2019-2020年高中物理第5章傳感器及其應(yīng)用第3節(jié)大顯身手的傳感器教學(xué)案魯科版選修3-2.doc

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2019-2020年高中物理第5章傳感器及其應(yīng)用第3節(jié)大顯身手的傳感器教學(xué)案魯科版選修3-2 一、洗衣機(jī)水位控制裝置 全自動(dòng)洗衣機(jī)的水位控制裝置使用了壓力傳感器。當(dāng)水位達(dá)到設(shè)定的高度時(shí)接通控制電路關(guān)閉進(jìn)水電磁閥門，接通洗滌電動(dòng)機(jī)電源。 二、自動(dòng)門 1．控制自動(dòng)門開關(guān)的是一種紅外線傳感器。 2．自動(dòng)門工作流程： 三、指紋識(shí)別器 指紋識(shí)別器是通過電容傳感器來識(shí)別指紋的。手指皮膚與電容傳感器表面構(gòu)成了電容器，由于指紋的凹凸導(dǎo)致不同位置的電容器的電容值也不相同。 四、傳感器與機(jī)器人 1．機(jī)器人組成 由機(jī)械系統(tǒng)、傳感器系統(tǒng)、信息處理和控制系統(tǒng)組成。 2．機(jī)器人傳感器的分類 分為外部傳感器和內(nèi)部傳感器。 3．傳感器用途 (1)外部傳感器用于感知外部工作環(huán)境和外界事物對(duì)機(jī)器人的刺激。包括視覺傳感器、超聲波傳感器、溫度傳感器、壓力傳感器、位移傳感器等。 (2)內(nèi)部傳感器(如角度傳感器、關(guān)節(jié)傳感器等)，用于檢測(cè)機(jī)器人自身的狀態(tài)。 1．自主思考——判一判 (1)全自動(dòng)洗衣機(jī)水位控制裝置應(yīng)用了壓力傳感器。(√) (2)自動(dòng)門應(yīng)用了紅外線傳感器。(√) 2．合作探究——議一議 (1)為什么指紋的脊和谷相對(duì)于另一個(gè)極板的距離不同，電容值就不同呢？ 提示：由C＝知，當(dāng)正對(duì)面積和介電常數(shù)一定時(shí)，電容與兩極間距離是一一對(duì)應(yīng)的，距離越大，電容越小，所 以脊和谷相對(duì)于另一個(gè)極板的距離不同時(shí)，電容值就不同。 (2)機(jī)器人有哪些分類？你能說出幾種？ 提示：①家務(wù)型機(jī)器人：能幫助人們打理生活，做簡(jiǎn)單的家務(wù)活。 ②操作型機(jī)器人：能自動(dòng)控制，可重復(fù)編程，多功能，有幾個(gè)自由度，可固定或運(yùn)動(dòng)，用于相關(guān)自動(dòng)化系統(tǒng)中。 ③程控型機(jī)器人：按預(yù)先要求的順序及條件，依次控制機(jī)器人的機(jī)械動(dòng)作。 ④智能機(jī)器人：以人工智能決定其行動(dòng)的機(jī)器人。 生活中的傳感器 1．洗衣機(jī)水位控制原理分析 (1)結(jié)構(gòu)：如圖531(a)所示，1和2分別是洗衣機(jī)的外筒和內(nèi)筒，3是氣室，4是傳感器的膜盒。氣室下部與外筒連通，上部與軟管、傳感器的膜盒連通。 圖531 (2)過程：向內(nèi)筒中注水時(shí)，水通過內(nèi)筒壁上的小孔流入外筒，部分水進(jìn)入氣室，氣室內(nèi)被密封的空氣壓強(qiáng)增大，使傳感器的膜片向上凸起，如圖(b)所示。