高中物理 第4章 传感器与现代社会 43用传感器做实验.docx
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高中物理第4章传感器与现代社会43用传感器做实验
4.3 用传感器做实验
4.4 信息时代离不开传感器
学习目标
知识脉络
1.了解日常生活中常见的一些传感器及其应用.
2.了解常见的传感器做一些简单实验.
3.掌握传感器应用的设计.（难点）
4.掌握现代信息技术中传感器的电路分析.（重点）
几种常见的传感器
1.温度传感器
温度传感器是利用热敏电阻的阻值随温度的变化而变化的原理制成的，它能把温度这个热学量转换为电压这个电学量.温度传感器中用于测温的敏感元件是热敏电阻，它由铂金属制成.铂金属电阻的温度系数稳定、电阻率高、测量范围宽，在工业测温中应用广泛.
2.力传感器
将力学量转换为电学量的装置称为力传感器.力传感器的工作原理是通过内部的悬臂梁先将力学量转换成金属材料的形变，然后由敏感元件将这种形变转换成电学量.力传感器的敏感元件是金属电阻应变片，在外力作用下电阻丝的长度和截面改变引起电阻变化.
3.磁传感器——霍尔元件的应用
霍尔元件是将磁感应强度这个磁学量转化为电压这个电学量的元件.磁传感器中的敏感元件是磁敏感元件，也称为霍尔元件.
霍尔电压：
如图4 3 1所示，E、F间通入恒定电流I，同时外加与薄片垂直的磁场B，则M、N间出现霍尔电压UH，UH＝KHIB.
图4 3 1
1.家用遥控系统使用的是红外线传感器.（√）
2.火灾报警器是利用的温度传感器.（×）
3.霍尔元件的作用是把磁感应强度这个磁学量转换为电压这个电学量.（√）
在一些酒店、银行安装有自动门，人到门前，门能自动打开，人过后，门又能关上，这种传感器是靠什么工作的？
【提示】 自动门内部有红外线感应系统（也有靠雷达的），当人在红外线检测区域内，传感器将电动机启动、开门、关门.
如图所示为一矩形霍尔元件，沿EF方向通的电流I，放入匀强磁场B之中.
图4 3 2
探讨1：
霍尔元件是将磁学量转换为什么物理量？
【提示】 电压.
探讨2：
若此霍尔元件为半导体材料制成的，则N、M两点的电势哪点高？
【提示】 N点高.
探讨3：
若此霍尔元件为金属材料制成的，则N，M两点的电势哪点高？
【提示】 M点高.
1.霍尔元件
如图4 3 3所示，在一个很小的矩形半导体（例如砷化铟）薄片上，制作四个电极E、F、M、N，就成为一个霍尔元件.霍尔元件能够把磁感应强度这个磁学量转换成为电压这个电学量.
图4 3 3
2.霍尔电压UH＝k
（1）其中k为比例系数，称为霍尔系数，其大小与薄片的材料有关.
（2）一个霍尔元件的厚度d、霍尔系数k为定值，再保持I恒定，则UH的变化就与B成正比，因此霍尔元件又称磁敏元件.
（3）霍尔效应的原理
外部磁场使运动的载流子受到洛伦兹力，在导体板的一侧聚集，在导体板的另一侧会出现多余的另一种电荷，从而形成横向电场；横向电场对电子施加与洛伦兹力方向相反的静电力，当静电力与洛伦兹力达到平衡时，导体板左右两侧会形成稳定的电压，设图中MN方向长度为l2，则q
＝qvB.
根据电流的微观解释，I＝nqSv，整理后，得UH＝
.
令k＝
，因为n为材料单位体积的导电粒子个数，q为单个导电粒子的电荷量，它们均为常数，所以UH＝k
.
UH与B成正比，这就是为什么霍尔元件能把磁学量转换成电学量的原因.
1.霍尔元件能转换哪两个量（ ）
A.把温度这个热学量转换为电阻这个电学量
B.把磁感应强度这个磁学量转换为电压这个电学量
C.把物体形变这个力学量转换为电压这个电学量
D.把光照强弱这个光学量转换为电阻这个电学量
【解析】 霍尔电压UH＝kIB/d，它是把磁感应强度这个磁学量转换为电压这个电学量，所以选B.
