还剩52页未读，
继续阅读
所属成套资源：新教材物理鲁科版选择性必修第二册课件
成套系列资料，整套一键下载
高中物理第3节 大显身手的传感器教学课件ppt
展开
这是一份高中物理第3节 大显身手的传感器教学课件ppt，共60页。PPT课件主要包含了课前自主学习，红外线，滤光片，热电元件上，释放电荷，非电学信息，传感器，①②③④，课堂合作探究，课堂小结等内容，欢迎下载使用。
一、自动感应门任务驱动 当我们进入中国移动营业大厅的入口处时，门自动开启，进入大厅以后，门自动关闭。这是为什么？提示：这种自动门上装有一种红外线传感器，它能探测到较远距离的人体发出的微弱红外线。
1.自动感应门的敏感元件是红外线传感器。2.红外传感器的工作原理是人体发出的_______，经红外感器入射窗的_______后，聚焦到感应器的___________。热电元件感知_____上升后，会因为热电效应_________，使电路中的电阻、电流、电压等电学量发生变化。3.红外传感器的作用是把门前有无人的___________转换成电路可识别的__________。
4.自动感应门工作环节：在人进入大厅的过程中，自动感应门系统主要经历了三个环节：首先，_____门前是否有人；其次，判断检测结果，_____相关指令；最后，_____指令(开、关门)。
二、洗衣机水位控制任务驱动 自动洗衣机是怎样知道水位达到要求的？提示：全自动洗衣机的水位控制装置中安装了压力传感器，压力传感器能感知水位的变化，当水位达到预定的高度时就会关闭电源。
1.全自动洗衣机的水位控制装置中的敏感元件是_____传感器。2.压力传感器的工作原理：(1)洗衣机的结构：洗衣机内部有外筒、内筒、气室和_______的膜盒。气室下部与_____连通，上部通过软管与_______的膜盒连通。(2)工作原理：向内筒中注水时，水通过内筒壁上的小孔流入外筒，部分水进入气室，气室内被密封的空气压强_____，使传感器的膜片向上___起。当筒中水位到达设定的高度时，凸起的膜片使动触点a与静触点b脱离，并与静触点c接触，从而接通控制电路，关闭进水电磁阀门，同时接通洗涤电动机电源，开始洗涤。
三、指纹识别器任务驱动 如图所示的某小区的业主安装了如图入户门，当主人用手指轻轻一按，门锁就自动打开，这是为什么？ 提示：这种门锁上安装了指纹识别器，指纹识别器能识别业主的身份。
1.指纹识别器的原理：把指纹的信息转换成___信号，再通过电路对___信号的比较，便可实现对指纹的识别。2.下列有关指纹识别器的说法正确的是_________。①识别器可以通过电容传感器来识别指纹。②人的指纹各不相同且终生基本不变，由于具有唯一性和稳定性，指纹成为识别身份的一种有效手段。
③电容式指纹传感器的外面是绝缘表面，用户的手指放在绝缘表面时，皮肤便组成了电容阵列极板的另一面，这就组成了电容器。④指纹的脊和谷相对于指纹传感器的外面的距离不同，使电容阵列中不同位置的电容器的电容值也不相同。
四、机器人任务驱动 在机器人上安装了哪些传感器？提示：视觉传感器、超声波传感器、温度传感器、压力传感器、位移传感器、嗅觉传感器、味觉传感器等。
1.机器人是一种拟人化的电子机械装置，具有一定的运动、感觉和_____功能。2.机器人是由机械系统、_______系统、信息处理和控制系统组成。3.下列有关传感器的说法中正确的是_________。①传感器系统是机器人的“感觉器官”，可分为外部传感器和内部传感器。②视觉传感器(主要是摄像机)是机器人的“眼睛”，它可测量物体的距离，识别物体的形状、颜色等。③超声波传感器、语音识别装置等是机器人的“耳朵”。④温度传感器相当于机器人的“皮肤”，机器人通过它感知环境温度的变化。
主题一 传感器的应用【生活情境】图一是某宾馆门上安装的红外线感应开关，图二是自动洗衣机上的压力传感器，图三是水位压力传感器上的原理图。
【问题探究】(1)红外线传感器的原理是什么？提示：红外线传感器包括光学系统、检测元件和转换电路三大部分。人体发出的红外线，经红外感应器入射窗的滤光片后，聚焦到检测元件上，检测元件上热敏电阻受到红外线辐射时温度升高，电阻发生变化，通过转换电路变成电信号输出。
(2)自动洗衣机上的压力传感器工作原理是什么？提示：如图二中水位开关用塑料软管与盛水桶下侧的储气室口相连接。当向盛水桶内注水时，随着水位的升高，储气室的空气被压缩，并由塑料软管将压力传至水位开关。随着气压逐渐升高，水位压力开关内的膜片(如图三)变形并推动动触点a与常闭触点b分离，常闭触点b与公共触点a迅速断开，常开触点c与公共触点a接触，从而将水位已达到设定值的信号送至程控器或将连接进水阀电磁线圈的电路断开，停止进水。
