高中物理一轮复习学案第12讲：传感器 (2)

物理学习的过程就仿佛种庄稼 做题的过程是耕耘 做题后的回顾与反思才是收获 1 1 OT R U B C D E F I 传感器原理及应用传感器原理及应用 1 1 传感器及其工作原理传感器及其工作原理 基础知识回顾基础知识回顾 一 疑难分析 1 光敏电阻 光敏电阻的材料是一种半导体 无光照射时 载流子极少 导电性能能不好 随着光照的增强 载流子增多 导电性能变好 即光敏电阻值随光照增强而减小 光敏电阻能够把光照强弱这个光学量转换为 电阻大小这个电学量 2 热敏电阻 用半导体材料制成 其电阻随温度变化明显 温度升高电阻减小 如图 1 为某一热敏电阻 温 度特性曲线 热敏电阻的灵敏度较好 3 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 金属热电阻的化 学稳定性好 测温范围大 4 霍尔元件 如图 2 所示 在一个很小的矩形半导体薄片上 制作四个电极 C D E F 就制成为一个霍 尔元件 霍尔元件能够把磁感应强度这个磁学量转换为电压这个电学量 霍尔电压 d IB kUH 其中 k 为比例系数 称为霍尔系数 其大小与薄片的材料有关 一个霍尔元件 的厚度 d 比例系数 k 为定值 再保持 I 恒定 则电压 UH 的变化就与 B 成正比 因此 霍尔元件又称磁敏元件 二 方法点拨 霍尔效应的原理 外部磁场使运动的载流子受到洛仑兹力 在导体板的一侧聚集 在导体板的另一侧会出 现多余的另一种电荷 从而形成横向的电场 横向电场对电子施加与洛仑兹力相反的静电力 当静电力与洛仑 兹力达到平衡时 导体板两侧会形成稳定的电压 设图中 CD 方向长度为 L2 则 qvB L U q H 2 根据电流的微观解释 I nqsv 整理后 得 nqd IB UH 令 nq k 1 因为 n 为材料单位体积 的带电粒子个数 q 为单个带电粒子的电荷量 它们均为常数 所以有 d IB kUH 解题方法指导解题方法指导 图 2 图 1 物理学习的过程就仿佛种庄稼 做题的过程是耕耘 做题后的回顾与反思才是收获 2 2 L R 图 6 例例 1 传感器是一种采集信息的重要器件 如图 4 所示是一种测定压力的电容式传感器 当待测压力 F 作用于 可动膜片电极时 可使膜片产生形变 引起电容的变化 将电容器 灵敏电流计和电源串联成闭合电路 那 么 A 当 F 向上压膜片电极时 电容将减小 B 当 F 向上压膜片电极时 电容将增大 C 若电流计有示数 则压力 F 发生变化 D 若电流计有示数 则压力 F 不发生变化 例例 2 如图所示 有电流 I 流过长方体金属块 金属块宽度为 d 高为 b 有一磁感应强度为 B 的匀强磁场垂直 于纸面向里 金属块单位体积内的自由电子数为 n 试问金属块上 下表面哪面电势高 电势差是多少 此题描述的是著名的霍尔效应现象 例例 3 如图 6 所示是彩色电视接收机的消磁电路示意图 R 是金属热敏电阻 温度升高 电阻增大 温度降低 后电阻减小 L 是消磁线圈 试说明此电路的工作过程 例例 4 如图实所示为光敏电阻自动计数器的示意图 其中 R1 为光敏电阻 R2 为定值电阻 此光电计数器的基本工作 原理是 A 当有光照射 R1 时 信号处理系统获得高电压 B 当有光照射 R1 时 信号处理系统获得低电压 C 信号处理系统每获得一次低电压就记数一次 D 信号处理系统每获得一次高电压就记数一次 例例 5 某同学用时间传感器代替秒表做 用单摆测重力加速度 的实验 他的设计如图实甲所示 长为 L 的摆线一 端固定在铁夹台上 另一端连接一质量为 m 半径为 r 的小球 在摆线上紧邻小球处套有一小段轻细挡光管 当单 摆摆动到平衡位置时 挡光管就能挡住从光源 A 正对光敏电阻 R1 发出的细光束 信号处理系统就能形成一个 电压信号 如图乙所示 R2 为定值电阻 1 某同学用 10 分度的游标卡尺测小球的直径 如图丙所示 正确的读数是 mm 2 R1 两端的电压 U 与时间 t 的关系如图乙所示 则用此装置测得单摆的周期为 图 4 图 5 物理学习的过程就仿佛种庄稼 做题的过程是耕耘 做题后的回顾与反思才是收获 3 3 3 当有光照射 R1 时 信号处理系统获得的是 填 高电压信号 或 低电压信号 例例 6 某同学为了测量一物体的质量 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 如图中的装置所示 测量时先调节输入电压 使转换器空载时的输出电压为零 而后在其受压面上放一 个物体 即可测得与物体的质量成正比的输出电压 U 现有以下器材 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 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 在上图所示的方框中 画出完整的测量电路图 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 例例 7 用光敏电阻为传感器 利用以下器材 滑动变阻器 交变电源 继电器 灯泡 开关 导线等 设计安装一个 白天自动关灯 夜晚自动开灯的路灯自动控制装置 1 请写出所缺器材 2 画出电路原理图 