2016-2017学年高中物理 全一册新人教版选修3-2_3

1 第六章 传感器 【知识体系】 答案填写 非电学 电学 通断 光敏 金属热 霍尔 元件 温 度 声 主题 1 常用敏感元件及应用 1常见敏感元件及特性 (1)光敏电阻：光敏电阻在被光照射时电阻发生变化，光照增强电阻减小，光照减弱电 阻增大 (2)热敏电阻和金属热电阻：金属热电阻的电阻率随温度升高而增大，热敏电阻有正温 度系数、负温度系数两种正温度系数的热敏电阻的阻值随温度升高而增大，负温度系数 的热敏电阻的阻值随温度升高而减小 (3)霍尔元件： 能把磁感应强度这一磁学量转换成电压这一电学量的元件， UH k . IBd 2传感器应用的一般模式 【典例 1】 如图是一火警报警器的部分电路示意图其中 R2为用半导体负温度系数 2 热敏材料制成的传感器，电流表为值班室的显示器， a， b 之间接报警器当 传感器 R2所 在处出现火情时，显示器的电流 I，报警器两端的电压 U 的变化情况是( ) A I 变大， U 变大 B I 变大， U 变小 C I 变小， U 变大 D I 变小， U 变小 解析： R2所在处出现火情时，温度升高，则 R2的阻值减小 R2减小 R 总 减小 I 干 增 大 U1增大 U3减小 I 减小，故显示器的电流 I 变小，由 U E I 干 r， I 干 变大，知 U 变 小，故选项 D 正确 答案：D 针对训练 1(多选)在温控电路中，通过热敏电阻的阻值随温度的变化可实现对电路相关物理量 的控制如图所示的电路， R1为定值电阻， R2为半导体热敏电阻(温度越高电阻越小)， C 为电容器当环境温度降低时( ) A电容器 C 的带电荷量增大 B电压表的读数增大 C电容器 C 两极板间的电场强度减小 D R1消耗的功率增大 解析：当环境温度降低时 R2的阻值变大，电路的总电阻变大由 I 知 I 变小， ER总 又 U E Ir，电压表的读数 U 增大，B 正确；又由 U1 IR1及 P1 I2R1可知 U1变小， R1耗 的功率 P1变小，D 错误；电容器两极板间的电压 U2 U U1，故 U2变大，由场强 E ， Q CU2可知 Q、 E都增大，故 A 正确，C 错误 U2d 答案：AB 题后反思 本题利用热敏电阻为传感器，将温度变化的信号转化为电信号，结合电子线路来控制 加热电路正确的电路分析、计算及看懂热敏电阻的电阻值随温度变化的曲线，是解决本 类习题的关键 主题 2 自动控制电路的分析方法 传感器问题具有涉及知识点多、综合性强 、能力要求高等特点，而传感器的形式又多 3 种多样，原理较难理解，搞清传感器的工作原理是求解问题的关键 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电路的结构，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 【典例 2】 如图所示，图甲是某中学在研究性学习活动中，吴丽同学自制的电子秤 原理示意图，目的是利用理想电压表的示数指示物体的质量托盘与电阻可忽略的金属弹 簧相连，托盘与弹簧的质量均不计滑动变阻器的滑动端与弹簧上端连接当托盘中没有 放物体时，滑片恰好指在变阻器 R 的最上端此时电压表示数为零设变阻器总电阻为 R，总长度为 L.