高中物理 第六章 传感器教师用书（含解析）新人教版选修32.doc

【创新方案】2015-2016学年高中物理 第六章 传感器教师用书 新人教版选修3-21传感器(1)定义：能够感受诸如力、温度、光、声、化学成分等物理量，并能把它们按照一定的规律转换为便于传送和处理的另一个物理量(通常是电压、电流等电学量)，或转换为电路的通断的元件。(2)非电学量转换为电学量的意义：把非电学量转换为电学量，可以方便地进行测量、传输、处理和控制。有一种电水壶为了防止烧干后引起事故，在水壶上安装了传感器，当壶中的水减少到一定程度时，就会自动断电，这种水壶上安装了什么样的传感器？解析：这种水壶上安装了压力传感器。当水壶中的水减少到一定程度时，压力减小，压力传感器使电路断开，起保护作用。2光敏电阻(1)特点：在被光照时电阻发生变化。(2)原因：无光照时，载流子少，导电性能不好；随着光照的增强，载流子增多，导电性变好。(3)作用：把光照强弱这个光学量转换为电阻这个电学量。3热敏电阻和金属热电阻氧化锰热敏电阻金属热电阻特点电阻率随温度的升高而减小电阻率随温度的升高而增大制作材料半导体金属优点灵敏度好化学稳定性好，测温范围大作用将温度这个热学量转换为电阻这个电学量传感器是将非电学量转换为电学量的装置，请列举日常生活中见到的传感器。解析：马路两旁的自动控制路灯开关的装置，楼道内的声控灯装置，有些汽车、电动车上安装的自动报警装置等。4霍尔元件(1)构造：如图所示，在一个很小的矩形半导体(例如砷化铟)薄片上，制作四个电极e、f、m、n，就成为一个霍尔元件。(2)工作原理：在e、f间通入恒定的电流i, 同时外加与薄片垂直的磁场b，则薄片中的载流子就在洛伦兹力的作用下，向着与电流和磁场都垂直的方向漂移，使m、n间出现了电压，称为霍尔电压uh。(3)霍尔电压：uhk。其中d为薄片的厚度，k为霍尔系数，其大小与薄片的材料有关；一个霍尔元件的d、k为定值，再保持i恒定，则uh的变化就与b成正比。(4)作用：把磁感应强度这个磁学量转换为电压这个电学量。考点一传感器的核心元件、组成及分类1核心元件(1)敏感元件是利用材料的某种敏感效应(如热敏、光敏、压敏、力敏、湿敏)制成的。(2)转换元件是传感器中能将敏感元件输出的、与被测物理量成一定关系的非电信号转换成电信号的电子元件。2组成传感器的一般工作过程是：通过对某一物理量敏感的元件，将感受到的物理量按一定规律转换成便于测量的量。一般由敏感元件、转换元件、转换电路三个部分组成。3分类传感器按照工作原理的不同可以分为以下三类：分类工作原理举例物理传感器利用物质的物理性质和物理效应感知并检测出待测对象信息压电传感器、温度传感器、光电传感器、电感传感器、电容传感器等化学传感器利用化学反应识别和检测信息气敏传感器、湿敏传感器等生物传感器利用生物化学反应识别和检测信号酶传感器、组织传感器、细胞传感器等典例1全面了解汽车的运行状态(速度、水箱温度、油量)是确保汽车安全行驶和驾驶员安全的举措之一，为模仿汽车油表原理，某同学自制一种测定油箱油量多少或变化多少的装置。如图所示，其中电源电压保持不变，r是滑动变阻器，它的金属滑片是金属杆的一端。该同学在装置中使用了一只电压表(图中没有画出)，通过观察电压表示数，可以了解油量情况，你认为电压表应该接在图中的_两点之间，按照你的接法请回答：当油箱中油量减少时，电压表的示数将_(填“增大”或“减小”)。思路探究解析由题图可知当油箱内液面高度变化时，r的金属滑片将会移动，从而引起r两端电压的变化，且当rr时，urir可视为ur与r成正比，所以电压表应接在b、c之间，当油量减少时，电压表示数将增大。答案b、c增大1传感器是将能感受的物理量(如力、热、光、声等)转换成便于测量的量(一般是电学量)的一类元件，在自动控制中有相当广泛的应用，如图所示的装置是一种测定液面高度的电容式传感器。金属芯线与导电液体构成一个电容器，从电容c大小的变化情况就能反映出液面高度h的高低情况，则两者的关系是()c增大表示h增大 c增大表示h减小c减小表示h减小 c减小表示h增大a只有正确 b只有、正确c只有正确 d只有、正确解析：选b液面高度的变化，相当于电容器极板正对面积的变化。当h增大时，相当于正对面积增大，则电容应增大；当h减小时，相当于正对面积减小，电容c应减小，b正确。考点二光敏电阻和热敏电阻的应用1光敏电阻(1)特点：光敏电阻一般由硫化镉等半导体材料做成，无光照时载流子极少，导电性能不好，随着光照增强，载流子增多，导电性变好。(2)特性：光敏电阻的电阻随光照的增强而减小。光敏电阻在被光照射时电阻发生变化，这样光敏电阻可以把光照强弱转换为电阻大小这个电学量。2热敏电阻和金属热电阻(1)热敏电阻：指用半导体材料制成，其电阻值随温度的变化非常明显。