高中物理 第6章 電磁波與信息時(shí)代 第3節(jié) 信息時(shí)代的電子“感官”教師用書 魯科版選修1-1

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第3節(jié)　信息時(shí)代的電子“感官” 課　標(biāo)　解　讀 重　點(diǎn)　難　點(diǎn) 1.知道傳感器具有將非電學(xué)量轉(zhuǎn)化為電學(xué)量的特性．對(duì)常見的傳感器的種類有所了解． 2.了解溫度傳感器的基本原理．知道溫度傳感器具有將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)的功能． 3.了解常見傳感器在林業(yè)、農(nóng)業(yè)、生活和航空航天中的應(yīng)用，體會(huì)傳感器的應(yīng)用給人們帶來的方便. 1.傳感器的概念和應(yīng)用．(重點(diǎn)) 2.傳感器的原理．(難點(diǎn)) 1．基本知識(shí) (1)傳感器 ①定義：能夠感受外部信息，并將其按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的器件或裝置． ②原理：能夠?qū)⒎请妼W(xué)量轉(zhuǎn)化成電學(xué)量．它處于被測(cè)量信息輸入的第一道關(guān)口，能夠感受到被測(cè)量的各種信息，并能將感受到的信息通過電路處理變換成電信號(hào)輸出． ③非電學(xué)量：溫度、濕度、光線、聲音、力、位置、位移、速度、流量等，它們不能直接進(jìn)行自動(dòng)化信息處理和交換． (2)傳感器的分類 傳感器的類型非常多，根據(jù)測(cè)量的非電學(xué)量不同，傳感器可分為溫度傳感器、光傳感器、壓力傳感器、磁傳感器、氣體傳感器、濕度傳感器、射線傳感器等；按工作原理的不同，傳感器有電阻、電容、電感、電壓、熱電偶、紅外線等類型． (3)傳感器如何傳感信息 傳感器是由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件(處理電路)及輔助電源組成的．敏感元件是能敏銳地感受某種物理信息并將其轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)的特種電子元件．轉(zhuǎn)換元件是將信號(hào)進(jìn)行放大和濾波處理，隨后將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)輸出的裝置． (4)傳感器的廣泛應(yīng)用 傳感器被廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、家用電器和航空、航天領(lǐng)域中． 2．思考判斷 (1)傳感器就是傳遞某種信息的電學(xué)元件．() (2)所有傳感器的工作原理都是一樣的．() 3．探究交流 在一些樓道、走廊等公共場(chǎng)所，都裝有一種“節(jié)能”燈，白天燈不會(huì)發(fā)光，晚上安靜時(shí)燈也不工作．若晚上有一定的聲音，如腳步聲或擊掌聲，燈會(huì)馬上亮起來，過一會(huì)兒安靜后又自動(dòng)熄滅．請(qǐng)簡(jiǎn)單說明它的工作原理． 【提示】　利用光傳感器和聲傳感器控制開關(guān)．在光較暗時(shí)，若聲傳感器接收到聲音，電路接通，燈泡發(fā)光；無聲音和在白天時(shí)，電路斷開，燈不發(fā)光. 傳感器及其工作原理 【問題導(dǎo)思】　 1．傳感器的作用是什么？ 【提示】　將非電學(xué)量轉(zhuǎn)換為易于測(cè)量的電學(xué)量． 2．人眼屬于哪類傳感器？ 【提示】　光敏傳感器． 1．