第5章 第3节 大显身手的传感器（Word练习）-【新课程学案】2025-2026学年高中物理选择性必修第二册（鲁科版）

第3节　大显身手的传感器(赋能课—精细培优科学思维) 课标要求 学习目标 列举传感器在生产生活中的应用。 1.能了解常见传感器的工作原理，解释传感器在生产生活中的应用。 2.具有与传感器相关的运动与相互作用观念。 3.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。 4.认同物理的技术应用应考虑道德与规范的要求，能认识传感技术应用与人类社会发展的关系。 一、自动感应门 洗衣机水位控制 指纹识别器 1．自动感应门 (1)控制自动感应门开关的是一种　　　　传感器。 (2)自动门工作流程： 2．洗衣机水位控制 全自动洗衣机的水位控制装置使用了　　　传感器。当水位达到设定的高度时接通控制电路，　　　　　进水电磁阀门，　　　　洗涤电动机电源。 3．指纹识别器 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　　　　　，由于指纹的凹凸导致不同位置的电容器的电容值也不相同。 [情境思考] 当我们进入宾馆的大门时，门自动开启，当我们通过后，门自动关闭。这是为什么？ 二、机器人 1．机器人组成 由机械系统、　　　　　系统、信息处理和控制系统组成。 2．机器人传感器的分类 分为　　　　传感器和　　　　传感器。 3．机器人传感器的用途 (1)外部传感器用于感知　　　　工作环境和外界事物对机器人的刺激。包括视觉传感器、超声波传感器、温度传感器、压力传感器、位移传感器等。 (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　　　　　　。 [情境思考] 如图所示，为应变片的工作原理及力传感器的应用图片，试分析： 　 在应变式力传感器中，应变片中通过的电流恒定时，压力的大小转变为哪一个电学量？如何变？ 强化点(一)　传感器问题分析 任务驱动　 如图所示是中大型超市卖场在入口处安装的自动感应单向门，人走到跟前就会自动打开，过去之后自动关闭，这种感应门的工作原理是什么呢？ [要点释解明] 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。 [典例]　如图所示为一种常见的身高体重测量仪。测量仪顶部向下发射波速为v的超声波，超声波经反射后返回，被测量仪接收，测量仪记录发射和接收的时间。质量为M0的测重台置于压力传感器上，传感器输出电压与作用在其上的压力成正比。当测重台没有站人时，测量仪记录的时间为t0，输出电压为U0；某同学站上测重台，测量仪记录的时间为t，输出电压为U，则该同学身高和质量分别为(　　) A．v(t0－t)，U B.v(t0－t)，U C．v(t0－t)，(U－U0) D.v(t0－t)，(U－U0) 听课记录： [题点全练清] 1．呼吸机是一种能够起到预防和治疗呼吸衰竭、减少并发症、挽救及延长病人生命的至关重要的医疗设备。为保持病人获得持续、舒适的呼吸功能，需要呼吸机中设计安装多个传感器，用于实时、持续、稳定、精确地监测和控制气流、压力和温湿度等参数指标，下列传感器不是呼吸机必须搭载的为(　　) A．气体质量流量传感器 B．压力传感器 C．光传感器 D．温度传感器 2.如图所示是会议室和宾馆房间的天花板上装有的火灾报警器的结构原理图，罩内装有发光二极管LED、光电三极管和不透明的挡板。平时光电三极管接收不到LED发出的光，呈现高阻状态。发生火灾时，下列说法正确的是(　　) A．进入罩内的烟雾遮挡住了光线，使光电三极管电阻更大，检测电路检测出变化发出警报 B．进入罩内的烟雾对光有散射作用，部分光线照到光电三极管上，电阻变小，发出警报 C．光电三极管温度升高，电阻变小，检测电路检测出变化发出警报 D．以上说法均不正确 强化点(二)　力传感器及其应用 [要点释解明] 力传感器的分析思路 力传感器能够把物体的形变转换为电压或电流的变化，外力越大，电压或电流的变化就越大，由变化的差值大小，可以得知外力的大小。力传感器的种类繁多，在具体应用中，应依据其特性，综合利用其他知识进行分析与计算。 [典例]　有一种测量人体重的电子秤，其原理图如图所示。它主要由三部分构成：踏板和压力杠杆ABO、压力传感器R(一个阻值可随压力大小而变化的电阻器)、显示体重的仪表Ⓖ(其实质是电流表)。其中AO∶BO＝5∶1。已知压力传感器的电阻与其所受压力的关系如下表所示。 