如图所示为某热敏电阻的电阻温度特性曲线。(2)金属热电阻：有些金属的电阻率随温度的升高而增大，这样的电阻也可以制作温度传感器，称为金属热电阻。如铂电阻温度计。(3)二者的区别与联系：热敏电阻或金属热电阻都能够把温度这个热学量转换为电阻这个电学量。相比而言，金属热电阻的化学稳定性好，测温范围大，但灵敏度较差，而热敏电阻的灵敏度较好。(4)用途：热敏电阻是一种灵敏度极高的温度传感器，在测温过程中反应非常快。电子体温计及家用电器(电脑、空调、冰箱等)的温度传感器，主要使用热敏电阻。典例2如图所示是一火警报警器的一部分电路示意图，其中r2为用ntc半导体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()ai变大，u变大 bi变小，u变小ci变小，u变大 di变大，u变小思路探究(1)明确ntc半导体热敏材料制成的r2其电阻随温度如何变化。(2)知道r2在电路中的位置及电路结构。解析当r2处出现火情时，ntc热敏材料制成的传感器的电阻将减小，则此时电路中的总电阻减小，由闭合电路欧姆定律可知：外电路电压将减小，u减小；电路中的总电流增大，所以r1上的电压增大，显示器两端的电压将减小，电流i减小，b正确。答案b【总结提能】解决含有热敏(光敏)电阻的动态分析问题的思路(1)应明确热敏(光敏)电阻的电阻特性。(2)根据闭合电路欧姆定律及串、并联电路的性质来分析电路中某一电阻变化而引起的整个电路中各部分电学量的变化情况。(3)基本流程：r局r总i总u端r局。2.多选如图所示，r1、r2为定值电阻，l为小灯泡，r3为光敏电阻，当照射光强度增大时()a电压表的示数增大br2中电流减小c小灯泡的功率增大d电路的路端电压增大解析：选abc当照射光强度增大时，r3阻值减小，外电路电阻随r3的减小而减小，r1两端电压因干路电流增大而增大，同时内电压增大，故电路路端电压减小，而电压表的示数增大，a项正确，d项错误；由路端电压减小，而r1两端电压增大知，r2两端电压必减小，则r2中电流减小，故b项正确；结合干路电流增大知流过小灯泡的电流必增大，则小灯泡的功率增大，c项正确。故选a、b、c。1下列关于传感器的说法中正确的是()a所有传感器的材料都是由半导体材料做成的b金属材料也可以制成传感器c传感器主要是通过感知电压的变化来传递信号的d以上说法都不正确解析：选b半导体材料可以制成传感器，其他材料也可以制成传感器，如金属氧化物氧化锰就可以制成温度计，a错误，b正确；传感器不但能感知电压的变化，还能感受力、温度、光、声、化学成分等非电学量，c错误。2多选用多用电表的同一挡位测量热敏电阻和光敏电阻的阻值时，下列说法正确的是()a测热敏电阻时，温度越高，多用电表指针偏角越大b测热敏电阻时，温度越高，多用电表指针偏角越小c测光敏电阻时，光照越弱，多用电表指针偏角越大d测光敏电阻时，光照越弱，多用电表指针偏角越小解析：选ad根据热敏电阻的特点，温度越高电阻越小，多用表指针偏角越大，a对，b错；由光敏电阻的特点，光照越弱，电阻越大，偏角越小，c错，d对。3.为监测某化工厂的污水排放量，技术人员在该厂的排污管末端安装了如图所示的流量计。该装置由绝缘材料制成，长、宽、高分别为a、b、c，左右两端开口。在垂直于上下底面方向加磁感应强度大小为b的匀强磁场，在前后两个内侧面分别固定有金属板作为电极。污水充满管口从左向右流经该装置时，电压表将显示两个电极间的电压u。若用q表示污水流量(单位时间内排出的污水体积)，下列说法中正确的是()a若污水中正离子较多，则前表面比后表面电势高b若污水中负离子较多，则前表面比后表面电势高c污水中离子浓度越高电压表的示数将越大d污水流量q与u成正比，与a、b无关解析：选d由左手定则可以判断出正离子较多时，正离子受到的洛伦兹力使其向后表面偏转聚集而导致后表面电势升高，同理负离子较多时，负离子向前表面偏转聚集而导致前表面电势低，a、b错误；设前、后表面间的最高电压为u，则qvb，所以uvbb，由此可知u与离子浓度无关，故c错，因qvbc，而uvbb，所以quc/b，d正确。4多选如图所示是霍尔元件的工作原理示意图，如果用d表示薄片的厚度，k为霍尔系数，对于一个霍尔元件d、k为定值，如果保持i恒定，则可以验证uh随b的变化情况，以下说法中正确的是()a将永磁体的一个磁极逐渐靠近霍尔元件的工作面时，uh将变大b在测定地球两极的磁场强弱时，霍尔元件的工作面应保持水平c在测定地球赤道上的磁场强弱时，霍尔元件的工作面应保持水平d改变磁感线与霍尔元件工作面的夹角，uh将发生变化解析：选abd磁体的磁极靠近霍尔元件的工作面时，b增强，由uhk知uh将变大，a正确；在两极附近，磁场近似与地面垂直，所以霍尔元件的工作面应保持水平，b正确；在赤道上，磁场与地面平行，所以工作面应保持竖直，c错误；当改变磁场与工作面的夹角时，垂直于工作面的磁感应强度减小，uh将发生改变，d项正确。