高考物理一轮 10.3实验：传感器的简单应用课件.ppt

第3节实验 传感器的简单应用 传感器是指这样一类元件 它能够感受诸如力 温度 光 声 化学成分等 并能将它们按照一定的规律转换为等 或转换为电路的 二 制作传感器需要的元件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 光照减弱电阻 电压 电流 通断 减小 增大 一 传感器 增大 增强 减小 磁感应强度 电压 m n 材料 三 传感器的分类 四 传感器应用的一般模式 例1如图所示为大型电子地磅电路图 电源电动势为e 内阻不计 不称物体时 滑片p在a端 滑动变阻器接入电路的有效电阻最大 电流最小 称重物时 在压力作用下使滑片p下滑 滑动变阻器有效电阻变小 电流变大 这样把与电流对应的重量值刻在刻度盘上 就可以读出被称物体的重量了 若滑动变阻器上a b间距离为l 最大阻值等于定值电阻r0的阻值 已知两弹簧的总弹力与形变量成正比 比例系数为k 则所称重物的重量g与电流大小i的关系为 题型一 力电传感器的应用 思路点拨 找出弹簧的压缩量与滑动变阻器阻值之间的关系是解题的关键 答案 a 方法与知识感悟 力电传感器电路中的关键元件是滑动变阻器 电容器 弹簧等 解答这类问题的关键是 滑片移动的距离 电容器的板间距离与力学物理量的联系 力电传感器的力电联系图 例2一般的电熨斗用合金丝作发热元件 合金丝电阻随温度t变化的关系如图中实线 所示 由于环境温度以及熨烫的衣物厚度 干湿不同 熨斗的散热功率不同 因而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钛酸钡 被称为 ptc 的特殊材料作发热元件的电熨斗 ptc材料的电阻随温度变化的关系如图中实线 所示 根据图线分析可知 a 处于冷态的ptc电熨斗比普通电熨斗升温快b ptc电熨斗能自动控制温度 温度稳定在t0 t6之间c ptc电熨斗能自动控制温度 温度稳定在t6 t7之间d ptc电熨斗不能自动控制温度 题型二 对热敏电阻 光敏电阻的特性理解和应用 答案 ac 方法与知识感悟 涉及到热敏电阻 光敏电阻或金属热电阻时 要根据其电阻阻值随温度或光照条件发生变化时阻值如何变化的特点 结合欧姆定律和电功率的计算式 进行分析判断 例3光敏电阻在各种自动化装置中有很多应用 比如用于街道路灯的自动控制 图为模拟电路 其中a为光敏电阻 b为电磁继电器 c为照明电路 d为路灯 请连成正确的电路 达到日出灯熄 日落灯亮的效果 题型三 继电器控制电路的设计 解析 本题考查光敏电阻的特性及在传感器中的应用 同时考查了电路的连接 在能力方面重点考查学生的实验与探究能力 当天亮时 光线照射光敏电阻a其阻值迅速减小 控制回路电流增大 继电器b工作 吸住衔铁使触点断开 路灯熄灭 当夜晚降临 光线变暗 光敏电阻a的阻值增大 控制回路电流减小 弹簧将衔铁拉起 触点接通 路灯点亮 方法与知识感悟 解答继电器控制电路的设计问题 应弄清以下两个问题 1 弄清两个电路 控制电路 直流电源 光敏电阻或热敏电阻 继电器构成的闭合回路 主电路 继电器吸引衔铁控制主电路的开关 2 弄清控制关系 光敏电阻 或热敏电阻 控制继电器中的电流 继电器电流增大吸引衔铁控制主电路的开关 断开或闭合 1 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b r2中电流减小c 小灯泡的功率增大d 电路的路端电压增大 abc 点拨思路 光照射时 光敏电阻r3阻值变化 根据其阻值的变化规律再来分析判断其他量的变化 解析 本题考查敏感元件的特性及电路知识 当光强度增大时 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 2 传感器担负着信息的采集任务 在自动控制中发挥着重要作用 传感器能够将感受到的物理量 如温度 光 声等 转换成便于测量的量 通常是电学量 例如热敏传感器 主要是应用了半导体材料制成的热敏电阻 热敏电阻的阻值随温度变化的图线如图甲所示 图乙是把热敏电阻rt作为传感器制成的简单自动报警器线路图 1 为了使温度过高时报警器铃响 c应接在 填a或b 处 2 若使启动报警的温度提高些 