傳感器 能像人的感覺器官那樣感受外界信息，并能按照一定的規(guī)律和要求把這些信息轉(zhuǎn)換成可用于輸出信息的器件或裝置． 2．人是通過下面五種感覺(如圖631)接收外界信息的，因此人本身就是高級(jí)傳感器． 圖631 3．組成：傳感器一般由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件和轉(zhuǎn)換電路三部分組成． 非電學(xué)量→敏感元件→轉(zhuǎn)換元件→轉(zhuǎn)換電路→電學(xué)量 (1)敏感元件是傳感器的核心部分，它是利用材料對(duì)某一物理量敏感的特性制成的．溫度傳感器常用的敏感元件有：雙金屬片、光敏電阻、熱敏電阻等． (2)轉(zhuǎn)換元件的作用是把敏感元件輸出的與被測(cè)物理量滿足一定關(guān)系的非電信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的電子元件． (3)轉(zhuǎn)換電路的作用是將轉(zhuǎn)換元件轉(zhuǎn)換的電信號(hào)轉(zhuǎn)換成易于傳播或測(cè)量的電學(xué)量輸出． 　關(guān)于傳感器的下列說法正確的是(　　) A．電視機(jī)遙控器就是一個(gè)傳感器 B．傳感器是一種能夠?qū)⒎请妼W(xué)量轉(zhuǎn)換為電學(xué)量的檢測(cè)裝置 C．傳感器是實(shí)現(xiàn)信息自動(dòng)檢測(cè)和自動(dòng)控制的首要器件 D．無人管理的自動(dòng)灌溉系統(tǒng)是溫度傳感器在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用 【審題指導(dǎo)】　根據(jù)傳感器的特性、原理及應(yīng)用來分析． 【解析】　電視機(jī)的遙控器是一種發(fā)射和接收紅外線的裝置，不是傳感器，故A錯(cuò)；自動(dòng)灌溉系統(tǒng)是一種利用濕度傳感器判斷農(nóng)田水分蒸發(fā)情況、自動(dòng)決定供水和停水的裝置，故D錯(cuò)．選B、C. 【答案】　BC 傳感器是一種感受外部信息，并將其按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的器件或裝置，是實(shí)現(xiàn)信息自動(dòng)檢測(cè)和自動(dòng)控制的首要環(huán)節(jié)． 1．唱卡拉OK用的話筒內(nèi)有傳感器，其中有一種是動(dòng)圈式的，它的工作原理是在彈性膜片后面粘接一個(gè)輕小的金屬線圈，線圈處于永磁體的磁場(chǎng)中，當(dāng)聲波使膜片前后振動(dòng)時(shí)，就將聲音信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，下列說法正確的是(　　) A．該傳感器是根據(jù)電流的磁效應(yīng)進(jìn)行工作的 B．該傳感器是根據(jù)電磁感應(yīng)的原理進(jìn)行工作的 C．膜片振動(dòng)時(shí)，穿過金屬線圈的磁通量不變 D．膜片振動(dòng)時(shí)，金屬線圈中不會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流 【解析】　當(dāng)聲波使膜片前后振動(dòng)時(shí)，膜片后的線圈就跟著振動(dòng)，從而使處于永磁體磁場(chǎng)的線圈切割磁感線，穿過線圈的磁通量變化，產(chǎn)生感應(yīng)電流．從而將聲音信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)．可見這是利用了電磁感應(yīng)原理，故只有B正確． 【答案】　B 常用傳感器 【問題導(dǎo)思】　 1．光敏電阻有什么特點(diǎn)？ 