山东省2018_2019学年高中物理第六章传感器第2节传感器的应用课件新人教版

温度传感器和光传感器的应用
[典例]
温度传感器广泛应用于室内空调、电冰箱和微波
炉等家用电器中，它是利用热敏电阻的阻值随温度变化而变化 的特性工作的。在图甲中，电源的电动势 E＝9.0 V，内阻可忽 略不计；G 为灵敏电流表，内阻 r 保持不变；R0 为保护电阻， R 为热敏电阻，其 电阻值与温度变化 的关系如图乙所示。
[答案]
(1)R＝－0.018 75t＋4.25(kΩ) (2)120 ℃
温度传感器一般使用的是热敏电阻，负温度系数的热敏电 阻的阻值随温度升高而减小，正温度系数的热敏电阻的阻值随 温度升高而增大，在解答有关温度传感器的应用问题时应注意 区分这一性质。
1．[多选]下列关于光传感火灾报警器的说法中正确的是 ( A．发光二极管、光电三极管都是由半导体材料制成的
力传感器是一种测量力的大小的工具。此类题常与牛顿第 二定律、运动学的内容综合。当只知道加速度的大小和方向， 不知道物体的运动方向时，物体的运动情况有两种可能，即沿 某一方向的匀加速或相反方向的匀减速，不要漏掉其中一种。
1．[多选]下列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 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，输出的电压值也越大 )
[解析]
(1)题中的 Rt 图像是直线，根据数学知识可写出热敏
电阻 R 与温度 t 的关系式为 R＝kt＋b。 由图像知 t1＝0 ℃时，R1＝4.25 kΩ，得 b＝4.25， 再根据 t2＝120 ℃时，R2＝2 kΩ，得 k＝－0.018 75， 所以 R 与 t 的关系式为 R＝－0.018 75t＋4.25(kΩ)。
2．温度传感器的应用实例
电熨斗 敏感 元件
双金属片 _________
电饭锅
感温铁氧体 ____________
(1) 居里温度：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“居里温度” _______ (2) 自动断电原理：用手按下开关通电 加热，开始煮饭，当锅内加热温度达 到103 ℃时，铁氧体失去磁性，永久磁 铁失去吸引力，被弹簧片弹开，从而 推动杠杆使触点开关断开
滑动变阻器在电路中为限流接法，滑片应置于 b 端附近，若置于 18 另一端 a 时， 闭合开关， 则电路中的电流 I＝ A≈27.7 mA， 650.0 超过报警器最大电流 20 mA，报警器可能损坏。 ②开关应先向 c 端闭合，移动滑动变阻器的滑片，直至报警器开 始报警为止。
答案：(1)连线见解析图 (3)①650.0 b 报警器可能损坏 ②c (2)R2 报警器开始报警 接通电源后， 流过报警器的电流会超过 20 mA，
(1) 完成待调节的报警系统原理 电路图的连线。 (2) 电 路 中 应 选 用 滑 动 变 阻 器 ________(填“R1”或“R2”)。
(3)按照下列步骤调节此报警系统： ①电路接通前，需将电阻箱调到一固定的阻值，根据实验要求， 这一阻值为________Ω；滑动变阻器的滑片应置于____(填“a”或 “b”)端附近，不能置于另一端的原因是_________。 ②将开关向________(填“c”或“d”)端闭合，缓慢移动滑动变阻器 的滑片，直至______________________________。 (4)保持滑动变阻器滑片的位置不变，将开关向另一端闭合，报(1)生活中与温度控制相关的家用电器有很多，试举例说明。
提示：电饭煲、电冰箱、电冰柜、微波炉、空调、消毒 柜等。
(2)分析传感器问题应注意哪些问题？ 提示：应注意四点：①感受量分析：要明确传感器所感受的