【答案】 B
2.一种半导体材料称为霍尔材料，用它制成的元件称为霍尔元件，这种材料有可定向移动的电荷，称为载流子，每个载流子的电荷量大小为1个元电荷，即q＝1.6×10－19C，霍尔元件在自动检测、探测领域得到广泛应用，如录像机中用来测量磁鼓的转速、电梯中用来检测电梯门是否关闭以及自动控制升降机电动机的电源通断等.
【导学号：
72000091】
图4 3 4
在一次实验中，一块霍尔材料制成的薄片宽
＝1.0×10－2m、长
＝4.0×10－2m、厚h＝1×10－3m，水平放置在竖直向上的磁感应强度B＝1.5T的匀强磁场中，bc方向通有I＝3.0A的电流，如图4 3 4所示，沿宽度产生1.0×10－5V的横向电压.
（1）假定载流子是电子，a、b两端中哪端电势较高？
（2）薄板上形成电流I的载流子定向运动的速率多大？
【解析】
（1）根据左手定则可确定a端电势高；
（2）当导体内载流子沿电流方向所在的直线定向运动时，受洛伦兹力作用而产生横向分运动，产生横向电场，横向电场的电场力与洛伦兹力平衡时，横向电压稳定.设载流子沿电流方向所在直线定向移动的速度为v，横向电压为Uab，横向电场强度为E，电场力为Fe＝E·e＝
·e，洛伦兹力FB＝evB，平衡时
·e＝evB，得v＝
≈6.7×10－4m/s.
【答案】
（1）a
（2）6.7×10－4m/s
处理霍尔元件问题的两点技巧：
（1）横向电场力与洛伦兹力相等是解题关键.
（2）在匀强电场中有F＝qE，E＝
可得U.
信息时代离不开传感器
1.随处可见的传感器
（1）红外测温仪：
是一种将红外辐射波转换成电信号的传感装置.
（2）数码相机和摄像机：
敏感元件叫做电荷耦合器件（CCD），它将光信号转换成模拟电信号，模拟电信号再通过一种专门转换器（A/D）转换成数字电信号.
（3）酒精浓度测试仪：
敏感元件是酒精传感器.
2.信息社会离不开传感器
智能式传感器集信息检测、信息处理、信息记忆、逻辑思维和判断功能于一身，把计算机、各种用途的传感器和输入输出接口等制作在同一芯片上，成为大规模集成电路智能传感器.
3.遥测与遥感
遥感遥测的基本原理是通过遥感传感器对观测目标产生的电磁波、热辐射进行远距离收集、转换，用计算机处理、识别，得出结论.主要应用于地球资源勘探、环境监测、气象预报、军事侦察等.
1.应变式力传感器可以测牵引力，也可以测压力.（√）
2.地球资源勘探、军事侦察都是通过遥感传感器来获取的.（√）
3.机器人由机械系统、传感器系统、信息处理和控制系统组成的.（√）
现在很多工作单位利用指纹识别器，你知道它是如何工作的吗？
【提示】 工作原理：
指纹识别器是通过电容器来识别指纹的.传感器表面集合了很多个电容器的极板，其外面是绝缘表面，当用户的手指放在绝缘表面上时，手指的皮肤就成了电容器的另一个极板，由于指纹的脊和谷相对于另一个极板的距离不同，使电容阵列不同位置的电容器的电容值也不同.通过读取这些电容的差异，就能够获取指纹信息.这样就把指纹的信息转化成了电信号，再经过电路对电信号的比较，就可以实现对指纹的识别.
2003年北京发生了非典疫情，为防止疫情扩散，当时在机场、车站等人员集散地都设有体温检测点.
探讨1：
要快速准确地筛查体温偏高者，用水银温度计还是用红外线测温仪？
【提示】 红外线测温仪.
探讨2：
红外线测温仪有哪些优点？
【提示】 测温时间短，且不需要与人体直接接触，避免了交叉感染.
1.生活中的传感器
（1）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.
（2）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.
（3）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.
2.农业生产中的传感器
（1）湿度传感器：
判断农田的水分蒸发情况，自动供水或停水.
（2）温度传感器和湿度传感器：
可对上百个点进行温度和湿度监测.由于有了十分先进可靠的测试技术，有效地减少了霉变现象.