【提示】　光強(qiáng)度增大，電阻減?。? 2．金屬熱敏電阻有什么特點(diǎn)？ 【提示】　溫度越高，電阻越大． 1．雙金屬片溫度傳感器：利用兩片金屬的熱膨脹系數(shù)不同，在溫度變化時(shí)兩片金屬伸長(zhǎng)或縮短量不同而彎曲，從而控制電路的通斷． 應(yīng)用：電熨斗、恒溫箱等． 2．熱敏電阻溫度傳感器：利用熱敏電阻器的電阻值隨溫度變化而改變的特點(diǎn)，在溫度變化時(shí)，熱敏電阻器的電阻值發(fā)生變化，從而引起電路中電流和電壓的變化． 應(yīng)用：空調(diào)、電冰箱、微波爐、消毒柜等． 3．光敏電阻傳感器：利用光敏電阻器的電阻值隨光照的強(qiáng)度變化而改變的特點(diǎn)．無光照時(shí)，光敏電阻器的電阻值很大，有光照時(shí)，光敏電阻器的電阻值變小，從而引起電路中電流和電壓的變化． 應(yīng)用：工業(yè)自動(dòng)化控制、光電計(jì)數(shù)器等． 4．紅外線傳感器：接收攜帶信息的紅外線，轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，從而獲得紅外線輻射源的相關(guān)信息． 應(yīng)用：航空攝影、衛(wèi)星遙感遙測(cè)、自動(dòng)門、紅外線測(cè)溫儀、防盜防火警報(bào)器、家用電器遙控器等． 5．另外還有壓力傳感器、生物傳感器、氣味傳感器等． 　(2016黃山高二檢測(cè))如圖632所示為光敏電阻自動(dòng)計(jì)數(shù)器的示意圖，其中R1為光敏電阻，R2為定值電阻，此光電計(jì)數(shù)器的基本工作原理是(　　) 圖632 A．當(dāng)有光照射R1時(shí)，信號(hào)處理系統(tǒng)獲得高電壓 B．當(dāng)有光照射R1時(shí)，信號(hào)處理系統(tǒng)獲得低電壓 C．信號(hào)處理系統(tǒng)每獲得一次低電壓就計(jì)數(shù)一次 D．信號(hào)處理系統(tǒng)每獲得一次高電壓就計(jì)數(shù)一次 【解析】　R1為光敏電阻，當(dāng)有光照射時(shí)，R1的阻值變小，R2上的電壓變大，信號(hào)處理系統(tǒng)獲得高電壓．由題意知，當(dāng)傳送帶上的物體擋住光時(shí)，信號(hào)處理系統(tǒng)獲得低電壓，這種電壓高低交替變化的信號(hào)轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的數(shù)字，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)計(jì)數(shù)的功能，達(dá)到自動(dòng)計(jì)數(shù)的目的． 【答案】　AC 自動(dòng)計(jì)數(shù)器是利用光敏電阻對(duì)光的敏感特性將光照強(qiáng)度這個(gè)光學(xué)量轉(zhuǎn)換為電阻這個(gè)電學(xué)量，并將電路中的電壓用信號(hào)處理系統(tǒng)識(shí)別以達(dá)到計(jì)數(shù)的目的． 2．按圖633所示連接好電路，合上S，發(fā)現(xiàn)小燈泡不亮，原因是________；用電吹風(fēng)對(duì)熱敏電阻加熱一會(huì)兒，會(huì)發(fā)現(xiàn)小燈泡________，原因是________；停止吹風(fēng)，會(huì)發(fā)現(xiàn)________；把熱敏電阻放入冷水中會(huì)發(fā)現(xiàn)________． 圖633 【解析】　由于熱敏電阻溫度低時(shí)阻值較大，左側(cè)電路電流較小，電磁鐵磁性較弱吸不住銜鐵．對(duì)熱敏電阻加熱其阻值減小后，電路電流變大，電磁鐵把銜鐵吸下后接通右側(cè)電路，燈變亮．