高中物理选修3-2第六章传感器-3.传感器的应用（二）(课件）

(共45张PPT)
吕 叔 湘 中 学
庞 留 根
传感器的应用（二）
传感器的应用（二）
教学目标
一、温度传感器——电饭锅
演示 思考与讨论
二、温度传感器的应用——测温仪
三、光传感器的应用——鼠标器
鼠标器的工作原理
四、光传感器的应用——火灾报警器
实验 例题 课堂总结
A组能力训练题 1 2 3 4
5 6 7 8 9
B组能力训练题 1 2 3 4
5 6 7 8
教学目标
（1）理解温度传感器的应用―电饭锅的工作原理。
（2）理解温度传感器的应用―测温仪的工作原理。
（3）理解光电传感器的应用―鼠标器的工作原理
（4）理解光电传感器的应用―火灾报警器的工作原理.
教学重点：温度、光传感器的应用原理及结构。
教学难点：温度、光传感器的应用原理及结构。
一、温度传感器——电饭锅
电饭锅的主要部件感温铁氧体，它的特点是常温下，具有铁磁性，能够被磁体吸引，但是温度上升到约为103℃时，就失去了磁性，不能被磁体吸引了。我们把103℃就叫做该材料的“居里温度”或“居里点”.
手动开关
接线螺丝
触点(电源开关)
永磁铁
电热板
内胆底
转轴
感温铁氧体
图6.3-1 电饭锅的结构
演示：
取一块电饭锅用的感温铁氧体（可以用收音机中的磁棒代替），使它与一小块的永磁体吸在一起，用功率较大的电烙铁给铁氧体加热，经过一段时间后会发生什么现象？
随着温度的升高，铁氧体逐渐失去磁性，当温度升高到103℃以上时，铁氧体完全失去磁性，不吸引任何物体了。
思考与讨论：
（1）开始煮饭时为什么要压下开关按钮？手松开后这个按钮是否会恢复到图示的状态？为什么
开始煮饭时，用手压下开关按钮，永磁体与感温磁体相吸，手松开后，按钮不再恢复到图示状态.
（2）煮饭时水沸腾后锅内是否会大致保持一定的温度 为什么？
水沸腾后，锅内大致保持100℃不变。
（3）饭熟后，水分被大米吸收，锅底的温度会有什么变化？这时电饭锅会自动地发生哪些动作？
饭熟后，水分被大米吸收，锅底温度升高，当温度升至“居里点” 103℃时，感温磁体失去铁磁性,在弹簧作用下，永磁体被弹开，触点分离，切断电源，从而停止加热．
（4）如果用电饭锅烧水，能否在水沸腾后自动断电？
如果用电饭锅烧水，水沸腾后，锅内保持100℃不变，温度低于“居里点103℃”，电饭锅不能自动断电。只有水烧干后，温度升高到103℃才能自动断电。
二、温度传感器的应用——测温仪
应用温度传感器可以把温度转换成电信号，由指针式仪表或数字式仪表显示出来，由于电信号可以由测温地点传输到其他地点，所以应用温度传感器可以远距离读取温度的数值，这是把非电学量转变成电学量的一大优点。
几种常见的测温仪，测温元件可以是热敏电阻、金属热电阻、热电偶等，还有红外线敏感元件。
阅读教材，思考并回答问题。
（1）温度传感器测温仪有何优点？
（3）测温仪是如何工作的
（2）常见的测温元件有哪些？
可以远距离读取温度的数值．因为温度信号变成电信号后可以远距离传输．
热敏电阻、金属热电阻、热电偶及红外线敏感元件等
显示结果
测温元件
被测物体
非电学量通过测温元件转化为电学量
（4） 什么是热电偶？
所谓的热电偶就是将两种不同材料的导体或半导体A和B焊接起来，构成一个闭合回路，当导体A和B的两个焊接点1和2之间存在温差时，两者之间便产生电动势，因而在回路中形成一定大小的电流，这种现象称为热电效应。热电偶就是利用这一效应来工作的。
