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学案

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阅读本节教材，梳理必要知识点。
一、简单的自动控制装置
1．实验目的
(1)设计并制作光报警装置。
(2)设计并制作温度报警装置。
(3)了解制作的报警装置的工作原理。
2．实验器材
光敏电阻、热敏电阻、温度计、干电池、手电筒、蜂鸣器、开关、导线、变阻器。
3．实验原理与设计
(1)光报警装置：如图所示，利用光敏电阻作控制元件，从而通过光线来实现自动控制，当光照强度发生变化时，电阻R发生变化，电路中的电流变化，当R的阻值变化到一定值时，蜂鸣器发生报警。
(2)温度报警装置：如图所示，利用热敏电阻作控制元件，从而通过温度来实现自动控制，当温度发生变化时，电阻RT发生变化，电路中的电流变化，当RT的阻值变化到一定值时，蜂鸣器发生报警。
4．实验步骤
(1)光报警装置实验步骤
①按照电路图将各元件组装到集成电路实验板上。
②检查各元件的连接，确保无误。
③接通电源，调节滑动变阻器，使蜂鸣器在普通光照条件下不报警。
④用黑纸逐渐遮住光敏电阻，注意蜂鸣器是否发声，并做好记录。
⑤逐渐撤掉黑纸，注意蜂鸣器是否发声，并做好记录。
(2)温度报警装置
①按照电路图将各元件组装到集成电路实验板上。
②检查各元件的连接，确保无误。
③接通电源，调节滑动变阻器，使蜂鸣器常温下不发声。
④用热水使热敏电阻的温度升高，注意蜂鸣器是否发声，并做好记录。
⑤将热敏电阻从热水中取出，注意蜂鸣器是否发声，并做好记录。
二、大显身手的传感器
1．自动感应门
(1)控制自动门的开关装有一种红外线传感器
(2)自动门系统三环节：检测门前是否有人，判断结果发出指令，执行指令
2．洗衣机的水位控制装置
全自动洗衣机的水位控制装置中使用压力传感器，当筒内水位到达设定高度时，凸起的膜片使动触点接触控制电路的静触点，使控制电路接通，关闭进水电磁阀门，同时接通洗涤电动机电源。
3．指纹识别器
指纹识别器是通过电容传感器来识别指纹的。手指皮肤与电容传感器表面构成了电容阵列，指纹的脊和谷相对于另一极板的距离不同，使电容阵列中不同位置的电容器电容不同。
4．机器人
(1)机器人传感器的分类：机器人传感器分为外部传感器和内部传感器。
(2)传感器用途
①外部传感器用于感知外部工作环境和外界事物对机器人的刺激。使机器人拥有类似人的视觉、听觉、触觉、嗅觉、味觉等感觉。
②内部传感器(如角度传感器、关节传感器等)用于检测机器人自身的状态。
思考判断(正确的打“√”，错误的打“×”)
(1)洗衣机的自动控制装置利用了压力传感器。(√)
(2)自动门利用了红外线传感器。(√)
(3)指纹识别器是利用压力传感器。(×)
(4)机器人利用多种传感器从而具有拟人化的特点。(√)
(5)自动控制装置的设计是利用敏感元件的特性设计的。(√)
1.数据测量
(1)光报警装置中记录滑动变阻器滑片的位置，光敏电阻特性、光照强度与蜂鸣器报警的关系
光敏电阻特性测量步骤：
①将光敏电阻、多用电表、灯泡、滑动变阻器按实验原理图所示电路连接好，其中多用电表置于“×100”挡；
②先测出在室内自然光的照射下光敏电阻的阻值，并记录数据；
③打开电源，让小灯泡发光，调节小灯泡的亮度使之逐渐变亮，观察多用电表表盘指针显示电阻阻值的情况，并记录；
④用手掌(或黑纸)遮光时，观察多用电表表盘指针显示电阻阻值的情况，并记录。根据记录数据分析光敏电阻的特性；
⑤光敏电阻在暗环境下电阻值很大，强光照射下电阻值很小；
⑥实验中，如果效果不明显，可将电阻部分电路放入带盖的纸盒中，并通过盖上小孔改变射到光敏电阻上的光的多少来达到实验目的；
(2)温度报警装置中记录滑动变阻器滑片的位置，热敏电阻特性、温度与蜂鸣器报警的关系
热敏电阻特性测量步骤：
①按实验原理图连接好电路，将热敏电阻绝缘处理；
②把多用电表置于欧姆挡，并选择适当的量程测出烧杯中没有水时热敏电阻的阻值，并记下温度计的示数；
③向烧杯中注入少量的冷水，使热敏电阻浸没在冷水中，记下温度计的示数和多用电表测量的热敏电阻的阻值；