电源电动势为 E，内阻为 r，限流电阻阻值为 R0，弹簧劲度系数为 k，不计 一切摩擦和其他阻力 图甲 图乙 (1)推出电压表示数 U 与所称物体质量 m 的关系式； (2)为使电压表示数与待测物体质量成正比，请利用原有器材进行改进，在图乙的基础 上完成改进后的电路原理图，并求出电压表示数 U与所称物体质量 m 的关系式 解析：(1)当在托盘中放质量为 m 的重物后，弹簧被压缩 x，据题意可知 mg kx， 此时滑动变阻器滑片以上的电阻值为 R1，则 R1 R. xL 根据闭合电路欧姆定律有 I ， ER0 r R1 电压表的示数为 U IR1， 联立以上各式得 U . mgREmgR kL（ R0 r） (2)如图所示，设电流为 I，电压表示数为 U， 4 I ， U I R1. ER0 R r 联立可得 U . mgRE（ R0 R r） kL 针对训练 2如图所示， A 是浮子， B 是金属触头， C 为住宅楼房顶上的蓄水池， M 是带水泵的电 动机， D 是弹簧， E 是衔铁， F 是电磁铁，S 1、S 2分别为触头开关，S 为开关， J 为电 池请利用上述材料，设计一个住宅楼房顶上的自动注水装置 (1)连接电路图； (2)简述其工作原理(涉及的元件可用字母代替) 解析：(1)如图所示 (2)按图接好电路，合上开关 S，水泵工作，水位升高，当浮子上升使 B 接触到 S1时， 左侧电路(控制电路)工作，电磁铁 F 有磁力，拉下衔铁 E，使 S2断开，电动机 M 不工作， 停止注水，当水位下降使 B 与 S1脱离，电磁铁电路停止工作， F 无磁性，弹簧的弹力使 D 拉动 E，使 S2接通， M 工作 5 方法总结：自动控制电路的设计应注意的四点 (1)要明确设计意图，弄清控制条件和相应的自动控制原理 (2)要明确应选用哪种传感器，该传感器怎样感知控制条件及怎样转化为电学量输出 (3)选用什么样的执行机构，该执行机构怎样执行自动控制 (4)采用什么样的电路来实现自动控制 统揽考情 随着科学技术的发展，传感器在社会实践中应用越来越广泛，它是各种测量和自动控 制系统的“感觉器官” 新课标增加了传感器的内容，在新高考中一定会有所体现，但所占 比例不会太大，且都在“了解”的水平上，不会出现太复杂且有 难度的题目，更不会涉及 大量的技术细节；命题形式一般以选择题或填空题为主，也可能与其他知识综合出题 真题例析 (2013江苏卷)在输液时，药液有时会从针口流出体外，为了及时发现，设计了一种 报警装置，电路如图所示 M 是贴在针口处的传感器，接触到药液时其电阻 RM发生变化， 导致 S 两端电压 U 增大，装置发出警报，此时( ) A RM变大，且 R 越大， U 增大越明显 B RM变大，且 R 越小， U 增大越明显 C RM变小，且 R 越大， U 增大越明显 D RM变小，且 R 越小， U 增大越明显 解析：当 RM变大时，回路的总电阻 R 总 变大，根据 I 总 ，得干路中的电流变小， ER总 S 两端的电压 U I 总 RS变小，故选项 A、B 错误；当 RM变小时，回路的总电阻 R 总 RS变小，根据 I 总 ，得干路中的电流变大， S 两端的电压 U I 总 RS变大， 11 R 1RM ER总 而且 R 越大， RM变小时，对回路的总电阻变化的影响越明显，故选项 C 正确，选项 D 错 误 答案：C 针对训练 如图所示是一种自动控制电路示意图， R1为光敏电阻，当照射到 R1处的光消失时，电 6 流表 A 中的电流 I 及 a、 b 间的电压 U 的变化情况是( ) A I 变小， U 变小 B I 变大， U 变大 C I 变小， U 变大 D I 变大， U 变小 解析：当照射到光敏电阻上的光消失时，光敏电阻阻值增大，通过干路的电流变小， 通过 R2的电流增大，电流表的示数增大， a、 b 之间的电压 U 增大，故正确选项为 B. 答案：B 1办公大楼的大门能“看到”人的到来或离开而自动开或关，利用的传感器是( ) A生物传感器 B红外线传感器 C温度传感器 D压力传感器 解析：自动门的自动控制要求灵敏、可靠，若以温度控制，人的体温与夏季气温接近， 在夏季自动门可能误动作自动门实际使用的是红外线传感器，红外线属于不可见光，人 在白天或黑夜均发出红外线，传感器接收到人体发出的红外线后传给自动控制装置的电动 机，实现自动开门故 选 B. 