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

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2019-2020年高中物理第5章傳感器及其應用第3節(jié)大顯身手的傳感器教學案魯科版選修3 一、洗衣機水位控制裝置 全自動洗衣機的水位控制裝置使用了壓力傳感器。當水位達到設定的高度時接通控制電路關閉進水電磁閥門，接通洗滌電動機電源。 二、自動門 1．控制自動門開關的是一種紅外線傳感器。 2．自動門工作流程： 三、指紋識別器 指紋識別器是通過電容傳感器來識別指紋的。手指皮膚與電容傳感器表面構成了電容器，由于指紋的凹凸導致不同位置的電容器的電容值也不相同。 四、傳感器與機器人 1．機器人組成 由機械系統(tǒng)、傳感器系統(tǒng)、信息處理和控制系統(tǒng)組成。 2．機器人傳感器的分類 分為外部傳感器和內部傳感器。 3．傳感器用途 (1)外部傳感器用于感知外部工作環(huán)境和外界事物對機器人的刺激。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)內部傳感器(如角度傳感器、關節(jié)傳感器等)，用于檢測機器人自身的狀態(tài)。 1．自主思考——判一判 (1)全自動洗衣機水位控制裝置應用了壓力傳感器。(√) (2)自動門應用了紅外線傳感器。(√) 2．合作探究——議一議 (1)為什么指紋的脊和谷相對于另一個極板的距離不同，電容值就不同呢？ 提示：由C＝知，當正對面積和介電常數(shù)一定時，電容與兩極間距離是一一對應的，距離越大，電容越小，所 以脊和谷相對于另一個極板的距離不同時，電容值就不同。 (2)機器人有哪些分類？你能說出幾種？ 提示：①家務型機器人：能幫助人們打理生活，做簡單的家務活。 ②操作型機器人：能自動控制，可重復編程，多功能，有幾個自由度，可固定或運動，用于相關自動化系統(tǒng)中。 ③程控型機器人：按預先要求的順序及條件，依次控制機器人的機械動作。 ④智能機器人：以人工智能決定其行動的機器人。 生活中的傳感器 1．洗衣機水位控制原理分析 (1)結構：如圖531(a)所示，1和2分別是洗衣機的外筒和內筒，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：向內筒中注水時，水通過內筒壁上的小孔流入外筒，部分水進入氣室，氣室內被密封的空氣壓強增大，使傳感器的膜片向上凸起，如圖(b)所示。當筒中水位到達設定的高度時，凸起的膜片使動觸點a與靜觸點b脫離，并與靜觸點c接觸，從而接通控制電路，關閉進水電磁閥門，接通洗滌電動機電源，開始洗滌衣物。 2．傳感器與機器人感覺對應表 感覺 所用傳感器 效果 當前發(fā)展水平 視覺 視覺傳感器 (攝像機) 使機器人擁有人眼的視覺功能 離自然人的視覺水平相差甚遠　 聽覺 超聲波傳感器、語識別裝置音 使機器人擁有類似人耳的聽覺功能 能理解一些簡單的語句，不能真正實現(xiàn)人機對話　 嗅覺 氣體傳感器 使機器人擁有類似人的鼻子的功能 只能識別有限的幾種氣體，一般機器人沒有嗅覺 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、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它的壓力，將其轉換為電信號，并由儀表顯示，來測量物體質量，所以它感知的是壓力，使用了壓力傳感器，故C選項正確。 2．(xx浙江高考)如圖532所示為一種常見的身高體重測量儀。測量儀頂部向下發(fā)射波速為v的超聲波，超聲波經(jīng)反射后返回，被測量儀接收，測量儀記錄發(fā)射和接收的時間間隔。質量為M0的測重臺置于壓力傳感器上，傳感器輸出電壓與作用在其上的壓力成正比。當測重臺沒有站人時，測量儀記錄的時間間隔為t0，輸出電壓為U0，某同學站上測重臺，測量儀記錄的時間間隔為t，輸出電壓為U，則該同學身高和質量分別為(　　) 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　設人的身高為x，質量為m。 當測重臺沒有站人時：＝① 當人站在測重臺上時：＝② 由①②兩式得人的身高x＝v(t0－t) 當測重臺上沒站人時：M0g＝kU0③ 當人站在測重臺上時：(M0＋m)g＝kU④ 由③④兩式得人的質量m＝(U－U0) 可知選項D正確。 3．類人型機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自動避讓并及時轉彎。下列有關該機器人“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　遇到障礙物會繞開，說明它是光傳感器，B對，A、C、D錯。 電容傳感器原理的理解與應用 1．如圖533甲所示是用來測定角度θ的電容傳感器。