2
A
B
1
测温仪
三、光传感器的应用——鼠标器
（1）鼠标器的主要组成
鼠标器的内部结构包括：滚轴x，滚轴y，滚球，码盘，电路板。
（2）鼠标器中光传感器的主要部件
鼠标器的光传感器主要由红外发射管、红外接收管、滚轴、滚轮组成。
甲
滚球
滚轴y
滚轴x
码盘
红 外
接收管
滚轴
码盘
滚轮
红外发射管
(LED)
乙
（3）鼠标器的工作原理
当鼠标在桌面上滚动时，滚球的运动通过滚轴带动两个码盘转动，红外接收管就收到断续的红外线脉冲，输出相应的电脉冲信号。计算机分别统计x、y两个方向的脉冲信号，处理后就使屏幕上的光标产生相应的位移。
红外接收管
滚轴
码盘
滚轮
红外发射管 (LED)
乙
四、光传感器的应用——火灾报警器
烟雾散射式火灾报警器的工作原理。
报警器带孔的罩子内装有发光二极管LED、光电三极管和不透明的挡板．平时，光电三极管收不到LED发出的光，呈现高电阻状态．烟雾进入罩内后对光有散射作用，使部分光线照射到光电三极管上，其电阻变小．与传感器连接的电路检测出这种变化，就会发出警报．
乙 火灾报警器结构和原理
外罩
挡板
LED
光电三极管
甲 天花板上的火灾报警器
实验：
把光敏电阻、多用表的直流电流档和干电池按照图甲连成电路，对光照的强度进行比较性测量。光敏电阻受到的光照越强，电路中的电流越大。
白天，将它放在教室中适合阅读的地方，记下电流表的读数，晚上，用它来测灯光对书桌的照明。比较两者的差别。
甲
mA
R
E
S
图6.3-6 用光敏电阻
比较光照的强弱
然后分别把不同的光源L (如蜡烛、几种不同功率的白炽灯泡、日光灯管等)都放在与光敏电阻相同距离（例如1m ）的位置，比较它们的亮度。
这个实验也可以用硅光电池来做。由于光电池在受到光照时可以自己产生电动势，所以电路中不用电源。
想一想，怎样用如图所示的装置来制作一个摄影用的曝光表？
乙
r
R
T
Z
L
还可以按照图乙，把光敏电阻R 的引脚穿过硬泡沫塑料板Z 而固定，再罩上内壁涂黑、长度足够的遮光简T ，避免杂散光的干扰。
例题、
电饭锅中的温度传感器主要元件是感温铁氧体，它的特点是：常温下具有铁磁性，能够被磁铁吸引, 但是上升到约103℃时，就失去了磁性，不能被磁体吸引了. 这个温度在物理学中称为该材料的“居里温度”或“居里点”。如图所示是电饭煲的电路图，S1是一个控温开关，手动闭合后，当此开关温度达到居里点（103℃）时，会自动断开。S2是
一个自动控温开关，当温度低
S1
S2
R3
R1
R2
黄灯
红灯
电源
220V
于70℃时会自动闭合; 温度高于80℃时， 会自动断开。红灯是加热时的指示灯，黄灯
是保温时的指示灯。分流电阻R1＝R2＝500Ω，加热电阻丝R3＝50Ω，两灯电阻不计。
（1）计算加热和保温两种状态下，电饭煲消耗的电功率之比。
（2）简要回答,如果不闭合开关S1, 能将饭煮熟吗
解：
（1）加热时电饭煲消耗的电功率
保温时电饭煲消耗的电功率为
从而有
开始S2总是闭合的，R1被短路，功率为P1，当温度上升到80℃时，S2自动断开，功率降为P2，温度降低到70℃ ，S2自动闭合。温度只能在70℃—80℃之间变化，不能把水烧开，不能煮熟饭。
例题
（2）如果不闭合开关S1,
S1
S2
R3
R1
R2
黄灯
红灯
电源
220V
课堂总结
本节课主要学习了以下几个问题：