當(dāng)筒中水位到達(dá)設(shè)定的高度時(shí)，凸起的膜片使動(dòng)觸點(diǎn)a與靜觸點(diǎn)b脫離，并與靜觸點(diǎn)c接觸，從而接通控制電路，關(guān)閉進(jìn)水電磁閥門，接通洗滌電動(dòng)機(jī)電源，開始洗滌衣物。 2．傳感器與機(jī)器人感覺對(duì)應(yīng)表 感覺 所用傳感器 效果 當(dāng)前發(fā)展水平 視覺 視覺傳感器 (攝像機(jī)) 使機(jī)器人擁有人眼的視覺功能 離自然人的視覺水平相差甚遠(yuǎn)　 聽覺 超聲波傳感器、語識(shí)別裝置音 使機(jī)器人擁有類似人耳的聽覺功能 能理解一些簡(jiǎn)單的語句，不能真正實(shí)現(xiàn)人機(jī)對(duì)話　 嗅覺 氣體傳感器 使機(jī)器人擁有類似人的鼻子的功能 只能識(shí)別有限的幾種氣體，一般機(jī)器人沒有嗅覺 觸覺 壓力傳感器、溫度傳感器、位移傳感器 使機(jī)器人擁有類似人的皮膚和手的功能 發(fā)展水平較高，雖不如人的感覺敏銳，但能完成大部分要求 [特別提醒] 與當(dāng)代的傳感器相比，人類的感覺能力好得多，但也有一些傳感器比人的感覺功能優(yōu)越，例如人類沒有能力感知紫外線或紅外線輻射，感覺不到電磁場(chǎng)、無色無味的氣體等。 1．電子秤使用的傳感器是(　　) A．超聲波傳感器　　　　 　B．溫度傳感器 C．壓力傳感器 D．紅外線傳感器 解析：選C　電子秤通過感知物體對(duì)它的壓力，將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，并由儀表顯示，來測(cè)量物體質(zhì)量，所以它感知的是壓力，使用了壓力傳感器，故C選項(xiàng)正確。 2．(xx浙江高考)如圖532所示為一種常見的身高體重測(cè)量?jī)x。測(cè)量?jī)x頂部向下發(fā)射波速為v的超聲波，超聲波經(jīng)反射后返回，被測(cè)量?jī)x接收，測(cè)量?jī)x記錄發(fā)射和接收的時(shí)間間隔。質(zhì)量為M0的測(cè)重臺(tái)置于壓力傳感器上，傳感器輸出電壓與作用在其上的壓力成正比。當(dāng)測(cè)重臺(tái)沒有站人時(shí)，測(cè)量?jī)x記錄的時(shí)間間隔為t0，輸出電壓為U0，某同學(xué)站上測(cè)重臺(tái)，測(cè)量?jī)x記錄的時(shí)間間隔為t，輸出電壓為U，則該同學(xué)身高和質(zhì)量分別為(　　) 圖532 A．v(t0－t)，U　　　　 B.v(t0－t)，U C．v(t0－t)，(U－U0) D.v(t0－t)，(U－U0) 解析：選D　設(shè)人的身高為x，質(zhì)量為m。 當(dāng)測(cè)重臺(tái)沒有站人時(shí)：＝① 當(dāng)人站在測(cè)重臺(tái)上時(shí)：＝② 由①②兩式得人的身高x＝v(t0－t) 當(dāng)測(cè)重臺(tái)上沒站人時(shí)：M0g＝kU0③ 當(dāng)人站在測(cè)重臺(tái)上時(shí)：(M0＋m)g＝kU④ 由③④兩式得人的質(zhì)量m＝(U－U0) 可知選項(xiàng)D正確。 3．類人型機(jī)器人裝有作為眼睛的“傳感器”，猶如大腦的“控制器”，以及可以行走的“執(zhí)行器”，在它碰到障礙物前會(huì)自動(dòng)避讓并及時(shí)轉(zhuǎn)彎。下列有關(guān)該機(jī)器人“眼睛”的說法中正確的是(　　) A．是力傳感器　　　　 　B．是光傳感器 C．是溫度傳感器 D．