停止吹風(fēng)小燈泡不會(huì)立即熄滅，因?yàn)闊崦綦娮铚囟热匀惠^高；把熱敏電阻放入冷水后，溫度降低，小燈泡熄滅． 【答案】　見解析 【備課資源】(教師用書獨(dú)具) 信息化時(shí)代的“住房” 上古之世，人們就“構(gòu)木為巢，以避群害”．陜西西安半坡村發(fā)現(xiàn)的地面建筑，就是我們祖先的房子．經(jīng)過了幾千年的發(fā)展，從氏族部落到村落，房子建得越來越堅(jiān)固、越來越漂亮了，但是那個(gè)時(shí)代人們?nèi)粘＝涣鞯姆秶浅Ｐ。? 工業(yè)化的大生產(chǎn)促進(jìn)了城市的發(fā)展，高樓大廈鱗次櫛比，住房也不再是孤零零的建筑物．房子里通了水、電、煤氣，有了電燈、洗衣機(jī)、電冰箱，機(jī)械替代了人的部分體力勞動(dòng)．由于生活的便利，住在大樓里的鄰居很少來往．人們更多地奔走于家和學(xué)習(xí)、工作的場(chǎng)所之間． 在信息化的今天，住房除了水、電、煤氣外，又有了與外界溝通信息的電話網(wǎng)、有線電視網(wǎng)、計(jì)算機(jī)互聯(lián)網(wǎng)．人們可以在家里與遙遠(yuǎn)的朋友交流，鋼筋水泥墻不再阻隔人們的交往了．人們不一定都住在擁擠的大城市，住在郊區(qū)仍然可以方便地跟辦公室聯(lián)系，實(shí)現(xiàn)家庭辦公．實(shí)際上，信息化時(shí)代的房子已經(jīng)聯(lián)通了全世界． 時(shí)尚的現(xiàn)代人，能在網(wǎng)上建立虛擬的家：用個(gè)人主頁(yè)展示自己的風(fēng)采和魅力．人們可以顯現(xiàn)自己的愛好：如果你喜歡文學(xué)，可以把古今中外的名著全放在自己的“家”里，讓與自己有相同愛好的伙伴閱讀；如果你喜歡歌曲，可以收集從古典到最現(xiàn)代的歌曲，把“家”建造為歌曲的天堂；如果你喜歡體育……在虛擬的家中還可以展現(xiàn)自己的能力：如果把你的創(chuàng)造和發(fā)明放到網(wǎng)上，可以與同學(xué)、朋友交流……在信息時(shí)代，網(wǎng)上的“家”可以是一個(gè)人所有信息的“居所”． 除了個(gè)人的“家”，還有更大的供“部落”活動(dòng)的場(chǎng)所．你可以開辦一個(gè)論壇，選擇自己關(guān)心的話題暢所欲言，結(jié)識(shí)很多興趣相近的朋友．雖然你們可能從來沒有見過面，甚至居住在地球的兩邊，但是你們會(huì)為了同一幅漫畫而開懷大笑，也會(huì)為了同一個(gè)感人的故事而流淚．當(dāng)你遇到困難，這些看不到的朋友往往更能設(shè)身處地為你著想，給你一個(gè)“別出心裁”的建議．對(duì)于被高樓大廈隔離的人們，網(wǎng)絡(luò)中的“家庭”溫暖，實(shí)實(shí)在在地存在著．再比如，當(dāng)發(fā)生了一起感人的愛國(guó)事件時(shí)，看著那些激昂的支持者的留言，特別是看到他們的IP地址來自世界各地，確實(shí)由衷地感到“海內(nèi)存知己，天涯若比鄰”．互聯(lián)網(wǎng)使人們突破了地理上的局限和工業(yè)化產(chǎn)生的隔閡，給人們一個(gè)前所未有的、更廣闊的自由交流空間. 1．下列說法不正確的是(　　) A．話筒是一種常用的聲傳感器，其作用是將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為聲信號(hào) B．電熨斗能夠自動(dòng)控制溫度的原因是它裝有雙金屬片溫度傳感器．這種傳感器的作用是控制電路的通斷 C．電子秤所使用的測(cè)力裝置是力傳感器 D．熱敏電阻能夠把溫度這個(gè)熱學(xué)量轉(zhuǎn)換為電阻這個(gè)電學(xué)量 【解析】　話筒的作用是將聲音信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，所以A錯(cuò)，其余都正確． 