物理选择性必修 第二册1 认识传感器学案及答案

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一、神奇的传感器
1．楼道灯自动开启：这个开关会感知环境的明暗和声音的强弱。只有环境的亮度低于某一数值，同时声强高于某一数值时，声控—光控开关才会接通，灯才会亮。
2．自动门：有的自动门装有一种装置，当人走近时，可以检测出人体向外辐射的红外线，从而发出使自动 门开关启动的命令。这种装置就是红外线传感器。
3．便携式酒精检测仪：司机对着 “便携式酒精检测仪”呼气，检测仪就会显示呼出气体中的酒精浓度，这是因为检测仪上装有“乙醇传感器”，它能感知乙醇的浓度。
4．传感器：它能够感受诸如力、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。通常转换成的可用信号是电压、电流等电学量，或转换为电路的通断。把非电学量转换为电学量， 可以很方便地进行测量、传输、处理和控制。
二、传感器的种类
1．传感器的种类：力传感器、磁传感器、声传感器等物理传感器。
2．电化学反应原理：把无机或有机化学物质的成分、浓度等转换为电信号。
3．生物活性物质：利用生物活性物质选择性来识别和测定生物化学物质，如酶传感器、微生物传感器、 细胞传感器等生物传感器。
三、传感器的组成与应用模式
1．敏感元件：是指能直接感受或响应外界被测非电学量的部分。
2．转换元件：是指能将敏感元件输出的信号直接转换成电信号的部分。它们分别完成检测和转换两个基本功能。
1．思考判断(正确的打“√”，错误的打“×”)
(1)传感器是把非电学量转换为电学量的元件。 (√)
(2)所有传感器的材料都是由半导体材料做成的。(×)
(3)传感器只能感受温度和光两个物理量。(×)
(4)传感器可以将所有感受到的信号都转换为电学量。(×)
2．(多选)传感器担负着信息采集的任务，它可以( )
A．将力学量(如形变量)转变成电学量
B．将热学量转变成电学量
C．将光学量转变成电学量
D．将电学量转变成力学量
ABC [传感器是将所感受到的不便于测量的物理量(如力、热、光、声等)转换成便于测量的物理量(一般是电学量)的一类元件，故选项A、B、C对，选项D错。]
3．关于传感器及其作用，下列说法正确的是( )
A．传感器一定是把非电学量转换为电学量
B．传感器一定是把非电学量转换为电路的通断
C．传感器把非电学量转换为电学量是为了方便地进行测量、传输、处理和控制
D．电磁感应是把磁学的量转换为电学的量，所以电磁感应也是传感器
C [传感器是指一种元件或装置，它能感受力、温度、光、声、磁、化学成分等非电学量，并能把它们按照一定的规律转换为电压、电流等电学量，或转换为电路的通断；其作用和目的是更方便地测量、传输、处理、控制非电学量，找出非电学量和电学量之间的对应关系。电磁感应是现象和原理，不是元件和装置，不能称为传感器。]
为解决楼道里的照明问题，在楼道内安装一个传感器与控制电灯的电路连接。当楼道内有人走动而发出声响时，电灯即与电源接通而发光，这种传感器是什么传感器，它的输入、输出信号各是什么？
提示：它是声电传感器，输入的是声信号，输出的是电信号。
1．传感器的核心元件
(1)敏感元件：相当于人的感觉器官，直接感受被测量，并将其变换成与被测量成一定关系的易于测量的物理量，如温度、位移等。
(2)转换元件：也称为传感元件，通常不直接感受被测量，而是将敏感元件输出的物理量转换成电学量输出。
(3)转换电路：是将转换元件输出的电学量转换成易于测量的电学量，如电压、电流等。
2．传感器的工作原理
传感器感受的通常是非电学量，如压力、温度、位移、浓度、速度、酸碱度等，而它输出的通常是电学量，如电压、电流、电荷量等，这些输出信号是非常微弱的，通常要经过放大后再输送给控制系统产生各种控制动作。传感器的工作原理如下所示：
eq \x(非电学量)→eq \x(敏感元件)→eq \x(转换器件)→eq \x(转换电路)→eq \x(电学量)
3．分类
【例】 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，某同学自制一种测定油箱油量多少或变化多少的装置。如图所示，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。该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 (选填“增大”或“减小”)。
[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两点之间；当油量减少时，电压表示数将增大。
[答案] b、c 增大
传感器问题的分析思路
不同类型的传感器，其工作原理一般不同，但所有的传感器都是把非电学量的变化转换为电学量的变化。因此我们可以根据电学量的变化来推测相关量的变化。