一、单项选择题1关于传感器的作用，下列说法正确的是()a通常的传感器可以直接用来进行自动控制b传感器可以将感受到的一些信息转换为电学量c传感器可以将所有感受到的信息都转换为电学量d以上说法均不正确解析：选b传感器主要是用来采集信息，并将采集到的信息转换成便于测量的量；但并不是将其感受到的所有信息都转换为电学量。2下列说法不正确的是()a传感器担负着信息采集的任务b干簧管是一种磁传感器c传感器不是电视遥控接收器的主要元件d传感器是将力、温度、光、声、化学成分等转换为电信号的主要工具解析：选c电视遥控接收器主要是利用传感器来接收信息的。3关于光敏电阻和热敏电阻，下列说法中正确的是()a光敏电阻是用半导体材料制成的，其阻值随光照增强而减小，随光照的减弱而增大b光敏电阻是能把光照强度这个光学量转换为电流这个电学量的传感器c热敏电阻是用金属铂制成的，它对温度感知很灵敏d热敏电阻是把热量这个热学量转换为电阻这个电学量的传感器解析：选a光敏电阻是把光照强度转换为电阻的元件；热敏电阻是把温度转换为电阻的元件，b、d错误；热敏电阻和光敏电阻都是半导体材料制成的，半导体具有光敏性和热敏性，金属铂与热敏电阻相反，c错误。4在如图所示的电路中，电源两端的电压恒定，l为小灯泡，r为光敏电阻，led为发光二极管(电流越大，发出的光越强)，且r与led相距不变，下列说法正确的是()a当滑动触头p向左移动时，l消耗的功率增大b当滑动触头p向左移动时，l消耗的功率减小c当s断开时，l消耗功率变大d无论怎样移动触头，p、l消耗的功率都不变解析：选a触头p向左移动时，支路电阻变小，电源两端电压不变，led灯的亮度变大，光敏电阻r的电阻变小，流经l的电流变大，消耗功率变大；s断开时，r值增大，电路中总电阻变大，总电流变小，流经l的电流变小，则l的功率变小。5如图所示是观察电阻值随温度变化情况示意图。现在把杯中的水由冷水变为热水，关于欧姆表的读数变化情况正确的是()a如果r为金属热电阻，读数变大，且变化非常明显b如果r为金属热电阻，读数变小，且变化不明显c如果r为ntc热敏电阻(用半导体材料制作)，读数变小，读数变化非常明显d如果r为ntc热敏电阻(用半导体材料制作)，读数变小，读数变化不明显解析：选c如图所示，是ntc热敏电阻的温度特性曲线，根据曲线的特点可以看出，当热敏电阻温度升高时，其电阻急剧减小；是金属热电阻的温度特性曲线，其电阻的大小随温度均匀变化；故当r为金属热电阻时，水的温度升高，电阻的阻值变大，欧姆表的示数会变大。但由于热传导需要时间，故其电阻变化不灵敏，a、b错误；若电阻为ntc热敏电阻，其阻值随着温度的升高会迅速减小，欧姆表的示数也会迅速减小，c正确，d错误。二、多项选择题6如图所示，用光敏电阻ldr和灯泡制成的一种简易水污染指示器，下列说法中正确的是()a严重污染时，ldr是高电阻b轻度污染时，ldr是高电阻c无论污染程度如何，ldr的电阻不变，阻值大小由材料本身因素决定d该仪器的使用会因为白天和晚上受到影响解析：选ad严重污染时，透过污水照到ldr上的光线较少，ldr电阻较大，a对，b错；ldr由半导体材料制成，受光照影响电阻会发生变化，c错；白天和晚上自然光强弱不同，或多或少会影响ldr的电阻，d对。7传感器是一种采集信息的重要器件，如图所示为测定压力的电容式传感器，将电容器、灵敏电流计(零刻度在中间)和电源串联成闭合回路。当压力f作用于可动电极的膜片上时，膜片产生形变，引起电容的变化，导致灵敏电流计指针偏转。在对膜片开始施加恒定的压力到膜片稳定的这段时间，下列说法正确的是(电流从灵敏电流计正接线柱流入时指针向右偏)()a灵敏电流计指针向右偏b灵敏电流计指针向左偏c灵敏电流计指针不动d电容器的极板带电量变大解析：选bd压力f作用时，极板间距d变小，由c，电容器电容c变大，又根据qcu，极板带电量变大，所以电容器应充电，又由于上极板带正电，灵敏电流计中产生由负接线柱流入的电流，所以指针将向左偏。8如图所示，r1、r2为定值电阻，l为小灯泡，r3为光敏电阻，当照射光强度增大时，下列说法正确的是()a电压表的示数增大br2中电流减小c小灯泡的功率增大d电路的路端电压增大解析：选abc当光照强度增大时，光敏电阻r3阻值变小，回路中电流i变大。a：定值电阻r1两端的电压等于ir1增大；b：由于r1与r的电压增大，故并联电路两端的电压减小，则r2的电流减小；c：总电流变大，r2的电流变小，所以小灯泡的电流增大，则其功率增大；d：电流增大，电源内阻r两端的电压增大，所以路端电压减小。