并简要说明其工作原理 课时作业课时作业 A 组组 1 简单的说 光敏电阻就是一个简单的 传感器 热敏电阻就是一个简单的 传感 器 2 为解决楼道的照明 在楼道内安装一个传感器与电灯控制电路的相接 当楼道内有走动而发出声响时 电灯 即与电源接通而发光 这种传感器为 传感器 它输入的是 信号 经传感器转换后 输出的是 信号 3 如图所示 是一个测定液面高度的传感器 在导线芯的外面涂上一层绝缘物质 放在导电液体中 导线芯和 导电液构成电容品的两极 把这两极接入外电路中的电流变化说明电容值增大时 则导电液体的深度 h 变化 为 A h 增大 B h 减小 C h 不变 D 无法确定 第 3 题 物理学习的过程就仿佛种庄稼 做题的过程是耕耘 做题后的回顾与反思才是收获 4 4 第 4 题 R2 R1 R3 4 如图所示 R1 为定值电阻 R2 为热敏电阻 L 为小灯泡 当温度降低时 A R1 两端的电压增大 B 电流表的示数增大 C 小灯泡的亮度变强 D 小灯泡的亮度变弱 5 如图所示 为一种测定角度的传感器 当彼此绝缘的金属板构成的动片与定片之间的角度 发生变化时 试 分析传感器是如何将它的这种变化转化为电学量的 B 组组 1 关于光敏电阻 下列说法正确的是 A 光敏电阻能够把光照强弱这个光学量转换为电阻这个电学量 B 硫化镉是一种半导体材料 无光照射时 载流子极少 导电性能不好 C 硫化镉是一种半导体材料 无光照射时 载流子较少 导电性能良好 D 半导体材料的硫化镉 随着光照的增强 载流子增多 导电性能变好 2 霍尔元件能转换哪两个量 A 把温度这个热学量转换为电阻这个电学量 B 把磁感应强度这个磁学量转换为电压这个电学量 C 把力转换为电压这个电学量 D 把光照强弱这个光学量转换为电阻这个电学量 如图所示是测定位移的电容式传感器 其工作原理是哪个量的变化 造成其电容的变化 A 电介质进入极板的长度 B 两极板间距 C 两极板正对面积 D 极板所带电量 如图所示 为定值电阻 是小灯泡 为光敏电阻 当照射光强度增大时 A 电压表的示数增大 B 中电流减小 C 小灯泡的功率增大 D 电路的路端电压增大 5 如图所示 是光敏电阻 当开关 闭合后在没有光照射时 a b 两点等电势 当用光照射电阻 时 则 A 的电阻变小 a 点电势高于 b 点电势 B 的电阻变小 a 点电势低于 b 点电势 C 的电阻变小 a 点电势等于 b 点电势 D 的电阻变大 a 点电势低于 b 点电势 图 5 第 5 题 第 4 题 R1 R2 第 3 题第 5 题 R3R4 R1R2 物理学习的过程就仿佛种庄稼 做题的过程是耕耘 做题后的回顾与反思才是收获 5 5 6 有一电学元件 温度升高时电阻却大幅度减小 则这种元件可能是 A 金属导体 B 绝缘体 C 半导体 D 超导体 7 如图是观察电阻值随温度变化情况示意图 现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 为热敏电阻 用半导体材料制作 读数变化非常明显 D 如果 R 为热敏电阻 用半导体材料制作 读数变化不明显 8 如图是霍尔元件的工作原理示意图 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 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 9 如图所示宽度为 d 厚度为 h 的金属板放在垂直于它的磁感应强度为 B 的匀强磁场中 当有电流 I 通过金属 板时 在金属板上侧面 A 和下侧面间产生电势差 这种现象叫霍尔效应 若金属板内自由电子密度为 n 则 产生的电势差 U 10 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 D 为发光二极管 电流越大 发出的光越 强 且 R 与 D 相距不远 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 当滑动触头 P 向右移动时 L 消耗的功率可能不变 D 无论怎样移动触头 P L 消耗的功率都不变 11 在街旁的路灯 江海里的航标都要求在夜晚亮 白天熄 利用半导体的电学特性制成了自动点亮 熄灭的装置 实 现了自动控制 这是利用半导体的 A 压敏性B 光敏性C 热敏性D 三种特性都利用 12 一热敏电阻阻值随温度变化的图象如图甲所示 请应用这一热敏电阻自行设计一控制电路 当温度高于某一值 后红色指示灯亮 而温度低于这一值时绿色指示灯亮 并且说明滑动变阻器的作用 给你的器材有 如图乙所示的继电器一只 a b 为常闭触点 c d 为常开触点 热敏电阻一只 滑动变 阻器一只 红绿指示灯各一个 两个独立的电池组 开关两个 导线若干 第 7 题第 8 题第 9 题 物理学习的过程就仿佛种庄稼 做题的过程是耕耘 做题后的回顾与反思才是收获 6 6 13 热敏电阻是传感电路中常用的电子元件 现用伏安法研究热敏电阻在不同温度下的伏安特性曲线 要求特性曲 线尽可能完整 已知常温下待测热敏电阻的阻值约 4 5 热敏电阻和温度计插入带塞的保温杯中 杯内有一定 量的冷水 其他备用的仪表和器具有 盛有热水的热水瓶 图中未画出 电源 3 V 内阻可忽略 直流电流 表 