高中物理教科版2第二章交变电流 2023版第3章章末分层突破

章末分层突破[自我校对]①非电学②电学③光敏④热敏⑤金属热⑥力⑦温度⑧力⑨声⑩温度⑪光常见敏感元件及其特性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．金属热电阻金属热电阻的电阻率随温度升高而增大．3．热敏电阻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．4．电容平行板电容器的电容与极板面积、极板间距及电介质材料有关，电容器可以感知引起电容变化的任一外界信息，并将其转化为电容变化，例如，当极板受力时会改变极板间距，从而引起电容变化．如图3­1所示，有的计算机键盘的每一个键下面都连一小块金属片，与该金属片隔有一定空隙还有另一块小的固定金属片，这两块金属片组成一个小电容器，该电容器的电容C可用公式C＝eeq\f(S,d)计算，式中常量e＝9×10－12F·m－1，S表示金属片的正对面积，d表示两金属片间的距离．当键被按下时，此小电容器的电容发生变化，与之相连的电子线路就能检测出哪个键被按下了，从而给出相应的信号．设每个金属片的正对面积为50mm2，键未被按下时两金属片间的距离为0.6mm.如果电容变化了pF，电子线路恰能检测出必要的信号，则键至少要被按下________mm.图3­1【解析】计算机键盘是一个电容传感器，由题意知它是靠改变两极板间距从而改变电容，得到相应的电信号．又因两极板间距减小，电容变大，设原间距为d0，按下键后间距为d时电子线路恰能检测出必要的信号，则根据C＝eeq\f(S,d)，ΔC＝eSeq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,d)－\f(1,d0)))得d＝eq\f(eSd0,ΔC·d0＋eS)＝eq\f(9×10－12×50×10－6××10－3,×10－12××10－3＋9×10－12×50×10－6)m＝×10－3m＝0.45mm所以键至少要被按下的距离为0.6mm－0.45mm＝0.15mm.【答案】日常生活中常见的传感器1．红外线传感器红外线传感器接收携带着信息的红外线，转换成电信号，从而得知辐射源的相关参数或信息．自然界几乎所有的物体都能辐射波长在μm～1000μm的电磁波即红外线，因此红外线传感器不仅被广泛用于航空摄影、卫星遥感遥测等高科技领域，也被广泛用于日常生活中，自动门、生命探测器、非接触式红外测温仪、家电遥控系统以及防盗、防火报警器等均使用了红外线敏感传感器．自动门就应用了红外线传感器．自动门的工作流程如图3­2所示．当有人接近自动门时，传感器接收到人体发出的红外线，产生电压输出信号；信号经过电路处理后，使定时器工作；由定时器构成的电路使继电器通电，自动门电动机转动，门自动打开；当人通过自动门几秒钟后，定时器又使继电器断电，自动门电动机反转，门自动关闭．图3­22．压力传感器全自动洗衣机的水位控制装置中使用了压力传感器．图3­3(a)中1和2分别是洗衣机的外筒和内筒，3是气室，4是传感器的膜盒．气室下部与外筒连通，上部与软管、传感器的膜盒连通．向内筒中注水时，水通过内筒壁上的小孔流入外筒，部分水进入气室，气室内被密封的空气压强增大，使传感器的膜片向上凸起如图(b)所示，当筒中水位到达设定的高度时，凸起的膜片使动触点a与静触点b脱离，并与静触点c接触，从而接通控制电路，关闭进水电磁阀门，接通洗涤电动机电源，开始洗涤衣物．图3­33．电脑中的传感器电脑常用的两种温度传感器：热敏电阻传感器和集成温度传感器．以下是这两种温度传感器的工作原理．(1)热敏电阻传感器热敏电阻传感器按温度对电阻变化的影响一般可分为正温度系数热敏电阻、负温度系数热敏电阻，以及临界温度系数热敏电阻．正温度系数热敏电阻及临界温度系数热敏电阻的电阻特性会在特定温度下发生急剧变化，适用于温度检测或控制．负温度系数热敏电阻主要为氧化锰、氧化钴、氧化镍、氧化铜和氧化铝等金属氧化物的复合烧结体，这些金属氧化物材料都具有半导体性质，当温度较低时，半导体内的电子——空穴对数目较少，因此电阻较高．当温度升高时，热敏电阻内的电子——空穴对数目增加，因此导电率增加，电阻值下降．(2)集成温度传感器集成温度传感器是目前电脑普遍采用的温度传感器，具有精确度高、响应速度快、体积小、功耗低、软件界面控制方便等优点．温度检测的主要机制为集成温度传感器内部的电流源和ADC，集成温度传感器的工作原理是利用半导体PN正向导通，使电压与温度变化呈反向线性关系，所以后续处理电路可将正向导通电压变化趋势图线表述为被测温度的变化趋势．4．酒精浓度测试仪机动车驾驶员酒后驾车，极易发生道路交通事故，严重危害交通安全和人身财产安全．怎样才能判定驾驶员酒后驾车呢？人饮酒后，酒精通过消化系统被人体吸收，经血液循环，约有90%的酒精通过肺部呼气排出，因此测量呼气的酒精含量就可以判断其饮酒程度．我国已制成对低浓度酒精有高灵敏性的酒精传感器．