5.2 科学制作：简单的自动控制装置&5.3 大显身手的传感器（课件PPT）-【优化指导】2024-2025学年高中物理选择性必修第二册（鲁科版2019）

第2节　科学制作：简单的自动控制装置 第3节　大显身手的传感器 第5章　传感器及其应用 返回导航 高中物理 选择性必修 第二册 （L） 第5章　传感器及其应用 返回导航 高中物理 选择性必修 第二册 （L） 第5章　传感器及其应用 栏目索引 必备知识 自主学习 关键能力 互动探究 返回导航 高中物理 选择性必修 第二册 （L） 第5章　传感器及其应用 必备知识 自主学习 返回导航 高中物理 选择性必修 第二册 （L） 第5章　传感器及其应用 光敏电阻 电流 返回导航 高中物理 选择性必修 第二册 （L） 第5章　传感器及其应用 热敏电阻 电流 返回导航 高中物理 选择性必修 第二册 （L） 第5章　传感器及其应用 滑动变阻器 光敏电阻 返回导航 高中物理 选择性必修 第二册 （L） 第5章　传感器及其应用 滑动变阻器 热敏电阻 热敏电阻 返回导航 高中物理 选择性必修 第二册 （L） 第5章　传感器及其应用 返回导航 高中物理 选择性必修 第二册 （L） 第5章　传感器及其应用 √ 返回导航 高中物理 选择性必修 第二册 （L） 第5章　传感器及其应用 红外线 压力 返回导航 高中物理 选择性必修 第二册 （L） 第5章　传感器及其应用 电容 返回导航 高中物理 选择性必修 第二册 （L） 第5章　传感器及其应用 内部 工作环境 刺激 关节传感器 返回导航 高中物理 选择性必修 第二册 （L） 第5章　传感器及其应用 × √ 返回导航 高中物理 选择性必修 第二册 （L） 第5章　传感器及其应用 关键能力 互动探究 返回导航 高中物理 选择性必修 第二册 （L） 第5章　传感器及其应用 返回导航 高中物理 选择性必修 第二册 （L） 第5章　传感器及其应用 返回导航 高中物理 选择性必修 第二册 （L） 第5章　传感器及其应用 返回导航 高中物理 选择性必修 第二册 （L） 第5章　传感器及其应用 返回导航 高中物理 选择性必修 第二册 （L） 第5章　传感器及其应用 返回导航 高中物理 选择性必修 第二册 （L） 第5章　传感器及其应用 返回导航 高中物理 选择性必修 第二册 （L） 第5章　传感器及其应用 返回导航 高中物理 选择性必修 第二册 （L） 第5章　传感器及其应用 返回导航 高中物理 选择性必修 第二册 （L） 第5章　传感器及其应用 返回导航 高中物理 选择性必修 第二册 （L） 第5章　传感器及其应用 返回导航 高中物理 选择性必修 第二册 （L） 第5章　传感器及其应用 返回导航 高中物理 选择性必修 第二册 （L） 第5章　传感器及其应用 返回导航 高中物理 选择性必修 第二册 （L） 第5章　传感器及其应用 返回导航 高中物理 选择性必修 第二册 （L） 第5章　传感器及其应用 返回导航 高中物理 选择性必修 第二册 （L） 第5章　传感器及其应用 返回导航 高中物理 选择性必修 第二册 （L） 第5章　传感器及其应用 返回导航 高中物理 选择性必修 第二册 （L） 第5章　传感器及其应用 返回导航 高中物理 选择性必修 第二册 （L） 第5章　传感器及其应用 谢谢观看！ 返回导航 高中物理 选择性必修 第二册 （L） 第5章　传感器及其应用 核 心 素 养 物理观念 科学思维 科学探究 科学态度与责任 能了解常见传感器的工作原理，知道非电学量转换成电学量的技术意义；能解释传感器在生产生活中的应用，具有与传感器相关的运动与相互作用观念。 能尝试将实际问题中的对象与过程转换成物理模型；能分析传感器中非电学量转换成电学量的原理。 能针对真实情境提出与实验有关的物 理问题，能对一些传感器设计提出质疑；能阐述实验原理、设计实验方案和实验步骤，能动手制作简单的自动控制装置；能用证据说明自制自动控制装置的优势与问题；能撰写研究报告，在报告中能呈现实验原理、实验方 案、实验步骤、实验表格、数据分析过程及实验结论，能提出改进措施，能与他人分享制作成果。 能体会传感技术的应用给人类社会带来的挑战；有较强的将所学内容应用于日常生活实际的热情；认同物理的技术应用应考虑道德与规范的要求，能认识传感技术与人类社会发展的关系。 