内阻约 1 直流电压表 内阻约 5 k 滑动变阻器 0 20 开关 导线若干 1 在下面方框中画出实验电路图 要求测量误差尽可能小 2 根据电路图 在下图的实物图上连线 3 简要写出完成接线后的主要实验步骤 物理学习的过程就仿佛种庄稼 做题的过程是耕耘 做题后的回顾与反思才是收获 7 7 1 1 传感器及其工作原理答案传感器及其工作原理答案 例例 1 解析 当 F 向上压膜片电极时 电容器的电容将增大 电流计有示数 则压力 F 发生了变化 答案 BC 例例 2 解析 因为自由电荷为电子 故由左手定则可判断电子向上偏 则上表面聚集负电荷 下表面带多余的 正电荷 故下表面电势高 设其稳定电压为 U 当运动电荷所受电场力与洛伦兹力平衡时 即 q b U qvB 又因为导体中的电流 I neSv nev bd 故 U ned BI 答案 下表面电势高 电势差为ned BI 例例 3 解析 打开彩色电视接收机的时候 消磁电路同时接通 热敏电阻温度低 处于冷状态 其电阻值很小 又由于消磁线圈电阻值也很小 所以有很大的电流通过消磁线圈 这个大电流产生很强的磁场作用于显像管上 达到给显像管消磁的目的 对显像管的消磁过程时间很短 因此完成消磁后必须切断消磁线圈的电流 电压不 能加在消磁线圈上 这一过程产生的电功率很大 使热敏电阻的温度升高 导致热敏电阻的阻值很大 在热敏 电阻上产生的电功率减小 使热敏电阻 后来随着热敏电阻的温度降低 其电阻值减小 但是这时消磁线圈的 电压不再加上 是由热敏电阻内部的装置控制的 的阻值减小 例例 4 答案 AC 例例 5 答案 1 20 8 2 2T0 3 低电压信号 例例 6 答案 1 由变阻器可组成调压电路 其中调节范围大的是由电源与滑动变阻器组成分压式电路 而电压 的测量只需一只电压表即可 电路如下图所示 2 测量步骤与结果如下 调节滑动变阻器 使力电转换器的输出电压为零 将已知质量的砝码 m0 放在力电 转换器上 记下输出电压 U0 将待测物放在力电转换器上 记下输出电压 U 由 U0 km0g 得 k 又 U kmg 所以 m gm U 0 0 0 0 U gm 3 待测物体质量超出力电转换器量程 电源电压不够而输出电压一开始调不到零 例例 7 答案 1 要安装这样的路灯自动控制装置 缺少以下器材和元件 光敏电阻 电池 2 装置电路图如图所示 其工作原理简述如下 合上开关 S 在白天时有光照射光敏电阻 其阻值变小 电流变大 调节滑动变阻器 使电流达到继电器的动作电流 继电器吸动铁片开关 路灯脱离交流电源而熄灭 滑动变阻器调 节好以后不再变动 也可用固定电阻代替 物理学习的过程就仿佛种庄稼 做题的过程是耕耘 做题后的回顾与反思才是收获 8 8 到夜晚 光线变暗 光敏电阻阻值变大 电流变小 继电器的电磁铁吸铁片的力减弱 在弹簧的弹力作用下 接交流电源 的开关重新闭合 灯泡又开始发光 课时作业课时作业 A 组组 1 光电 热电 2 声控 声音 电 3 A 4 C 5 角度增大 正对面积减小 电容器电容变小 B 组组 1 ABD 2 B 3 A 4 ABC 5 A C 7 C 8 ABD 9 ned BI 10 答案 A 11 答案 B 12 答案 1 设计的电路图如下图所示 2 此方案中滑动变阻器的作用 主要是通过调节满足对热敏电阻的要求 13 答案 1 电路图如下图所示 2 实物图如下图所示 3 往保温杯中加一些热水 待温度稳定时读出温度计值 调节滑动变阻器 快速测出几组电流表和电压表 的值 重复步骤 测量不同温度下的数据 绘出各测量温度下热敏电阻的伏安特性曲线 物理学习的过程就仿佛种庄稼 做题的过程是耕耘 做题后的回顾与反思才是收获 9 9 调温旋钮 升降螺丝 绝缘支架 电热丝 触点 双金属片 金属底板 弹性铜片 电熨斗的构造 N M Q R E 250V 到 放 大 器 电容式话筒原理 图 2 2 2 传感器的应用传感器的应用 一一 基础知识回顾基础知识回顾 一 疑难分析 1 电容式话筒 原理如图 2 所示 Q 是绝缘支架 薄金属膜 M 和固定电极 N 形成一个电容器 被直流电源 充电 当声波使膜片振动时 电容发生变化 电路中形成变化的电流 于是电阻 R 两端就输出了与声音变化 规律相同的电压 2 电熨斗的自动控温原理 内部装有双金属片温度传感器 如图 3 所示 其作用是控制电路的通断 常温下 上 下触点应是接触的 但温度过高时 由于双金属片受热膨胀系数不同 上部金属膨胀大 下部金属膨胀 小 双金属片向下弯曲 使触电分离 从而切断电源 停止加热 温度降低后 双金属片又恢复原状 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 二 方法点拨 传感器应用的一般模式 解题方法指导解题方法指导 例例 1 用如图 4 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 后壁上各安装一个有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 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 上其压力大小可以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 