④将热水分几次注入烧杯中，测出不同温度下热敏电阻的阻值，并记录；
⑤在如图坐标系中，粗略画出热敏电阻的阻值随温度变化的图线；
⑥热敏电阻的阻值随温度的升高而减小，随温度的降低而增大；
⑦实验时，加热水后要等一会儿再测热敏电阻阻值，以使电阻温度与水的温度相同，并同时读出水温。
2．注意事项
(1)安装前，对器材进行测试，确保各元件性能良好后，再进行安装。
(2)光报警装置实验中，注意光敏电阻的特性选择是否合适，否则继电器不能正常工作。
(3)光报警装置实验中要想光更弱时蜂鸣器报警，应该把滑动变阻器的阻值调小些。
(4)温度报警器实验中，要使蜂鸣器在更低的温度时报警，应该把滑动变阻器的阻值调小些。
【例1】 现有热敏电阻、电炉丝、电源、电磁继电器、滑动变阻器、开关和导线若干，如图所示，试设计一个温控电路，要求温度低于某一温度时，电炉丝自动通电供热，超过某一温度又可以自动断电，画出电路图并说明工作过程。
[解析] 热敏电阻RT与滑动变阻器及电磁继电器构成低压控制电路。电路图如图所示
当温度低于某一值时，热敏电阻的阻值很大，流过电磁继电器的电流很小，继电器无法吸引衔铁P，K处接通，电炉丝处于加热状态；当温度高于某一值时，热敏电阻的阻值变得很小，通过电磁继电器的电流较大，继电器吸引衔铁P，K处断开，电炉丝停止加热。
[答案] 见解析
eq \([跟进训练])
1．一台臭氧发生器P的电阻为10 kΩ，当供电电压等于24 V时能正常工作，否则不产生臭氧。现要用这种臭氧发生器制成自动消毒装置，要求它在有光照时能产生臭氧，在黑暗时不产生臭氧，拟用一个光敏电阻R1对它进行控制，R1的阻值在有光照时为100 Ω，黑暗时为1 000 Ω，允许通过的最大电流为3 mA；电源E的电压为36 V，内阻不计；另有一个滑动变阻器R2，阻值为0～100 Ω，允许通过的最大电流为0.4 A；一个开关S和导线若干。臭氧发生器P和光敏电阻R1的符号如图所示。
设计一个满足上述要求的电路图，图中各元件要标上字母代号，其中滑动变阻器两固定接线柱端分别标上字母A、B。(电路图画在虚线框内)
[解析] 为了能控制臭氧发生器，应该用滑动变阻器的分压式接法，有光照时P能正常工作，无光照时P不工作。电路图如图所示：
[答案] 见解析图
火灾探测器(如图所示)的核心元件为气敏传感器，当烟雾在空气中的浓度超过设定值时，可以触发报警，并对外发出声光报警信号。此时传感器是将什么量进行转换的？
提示：传感器是将烟雾产生的光学量转换为电路的接通，从而对外发出声光报警信号。
1．洗衣机水位控制装置——压力传感器
工作原理图及结构：
(1)结构：
1是洗衣机的外筒，2是洗衣机的内筒，3是气室，4是传感器的膜盒。
(2)工作原理：
如图(a)所示，气室下部与外筒连通，上部与软管、传感器的膜盒连通。当向桶内注水后，有一部分水进入气室，气室内被密封的空气压强增大，使传感器的膜盒中的膜片受力向上凸起，如图(b)所示，当筒中水位达到设定的高度时，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，接通洗涤电动机电源，洗衣机开始工作。
2．自动门——红外线传感器
(1)工作原理
当有人接近自动门时，人体发出的红外线被传感器接收到，就会产生电压输出信号，信号经过电路处理后，使定时器工作，由定时器构成的电路使继电器通电，自动门电动机转动，门自动打开；当人通过自动门几秒后，定时器又使继电器断电，自动门电动机反转，门自动关闭。
(2)工作流程图
3．指纹识别器——电容传感器
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。
4．机器人与传感器
(1)机器人
①定义：是一种拟人化的电子机械装置，具有一定的运动、感觉和判断功能。
②组成：机械系统、传感器系统、信息处理和控制系统。
(2)传感器系统
①作用：机器人的感觉器官。
②分类：外部传感器和内部传感器。
【例2】 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