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：如图甲所示，利用____________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______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：如图乙所示，利用____________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______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 ①按照电路图甲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_______________，使蜂鸣器在普通光照条件下不报警。 ④用黑纸逐渐遮住____________，注意蜂鸣器是否发声，并做好记录。 ⑤用手电筒照射被黑纸遮住的光敏电阻，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按照电路图乙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_______________，使蜂鸣器常温下不发声。 ④用不同温度的热水使____________的温度升高，注意蜂鸣器是否发声，并做好记录。 ⑤将____________从热水中取出，注意蜂鸣器是否发声，并做好记录。 5．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)在做热敏电阻实验时，加开水后要等一会再观察现象，以使电阻温度与水的温度相同，并同时读出水温。 (3)光敏电阻实验中，若效果不明显，可将电阻部分放入带盖的纸盒中，并通过盖上小孔改变照射到光敏电阻上的光照强度。 自动控制装置的设计是利用敏感元件的特性设计的。(　 　) 知识点二 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_________传感器。 (2)自动感应门系统的三个环节：首先，检测门前是否有人；其次，判断检测结果，发出相关指令；最后，执行指令(开、关门)。 2．洗衣机水位控制 全自动洗衣机的水位控制装置中使用了______传感器。 3．指纹识别器 有一种指纹识别器是通过______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的电容值不同。 4．机器人 (1)传感器系统是机器人的“感觉器官”，分为外部传感器和______传感器。 (2)传感器用途 ①外部传感器用于感知外部____________和外界事物对机器人的______。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、_______________等)用于检测机器人自身的状态。 1．指纹识别器是利用压力传感器。(　 　) 2．机器人利用多种传感器从而具有拟人化的特点。(　 　) 探究点一　简单的自动控制　(科学探究之结论) 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。 答案：见解析 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。 [练1] 把蜂鸣器、光敏电阻、干簧管继电器、开关、电源按如图所示的电路连接，制成光电报警装置。已知：①光敏电阻：受光照射后，阻值会变小；②干簧管继电器：由干簧管和绕在干簧管外的线圈组成，当线圈中有一定的电流时，线圈产生的磁场使密封在干簧管内的两个铁质簧片磁化，两个簧片在磁力作用下由原来的分离状态变成闭合状态。当线圈中没有电流或者电流很微弱时，磁场消失，簧片在弹力的作用下恢复到分离状态。要求：当有光照射报警装置且光照不是很弱时，蜂鸣器发声；当没有光照或者光照很弱时，蜂鸣器不发声。请将下面的电路补充完整。 答案：见解析 解析：电源、光敏电阻与开关及干簧管继电器外面的线圈构成一个回路，而另一组电源、蜂鸣器与干簧管继电器里面的两个接线构成又一个回路。当有光照时，光敏电阻变小，使得干簧管继电器处在磁场中，导致开关接通，最终使得蜂鸣器发声。故电路的连接方法如下图所示。 求解传感器问题的关键 (1)确定传感器所感受的物理量。 (2)确定转换电路输出的电学信号。 (3)结合部分电路欧姆定律和闭合电路欧姆定律的知识进行综合分析。 探究点二　大显身手的传感器　(科学思维之提升) ►情境探究 如图所示，为测定液面高低的传感器的示意图，A为固定的导体芯，B为导体芯外面的一层绝缘物体，C为导电液体，把传感器接到图示电路中。