电饭锅
测温仪
温度传感器
鼠标器
火灾报警器
光传感器
传感器的应用
各种传感器广泛应用于人们日常生活、生产中，如空调、电冰箱、电饭堡、火灾报警器、路灯自动控制、电脑鼠标器等．传感器把所感受到的物理量，如力、热、磁、光、声等，转换成便于测量的电压、电流等，与电路相结合达到自动控制的目的．
A组能力训练题1
1．测温仪使用的是 （ ）
A．光传感器
B．红外线传感器
C．温度传感器
D．超声波传感器
C
A组能力训练题2
2．下列器件是应用光传感器的是 （ ）
A．鼠标器
B．火灾报警器
C．测温仪
D．电子秤
AB
A组能力训练题3
3．下面元件不属于温度传感器的是（ ）
A．电熨斗
B．电饭锅
C．测温仪
D．鼠标器
D
A组能力训练题4
4．火灾报警器使用的是（ ）
A．光传感器
B．温度传感器
C．红外线传感器
D．超声波传感器
AB
A组能力训练题5
5．应用温度传感器可以远距离读取温度的数值，这是把___________转变为_________的一大优点。
电学量
非电学量
A组能力训练题6
6．用遥控器调换电视频道的过程，实际上就是传感器把光信号转化成电信号的过程，下列属于这类传感器的是（ ）
A．红外报警装置
B．走廊照明灯的声控装置
C．自动洗衣机中的压力传感装置
D．电饭煲中控制加热和保温的温控器
A
A组能力训练题7
7.关于电饭锅的说法正确的是 （ ）
A．电饭锅中的温度传感器其主要元件是氧化铁
B．铁氧体在常温下具有铁磁性,温度很高时失去铁磁性
C．用电饭锅烧水,水开时能自动断电
D．用电饭锅煮饭时,若温控开关自动断电后,，它不能自动复位
BD
A组能力训练题8
美国科学家Willard S.Boyle与George E.Smith 因电荷耦合器件（CCD）的重要发明荣获2009年度诺贝尔物理学奖。CCD是将光学量转变成电学量的传感器。下列器件可作为传感器的有 （ ）
A．发光二极管 B．热敏电阻
C．霍尔元件 D．干电池
热敏电阻的阻值随温度的变化而变化，可以把温度转化为电学量，而霍尔元件可以把磁场的磁感应强度转化为电学量，热敏电阻和霍尔元件可作为传感器，B、C正确。
BC
【解析】
A组能力训练题9
9．如图所示的电路中，电源两端的电压恒定，L为小灯泡，R为光敏电阻，LED为发光二极管（电流越大，发出的光越强），且R与LED相距不变，下列说法正确的是（ ）
A．当滑动触头P向左移动时，L消耗的功率增大
B．当滑动触头P向左移动时，L消耗的功率减小
C．当滑动触头P向右移动时，
L消耗的功率可能不变
D．无论怎样移动触头P，L消
耗的功率都不变
A
L
R
LED
P
触头P向左移，使其电阻减小，流过二极管的电流增大，从而发光增强，使光敏电阻R减小，最终达到增大流过灯泡的电流的效果。
解析：
B组能力训练题1
如图所示, R1、R2为定值电阻, L为小灯泡, R3为光敏电阻，当照射光强度增大时（ ）
A.电压表的示数增大 B.R2中电流减小
C.小灯泡的功率增大 D.电路的路端电压增大
R1
R3
E r
R2
L
V
分析：
当光强度增大时，R3阻值减小，
按“串反并同”的规律，跟R3串联的R1两端电压增大,
即电压表的示数增大，A项正确；
跟R3串联的小灯泡L的电流增大, 则小灯泡的功率增大, C正确 ;
跟R3并联的R2两端电压、电流均减小，
A B C
B项正确。
B组能力训练题2