a 在后 汽车静止时 传感器 a b 的示数均为 10N 取 g 10m s2 1 若传感器 a 示数为 14N b 的示数为 6 0N 求此时汽车的加速度和方向 2 当汽车有怎样的加速度运动时 传感器 a 的示数为零 传感器 放大 电路 转换 执行机构 显示器 指针式或 电表式数字屏 计算机系统 图 3 图 4 物理学习的过程就仿佛种庄稼 做题的过程是耕耘 做题后的回顾与反思才是收获 10 10 图 6 甲 图 6 乙 例例 2 动圈式话筒和磁带录音机都应用了电磁感应现象 图 6 甲所式是话筒原理 图 6 乙所式是录音机的录 音 放音原理图 由图可知 话筒工作时录音磁铁不动 线圈振动而产生感应电流 录音机放音时变化的磁场在静止的线圈里产生感应电流 录音机放音时线圈中变化了的电流在磁头缝隙处产生变化的磁场 录音机录音时线圈中变化的电流在磁头缝隙处产生变化的磁场 其中正确的是 A B C D 例例 3 设计制作一个温度自动控制装置 温控报警器 自己设计一个有热敏电阻作为传感器的简单自动控制试验 在图 7 中画出设计电路 并进行连接 课时作业课时作业 1 电子秤使用的是 A 超声波传感器 B 温度传感器 C 压力传感器 D 红外线传感器 2 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 3 下列器件不是应用温度传感器的是 A 电熨斗 B 话筒 C 电饭锅 D 测温仪 4 电容式话筒的保真度比动圈式话筒好 其工作原理如图所示 Q 是绝缘支架 M 是薄金属膜和固定电极 N 形成一个电容器 被直流电源充电 当声波使膜片振动时 电容发生变化 电路中形成变化的电流 当膜片 向右运动的过程中有 A 电容变大 B 电容变小 C 导线 AB 中有向左的电流 D 导线 AB 中有向右的电流 5 在家用电热灭蚊器中 电热部分主要元件是 PTC 元件 PTC 元件是由钛酸钠等半导体材料制成的电阻器 其 电阻率 随温度 t 的变化关系如图所示 由于这种特性 PTC 元件具有发热 保温双重功能 对此 以下判 断正确的是 通电后 其电功率先增大 后减小 通电后 其电功率先减小 后增大 当其产生的热量与散发的热量相等时 温度保持在 t1 不变 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 A B C D 第 4 题 图 7 第 5 题 物理学习的过程就仿佛种庄稼 做题的过程是耕耘 做题后的回顾与反思才是收获 11 11 6 计算机键盘是由两片金属切片组成的小电容器 该电容器的电容可用公式 C S d 计算 式中 9 10 12 S 为金属片的正对面积 d 表示两金属片间距 当键被按下时 此电容器的电容发生变化 与 之相连的电子线路就能检测出那个键被按下了 从而给出相应的信号 设每个金属片的正对面积为 50mm2 键未按下时的金属片间距为 0 6mm 如果电容变化 0 25pF 电子线路恰能检测出必要的信号 则 键至少需要被按下 A 0 15mm B 0 25mm C 0 35mm D 0 45mm B 组组 1 唱卡拉 OK 用的话筒 内有传感器 其中有一种是动圈式的 它的工作原理是在弹性膜片后面粘接一个轻小 的金属线圈 线圈处于永磁体的磁场中 当声波使膜片前后振动时 就将声音信号转变为电信号 下列说法 正确的是 A 该传感器是根据电流的磁效应工作的 B 该传感器是根据电磁感应原理工作的 C 膜片振动时 穿过金属线圈的磁通量不变 D 膜片振动时 金属线圈中不会产生感应电动 2 图中电容式话筒右测固定不动的金属板 b 与能在声波驱动下沿水平方向振动的镀上金属层的振动膜 a 构成一 个电容器 a b 分别通过导线与恒定电源两极相接 声源 s 做位移 X Asin 200 t 的振动 则有 A a 振动过程中 a b 板之间的电场强度不变 B a 振动过程中话筒会产生电磁波 导线 ac 的电流的频率为 1000Hz a 向右位移最大时 a b 板形成的电流最大 3 如图是电容式话筒的示意图 它是利用电容制作的传感器 话筒的振动膜前面渡有薄薄的金属层 膜后距膜 几十微米处有一金属板 振动膜上的金属层和这个金属板构成电容器的两极 在两极间加一电压 U 人对着 话筒说话时 振动膜前后振动 使电容发生变化 导致话筒所在的电路中的其他量发生变化 使声音信号被 话筒转化电信号 其中导致电容变化的原因可能是电容两极板间的 A 距离变化 B 正对面积变化 C 介质变化 D 电压变化 4 磁场具有能量 磁场中单位体积所具有的能量叫做能量密度 其值为 B2 2 式中 B 是磁感应强度 是磁 导率 在空气中 为一已知常数 为了近似测得条形磁铁磁极端面附近的磁感应强度 B 一学生用一根端面 面积为 A 的条形磁铁吸住一相同面积的铁片 P 再用力将铁片与磁铁拉开一段微小距离 L 并测出拉力 F 如图所示 因为 F 所做的功等于间隙中磁场的能量 所以由此可得此感应强度 B 与 F A 之间的关系为 B 5 如图所示 神州五号飞船发射升空时 火箭内测试仪台上放一个压力传感器 传感器上面压一 质量为 M 的物体 火箭点火后从地面加速升空 当升到某一高度时 加速度为 a g 2 压力传感器此时显示出物体对 