人教版高中物理选择性必修二 5.1 认识传感器 学案

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5.1 认识传感器 学案
一、自主预习
1. 自动化控制是目前比较热门的研究方向，实现自动化控制较为常用的元件是一些能将其它信号转化为电信号的元件，例如实现光控的电路一般都采用光敏电阻，其特点是__________，制作这种元件一般采用的材料是__________。
2．传感器是能把诸如力、温度、光、声、化学成份等__________量，按照一定的规律转换为电压、电流、电阻等__________量的一类元件。
课堂探究
情景设问
小盒子 A 的侧面露出一个小灯泡，盒外没有开关。如果把磁体 B 放到盒子上面，灯泡就会发光，把磁体移走，灯泡熄灭。盒子里有什么样的装置，才能出现这样的现象？
新知探究
考点一：神奇的传感器
生活中有各种各样的传感器的应用，例如：声控开关、红外线传感器、乙醇传感器等。与温度控制相关的家用电器：电饭煲、电冰箱、微波炉、空调、消毒碗柜等，都用到温度传感器。红外传感器：自动门、家电遥控器、生命探测器、非接触红外测温仪以及防盗、防火报警器等。照相机中的光传感器和家用便携式电子秤的压力传感器等。
1、传感器定义：在现代技术中，传感器是指这样一类器件或装置：它能感受诸如力、温度、光、声、化学成分等被测量，并能把它们按照一定的规律转换为便于传送和处理的可用信号输出。
2、传感器特点：通常把非电学量转换成电学量（电压、电流等），可以很方便的进行测量、传输、处理和控制。
3、人的感觉器官与传感器的类比：
传感器的作用：代替、补充、延伸人的感觉器官。
思考与讨论：传感器的使用使我们的生活更加方便、安全和舒适。生活中，你还发现哪些地方用了传感器？
请你根据需要大胆地设想：在家里、学校和生活的社区，什么地方应该安装传感器？这些传感器要起什么作用？
解析：在我们的生活中用到传感器的地方还很多，比如自动门、手机触摸屏、鼠标、数码相机、电子天平、话筒、电子温度计、自动洗衣机、红外线报警器等。
考点二：传感器的种类
1、传感器的种类：
（1）按学科分类：
工作原理 举例
物理传感器 利用物质的物理性质和物理效应感知并检测出待测对象信息 利用温度传感器制成的电子体温计、利用压力传感器制成的电子秤
化学传感器 利用化学反应识别和检测信息 用电化学气体传感器制成的可燃气体报警器
生物传感器 利用生物化学反应识别和检测信号 酶传感器、组织传感器、细胞传感器等
（2）按被测量分类：声、光、压力、位移、加速度、温度等传感器。
（3）按工作原理分类：电阻式、电容式、电感式、光电式、热电式、压电式、磁电式等传感器。
考点三：传感器的组成和应用模式
1、传感器的组成：传感器的基本部分一般由敏感元件、转换元件组成。
敏感元件：能直接感受或响应外界被测非电学量的部分；
转换元件：能将敏感元件输出的信号直接转换成电信号的部分。
注意：如果敏感元件直接输出的是电学量，它就同时兼为转换元件。例如，热电偶（图5.1-7）、压电晶体等。
大部分的传感器是以物质的物理原理为基础制作（如干簧管），这类传感器种类最多，应用最广。我们的手机中就含有十几种传感器，分布在不同位置，原理也各不相同。
以干簧管为例：干簧管是一种传感器，这一元件的玻璃管内封入两个软磁性材料制成的簧片，有磁体靠近时，两簧片被磁化接通。
2、传感器应用的一般模式：
（1）用指针式电表或数字屏等显示测量的数据；
（2）用来驱动继电器或其他元件，来执行诸如打开管道的阀门、开通或关闭电动机等动作；
（3）由计算机对获得的数据进行处理，发出更复杂的指令。
思考与讨论：话筒是一种能够将声音信号转换为电信号的传感器。图 5.1-9 乙是电容式话筒的组成结构示意图，话筒的振动膜片涂有薄薄的金属层，膜后相距几十微米有一个金属片（固定电极），它们构成电容器的两个极板。电容式话筒利用电容器的电容与极板间距离的关系来工作。你能根据它的工作过程说说各组成元件的作用吗？
考点四：光敏电阻
