2019-2020年高中物理 第三章 第三、四節(jié) 傳感器的應(yīng)用 用傳感器制作自控裝置學(xué)案 粵教版選修3-2.doc

2019-2020年高中物理 第三章 第三、四節(jié) 傳感器的應(yīng)用 用傳感器制作自控裝置學(xué)案 粵教版選修3-21了解傳感器應(yīng)用的一般模式2能夠用傳感器的工作原理簡單分析傳感器的應(yīng)用3練習(xí)用傳感器制作自動(dòng)控制裝置1傳感器在生活中、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中、工業(yè)生產(chǎn)中、航空、航天等方面得到廣泛應(yīng)用2傳感器在實(shí)際中的應(yīng)用實(shí)例有熱電傳感器、聲電傳感器、力電傳感器、自動(dòng)控制等3溫度傳感器的應(yīng)用實(shí)例有電飯煲、電冰箱、微波爐、消毒碗柜等；紅外線遙控器的應(yīng)用實(shí)例有電視遙控器、紅外測溫儀等；光敏電阻的應(yīng)用實(shí)例有：照相機(jī)、路燈控制系統(tǒng)等前言看過007系列電影的人總會(huì)羨慕男主角詹姆斯邦德的那輛無人駕駛汽車，無人駕駛汽車，其實(shí)為智能汽車，也可以稱之為輪式移動(dòng)機(jī)器人智能系統(tǒng)，主要由三部分組成：導(dǎo)航傳感器系統(tǒng)、主控計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和自動(dòng)駕駛儀系統(tǒng)車載主控計(jì)算機(jī)和相應(yīng)的路徑規(guī)劃軟件根據(jù)導(dǎo)航傳感器系統(tǒng)(相當(dāng)于駕駛員的眼睛)提供的道路信息、車前情況以及自身的行駛狀態(tài)，決定繼續(xù)前進(jìn)還是換道準(zhǔn)備超車，相當(dāng)于駕駛員的大腦；自動(dòng)駕駛控制軟件按照需要跟蹤的路徑和汽車行駛動(dòng)力學(xué)，向方向盤、油門和剎車控制器發(fā)出動(dòng)作指令，操縱汽車按規(guī)劃好的路徑前進(jìn)，起到駕駛員的手和腳的作用，從而實(shí)現(xiàn)無人駕駛發(fā)展史發(fā)達(dá)國家從20世紀(jì)70年代開始進(jìn)行無人駕駛汽車研究，目前在可行性和實(shí)用性方面，美國和德國走在前列我國在無人駕駛汽車的開發(fā)方面要比國外稍晚國防科技大學(xué)從20世紀(jì)80年代開始進(jìn)行該項(xiàng)技術(shù)研究.1989年，我國首輛智能小車在國防科技大學(xué)誕生由上海和歐盟科學(xué)家合作的中國城市交通中的無人駕駛技術(shù)(CyberC3)項(xiàng)目取得了階段性成果，首輛城市無人駕駛車在上海交通大學(xué)研制成功，準(zhǔn)備在xx年世博會(huì)上一展身手筆者查閱了關(guān)于無人駕駛汽車的導(dǎo)航傳感器系統(tǒng)這方面的許多資料，現(xiàn)拿來與大家共饗導(dǎo)航技術(shù)是無人駕駛汽車行駛的基礎(chǔ)，是“眼睛”目前常用的技術(shù)包括磁導(dǎo)航和視覺導(dǎo)航等一、磁導(dǎo)航技術(shù)磁導(dǎo)航是目前最成熟可靠的方案，現(xiàn)大多數(shù)均采用這種導(dǎo)航技術(shù)在道路上埋設(shè)一定的導(dǎo)航設(shè)備(如磁釘或電線)，通過變換磁極朝向進(jìn)行編碼，可以向車輛傳輸?shù)缆诽匦孕畔?，諸如位置、方向、曲率半徑、下一個(gè)道路出口位置等信息，從而為汽車指明去向例如，荷蘭阿姆斯特丹國際機(jī)場和鹿特丹的Park Shuttle系統(tǒng)，上海交通大學(xué)的CyberC3系統(tǒng)，都采用了此技術(shù)，在無軌自動(dòng)伸縮門也有應(yīng)用磁導(dǎo)航最大的優(yōu)點(diǎn)是不受天氣等自然條件的影響，即使風(fēng)沙或大雪埋沒路面也一樣有效但此系統(tǒng)實(shí)施過程比較繁瑣，且不易維護(hù)，變更運(yùn)營線路需重新埋設(shè)導(dǎo)航設(shè)備二、視覺導(dǎo)航技術(shù)視覺導(dǎo)航主要技術(shù)是視覺傳感器(CCD攝像機(jī)，紅外攝像機(jī))，利用傳感器獲取汽車相對(duì)于環(huán)境內(nèi)的參照物的位置關(guān)系(1米500米)信息CCD攝像機(jī)是首選的“眼睛”其核心為電荷耦合器件圖像傳感器CCD(Charge