人教版高中物理选修二5.3利用传感器制作简单的自动控制装置（解析版）习题

5.3利用传感器制作简单的自动控制装置一、选择题1.(单选)如图所示是一位同学设计的防盗门报警器的简化电路示意图。门打开时,红外光敏电阻R3受到红外线照射,电阻减小;门关闭时会遮蔽红外线源(红外线源没有画出)。经实际试验,可知灯的亮灭情况能反映门的开关状态。门打开时两灯的发光情况及R2两端电压UR2与门关闭时相比()A.红灯亮,UR2变大B.绿灯亮,UR2变大C.绿灯亮,UR2变小D.红灯亮,UR2变小【答案】D【解析】当门打开时,R3受红外线照射,电阻减小,则总电阻减小,总电流I增大,R2两端电压UR2=E-I(R1+r)减小,R2中电流IR2=UR2R2减小,所以R3中电流I2.(单选)图甲为一种家用门磁防盗报警器,由磁条和主机组成,门窗均可使用。乙图为其简化示意图,安装时,将磁条固定在门框上,主机安装在与其等高的门板边缘,门关上时,两者刚好靠在一起。当主机开关闭合时,若门被打开,磁条与主机分离,主机内的触发器就会工作,带动报警器发出报警声。下列有关说法正确的是()A.触发器内是一个开关,当主机与磁条靠近时,开关是断开的B.触发器可以由铜制成C.磁条的两极对调后,该报警器不能正常工作D.本装置是利用电流的磁效应工作的【答案】A【解析】门关上时,磁条与主机刚好靠在一起,此时报警器不工作,说明电路是断开的;当主机开关闭合时,若门被打开,磁条与主机分离,主机内的触发器就会工作,带动报警器发出报警声,说明此时触发器内开关是闭合的,选项A正确。触发器与磁条之间存在磁力的作用,所以触发器不可能是铜制成的,因为铜没有磁性,选项B错误。无论磁条哪个磁极靠近触发器,都存在磁力作用,所以两极对调后,该报警器仍能正常工作,选项C错误。本装置是利用磁体能够吸引磁性物体的特点工作的,选项D错误。3．(单选)如图所示为测定压力的电容式传感器，将平行板电容器、灵敏电流表(零刻度在中间)和电源串联成闭合回路，当压力F作用于可动膜片电极上时，膜片发生形变，引起电容的变化，导致灵敏电流表指针偏转，在对膜片开始施加压力使膜片电极从图中的虚线推到图中实线位置并保持固定的过程中，灵敏电流表指针偏转情况为(电流从电流表正接线柱流入时指针向右偏)()A．向右偏到某一刻度后回到零刻度B．向左偏到某一刻度后回到零刻度C．向右偏到某一刻度后不动D．向左偏到某一刻度后不动【答案】A【解析】压力F作用时，极板间距d变小，由C＝eq\f(εrS,4πkd)知，电容器电容C变大，又根据Q＝CU，极板带电量变大，所以电容器应充电，灵敏电流计中产生由正接线柱流入的电流，所以指针将右偏，极板保持固定后，充电结束，指针回到零刻度．4.（单选）压敏电阻的阻值随所受压力的增大而减小．有一位同学利用压敏电阻设计了判断小车运动状态的装置，其工作原理如图甲所示．将压敏电阻和一块挡板固定在水平绝缘小车上，中间放置一个绝缘重球．小车在水平面内向右做直线运动的过程中，电流表示数如图乙所示，下列判断正确的是()甲乙A．从t1到t2时间内，小车做匀速直线运动B．从t1到t2时间内，小车做匀加速直线运动C．从t2到t3时间内，小车做匀速直线运动D．从t2到t3时间内，小车做匀加速直线运动【答案】D【解析】分析图乙中电流随时间的变化关系可以得出，在t1～t2时间段，电流增大，表明图甲中压敏电阻的阻值逐渐减小，即压敏电阻受到的压力逐渐增大，所以可判断小车在向右做加速度均匀增大的加速运动；在t2～t3时间段，电流在较大数值上保持恒定，说明电阻保持一个较小值，即受到的压力保持恒定，说明小车在向右做匀加速直线运动，故选项D正确．5.(多选)如图所示，两块金属板水平放置，与左侧水平放置的线圈通过开关S用导线连接．压力传感器上表面绝缘，位于两金属板间，带正电的小球静置于压力传感器上，均匀变化的磁场沿线圈的轴向穿过线圈．