， 所以电压表应接在 b、c 之间，当油量减少时，电压表示数将增大．
【答案】 b、c 增大
对传感器的进一步理解 1．不同的传感器的原理不同，但都是通过敏感元件把非电学量的变化转变 为电学量的变化． 2．传感器输出的电学量可能为电流、电压、电路通断等，不一定是电压． 3．敏感元件只是传感器的一个关键部分并不一定就是一个完整的传感器．
[合作探讨] 有自动控制功能的蔬菜大棚，要靠传感器感知作物生长所需的各种信息．如 图所示为蔬菜大棚内信息采集与自动控制示意图．试结合图中信息，分析讨论：
图 5-1-1
探讨 1：在蔬菜种植大棚中要用到哪些传感器？ 【提示】 需要五种传感器：光传感器、湿度传感器、温度传感器、气敏 传感器、温敏传感器． 探讨 2：这些传感器的作用是什么？
确
1．(2016·烟台检测)关于传感器的下列说法正确的是( ) A．所有传感器的材料都是由半导体材料做成的 B．金属材料也可以制成传感器 C．传感器主要是通过感知电压的变化来传递信号的 D．以上说法都不正确
【解析】 半导体材料可以制成传感器，其他材料也可以制成传感器，如 金属氧化物氧化锰就可以制成温度计，所以 A 错，B 正确；传感器不但能感知 电压的变化，还能感受力、温度、光、声、化学成分等非电学量，所以 C 错．
【提示】 光传感器测光照强度，湿度传感器测空气湿度，温度传感器测 空气温度，气敏传感器测二氧化碳浓度，温敏传感器测土壤温度．
[核心点击] 1．传感器的构成 传感器主要由敏感元件、转换元件及转换电路组成，各部分作用如下： (1)敏感元件是利用材料的某种敏感效应(如热敏、光敏、压敏、力敏、湿敏) 制成的． (2)转换元件是传感器中能将敏感元件输出的、与被测物理量成一定关系的 非电信号转换成电信号的电子元件． (3)转换电路的作用是将电信号转换成易于传输或测量的电学量输出．
(2)光线在半圆形透明介质中传播的速度v＝nc＝
c 3
光线在半圆形透明介质中传播的距离L＝3R
光线在半圆形透明介质中传播的时间t＝Lv＝3
3R c
(3)由sin C＝1n
得C＝arcsin
3 3
【答案】 (1) 3
(2)3
3R c
(3)arcsin
3 3
全反射定律的应用技巧 1．首先判断是否为光从光密介质进入光疏介质，如果是，下一步就要再利 用入射角和临界角的关系进一步判断，如果不是则直接应用折射定律解题即可． 2．分析光的全反射时，根据临界条件找出临界状态是解决这类题目的关 键． 3．当发生全反射时，仍遵循光的反射定律和光路可逆性． 4．认真规范作出光路图，是正确求解这类题目的重要保证．
．用字母C表示．临界角和
3．光疏介质和光密介质 两种介质比较，折射率 较小 的介质叫做光疏介质，折射率 较大 的介质
叫做光密介质．
4．全反射的条件 (1)光从光密介质射入 光疏 介质． (2)入射角 大于等于 临界角．
[再判断] 1．光从空气射入水中时可能发生全反射现象．( × ) 2．光密介质，是指介质的折射率大，密度不一定大．( √ ) 3．只要是光从光密介质射向光疏介质，就一定发生全反射．( × )
【解析】 不论哪种传感器都可以将非电学量转换成电学量输出，故 B 错．物 理传感器在化工领域也可以使用，如温度传感器等，故 A 错．生物传感器能够 使用的前提是传感器中的生命物质保持生物活性，故 C 错，D 对．
【答案】 D
3.全面了解汽车的运行状态(速度、水箱温度、油量)是确保汽车安全行驶和 驾驶员安全的举措之一，为模仿汽车油表原理，自制一种测定油箱油量多少或变 化多少的装置．如图 5­1­2 所示，其中电源电压保持不变，R 是滑动变阻器，它 的金属滑片是金属杆的一端．小阳同学在装置中使用了一只电压表(图中没有画 出)，通过观察电压表示数，可以了解油量情况， 你认为电压表应该接在图中的________两点之间， 按照你的接法请回答：当油箱中油量减少时，电压 表的示数将________(填“增大”或“减小”)．