是聲音傳感器 解析：選B　遇到障礙物會(huì)繞開，說明它是光傳感器，B對(duì)，A、C、D錯(cuò)。 電容傳感器原理的理解與應(yīng)用 1．如圖533甲所示是用來測(cè)定角度θ的電容傳感器。當(dāng)動(dòng)片與定片之間的角度θ發(fā)生變化時(shí)，引起極板正對(duì)面積S的變化，使電容C 發(fā)生變化。知道電容C的變化，就可以知道角度θ的變化情況。 2．如圖乙所示是測(cè)定液面高度h的電容傳感器。在導(dǎo)線芯的外面涂上一層絕緣物質(zhì)，放入導(dǎo)電液體中。導(dǎo)線芯和導(dǎo)電液體構(gòu)成電容器的兩個(gè)極，導(dǎo)線芯外面的絕緣物質(zhì)就是電介質(zhì)。液面高度h發(fā)生變化時(shí)，引起正對(duì)面積S發(fā)生變化，使電容C發(fā)生變化。知道電容C的變化，就可以知道液面高度h的變化情況。 圖533 3．如圖丙所示是測(cè)定壓力F的電容傳感器。待測(cè)壓力F作用于可動(dòng)膜片電極上的時(shí)候，膜片發(fā)生形變，使極板間距離d發(fā)生變化，引起電容C的變化。知道電容C的變化，就可以知道壓力F的變化情況。 4．如圖丁所示是測(cè)定位移s的電容傳感器。隨著電介質(zhì)進(jìn)入極板間的長(zhǎng)度發(fā)生變化，電容C發(fā)生變化。知道電容C的變化，就可以知道位移s的變化情況。 1．電容式話筒的保真度比動(dòng)圈式話筒好，其工作原理如圖534所示。Q是絕緣支架，薄金屬膜片M和固定電極N形成一個(gè)電容器，被直流電源充電，當(dāng)聲波使膜片M振動(dòng)時(shí)，電容發(fā)生變化，電路中形成變化的電流。當(dāng)膜片M向右運(yùn)動(dòng)的過程中有(　　) 圖534 A．電容不變 B．電容變小 C．導(dǎo)線AB中有向左的電流 D．導(dǎo)線AB中有向右的電流 解析：選C　膜片M向右運(yùn)動(dòng)時(shí)，電容器兩極板間的距離減小，電容變大。電荷量Q＝CU變大，電源要繼續(xù)給電容器充電，所以導(dǎo)線AB中的電流由B流向A。 2.如圖535所示為一測(cè)液面高低的傳感器示意圖，A為固定的導(dǎo)體芯，B為導(dǎo)體芯外面的一層絕緣物質(zhì)，C為導(dǎo)電液體，把傳感器接到圖示的電路中，已知靈敏電流計(jì)指針偏轉(zhuǎn)方向與電流方向相同，如果發(fā)現(xiàn)指針正向右偏轉(zhuǎn)，則導(dǎo)電液體的深度h變化為(　　) 圖535 A．h正在增大　　　　　 　B．h正在減小 C．h不變 D．無法確定 解析：選B　由電源極性及電流方向可知，A、B、C構(gòu)成的電容器上的電荷量正在減小，由Q＝CU可知C減小，則正對(duì)面積減小，即h在減小，故B正確。 1．機(jī)器人技術(shù)發(fā)展迅速，以下哪方面是現(xiàn)有的機(jī)器人不能很好地完成的(　　) A．汽車工業(yè)中自動(dòng)焊接領(lǐng)域 B．深水探險(xiǎn) C．藝術(shù)體操和與人對(duì)話 D．機(jī)械加工 解析：選C　現(xiàn)有的機(jī)器人技術(shù)限于制造工藝、計(jì)算機(jī)技術(shù)和傳感器技術(shù)，還很難達(dá)到類似人對(duì)肢體的控制能力，其動(dòng)作精確但較僵硬，語音識(shí)別能力還很差，在其他幾個(gè)方面機(jī)器人都有上佳表現(xiàn)。 2．