S未接通时传感器的示数为1N，S闭合后传感器的示数变为2N．则磁场的变化情况可能是()A．向上均匀增大 B．向上均匀减小C．向下均匀减小 D．向下均匀增大【答案】AC【解析】S闭合后，向上均匀增大或向下均匀减小磁场都能使上金属板带正电，下金属板带负电，带正电的小球受竖直向下的电场力，传感器示数变大．故选A、C.6．(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 B．R1与RG位置颠倒C．R1阻值太小D．灯泡被断路【答案】ABD【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．7.(单选)如图所示为一种温度自动报警器的原理图，在水银温度计的顶端封入一段金属丝，以下说法正确的是()A．温度升高至74℃时，L1亮灯报警B．温度升高至74℃时，L2亮灯报警C．温度升高至78℃时，L1亮灯报警D．温度升高至78℃时，L2亮灯报警【答案】:D【解析】:当温度低于78℃时，线圈中没有电流，此时灯L1亮，但不报警，当温度升高到78℃时，线圈中有电流，磁铁吸引衔铁，灯L2被接通，所以灯L2亮且报警，温度升高至74℃时，线圈中没有电流，只是灯L1亮，不会报警．8．(单选）2007年法国科学家阿尔贝·费尔和德国科学家彼得·格林贝格尔由于发现巨磁阻效应(GMR)而荣获了诺贝尔物理学奖．如图所示是利用GMR设计的磁铁矿探测仪原理示意图，图中GMR在外磁场作用下，电阻会大幅度减小．下列说法正确的是()A．若存在磁铁矿，则指示灯不亮；若将电阻R调大，该探测仪的灵敏度提高B．若存在磁铁矿，则指示灯不亮；若将电阻R调小，该探测仪的灵敏度提高C．若存在磁铁矿，则指示灯亮；若将电阻R调大，该探测仪的灵敏度提高D．若存在磁铁矿，则指示灯亮；若将电阻R调小，该探测仪的灵敏度提高【答案】:C【解析】如果存在磁铁矿，则巨磁阻(GMR)大幅度减小，流过巨磁阻(GMR)和R电路的电流大幅度增大，由UR＝IR知，R两端电压增大，因此，巨磁阻(GMR)两端电压减小，即A端电平升高，则非门电路输出端Y电平降低，则指示灯两端电压升高，指示灯亮，如果将电阻R调大，则A端电平调得更高，Y端输出的电平更低，则指示灯的电压更大，指示灯更亮，该探测仪的灵敏度提高，故A、B、D错，C正确．9.(单选）如图甲为在温度为10℃左右的环境中工作的某自动恒温箱原理图,箱内的电阻R1=20kΩ、R2=10kΩ、R3=40kΩ,Rt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,使箱内温度升高;当a、b端电压Uab>0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()A.10℃B.20℃ C.35℃D.45℃【答案】:C【解析】:要确定a、b间的电势差,可采用“等势法”。分析图甲电路可知:当时,a、b两电势相等,把R1=20kΩ、R2=10kΩ、R3=40kΩ,代入上式可得Rt=20kΩ。若温度降低时,电阻Rt>20kΩ,电压鉴别器会令开关S接通,恒温箱内的电热丝发热,使箱内温度升高。由图乙可知此时的温度为35℃,C选项对。10.(单选）某学习小组的同学在用多用电表研究热敏特性实验中，安装好如图所示装置，向杯内加入冷水，温度计的示数为20℃，多用电表选择适当的倍率，读出热敏电阻的阻值R1，然后向杯内加入热水，温度计的示数为60℃，发现多用电表的指针偏转角度较大，则下列说法正确的是()A．应选用电流挡，温度升高时换用大量程测量B．应选用电流挡，温度升高时换用小量程测量C．应选用欧姆挡，温度升高时换用倍率大的挡D．应选用欧姆挡，温度升高时换用倍率小的挡【答案】D【解析】:多用电表只有选择欧姆挡才能直接读出热敏电阻的阻值，当向杯内加入热水，多用电表的指针偏转角度较大，说明此时热敏电阻的阻值较小，故换用倍率小的挡，D项正确．