【结论生成】1.传感器在不同领域中的应用：(物理观念)(1)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、火灾报警器等。(2)温度传感器：电饭煲、电冰箱、微波炉、空调、消毒碗柜等。(3)水位传感器：广泛用于水厂、炼油厂、化工厂、玻璃厂、污水处理厂、高楼供水系统、水库、河道、海洋等对供水池、配水池、水处理池、水井、水罐、水箱、油井、油罐、油池及对各种液体静态、动态液位的测量和控制。
2.传感器问题的分析思路：(科学思维)物理传感器是将所感受到的物理量(如力、热、光等)转换为便于测量的电学量的器件。我们可以把传感器的应用过程分为三个步骤：(1)信息采集。(2)信息加工、放大、传输。(3)利用所获得的信息执行某种操作。
3.分析传感器问题的四点注意：(1)感受量分析：要明确传感器所感受的物理量，如力、热、光、磁、声等。(2)输出信号分析：明确传感器的敏感元件，分析它的输入信号及输出信号，以及输入信号与输出信号间的变化规律。(3)电路结构分析：分析传感器所在的电路结构，在熟悉常用电子元件工作特点的基础上，分析电路输出信号与输入信号间的规律。(4)执行机构工作分析：传感器的应用，不仅包含非电学量如何向电学量转化的过程，还包含根据所获得的信息控制执行机构进行工作的过程。
【典例示范】(多选)压敏电阻的阻值随所受压力的增大而减小，某实验小组在升降机水平地面上利用压敏电阻设计了判断升降机运动状态的装置。其工作原理图如图甲所示，将压敏电阻、定值电阻R、电流显示器、电源E连成电路、在压敏电阻上放置一个绝缘重物，0～t1时间内升降机停在某一楼层处，t1时刻升降机开始运动，从电流显示器中得到电路中电流i随时间t变化情况如图乙所示，则下列判断正确的是( )
A.t1～t2时间内绝缘重物处于超重状态B.t3～t4时间内绝缘重物处于失重状态C.升降机开始时可能停在1楼，从t1时刻开始，经向上加速、匀速、减速，最后停在高楼层D.升降机开始时可能停在高楼层，从t1时刻开始，经向下加速、匀速、减速，最后停在1楼
【解题指南】解答本题应注意两点：(1)该压力传感器的敏感元件是压敏电阻，压敏电阻的阻值会随所受压力的增大而减小。(2)通过压敏电阻将压力信号转换成电信号，从而根据电路中电流的示数来分析压敏电阻的变化，判断压力的变化，根据超重和失重的概念，确定升降机的运动状态。
【解析】选A、B、C。t1～t2时间内电路中电流i比升降机静止时大，说明压敏电阻阻值减小，压力增大，重物处于超重状态，故A正确；t3～t4时间内电路中电流i比升降机静止时小，说明压敏电阻阻值增大，压力减小，重物处于失重状态，故B正确；根据重物的状态可知，若升降机开始时停在一楼，则t1时刻开始，向上加速、匀速、减速，最后停在高层，故C正确；若升降机开始时停在高楼层，t1时刻开始向上加速、匀速、减速，最后停在某一高层，与以上分析不符，故D不正确。
【探究训练】1.用遥控器调换电视机的频道的过程，实际上就是传感器把光信号转化为电信号的过程。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】选A。红外报警装置是感应线外线去转换成电学量，从而使传感器报警，而遥控器调换电视机也发出红外线，故A正确；走廊照明灯的声控开关是将声波转换成电学量的装置，故B错误；自动洗衣机中的压力传感装置，是将压力转换成电学量的装置，故C错误；电饭煲中控制加热和保温的温控器，是将温度转换成电学量的装置，故D错误。
2.电容器是一种常用的电学元件，在电工、电子技术中有着广泛的应用。以下有关电容式传感器在生活中应用说法正确的是( )
A.甲图中，手指作为电容器一电极，如果改用绝缘笔在电容式触摸屏上仍能正常操作B.乙图中，力F增大过程中，电流计中的电流从b流向aC.丙图中，油箱液位上升时，电容变小D.丁图中，当传感器由静止突然向右加速，电容器处于充电状态
【解析】选B。甲图中，手指可作为电容器一电极，但如果改用绝缘笔在电容式触摸屏上，由于绝缘笔不能作为电极，故此时不能正常操作，故A错误；乙图中，力F增大过程中，由于电容器两板间距减小，故由电容器的决定式可知，电容量增大，在电源电动势不变时，由电容的定义式可知，电容器的电荷量增大，故电容器充电，电流计中的电流从b流向a，故B正确；丙图中，油箱液位上升时，介电常数增大，根据C= 可知电容变大，故C错误；丁图中，当传感器由静止突然向右加速瞬间，质量块相对两极板要向左运动，导致插入极板间电介质减少，根据C= 得电容会减少，由于其端电压不变，故由电容的定义式可知，其两板的电荷量减少，故电容器处于放电状态，D错误。