當動片與定片之間的角度θ發(fā)生變化時，引起極板正對面積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．如圖乙所示是測定液面高度h的電容傳感器。在導線芯的外面涂上一層絕緣物質，放入導電液體中。導線芯和導電液體構成電容器的兩個極，導線芯外面的絕緣物質就是電介質。液面高度h發(fā)生變化時，引起正對面積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．如圖丙所示是測定壓力F的電容傳感器。待測壓力F作用于可動膜片電極上的時候，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．如圖丁所示是測定位移s的電容傳感器。隨著電介質進入極板間的長度發(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形成一個電容器，被直流電源充電，當聲波使膜片M振動時，電容發(fā)生變化，電路中形成變化的電流。當膜片M向右運動的過程中有(　　) 圖534 A．電容不變 B．電容變小 C．導線AB中有向左的電流 D．導線AB中有向右的電流 解析：選C　膜片M向右運動時，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，所以導線AB中的電流由B流向A。 2.如圖535所示為一測液面高低的傳感器示意圖，A為固定的導體芯，B為導體芯外面的一層絕緣物質，C為導電液體，把傳感器接到圖示的電路中，已知靈敏電流計指針偏轉方向與電流方向相同，如果發(fā)現(xiàn)指針正向右偏轉，則導電液體的深度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，則正對面積減小，即h在減小，故B正確。 1．機器人技術發(fā)展迅速，以下哪方面是現(xiàn)有的機器人不能很好地完成的(　　) A．汽車工業(yè)中自動焊接領域 B．深水探險 C．藝術體操和與人對話 D．機械加工 解析：選C　現(xiàn)有的機器人技術限于制造工藝、計算機技術和傳感器技術，還很難達到類似人對肢體的控制能力，其動作精確但較僵硬，語音識別能力還很差，在其他幾個方面機器人都有上佳表現(xiàn)。 2．傳感器的種類多種多樣，其性能也各不相同。空調機在室內溫度達到設定的溫度后，會自動停止工作，空調機內使用的傳感器是(　　) 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　空調機根據(jù)溫度調節(jié)工作狀態(tài)，所以內部使用了溫度傳感器，故C正確。 3．下列和電視機遙控器中使用同一類傳感器的是(　　) A．紅外報警裝置 B．火災報警裝置 C．自動洗衣機中的壓力傳感裝置 D．電飯煲中控制加熱和保溫的溫控器 解析：選A　紅外報警裝置接收物體發(fā)出的紅外線，和電視機遙控器中使用的是同一類傳感器，故A正確；火災報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錯誤。 4．關于電子秤中應變式力傳感器的說法正確的是(　　) A．應變片是由導體材料制成的 B．當應變片的表面拉伸時，其電阻變大；反之變小 C．傳感器輸出的是應變片電壓 D．外力越大，輸出的電壓差越小 解析：選B　應變片是由半導體材料制成的，A錯誤；應變片的表面拉伸時，R值變大，應變片壓縮時，R值變小，B正確；傳感器輸出的是應變片兩個電壓的差值，外力越大，輸出電壓差值越大，C、D錯誤。 5．有一種在光照或溫度升高時排氣扇都能啟動的自動控制裝置，下列說法正確的是(　　) A．兩個傳感器都是光電傳感器 B．兩個傳感器分別是光電傳感器和溫度傳感器 C．兩個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排氣扇才能工作 解析：選B　題中提到有光照或溫度升高時排氣扇都能自動控制，由此可見兩個傳感器一個是光電傳感器，一個是溫度傳感器，而且排氣扇自動工作只需光照和溫度一個滿足條件即可。 6．如圖1所示是會議室和賓館房間的天花板上裝有的火災報警器的結構原理圖：罩內裝有發(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)生火災時，下列說法正確的是(　　) 圖1 A．進入罩內的煙霧遮擋了光線，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．進入罩內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 解析：選C　由火災報警器的原理可知，發(fā)生火災時煙霧進入罩內，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出這種變化，發(fā)出警報，C對。 7．