第9.3节 传感器的应用-【帮课堂】2024-2025学年高二物理同步学与练（沪科版2020上海选择性必修第二册）

第九章 传感器 9．3 传感器的应用 课程标准 1. 了解传感器在轨道交通、无人驾驶、手机等各行各业的广泛应用。 2. 了解加速度传感器在手机上的应用。 物理素养 物理观念：建立物理学的科学技术转化为社会生产力的物理观念。 科学思维：学习把非电学量转换为电学量的转换思维方法。 科学探究：查阅文献，了解手机上有哪些传感器。 科学态度与责任：体会传感器在日常生活、高科技领域的广泛使用和重要性，激发学生的创新意识和学习兴趣。 1．传感器在手机上的应用 (1)加速度传感器（重力感应器）： 原理：主要利用压电效应、电容效应或光效应等原理来工作，其中最常见的是压电效应原理。 作用：可以监测手机的加速度的大小和方向，用于实现手机横竖屏智能切换，用于计步、游戏等。 (2)光敏传感器： 原理：主要元件是半导体光敏电阻，其工作原理基于光电效应。 应用：用于调节屏幕自动背光的亮度，白天提高屏幕亮度，夜晚降低屏幕亮度。 (3)距离传感器： 原理：手机上的距离传感器大多采用红外测距原理。 作用：用于检测手机是否正贴在用户的耳朵上，以便自动熄灭屏幕达到省电的目的和防止误操作。 (4) 角速度传感器（陀螺仪）： 原理：基于角动量守恒理论，当手机发生旋转或倾斜时，陀螺仪会检测到这种角速度的变化。 作用：检测手机的旋转和倾斜，在游戏、导航、拍照中都有应用。 2．传感器在轨道交通中的应用 全自动“无人驾驶”地铁列车，可通过感知系统实现自主识别障碍物、道路、交通信号，承担着状态监视、故障报警、车载设备控制等功能，感知系统是关键。 3．传感器在汽车上的应用 无人驾驶汽车上方向盘、油门、刹车踏板等配件都不再需要，全由软件和传感器取代。可自动识别交通指示牌和行车信息，在行驶过程中，汽车会通过传感设备上传路况信息，在大量数据基础上进行实时定位分析，从而判断行驶方向和速度。 4．话筒和听筒 (1)电容式话筒 如图所示，Q是绝缘支架，薄金属膜M和固定电极N形成一个电容器，被直流电源充电。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，于是电阻R两端就输出了与声音变化规律相同的电压。 (2)动圈式话筒 如图所示是动圈式话筒的构造原理图，它是利用电磁感应现象制成的。当声波使金属膜片振动时，连接在膜片上的线圈（叫做音圈）随着一起振动。音圈在永磁铁的磁场里振动，其中就产生感应电流（电信号）。感应电流的大小和方向都变化，振幅和频率的变化由声波决定，这个电信号经扩音器放大后传给扬声器，从扬声器中就发出放大的声音。 例1. 如图(a)所示是某生产流水线上的产品输送及计数装置示意图。S为激光源，R1为光敏电阻(有光照时阻值减小)，R2为定值电阻，a、b之间接示波器。水平传送带匀速前进，产品通过时会挡住激光源发出的光线。示波器显示的电压随时间变化图像如图(b)所示。若计数器电路中的电源电压恒为 6V，电源内阻忽略不计，定值电阻 R2=1kΩ，求 (1)无光照时光敏电阻 R1的阻值。 (2)有光照时光敏电阻 R1的阻值 (3)每小时通过的产品个数 1． 唱卡拉OK用的话筒内有传感器，其中有一种是动圈式的，它的工作原理是在弹性膜片后面黏接一个轻小的金属线圈，线圈处于永磁体的磁场中，当声波使膜片前后振动时，就将声音信号转变为电信号。下列说法中正确的是（ ） A．该传感器是根据电流的磁效应工作的 B．该传感器是根据电磁感应原理工作的 C．膜片振动时，穿过金属线圈的磁通量不变 D．膜片振动时，金属线圈中不会产生感应电动势 2． 动圈式话筒和磁带录音机都应用了电磁感应现象，图甲所示是动圈式话筒原理图，图乙所示是磁带录音机的录音、放音原理图，由图可知： ①话筒工作时磁铁不动，线圈振动而产生感应电流 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了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 3．（单选）如图所示是一位同学设计的防盗门报警器的简化电路示意图。