【补偿训练】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，电流表示数的变化规律如图乙所示，下列判断正确的是( )
A.从0到t1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，小车做匀减速直线运动D.从t2到t3时间内，小车做匀加速直线运动
【解析】选D。在0～t1内，电流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，电流I变大，压敏电阻阻值变小，压力变大，小车做变加速运动，选项A、B错误；在t2～t3内，电流I不变，压力恒定，小车做匀加速直线运动，选项C错误，选项D正确。
主题二 电容式传感器的应用生产情境图①是用来测定角度θ的电容式传感器。图②是测定液面高度h的电容式传感器。图③是测定压力F的电容式传感器。图④是测定位移x的电容式传感器。
【问题探究】(1)图①是怎样改变电容的？提示：图①是用来测定角度θ的电容式传感器，当动片与定片之间的角度θ发生变化时，引起极板正对面积S的变化，使电容C发生变化。(2)图②是怎样改变电容的？提示：图②是测定液面高度h的电容式传感器，在导线芯的外面涂上一层绝缘物质，放入导电液体中，导线芯和导电液体构成电容器的两个极板，导线芯外面的绝缘物质就是电介质，液面高度h发生变化时，引起正对面积发生变化，使电容C发生变化。知道C的变化，就可以知道h的变化情况。
(3)图③是怎样改变电容的？提示：图③是测定压力F的电容式传感器，待测压力F作用于可动膜片极板上的时候，膜片发生形变，使极板间距离d发生变化，引起电容C的变化，知道C的变化，就可以知道F的变化情况。(4)图④是怎样改变电容的？提示：图④是测定位移x的电容式传感器，随着电介质进入极板间的长度发生变化，电容C发生变化，知道C的变化，就可以知道x的变化情况。
【结论生成】1.电容式位移传感器能够把物体的位移这个力学量转换为电容这个电学量。(物理观念)2.电容器的电容决定于极板间的正对面积S、极板间距d、极板间的电介质这几个因素。如果某个物理量(如角度θ、位移x、深度h等)的变化引起上述某个因素的变化，从而引起电容的变化，通过电容的变化就可以确定上述物理量的变化，这种电容器称为电容式传感器。(物理观念)
【典例示范】计算机键盘是由两片金属片组成的小电容器，如图所示。该电容器的电容可用公式C=ε 计算，式中ε=9×10-12 F/m，S为金属片的正对面积，d表示两金属片的间距。当键被按下时，此电容器的电容发生变化，与之相连的电子线路就能检测出哪个键被按下了，从而给出相应的信号。设每个金属片的正对面积为50 mm2，键未按下时的金属片的间距为0.6 mm。如果电容变化0.25 pF，电子线路恰能检测出必要的信号，则键至少需要被按下( )
mm mm mm
【解析】选A。计算机键盘是一个电容传感器，由题意知它是靠改变两极板间距从而改变电容，得到相应的电信号。又因两极板间距减小，电容变大，设原间距为d0，按下键后间距为d时电子线路恰能检测出必要的信号，则根据C=ε ，ΔC=εS( )，得
0.45×10-3 m=0.45 mm，所以键至少需被按下的距离为0.6 mm-0.45 mm=0.15 mm。故选A。
【探究训练】1.如图所示，高一学生在学考报名时进行了指纹采集。电容式指纹识别的原理是手指与传感器表面接触时，皮肤表面会和传感器上许许多多相同面积的小极板一一匹配成电容不同的平行板电容器，从而识别出指纹的纹路，下列说法正确的是( )
A.极板与指纹沟(凹的部分)构成的电容器电容大B.极板与指纹脊(凸的部分)构成的电容器电容大C.若充电电压变大，所有电容器电容增大D.若充电电压变大，所有电容器电容减小
【解析】选B。根据电容的计算公式C= ，可得，极板与指纹沟(凹下部分)距离d大，构成的电容器电容小，极板与指纹脊(凸的部分)构成的电容器电容大，故A错误，B正确；电容器的电容由正对面积、板间距离、电介质决定，与充电电压无关，故C、D错误。