3.工业生产中的传感器
（1）生产的自动化和半自动化.用机器人、自动化小车、自动机床、各种自动生产线或者系统，代替人完成加工、装配、包装、运输、存储等工作.各种传感器使生产的自动运行保持在最佳状态，以确保产品质量，提高效率和产量，节约原材料等.
（2）在数控机床中的位移测量装置，就是利用高精度位移传感器进行位移测量，从而实现对零部件的精密加工.
4.飞向太空的传感器
在航空、航天技术领域，传感器应用得较早，也应用得较多，在运载火箭、载人飞船中，都应用了大量的传感器供遥测和遥控系统使用.这些传感器对控制航天器的姿态、接收和发送信息、收集太空数据等都有重要作用.在载人飞船中还使用一类测量航天员各种生理状况的生理传感器，如测量血压、心电图、体温等.
3.（2016·龙岩高二检测）下列有关传感器的说法中错误的是（ ）
A.汶川大地震时用的生命探测仪利用了红外传感器
B.“嫦娥二号”卫星星载的立体相机获取月球数据利用了光传感器
C.电子秤称量物体质量是利用了力传感器
D.火灾报警器能够在发生火灾时报警是利用了温度传感器
【解析】 生命探测仪是利用红外传感器，立体相机是利用光学传感器，电子秤是利用压力传感器，火灾报警是在烟雾浓度达到一定程度时能够输出电信号，使警铃发声或使红灯闪烁，自动报警，利用了烟雾传感器而不是利用了温度传感器，A、B、C对，D错.
【答案】 D
4.（多选）数字跑道已在北京奥运会田径竞走、跳远和三级跳等重点奥运项目中投入使用，数字跑道和数字跑鞋为运动健儿们在科学训练和比赛中发挥了积极作用.该跑道采用了大面积柔性压力阵列传感器、现场总线网络和分布式信息处理技术，可实时检测运动员步频、步距、足部触地时间、离地时间、速度、发力大小、发力角度等信息，在此基础上构建了训练信息采集和技术诊断分析系统，为田径项目提供了一种全新的科学化训练平台.下列关于数字跑道的说法正确的是（ ）
A.传感器需要有敏感元件和转换电路等组成
B.压力阵列传感器应该是一种力电传感器
C.奥运会中应用的传感器智能化程度很高，直接感应的是电学量，不需要力电转换
D.奥运会中应用的传感器智能化程度尽管很高，但传感器都是将非电学量转换为电学量
【解析】 根据题目情景叙述，跑道上使用的是压力传感器，所有的传感器都要先通过敏感元件采集信息，然后再由转换电路将采集到的力、热、光等非电学量转换为便于测量的电压或电流等电学量.当转换电路采用计算机进行信息处理，并输出数字信息时，这种传感器就可以称得上是智能传感器了.
【答案】 ABD
5.小强用恒温箱进行实验时，发现恒温箱的温度持续升高，无法自动控制.经检查，恒温箱的控制器没有故障.参照图4 4 1，下列对故障判断正确的是（ ）
图4 4 1
A.只可能是热敏电阻出现故障
B.只可能是温度设定装置出现故障
C.热敏电阻和温度设定装置都可能出现故障
D.可能是加热器出现故障
【解析】 由恒温箱原理图可知，若热敏电阻出现故障或温度设定出现故障都会向控制器传递错误信息，导致控制器发出错误指令，故C正确，A，B错误.若加热器出现故障，只有一种可能，即不能加热，而题中加热器一直加热才会使温度持续升高，故D错误.
【答案】 C
1传感器的作用就是将非电学量转换为电学量.
2分析自动控制电路时要根据某种逻辑关系，按照一定的顺序进行分析，如由敏感元件→传感元件→控制电路→工作电路→控制目的.
学业分层测评（十三）
（建议用时：
45分钟）
[学业达标]
1.（多选）下列传感器中机器人能应用到的传感器是（ ）
A.视觉传感器 B.位移传感器
C.压力传感器D.语言识别装置
【解析】 视觉传感器相当于机器人的“眼睛”；压力传感器、位移传感器等使机器人有了“感觉”；语言识别装置相当于机器人的“耳朵”.故正确答案为A、B、C、D.