2．传感器是把非电学量(如高度、温度、压力等)的变化转换成电学量变化的一种元件,它在自动控制中有着广泛的应用.如图是一种测定液面高度的电容式传感器的示意图.金属棒与导电液体构成一个电
容器,将金属棒和导电液体分别与
直流电源的两极相连接,从电 容C
和导电液与金属棒间的电压U的
变化就能反映液面的升降情况，
以下判断正确的是（　 ）
金属棒
电介质
导电液
电介质
h
AD
A.电源接通后，电容C减小，反映h减小．
B.电源接通后，电容C减小，反映h增大．
C.电源接通再断开后,电压U减小,反映h减小
D.电源接通再断开后,电压U减小,反映h增大
B组能力训练题3
如图所示是生产中常用的一种延时继电器的示意图。铁芯上有两个线圈A和B。线圈A跟电源连接,线圈B的两端接在一起，构成一个闭合回路。在断开开关S的时候，弹簧E并不能立即将衔铁D拉起,因而不能使触头C（连接工作电路）立即离开,
过一段时间后触头C才能离开，延时继电器就是这样得名的。试说明这种继电器的原理。
S
k
A
B
D
C
线圈A与电源连接，线圈A中有恒定电流，产生恒定磁场，有磁感线穿过线圈B，但穿过线圈B的磁通量不变化，线圈 B中无感应电流。
解析：
断开开关S时，线圈A中电流迅速减减小为零，穿过线圈B的磁通量也迅速减少，由于电磁感应，线圈B中产生感应电流，由于感应电流的磁场对衔铁D的吸引作用，触头C不离开；
经过一小段时间后感应电流减弱，感应电流磁场对衔铁D的吸引力减小，当弹簧E的作用力比磁场力大时，才将衔铁D拉起，触头C离开．
S
k
A
B
D
C
B组能力训练题4
4.如图（a）所示是一种测量血压的压力传感器在 工作时的示意图。薄金属片P固定有4个可以形变的电阻R1、R2、R3、R4，如图（乙），图（甲）是它的侧面图，这四个电阻连成的电路如图（丙）所示。试回答下列问题：
丙
R1
R2
R3
R4
V
B
A
P
R1
R2
R3
R4
O
乙
P
O
F
甲
（1）开始时金属片中央O点未加任何压力，欲使电压表无示数，则4个电阻应满足怎样的关系？
（2）当O点加一个压力F后发生形变，这时4个电阻也随之发生形变，形变后各电阻阻值大小如何变化？
（3）电阻变化后，电路的A、B两点哪点电势高 它为什么能测量血压？
（3）A点的电势将高于B点的电势。 血压越高，压力越大，金属片形变越显著，电阻变化越大，因此电压表的示数越大 , 于是就可以根据电压表的示数大小测量血压的高低了。
答案：
（1）R1/R2=R3/R4
（2）R1、R4增大，R2、R3减小
B组能力训练题5
用如图示的电磁继电器设计一个高温报警器，要求是：正常情况绿灯亮，有险情时电铃报警。可供选择的器材如下：热敏电阻、绿灯泡、小电铃、学生用电源、继电器、滑动变阻器、开关、导线。
a
e
d
c
b
a
e
d
c
b
将热敏电阻、小灯泡、学生用电源、滑动变阻器、开关串联接入继电器的a、b端，如图示：
将学生用电源与电铃分别接入c、d、e之间。
有险情时，光敏电阻值小, ab间电流大,磁性强,吸住衔铁,cd闭合，ce断开，绿灯灭，电铃响。
解：
正常时热敏电阻值大，ab间电流小，磁性弱，ce处于闭合，绿灯亮。
热敏电阻受到光照射时电阻变小 ，
B组能力训练题6