2.如图是某同学设计的电容式速度传感器原理图，其中上板为固定极板，下板为待测物体，在两极板间电压恒定的条件下，极板上所带电荷量Q将随待测物体的上下运动而变化，若Q随时间t的变化关系为Q= (a、b为大于零的常数)，其图像如图2所示，那么图3、图4中反映极板间场强大小E和物体速率v随t变化的图线可能是( )A.①和③ B.①和④ C.②和③ D.②和④
【解析】选C。平行板电容器间电压恒定，极板间场强E= 故E∝Q，即E∝ ，故②可能正确。极板间电荷量Q=UC=U·= ，与已知Q随时间的变化关系对比可知d与t成线性关系，即待测物体的运动为匀速运动，故③可能正确。C正确。
【补偿训练】(多选)如图所示是“电容式加速度传感器”原理图，电容器的一个金属极弹性金属片板固定在绝缘底座上，另一块极板用弹性金属片制成，当这种加速度传感器用在上下移动的升降机中时，通过测量电容C的变化就能感知升降机加速度的变化情况。设升降机加速度为零时电容器的电容为C0，下列说法正确的是( )
A.当升降机加速上升时，C>C0B.当升降机减速上升时，C>C0C.当升降机减速下降时，CC0，故C错误；当升降机加速下降时，加速度方向向下，弹簧片向上弯曲，电容变小，即C
2.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
【解析】选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。
3.自动门、生命探测器、家电遥控系统、防盗防火报警器都使用了( )A.温度传感器B.生物传感器C.红外线传感器D.压力传感器【解析】选C。自动门、生命探测器、家电遥控系统、防盗防火报警器均能接收人或物体发出的红外线，所以使用的是红外线传感器，故选C。
4.某同学根据“压敏电阻的阻值随所受压力的增大而减小”的特点设计了一个判断小车运动状态的装置如图甲所示，将压敏电阻和一块绝缘挡板固定在绝缘小车上，中间放置一个光滑绝缘重球。在小车向右做直线运动的过程中一段时间内，电流表示数如图乙所示，则小车的v-t图像可能正确的是( )
【解题指南】解答本题应注意以下三个问题：(1)压敏电阻的阻值会随所受压力的增大而减小，而电流变大说明电阻变小，故电流变大说明压力变大；反之，电流变小说明压力变小；电流不变说明压力不变。(2)根据牛顿第二定律判断加速度变化情况，电流增加，压力增加，加速度增加；电流不变，加速度恒定。(3)v-t图像的斜率表示加速度，加速度变大，斜率变大，加速度不变，斜率不变。
【解析】选C。0到t1时间内，电流不变，压敏电阻的阻值不变，此时可能不受压力，小车可能处于匀速直线运动状态；t1到t2时间内，电流逐渐增大，压敏电阻的阻值逐渐减小，所以压力逐渐增大，加速度逐渐增大，小车做加速度增大的加速运动；t2到t3时间内，电流不变，且保持在一个较大的数值，压敏电阻的阻值不变，所以压力恒定，小车的加速度不变，速度随时间均匀变大。故C正确，A、B、D错误。
5.传感器在日常生活中有着广泛的应用，它的种类多种多样，其性能也各不相同。以下有关传感器的说法不正确的是( )
A.办公大楼的大门能“看到”人的到来或离开而自动开或关，是光传感器的应用B.非触摸式自动水龙头(自动感应水龙头)应用的传感器是生物传感器C.空调机在室内温度达到设定的温度后，会自动停止工作，空调机内实现这一功能的传感器是温度传感器D.电熨斗能够自动控制温度的原因是它装有双金属片温度传感器，能控制电路的通断
【解析】选B。办公大楼的大门能“看到”人的到来或离开而自动开和关，是由于人体会发出红外线，当传感器探测到人体发出的红外线后，门会自动打开，是光传感器的应用，故A正确；利用红外线的热效应可以制成多种开关，本题所涉及的水龙头和智能门就是这一应用的体现，是利用光传感器而制成的，故B错误；空调机在室内温度达到设定的温度后，会自动停止工作，这是因为空调机使用温度传感器，故C正确；电熨斗能够自动控制温度的原因是它装有双金属片温度传感器，这种传感器作用是控制电路的通断，原理是不同的金属膨胀系数不同，D正确，本题选不正确的，故选B。
【补偿训练】给你一个光敏电阻、一个干簧管继电器以及干电池、开关、导线、小灯泡等器材，你能设计一个光控灯泡亮暗的电路吗？请试一试，画出电路图，并说明工作原理。
一、自动感应门任务驱动 当我们进入中国移动营业大厅的入口处时，门自动开启，进入大厅以后，门自动关闭。这是为什么？提示：这种自动门上装有一种红外线传感器，它能探测到较远距离的人体发出的微弱红外线。