【答案】 ABCD
2.（多选）当前传感器被广泛应用于各种电器、电子产品之中，下述关于常用的几种家用电子器件所采用传感器的说法中正确的是（ ）
A.电视机对无线遥控信号的接收主要是采用了光电传感器
B.电子体温计中主要是采用了温度传感器
C.电脑所用的光电鼠标主要采用了声波传感器
D.电子秤中主要是采用了力电传感器
【解析】 C项中电脑所用的光电鼠标主要采用了光电传感器.
【答案】 ABD
3.“嫦娥一号”卫星上装有8种24件探测仪器，其中可能有（ ）
A.味觉传感器B.气体传感器
C.听觉传感器D.视觉传感器
【解析】 “嫦娥一号”月球卫星是为探测月球而发射的在轨卫星，而月球上无气体，所以不需要气体传感器和听觉传感器，当然也用不到味觉传感器，真正需要的是为月球“画像”的视觉传感器——立体相机.
【答案】 D
4.用遥控器调换电视机频道的过程，实际上就是传感器把光信号转换成电信号的过程.下列属于这类传感器的是（ ）
A.红外报警装置
B.走廊照明灯的声控开关
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
【解析】 A.红外线是一种不可见的光线，红外报警装置就是利用它将光信号转换为电信号的，所以符合题意；B.声控开关主要是将声信号转换为电信号，所以不合题意；C.洗衣机中的压力传感装置主要是将压力信号转换为电信号，所以不合题意；D.电饭煲中的温控器主要是将温度信号转换为电信号，所以不合题意.
【答案】 A
5.（多选）关于电子秤中应变式力传感器的说法中正确的是（ ）
A.悬臂梁发生形变后将其形变的弹力显示出来
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，输出的电压差值也越大
【解析】 应变片材料的电阻满足R＝ρ
，当应变片的电阻发生变化时使输出的电压差值变大，由电压差值与外力的关系转换成力的大小显示出来，并不是将形变时的弹力直接显示出来，由此知B、D正确.
【答案】 BD
6.当你走近某些写字楼、机场、宾馆等大厅的入口时，大门会自动打开，进入大厅后，门又会自动关闭，关于这种自动门的下列说法中正确的是（ ）
A.控制这种自动门开关的是一种红外线传感器
B.控制这种自动门开关的是一种普通光电传感器，能使自动门“见光开”
C.大人走近门会自动打开，小孩走近门，门不会自动打开
D.男孩走近门会自动打开，女孩走近门，门可能不会开
【解析】 控制自动门开关的传感器是红外线传感器，A对，B错；尽管不同物体（包括大人、孩子）不同的温度发出的红外线波长不同，但在设置这个传感器范围时应当充分考虑到大人、小孩个体的差异及人体体温的变化范围.大人、小孩、男孩、女孩靠近，门都应当会自动打开，C、D错.
【答案】 A
7.如图4 4 2所示是电容式话筒的示意图，它是利用电容制作的传感器，话筒的振动膜前面镀有薄薄的金属层，膜后距膜几十微米处有一金属板，振动膜上的金属层和这个金属板构成电容器的两极，在两极间加一电压U，人对着话筒说话时，振动膜前后振动，使电容发生变化，导致话筒所在电路中的其他量发生变化，使声音信号被话筒转化为电信号，其中导致电容变化的原因可能是电容器两板间的（ ）
图4 4 2
A.距离变化B.正对面积变化
C.介质变化D.电压变化
【解析】 本题考查传感器的应用.这个声传感器可归到电容传感器中.由题意，对着话筒说话时，振动膜前后振动，则金属层和金属板间距离改变，即电容器两极板间距离改变，故导致电容变化的原因可能是电容器两极板间的距离变化，故正确答案为A.
【答案】 A
8.如图4 4 3所示为一种温度自动报警器的原理图，在水银温度计的顶端封入一段金属丝，以下说法正确的是（ ）
【导学号：
72000092】
图4 4 3
A.温度升高至74℃时，L1亮灯报警
B.温度升高至74℃时，L2亮灯报警
C.温度升高至78℃时，L1亮灯报警
D.温度升高至78℃时，L2亮灯报警
【解析】 当温度低于78℃时，线圈中没有电流，此时灯L1亮，但不报警，当温度升高到78°时，线圈中有电流，磁铁吸引衔铁，灯L2被接通，所以灯L2亮且报警，温度升高至74℃时，线圈中没有电流，只是灯L1亮，不会报警.