三、非选择题9如图所示，一热敏电阻rt放在控温容器m内；a为毫安表，量程6 ma，内阻为数十欧姆；e为直流电源，电动势约为3 v，内阻很小；r为电阻箱，最大值为999.9 ；s为开关。已知rt在95 时的阻值为150 ，在20 时的阻值约为550 。现要求在降温过程中测量在95 20 之间的多个温度下rt的阻值。(1)在图中画出连线，完成实验原理电路图。(2)完成下列实验步骤中的填空：依照实验原理电路图连线；调节控温容器m内的温度，使得rt的温度为95 ；将电阻箱调到适当的初值，以保证仪器安全；闭合开关，调节电阻箱，记录电流表的示数i0，并记录_；将rt的温度降为t1(20 t195 )；调节电阻箱，使得电流表的读数_，记录_；温度为t1时热敏电阻的电阻值rt1_；逐步降低t1的数值，直到20 为止；在每一温度下重复步骤、。解析：(1)由于本实验只有一只可以测量和观察的直流电流表，所以应该用“替代法”，考虑到用电流表观察而保证电路中电阻不变，因此将热敏电阻、电阻箱和电流表串联形成测量电路，如图所示。而且热敏电阻rt的阻值在95 和20 是已知的，所以热敏电阻的初始温度为95 ，则电流表示数不变时，电阻箱和热敏电阻的总阻值应保持150 和电阻箱的初值之和不变；如果热敏电阻的初始温度为20 ，则电流表示数不变时，电阻箱和热敏电阻的总阻值应保持550 和电阻箱的初值之和不变。因此可以测量任意温度下的电阻。(2)依据实验原理，完成本实验的各步骤。答案：(1)电路图见解析(2)电阻箱的读数r0仍为i0电阻箱的读数r1(r0r1150)10在图甲中，电源的电动势e9.0 v，内阻可忽略不计；g为灵敏电流表，内阻r保持不变；r0为保护电阻，r为热敏电阻，其电阻值与温度变化的关系如图乙所示。试写出热敏电阻的阻值随温度变化的关系式。闭合开关s，当r的温度等于40 时，电流表示数i12.25 ma，则当电流表的示数i23.6 ma时，热敏电阻r的温度是多少摄氏度？解析：题中的r t图象是直线，根据数学知识可写出热敏电阻r与温度t的关系式为rktb由图象知t10 时，r14.25 k，得b4.25再根据t2120 时，r22 k，得k0.018 75所以r与t的关系式为r0.018 75t4.25(k)根据题中的r t图象，t340 时，热敏电阻的阻值 r33.5 k，有ei1(rr0r3)电流i23.6 ma时，设热敏电阻的阻值为r4，有ei2(rr0r4)代入数据可解得r42 k由题中的r t图象或将r42 k 代入r与t的关系式可得t4120 答案：r0.018 75t4.25(k)120 1传感器应用的一般模式1通常的传感器可以直接用来进行自动控制()2传感器可以用来采集信息()3传感器可以将感受到的一些信号转换为电学量()4传感器可以将所有感受到的信号都转换为电学量()答案：1.2.3.4.2传感器的应用实例(1)力传感器的应用电子秤组成及敏感元件：由金属梁和应变片组成，敏感元件是应变片；工作原理作用：应变片将物体形变这个力学量转换为电压这个电学量。(2)温度传感器的应用实例敏感元件工作原理电熨斗双金属片温度变化时，由于双金属片上层金属与下层金属的膨胀系数不同，双金属片发生弯曲从而控制电路的通断电饭锅感温铁氧体(1) 居里温度：感温铁氧体常温下具有铁磁性，温度上升到约103 时，失去铁磁性，这一温度称为“居里温度”(2)自动断电原理：用手按下开关通电加热，开始煮饭，当锅内加热温度达到103 时，铁氧体失去磁性，与永久磁铁失去吸引力，被弹簧片弹开，从而推动杠杆使触点开关断开(3)光传感器的应用火灾报警器组成：如图所示，发光二极管led、光电三极管和不透明的挡板。工作原理：平时光电三极管收不到led发出的光，呈现高电阻状态，烟雾进入罩内后对光有散射作用，使部分光线照射到光电三极管上，其电阻变小。与传感器连接的电路检测出这种变化，就会发出警报。火灾报警器的敏感元件是什么？当外界温度变化很大时，火灾报警器工作吗？解析：光敏电阻。光敏电阻的阻值大小与光照强弱有关，与外界温度无关，所以外界温度变化很大时，火灾报警器不工作。考点一传感器问题的分析1传感器问题的分析思路 物理传感器是将所感受的物理量(如力、热、光等)转换为便于测量的电学量的器件。我们可以把传感器的应用过程分为三个步骤：(1)信息采集。(2)信息加工、放大、传输。(3)利用所获得的信息执行某种操作。2分析传感器问题要注意四点(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1用如图所示的装置可以测量汽车在水平路面上做匀加速直线运动的加速度。该装置是在矩形箱子的前、后壁上各安装一个由力敏电阻组成的压力传感器。