1.自动感应门的敏感元件是红外线传感器。2.红外传感器的工作原理是人体发出的_______，经红外感器入射窗的_______后，聚焦到感应器的___________。热电元件感知_____上升后，会因为热电效应_________，使电路中的电阻、电流、电压等电学量发生变化。3.红外传感器的作用是把门前有无人的___________转换成电路可识别的__________。
4.自动感应门工作环节：在人进入大厅的过程中，自动感应门系统主要经历了三个环节：首先，_____门前是否有人；其次，判断检测结果，_____相关指令；最后，_____指令(开、关门)。
二、洗衣机水位控制任务驱动 自动洗衣机是怎样知道水位达到要求的？提示：全自动洗衣机的水位控制装置中安装了压力传感器，压力传感器能感知水位的变化，当水位达到预定的高度时就会关闭电源。
1.全自动洗衣机的水位控制装置中的敏感元件是_____传感器。2.压力传感器的工作原理：(1)洗衣机的结构：洗衣机内部有外筒、内筒、气室和_______的膜盒。气室下部与_____连通，上部通过软管与_______的膜盒连通。(2)工作原理：向内筒中注水时，水通过内筒壁上的小孔流入外筒，部分水进入气室，气室内被密封的空气压强_____，使传感器的膜片向上___起。当筒中水位到达设定的高度时，凸起的膜片使动触点a与静触点b脱离，并与静触点c接触，从而接通控制电路，关闭进水电磁阀门，同时接通洗涤电动机电源，开始洗涤。
三、指纹识别器任务驱动 如图所示的某小区的业主安装了如图入户门，当主人用手指轻轻一按，门锁就自动打开，这是为什么？ 提示：这种门锁上安装了指纹识别器，指纹识别器能识别业主的身份。
1.指纹识别器的原理：把指纹的信息转换成___信号，再通过电路对___信号的比较，便可实现对指纹的识别。2.下列有关指纹识别器的说法正确的是_________。①识别器可以通过电容传感器来识别指纹。②人的指纹各不相同且终生基本不变，由于具有唯一性和稳定性，指纹成为识别身份的一种有效手段。
③电容式指纹传感器的外面是绝缘表面，用户的手指放在绝缘表面时，皮肤便组成了电容阵列极板的另一面，这就组成了电容器。④指纹的脊和谷相对于指纹传感器的外面的距离不同，使电容阵列中不同位置的电容器的电容值也不相同。
四、机器人任务驱动 在机器人上安装了哪些传感器？提示：视觉传感器、超声波传感器、温度传感器、压力传感器、位移传感器、嗅觉传感器、味觉传感器等。
1.机器人是一种拟人化的电子机械装置，具有一定的运动、感觉和_____功能。2.机器人是由机械系统、_______系统、信息处理和控制系统组成。3.下列有关传感器的说法中正确的是_________。①传感器系统是机器人的“感觉器官”，可分为外部传感器和内部传感器。②视觉传感器(主要是摄像机)是机器人的“眼睛”，它可测量物体的距离，识别物体的形状、颜色等。③超声波传感器、语音识别装置等是机器人的“耳朵”。④温度传感器相当于机器人的“皮肤”，机器人通过它感知环境温度的变化。
主题一 传感器的应用【生活情境】图一是某宾馆门上安装的红外线感应开关，图二是自动洗衣机上的压力传感器，图三是水位压力传感器上的原理图。
【问题探究】(1)红外线传感器的原理是什么？提示：红外线传感器包括光学系统、检测元件和转换电路三大部分。人体发出的红外线，经红外感应器入射窗的滤光片后，聚焦到检测元件上，检测元件上热敏电阻受到红外线辐射时温度升高，电阻发生变化，通过转换电路变成电信号输出。
(2)自动洗衣机上的压力传感器工作原理是什么？提示：如图二中水位开关用塑料软管与盛水桶下侧的储气室口相连接。当向盛水桶内注水时，随着水位的升高，储气室的空气被压缩，并由塑料软管将压力传至水位开关。随着气压逐渐升高，水位压力开关内的膜片(如图三)变形并推动动触点a与常闭触点b分离，常闭触点b与公共触点a迅速断开，常开触点c与公共触点a接触，从而将水位已达到设定值的信号送至程控器或将连接进水阀电磁线圈的电路断开，停止进水。
【结论生成】1.传感器在不同领域中的应用：(物理观念)(1)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、火灾报警器等。(2)温度传感器：电饭煲、电冰箱、微波炉、空调、消毒碗柜等。(3)水位传感器：广泛用于水厂、炼油厂、化工厂、玻璃厂、污水处理厂、高楼供水系统、水库、河道、海洋等对供水池、配水池、水处理池、水井、水罐、水箱、油井、油罐、油池及对各种液体静态、动态液位的测量和控制。