门打开时,红外光敏电阻R3受到红外线照射,电阻减小;门关闭时会遮蔽红外线源(红外线源没有画出)。经实际试验,可知灯的亮灭情况能反映门的开关状态。门打开时两灯的发光情况及R2两端电压U2与门关闭时相比（ ） A.红灯亮,U2变大 B.绿灯亮,U2变大 C.绿灯亮,U2变小 D.红灯亮,U2变小 4．(多选)如图为握力器原理示意图，握力器把手上的连杆与弹簧一起上下移动，握力的大小可通过一定的换算关系由电流表的示数获得．当人紧握握力器时如果握力越大，下列判断正确的有（ ） A．电路中电阻越大　 B．电路中电阻越小 C．电路中电流越小 D．电路中电流越大 5．（多选）如今智能手机中普遍安装了陀螺仪，它是一种加速度传感器，尺寸目前可以做到（3×3×1）mm，可集成于手机内部，用来检测手机的姿态。其工作原理如图所示，当手机运动状态改变时，固连在手机上的A部分随手机一起运动时，质量块B是通过弹性物体连接手机，由于惯性，不会随手机立刻发生变化，出现运动滞后，这样电容器电容值就发生了变化，变化的电容值会通过电信号传输给处理单元，就可测量手机的姿态，铺三层这种结构，就可以测出手机的前后左右和上下以及旋转，这样就可以360°无死角检测手机运动。以下说法中正确的是（　　） A．在外太空，完全失重的情况下，这种传感器仍然可以使用 B．可以测量出任意情况下手机相对地面的速度 C．这种探测器可以测量地磁场强度，进而进行GPS定位 D．改变电容的值是通过改变正对面积和板间距d来实现的 6． 在奥运会上，运动员参加蹦床项目的比赛。假设表演时运动员仅在竖直方向上运动，通过传感器将弹簧床面与运动员间的弹力随时间变化的规律在计算机上绘出如下图所示的曲线，当地的重力加速度g取10 m/s2，依据图象给出的信息，回答下列物理量能否求出，如能求出，写出必要的运算过程和最后结果。 （1）运动员的重力； （2）运动员的最大加速度； （3）运动员跳起的最大高度。 7． 用如图所示的装置可以测量汽车在水平路面上做匀加速直线运动的加速度，该装置是在矩形箱子的前、后壁上各安装一个由力敏电阻组成的压力传感器，用两根相同的轻弹簧夹着一个质量为的滑块，滑块可无摩擦滑动，两弹簧的另一端分别接在传感器上，其压力大小可直接从传感器的液晶显示屏上读出，现将装置沿运动方向固定在汽车上，传感器在前，传感器在后。汽车静止时，传感器的示数均为10N。（g取10m/s） （1）若传感器a的示数为14N，b的示数为6.0N，求此时汽车的加速度大小和方向； （2）当汽车以怎样的加速度运动时，传感器的示数为零？ / 学科网（北京）股份有限公司 $$ 第九章 传感器 9．3 传感器的应用 课程标准 1. 了解传感器在轨道交通、无人驾驶、手机等各行各业的广泛应用。 2. 了解加速度传感器在手机上的应用。 物理素养 物理观念：建立物理学的科学技术转化为社会生产力的物理观念。 科学思维：学习把非电学量转换为电学量的转换思维方法。 科学探究：查阅文献，了解手机上有哪些传感器。 科学态度与责任：体会传感器在日常生活、高科技领域的广泛使用和重要性，激发学生的创新意识和学习兴趣。 1．传感器在手机上的应用 (1)加速度传感器（重力感应器）： 原理：主要利用压电效应、电容效应或光效应等原理来工作，其中最常见的是压电效应原理。 作用：可以监测手机的加速度的大小和方向，用于实现手机横竖屏智能切换，用于计步、游戏等。 (2)光敏传感器： 原理：主要元件是半导体光敏电阻，其工作原理基于光电效应。 应用：用于调节屏幕自动背光的亮度，白天提高屏幕亮度，夜晚降低屏幕亮度。 (3)距离传感器： 原理：手机上的距离传感器大多采用红外测距原理。 作用：用于检测手机是否正贴在用户的耳朵上，以便自动熄灭屏幕达到省电的目的和防止误操作。 (4) 角速度传感器（陀螺仪）： 原理：基于角动量守恒理论，当手机发生旋转或倾斜时，陀螺仪会检测到这种角速度的变化。 作用：检测手机的旋转和倾斜，在游戏、导航、拍照中都有应用。 2．传感器在轨道交通中的应用 全自动“无人驾驶”地铁列车，可通过感知系统实现自主识别障碍物、道路、交通信号，承担着状态监视、故障报警、车载设备控制等功能，感知系统是关键。 