交通警察使用这样的酒精传感器就能迅速、准确地检查出机动车驾驶员是否酒后驾车．氧化锡传感器主要用于汽车尾气中一氧化碳浓度的检测．它的电阻随一氧化碳浓度的变化而变化，在如图3­4甲所示的电路中，不同的一氧化碳浓度对应着传感器的不同电阻，这样，显示仪表的指针就与一氧化碳浓度有了对应关系，观察仪表指针就能判断一氧化碳浓度是否超标，有一种氧化锡传感器，其技术资料中给出的是电导(即电阻的倒数)——浓度曲线如图乙，电压表示数U0与一氧化碳浓度c之间的对应关系正确的是()甲乙图3­4【解析】当一氧化碳浓度增大时，传感器的电导增大，电阻R传减小，由闭合电路欧姆定律知，电路中的电流I＝E/(R0＋R＋R传＋r)增大，电压表的示数U0＝IR0＝ER0/(R0＋R＋R传＋r)增大，故C、D错误，由题图知，传感器的电导与浓度成正比，传感器的电阻R传与浓度成反比，但电压表的示数U0与传感器的电阻R传并不成正比关系，所以，电压表示数U0与一氧化碳浓度c之间的关系图线并不是直线，A错，答案为B.【答案】B传感器的应用过程包括三个环节：感、传、用1．“感”是指传感器的敏感元件感受信息，并转换为电学量．2．“传”是指通过电路等将传感器敏感元件获取并转换的电学信息传给执行机构．3．“用”是指执行机构利用传感器传来的信息进行某种显示或某种动作．1.如图3­5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间隔．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，测量仪记录的时间间隔为t0，输出电压为U0，某同学站上测重台，测量仪记录的时间间隔为t，输出电压为U，则该同学身高和质量分别为()【导学号：46042180】图3­5A．v(t0－t)，eq\f(M0,U0)UB．eq\f(1,2)v(t0－t)，eq\f(M0,U0)UC．v(t0－t)，eq\f(M0,U0)(U－U0)D．eq\f(1,2)v(t0－t)，eq\f(M0,U0)(U－U0)【解析】设人的身高为x，质量为m.当测重台没有站人时：eq\f(H,v)＝eq\f(t0,2) ①当人站在测重台上时：eq\f(H－x,v)＝eq\f(t,2) ②由①②两式得人的身高x＝eq\f(1,2)v(t0－t)当测重台上没站人时：M0g＝kU0 当人站在测重台上时：(M0＋m)g＝kU ④由③④两式得人的质量m＝eq\f(M0,U0)(U－U0)可知选项D正确．【答案】D2．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3­6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()【导学号：46042181】图3­6A．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＝eq\f(E,R总)，得干路中的电流变小，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＝eq\f(1,\f(1,R)＋\f(1,RM))＋RS变小，根据I总＝eq\f(E,R总)，得干路中的电流变大，S两端的电压U＝I总RS变大，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】C3．(多选)某同学设计的家庭电路保护装置如图3­7所示，铁芯左侧线圈L1由火线和零线并行绕成．当右侧线圈L2中产生电流时，电流经放大器放大后，使电磁铁吸起铁质开关K，从而切断家庭电路．仅考虑L1在铁芯中产生的磁场，下列说法正确的有()图3­7A．家庭电路正常工作时，L2中的磁通量为零B．家庭电路中使用的电器增多时，L2中的磁通量不变C．家庭电路发生短路时，开关K将被电磁铁吸起D．地面上的人接触火线发生触电时，开关K将被电磁铁吸起【解析】由于零线、火线中电流方向相反，产生磁场方向相反，所以家庭电路正常工作时，L2中的磁通量为零，选项A正确；家庭电路短路和用电器增多时均不会引起L2的磁通量的变化，选项B正确，C错误；地面上的人接触火线发生触电时，线圈L1中磁场变化引起L2中磁通量的变化，产生感应电流，吸起K，切断家庭电路，选项D正确．【答案】ABD4．(多选)有一种测量物体重量的电子秤，其电路原理图如图3­8中的虚线部分所示，主要由三部分构成：踏板、压力传感器(实际上是一个阻值可随压力变化的电阻器)、显示重量的仪表G(实质上是电流表)．不计踏板的质量，已知电流表的量程为2A，内阻为1Ω，电源电动势为12V，内阻为1Ω，压力传感器的电阻R随压力F变化的函数关系式为R＝30－0.01F(F和R【导学号：46042182】图3­8A．该电子秤能测量的最大重量是2600NB．该电子秤零刻度线(即踏板空载时的刻度线)应标在电流表G刻度盘的0.375A处C．电流表G的量程越大，则能测量的最大重量越小D．