平台的压力为点火前压力的 17 16 已知地球的半径为 R g 为地面附近的重力加速度 试求此时火箭离地 面的高度 第 3 题 第 2 题 第 4 题 物理学习的过程就仿佛种庄稼 做题的过程是耕耘 做题后的回顾与反思才是收获 12 12 6 如图是电熨斗温度自动控制装置 1 常温时 上 下触点应是分离 还是接触 2 双金属片温度升高时 那一层形变大 3 假设原来温度上升到 800C 时 断开电源 现在要求 600C 时断开电源 应怎样调节调温旋钮 7 某学生为了测量一物体的质量 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 0 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 电键及到县若干 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 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 在图中画处完整 的测量电路图 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 第 6 题 第 7 题 第 5 题 物理学习的过程就仿佛种庄稼 做题的过程是耕耘 做题后的回顾与反思才是收获 13 13 2 2 传感器的应用传感器的应用 一一 答案答案 例例 1 解析 如图 5 所示左侧弹簧对滑块向右的推力 右侧弹簧对滑块的向左的推力 滑块所受合力产生加速度 由牛顿第二定律得 所以 同方向 向右 2 传感器 a 的读数恰为零 即左侧弹簧的弹力 1 F 0 所以右测弹簧的弹力变为 2 F 20N 由牛顿第二定律有 2 F ma2 所以 a2 10m s2 方向向左 例例 2 解析 话筒的工作原理是 声波迫使金属线圈在磁铁产生的磁场中振动产生感应电流 正确 录音时 话筒产生的感应电流经放大电路放大后在录音机磁头缝隙处产生变化的磁场 正确 磁带在放音时通过变 化的磁场使放音磁头产生感应电流 经放大电路后再送到扬声器中 正确 答案 C 例例 3 解析 将由热敏电阻为主要元件的温控电路接入左侧接线柱 报警器接右侧接线柱 课时作业课时作业 A 组组 1 C 2 BD 3 B 4 AC 5 D 6 D B 组组 1 B 2 BD 3 A 4 AF 2 5 R 3 6 1 常温时 上下触点接触 使电路接通 电热丝工作 2 双金属片的上面一 层形变大 3 应向上调节调温旋钮 双金属片受热时 易使触点分离 7 解析 1 设计电路如图 2 测量步骤与结果 调节滑动变阻器 使转换器的输出电压为零 将砝码放在转换器上 记下输出电压 U0 将待测物放在转换器上 记下 输出电压 U 由 U0 km0g 得 k U0 m0g U k m g 所以 m m0U U0 图 5 物理学习的过程就仿佛种庄稼 做题的过程是耕耘 做题后的回顾与反思才是收获 14 14 物理学习的过程就仿佛种庄稼 做题的过程是耕耘 做题后的回顾与反思才是收获 15 15 3 3 传感器的应用传感器的应用 二二 基础知识回顾基础知识回顾 一 疑难分析 1 电饭锅的工作原理 开始煮饭时 用手压下开关按钮 永磁体与感温磁体相吸引 手松开后 按钮不再恢复到初始状态 则 触点接通 电热板通电加热 水沸腾后 由于锅内保持 1000c 不变 故感温磁体仍与永磁体相吸 继续加热 直到饭熟后 水份被大米吸收 锅底温度升高 当温度升至 居里点 1030c 时感温磁体失去磁性 在弹簧 作用下 永磁体被弹开 触点分离 切断电源 从而停止加热 2 机械式鼠标器的工作原理 鼠标器移动时 滚球运动通过轴带动两个码盘转动 红外线接受管就收到断续 的红外线脉冲 输出相应的脉冲信号 计算机分别统计 x y 两个方向的脉冲信号 处理后就使屏幕上的光标产生相应的位移 3 火灾报警器的工作原理 如图 1 所示带孔的罩子内装有发光二极管 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 检测出这种变化后 就会发出警报 解题方法指导解题方法指导 例例 1 电饭煲的工作原理如图 2 所示 可分为两部分 即控制部分 由 S2 R1 和黄灯组成 工作 加热 部分 有发热电阻 R3 R2 和红灯组成 S1 是一个磁钢限温开关 手动闭合 当此开关的温度达到居里点 103 时 自动断开 且不能自动复位 S2 是一个双金属片自动开关 当温度达到 70 80 时 自 动断开 低于 70 时 自动闭合 红灯 黄灯是指示灯 通过其电流必须较小 所以 R1 R2 起 作用 R3 是发热电阻 由于煮饭前温度低于 70 所以 S2 是 填断开或闭合 接通电源并按下 S1 后 黄灯熄而红灯亮 R3 发热 当温度达到 70 80 时 S2 断开 当温度达到 103 时饭熟 S1 断开 当温度降到 70 以下时 S2 闭合 电饭煲处于保温状态 由以上描述可知 R2 R3 填 或 或 若用电饭煲烧水时 直到水被烧干 S1 才会断开 试解释此现象 例例 2 如图 3 所示为一实验小车中利用光电脉冲测量车速和行程的装置示意图 A 为光源 B 为光电接受器 A B 均固定在车身上 C 为小车的车轮 D 为与 C 