3．传感器在汽车上的应用 无人驾驶汽车上方向盘、油门、刹车踏板等配件都不再需要，全由软件和传感器取代。可自动识别交通指示牌和行车信息，在行驶过程中，汽车会通过传感设备上传路况信息，在大量数据基础上进行实时定位分析，从而判断行驶方向和速度。 4．话筒和听筒 (1)电容式话筒 如图所示，Q是绝缘支架，薄金属膜M和固定电极N形成一个电容器，被直流电源充电。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，于是电阻R两端就输出了与声音变化规律相同的电压。 (2)动圈式话筒 如图所示是动圈式话筒的构造原理图，它是利用电磁感应现象制成的。当声波使金属膜片振动时，连接在膜片上的线圈（叫做音圈）随着一起振动。音圈在永磁铁的磁场里振动，其中就产生感应电流（电信号）。感应电流的大小和方向都变化，振幅和频率的变化由声波决定，这个电信号经扩音器放大后传给扬声器，从扬声器中就发出放大的声音。 例1. 如图(a)所示是某生产流水线上的产品输送及计数装置示意图。S为激光源，R1为光敏电阻(有光照时阻值减小)，R2为定值电阻，a、b之间接示波器。水平传送带匀速前进，产品通过时会挡住激光源发出的光线。示波器显示的电压随时间变化图像如图(b)所示。若计数器电路中的电源电压恒为 6V，电源内阻忽略不计，定值电阻 R2=1kΩ，求 (1)无光照时光敏电阻 R1的阻值。 (2)有光照时光敏电阻 R1的阻值 (3)每小时通过的产品个数 【答案】(1) 2kΩ (2) 0.5kΩ (3) 6000 【解析】(1) 无光时R1电阻大，ab点电压大，所以Uab=4V，R1和R2串联，串联电路电压与电阻成正比，所以R1=2kΩ。 (2) 有光时R1电阻小，ab点电压小，所以Uab=2V，所以R1=0.5kΩ (3) 由图像知，每隔0.6s有各产品通过，n=3600/0.6=600个。 1． 唱卡拉OK用的话筒内有传感器，其中有一种是动圈式的，它的工作原理是在弹性膜片后面黏接一个轻小的金属线圈，线圈处于永磁体的磁场中，当声波使膜片前后振动时，就将声音信号转变为电信号。下列说法中正确的是（ ） A．该传感器是根据电流的磁效应工作的 B．该传感器是根据电磁感应原理工作的 C．膜片振动时，穿过金属线圈的磁通量不变 D．膜片振动时，金属线圈中不会产生感应电动势 【答案】B 【解析】膜片振动时，带动金属线圈运动，线圈中磁通量发生变化，产生感应电流。故正确答案为B。 2． 动圈式话筒和磁带录音机都应用了电磁感应现象，图甲所示是动圈式话筒原理图，图乙所示是磁带录音机的录音、放音原理图，由图可知： ①话筒工作时磁铁不动，线圈振动而产生感应电流 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了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 【答案】C 【解析】本题考查了动圈式话筒和磁带录音机录放音的工作原理。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。 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，②正确、③错误。 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。 3．（单选）如图所示是一位同学设计的防盗门报警器的简化电路示意图。门打开时,红外光敏电阻R3受到红外线照射,电阻减小;门关闭时会遮蔽红外线源(红外线源没有画出)。经实际试验,可知灯的亮灭情况能反映门的开关状态。门打开时两灯的发光情况及R2两端电压U2与门关闭时相比（ ） A.红灯亮,U2变大 B.绿灯亮,U2变大 C.绿灯亮,U2变小 D.红灯亮,U2变小 【答案】D 【解析】 当门打开时，R3受红外线照射，电阻减小，则总电阻减小，总电流I增大， R2两端电压U2=E-I(R1+r)减小，R2中电流I2=减小，所以R3中电流I3=I-I2增大， 电磁继电器产生的磁场增强，把衔铁吸下，红灯亮，选项D正确。 