新教材高中物理选择性学案第5章章末综合提升

[巩固层·知识整合][提升层·能力强化]传感器工作原理、常见敏感元件及其应用1.传感器的工作原理传感器感受的通常是非电学量，如力、热、磁、光、声等，而它输出的通常是电学量，这些输出信号是非常微弱的，通常要经过放大后，再送给控制系统产生各种控制动作，传感器原理如框图所示。2．光敏电阻光敏电阻是用半导体材料制成的，其特点是在被光照射时电阻会发生变化，光照增强电阻减小，光照减弱电阻增大，其作用是把光学量转换为电学量。3．热敏电阻和金属热电阻金属热电阻的电阻率随温度升高而增大。其特点是化学稳定性好，测温范围大，但灵敏度较差。热敏电阻是由半导体材料制成的，其电阻率对温度非常敏感。热敏电阻有正温度系数(PTC热敏电阻)、负温度系数(NTC热敏电阻)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。金属热电阻和热敏电阻都能把热学量转换为电学量。4．电容器平行板电容器的电容大小与极板正对面积、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相应的电容变化。例如，当极板受力时会改变极板间距，从而引起电容变化。5．霍尔元件霍尔元件能把磁感应强度这一磁学量转换成电压这一电学量，霍尔电压UH＝keq\f(IB,d)。【例1】如图为某一热敏电阻(电阻值随温度的改变而改变，且对温度很敏感)的I­U关系曲线图。(1)为了通过测量得到图所示I­U关系的完整曲线，在图甲和乙两个电路中应选择的是图________；简要说明理由：_______。(电源电动势为9V，内阻不计，滑动变阻器的阻值为0～100Ω)(2)在如图所示电路中，电源电压恒为9V，电流表读数为70mA，定值电阻R1＝250Ω。由热敏电阻的I­U关系曲线可知，热敏电阻两端的电压为________V；电阻R2的阻值为________Ω。[解析](1)应选择图甲，因为图甲电路电压可从0V调到所需电压，电压调节范围大。(2)由题图知R2与热敏电阻串联后与R1并联接在9V电源上，总电流I＝70mA，R1＝250Ω。设通过热敏电阻的电流为I2，通过R1的电流为I1，则I＝I1＋I2，故I2＝I－I1＝mA＝34mA。由图像查得34mA对应的电压为5.0V，R2两端电压U2＝9V－5.0V＝4.0V，所以R2＝eq\f(4.0,34×10－3)Ω≈117.6Ω。[答案](1)甲因为甲电路电压可从0V调到所需电压，电压调节范围大(2)5.0117.6[一语通关]对传感器的进一步理解(1)不同的传感器的原理不同，但都是通过敏感元件把非电学量的变化转变为电学量的变化。(2)传感器输出的电学量可能为电流、电压、电路通断等，不一定是电压。(3)敏感元件只是传感器的一个关键部分，并不一定就是一个完整的传感器。传感器在实际问题中的应用以传感器为桥梁可以将多方面的物理知识整合在一起，在实际问题中既可以直接考查传感器知识，也可以考查敏感元件的敏感特性，几种传感器及与其相联系的物理知识，如表：传感器种类敏感元件与之相联系的物理知识光电传感器光敏电阻直流电路动态分析温度传感器热敏电阻直流电路问题力传感器压敏电阻力、运动与直流电路电容传感器电容器力、运动与含电容电路【例2】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(如夜晚)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，夜晚打开。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等于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。(1)利用以下器材设计一个自动控制路灯的电路，在下面虚线框中画出电路原理图。光敏电阻R1，符号灯泡L，额定功率40W，额定电压36V，符号eq\o(L,\s\up15(⊗))保护电阻R2，符号电磁开关，符号蓄电池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。答：_____________________________________________________________。③任意举出一个其他的电磁铁应用的例子。答：_____________________________________________________________。[解析](1)电路原理如图所示。(2)①由题意知：U＝IR＝0.1A×200Ω＝20V；R2的阻值最小时流过励磁线圈的电流最大，即Imax＝eq\f(E,R＋Rmin)，解得Rmin＝160Ω；R2的阻值最大时流过励磁线圈的电流最小，即Imin＝eq\f(E,R＋Rmax)，解得Rmax＝520Ω。故保护电阻R2的阻值范围为160～520Ω。②把触点从弹簧片右侧移到弹簧片左侧，保证当磁铁吸合铁片时，3、4之间接通；不吸合时，3、4之间断开。③电磁起重机(电磁打点计时器、电铃等合理答案均可)。[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，保证当磁铁吸合铁片时，3、4之间接通，不吸合时，3、4之间断开③见解析[一语通关](1)传感器中的敏感元件用于接收非电学量，并将其转换为电学量。(2)传感器一般用于有害于人体或人不能轻易到达的环境。(3)在不同的仪器中所使用的传感器一般不同，其原理也不尽相同，但都是将非电学量转化为电学量。[培养层·素养升华]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。酒精传感器检测原理：当具有N型导电性的氧化物暴露在大气中时，会由于氧气的吸附而减少其内部的电子数量而使其电阻增大。其后如果大气中存在某种特定的还原性气体，它将与吸附的氧气反应，从而使氧化物内的电子数增加，导致氧化物电阻减小。半导体—氧化物传感器就是通过该阻值的变化来分析气体浓度。[设问探究]1．传感器的工作原理是什么？由哪几部分组成？2．酒精传感器的敏感元件是什么？有什么特性？提示：1．传感器感受的通常是非电学量，如力、热、磁、光、声等，而它输出的通常是电学量，主要由敏感元件和转换元件组成。2．酒精传感器的敏感元件是N型导电性的氧化物，其特性表现为由于氧气的吸附而减少其内部的电子数量时，氧化物电阻增加，若增加其内部的电子数量，则其电阻减小。[深度思考]驾驶员酒后驾车已成为安全行驶的重大隐患，为此全国上下掀起了一场严查酒后驾驶的安全检查行动。交通警察在执行任务过程中，要使用一种酒精测试仪检测驾驶员是否属于酒后驾驶，其内部结构如图所示，其中酒精气体传感器的电阻随酒精气体浓度的变化而变化，不同酒精浓度对应着传感器的不同电阻，这样显示仪器上就与浓度有对应关系，如果酒精气体传感器的电阻的倒数与酒精气体的浓度成正比，那么电压表示数U与酒精气体浓度c之间的对应关系正确的是()A．U越大，表示c越大，c与U成正比B．U越大，表示c越大，但c与U不成正比C．U越大，表示c越小，c与U成正比D．U越大，表示c越小，但c与U不成正比B[设酒精气体传感器的电阻为Rc，则有E＝I(r＋R0＋R＋Rc)，电压表示数U＝IR0，可得U＝eq\f(E,r＋R0＋R＋Rc)·R0，又eq\f(1,Rc)＝kc，故有U＝eq\f(E,r＋R