应将滑动变阻器滑片p向 填左或右 移动 3 如果在调试报警器达最低报警温度时 无论如何调节滑动变阻器滑片p都不能使报警器工作 且电路连接完好 各电路元件都能处于工作状态 则造成工作电路实际不能工作的原因可能是 a 左 乙图中左边电源端 电压太小 或者线圈的匝数太少 或者弹簧的劲度系 数太大等 解析 从所给的图线可知 热敏电阻随温度的升高而减小 从而使电路中的电流变大 要求温度过高时报警器铃响 则应接在a处时电路才会接通 滑动变阻器滑片p点向左移动时 会使启动报警的温度提高 若电路连接完好且各元件都处于工作状态而电路又不能工作 说明电路中电流过小 磁铁的磁性太弱 以致不能控制右侧的电路接通 原因有多种情况 可能电源端电压过小 或线圈的匝数过少 或弹簧的劲度系数过大等 3 为了节能和环保 一些公共场所使用光控开关控制照明系统 光控开关可采用光敏电阻来控制 光敏电阻是阻值随着光的照度而发生变化的元件 照度可以反映光的强弱 光越强照度越大 照度单位为lx 某光敏电阻rp在不同照度下的阻值如下表 特点 光敏电阻的阻值随光照强度的增大而非线性减小 1 根据表中数据 请在给定的坐标系中描绘出阻值随照度变化的曲线 并说明阻值随照度变化的特点 光敏电阻rp 电源e 电动势3v 内阻不计 定值电阻 r1 10k r2 20k r3 40k 限选其中之一并在图中标出 开关s及导线若干 2 如图所示 当1 2两端所加电压上升至2v时 控制开关自动启动照明系统 请利用下列器材设计一个简单电路 给1 2两端提供电压 要求当天色渐暗照度降低至1 0 lx 时启动照明系统 在虚线框内完成电路原理图 不考虑控制开关对所设计电路的影响 提供的器材如下 解析 控制开关自动启动照明系统如上图所示 当天色渐暗照度降低至1 0 lx 时启动照明系统 即此时光敏电阻阻值为20k 两端电压为2v 电源电动势为3v 所以应加上一个分压电阻 分压电阻阻值为10k 即选用r1 4 温度传感器广泛应用于室内空调 电冰箱和微波炉等家电产品中 它是利用热敏电阻的阻值随温度的变化而变化的特性工作的 如图 甲 中 电源的电动势e 9 0v 内电阻可忽略不计 g为灵敏电流表 内阻rg保持不变 r为热敏电阻 其电阻值与温度的变化关系如图 乙 的r t图线所示 闭合开关 当r的温度等于20 时 电流表示数i1 2ma 当电流表的示数i2 3 6ma时 热敏电阻r的温度是多少 1 关于传感器的下列说法正确的是 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 b 解析 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 所以a错 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 所以c错 巩固基础 2 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 导线芯和导电液体构成电容器的两极 把这两极接入外电路 当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 a 解析 电容器的电容增大时 电容器两极板的正对面积增大 故h增大 a选项正确 3 家用电热灭蚊器中电热部分的主要部件是ptc元件 ptc元件是由钛酸钡等半导体材料制成的电阻器 其电阻率与温度的关系如图所示 由于这种特性 ptc元件具有发热 控温两重功能 对此以下说法中正确的是 a 通电后其功率先增大后减小b 通电后其功率先减小后增大c 当其产生的热量与散发的热量相等时 温度保持在t1到t2之间的某一值不变d 当其产生的热量与散发的热量相等时 温度保持在t1或t2不变 ac 解析 根据ptc元件的电阻率随温度变化的曲线可知 在常温下 它的电阻是相当小的 通入电流以后 随着温度的升高 其电阻率先变小后增大 那么它的功率先变大 后变小 温度保持在t1至t2的某一值不变 这时候电路处于稳定状态 如果温度再升高 电阻率变大 导致电流变小 温度就会降下来 如果温度降低 电阻率减小 导致电流变大 温度就会升上去 所以本题正确答案为ac 4 如图所示 