傳感器的種類多種多樣，其性能也各不相同?？照{(diào)機(jī)在室內(nèi)溫度達(dá)到設(shè)定的溫度后，會(huì)自動(dòng)停止工作，空調(diào)機(jī)內(nèi)使用的傳感器是(　　) A．生物傳感器　　　　　 　B．紅外傳感器 C．溫度傳感器 D．壓力傳感器 解析：選C　空調(diào)機(jī)根據(jù)溫度調(diào)節(jié)工作狀態(tài)，所以內(nèi)部使用了溫度傳感器，故C正確。 3．下列和電視機(jī)遙控器中使用同一類傳感器的是(　　) A．紅外報(bào)警裝置 B．火災(zāi)報(bào)警裝置 C．自動(dòng)洗衣機(jī)中的壓力傳感裝置 D．電飯煲中控制加熱和保溫的溫控器 解析：選A　紅外報(bào)警裝置接收物體發(fā)出的紅外線，和電視機(jī)遙控器中使用的是同一類傳感器，故A正確；火災(zāi)報(bào)警裝置采用的是光敏電阻做成的光電傳感器，電飯煲中控制加熱和保溫的溫控器是熱敏電阻做成的溫度傳感器，故B、C、D錯(cuò)誤。 4．關(guān)于電子秤中應(yīng)變式力傳感器的說法正確的是(　　) A．應(yīng)變片是由導(dǎo)體材料制成的 B．當(dāng)應(yīng)變片的表面拉伸時(shí)，其電阻變大；反之變小 C．傳感器輸出的是應(yīng)變片電壓 D．外力越大，輸出的電壓差越小 解析：選B　應(yīng)變片是由半導(dǎo)體材料制成的，A錯(cuò)誤；應(yīng)變片的表面拉伸時(shí)，R值變大，應(yīng)變片壓縮時(shí)，R值變小，B正確；傳感器輸出的是應(yīng)變片兩個(gè)電壓的差值，外力越大，輸出電壓差值越大，C、D錯(cuò)誤。 5．有一種在光照或溫度升高時(shí)排氣扇都能啟動(dòng)的自動(dòng)控制裝置，下列說法正確的是(　　) A．兩個(gè)傳感器都是光電傳感器 B．兩個(gè)傳感器分別是光電傳感器和溫度傳感器 C．兩個(gè)傳感器可能分別是溫度傳感器、電容式傳感器 D．只有光照和溫度都適合時(shí)排氣扇才能工作 解析：選B　題中提到有光照或溫度升高時(shí)排氣扇都能自動(dòng)控制，由此可見兩個(gè)傳感器一個(gè)是光電傳感器，一個(gè)是溫度傳感器，而且排氣扇自動(dòng)工作只需光照和溫度一個(gè)滿足條件即可。 6．如圖1所示是會(huì)議室和賓館房間的天花板上裝有的火災(zāi)報(bào)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(shí)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(shí)，下列說法正確的是(　　) 圖1 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(cè)電路檢測(cè)出變化發(fā)出 警報(bào) B．光電三極管溫度升高，電阻變小，檢測(cè)電路檢測(cè)出變化發(fā)出警報(bào) C．進(jìn)入罩內(nèi)的煙霧對(duì)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(bào) D．以上說法均不正確 解析：選C　由火災(zāi)報(bào)警器的原理可知，發(fā)生火災(zāi)時(shí)煙霧進(jìn)入罩內(nèi)，使光發(fā)生散射，部分光線照在光電三極管上，其電阻變小，與傳感器相連的電路檢測(cè)出這種變化，發(fā)出警報(bào)，C對(duì)。 