同轴相连的齿轮 车轮转动时 A 发出的光束通过旋转齿轮 上齿的间隙后变成脉冲光信号 被 B 接受并转换成电信号 由电子电路记录和显示 若实验显示单位时间内的 脉冲数为 n 累计脉冲数为 N 则要测出小车的速度和行程还必须测量的物理数据是 小 车的速度表达式为 V 行程的表达式为 S 火灾报警器结构 造 外罩 挡板 LED 图 1 图 2 图 3 物理学习的过程就仿佛种庄稼 做题的过程是耕耘 做题后的回顾与反思才是收获 16 16 第 2 题 第 3 题 第 7 题 课时作业课时作业 A 组组 1 测温仪使用的是 A 光传感器 B 红外线传感器C 温度传感器D 超声波传感器 2 下列器件是应用光传感器的是 A 鼠标器B 火灾报警器C 测温仪 D 电子称 3 鼠标器使用的是 A 压力传感器B 温度传感器 C 光传感器 D 红外线传感器 4 关于电饭锅的说法正确的是 A 电饭锅中的温度传感器其主要元件是氧化铁 B 铁氧体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 5 应用温度传感器可以远距离读取温度的数值 这是把 转变为 的一大优点 B 组组 1 有一电学元件 温度升高时电阻增大 则这种元件可能是 金属导体 绝缘体 半导体 超导体 2 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 当滑动触头 P 向右移动时 L 消耗的功率可能不变 D 无论怎样移动触头 P L 消耗的功率都不变 3 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 电压表的示数减小 B R2 中的电流强度减小 C 小灯泡的功率增大 D 电路的路端电压升高 4 下面元件不属于温度传感器的是 A 电熨斗B 电饭锅C 测温仪D 鼠标器 5 用遥控器调换电视频道的过程 实际上就是传感器把光信号转化成电信号的过程 下列属于这类传感器的是 A 红外报警装置 B 走廊照明灯的声控装置 C 自动洗衣机中的压力传感装置 D 电饭煲中控制加热和保温的温控器 6 火灾报警器使用的是 A 光传感器 B 温度传感器 C 红外线传感器D 超声波传感器 7 将万用表的选择开关置于欧姆档 再将电表的两支表笔分别与光敏电阻 Rg 的两端相连 这时表针恰好指在 刻度盘的中央 若用不透光的黑纸将 Rg 包裹起来 表针将向 填 左 或 右 转动 若用 手电筒光照射 Rg 表针将向 填 左 或 右 转动 物理学习的过程就仿佛种庄稼 做题的过程是耕耘 做题后的回顾与反思才是收获 17 17 8 请用仪器 热敏电阻 学生电源 继电器 滑动变阻器 开关 导线等设计一个由温度控制小灯泡发亮的电 路 9 如图所示是电饭煲的电路图 S1 是一个控温开关 手动闭合后 当此开关温度达到居里点 103 时 会 自动断开 S2 是一个自动控温开关 当温度低于 70 时会自动闭合 温度高于 80 时 会自动断开 红灯 是加热时的指示灯 黄灯是保温时的指示灯 分流电阻 R1 R2 500 计算加热电阻丝 R3 50 两灯电 阻不计 1 分析电饭煲的工作原理 2 计算加热和保温两种状态下 电饭煲消耗的电功率之比 3 简要回答 如果不闭合开关 S1 能将饭煮熟吗 10 如图所示甲为在温度为 10 左右的环境中工作的自动恒温箱简图 箱内电阻 R1 20k R2 10k R3 40 k R1 为热敏电阻 它的电阻随温度变化的图线如图乙所示 当 a b 端电 压 Uab 0 时 电压鉴别器会令开关 S 接通 恒温箱内的电热丝发热 使箱内温度提高 当 Uab 0 时 电压鉴 别器使 S 断开 停止加热 恒温箱内的温度恒定在 第 9 题 R1R2 R3S1 S2 第 10 题 R1R2 R3Rt 甲 乙 物理学习的过程就仿佛种庄稼 做题的过程是耕耘 做题后的回顾与反思才是收获 18 18 3 3 传感器的应用传感器的应用 二二 答案答案 例例 1 解析 R1 R2 起的作用是限流 防止指示灯因电流过大而烧毁 S2 是自动控温开关 当温度低于 70 时自动闭合 当温度高于 70 80 时又自动断开 使电饭煲处于保温状态 由于 R3 的功率较大 因此 R2 R3 由于开关 S1 必须当温度达到 103 时才自动断开 而水的沸点只有 100 所以用电饭煲烧水时 直到 水被烧干后 S1 才会断开 例例 2 解析 小车的速度等于车轮的周长与单位时内车轮转动圈数的乘积 设车轮的半径为 R 单位时间内车轮 转动圈数为 K 则有 V 2 RK 若齿轮的齿数为 P 则齿轮转一圈电子电路显示的脉冲数为 P 已知单位时间内 的脉冲数为 n 所以单位时间内齿轮转动圈数为 n p 由于齿轮与车轮同轴相连 他们在单位时间内转动圈数相 等 即 k n p 由以上可得 V 2 R p 同理 设车轮转动的累计圈数为 k 则有 S 2 RK 且 k N p 所以 S 2 RN p 可见 要测出小车的速度和行程 除单位时间内的脉冲数 n 和累计脉冲数 N 外 还必须测出车轮半径 R 和齿轮 的齿数 A 组组 1 C2 AB3 C4 BD5 非电学量 电学量 B 组组 1 A2 A 3 BC4 D5 A 6 AB 7 左 右 8 设计图如图 闭合 S1 后 有电流通过继电器 但 