用两根相同的轻弹簧夹着一个质量为2.0 kg的滑块，滑块可无摩擦滑动，两弹簧的另一端分别压在传感器a、b上，其压力大小可直接从传感器的液晶显示屏上读出。现将装置沿运动方向固定在汽车上，传感器b在前，传感器a在后。汽车静止时，传感器a、b的示数均为10 n(取g10 m/s2)。(1)若传感器a的示数为14 n，b的示数为6.0 n，求此时汽车的加速度大小和方向。(2)当汽车以怎样的加速度运动时，传感器a的示数为零？思路探究传感器上所显示出的力的大小，即弹簧对传感器的压力，据牛顿第三定律知，此即为弹簧的弹力大小，亦即该弹簧对滑块的弹力大小。解析（1）如图所示，依题意得左侧弹簧对滑块向右的推力f114 n，右侧弹簧对滑块的向左的推力f26.0 n，滑块所受合力产生加速度a1，根据牛顿第二定律有f1f2ma1可得a1 m/s24 m/s2a1与f1同方向，即向前(向右)。(2)a传感器的读数恰为零，即左侧弹簧的弹力f10，因两弹簧相同，左弹簧伸长多少，右弹簧就缩短多少，所以右弹簧的弹力变为f220 n。滑块所受合力产生加速度a2，由牛顿第二定律得f合f2ma2得a210 m/s2，方向向左。答案(1)4.0 m/s2方向向右(2)以方向向左、大小为10 m/s2的加速度运动【总结提能】力传感器是一种测量力的大小的工具。此类题常与牛顿第二定律、运动学的内容综合。当只知道加速度的大小和方向，不知道物体的运动方向时，物体的运动情况有两种可能即沿某一方向的匀加速或相反方向的匀减速，不要漏掉其中一种。1如图所示，实线是某同学利用力传感器悬挂一钩码在竖直方向运动时，数据采集器记录下的力传感器中拉力的大小变化情况。从图中可知道该钩码的重力约为_n，a、b、c、d四段图线中钩码处于超重状态的为_，处于失重状态的为_。解析：当拉力的大小不变时，力传感器悬挂的钩码在竖直方向是匀速运动，此时力传感器的读数就是钩码的重力，约10 n。当力传感器读数大于重力时，钩码处于超重状态，即a、d状态。当力传感器读数小于重力时，钩码处于失重状态，即b、c状态。答案：10a、db、c考点二常见传感器的应用1生活中的传感器(1)与温度控制相关的家用电器：电饭煲、电冰箱、微波炉、空调、消毒碗柜等，都用到温度传感器。(2)红外传感器：自动门、家电遥控器、生命探测器、非接触红外测温仪以及防盗、防火报警器等。(3)照相机中的光传感器和家用便携式电子秤的压力传感器等。2农业生产中的传感器(1)湿度传感器：判断农田的水分蒸发情况，自动供水或停水。(2)温度传感器和湿度传感器：可对上百个点进行温度和湿度监测。由于有了十分先进可靠的测试技术，有效地减少了霉变现象。3工业生产中的传感器(1)生产的自动化和半自动化。用机器人、自动化小车、自动机床、各种自动生产线或者系统，代替人完成加工、装配、包装、运输、存储等工作。各种传感器使生产的自动运行保持在最佳状态，以确保产品质量，提高效率和产量，节约原材料等。(2)在数控机床中的位移测量装置，就是利用高精度位移传感器进行位移测量，从而实现对零部件的精密加工。4飞向太空的传感器在航空、航天技术领域，传感器应用得较早，也应用得较多，在运载火箭、载人飞船中，都应用了大量的传感器供遥测和遥控系统使用。这些传感器对控制航天器的姿态、接收和发送信息、收集太空数据等都有重要作用。在载人飞船中还使用一类测量航天员各种生理状况的生理传感器，如测量血压、心电图、体温等。典例2如图甲所示为在温度为10 左右的环境中工作的某自动恒温箱原理简图，箱内的电阻r120 k、r210 k、r340 k，rt为热敏电阻，它的电阻随温度变化的图线如图乙所示，a、b端电压uab0时，电压鉴别器会令开关s接触，恒温箱内的电热丝发热，使箱内温度升高；当a、b端电压uab0时，电压鉴别器会令开关s断开，停止加热，则恒温箱内的温度可保持在()a10 b20 c30 d45 思路探究由题可知，uab0是电热丝加热和停止加热的临界状态，根据串联分压知识可求得uab0时rt的阻值，然后由乙图读出对应的温度。解析由题可知uab0是一个电压的临界点，对应着开关s的动作，而开关的动作对应着温度的上升或下降。由电路图可知，在r1、r2、r3给定的条件下，热敏电阻rt的阻值决定了uab的正负。设电源负极的电势为零，则au，bu，其中u为电源的路端电压，令ab，即uab0，则可得，代入数据得rt20 k，查表得对应的温度为30，c正确。答案c【总结提能】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。2多选家用电热灭蚊器电热部分的主要部件是ptc元件，ptc元件是由钛酸钡等导体材料组成的电阻器，其电阻率与温度t的关系如图所示。