Coupled Device)，它使用一種高感光度的半導(dǎo)體材料制成，能把光線轉(zhuǎn)變成電荷，通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器芯片轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，數(shù)字信號(hào)經(jīng)過壓縮以后由機(jī)內(nèi)部的閃速存儲(chǔ)器或內(nèi)置硬盤卡保存CCD上植入許多微小光敏物質(zhì)，通常以百萬像素為單位當(dāng)CCD表面受到光線照射時(shí)，每個(gè)光敏物質(zhì)會(huì)將電荷反映在組件上，所有的光敏物質(zhì)所產(chǎn)生的信號(hào)加在一起，就構(gòu)成了一幅完整的畫面由其制作的攝像機(jī)具有靈敏度高、抗強(qiáng)光、畸變小、體積小、壽命長、抗震動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)一般為了使拍攝到得景象和肉眼看到的相同，攝像機(jī)在鏡頭和CCD之間加裝了一個(gè)紅外濾光鏡，其作用就是阻擋紅外線進(jìn)入CCD，讓CCD只能感應(yīng)到可見光，這樣就使數(shù)碼攝像機(jī)拍攝到的影像和我們?nèi)庋劭吹降挠跋裣嘁恢铝舜藬z像機(jī)在黑暗及夜間就不易工作了，這樣無人汽車便成了“盲車”為解決此問題，需要為車加上“夜眼”紅外攝像機(jī)紅外攝像機(jī)會(huì)發(fā)出人們?nèi)庋劭床坏降募t外光線去照亮被拍攝的物體，紅外線經(jīng)物體反射后進(jìn)入鏡頭進(jìn)行成像，拍攝到了由紅外線反射所成的影像，即此時(shí)可拍攝到黑暗環(huán)境下肉眼看不到的影像從而使無人駕駛汽車可在夜間安全行駛目前大多數(shù)的紅外攝像機(jī)都采用LED紅外發(fā)光二極管作為紅外攝像機(jī)的主要發(fā)光材料紅外攝像機(jī)具有夜視距離遠(yuǎn)、隱蔽性強(qiáng)、性能穩(wěn)定等突出優(yōu)勢(shì)，多用在監(jiān)視系統(tǒng)中目前兩者特性兼?zhèn)涞臄z像機(jī)已廣泛應(yīng)用視覺導(dǎo)航的優(yōu)點(diǎn)是不需要對(duì)現(xiàn)有的道路結(jié)構(gòu)做變化，并且在混合交通中，也可使用；其缺點(diǎn)為，當(dāng)風(fēng)沙、大霧等自然因素致使能見度過低或路面上的白色標(biāo)線不清晰時(shí)，導(dǎo)航系統(tǒng)會(huì)失效但由于視覺導(dǎo)航對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施的要求很低，被公認(rèn)為是最有前景的定位方法結(jié)語無人駕駛汽車是未來汽車發(fā)展的方向，人類在不久的將來會(huì)用上智能型無人駕駛汽車無人駕駛汽車在交通領(lǐng)域的應(yīng)用，從根本上改變了傳統(tǒng)車輛的控制方式，可大大提高交通系統(tǒng)的效率和安全性隨著高科技的發(fā)展，我國無人駕駛車輛技術(shù)將會(huì)不斷發(fā)展，其功能也將更完善，學(xué)科內(nèi)容將會(huì)更豐富，產(chǎn)業(yè)化前景更美好一、單項(xiàng)選擇題1下列關(guān)于傳感器的說法中正確的是(D)A霍爾元件能夠把電學(xué)量轉(zhuǎn)換為磁學(xué)量B干簧管是一種能夠感知電場的傳感器C電子秤應(yīng)用的是光傳感器D電飯鍋通過溫度傳感器實(shí)現(xiàn)溫度的自動(dòng)控制解析：霍爾元件能夠把磁感應(yīng)強(qiáng)度這個(gè)磁學(xué)量轉(zhuǎn)換為電壓這個(gè)電學(xué)量，A錯(cuò)誤；干簧管是一種能夠感知磁場的傳感器，能起到開關(guān)作用，B錯(cuò)誤；電子秤應(yīng)用的是力傳感器，C錯(cuò)誤；D正確2某小型電磁繼電器，其中L為含鐵芯的線圈P為可繞O點