R1 较大 继电器产生的磁场较弱 当 R1 的温度升高 电阻减小 继电器产生的磁场显著增大 S2 被吸下来 小灯泡发光 温度降低 磁性减弱 S2 弹开 小灯泡 熄灭 从而达到由温度控制灯炮的亮和灭 9 1 见例 1 2 加热时电饭煲消耗的电功率 U2 R 并 保温时电饭煲消耗的电功率为 U2 R1 R 并 R 并 R2R3 R2 R3 500 50 500 50 500 11 从而有 p1 p2 R1 R 并 R 并 500 500 11 500 11 12 1 3 如果不闭合开关 S1 开始 S2 总是闭合的 R1 被短路 功率为 P1 当温度上升到 80 时 自动断开 功 率降为 P2 温度降低到 70 S2 自动闭合 温度只能在 70 80 之间变化 不能把水烧开 不能煮熟饭 10 35 解析 设电路路端电压为 U 当 Uab 0 时 有 UR1 R1 R2 UR3 R3 Rt 解得 Rt 20k R1 物理学习的过程就仿佛种庄稼 做题的过程是耕耘 做题后的回顾与反思才是收获 19 19 由图乙可知 当 Rt 20k 时 t 35 物理学习的过程就仿佛种庄稼 做题的过程是耕耘 做题后的回顾与反思才是收获 20 20 4 4 传感器的应用实例传感器的应用实例 基础知识回顾基础知识回顾 一 疑点分析 1 光控开关的工作原理 如图 1 所示光控电路 白天 光强度较大 光敏电阻 RG的电阻值较小 加在斯密特触发器 A 端的电压较 低 则输出端 Y 输出高电平 发光二极管 LED 不导通 当天色暗到一定程度时 RG电阻值增大到一定值 斯密 特触发器的输入端 A 的电压上升到某个值 1 6v 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 相当于路灯亮了 这样就达到了使路灯天明熄灭 天暗自动开启的目的 要想在天更暗时路灯才会亮 应该把 R1的阻值调大一些 这样要使斯密特触发器的输入端 A 电压达到某个值 如 1 6v 就需要 RG的阻值达 到更大 即天色更暗 2 温度报警器 常温下 调整 R1的阻值使斯密特触发器的输入端 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 的电势升高 当达到某一值 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的温度不同 则报警温度不同 要使 热敏电阻在感测到更高温度时才报警 应减小 R1的阻值 R1阻值越小 要使斯密特触发器输入端达到高电平 则热敏电阻阻值要求越小 其温度越高 二 典型例题 例 例 如图 3 所示的光控电路 用二极管 LED 模仿路灯 G为光敏电阻 1的最大电阻为 k51 2为 k330 试分析其工作原理 例 例 温度报警器电路如图 4 所示 请说明其工作原理 t0 A Y R1 蜂鸣器 5V Rt RG LED A Y R1 R2 5V 图 1 图 2 图 3 图 4 图 2 物理学习的过程就仿佛种庄稼 做题的过程是耕耘 做题后的回顾与反思才是收获 21 21 课时作业课时作业 A 组组 1 可以用型号为 74LS14 的非门集成电路 发光二极管和限流电阻来组成一个逻辑电平检测器 电路如图所示 使用时 将检测器的输入端 接到被测点 请分析 当被测点为高电平时 LED 是否发光 低电平时呢 说出道理 随着人们生活质量的提高 自动干手机已进入家庭洗手间 当人将湿手靠近干手机时 机内的传感器便驱 动电热器加热 于是有热空气从机内喷出 将湿手烘干 手靠近干手机能使传感器工作 这是因为 A 改变了湿度 B 改变了温度 C 改变了磁场 D 改变了电容 B 组组 1 大多楼道灯具有这样的功能 天黑时 出现声音它就开启 而在白天 即使有声音它也没有反应 控制电路中接入了哪几种传感器 这几种传感器来的信号 应通过哪几种门电路后 再进入执行电路 当前大量使用的磁敏器件是霍尔元件与集成电路制在一起的磁传感器 它有以下两种 一种是 线性 的 它是将霍尔元件和放大器集成在一个芯片内 其输出的电压与感受到的磁感应强度成 正比地连续变化 请你提出一种方案 利用它来测量电流的大小 另一种叫做 开关型 的 当磁场到一定程度时它才会输出高电平 而在磁场弱到一定程度时输出低电平 或者相反 也就是说 它只能在高 低电平之间跃变 请你提出一种方案 利用它来测量物体的转速 要使例题 中路灯在天更暗时才会亮 应该怎样调节 1的阻值 并说明原理 要使例题 中的热敏电阻在感测到更高的温度时才报警 应怎样调节 1的阻值 并说明原理 5 5 2010 2010 上海物理上海物理 23 23 电动机的自动控制电路如图所示 其中 H R为热敏电阻 1 R为光敏电阻 当温度升高 时 H R的阻值远小于 1 R 当光照射 1 R时 其阻值远小于 2 R 为使电动机在温度升高或受到光照时能自动 启动 电路中的虚线框内应选 门逻辑电路 若要提高光照时电动机启动的灵敏度 可以 2 R的阻值 填 增大 或 减小 第 1 题 物理学习的过程就仿佛种庄稼 做题的过程是耕耘 做题后的回顾与反思才是收获 22 22 6 09 年上海物理年上海物理 11 如图为某报警装置示意图 该报警装置在一扇门 两扇窗上各装有一个联动开关 门 窗未关上时 开关不闭合 