eq \([跟进训练])
压敏电阻的阻值随所受压力的增大而减小，有位同学利用压敏电阻设计了判断小车运动状态的装置，其工作原理如图甲所示，将压敏电阻和一块挡板固定在绝缘小车上，中间放置一个绝缘重球。小车向右做直线运动过程中，电流表示数如图乙所示，下列判断正确的是( )
A．从t1到t2时间内，小车做匀速直线运动
B．从t1到t2时间内，小车做匀加速直线运动
C．从t2到t3时间内，小车做匀速直线运动
D．从t2到t3时间内，小车做匀加速直线运动
D [在0～t1内，I恒定，压敏电阻阻值不变，由小球的受力不变可知，小车可能做匀速或匀加速直线运动，在t1～t2内，I变大，压敏电阻阻值变小，压力变大，小车做变加速运动，A、B错误；在t2～t3内，I不变，压力恒定，小车做匀加速直线运动，C错误，D正确。]
声控灯有一种有趣的现象，那就是光线充足时，任你发出多大的声音都不亮；但在黑夜，轻轻一声它就发出亮光，这是为什么呢？
提示：声控灯全名应该为——声光控灯，声控灯中有光控电路，使其在光线充足的时候不工作，所以声控灯的控制盒实际上是声、光同时控制的，在光线充足的情况下灯不会亮，起到日熄夜亮的控制作用，以节约用电。
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。
1．(多选)关于传感器的作用，下列说法中正确的有( )
A．通常的传感器可以直接用来进行自动控制
B．传感器可以用来采集信息
C．传感器可以将感受到的一些信号转换为电学量
D．传感器可以将所有感受到的信号都转换为电学量
BC [传感器是通过非电学量转换成电学量来传递信号的，不能直接用来进行自动控制，A选项错误；传感器可以用来采集信息，B选项正确；传感器分不同种类，每种传感器只感受到特定的信号、并把采集到的信号转化为电学量，C选项正确，D选项错误。]
2．(多选)电子电路中常用到一种称为“干簧管”的元件(如图所示)，它的结构很简单，只是玻璃管内封入的两个软磁性材料制成的簧片。当磁体靠近干簧管时，两个簧片被磁化而接通，所以干簧管能起到开关的作用，操纵开关的是磁场这只看不见的“手”。关于干簧管，下列说法正确的是( )
A．干簧管接入电路中相当于电阻的作用
B．干簧管是根据热胀冷缩的原理制成的
C．两个磁性材料制成的簧片接通的原因是被磁化后相互吸引
D．干簧管接入电路中相当于开关的作用
CD [当磁体靠近干簧管时，两个簧片被磁化相互吸引而接通，故选项B错误，选项C正确；当磁体远离干簧管时，软磁性材料制成的簧片失去磁性，所以两簧片又分开，因此干簧管在电路中相当于开关的作用，选项A错误，选项D正确。]
3．有一些星级宾馆的洗手间装有自动干手机，洗手后将湿手靠近，机内的传感器就开通电热器加热，有热空气从机内喷出，将湿手烘干，手靠近自动干手机能使传感器工作，是因为改变了( )
A．湿度 B．温度
C．磁场 D．电容
D [根据自动干手机工作的特征，手靠近干手机时电热器工作，手撤离后电热器停止工作，人是一种导体，可以与其他导体构成电容器。手靠近时相当于连接一个电容器，可以确定干手机内设有电容式传感器，由于手的靠近改变了电容大小，故D正确；用湿度和温度来驱动电热器工作，理论上可行，但是假如干手机是由于温度、湿度的变化工作，它就成了室内烘干机。]
4．传感器可将非电学量转化为电学量起自动控制作用，如计算机鼠标中有位移传感器，电饭煲中有温度传感器，电视机、录像机、影碟机、空调机中有光电传感器，如图是演示位移传感器的工作原理图，物体M在导轨上平移时，带动滑动变阻器的滑动触头滑动，通过电压表显示的数据来反映物体位移的大小，假设电压表是理想的，则下列说法正确的是( )
A．物体M运动时，电源内的电流会发生变化
B．物体M运动时，电压表的示数会发生变化
C．物体M不动时，电路中没有电流
D．物体M不动时，电压表没有示数
B [由于电压表是理想的，因此滑片P移动时，不改变闭合电路的电阻，电源内的电流不发生变化，即电流恒定，A、C错误；物体M运动时，电压表所测电压是变化的，M不动时，电压表示数恒定，B正确，D错误。]
5．利用现代信息技术进行的实验叫作DIS实验，DIS由传感器、数据采集器和计算机组成。如图所示为“用DIS测变速直线运动的瞬时速度”实验的装置图，图中①所示的器材为( )
A．位移传感器 B．速度传感器
C．时间传感器 D．光电门传感器
D [光电门传感器能够测量并记录挡光片通过光电门的时间t。若挡光片的宽度为d，则瞬时速度v＝eq \f(d,t)，故D正确。]
传感器的原理和分类
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
压电传感器、温度传感器、光电传感器、电感传感器、电容传感器等
化学传感器
利用化学反应识别和检测信息
气敏传感器、湿敏传感器等
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
常见传感器