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)的鐵片，K為彈簧，S為一對(duì)觸頭，A、B、C、D為四個(gè)接線柱電磁繼電器與傳感器配合，可完成自動(dòng)控制的要求如圖所示其工作方式是(A)AA與B接信號(hào)電壓，C與D跟被控電路串聯(lián)BA與B接信號(hào)電壓，C與D跟被控電路并聯(lián)CC與D接信號(hào)電壓，A與B跟被控電路串聯(lián)DC與D接信號(hào)電壓，A與B跟被控電路并聯(lián)解析：A、B接電磁繼電器線圈，所以A、B應(yīng)接信號(hào)電壓，線圈隨信號(hào)電壓變化使電磁繼電器相吸或釋放，從而使C、D接通或斷開，進(jìn)而起到控制作用故正確答案為A.3壓敏電阻的阻值隨所受壓力的增大而減小，有位同學(xué)利用壓敏電阻設(shè)計(jì)了判斷小車運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的裝置，其工作原理如圖(a)所示，將壓敏電阻和一塊擋板固定在絕緣小車上，中間放置一個(gè)絕緣重球小車向右做直線運(yùn)動(dòng)過程中，電流表示數(shù)如圖(b)所示，下列判斷正確的是(D)A從t1到t2時(shí)間內(nèi)，小車做勻速直線運(yùn)動(dòng)B從t1到t2時(shí)間內(nèi)，小車做勻加速直線運(yùn)動(dòng)C從t2到t3時(shí)間內(nèi)，小車做勻速直線運(yùn)動(dòng)D從t2到t3時(shí)間內(nèi)，小車做勻加速直線運(yùn)動(dòng)解析：由圖(b)看出，從t1到t2時(shí)間內(nèi)，電流增大，說明壓敏電阻的阻值減小，所受壓力增大，小車做加速度增大的加速直線運(yùn)動(dòng)，A、B錯(cuò)；從t2到t3時(shí)間內(nèi)，電流不變，說明此時(shí)壓敏電阻的阻值不變，所受壓力不變，小車做勻加速直線運(yùn)動(dòng)，C錯(cuò)，D對(duì)4如下圖所示是會(huì)議室和賓館房間的天花板上裝有的火災(zāi)報(bào)警器的結(jié)構(gòu)原理圖：罩內(nèi)裝有發(fā)光二極管LED、光電三極管和不透明的擋板平時(shí)光電三極管接收不到LED發(fā)出的光，呈現(xiàn)高電阻狀態(tài)，發(fā)生火災(zāi)時(shí)，下列說法正確的是(C)A進(jìn)入罩內(nèi)的煙霧遮擋了光線，使光電三極管電阻更大，檢測電路檢測出變化發(fā)出警報(bào)B發(fā)生火災(zāi)時(shí)，光電三極管溫度升高，電阻變小，檢測電路檢測出變化發(fā)出警報(bào)C發(fā)生火災(zāi)時(shí)，進(jìn)入罩內(nèi)的煙霧對(duì)光有散射作用，部分光線照到光電三極管上，電阻變小，發(fā)出警報(bào)D以上說法均不正確解析：平時(shí)，光電三極管收不到LED發(fā)出的光，呈現(xiàn)高電阻狀態(tài)當(dāng)有煙霧散射的光照射到電光三極管上時(shí)，其電阻變小，所連接的電路接通，就會(huì)發(fā)出警報(bào)，C正確二、多項(xiàng)選擇題5關(guān)于電子秤中應(yīng)變式力傳感器的說法正確的是(BD)A應(yīng)變片是由導(dǎo)體材料制成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，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)6電容式話筒的保真度比動(dòng)圈式話筒好，其工作原理如右圖所示，Q是絕緣支架，薄金屬膜M和固定電極N形成一個(gè)電容器，被直流電源充電，當(dāng)聲波使膜片振動(dòng)時(shí)，電容發(fā)生變化，電路中形成變化的電流，當(dāng)膜片向右運(yùn)動(dòng)的過程中有(AC)A電容變大B電容變小C導(dǎo)線AB中有向左的電流D導(dǎo)線AB中有向右的電流解析：由C，當(dāng)膜片向右運(yùn)動(dòng)時(shí)，d減小，C變大，A對(duì)；因U不變，則Q變大，即直流電源繼續(xù)對(duì)電容充電，C對(duì)7有定值