物理量，如力、热、光、磁、声等。 ②输出信号分析：明确传感器的敏感元件，分析它的输入信 号和输出信号，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执行机构工作分析：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 的过程。
解析：应变片多用半导体材料制成，故选项 A 错误。当应变 片拉伸时，其电阻变大，选项 B 正确。传感器输出的是上、 下两应变片上的电压差值，并且随着外力的增大，输出的电 压差值越大，故选项 C 错误，选项 D 正确。 答案： BD
2．如图所示为某种电子秤的原理示意图，AB 为一均匀的滑线 电阻，阻值为 R，长度为 L，两边分别有 P1、P2 两个滑动 头，P1 可在竖直绝缘光滑的固定杆 MN 上保持水平状态而 上下自由滑动。弹簧处于原长时，P1 刚好指着 A 端，P1 与 托盘固定相连。若 P1、P2 间出现电压时，该电压经过放大，
(2)根据题中的 Rt 图像，t3＝40 ℃时， 热敏电阻的阻值 R3＝3.5 kΩ，有 E＝I1(r＋R0＋R3)； 电流 I2＝3.6 mA 时，设热敏电阻的阻值为 R4， 有 E＝I2(r＋R0＋R4)，代入数据可解得 R4＝2 kΩ， 由题中的 Rt 图像或将 R4＝2 kΩ 代入 R 与 t 的关系式可得 t4＝120 ℃。
(3)如果用电饭锅烧水，水沸腾后能否自动断电？
提示：电饭锅中的温度传感器主要元件是感温铁氧体。如果用 电饭锅烧水，水沸腾后水温保持 100 ℃，不会再升高，而使感 温铁氧体失去磁性的温度为 103 ℃，故不能自动断电。
力传感器的应用
[ 典例 ]
用如图所示的装置可以测量
汽车在水平路面上做匀加速直线运动的加 速度。该装置是在矩形箱子的前、后壁上 各安装一个由力敏电阻组成的压力传感 器。用两根相同的轻弹簧夹着一个质量为 2.0 kg 的滑块，滑块可 无摩擦滑动，两弹簧的另一端分别压在传感器 a、b 上，其压力大 小可直接从传感器的液晶显示屏上读出。现将装置沿运动方向固 定在汽车上，传感器 b 在前，传感器 a 在后。汽车静止时，传感 器 a、b 的示数均为 10 N(取 g＝10 m/s2)。
温度变化时， 由于双金属片 上层金属与下 热膨 工作 层金属的____ ______ 不 同 ， 原理 胀系数 双金属片发生 弯曲从而控制 电路的通断
3.光传感器的应用 ——火灾报警器 (1)组成：如图所示，发光二极管 LED、 光电三极管 和不 透明的挡板。 (2)工作原理
1．自主思考 ——判一判 (1)传感器可以直接用来进行自动控制。 (2)传感器可以用来采集信息。 (3)传感器可以将所有感受到的信号都转换为电学量。 (4)鼠标是力传感器。 (5)电吉他是光电传感器。 (6)火灾报警器是温度传感器。 (×) (√ ) (×) (×) (×) (×)
(1)试写出热敏电阻的阻值随温度变化的关系式。 (2)闭合开关 S，当 R 的温度等于 40 ℃时，电流表示数 I1＝2.25 mA。则当电流表的示数 I2＝3.6 mA 时，热敏电阻 R 的温度是多少摄氏度？
[思路点拨] 本题的解答思路为
由图知热敏电阻 由温度与电阻成 由欧姆定律 为负温度系数热 → 线性关系求出对 → 得电流对应 敏电阻 应的电阻 的温度值
)
B．光电三极管与光敏电阻一样都是光敏感元件，都是将光 信号转换为电信号 C．发光二极管发出的是脉冲微光 D．如果把挡板撤去，火灾报警器照样工作
解析：发光二极管工作时是持续发光的，挡板撤去，光始终 照到光电三极管上，始终发出警报，和有无火灾无关。
答案：AB
2． (2016· 全国卷Ⅰ )现要组装一个由热敏电阻控制的报警系统， 要求当热敏电阻的温度达到或超过 60 ℃时， 系统报警。 提供 的器材有：热敏电阻，报警器(内阻很小，流过的电流超过 Ic 时就会报警)，电阻箱 (最大阻值为 999.9 Ω)，直流电源 (输出 电压为 U，内阻不计)，滑动变阻器 R1(最大阻值为 1 000 Ω)， 滑动变阻器 R2(最大阻值为 2 000 Ω)，单刀双掷开关一个， 导 线若干。 在室温下对系统进行调节。 已知 U 约为 18 V， Ic 约为 10 mA； 流过报警器的电流超过 20 mA 时，报警器可能损坏；该热敏 电阻的阻值随温度升高而减小，在 60 ℃时阻值为 650.0 Ω。