【答案】　A 2．傳感器被廣泛的應(yīng)用在日常生活中，下列用電器中，沒有使用溫度傳感器的是(　　) A．搖控器　　　　　　 B．空調(diào)機(jī) C．電冰箱　　　　　　 D．電飯鍋 【答案】　A 3．電梯門不會(huì)夾傷人的手，是因?yàn)殡娞蓍T安裝了什么傳感器(　　) 【導(dǎo)學(xué)號(hào)：31870043】 A．溫度傳感器　　　　　　 B．紅外線傳感器 C．壓力傳感器 D．生物傳感器 【解析】　只有在電梯門上安裝壓力傳感器時(shí)，才能使電梯門關(guān)閉時(shí)遇到障礙后再自動(dòng)打開，不會(huì)夾傷人的手． 【答案】　C 4．在地震救援行動(dòng)中，救援隊(duì)借助“生命探測(cè)儀”可以發(fā)現(xiàn)深埋在廢墟中的傷員，根據(jù)所學(xué)知識(shí)，你認(rèn)為“生命探測(cè)儀”可能用到了(　　) A．紅外線傳感器 B．壓力傳感器 C．振動(dòng)傳感器 D．電容傳感器 【解析】　傷員被深埋在廢墟中，借助紅外線傳感器可以感知人與周圍環(huán)境的差別，且傷員與尸體的溫度不同，借助探測(cè)儀可以探測(cè)到活著的被困人員，故應(yīng)選A. 【答案】　A 學(xué)業(yè)達(dá)標(biāo)測(cè)評(píng)(十九) (建議用時(shí)：45分鐘) 1．下列物理量中是電學(xué)量的是(　　) A．壓力　　　　　　　　 B．聲音 C．溫度 D．電流強(qiáng)度 【解析】　壓力、聲音、溫度等都是非電學(xué)量，而電流強(qiáng)度是電學(xué)量．故選D. 【答案】　D 2．空調(diào)實(shí)際利用了下面哪種傳感器(　　) A．壓力傳感器 B．溫度傳感器 C．光傳感器 D．磁傳感器 【解析】　空調(diào)器中利用溫度和濕度傳感器分別“感覺”室內(nèi)的溫度和濕度的變化，故選B. 【答案】　B 3．火災(zāi)報(bào)警器使用的是(　　) A．光傳感器 B．溫度傳感器 C．紅外線傳感器 D．超聲波傳感器 【解析】　火災(zāi)時(shí)煙霧會(huì)使光線發(fā)生變化，引起傳感器報(bào)警． 【答案】　A 4．電子秤使用的是(　　) A．超聲波傳感器 B．溫度傳感器 C．壓力傳感器 D．紅外線傳感器 【解析】　電子秤的使用需要將被稱物體對(duì)受壓面的壓力信息的大小轉(zhuǎn)換成電信號(hào)處理，故C項(xiàng)正確． 【答案】　C 5．如圖634是一個(gè)自動(dòng)門的紅外線傳感器的安裝示意圖，下列說法正確的是(　　) 圖634 A．當(dāng)人進(jìn)入位置“＋”時(shí)，傳感器會(huì)啟動(dòng)門 B．當(dāng)人進(jìn)入位置零時(shí)，電動(dòng)門停止運(yùn)動(dòng) C．當(dāng)人在位置“＋”、位置零以外時(shí)，門關(guān)閉 D．此紅外線傳感器只能在白天應(yīng)用 【解析】　利用紅外線傳感器可進(jìn)行非接觸測(cè)量，自然界幾乎所有的物體都能輻射波長(zhǎng)在0.76～1 000 μm的紅外線，因此被廣泛應(yīng)用．人體能發(fā)射波長(zhǎng)一定的紅外線，當(dāng)人走進(jìn)傳感器控制區(qū)域時(shí)，傳感器就會(huì)動(dòng)作，由于人體的溫度大體恒定，故不管白天、晚上，所發(fā)射的紅外線是一樣的，都能使用． 【答案】　ABC 6．普通電熨斗中用到的傳感器是(　　) A．溫度傳感器 B．生物傳感器 C．壓力傳感器 D．聲音傳感器 【答案】　A 7．