電阻、熱敏電阻、光敏電阻三只元件，將這三只元件分別接入如右圖所示的電路中的A、B兩點(diǎn)后，用黑紙包住元件或者把元件置入熱水中，觀察歐姆表的示數(shù)，下列說法中正確的是(AC)A置入熱水中與不置入熱水中相比，歐姆表示數(shù)變化較大，這只元件一定是熱敏電阻B置入熱水中與不置入熱水中相比，歐姆表示數(shù)不變化，這只元件一定是定值電阻C用黑紙包住元件與不用黑紙包住元件相比，歐姆表示數(shù)變化較大，這只元件一定是光敏電阻D用黑紙包住元件與不用黑紙包住元件相比，歐姆表示數(shù)相同，這只元件一定是定值電阻解析：由定值電阻、熱敏電阻、光敏電阻三只元件的性質(zhì)，可以判斷A和C對(duì)8如圖所示為一種自動(dòng)跳閘的閘刀開關(guān)，O是轉(zhuǎn)動(dòng)軸，A是絕緣手柄，C是閘刀卡口，M、N接電源線，閘刀處于垂直紙面向里、B1 T的勻強(qiáng)磁場中，CO間距離為10 cm，當(dāng)磁場力為0.2 N時(shí)，閘刀開關(guān)會(huì)自動(dòng)跳開則要使閘刀開關(guān)能跳開，CO中通過的電流的大小和方向?yàn)?BD)A電流方向CO B電流方向OCC電流大小為1 A D電流大小為2 A解析：由左手定則知，電流的方向?yàn)镺C，由B得I2 A.9壓敏電阻的阻值會(huì)隨所受壓力的增大而減小一同學(xué)利用壓敏電阻設(shè)計(jì)了判斷升降機(jī)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的裝置，如圖甲所示，將壓敏電阻平放在升降機(jī)內(nèi)，受壓面朝上，在上面放一物體m，升降機(jī)靜止時(shí)電流表示數(shù)為I0.某過程中電流表的示數(shù)如圖乙所示，則在此過程中(BD)A物體處于失重狀態(tài)B物體處于超重狀態(tài)C升降機(jī)一定向上做勻加速運(yùn)動(dòng)D升降機(jī)可能向下做勻減速運(yùn)動(dòng)解析：由乙圖知電流強(qiáng)度變?yōu)樵瓉淼亩?，而加在壓敏電阻兩端的電壓不變，說明壓敏電阻的阻值減小，即物體對(duì)壓敏電阻的壓力增大，物體所受支持力大于重力，升降機(jī)勻加速上升或勻減速下降，處于超重狀態(tài)，故選B、D.三、非選擇題(按題目要求作答解答題應(yīng)寫出必要的文字說明、方程和重要演算步驟，答案中必須明確寫出數(shù)值和單位)10(1)按圖所示連接好電路，合上S，發(fā)現(xiàn)小燈泡不亮，原因是_；(2)用電吹風(fēng)對(duì)熱敏電阻吹一會(huì)兒，會(huì)發(fā)現(xiàn)小燈泡_，原因是_；(3)把熱敏電阻放入冷水中會(huì)發(fā)現(xiàn)_答案：(1)溫度低，熱敏電阻阻值大，電磁鐵磁性弱，觸點(diǎn)斷開(2)發(fā)光溫度升高，熱敏電阻阻值變小，電磁鐵磁性增強(qiáng)，觸點(diǎn)接觸(3)燈泡熄滅11電熱毯、電飯鍋等是人們常用的電熱式家用電器，它們一般具有加熱和保溫功能，其工作原理大致相同圖甲為某種電熱式電器的簡化電路圖，主要元件有電阻絲R1、R2和自動(dòng)開關(guān)S.(1)當(dāng)自動(dòng)開關(guān)S閉合和斷開時(shí)，用電器分別處于什么狀態(tài)？(2)用電器由照明電路供電(U220 V)，設(shè)加熱時(shí)用電器的電功率為400 W，保溫時(shí)用電器的電功率為40 W，則R1和R2分別為多大？(3)若將圖甲中的自動(dòng)開關(guān)S換成理想的晶體二極管D，如圖乙所示，其他條件不變，求該用電器工作1小時(shí)消耗的電能解析：加熱時(shí)，消耗的電功率要大；保溫時(shí)，消耗的電功率要小用電器兩端的電壓保持不變，所以本題判斷功率的變化，依據(jù)公式P可知，要使消耗的功率變大，連入電路的阻值就要減小，因此開關(guān)S閉合時(shí)，處于加熱狀態(tài)；斷開時(shí)，處于保溫狀態(tài)(1)S閉合，處于加熱狀態(tài)；S斷開，處于保溫狀態(tài)(2)由電功率公式得：P1，P2，聯(lián)立得：R1121 ，R21 089 .(3)該電器一小時(shí)消耗的電能：WP1P20.22 kWh(7.92105 J)答案：見解析