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2012高二物理学案：3.1 认识传感器（粤教版选修3-2）

上传时间: 2014-08-17

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3.1 认识传感器学案（粤教版选修3-2）

1．国家标准(GB7665－87)给出的传感器定义是：能感受规定的被测量，并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置，通常由____________、____________和____________组成．

2．传感器是一种________装置，能感受到被测量的________，并能将检测感受到的信息按一定规律变换成为________或其他所需形式的信息输出，以满足信息的________、处理、________、显示、记录和________等要求．

3．传感器可按下列三种不同的方法进行分类：(1)按__________分类；(2)按____________分类；(3)按________________分类．

4．为解决楼道的照明问题，在楼道内安装一个传感器与控制电灯的电路相接．当楼道内有走动且发出声响时，电灯即被电源接通而发光，这种传感器为________传感器，它输入的是________信号，经传感器转换后，输出的是________信号．

5． (双选)下述仪器或装置用到传感器的有(　　)

A．自动报警器 B．天平

C．电视遥控器 D．秒表

6．(双选)传感器是一种采集信息的重要器件，如图1所示是一种测定压力的电容式传感器，当待测压力F作用于可动膜片电极上时，可使膜片产生形变，引起电容的变化，将电容器、灵敏电流计和电源串接成闭合电路，那么以下说法正确的是(　　)

图1

A．若F向上压膜片电极时，电容将减小

B．若电流计有示数，则压力F发生变化

C．若电流计有向右的电流通过，则压力F在增大

D．电流计有向右的电流通过，则压力F在减小

7．在电梯门口放置一障碍物，会发现电梯门不停地开关，这是由于在电梯门上装有的传感器是(　　)

A．光传感器 B．温度传感器

C．声传感器 D．压力传感器

【概念规律练】

知识点一　电容式话筒的工作原理

1．(双选)电容式话筒的保真度比动圈式话筒好，其工作原理如图2所示．Q是绝缘支架，薄金属膜M和固定电极N形成一个电容器，被直流电流充电．当声波使膜片振动时，电容发生变化，电路中形成变化的电流．当膜片向右运动的过程中，有(　　)

图2

A．电容变大 B．电容变小

C．导线AB中有向左的电流 D．导线AB中有向右的电流

2．(双选)如图3所示，电容式话筒右侧固定不动的金属板b与能在声波驱动下沿声源水平方向振动的镀有金属层的振动膜a构成一个电容器，a、b分别通过导线与恒定电源两极相接．声源S做位移为x＝Asin 2 000πt的振动，则有(　　)

图3

A．a振动过程中a、b板之间的电场强度不变

B．导线中的电流的频率为2 000 Hz

C．导线中的电流的频率为1 000 Hz

D．a向右位移最大时，a、b板形成的电容最大

知识点二　霍尔元件

3．如图4所示，有电流I流过长方体金属块，金属块宽为d，高为b，有一磁感应强度为B的匀强磁场垂直于纸面向里，金属块单位体积内的自由电子数为n，问：金属块上、下表面哪面电势高？电势差是多少？

图4

4．图5是霍尔元件的工作原理示意图，如果用d表示薄片的厚度，k为霍尔系数，对于一个霍尔元件d、k为定值，如果保持I恒定，则可以验证UH随B的变化情况．以下说法不正确的是(工作面是指较大的平面)(　　)

图5

A．将永磁体的一个磁极逐渐靠近霍尔元件的工作面，UH将变大

B．在测定地球两极的磁场强弱时，霍尔元件的工作面应保持水平

C．在测定地球赤道上的磁场强弱时，霍尔元件的工作面应保持水平

D．改变磁感线与霍尔元件工作面的夹角，UH将发生变化

【方法技巧练】

传感器电路的分析技巧

5．动圈式话筒和磁带录音机都应用了电磁感应现象，图6甲所示是话筒原理图，图乙所示是录音机的录音、放音原理图，由图可知

图6

①话筒工作时磁铁不动，线圈移动而产生感应电流

②录音机放音时变化的磁场在静止的线圈里产生感应电流

③录音机放音时线圈中变化的电流在磁头缝隙处产生变化的磁场

④录音机录音时线圈中变化的电流在磁头缝隙处产生变化的磁场

其中正确的是(　　)