2.传感器问题的分析思路：(科学思维)物理传感器是将所感受到的物理量(如力、热、光等)转换为便于测量的电学量的器件。我们可以把传感器的应用过程分为三个步骤：(1)信息采集。(2)信息加工、放大、传输。(3)利用所获得的信息执行某种操作。
3.分析传感器问题的四点注意：(1)感受量分析：要明确传感器所感受的物理量，如力、热、光、磁、声等。(2)输出信号分析：明确传感器的敏感元件，分析它的输入信号及输出信号，以及输入信号与输出信号间的变化规律。(3)电路结构分析：分析传感器所在的电路结构，在熟悉常用电子元件工作特点的基础上，分析电路输出信号与输入信号间的规律。(4)执行机构工作分析：传感器的应用，不仅包含非电学量如何向电学量转化的过程，还包含根据所获得的信息控制执行机构进行工作的过程。
【典例示范】(多选)压敏电阻的阻值随所受压力的增大而减小，某实验小组在升降机水平地面上利用压敏电阻设计了判断升降机运动状态的装置。其工作原理图如图甲所示，将压敏电阻、定值电阻R、电流显示器、电源E连成电路、在压敏电阻上放置一个绝缘重物，0～t1时间内升降机停在某一楼层处，t1时刻升降机开始运动，从电流显示器中得到电路中电流i随时间t变化情况如图乙所示，则下列判断正确的是( )
A.t1～t2时间内绝缘重物处于超重状态B.t3～t4时间内绝缘重物处于失重状态C.升降机开始时可能停在1楼，从t1时刻开始，经向上加速、匀速、减速，最后停在高楼层D.升降机开始时可能停在高楼层，从t1时刻开始，经向下加速、匀速、减速，最后停在1楼
【解题指南】解答本题应注意两点：(1)该压力传感器的敏感元件是压敏电阻，压敏电阻的阻值会随所受压力的增大而减小。(2)通过压敏电阻将压力信号转换成电信号，从而根据电路中电流的示数来分析压敏电阻的变化，判断压力的变化，根据超重和失重的概念，确定升降机的运动状态。
【解析】选A、B、C。t1～t2时间内电路中电流i比升降机静止时大，说明压敏电阻阻值减小，压力增大，重物处于超重状态，故A正确；t3～t4时间内电路中电流i比升降机静止时小，说明压敏电阻阻值增大，压力减小，重物处于失重状态，故B正确；根据重物的状态可知，若升降机开始时停在一楼，则t1时刻开始，向上加速、匀速、减速，最后停在高层，故C正确；若升降机开始时停在高楼层，t1时刻开始向上加速、匀速、减速，最后停在某一高层，与以上分析不符，故D不正确。
【探究训练】1.用遥控器调换电视机的频道的过程，实际上就是传感器把光信号转化为电信号的过程。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】选A。红外报警装置是感应线外线去转换成电学量，从而使传感器报警，而遥控器调换电视机也发出红外线，故A正确；走廊照明灯的声控开关是将声波转换成电学量的装置，故B错误；自动洗衣机中的压力传感装置，是将压力转换成电学量的装置，故C错误；电饭煲中控制加热和保温的温控器，是将温度转换成电学量的装置，故D错误。
2.电容器是一种常用的电学元件，在电工、电子技术中有着广泛的应用。以下有关电容式传感器在生活中应用说法正确的是( )
A.甲图中，手指作为电容器一电极，如果改用绝缘笔在电容式触摸屏上仍能正常操作B.乙图中，力F增大过程中，电流计中的电流从b流向aC.丙图中，油箱液位上升时，电容变小D.丁图中，当传感器由静止突然向右加速，电容器处于充电状态
【解析】选B。甲图中，手指可作为电容器一电极，但如果改用绝缘笔在电容式触摸屏上，由于绝缘笔不能作为电极，故此时不能正常操作，故A错误；乙图中，力F增大过程中，由于电容器两板间距减小，故由电容器的决定式可知，电容量增大，在电源电动势不变时，由电容的定义式可知，电容器的电荷量增大，故电容器充电，电流计中的电流从b流向a，故B正确；丙图中，油箱液位上升时，介电常数增大，根据C= 可知电容变大，故C错误；丁图中，当传感器由静止突然向右加速瞬间，质量块相对两极板要向左运动，导致插入极板间电介质减少，根据C= 得电容会减少，由于其端电压不变，故由电容的定义式可知，其两板的电荷量减少，故电容器处于放电状态，D错误。
【补偿训练】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，电流表示数的变化规律如图乙所示，下列判断正确的是( )
A.从0到t1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，小车做匀减速直线运动D.从t2到t3时间内，小车做匀加速直线运动