A [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，门都会自动打开，C、D错。]
eq \([跟进训练])
2．机器人通过哪种传感器感知周围环境，从而避开障碍物( )
A．温度传感器B．压力传感器
C．味觉传感器D．视觉传感器
D [机器人通过“眼睛”(摄像机)即视觉传感器感知周围景物，从而避开障碍物。]
1．科学探究：制作简单的自动控制装置。
2．科学思维：敏感元件在自动控制电路中的应用。
3．科学态度与责任：传感器在生产、生活中的应用。
1．街旁的路灯，江海里的航标都要求在夜晚亮，白天熄，利用半导体的电学特性制成了自动点亮、熄灭的装置，实现了自动控制，这是利用半导体的( )
A．压敏性B．光敏性
C．热敏性D．三种特性都利用
B [由题意可知，这一装置要对光敏感，能区分白天与夜晚，所以选B。虽然白天与夜晚温度也不相同，但温度除与昼夜有关外还与季节有关，因此不能选C。]
2．传感器广泛应用在我们的生产生活中，常用的计算机键盘就是一种传感器。如图所示，键盘上每一个键的下面都连一小金属片，与该金属片隔有一定空气间隙的是另一小的固定金属片，这两金属片组成一个小电容器。当键被按下时，此小电容器的电容发生变化，与之相连的电子线路就能够检测出哪个键被按下，从而给出相应的信号。这种计算机键盘使用的是( )
A．温度传感器B．压力传感器
C．磁传感器D．光传感器
B [小金属片被按下时，对该键有一个压力，小金属片向下移动，两个极板之间的距离改变，电容改变，将压力这个力学量转化为电容这个电学量，所以计算机键盘使用的是压力传感器，B正确，A、C、D错误。]
3．下列情况不可能是由于水位控制装置损坏引起的是( )
A．洗衣机不加水B．洗衣机加水不能自动停止
C．洗衣机不排水D．洗衣机不洗衣
C [洗衣机水位控制装置正常，才能正常加水，且加到合适的水位，若损坏可能导致一直不加水或一直不停地加水，所以A、B可能，而这两种情况都会导致洗衣机洗衣程序不工作，所以D可能，故选C。]
4．某小型电磁继电器，其中L为含铁芯的线圈。P为可绕O点转动的铁片，K为弹簧，S为一对触头，A、B、C、D为四个接线柱。电磁继电器与传感器配合，可完成自动控制的要求如图所示。其工作方式是( )
A．A与B接信号电压，C与D跟被控电路串联
B．A与B接信号电压，C与D跟被控电路并联
C．C与D接信号电压，A与B跟被控电路串联
D．C与D接信号电压，A与B跟被控电路并联
A [A、B接电磁继电器线圈，所以A、B应接信号电压，线圈随信号电压变化使电磁继电器相吸或释放，从而使C、D接通或断开，进而起到控制作用，故正确答案为A。]
5.传感器是把非电学量(如速度、温度、压力等)的变化转换成电学量的变化的一种元件，在自动控制中有着相当广泛的应用。有一种测量人的体重的电子秤，其测量部分的原理图如图中的虚线框所示，它主要由压力传感器R(电阻值会随所受压力大小发生变化的可变电阻)和显示体重大小的仪表(实质是理想电流表)组成。压力传感器表面能承受的最大压强为1×107 Pa，且已知压力传感器的电阻R与所受压力的关系如表所示。设踏板和压杆的质量可以忽略不计，接通电源后，压力传感器两端的电压恒为4.8 V，g取10 m/s2。请作答：
(1)该秤零点(即踏板空载时)的刻度线应标在电流表刻度盘________A处。
(2)如果某人站在该秤踏板上，电流表刻度盘的示数为20 mA，这个人的质量是________kg。
[解析] (1)由题表格知，踏板空载时，压力传感器的电阻R＝300 Ω，
此时电流表中电流I＝eq \f(U,R)＝eq \f(4.8,300) A＝1.6×10－2 A。
(2)当电流I′＝20 mA＝2×10－2 A时，压力传感器的电阻R′＝eq \f(U,I)＝eq \f(4.8,2×10－2) Ω＝240 Ω，
由表格可知，这个人受到的重力为500 N，此人质量为50 kg。
[答案] (1)1.6×10－2 (2)50简单的自动控制装置
大显身手的传感器
压力F/N
0
250
500
750
1 000
1 250
1 500
…
电阻R/Ω
300
270
240
210
180
150
120
…