压力F/N 0 50 100 150 200 250 300 … 电阻R/Ω 300 270 240 210 180 150 120 … 踏板的杠杆组件的质量不计，接通电源后，压力传感器两端电压恒为4.68 V，则： (1)利用表中数据归纳出电阻R随压力F变化的函数关系式； (2)该秤零刻度线(即踏板空载时的刻度线)应标在电流表刻度盘多少毫安处？ (3)如果某人站在踏板上，电流表刻度盘示数为20 mA，这个人的体重是多少(g取10 m/s2)? 尝试解答： [题点全练清] 1．压敏电阻的阻值随所受压力的增大而减小，有位同学利用压敏电阻设计了判断小车运动状态的装置，其工作原理如图甲所示。将压敏电阻和一块挡板固定在绝缘小车上，中间放置一个绝缘重球。小车向右做直线运动过程中，电流表示数随时间变化的图像如图乙所示。下列判断正确的是(　　) A．从t1到t2时间内，小车做匀速直线运动 B．从t2到t3时间内，小车做匀加速直线运动 C．从t2到t3时间内，小车做匀速直线运动 D．从t1到t2时间内，小车做匀加速直线运动 2．(双选)图甲虚线框内所示是电子秤测量部分的原理图，压力传感器的电阻R随压力F的变化如图乙所示。开关闭合后，压力传感器两端的电压恒为6.0 V。电流表的量程为0～0.6 A，电流表的内阻、踏板和压杆的质量可以忽略不计，则对于该电子秤，下列说法正确的是(　　) A．最大称量值为1 500 N B．压力传感器的电阻最小为0 C．空载时，电流表的读数为20 mA D．称重为900 N时，电阻R的阻值为120 Ω 强化点(三)　电容式传感器及其应用 [要点释解明] 1．电容式传感器的工作原理 电容器的电容C取决于极板正对面积S、极板间的距离d以及极板间的电介质这几个因素。如果某一物理量(如角度θ、位移s、深度h等)的变化能引起上述某个因素的变化，从而引起电容的变化，那么，通过测定电容器的电容就可以确定上述物理量的变化。具有这种用途的电容器称为电容式传感器。 2．电容式传感器的一些常见应用 用途 图例 原理 测定角度θ 当动片与定片之间的角度θ发生变化时，引起极板正对面积S的变化，使电容C发生变化 测定液面高度h 在金属芯线的外面涂上一层绝缘物质，放入导电液体中，金属芯线和导电液体构成电容器的两个极板，金属芯线外面的绝缘物质就是电介质。当液面高度h发生变化时，引起电容器极板正对面积发生变化，使电容C发生变化 测定压力F 待测压力F作用于可动电极上时，可动电极发生形变，使极板间距离d发生变化，引起电容C发生变化 测定位移s 随着电介质进入极板间的长度发生变化，电容C发生变化 [典例]　如图所示为某电容传声器结构示意图，膜片和极板组成一个电容器，当人对着传声器讲话时， 膜片会振动。若某次膜片振动时，膜片与极板间的距离减小，则在此过程中(　　) A．膜片与极板所组成的电容器的电容变小 B．极板的带电荷量增大 C．膜片与极板间的电场强度变小 D．电阻R中无电流通过 听课记录： [题点全练清] 1.如图所示为一测液面高低的传感器示意图，A为固定的导体芯，B为导体芯外面的一层绝缘物质，C为导电液体，把传感器接到图示的电路中，已知灵敏电流计指针偏转方向与电流方向相同，如果发现指针正向右偏转，则导电液体的深度h变化为(　　) A．h正在增大　　　　 B．h正在减小 C．h不变 D．无法确定 2．(双选)传感器是智能设备的基础元件。如图所示为电容式位移传感器的示意图，观测电容C的变化即可知道物体位移s的变化，表示该传感器的灵敏度。电容器极板和电介质板长度均为L，测量范围为－≤s≤。下列说法正确的是(　　) A．电容器的电容变大，物体向－s方向运动 B．电容器的电容变大，物体向＋s方向运动 C．电介质的介电常数越大，传感器灵敏度越高 D．电容器的板间电压越大，传感器灵敏度越高 3．(双选)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，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，质量块B通过弹性物体连接手机，由于惯性，运动状态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、上下以及旋转的加速度，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，进而进行卫星定位 D．改变电容值是通过改变正对面积和板间距d来实现的 课下请完成课时跟踪检测(二十)、阶段质量检测(四)及模块综合检测(一)(二) 第3节　大显身手的传感器 一、1.(1)红外线　2.