6．如图所示甲为在温度为10℃左右的环境中工作的自动恒温箱简图，箱内电阻R1＝20kΩ，R2＝10kΩ，R3＝40 kΩ，Rt为热敏电阻，它的电阻随温度变化的图线如图乙所示。当a、b端电压Uab﹤0时，电压鉴别器会令开关S接通,恒温箱内的电热丝发热，使箱内温度提高;当Uab＞0时，电压鉴别器使S断开，停止加热，恒温箱内的温度恒定在___________℃。
35
R1
R2
R3
Rt
a
b
S
220V
电热丝
电压 鉴别器
甲
2
3
4
5
0
10
20
30
t/℃
Rt/×10kΩ
1
40
50
60
乙
解见下页
R1
R2
R3
Rt
a
b
S
220V
电热丝
电压 鉴别器
甲
2
3
4
5
0
10
20
30
t/℃
Rt/×10kΩ
1
40
50
60
乙
设电路路端电压为U，当Uab＝0时，有
解得Rt＝20kΩ
由图乙可知，当Rt＝20kΩ时，
t＝35℃
解析：
B组能力训练题7
如图所示为一实验小车中利用光脉冲测量车速和行程的装置的示意图，A为光源，B为光电接收器，A、B均固定在车身上，C为小车的车轮，D为与C同轴相连的齿轮。车轮转动时，A发出的光束通过旋转齿轮上齿的间隙后变成脉冲光信号，被B接收并转换成电信号，由电子电路记录和显示。若实验显示单位时间内的脉冲数为n，累计脉冲数为N，则要测出小车的速度和行程还必须测量的物理量或数据是
；
小车速度的表达式为v＝ ；
行程的表达式为s＝ 。
A
B
D
C
车轮半径R和齿轮的齿数p，
2πNR/p
2πRn/p
解见下页
A
B
D
C
单位时间内的脉冲数为n，这表示1秒内车轮转过n个齿。
由累计脉冲数为N，可得车轮在这段时间内转过的圈数为N/p，故行程的表达式为
解：
则小车的速度
通过测出车轮半径R和齿轮的齿数p，可求出车轮转动一周的时间t，t=p/n，
B组能力训练题8
8.一水平放置的圆盘绕竖直固定轴转动,在圆盘上沿半径开有一条宽度为2mm的均匀狭缝.将激光器与传感器上下对准，使二者间连线与转轴平行,分别置于圆盘的上下两侧, 且可以同步地沿圆盘半径方向匀速移动，激光器连续向下发射激光束．在圆盘转动过程中，当狭缝经过激光器与传感器之间时,传感器接收到一个激光信号, 并将其输入计算机,经处理后画出相应图线. 图(a)为该装置示意图，图(b)为所接收的光信号随时间变化的图线, 横坐标表示时间, 纵坐标表示接收到的激光信号强度，图中
Δt1=1.0×10-3s，
Δt2=0.8×10-3s．
传感器
激光器
图(a)
Δt1
0
I
t(s)
Δt2
Δt3
0.2
1.0
1.8
图(b)
解：
(1) 由图线读得，转盘的转动周期
(2) 激光器和探测器沿半径由中心向边缘移动
理由为：由于脉冲宽度在逐渐变窄，表明光信号能通过狭缝的时间逐渐减少，即圆盘上对应探测器所在位置的线速度逐渐增加，因此激光器和探测器沿半径由中心向边缘移动.
(1)利用图(b)中的数据求1s时圆盘转动的角速度;
(2)说明激光器和传感器沿半径移动的方向；
(3)求图(b)中第三个激光信号的宽度Δt3．
②
角速度
T＝0.8s 　 　 ①
r3－r2＝r2－r1＝vT ④
(3)设狭缝宽度为d，探测器接收到第i个脉冲时距转轴的距离为ri，第i个脉冲的宽度为△ti，激光器和探测器沿半径的运动速度为v．
由④、⑤、⑥式解得：
Δt1
0
I
t(s)
Δt2
Δt3
0.2
1.0
1.8
图(b)
题目
谢谢
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