由于这种特性，ptc元件具有发热、控温双重功能，若电热灭蚊器环境温度低于t1，以下判断正确的是()a通电后，其电功率先增大后减小b通电后，其电功率先减小后增大c当其产生的热量与散发的热量相等时，温度保持在t1或t2不变d当其产生的热量与散发的热量相等时，温度保持在t1t2间的某一值不变解析：选ad从图线上可以看出，如果通电前ptc的温度tt1，通电后由于发热的缘故，温度升高致使电阻率减小，发热功率将进一步增大，形成正反馈效应，致使温度大于 t1，随着温度的升高，电阻率也增大，功率将减小，形成负反馈效应，发热功率的减小制约了温度的进一步升高。从以上分析可知，tt1时，温度会升高；tt2时，温度会降低。故温控点在t1t2，即温度保持在t1t2间的某一值。综上分析可知，a、d正确，即温度控制点在图象的两个极值点之间。故选a、d。1下列器件是应用力传感器的是()a鼠标器b火灾报警器c测温仪 d电子秤解析：选d鼠标器中的传感器是红外线接收管，属于光传感器；火灾报警器中传感器是光电三极管，属于光传感器；测温仪用的是温度传感器；电子秤的敏感元件是应变片，是力传感器，d正确。2多选关于电子秤中应变式力传感器的说法正确的是()a应变片是由导体材料制成b当应变片的表面拉伸时，其电阻变大；反之，变小c传感器输出的是应变片上的电压d外力越大，输出的电压差值也越大解析：选bd应变片多用半导体材料制成，a错误；传感器输出的是上、下两应变片上的电压差，并且随着外力的增大，输出的电压差值也就越大，c错误，b、d正确。3下列说法正确的是()a电饭锅中的温度传感器的主要元件是氧化铁b氧化铁在常温下具有铁磁性，温度很高时失去铁磁性c用电饭锅烧水，水开时能自动断电d用电饭锅煮饭时，若温控开关自动断电后，它不能自动复位解析：选d电饭锅的主要元件为感温铁氧体，它在103 时失去铁磁性。a、b错误；用电饭锅烧水时，在标准大气压下，水温最高为100 ，电饭锅不会自动弹开，若无人控制，则会直到水全部蒸发后才会断开，c错误；电饭锅开关自动断电后只能手动复位，d正确。4.一般的电熨斗用合金丝作发热元件，合金丝电阻随温度t变化的关系如图所示中实线所示。由于环境温度以及熨烫的衣物厚度、干湿等情况不同，电熨斗的散热功率不同，因而电熨斗的温度可能会在较大范围内波动，易损坏衣物。有一种用主要成分为batio3被称为“ptc”的特殊材料作发热元件的电熨斗，具有升温快、能自动控制温度的特点。ptc材料的电阻随温度变化的关系如图中实线所示。根据图线分析：(1)为什么原处于冷态的ptc电熨斗刚通电时比普通电熨斗升温快？(2)通电一段时间后，电熨斗的温度t自动地稳定在什么范围之内？解析：(1)由图可知温度较低时ptc材料的电阻较小，根据p可知，处于冷态时ptc电熨斗的发热功率较大，所以升温快。(2)由图可知，当温度达到t6后ptc的电阻显著增大，到t7时达到最大，此时发热功率减小，所以温度t会自动地稳定在t6t7的范围内。答案：见解析一、单项选择题1下列器件中应用了光传感器的是()a鼠标b电饭锅c测温仪d电子秤解析：选a无论机械鼠标还是光电鼠标都利用光传感器，a正确；电饭锅和测温仪要感知温度，所以用的是温度传感器，b、c错误；电子秤用的是力传感器，d错误。2当你走近豪华宾馆、酒楼的大门时，门就自动为你打开；当你走进门之后，门又在你身后自动关上。你觉得这可能是将下列哪种外界信息转换为有用的信息()a温度b运动c人 d光线解析：选d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，可在夏季自动门没人时不操作，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。3在防治“非典”期间，在机场、车站等交通出入口，使用了红外线热像仪，红外线热像仪通过红外线遥感，可检测出经过它时的发热病人，从而可以有效控制疫情的传播。关于红外线热像仪，下列说法正确的是()a选择红外线进行检测，主要是因为红外线光子能量小，可以节约能量b红外线热像仪通过发射红外线照射人体来检测c红外线热像仪同时还具有杀菌作用d一切物体都能发射红外线，而且物体在不同温度下发射的红外线的频率和强度不同解析：选d红外线热像仪是根据物体发射的红外线的频率和强度不同而工作的，d正确。4有一种在光照或温度升高时排气扇都能启动的自动控制装置，下列说法正确的是()a两个传感器都是光电传感器b两个传感器分别是光电传感器和温度传感器c两个传感器可能分别是温度传感器、电容式传感器d只有光照和温度都适合时排气扇才能工作解析：选b题中提到有光照或温度升高时排气扇都能自动控制，由此可见两个传感器一个是光电传感器，一个是温度传感器，而且排气扇自动工作只需光照和温度一个满足条件即可，a、c、d错误，b正确。