【解析】选D。在0～t1内，电流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，电流I变大，压敏电阻阻值变小，压力变大，小车做变加速运动，选项A、B错误；在t2～t3内，电流I不变，压力恒定，小车做匀加速直线运动，选项C错误，选项D正确。
主题二 电容式传感器的应用生产情境图①是用来测定角度θ的电容式传感器。图②是测定液面高度h的电容式传感器。图③是测定压力F的电容式传感器。图④是测定位移x的电容式传感器。
【问题探究】(1)图①是怎样改变电容的？提示：图①是用来测定角度θ的电容式传感器，当动片与定片之间的角度θ发生变化时，引起极板正对面积S的变化，使电容C发生变化。(2)图②是怎样改变电容的？提示：图②是测定液面高度h的电容式传感器，在导线芯的外面涂上一层绝缘物质，放入导电液体中，导线芯和导电液体构成电容器的两个极板，导线芯外面的绝缘物质就是电介质，液面高度h发生变化时，引起正对面积发生变化，使电容C发生变化。知道C的变化，就可以知道h的变化情况。
(3)图③是怎样改变电容的？提示：图③是测定压力F的电容式传感器，待测压力F作用于可动膜片极板上的时候，膜片发生形变，使极板间距离d发生变化，引起电容C的变化，知道C的变化，就可以知道F的变化情况。(4)图④是怎样改变电容的？提示：图④是测定位移x的电容式传感器，随着电介质进入极板间的长度发生变化，电容C发生变化，知道C的变化，就可以知道x的变化情况。
【结论生成】1.电容式位移传感器能够把物体的位移这个力学量转换为电容这个电学量。(物理观念)2.电容器的电容决定于极板间的正对面积S、极板间距d、极板间的电介质这几个因素。如果某个物理量(如角度θ、位移x、深度h等)的变化引起上述某个因素的变化，从而引起电容的变化，通过电容的变化就可以确定上述物理量的变化，这种电容器称为电容式传感器。(物理观念)
【典例示范】计算机键盘是由两片金属片组成的小电容器，如图所示。该电容器的电容可用公式C=ε 计算，式中ε=9×10-12 F/m，S为金属片的正对面积，d表示两金属片的间距。当键被按下时，此电容器的电容发生变化，与之相连的电子线路就能检测出哪个键被按下了，从而给出相应的信号。设每个金属片的正对面积为50 mm2，键未按下时的金属片的间距为0.6 mm。如果电容变化0.25 pF，电子线路恰能检测出必要的信号，则键至少需要被按下( )
mm mm mm
【解析】选A。计算机键盘是一个电容传感器，由题意知它是靠改变两极板间距从而改变电容，得到相应的电信号。又因两极板间距减小，电容变大，设原间距为d0，按下键后间距为d时电子线路恰能检测出必要的信号，则根据C=ε ，ΔC=εS( )，得
0.45×10-3 m=0.45 mm，所以键至少需被按下的距离为0.6 mm-0.45 mm=0.15 mm。故选A。
【探究训练】1.如图所示，高一学生在学考报名时进行了指纹采集。电容式指纹识别的原理是手指与传感器表面接触时，皮肤表面会和传感器上许许多多相同面积的小极板一一匹配成电容不同的平行板电容器，从而识别出指纹的纹路，下列说法正确的是( )
A.极板与指纹沟(凹的部分)构成的电容器电容大B.极板与指纹脊(凸的部分)构成的电容器电容大C.若充电电压变大，所有电容器电容增大D.若充电电压变大，所有电容器电容减小
【解析】选B。根据电容的计算公式C= ，可得，极板与指纹沟(凹下部分)距离d大，构成的电容器电容小，极板与指纹脊(凸的部分)构成的电容器电容大，故A错误，B正确；电容器的电容由正对面积、板间距离、电介质决定，与充电电压无关，故C、D错误。
2.如图是某同学设计的电容式速度传感器原理图，其中上板为固定极板，下板为待测物体，在两极板间电压恒定的条件下，极板上所带电荷量Q将随待测物体的上下运动而变化，若Q随时间t的变化关系为Q= (a、b为大于零的常数)，其图像如图2所示，那么图3、图4中反映极板间场强大小E和物体速率v随t变化的图线可能是( )A.①和③ B.①和④ C.②和③ D.②和④
【解析】选C。平行板电容器间电压恒定，极板间场强E= 故E∝Q，即E∝ ，故②可能正确。极板间电荷量Q=UC=U·= ，与已知Q随时间的变化关系对比可知d与t成线性关系，即待测物体的运动为匀速运动，故③可能正确。C正确。
【补偿训练】(多选)如图所示是“电容式加速度传感器”原理图，电容器的一个金属极弹性金属片板固定在绝缘底座上，另一块极板用弹性金属片制成，当这种加速度传感器用在上下移动的升降机中时，通过测量电容C的变化就能感知升降机加速度的变化情况。设升降机加速度为零时电容器的电容为C0，下列说法正确的是( )