4．(多选)如图为握力器原理示意图，握力器把手上的连杆与弹簧一起上下移动，握力的大小可通过一定的换算关系由电流表的示数获得．当人紧握握力器时如果握力越大，下列判断正确的有（ ） A．电路中电阻越大　 B．电路中电阻越小 C．电路中电流越小 D．电路中电流越大 【答案】BD 【解析】由题图可知，握力越大，变阻器接入电路的电阻越小，外电路的总电阻越小， 根据闭合电路欧姆定律可知，电路中电流越大．故B、D正确，A、C错误。 5．（多选）如今智能手机中普遍安装了陀螺仪，它是一种加速度传感器，尺寸目前可以做到（3×3×1）mm，可集成于手机内部，用来检测手机的姿态。其工作原理如图所示，当手机运动状态改变时，固连在手机上的A部分随手机一起运动时，质量块B是通过弹性物体连接手机，由于惯性，不会随手机立刻发生变化，出现运动滞后，这样电容器电容值就发生了变化，变化的电容值会通过电信号传输给处理单元，就可测量手机的姿态，铺三层这种结构，就可以测出手机的前后左右和上下以及旋转，这样就可以360°无死角检测手机运动。以下说法中正确的是（　　） A．在外太空，完全失重的情况下，这种传感器仍然可以使用 B．可以测量出任意情况下手机相对地面的速度 C．这种探测器可以测量地磁场强度，进而进行GPS定位 D．改变电容的值是通过改变正对面积和板间距d来实现的 【答案】AD 【详解】A．这种传感器的使用原理是惯性，跟重力无关，所以在外太空，完全失重的情况下，这种传感器仍然可以使用，故A正确； BC．这种探测器可以测出手机的前后左右和上下以及旋转，不可以测量出任意情况下手机相对地面的速度，也不可以测量地磁场强度，进行GPS定位，故BC错误； D．由图可知，手机上的A部分与质量块B发生相对移动时，电容的正对面积和板间距d发生变化，所以改变电容的值是通过改变正对面积和板间距d来实现的，故D正确。 故选AD。 6． 在奥运会上，运动员参加蹦床项目的比赛。假设表演时运动员仅在竖直方向上运动，通过传感器将弹簧床面与运动员间的弹力随时间变化的规律在计算机上绘出如下图所示的曲线，当地的重力加速度g取10 m/s2，依据图象给出的信息，回答下列物理量能否求出，如能求出，写出必要的运算过程和最后结果。 （1）运动员的重力； （2）运动员的最大加速度； （3）运动员跳起的最大高度。 【答案】（1）500 N （2）40 m／s2 （3）5 m 【解析】由图中可知重力的大小、弹力的最大值以及运动员从离开蹦床到回蹦床经历的时间。 （1）由图可知G=500 N。 （2）由图可知，运动员受到的最大弹力Fm=2500 N，故。 （3）由图可知，运动员从离开蹦床到回蹦床经历的时间为t总=8.7 s－6.7 s=11.5 s－9.5 s=2 s， 运动员上升阶段与下落阶段经历的时间均为，故。 7． 用如图所示的装置可以测量汽车在水平路面上做匀加速直线运动的加速度，该装置是在矩形箱子的前、后壁上各安装一个由力敏电阻组成的压力传感器，用两根相同的轻弹簧夹着一个质量为的滑块，滑块可无摩擦滑动，两弹簧的另一端分别接在传感器上，其压力大小可直接从传感器的液晶显示屏上读出，现将装置沿运动方向固定在汽车上，传感器在前，传感器在后。汽车静止时，传感器的示数均为10N。（g取10m/s） （1）若传感器a的示数为14N，b的示数为6.0N，求此时汽车的加速度大小和方向； （2）当汽车以怎样的加速度运动时，传感器的示数为零？ 【答案】（1），方向向前 （2），方向向后 【解析】本题是力传感器在实际中的一个应用。传感器上所显示出力的大小即弹簧对传感器的压力，据牛顿第三定律知，此即为弹簧上的弹力大小，亦即该弹簧对滑块的弹力大小。 （1）如图所示，依题意，左侧弹簧对滑块向右的推力，右侧弹簧对滑块向左的推力。 滑块所受合力产生加速度，根据牛顿第二定律有，。 与同方向，即向前（向右）。 （2）传感器的读数恰为零，即左侧弹簧的弹力，因两弹簧相同，左弹簧伸长多少，右弹簧就缩短多少，所以右弹簧的弹力变为，滑块所受合力产生加速度，由牛顿第二定律得 。 解得：。 负号表示方向向后（向左）。 / 学科网（北京）股份有限公司 $$