5关于电子秤中应变式力传感器的说法不正确的是()a应变片是由半导体材料制成b当应变片的表面拉伸时，其电阻变大；反之变小c传感器输出的是应变片电压d外力越大，输出的电压差值也越大解析：选c应变片是由半导体材料制成的；电阻r，应变片拉伸，l变大，r值变大；应变片压缩，l变小，r值变小。二、多项选择题6在家用电热灭蚊器中，电热部分主要元件是ptc元件，ptc元件是由钛酸钡等半导体材料制成的电阻器，其中电阻率随温度t变化关系如图所示，由于这种特性，ptc元件具有发热、保温双重功能。对此，下列判断正确的是()a通电后，其电功率先增大，后减小b通电后，其电功率先减小，后增大c当其产生的热量与散发的热量相等时，温度保持在t1不变d当其产生的热量与散发的热量相等时，温度保持在t1和t2之间的某一值不变解析：选ad当电热灭蚊器温度由零升到t1的过程中，电阻率随温度升高而减小，其电阻r也随之减小，由于加在灭蚊器上的电压u保持不变，灭蚊器的热功率p随之增大，当t t1时，p p1达到最大，当温度由t1升到t2的过程中，增大，r增大，p减小；而温度越高，其与外界环境温度的差别也就越大，高于外界环境温度的电热灭蚊器的散热功率p也就越大；因此在这之间的某一温度t3会有pp3p，即电热功率p减小到等于散热功率时，即达到保温；当tt3，pp，使温度自动升高到t3，当t t3，pp，使温度自动降为t3，实现自动保温。7如图所示，r1为定值电阻，r2为负温度系数的热敏电阻，l为小灯泡，当温度降低时()ar1两端的电压减小b电流表的读数不变c小灯泡的亮度变强d小灯泡的亮度变弱解析：选acr2与灯l并联后与r1串联，与电源构成闭合电路。当热敏电阻的温度降低时，电阻r2增大，外电路的电阻增大，电流表的读数变小，r1两端的电压减小，灯l两端的电压增大，灯泡亮度变强，a、c正确，b、d错误。8如图所示为电阻r阻随温度t变化的r t图线，下列说法中正确的是()a图线1是金属热电阻的r t图线，它是用金属材料制成的b图线2是热敏电阻的r t图线，它是用半导体材料制成的c图线1的材料化学稳定好、测温范围大、灵敏度高d图线2的材料化学稳定性差、测温范围小、灵敏度高解析：选abd由题图可知，图线1是金属热电阻的r t图线，图线2是热敏电阻的r t图线，根据它们的材料和特点可知，a、b、d正确。三、非选择题9利用光敏电阻自动计数的示意图如图所示。其中a是_，b是_，光电传感器(光敏电阻)就安装在_(填“a”或“b”)中。当传送带上有物品遮挡住光信号时，光敏电阻的阻值比较_(填“大”或“小”)，供给信号处理系统的电压较低；反之，当没有物品遮挡住光信号时，信号处理系统的电压较高。这种高低交替变化的信号经过信号处理器的处理，就会自动转化成相应的数字，从而实现自动计数的功能。解析：由于b所连接的是计数器，故b是接收光信号的接收器，a则是光源；光敏电阻应在光接收器中，有光照时，光敏电阻的阻值比较小，光被物品遮挡住时，光敏电阻的阻值比较大，与光敏电阻串联的电阻获得一次低电压，供给信号处理系统的电压较低；反之，电压较高。答案：光源接收器b大10如图所示是电熨斗的结构图，电熨斗中装有双金属片温度传感器，其作用是控制电路的通断，常温下图中上下触点是_(填“接触”或“分离”)的，当温度升高时，双金属片_(填“上层”或“下层”)的膨胀系数比另一层大。若需要设定更高的温度，则应该向_(填“上”或“下”)调节升降螺丝。解析：常温下，上下触点应是接触的，但温度升高时，由于双金属片的膨胀系数不同，上层金属片膨胀系数大，下层金属片膨胀系数小，则双金属片向下弯曲，使触点分离，从而切断电源，停止加热。温度降低后，双金属片恢复原状，重新接通电路加热，这样循环进行，起到自动控制温度的作用。若要设定不同的温度，需通过调温旋钮调节升降螺丝，带动弹性铜片升降，达到控制温度的目的。若需要设定更高的温度，则应向下调节调温旋钮。答案：接触上层下一、实验目的1利用斯密特触发器设计光控开关电路和温度报警器。2提高电子技术方面的设计和制作能力。二、实验原理1光控开关(1)电路如图所示。(2)斯密特触发器的工作原理：斯密特触发器是一个性能特殊的非门电路，当加在它的输入端a的电压逐渐上升到某个值(1.6 v)时，输出端y会突然从高电平跳到低电平(0.25 v)，而当输入端a的电压下降到另一个值的时候(0.8 v)，y会从低电平跳到高电平(3.4 v)。(3)光控开关的原理(如图所示)：白天，光照强度较大，光敏电阻rg阻值较小，加在斯密特触发器输入端a的电压较低，则输出端y输出高电平，发光二极管led不导通；当天暗到一定程度时，rg阻值增大到一定值，斯密特触发器的输入端a的电压上升到1.6 v，输出端y突然从高电平跳到低电平，则发光二极管led导通发光(相当于路灯)，这样就达到了使路灯天明自动熄灭，天暗自动开启的目的。