交通警察用來檢測(cè)駕駛員酒精含量的檢測(cè)器使用的傳感器是(　　) A．溫度傳感器 B．壓力傳感器 C．濕度傳感器 D．氣體傳感器 【解析】　交通警察用檢酒器檢測(cè)駕駛員呼氣中酒精含量，使用了氣體傳感器． 【答案】　D 8．關(guān)于電子秤中應(yīng)變式力傳感器的說法中正確的是(　　) A．應(yīng)變片是由導(dǎo)體材料制成的 B．當(dāng)應(yīng)變片的表面拉伸時(shí)，其電阻變大，反之，變小 C．傳感器輸出的是應(yīng)變片上的電壓 D．外力越大，輸出的電壓差值也越大 【解析】　應(yīng)變片多用半導(dǎo)體材料制成，故選項(xiàng)A錯(cuò)，B對(duì)．傳感器輸出的是上、下兩應(yīng)變片上的電壓差，并且 隨著外力的增大，輸出的電壓差值也就越大，故C錯(cuò)，D對(duì)． 【答案】　BD 9．用遙控器調(diào)換電視機(jī)頻道的過程，實(shí)際上就是傳感器把光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的過程．下列屬于這類傳感器的是(　　) A．紅外報(bào)警裝置 B．走廊照明燈的聲控開關(guān) C．自動(dòng)洗衣機(jī)中的壓力傳感裝置 D．電飯煲中控制加熱和保溫的溫控器 【解析】　紅外線報(bào)警器是當(dāng)有人或物通過時(shí)，將紅外線遮住，從而使得光信號(hào)被遮住，有光電效應(yīng)則無電流通過，紅外線報(bào)警器則通過另外的裝置聯(lián)系采取一定的動(dòng)作． 【答案】　A 10．某學(xué)生在用恒溫箱進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)恒溫箱的溫度持續(xù)升高，無法自動(dòng)控制．經(jīng)檢查，恒溫箱控制器沒有故障．參照?qǐng)D635.下列對(duì)故障判斷正確的是(　　) 恒溫箱溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)示意圖 圖635 A．只可能是熱敏電阻出現(xiàn)故障 B．只可能是溫度設(shè)定裝置出現(xiàn)故障 C．熱敏電阻和溫度設(shè)定裝置都可能出現(xiàn)故障 D．可能是加熱器出現(xiàn)故障 【解析】　從題圖中所給的電路結(jié)構(gòu)可以推斷，如果加熱器出現(xiàn)故障，則無法工作，溫度不會(huì)持續(xù)升高，所以選項(xiàng)D錯(cuò)誤．如果熱敏電阻出現(xiàn)故障，對(duì)溫度變化沒有反應(yīng)，可能導(dǎo)致溫度持續(xù)升高；如果溫度設(shè)定裝置出現(xiàn)故障，對(duì)熱敏電阻所測(cè)量的溫度變化不能作出正確判斷，控制器就不會(huì)控制加熱器停止加熱，也會(huì)導(dǎo)致溫度持續(xù)升高，所以選項(xiàng)C正確，選項(xiàng)A、B錯(cuò)誤． 【答案】　C 11.如圖636所示，將一光敏電阻連入多用電表兩表筆上，將多用電表的選擇開關(guān)置于歐姆擋，用光照射光敏電阻時(shí)表針的偏角為θ，現(xiàn)用手掌擋住部分光線，表針的偏角變?yōu)棣取洌瑒t可判斷(　　) 圖636 A．θ′＝θ B．θ′<θ C．θ′>θ D．不能確定θ和θ′的關(guān)系 【解析】　當(dāng)用手擋住部分光線時(shí)光敏電阻阻值變大，由于多用電表Ω檔的0刻線在右側(cè)，隨著電阻變大指針偏角變小，則有θ′<θ. 【答案】　B 12．完成人類的五種感覺與有關(guān)傳感器的對(duì)應(yīng)關(guān)系(連線)． 【解析】　光傳感器(視覺)，氣味傳感器(嗅覺)，聲音傳感器(聽覺)，味覺傳感器(味覺)，壓力傳感器(觸覺)． 【答案】　見解析