该电子秤可以通过电路规律转换成F＝3200＋eq\f(1200,I)(F、I的单位分别为N、A)关系进行刻度转换【解析】由题意知，F越大R越小，当电路中电流达到电流表最大量程时，压力最大，电路中最大电流为2A，则电路中总电阻R总＝eq\f(E,Im)＝eq\f(12,2)Ω＝6Ω，压力传感器的接入电阻为4Ω，最大测量压力为2600N，选项A正确；当压力为零时，压力传感器的电阻为30Ω，则电路中电流I＝eq\f(E,r＋R＋RG)＝eq\f(12,32)A＝0.375A，故零刻度在0.375A处，选项B正确；由闭合电路欧姆定律可知，I＝eq\f(E,r＋R＋RG)，而R＝30－0.01F，代入可得F＝3200－eq\f(1200,I)(F、I的单位分别为N、A)，故选项D错误；由上式可以看出，电流I越大，F越大，即电流表G的量程越大，能测量的最大重量越大，选项C错误．【答案】AB5．现要组装一个由热敏电阻控制的报警系统，要求当热敏电阻的温度达到或超过60℃时，系统报警．提供的器材有：热敏电阻，报警器(内阻很小，流过的电流超过Ic时就会报警)，电阻箱(最大阻值为Ω)，直流电源(输出电压为U，内阻不计)，滑动变阻器R1(最大阻值为1000Ω)，滑动变阻器R2在室温下对系统进行调节．已知U约为18V，Ic约为10mA；流过报警器的电流超过20mA时，报警器可能损坏；该热敏电阻的阻值随温度升高而减小，在60℃时阻值为【导学号：46042183】(1)完成待调节的报警系统原理电路图的连线．图3­9(2)电路中应选用滑动变阻器________(选填“R1”或“R2(3)按照下列步骤调节此报警系统：①电路接通前，需将电阻箱调到一固定的阻值，根据实验要求，这一阻值为________Ω；滑动变阻器的滑片应置于________(选填“a”或“b”)端附近，不能置于另一端的原因是____________________________________________________________________________________________________________.②将开关向________(选填“c”或“d”)端闭合，缓慢移动滑动变阻器的滑片，直至________________________________________________________．(4)保持滑动变阻器滑片的位置不变，将开关向另一端闭合，报警系统即可正常使用．【解析】(1)电路图连接如图．(2)报警器开始报警时，对整个回路有U＝Ic(R滑＋R热)代入数据可得R滑＝1Ω，因此滑动变阻器应选择R2.(3)①在调节过程中，电阻箱起到等效替代热敏电阻的作用，电阻箱的阻值应为报警器报警时热敏电阻的阻值，即为Ω.滑动变阻器在电路中为限流接法，滑片应置于b端附近，若置于另一端a时，闭合开关，则电路中的电流I＝eq\f(18,A≈mA，超过报警器最大电流20mA，报警器可能损坏．②开关应先向c端闭合，移动滑动变阻器的滑片，直至报警器开始报警为止．【答案】(1)连线如解析图所示．(2)R2(3)①b接通电源后，流过报警器的电流会超过20mA，报警器可能损坏②c报警器开始报警6．青岛奥运会帆船赛场采用风力发电给蓄电池充电，为路灯提供电能．用光敏电阻作为传感器控制路灯电路的开关，实现自动控制．光敏电阻的阻值随照射光的强弱而变化，作为简化模型，可以近似认为，照射光较强(如白天)时电阻几乎为0；照射光较弱(如黑天)时电阻接近于无穷大．利用光敏电阻作为传感器，借助电磁开关，可以实现路灯自动在白天关闭，黑天打开．电磁开关的内部结构如图3­10所示.1、2两接线柱之间是励磁线圈，3、4两接线柱分别与弹簧片和触点连接．当励磁线圈中电流大于50mA时，电磁铁吸合铁片，弹簧片和触点分离，3、4断开；电流小于50mA时，3、4接通，励磁线圈中允许通过的最大电流为100mA.电磁开关内部结构图图3­10(1)利用以下器材设计一个自动控制路灯的电路，画出电路原理图．光敏电阻R1，符号灯泡L，额定功率40W，额定电压36V，符号保护电阻R2，符号电磁开关，符号畜电池E，电压36V，内阻很小；开关S，导线若干．(2)回答下列问题：①如果励磁线圈的电阻为200Ω，励磁线圈允许加的最大电压为________V，保护电阻R2的阻值范围为________Ω.②在有些应用电磁开关的场合，为了安全，往往需要在电磁铁吸合铁片时，接线柱3、4之间从断开变为接通．为此，电磁开关内部结构应如何改造？请结合本题中电磁开关内部结构图说明．③任意举出一个其他的电磁铁应用的例子．【解析】(1)要使光敏电阻能够对电路进行控制，且有光照时路灯熄灭，光敏电阻应与1、2串联，3、4与路灯串联，则电路如图所示．(2)①Um＝ImR＝100×10－3×200V＝20V；E＝I(R2＋R1)，其中50mA<I≤100mA，解得R2在160～520Ω之间．②把触点从弹簧片右侧移到弹簧片左侧，保证当电磁铁吸合铁片时3、4之间接通，不吸合时3、4之间断开．③电磁起重机【答案】(1)见解析(2)①20160～520②把触点从弹簧片右侧移到弹簧片左侧，保证