1、组成：把硫化镉涂敷在绝缘板上，在其表面再用银浆涂敷两个互不相连的梳状电极，这样就制成了一个光敏电阻。
2、光敏电阻的特性：光敏电阻在暗环境，电阻很大；光敏电阻在强光照射下，电阻很小。
3、光敏电阻的作用过程：把光照强弱这个光学量转换为电阻这个电学量。
4、原因分析：硫化镉是一种半导体材料，无光照时载流子极少，导电性能差；随着光照的增加，载流子增多，导电性变好。
三、典例精讲
例题展示
例1.下列应用了温度传感器的是（　　）
A．商场里的自动玻璃门 B．夜间自动打开的路灯
C．自动恒温冰箱 D．楼梯口的夜间有声音时就亮的灯
例2.关于传感器工作的一般流程，下列说法中正确的是（　　）
A．非电学量→敏感元件→转换电路→电学量→转换元件
B．电学量→敏感元件→转换电路→转换元件→非电学量
C．非电学量→敏感元件→转换元件→转换电路→电学量
D．非电学量→转换电路→转换元件→敏感元件→电学量
四、核心素养专练
1. 下面哪些技术中，没有涉及到传感器的应用（　　）
A．声控开关
B．工厂、电站的静电除尘
C．宾馆的自动门
D．家用电饭煲从炊饭到保温的自动切换
2. 关于电子秤中应变式力传感器的说法正确的是（　　）
A．应变片多用半导体材料制成
B．当应变片的表面拉伸时，其电阻变小；反之变大
C．传感器输出的是应变片上的电压
D．外力越大，输出的电压差值越小
3. 如图所示，电吉他的弦是磁性物质，当弦振动时，线圈中产生感应电流，感应电流输送到放大器、喇叭，把声音播放出来，下列说法正确的是（　　）
A．电吉他是光电传感器
B．电吉他是温度传感器
C．电吉他是声音传感器
D．弦改用尼龙材料原理不变
4. 关于传感器，下列说法正确的是（　　）
A．霍尔元件能把光学量转化为电学量
B．干簧管是根据热胀冷缩的原理制成的
C．话筒中的传感器将电信号转化成声音信号
D．传感器是把非电信号转换为电信号的主要元件
五、参考答案
自主预习
1. 光照强度增加时电阻明显减小；半导体。
2. 非电学，电学。
典例精讲
例1. A、商场里的自动玻璃门是应用了红外线传感器，A错误；
B、夜间自动打开的路灯是利用了光传感器，B错误；
C、自动恒温冰箱是利用了温度传感器，C正确；
D、夜间有声音时就亮的楼梯灯是利用了声音传感器，D错误；
故选：C。
例2. 传感器一定是通过非电学量转换成电学量来传递信号的，传感器工作的一般流程为：非电学量被敏感元件感知，然后通过转换元件转换成电信号，再通过转换电路将此信号转换成易于传输或测量的电学量。所以C正确，ABD错误。
故选：C。
核心素养专练
1． A、走廊照明灯的声控开关，实际是将声波转化成电信号的过程，利用 了传感器；
B、工厂、电站的静电除尘是利用带电微粒在电场中偏转，没涉及到传感器；
C、宾馆的自动门是把人反射出来的红外线转化为电信号，利用了传感器；
D、电饭锅工作当温度达到某特定值时，永磁体与感温磁体开始分离，会自动切断电源，利用了温度传感器。
故选：B。
2． A、应变片是一种敏感元件，现在多用半导体材料制成，故A正确
B、当应变片的表面拉伸时，电阻变大，故B错误
C、如果让应变片中通过的电流保持恒定，那么上面应变片两端的电压变大，下面应变片两端的电压变小。传感器把这两个电压的差值输出，故C错误
D、力F越大，输出的电压差值也就越大，故D错误
故选：A。
3．物理传感器应用的是物理效应，比如光电效应、磁电效应等，能将被测信号量的微小变化转换成电信号，当弦振动时，线圈中产生感应电流，属于声音传感器，故C正确，ABD错误。
故选：C。
4．A、霍尔元件能把磁感应强度这个磁学量转换为电压这个电学量，故A错误；
B、当干簧管处在磁场中，弹性舌簧闭合，电路接通，以实现自动控制。所以干簧管接入电路中相当于开关的作用；它利用的原理是磁化现象，与热胀冷缩无关，故B错误；
C、话筒是一种常用的声传感器，其作用是将声信号转换为电信号，故C错误；
D、传感器是通过非电学量转换成电学量来传递信号的，传感器担负着信息采集的任务。故D正确。
故选：D。