m0g 解析：(1)由力的平衡知识有：m0g＝kx1，解得 x1＝ k 。 m＋m0g (2)放上物体 m 重新平衡后： m0g＋mg＝kx2， 解得 x2＝ 。 k (3)托盘的移动带动 P1 移动，使 P1、P2 间出现电势差，电势差 的大小反映了托盘向下移动距离的大小，由于 R 为均匀滑线电 阻，则其阻值与长度成正比。由闭合电路欧姆定律知：E＝IR， 由部分电路欧姆定律知：U＝IR 串(R 串为 P1、P2 间电阻) R串 x 由 R ＝L，其中 x 为 P1、P2 间的距离， mg kLU 则 x＝x2－x1＝ k ，联立解得：m＝ gE 。 m＋m0 g m0g kLU 答案：(1) (2) (3)m＝ k k gE
第2节
传感器的应用
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。
通过信号转换后在显示屏 上将显示物体重力的大小。 已知弹簧的劲度系数为 k， 托盘自身质量为 m0，电源 电动势为 E，内阻不计，当 地的重力加速度为 g。求：
(1)托盘上未放物体时，在托盘自身重力作用下，P1 与 A 端的 距离 x1。 (2)托盘上放有质量为 m 的物体时，P1 与 A 端的距离 x2。 (3)在托盘上未放物体时通常先校准零点，其方法是：调节 P2， 使 P2 离 A 端的距离也为 x1，从而使 P1、P2 间的电压为零。校 准零点后，将物体 m 放在托盘上，试推导出物体质量 m 与 P1、 P2 间的电压 U 之间的函数关系式。
(1)若传感器 a 的示数为 14 N，b 的示数为 6.0 N，求此时 汽车的加速度大小和方向。 (2)当汽车以怎样的加速度运动时， 传感器 a 的示数为零？
[思路点拨] 传感器上所显示出的力的大小，即弹簧对传
感器的压力，据牛顿第三定律知，此即为弹簧的弹力大小，亦 即该弹簧对滑块的弹力大小。
[解析] (1)如图所示，依题意：左侧弹簧对滑块向右的推力 F1＝14 N，右侧弹簧对滑块向左的推力 F2＝6.0 N， 滑块所受合力产生加速度 a1， 根据牛顿第二定律有 F1－F2 14－6.0 F1－F2＝ma1，得 a1＝ m ＝ m/s2＝4.0 m/s2。 2.0 a1 与 F1 同方向，即向前(向右)。 (2)传感器 a 的读数恰为零，即左侧弹簧的弹力 F1′＝0，因两 弹簧相同，左侧弹簧伸长多少，右侧弹簧就缩短多少，所以右侧弹 簧的弹力变为 F2′＝20 N。滑块所受合力产生加速度， F2′ 由牛顿第二定律得 F 合＝F2′＝ma2，得 a2＝ m ＝－10 m/s2， 负号表示方向向后(向左)。 [答案] (1)4.0 m/s2 向右 (2)以方向向左大小为 10 m/s2 的加速度运动
解析： (1)电路图连接如图。
(2)报警器开始报警时，对整个回路有 U＝ Ic(R 滑＋ R 热) 代入数据可得 R 滑＝ 1 150.0 Ω，因此滑动变阻器应选择 R2。
(3)①在调节过程中， 电阻箱起到等效替代热敏电阻的作用， 电阻 箱的阻值应为报警器报警时热敏电阻的阻值，即为 650.0 Ω。
一、传感器应用的一般模式
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 应变片 组成，敏感 元件是 应变片。 (2)工作原理： 金属梁 金属梁 应变片 两应变片上 自由端 ⇒ 发生 ⇒ 的电阻 ⇒ 电压的差值 受力 F 弯曲 变化 变化 (3)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。