答案：B 2(多选)巨磁电阻(GMR)电流传感器可用来准确检测大容量远距离直流输电 线路中的 强电流，其原理利用了巨磁电阻效应，巨磁电阻效应是指某些磁性材料的电阻 R 在一定磁 场作用下随磁感应强度 B 的增加而急剧减小的特性如图所示为检测电路的原理图，设输 电线路电流为 I(不是 GMR 中的电流)， GMR 为巨磁电阻， R1、 R2为定值电阻已知输电线路 电流 I 在巨磁电阻 GMR 处产生的磁场的磁感应强度 B 的大小与 I 成正比，下 列有关说法 正 确的是( ) A如果 I 增大，电压表 示数减小，电压表 示数增大 7 B如果 I 增大，电流表 示数减小，电压表 示数增大 C如果 I 减小，电压表 示数增大，电压表 示数增大 D如果 I 减小，电流表 示数减小，电压表 示数减小 解析：如果 I 增大，巨磁电阻(GMR)电流传感器处磁场的磁感应强度 B 增大，巨磁电阻 的电阻减小，巨磁电阻中电流增大，电流表 示数增大，电压表 示数增大，电 压表 示数减小，选项 A 正确 B 错误；如果 I 减小，巨磁电阻(GMR)电流传感器处磁场 的磁感应强度 B 减小，巨磁电阻的电阻增大，巨磁电阻中电流减小，电流表 示数减 小，电压表 示数减小，电压表 示数增大，选项 C 错误，D 正确 答案：AD 3如图所示，线圈 L 的自感系数和电容器的电容 C 都很小(如 L100 H， C100 pF)，此电路的主要作用是( ) A阻直流通交流，输出交流电 B阻交流通直流，输出直流电 C阻低频通高频，输出高频交流电 D阻高频通低频，输出低频交流电和直流电 解析：因线圈 L 的自感系数很小，所以对低频成分的阻碍作用很小，这样，直流和低 频成分能顺利通过线圈，电容器 C 为一旁路电容，因其电容很小，对高频成分的阻碍作用 很小，这样，通过线圈的高频成分又经电容器 C 形成回路，最终输出的应为低频交流电和 直流电，所以 A、B、C 错误，D 正确 答案：D 4惯性制导系统已广泛用于导弹工程中，这个系统的重要元件是加速度计加速度计 的构造和原理的示意图如图示，沿导弹长度方向安装的固定光滑杆上套一个质量为 m 的滑 块，滑块的两侧分别与劲度系数均为 k 的弹簧相连，两弹簧的另一端与固定壁相连滑块 原来静止，弹簧处于自然长度滑块上有指针，可通过标尺测出滑块的位移，然后通过控 制系统得到的电压情况进行制导设某段时间内导弹沿水平方向运动，指针向左偏离 O 点 的距离为 s，则这段时间内导弹的加速度( ) 8 A方向向左，大小为 B方向向右，大小为 ksm ksm C方向向左，大小为 D方向向右，大小为 2ksm 2ksm 解析：小物体受到左侧弹簧的向右的弹力，大小为 ks，同时小物体还受到右侧弹簧的 向右的弹力，大小也为 ks，故合力为 F2 ks，方向水平向右，根据牛顿第二定律 a Fm ，方向水平向右，D 正确 2 ksm 答案：D 5有一种测量物体重量的电子秤，其电路主要由三部分构成：踏板、压力传感器 R(实际上是一个阻值可随压力变化的电阻器)、显示体重的仪表 G(实质上是电流表)，原理 图如图中的虚线所示，不计踏板的质量已知电流表的量程为 2 A，内阻为 1 ，电源电 动势为 12 V，内阻为 1，电阻 R 随压力 F 变化的函数式为 R300.01 F(F 和 R 的单位分 别为 N 和 ) (1)求该秤能测量的最大体重 (2)通过计算，得出该秤零刻度线(即踏板空载时的刻度线)应标在电流表 G 刻度盘的哪 个刻度处？ (3)写出该秤测量的重力与电流表中电流的函数关系 解析：(1)由电流表量程可知电路中最大电流为 2 A， 由闭合电路欧姆定律 E I(R r rg)， 可解得压力传感器 R 的最小值为 4. 由电阻 R 随压力 F