人教版传感器的应用 省赛获奖

第五章交变电流

第2节传感器的应用知识解惑知识点一传感器应用的一般模式►尝试应用1．利用传感器和计算机可以研究快速变化的力的大小．实验时，把图甲中的小球举高到绳子的悬点O处，然后让小球自由下落．用这种方法获得的弹性绳的拉力随时间的变化图线如图乙所示．根据图线所提供的信息，以下判断正确的是(B)A．t2时刻小球所处位置是运动中最高点B．t1～t2期间小球速度先增大后减小C．t3时刻小球动能最小D．t2与t5时刻小球速度大小不同解析：小球下落的轨迹展开图如图所示，B处为绳子原长处，C处为小球重力与绳上拉力相等处，D处为小球下落的最低点，在Ft图中，0～t1小球在OB间下落，t1～t2小球在BD间下落，t2～t3小球由D回到B处，t3～t4小球在BO间上升，而后下落至B点．由Ft图知，小球在t2时刻下落到最大距离，然后最大距离在逐渐减小，由以上分析知，小球的最大速度出现在C点，对应于t1～t2之间，A错，B对，小球动能最小出现在t2时刻或t3～t4间某时刻，C错误．t2和t5分别对应小球先后两次下落过程中经过最低点的时刻，速度大小为零，D错误．知识点二力传感器的应用——电子秤1．应变式力传感器．(1)组成：由金属梁和应变片组成．(2)工作原理：如上图所示，弹簧钢制成的梁形元件右端固定，在梁的上下表面各贴一个应变片，在梁的自由端施力F，则梁发生弯曲，上表面拉伸，下表面压缩，上表面应变片的电阻变大，下表面电阻变小．F越大，弯曲形变越大，应变片的阻值变化越大．如果让应变片中通过的电流保持恒定，那么上面应变片两端的电压变大，下面应变片两端的电压变小．传感器把这两个电压的差值输出．外力越大，输出的电压差值也就越大．2．测定压力的电容式传感器．如上图所示，当待测压力F作用于可动膜片电极上时，可使膜片产生形变，从而引起电容的变化，如果将电容器与灵敏电流表、电源串联，组成闭合电路，当F向上压膜片电极时，电容器的电容将增大，电流表有示数．►尝试应用2．(多选)关于电子秤中应变式力传感器的说法正确的是(BD)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1．温度传感器．由半导体材料制成的热敏电阻和金属热电阻均可制成温度传感器，它可以把热信号转换为电信号进行自动控制．2．电熨斗的构造．知识点三温度传感器的应用——电慰斗3．电熨斗的自动控温原理．其内部装有双金属片温度传感器，如图所示．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，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．►尝试应用3．如图是电熨斗的结构图，下列说法错误的是(A)A．双金属片的膨胀系数上层金属小于下层金属B．常温下，上下触点接触；温度过高时，双金属片发生弯曲使上下触点分离C．需要较高温度熨烫时，要调节调温旋钮，使升降螺丝下移并推动弹性铜片下移D．双金属片温度传感器的作用是控制电路的通断解析：双金属片的特点：利用不同膨胀系数的金属片做成，当温度升高时，金属片向膨胀系数小的发生弯曲，触点断开；当温度降低时，金属片向膨胀系数大的发生弯曲，触点不断开；调节温度原理根据金属片的在电路中的连接有关．当温度升高时，金属片向膨胀系数小的发生弯曲，触点断开，故双金属片上层金属的膨胀系数大于下层金属片，故A错误；常温下，上下触点接触；温度过高时，双金属片发生弯曲使上下触点分开，起到调温作用，故B正确；需要较高温度熨烫时，要调节调温旋钮，使升降螺丝下移并推动弹性铜片下移，当温度升到较高，金属片发生弯曲较厉害触点才断开，故C正确；双金属片温度传感器的作用是控制电路的通断，故D正确．1．感温铁氧体．(1)组成：氧化锰、氧化锌和氧化铁粉末混合烧结而成．(2)特点：常温下具有铁磁性，能够被磁体吸引，温度达到约103℃，失去铁磁性．(3)居里点：又称居里温度，即指103℃.2．电饭锅的结构如下图所示．知识点四温度传感器的应用——电饭锅3．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，手松开后，按钮不再恢复到图示状态，则触点接通，电热板通电加热，饭熟后，水分被吸收，当温度上升到居里温度时，感温磁体失去磁性，开关便会自动断开．►尝试应用4．(多选)如图为电饭锅的温控部分示意图，感温铁氧体在常温下具有铁磁性，但温度升高到103℃时便失去了铁磁性，这个温度称为这种材料的“居里温度”或“居里点”．下列说法正确的是(AD)A．开始煮饭时，用手压下开关按钮，永磁体与感温磁体相吸，手松开后，按钮不再恢复到图示状态B．如果在1标准大气压下用电饭锅烧水，水在沸腾后会自动断电C．如果在1标准大气压下用电饭锅烧水，水沸腾后不会自动断电，即使水烧干后，也不会自动断电D．饭熟后，水分被大米吸收，锅底温度升高，当温度升至“居里点”103℃时，感温磁体失去磁性，在弹簧作用下，切断电源解析：开始煮饭时，用手压下开关按钮，永磁体与感温磁体相吸，手松开后，按钮不再恢复到图示状态，A正确；如果在1标准大气压下用电饭锅烧水，水在沸腾后保持沸点温度100℃，感温磁体具有磁性，不会自动断电，B错误；如果在1标准大气压下用电饭锅烧水，水沸腾后不会自动断电，水烧干后温度升高，达到居里温度自动断电，C错误；饭熟后，水分被大米吸收，锅底温度升高，当温度升至“居里点”103℃时，感温磁体失去磁性，在弹簧作用下，切断电源，D正确．如上图所示为利用烟雾对光的散射来工作的一种火灾报警器结构的原理图，其工作原理是：带孔的罩内装有发光的二极管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．知识点五光传感器的应用——火灾报警器►尝试应用5．如下图所示是会议室和宾馆房间的天花板上装有的火灾报警器的结构原理图：罩内装有发光二极管LED、光电三极管和不透明的挡板．平时光电三极管接收不到LED发出的光，呈现高电阻状态，发生火灾时，下列说法正确的是(C)A．进入罩内的烟雾遮挡了光线，使光电三极管电阻更大，检测电路检测出变化发出警报B．发生火灾时，光电三极管温度升高，电阻变小，检测电路检测出变化发出警报C．发生火灾时，进入罩内的烟雾对光有散射作用，部分光线照到光电三极管上，电阻变小，发出警报D．以上说法均不正确解析：平时，光电三极管收不到LED发出的光，呈现高电阻状态．当有烟雾散射的光照射到光电三极管上时，其电阻变小，所连接的电路接通，就会发出警报，C正确．典型问题精释某同学设计了一个加速计，如图所示．较重的滑块2可以在光滑的框架1中平移，滑块两侧用弹簧3拉着；R为滑动变阻器，4是滑动片，它与电阻器任一端间的电阻值都与它到这端的距离成正比．这个装置实际上是一个加速度传感器．工作时将框架固定在被测物体上，使弹簧及电阻R均与物体的运动方向平行．当被测物体加速运动时，滑块将在弹簧的作用下，以同样的加速度运动．通过电路中仪表的读数，可以得知加速度的大小．题型一