7．壓敏電阻的阻值會(huì)隨所受壓力的增大而減小，某位同學(xué)利用壓敏電阻設(shè)計(jì)了判斷電梯運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的裝置，其裝置示意圖如圖2甲所示，將壓敏電阻平放在電梯內(nèi)，受壓面朝上，在上面放一物體m，電梯靜止時(shí)電流表示數(shù)為I0，電梯在運(yùn)動(dòng)過程中，電流表的示數(shù)如圖乙所示，下列判斷中正確的是(　　) 圖2 A．乙圖表示電梯做勻速直線運(yùn)動(dòng) B．乙圖表示電梯做勻加速運(yùn)動(dòng) C．乙圖表示電梯做變加速運(yùn)動(dòng) D．乙圖表示電梯做勻減速運(yùn)動(dòng) 解析：選C　從題圖乙可以看出電流增大，由歐姆定律知道壓敏電阻阻值應(yīng)該減小，結(jié)合壓敏電阻特點(diǎn)可以判斷，壓力增大，而且電流逐漸變大，壓力應(yīng)該也是逐漸增大，說明電梯的加速度逐漸增大，所以電梯做變加速運(yùn)動(dòng)，C對(duì)。 8．(多選)如圖3所示是電飯鍋的結(jié)構(gòu)圖，如果感溫磁體的“居里溫度”為103 ℃，下列說法中正確的是(　　) 圖3 A．常溫下感溫磁體具有較強(qiáng)的鐵磁性 B．當(dāng)溫度超過103 ℃時(shí)，感溫磁體的鐵磁性較強(qiáng) C．飯熟后，水分被大米吸收，鍋底的溫度會(huì)超過103 ℃，這時(shí)開關(guān)按鈕會(huì)跳起 D．常壓下只要鍋內(nèi)有水，鍋內(nèi)的溫度不可能達(dá)到103 ℃，開關(guān)按鈕就不會(huì)自動(dòng)跳起 解析：選ACD　常溫下感溫磁體具有較強(qiáng)鐵磁性，A正確；飯熟后，水分被大米吸收，鍋底的溫度會(huì)超過“居里溫度”103 ℃，感溫磁體鐵磁性消失，這時(shí)開關(guān)按鈕會(huì)跳起，B錯(cuò)誤，C正確；常壓下只要鍋內(nèi)有水，因?yàn)樗姆悬c(diǎn)為100 ℃，鍋內(nèi)的溫度就不可能達(dá)到103 ℃，感溫磁體始終具有鐵磁性，開關(guān)按鈕就不會(huì)自動(dòng)跳起，D正確。 9．演示位移傳感器的工作原理如圖4所示，物體M在導(dǎo)軌上平移時(shí)，帶動(dòng)滑動(dòng)變阻器的滑片P，通過電壓表顯示的數(shù)據(jù)，來反映物體位移的大小。假設(shè)電壓表是理想的，則下列說法正確的是(　　) 圖4 A．物體M運(yùn)動(dòng)時(shí)，電源內(nèi)的電流會(huì)發(fā)生變化 B．物體M運(yùn)動(dòng)時(shí)，電壓表的示數(shù)會(huì)發(fā)生變化 C．物體M不動(dòng)時(shí)，電路中沒有電流 D．物體M不動(dòng)時(shí)，電壓表沒有示數(shù) 解析：選B　電壓表為理想電表，則電壓表不分流，故觸頭移動(dòng)時(shí)不會(huì)改變電路的電阻，也就不會(huì)改變電路中的電流，故A錯(cuò)誤。電壓表測(cè)得的是滑片P左側(cè)電阻分得的電壓，故電壓表的示數(shù)隨物體M的移動(dòng)而變化，即隨滑片的運(yùn)動(dòng)而變化，故B正確，C、D均錯(cuò)誤。 10．小強(qiáng)用恒溫箱進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)恒溫箱的溫度持續(xù)升高，無法自動(dòng)控制。