A．②③④ B．①②③

C．①②④ D．①③④

6．如图7所示为某种电子秤的原理示意图，AB为一均匀的滑线电阻，阻值为R，长度为L，两边分别有P1、P2两个滑动头，P1可在竖直绝缘光滑的固定杆MN上保持水平状态而上下自由滑动，弹簧处于原长时，P1刚好指着A端，P1与托盘固定相连，若P1、P2间出现电压，该电压经过放大，通过信号转换后在显示屏上将显示物体重力的大小．已知弹簧的劲度系数为k，托盘自身质量为m0，电源电动势为E，内阻不计，当地的重力加速度为g.求：

图7

(1)托盘上未放物体时，在托盘自身重力作用下，P1离A的距离x1；

(2)托盘上放有质量为m的物体时，P1离A的距离x2；

(3)在托盘上未放物体时通常先校准零点，其方法是：调节P2，使P2离A的距离也为x1，从而使P1、P2间的电压为零．校准零点后，将物体m放在托盘上，试推导出物体质量m与P1、P2间的电压U之间的函数关系式．

参考答案

课前预习练

1．敏感元件　转换元件　转换电路

2．检测　信息　电信号　传输　存储　控制

3．被测量　工作原理　能量传递方式

4．声电　声　电

5．AC　6.BC

7．D　[当电梯门碰到人或其他障碍物时立即停止关门以防挤伤人，故为压力传感器．]

课堂探究练

1．AC　[由电容器的电容公式C＝可知，当膜片向右运动时，相当于电容器两极间的距离变小，电容变大，电源对电容器充电，电流的方向由电源的正极流向负极，故导线AB中有向左的电流．]

2．CD　[a振动过程中，a、b间距变化，由平行板电容器公式可知电容C变化，且a向右位移最大时，a、b板电容最大，则A错，D对；振动过程中，电容器不断地充放电，导线中电流频率与a的振动频率一致，C正确，B错．]

点评　电容式话筒的薄金属膜和固定电极形成一个电容器，被充电后，声波使膜振动，电容变化，形成变化的电流．

3．下表面电势高　

解析　因为自由电荷为电子，故由左手定则可判定向上偏，则上表面聚集负电荷，下表面带多余等量的正电荷，故下表面电势高，设其稳定电压为U.当运动电荷所受电场力与洛伦兹力平衡时，有e＝evB，又因为导体中的电流I＝neSv＝nev·bd，故U＝.

点评　当电流在导体中流动时，运动电荷在洛伦兹力作用下，分别向导体上、下表面聚集，在导体中形成电场，其中上表面带负电，电势低，随着正、负电荷不断向下、上表面积累，电场增强，当运动电荷(Q)所受电场力与洛伦兹力平衡时，即QE＝QvB时，电荷将不再向上或向下偏转，上、下表面间形成稳定电压．

4．C　[根据公式UH＝k可以看出，当磁极靠近霍尔元件的工作面时，B增大，UH将变大，选项A正确；在地球两极附近，可以认为地磁场与水平面垂直，霍尔元件的工作面保持水平，选项B正确；而在赤道上，地磁场与水平面平行．若霍尔元件的工作面保持水平，则无电压产生，选项C不正确；改变磁感线与霍尔元件工作面的夹角，相当于改变了霍尔系数k，UH将发生变化，选项D正确；故选C.]

点评　霍尔元件把磁感应强度这个磁学量转换为电压这个电学量，电压与磁感应强度的关系式为UH＝k.

5．C　[话筒的工作原理是，声波迫使金属线圈在磁铁产生的磁场中振动产生感应电流，①正确；录音时，话筒产生的感应电流经放大电路放大后在录音机磁头缝隙处产生变化的磁场，④正确；磁带在放音时通过变化的磁场使放音头产生感应电流，经放大电路后再送到扬声器中，②正确．]

6．(1) 　(2)　(3)m＝U

解析　托盘的移动带动P1移动，使P1、P2间出现电势差，电势差的大小反映了托盘向下移动距离的大小，由于R为均匀的滑线电阻，则其阻值与长度成正比．

(1)由力的平衡知识知m0g＝kx1，解得x1＝

(2)放上重物重新平衡后m0g＋mg＝kx2

解得x2＝

(3)由闭合电路欧姆定律知E＝IR，

由部分电路欧姆定律知U＝IR串，

由＝，其中x为P1、P2间的距离，则x＝x2－x1＝

联立解得m＝U

方法总结　分析传感器问题要注意四点

(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

认真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．

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