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 发光越强 且r与d距离不变 下列说法中正确的是 a 当滑动触头向左移动时 l消耗的功率增大b 当滑动触头向左移动时 l消耗的功率减小c 当滑动触头向右移动时 l消耗的功率可能不变d 无论怎样移动滑动触头 l消耗的功率都不变 a 解析 电源电压恒定 也就是说 并联电路两端的电压恒定 当滑动触头向左移动时 发光二极管发光变强 光敏电阻的电阻变小 所以电流变大 则l的功率变大 5 如图所示 m是一小型理想变压器 接线柱a b接在电压u 311sin314t v 的正弦交流电源上 变压器右侧部分为一火警报警系统原理图 其中r2为用半导体热敏材料制成的传感器 电流表a2为值班室的显示器 显示通过r1的电流 电压表v2显示加在报警器上的电压 报警器未画出 r3为一定值电阻 当传感器r2所在处出现火警时 以下说法中正确的是 b 提升能力 a a1的示数不变 a2的示数增大b v1的示数不变 v2的示数减小c v1的示数增大 v2的示数增大d a1的示数增大 a2的示数增大 解析 温度升高则r2减小而报警 即输出功率增大 故通过r3电流增大 r3两端电压增大 所以r1两端电压降低 a2示数减小 6 演示位移传感器的工作原理如图所示 物体m在导轨上平移时 带动滑动变阻器的金属滑杆p 通过电压表显示的数据 来反映物体位移的大小x 假设电压表是理想的 则下列说法正确的是 a 物体m运动时 电源内的电流会发生变化b 物体m运动时 电压表的示数会发生变化c 物体m不动时 电路中没有电流d 物体m不动时 电压表没有示数 b 解析 电压表为理想电表 则电压表不分流 故触头移动时不会改变电路的电阻 也就不会改变电路中的电流 故a错误 电压表测的是触头p左侧电阻分得的电压 故示数随物体m的移动 亦即触头的运动 而变 故b正确 c d错误 7 有一种角速度计可以测量航天器的转动角速度 其结构如图所示 角速度计固定在待测装置上 元件a可在光滑杆上滑动 静止时 电压输出刚好为零 当装置绕竖直轴oo 转动时 元件a在光滑杆上发生位移并输出电压信号 成为航天器制导系统的信息源 已知a的质量为m 弹簧的劲度系数为k 自然长度为l0 电源的电动势为e 电源内阻不计 滑动变阻器b的总长度为l 当系统匀速转动时 则电压表的读数u与角速度 的函数关系为 点拨思路 用圆周运动的知识找出弹簧长度变化与角速度的关系 再找电压与弹簧长度变化之间的关系 方法感悟 涉及到力 电结合的传感器问题时 要搞清它是把什么力学信号变为电学信号的 解决时应用力学知识 主要包括受力分析 平衡条件 牛顿定律 结合电学知识 欧姆定律 电阻定律等 能将问题迅速解决 8 气体传感器利用物质的化学反应将某种气体的浓度转换成电信号输出 如图所示 b为将可燃气体或有毒气体浓度 瓦斯煤气 转换为电信号的传感器 简称电子鼻 根据如下材料 u 220v电源 m排风扇 g继电器 a控制电源 s控制开关 请设计一个家用自动排烟电路 并在图中完成连线图 解析 电磁继电器起开关作用 所以电池组 开关和电磁继电器应组成一个电路 另一个是由排风扇和高压电源组成的电路 9 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 如黑夜 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 晚上打开 电磁开关的内部结构如图所示 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 2 回答下列问题 如果励磁线圈的电阻为200 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 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 任意举出一个其他的电磁铁应用的例子 20 160 520 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 电磁起重机 10 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