已知灵敏电流计指针的偏转方向与电流方向相同。如果发现指针正向左偏转，则导电液体的深度h是如何变化的？并说明电容器电容的变化。 提示：深度h增大，电容增大。 ►探究归纳 常见的电容式传感器 名称 图示 原理 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，极板正对面积S发生变化，使电容C发生变化。知道C的变化，就可以知道θ的变化情况 名称 图示 原理 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，导线芯外面的绝缘物质就是电介质，当液面高度h发生变化时，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 名称 图示 原理 测定压力 F的电容 式传感器 待测压力F作用于可动膜片电极上的时候，膜片发生形变，使极板间的距离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 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 ►对点例练 A．向右偏到某一刻度后回到零刻度 B．向左偏到某一刻度后回到零刻度 C．向右偏到某一刻度后固定不动 D．向左偏到某一刻度后固定不动 A　解析：压力F作用时，极板间距d变小，由C＝ eq \f(εrS,4πkd) 可知，电容器电容C变大，根据Q＝CU可知，极板所带电荷量变大，所以电容器应充电，灵敏电流计中通过由正接线柱流入的电流，指针将右偏。当F不变时，极板保持固定后，充电结束，指针回到零刻度，A正确，B、C、D错误。 [练2] (多选)电容式话筒的保真度比动圈式话筒好，其工作原理如图所示。K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。在膜片向右运动的过程中(　　) 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 AC　解析：声波使膜片向右振动，M、N间距减小，电容变大，A正确，B错误；M、N间的电压不变，由Q＝CU可知，Q变大，电容继续充电，则导线AB中有向左的电流，C正确，D错误。 探究点三　解决实际问题　(科学态度与责任之落实) [练3] (科技情境)电子眼又称电子警察，它采用感应线来感应路面上汽车传来的压力。感应线实质是一个压电薄膜传感器，压电薄膜在受压时两端产生电压，压力越大电压越大，压电薄膜与电容器C和电阻R组成图甲所示的回路。如果汽车的前、后轮先后经过感应线，回路中产生两脉冲电流，如图乙所示。当十字路口红灯亮时，电子警察系统启动，若回路中产生两脉冲电流，电子眼拍照，认定为“闯红灯”。则当红灯亮时(　　) A．车轮停在感应线上时，电阻R上的电流为零 B．车轮经过感应线的过程中，电容器C的电荷量一直增大 C．车轮经过感应线的过程中，电容器C两极板间的电场强度保持不变 D．汽车前轮越过感应线后，又倒回到线内，不会被电子眼拍照 A　解析：车轮停在感应线上时，压力不变，则电压不变，电容器不充电，也不放电，电阻R上没有电流，A正确；由乙图可知，当车轮经过时电流先增大后减小，然后再反向增大最后减小，因电压是在受压时产生的，说明电容器先充电后放电，B错误；车轮经过感应线的过程中，压电薄膜受到的压力变化，其产生的电压变化，则电容器两端电压变化，产生的电场强度发生变化，C错误；若汽车前轮越过感应线，又倒回线内，则前轮两次压线，仍形成两个脉冲电流，符合拍照条件，电子眼仍会拍照，D错误。 [练4] (生活情境)如图甲所示为某宾馆的房卡，只有把房卡插入槽中，房间内的灯和插座才会有电。 (1)房卡的作用相当于一个________(填电路元件名称)接在干路上。 (2)如图乙所示，当房客进门时，只要将带有磁铁的卡P插入盒子Q中，这时由于磁铁吸引簧片，开关B就接通，通过继电器J使整个房间的电器的总开关接通，房客便能使用室内各种用电器。当继电器工作时，cd相吸，ab便接通。请你将各接线端1、2、3、4、5、6、7、8、9、10适当地连接起来，构成正常的电门卡电路。 答案：(1)开关　(2)见解析 解析：(1)房卡可以控制房间内的灯和插座，不插入插槽中，所有房间内的灯和插座都不工作，所以房卡相当干路上的开关； (2)将干簧管与电源E、线圈连成一个回路；将三个灯泡所在电路与交流电流接成回路，即按8－7，4－5，6－9，1－3，2－10 连接起来，构成正常的电门卡电路，如图所示： $$