只要有一个开关未闭合 报警器就会报警 该报警装置中用了两个串联的逻辑电 路 虚线框甲内应选用 门电路 虚线框乙内应选用 门电路 填与 非 或 7 09 7 09 三校模拟三校模拟 如图所示是一个基本逻辑电路 声控开关 光敏电阻 小灯泡等元件构成的一个自动控制电 路 该电路的功能是在白天无论声音多么响 小灯泡都不会亮 在晚上 只要有一定的声音 小灯泡就亮 这种电路现广泛使用于公共楼梯间 该电路虚线框 N 中使用的是门电路 则下面说法正确的是 A R2为光敏电阻 N 为与门电路 B R2为光敏电阻 N 为或门电路 C R2为光敏电阻 N 为非门电路 D R2为热敏电阻 N 为非门电路 8 09 8 09 华罗庚中学模拟华罗庚中学模拟 右图为包含某逻辑电路的一个简单电路图 L 为小灯泡 光照射电阻 R 时 其阻值将 变得远小于 R 则下列说法正确的是 A 该逻辑电路是非门电路 当电阻 R 受到光照时 小灯泡L不发光 B 该逻辑电路是非门电路 当电阻 R 受到光照时 小灯泡 L 发光 C 该逻辑电路是与门电路 当电阻 R 受到光照时 小灯泡 L 不发光 D 该逻辑电路是或门电路 当电阻 R 受到光照时 小灯泡 L 发光 9 9 20072007 年高考江苏物理卷第年高考江苏物理卷第 1313 题题 如题 13 a 图 质量为 M 的滑块 A 放在气垫 导轨 B 上 C 为位移传感器 它能将滑块 A 到传感器 C 的距离数据实时传送到计算机上 经计算机处理后在 屏幕上显示滑块 A 的位移 时间 s t 图象和速率 时间 v t 图象 整个装置置于高度可调节的斜面上 斜面的长度为 l 高度为 h 取重力加速度 g 9 8m s2 结果可保留一位有效数字 1 现给滑块 A 一沿气垫导轨向上的初速度 A 的 v t 图线如题 13 b 图所示 从图线可得滑块 A 下滑时的 加 速度 a m s2 摩擦力对滑块 A 运动的影响 填 明显 不可忽略 或 不明显 可 忽略 N L R1 R2R3 声 控 5V L 1 R R V5 物理学习的过程就仿佛种庄稼 做题的过程是耕耘 做题后的回顾与反思才是收获 23 23 2 此装置还可用来验证牛顿第二定律 实验时通过改变 可验证质量一定时 加速度与力成正比 的关系 实验时通过改变 可验证力一定时 加速度与质量成反比的关系 3 将气垫导轨换成滑板 滑块 A 换成滑块 A 给滑块 A 一沿滑板向上的初速度 A 的 s t 图线如题 13 c 图 图线不对称是由于 造成的 通过图线可求得滑板的倾角 用反三角函数表示 滑块与滑板间的动摩擦因数 1010 20072007 年广东物理年广东物理 1 1 卷第卷第 1313 题题 1 热敏电阻是传感电路中常用的电子元件 现用伏安法研究热敏电阻 在不同温度下的伏安特性曲线 要求特性曲线尽可能完整 已知常温下待测热敏电阻的阻值约 4 5 热 敏电阻和温度计插入带塞的保温杯中 杯内有一定量的冷水 其它备用的仪表和器具有 盛有热水的热水杯 图中未画出 电源 3V 内阻可忽略 直流电流表 内阻约 1 直流电压表 内阻约 5k 滑 动变阻器 0 20 开关 导线若干 在图 a 的方框中画出实验电路图 要求测量误差尽可能小 根据电路图 在图 b 的实物图上连线 简要写出完成接线后的主要实验步骤 1 往保温杯中加入热水 稍等读出温度值 物理学习的过程就仿佛种庄稼 做题的过程是耕耘 做题后的回顾与反思才是收获 24 24 2 3 重复 测出不同温度下的数据 4 2 广泛应用于室内空调 电冰箱和微波炉等家用电器中的温度传感器 是利用热敏电阻随温度变化而变化 的特性工作的 在图甲中 电源的电动势E 9 0V 内电阻不可忽略 G 为内阻不计的灵敏电流表 R0 为保护电阻 R为热敏电阻 其电阻值与温度变化关系如图乙的R t图象所示 则热敏电阻R与摄氏温 度t的关系为R 闭合电键 S 当R的温度等于 40 时 电流表示数I1 2 25 mA 则当电 流表的示数I2 3 6 mA 时 热敏电阻R的温度是 摄氏度 物理学习的过程就仿佛种庄稼 做题的过程是耕耘 做题后的回顾与反思才是收获 25 25 4 4 传感器的应用实例答案传感器的应用实例答案 例 例 解析 白天 光强度较大 光敏电阻 G 电阻值较小 加在斯密特触发器 端的电压较低 则输出端 输出高电平 发光二极管 LED 不导通 当天色暗到一定程度时 G 的阻值增大到一定值 斯密特触发器的输 入端 的电压上升到某个值 1 6V 输出端 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 灯亮了 这样就达到了使路灯天明熄灭 天暗自动开启的目的 例 例 解析 常温下 调整 1 的阻值使斯密特触发器的输入端 处于低电平 则输出端 处于高电平 无电 流通过蜂鸣器 蜂鸣器不发声 当温度高时 热敏电阻 T 阻值减小 斯密特触发器输入端 电势升高 当达到 某一值 高电平 其输出端由高电平跳到低电平 蜂鸣器通电 从而发出报警声 1 的阻值不同 则报警温度 不同 课时作业课时作业 A 组组 当被测点为高电平时 斯密特触发器输入端 为高电平 则输出端 为低电平 故 LED 发光 当被测 点为低电平时 即为低电平 则输出端 为高电平 LED 不发光 2 B 组组 1 答 1 接入了两种传感器