A.当升降机加速上升时，C>C0B.当升降机减速上升时，C>C0C.当升降机减速下降时，C
2.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
【解析】选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。
3.自动门、生命探测器、家电遥控系统、防盗防火报警器都使用了( )A.温度传感器B.生物传感器C.红外线传感器D.压力传感器【解析】选C。自动门、生命探测器、家电遥控系统、防盗防火报警器均能接收人或物体发出的红外线，所以使用的是红外线传感器，故选C。
4.某同学根据“压敏电阻的阻值随所受压力的增大而减小”的特点设计了一个判断小车运动状态的装置如图甲所示，将压敏电阻和一块绝缘挡板固定在绝缘小车上，中间放置一个光滑绝缘重球。在小车向右做直线运动的过程中一段时间内，电流表示数如图乙所示，则小车的v-t图像可能正确的是( )
【解题指南】解答本题应注意以下三个问题：(1)压敏电阻的阻值会随所受压力的增大而减小，而电流变大说明电阻变小，故电流变大说明压力变大；反之，电流变小说明压力变小；电流不变说明压力不变。(2)根据牛顿第二定律判断加速度变化情况，电流增加，压力增加，加速度增加；电流不变，加速度恒定。(3)v-t图像的斜率表示加速度，加速度变大，斜率变大，加速度不变，斜率不变。
【解析】选C。0到t1时间内，电流不变，压敏电阻的阻值不变，此时可能不受压力，小车可能处于匀速直线运动状态；t1到t2时间内，电流逐渐增大，压敏电阻的阻值逐渐减小，所以压力逐渐增大，加速度逐渐增大，小车做加速度增大的加速运动；t2到t3时间内，电流不变，且保持在一个较大的数值，压敏电阻的阻值不变，所以压力恒定，小车的加速度不变，速度随时间均匀变大。故C正确，A、B、D错误。
5.传感器在日常生活中有着广泛的应用，它的种类多种多样，其性能也各不相同。以下有关传感器的说法不正确的是( )
A.办公大楼的大门能“看到”人的到来或离开而自动开或关，是光传感器的应用B.非触摸式自动水龙头(自动感应水龙头)应用的传感器是生物传感器C.空调机在室内温度达到设定的温度后，会自动停止工作，空调机内实现这一功能的传感器是温度传感器D.电熨斗能够自动控制温度的原因是它装有双金属片温度传感器，能控制电路的通断
【解析】选B。办公大楼的大门能“看到”人的到来或离开而自动开和关，是由于人体会发出红外线，当传感器探测到人体发出的红外线后，门会自动打开，是光传感器的应用，故A正确；利用红外线的热效应可以制成多种开关，本题所涉及的水龙头和智能门就是这一应用的体现，是利用光传感器而制成的，故B错误；空调机在室内温度达到设定的温度后，会自动停止工作，这是因为空调机使用温度传感器，故C正确；电熨斗能够自动控制温度的原因是它装有双金属片温度传感器，这种传感器作用是控制电路的通断，原理是不同的金属膨胀系数不同，D正确，本题选不正确的，故选B。
【补偿训练】给你一个光敏电阻、一个干簧管继电器以及干电池、开关、导线、小灯泡等器材，你能设计一个光控灯泡亮暗的电路吗？请试一试，画出电路图，并说明工作原理。
相关课件
高中物理鲁科版 (2019)选择性必修 第二册第3节 大显身手的传感器精品ppt课件： 这是一份高中物理鲁科版 (2019)选择性必修 第二册第3节 大显身手的传感器精品ppt课件，共25页。PPT课件主要包含了课前预习，光敏电阻，热敏电阻，滑动变阻器，红外线，重点难点，大显身手的传感器等内容，欢迎下载使用。
鲁科版 (2019)选择性必修 第二册第3节 电磁波谱教课内容ppt课件： 这是一份鲁科版 (2019)选择性必修 第二册第3节 电磁波谱教课内容ppt课件，共47页。PPT课件主要包含了课前自主学习，电磁波，无线电波，红外线，可见光，紫外线，γ射线，①②④，①②③④⑤，热效应等内容，欢迎下载使用。
高中物理鲁科版 (2019)选择性必修 第二册第2节 交变电流的产生教学ppt课件： 这是一份高中物理鲁科版 (2019)选择性必修 第二册第2节 交变电流的产生教学ppt课件，共60页。PPT课件主要包含了课前自主学习，电磁感应，线圈电枢，旋转电枢式，旋转磁极式，垂直于，正弦式，Emsinωt，Umsinωt，Imsinωt等内容，欢迎下载使用。