11.(单选)某电容式话筒的原理示意图如图所示，E为电源，R为电阻，薄片P和Q为两金属极板。对着话筒说话时，P振动而Q可视为不动．在P、Q间距增大过程中()A．P、Q构成的电容器的电容增大B．P上电荷量保持不变C．M点的电势比N点的低D．M点的电势比N点的高【答案】D【解析】由C＝eq\f(εrS,4πkd)可知PQ间距离d增大时电容C减小，A项错误．电容减小将放电，电荷量减小，故B项错误．放电时电流从M点经R到N点，说明M点电势高于N点电势，所以C项错误，D项正确．12.(单选)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，原因不可能是()A．二极管两极接反 B．R1与RG位置颠倒C．R1阻值太小 D．灯泡被断路【答案】C【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项可能；若R1与RG位置颠倒，则光线较暗时，Y端为高电平，二极管不导通，灯泡不发光，B项可能；若R1阻值太小，Y端一直为低电平，灯泡一直发光，C项不可能；灯泡断路时无法发光，D可能．二、非选择题13.目前有些居民区内楼道灯的控制使用的是一种延时开关,该延时开关的简化原理如图所示。图中D是红色发光二极管(只要有很小的电流通过,就能使其发出红色亮光),R为限流电阻,K为按钮式开关,虚线框内S表示延时开关电路,当按下K接通电路瞬间,延时开关触发,相当于S闭合,这时释放K后,延时开关S约在1min后断开,灯泡熄灭。根据上述信息和原理图,我们可推断:按钮式开关K按下前,发光二极管是(填“发光的”或“熄灭的”);将按钮式开关K按下再释放后,灯泡L发光持续时间约min,这一过程中发光二极管是(填“发光的”或“熄灭的”)。限流电阻R的阻值和灯丝电阻RL相比,应满足RRL的条件。

【答案】发光的1熄灭的≫【解析】：开关K按下前，S为断开，有电流经过发光二极管，故发光二极管是发光的．当按下开关K后，延时开关S闭合，二极管和R被短路，二极管不发光，由于延时开关S约1min后断开，故电灯L能持续发光1min，由于R为限流电阻，且二极管只要有很小的电流通过就能发光，故应满足R≫RL.14.某同学通过实验制作一个简易的温控装置,实验原理电路图如图所示,继电器与热敏电阻Rt、滑动变阻器R串联接在电源E两端,当继电器的电流超过15mA时,衔铁被吸合,加热器停止加热,实现温控。继电器的电阻约20Ω,热敏电阻的阻值Rt与温度t的关系如下表所示。t/℃30.040.050.060.070.080.0Rt/Ω199.5145.4108.181.862.949.1(1)提供的实验器材有:电源E1(3V,内阻不计)、电源E2(6V,内阻不计)、滑动变阻器R1(0~200Ω)、滑动变阻器R2(0~500Ω)、热敏电阻Rt、继电器、电阻箱(0~999.9Ω)、开关S、导线若干。为使该装置实现对30~80℃之间任一温度的控制,电源E应选用(选填“E1”或“E2”),滑动变阻器R应选用(选填“R1”或“R2”)。

(2)欲使衔铁在热敏电阻为50℃时被吸合,下列操作步骤的正确顺序是。(填写各步骤前的序号)

①将热敏电阻接入电路②观察到继电器的衔铁被吸合③断开开关,将电阻箱从电路中移除④合上开关,调节滑动变阻器的阻值⑤断开开关,用电阻箱替换热敏电阻,将阻值调至108.1Ω【答案】(1)E2R2(2)⑤④②③①【解析】(1)因通过继电器的电流超过15mA时加热器停止加热,为使该装置实现对30~80℃之间任一温度的控制,要求电路在30~80℃之间的任一温度下的电流能通过调节达到15mA。当控制到30℃时,电路的最小阻值为Rmin=199.5Ω+20Ω=219.5Ω,要使电流达到15mA,则所需电源电动势至少为Emin=IRmin=3.29V,