加速度传感器

已知两个电池E的电动势相同，均为9V，内阻可以忽略不计；滑块的质量为0.6kg，两弹簧的劲度系数均为2×102N/m，电阻器的全长9.0cm，被测物体可能达到的最大加速度为20m/s2(此时弹簧仍为弹性形变)，电压表为指针式直流电压表(可视为理想电压表)，零刻度在表盘中央(即可显示正负电压)，当P端的电势高于Q端时，指针向零点右侧偏转．当被测物体的加速度为零时，电压表的示数为零；当被测物体的加速度达到最大时，电压表的示数为满偏量程．(1)当加速度为零时，应将滑动片调到距电阻器左端________cm处；(2)当物体具有图示方向的加速度a时，电压表的指针将向零点________(填“左”、“右”)侧偏转；(3)所给电压表量程为________V；(4)若将电压表的表盘换成直接表示加速度大小及方向的刻度盘，则表盘的刻度________(填“均匀”、“非均匀”)分布．【审题指导】本题中应变式加速度计体现了一种重要的实验设计思想——转换思想，即把难以直接测量的力学量转换为容易测量的电学量．这类题目是力与电综合题，关键要寻找力电联系的桥梁．解析：(1)当加速度为零时，滑块应处于电阻器的中央，电阻器的全长9.0cm，则应将滑动片调到距电阻器左端4.5cm处．(2)当物体具有图示方向的加速度a时，滑块所受的弹簧的拉力的合力向右，滑块向右移动．根据顺着电流方向电势降低，可知P端的电势低于Q点的电势，则电压表的指针将向零点左侧偏转．(3)设加速度最大时，滑块向左移动的距离为x，根据牛顿第二定律得：2kx＝mam，得：此时电压表的读数为：U＝·2E＝×2×9V＝6V，故电压表的量程应为6V.(4)设加速度为a时，电压表的读数为U，则：2kx＝ma.又U＝·2E联立解得：U＝由于U与a成正比，所以表盘的刻度应均匀．答案：(1)4.5

(2)左(3)6

(4)均匀．►变式训练1．如图所示是一种悬球式加速度仪，它可以用来测定沿水平轨道运动的列车的加速度．金属球的质量为m，它系在金属丝的下端，金属丝的上端悬挂在O点，AB是一根长为L的均匀电阻丝，其阻值为R，金属丝与电阻丝接触良好，摩擦不计，电阻丝的中心C焊接一根导线，从O点也引出一根导线，两线之间接入一个电压表(金属丝和导线电阻不计)．图中虚线OC与AB垂直，且OC＝h，电阻丝AB接在电压为U的直流稳压电源上，整个装置固定在列车中使AB与车前进的方向保持水平．列车静止时金属丝呈竖直状态，当列车加速或减速前进时，金属丝将偏离竖直方向，从电压表的读数变化可以测出加速度的大小．(1)当列车向右做匀加速直线运动时，试推导出加速度a与电压表读数U′的关系式(a用U′、U、L、h及重力加速度g等表示)；(2)用推导出的a与U′的关系式说明表盘上a的刻度是否均匀？(3)C点设置在电阻丝AB中点的原因是什么？对电压表的选择应有什么特殊要求？解析：(1)设列车加速度为a时，小球偏离竖直方向θ角，此时小球受力情况如图所示，根据牛顿第二定律得mgtanθ＝ma.①因为tanθ＝②由①②两式得a＝

③又设列车加速度为a时，电压表读数为U′④由④式得DC＝，⑤将⑤式代入③式得a＝⑥(2)由⑥式可知，g、L、U、h均为常数，则列车加速度a与电压表读数U′成正比，可将电压表中刻度一一对应地改成加速度a的数值，因而可知表盘上加速度a的刻度与电压表的刻度一样，是均匀的．(3)原因是列车可能加速运动也可能减速运动(加速度方向随之变化)；所选择的电压表中间刻度应为零．答案：见解析

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，其电阻率ρ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(

D

)题型二温度传感器的应用①通电后，其电功率先增大，后减小②通电后，其电功率先减小，后增大③当其产生的热量与散发的热量相等时，温度保持在t1不变④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．①③B．②③C．②④D．①④