压力　关闭　接通　3.电容　电容器 [情境思考] 提示：红外线传感器探测到有人进入时，将脉冲信号传给主控器，主控器判断后控制电动机运行，使门开启。门开启后由控制器做出判断，如需关门，控制电动机反向运行，关闭门。 二、1.传感器　2.外部　内部　3.(1)外部　(2)自身的状态 [情境思考] 提示：压力的大小转变为电压的大小。 如果让应变片中通过的电流保持恒定，那么上表面应变片两端的电压变大，下表面应变片两端的电压变小，传感器把这两个电压的差值输出，则力F越大，输出的电压差值也就越大。 强化点(一)　 [任务驱动]　提示：当单向门上的(雷达或者红外线)传感器检测到有人到达入口时，发出开门信号，门自动打开；检测到人通过后，发出关门信号，门自动关闭。 [典例]　选D　设该同学的身高为x，质量为m。 当测重台没有站人时＝① 当该同学站在测重台上时＝② 由①②两式得该同学的身高x＝v(t0－t) 当测重台上没站人时M0g＝kU0③ 当该同学站在测重台上时(M0＋m)g＝kU④ 由③④两式得该同学的质量m＝(U－U0) 可知选项D正确。 [题点全练清] 1．选C　呼吸机需要实时、持续、稳定、精确地监测和控制气流、压力和温湿度等参数指标，因此需要安装气体质量流量、压力、湿度、温度等传感器，故A、B、D都必须搭载，C不必须搭载。 2．选B　挡板不透明，平时光电三极管接收不到LED发出的光，呈现高阻状态。发生火灾时，进入罩内的烟雾对光有散射作用，部分光线照到光电三极管上，光电三极管电阻变小，检测电路检测出变化发出警报。该传感器是用光传感器实现报警的，故B项正确，A、C、D三项错误。 强化点(二)　 [典例]　解析：(1)由表中数据可归纳得出R＝300－0.6F。 (2)依题意可知，电子秤空载时压力传感器受到的压力为零，电阻R1＝300 Ω，电路中的电流I1＝＝ A＝15.6 mA，所以该秤零刻度线应标在电流表刻度盘的15.6 mA处。 (3)当电流表刻度盘的示数I2＝20 mA时，压力传感器的电阻R2＝＝ Ω＝234 Ω 由R＝300－0.6F，解得F2＝110 N 再由F2·AO＝G·BO，可得G＝550 N 故人的体重m＝＝55 kg。 答案：(1)R＝300－0.6F　(2)15.6 mA　(3)55 kg [题点全练清] 1．选B　在t1～t2时间内，I变大，压敏电阻的阻值变小，其受到的压力变大，小车做变加速运动，故A、D错误；在t2～t3时间内，I不变，压敏电阻受到的压力恒定，且大于0～t1时间内受到的压力，小车做匀加速直线运动，故B正确，C错误。 2．选CD　由题图乙可得电阻R(单位为Ω)与压力F(单位为N)在数值上满足关系R＝300－0.2F，则当电阻R＝0时，压力Fmax＝1 500 N，但压力传感器的电阻为零时，电源短路，则压力传感器的电阻最小不可能为零，即电子秤最大称量值不可能为1 500 N，故A、B错误；空载时F＝0，根据题图乙可知，此时R＝300 Ω，由欧姆定律得I＝＝＝20 mA，故C正确；当F＝900 N时，由R＝300－0.2F可得R＝120 Ω，故D正确。 强化点(三)　 [典例]　选B　某次膜片振动时，膜片与极板间的距离减小，它们组成的电容器的电容增大，A错误；由C＝知，U不变的情况下，电容增大，则电容器极板所带电荷量Q增大，B正确；由E电场＝知，U不变，d减小，则电场强度E电场增大，C错误；极板的带电荷量增大，电容器充电，电阻R中有电流通过，D错误。 [题点全练清] 1．选B　由电源极性及电流方向可知，A、B、C构成的电容器上的电荷量正在减小，由Q＝CU可知C减小，则正对面积减小，即h在减小，故B正确。 2．选AC　根据电容决定式C＝可知，电容器的电容变大，说明电容器极板间的电介质板长度增加，则物体沿－s方向运动，A正确，B错误；电介质的介电常数εr越大，电介质板移动相同的位移，电容的变化量ΔC越大，传感器灵敏度越高，C正确；电容器的板间电压变化，电容不发生变化，则传感器灵敏度不变，D错误。 3．选AD　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；这种探测器可以测出手机的前后、左右、上下以及旋转的加速度，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，进行卫星定位，故B、C错误；由题图可知，手机上的A部分与质量块B发生相对移动时，电容器的正对面积和板间距d发生变化，所以改变电容值是通过改变正对面积和板间距d来实现的，故D正确。 8 / 8 学科网（北京）股份有限公司 $