2温度报警器(1)电路如图所示。(2)工作原理：常温下，调节r1的阻值使斯密特触发器输入端a处于低电平，则输出端y处于高电平，无电流通过蜂鸣器，蜂鸣器不发声；当温度升高时，热敏电阻rt阻值减小，斯密特触发器输入端a的电压升高，当达到某一值(高电平)时，其输出端y由高电平跳到低电平，蜂鸣器通电，从而发出报警声。r1的阻值不同，则报警温度不同，可以通过调节r1来调节蜂鸣器的灵敏度。三、实验器材1光控开关实验斯密特触发器、发光二极管、二极管、继电器、灯泡(6 v，0.3 a)、可变电阻r1(最大阻值51 k)、电阻r2(330 )、光敏电阻、集成电路实验板、直流电源(5 v)、导线若干、黑纸。2温度报警器实验斯密特触发器、蜂鸣器、热敏电阻、可变电阻r1(最大阻值1 k)、集成电路实验板、直流电源(5 v)、导线若干、烧杯(盛有热水)。四、实验步骤1光控开关(1)按照电路图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，调节电阻r1，使发光二极管或灯泡在普通光照条件下不亮。(4)用黑纸逐渐遮住光敏电阻，观察发光二极管或灯泡的状态。(5)逐渐撤掉黑纸，观察发光二极管或灯泡的状态。2温度报警器(1)按照电路图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，调节电阻r1，使蜂鸣器常温下不发声。(4)用热水使热敏电阻的温度升高，注意蜂鸣器是否发声。(5)将热敏电阻从热水中取出，注意蜂鸣器是否发声。五、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光控开关实验中，二极管连入电路的极性不能反接，否则继电器不能正常工作。3光控开关实验中要想天更暗时“路灯”才会亮，应该把r1的阻值调大些。4温度报警器实验中，要使蜂鸣器在更低的温度时报警，应该把r1的阻值调大些。题型一 光控开关的应用典例1如图所示是用斯密特触发器控制某宿舍楼道内灯的示意图，试说明其工作原理。解析(1)电磁继电器的工作原理因集成电路允许通过的电流较小，白炽灯泡工作电流较大，所以使用继电器来启闭工作电路。如题图所示虚线框内是电磁继电器，d为动触点，e为静触点。当线圈a中通电时，铁芯中产生磁场，吸引衔铁b向下运动，从而带动触点d向下与e接触，工作电路接通；当线圈a中电流为零时，电磁铁失去磁性，衔铁b在弹簧作用下拉起，带动触点d与e分离，自动切断工作电路。(2)控制电路工作原理天较亮时，光敏电阻rg阻值较小，斯密特触发器输入端a电势较低，则输出端y输出高电平，线圈a中无电流，工作电路不通。天较暗时，光敏电阻rg电阻增大，斯密特触发器输入端a电势升高，当升高到一定值时，输出端y由高电平突然跳到低电平，有电流通过线圈a，电磁继电器工作，接通工作电路，使灯自动开启。天明后，rg阻值减小，斯密特触发器输入端a电势逐渐降低，降到一定值时，输出端y突然由低电平跳到高电平，则线圈a不再有电流，电磁继电器自动切断工作电路的电源，灯熄灭。答案见解析题型二 实验故障分析典例2多选在制作光控电路实验中，某同学按图所示电路将元件安装完毕后，发现将装置置入黑暗环境中接通电源时，灯泡不发光，原因可能是()a二极管两极接反br1与rg位置颠倒cr1阻值太小d灯泡被断路解析由题可知若二极管接反，光线暗时，二极管上为负向电压，无法导通，灯泡不亮，a项正确；若r1与rg位置颠倒，则光线较暗时，y端为高电平，晶体管不导通，灯泡不发光，b项正确；若r1阻值太小，y端一直为低电平，灯泡一直发光，c项错误；灯泡断路时无法发光，d正确。答案abd题型三 创新设计实验典例3某学生为测量一个物体的质量，找到一个力电转换器，该转换器的输出电压正比于受压面的压力(比例系数为k)，如图所示，测量时先调节输入端的电压，使转换器空载时的输出电压为零；而后在其受压面上放一物体，即可测得与物体的质量成正比的输出电压u。现有下列器材：力电转换器、质量为m0的砝码、电压表、滑动变阻器、干电池各一个，开关及导线若干，待测物体(可置于力电转换器的受压面上)。请完成对该物体质量的测量。(1)设计一个电路图，要求力电转换器的输入电压可调，并且使电压的调节范围尽可能大；(2)简要说明测量步骤，求出比例系数k，并测出待测物体的质量m；(3)请设想实验中可能会出现的一个问题。解析(1)设计的电路图如图所示。(2)测量步骤与结果如下：闭合开关s，调节变阻器的滑片p，使力电转换器的输出电压为零。将质量为m0的砝码放在力电转换器的受压面上，记下此时的输出电压u0。取下砝码，将待测物体放在力电转换器的受压面上，记下此时的输出电压u