壓敏電阻的阻值會隨所受壓力的增大而減小，某位同學利用壓敏電阻設計了判斷電梯運動狀態(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，受壓面朝上，在上面放一物體m，電梯靜止時電流表示數(shù)為I0，電梯在運動過程中，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動 B．乙圖表示電梯做勻加速運動 C．乙圖表示電梯做變加速運動 D．乙圖表示電梯做勻減速運動 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該減小，結合壓敏電阻特點可以判斷，壓力增大，而且電流逐漸變大，壓力應該也是逐漸增大，說明電梯的加速度逐漸增大，所以電梯做變加速運動，C對。 8．(多選)如圖3所示是電飯鍋的結構圖，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的鐵磁性 B．當溫度超過103 ℃時，感溫磁體的鐵磁性較強 C．飯熟后，水分被大米吸收，鍋底的溫度會超過103 ℃，這時開關按鈕會跳起 D．常壓下只要鍋內有水，鍋內的溫度不可能達到103 ℃，開關按鈕就不會自動跳起 解析：選ACD　常溫下感溫磁體具有較強鐵磁性，A正確；飯熟后，水分被大米吸收，鍋底的溫度會超過“居里溫度”103 ℃，感溫磁體鐵磁性消失，這時開關按鈕會跳起，B錯誤，C正確；常壓下只要鍋內有水，因為水的沸點為100 ℃，鍋內的溫度就不可能達到103 ℃，感溫磁體始終具有鐵磁性，開關按鈕就不會自動跳起，D正確。 9．演示位移傳感器的工作原理如圖4所示，物體M在導軌上平移時，帶動滑動變阻器的滑片P，通過電壓表顯示的數(shù)據(jù)，來反映物體位移的大小。假設電壓表是理想的，則下列說法正確的是(　　) 圖4 A．物體M運動時，電源內的電流會發(fā)生變化 B．物體M運動時，電壓表的示數(shù)會發(fā)生變化 C．物體M不動時，電路中沒有電流 D．物體M不動時，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，故觸頭移動時不會改變電路的電阻，也就不會改變電路中的電流，故A錯誤。電壓表測得的是滑片P左側電阻分得的電壓，故電壓表的示數(shù)隨物體M的移動而變化，即隨滑片的運動而變化，故B正確，C、D均錯誤。 10．小強用恒溫箱進行實驗時，發(fā)現(xiàn)恒溫箱的溫度持續(xù)升高，無法自動控制。經(jīng)檢查，恒溫箱的控制器沒有故障。參照圖5，下列對故障判斷正確的是(　　) 圖5 A．只可能是熱敏電阻出現(xiàn)故障 B．只可能是溫度設定裝置出現(xiàn)故障 C．熱敏電阻和溫度設定裝置都可能出現(xiàn)故障 D．可能是加熱器出現(xiàn)故障 解析：選C　恒溫箱內溫度持續(xù)升高，說明加熱器沒有損壞，選項D錯誤。無法自動控制，而經(jīng)檢查控制器又沒有故障，說明控制器沒問題。熱敏電阻或溫度設定裝置出現(xiàn)故障都能使溫度持續(xù)升高，故應選C。 11．某實驗小組探究一種熱敏電阻的溫度特性?，F(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、待測熱敏電阻、保溫容器、溫度計、開關和導線等。 圖6 (1)若用上述器材測量熱敏電阻的阻值隨溫度變化的特性，請你在圖6甲中的實物圖上 連線。 (2)實驗的主要步驟： 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，________，________，斷開開關； ③重復第②步操作若干次，測得多組數(shù)據(jù)。 (3)實驗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關系圖像，請根據(jù)圖像寫出該熱敏電阻的Rt關系式：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，需要記錄溫度計的數(shù)值和電壓表的數(shù)值。 (3)從圖像知R與t成線性關系，且縱軸上截距(當t＝0 ℃時)R＝100 Ω；當t＝10 ℃時，R＝104 Ω；當t＝70 ℃時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、滑動變阻器、開關和導線若干。如圖7所示，試設計一個溫控電路。要求溫度低于某一溫度時，電爐絲自動通電供熱，超過某一溫度時，又可以自動斷電，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，當溫度低于設計值時，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；當溫度達到設計值時，熱敏電阻阻值減小到某值，通過電磁繼電器的電流達到工作電流，K斷開，電爐絲斷電，停止供熱。當溫度低于設計值，又重復前述過程。 答案：見解析