經(jīng)檢查，恒溫箱的控制器沒有故障。參照?qǐng)D5，下列對(duì)故障判斷正確的是(　　) 圖5 A．只可能是熱敏電阻出現(xiàn)故障 B．只可能是溫度設(shè)定裝置出現(xiàn)故障 C．熱敏電阻和溫度設(shè)定裝置都可能出現(xiàn)故障 D．可能是加熱器出現(xiàn)故障 解析：選C　恒溫箱內(nèi)溫度持續(xù)升高，說明加熱器沒有損壞，選項(xiàng)D錯(cuò)誤。無法自動(dòng)控制，而經(jīng)檢查控制器又沒有故障，說明控制器沒問題。熱敏電阻或溫度設(shè)定裝置出現(xiàn)故障都能使溫度持續(xù)升高，故應(yīng)選C。 11．某實(shí)驗(yàn)小組探究一種熱敏電阻的溫度特性。現(xiàn)有器材：直流恒流電源(在正常工作狀態(tài)下輸出的電流恒定)、電壓表、待測(cè)熱敏電阻、保溫容器、溫度計(jì)、開關(guān)和導(dǎo)線等。 圖6 (1)若用上述器材測(cè)量熱敏電阻的阻值隨溫度變化的特性，請(qǐng)你在圖6甲中的實(shí)物圖上 連線。 (2)實(shí)驗(yàn)的主要步驟： ①正確連接電路，在保溫容器中注入適量冷水，接通電源，調(diào)節(jié)并記錄電源輸出的電 流值； ②在保溫容器中添加少量熱水，待溫度穩(wěn)定后，閉合開關(guān)，________，________，斷開開關(guān)； ③重復(fù)第②步操作若干次，測(cè)得多組數(shù)據(jù)。 (3)實(shí)驗(yàn)小組算得該熱敏電阻在不同溫度下的阻值，并據(jù)此繪得如圖乙所示的Rt關(guān)系圖像，請(qǐng)根據(jù)圖像寫出該熱敏電阻的Rt關(guān)系式：R＝______＋______t(Ω)(保留3位有效數(shù)字)。 解析：(1) (2)水溫改變后，熱敏電阻的阻值會(huì)變化，在電流不變的情況下，電壓表的示數(shù)隨之改變。每次待溫度穩(wěn)定后，閉合開關(guān)，需要記錄溫度計(jì)的數(shù)值和電壓表的數(shù)值。 (3)從圖像知R與t成線性關(guān)系，且縱軸上截距(當(dāng)t＝0 ℃時(shí))R＝100 Ω；當(dāng)t＝10 ℃時(shí)，R＝104 Ω；當(dāng)t＝70 ℃時(shí)R＝128 Ω，所以斜率＝＝0.400，所以R＝100＋0.400t (Ω)。 答案：(1)見解析 (2)②記錄溫度計(jì)的數(shù)值　記錄電壓表的數(shù)值 (3)100　0.400 12．現(xiàn)有熱敏電阻、電爐絲、電源、電磁繼電器、滑動(dòng)變阻器、開關(guān)和導(dǎo)線若干。如圖7所示，試設(shè)計(jì)一個(gè)溫控電路。要求溫度低于某一溫度時(shí)，電爐絲自動(dòng)通電供熱，超過某一溫度時(shí)，又可以自動(dòng)斷電，畫出電路圖并說明工作過程。 圖7 解析：電路圖如圖所示： 工作過程：閉合S，當(dāng)溫度低于設(shè)計(jì)值時(shí)，熱敏電阻阻值大，通過電磁繼電器的電流不能使它工作，K接通，電爐絲通電供熱；當(dāng)溫度達(dá)到設(shè)計(jì)值時(shí)，熱敏電阻阻值減小到某值，通過電磁繼電器的電流達(dá)到工作電流，K斷開，電爐絲斷電，停止供熱。當(dāng)溫度低于設(shè)計(jì)值，又重復(fù)前述過程。 答案：見解析