【答案】 D
[能力提升]
9.如图4 4 4所示是会议室和宾馆房间的天花板上装有的火灾报警器的结构原理图，罩内装有发光二极管LED、光电三极管和不透明的挡板.平时光电三极管接收不到LED发出的光，呈现高电阻状态.发生火灾时，下列说法正确的是（ ）
图4 4 4
A.进入罩内的烟雾遮挡了光线，使光电三极管电阻更大，检测电路检测出变化发出警报
B.光电三极管温度升高，电阻变小，检测电路检测出变化发出警报
C.进入罩内的烟雾对光有散射作用，部分光线照到光电三极管上，电阻变小，发出警报
D.以上说法均不正确
【解析】 由火灾报警器的原理可知，发生火灾时烟雾进入罩内，使光发生散射，部分光线照到光电三极管上，电阻变小，与传感器相连的电路检测出这种变化，发出警报，C对.
【答案】 C
10.（多选）压敏电阻的阻值会随所受压力的增大而减小.一同学利用压敏电阻设计了判断升降机运动状态的装置，如图4 4 5甲所示，将压敏电阻平放在升降机内，受压面朝上，在上面放一物体m，升降机静止时电流表示数为I0.某过程中电流表的示数如图4 4 5乙所示，则在此过程中（ ）
【导学号：
72000093】
图4 4 5
A.物体处于失重状态
B.物体处于超重状态
C.升降机一定向上做匀加速运动
D.升降机可能向下做匀减速运动
【解析】 因为压敏电阻的阻值会随所受压力的增大而减小，由题图乙知，电流大于静止时的电流且稳定，故压力增大，物体处于超重状态，选项B、D正确.
【答案】 BD
11.全面了解汽车的运行状态（速度、水箱温度、油量）是确保汽车安全行驶和驾驶员安全的举措之一，为模仿汽车油表原理，自制一种测定油箱油量多少或变化多少的装置.如图4 4 6所示，其中电源电压保持不变.R是滑动变阻器，它的金属滑片是金属杆的一端.小阳同学在装置中使用了一只电压表（图中没有画出），通过观察电压表示数，可以了解油量情况，你认为电压表应该接在图中的两点之间，按照你的接法请回答：
当油箱中油量减少时，电压表的示数将（填“增大”或“减小”）.
图4 4 6
【解析】 由题图可知当油箱内液面高度变化时，R的金属滑片将会移动，从而引起R两端电压的变化，且当R′≫R时，UR＝IR可视为UR与R成正比，所以电压表应接在b、c之间，当油量减小时，电压表示数将增大.
【答案】 b、c 增大
12.如图4 4 7所示为普通冰箱内温度控制器的结构.铜质的测温泡1、细管2和弹性金属膜盒3连通成密封的系统，里面充有氯甲烷和它的蒸汽，上述材料就构成了一个温度传感器.膜盒3为扁圆形（图中显示为它的切面），右表面固定，左表面通过小柱体与弹簧片4连接.盒中气体的压强增大时，盒体就会膨胀.测温泡1安装在冰箱的冷藏室中，5、6分别是电路的动触点和静触点，控制制冷压缩机的工作.弹簧7的两端分别连接到弹簧片4和连杆9上，连杆9的下端是装在机箱上的轴.凸轮8是由设定温度的旋钮（图中未画出）控制的.逆时针旋转时凸轮连杆上端右移，从而加大对弹簧7的拉力.
图4 4 7
（1）为什么当冰箱内温度较高时压缩机能够开始工作，而当达到设定的低温后又自动停止工作？
（2）为什么凸轮可以改变设定的温度？
【解析】
（1）冰箱内温度较高时，密封系统中的压强增大，盒体膨胀，膜盒3通过小柱体带动弹簧片4使动触点5与静触点6接触，控制压缩机自动开始工作，而当达到设定的低温时弹簧7带动弹簧片4将触点5、6断开，使压缩机停止工作.
（2）凸轮逆时针旋转会加大连杆9对弹簧7的拉力，该拉力与膜盒3共同控制弹簧片4的运动，故凸轮可以改变设定的温度.
【答案】 见解析
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