高中物理 第4章 传感器与现代社会章末分层突破教师用书 沪科版选修3-2

第4章 传感器与现代社会自我校对非电学量电学量热敏光敏物理化学生物光温度力 传感器的原理及应用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，再输送给控制系统产生各种控制动作，传感器原理如图41所示.图412.常见的敏感元件及特性(1)光敏电阻：光敏电阻在被光照射时电阻发生变化，光照增强电阻减小，光照减弱电阻增大.(2)金属热电阻：金属热电阻的电阻率随温度升高而增大.(3)热敏电阻：热敏电阻有正温度系数、负温度系数两种.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.(4)电容：平行板电容器的电容与极板面积、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：能把磁感应强度这一磁学量转换成电压这一电学量，UHRH.3.传感器的应用传感器的应用过程包括三个环节：感、传、用(1)“感”是指传感器的敏感元件感受信息.(2)“传”是指通过电路等将传感器敏感元件获取的信息传给执行机构.(3)“用”是指执行机构利用传感器传来的信息进行某种显示或某种动作.如图42所示，一热敏电阻RT放在控温容器M内；为毫安表，量程为6 mA，内阻为数十欧姆；E为直流电源，电动势约为3 V，内阻很小；R为电阻箱，最大电阻为999.9；S为开关.已知RT在95C时的阻值为150 ，在20C时的阻值约为550.现要求在降温过程中测量在95C到20C 之间的多个温度下RT的阻值.图42(1)在图中画出连线，完成实验原理电路图.(2)完成下列实验步骤中的填空：依照实验原理电路图连线.调节控温容器M内的温度，使得RT的温度为95C.将电阻箱调到适当的初值，以保证仪器安全.闭合开关，调节电阻箱，记录电流表的示数I0，并记录 .将RT的温度降为T1(20CT195C)；调节电阻箱，使得电流表的读数 ，记录 .温度为T1时热敏电阻的电阻值RT1 .逐步降低T1的数值，直至20C为止；在每一温度下重复步骤.【解析】(1)由于本实验只有一只可以测量和观察的直流电流表，所以应该用“替代法”，考虑到用电流表观察而保证电路中电阻不变，因此将热敏电阻、电阻箱和电流表串联形成测量电路，如图所示.而且热敏电阻RT在95 和20 时的阻值是已知的，所以热敏电阻的初始温度为95 ，则电流表示数不变时，热敏电阻和电阻箱的阻值应保持150 和电阻箱的初值之和不变；如果热敏电阻的初始温度为20 ，则电流表示数不变时，热敏电阻和电阻箱的阻值应保持550 和电阻箱的初值之和不变.因此可以测量任意温度下的电阻. (2)依照实验原理电路图连线.调节控温容器M内的温度，使得RT温度为95 .将电阻箱调到适当的初值，以保证仪器安全.闭合开关，调节电阻箱，记录电流表的示数I0，并记录电阻箱的读数R0.将RT的温度降为T1(20 T195 )；调节电阻箱，使得电流表的读数仍为I0，记录电阻箱的读数R1.温度为T1时热敏电阻的电阻值RT1R0R1150 .逐步降低T1的数值，直至20 为止；在每一温度下重复步骤.【答案】(1)实验原理电路图见解析(2)电阻箱的读数R0仍为I0电阻箱的读数R1R0R1150 传感器在生产、生活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，如下表.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等力学、运动学与直流电路电容传感器电容力、运动与含容电路如图43所示是某种电子秤的原理示意图，AB为一均匀的线性电阻，阻值为R，长度为L，两边分别有P1、P2两个滑头，P1可在竖直绝缘光滑的固定杆MN上保持水平状态而上下自由滑动.弹簧处于原长时，P1刚好指着A端，P1与托盘固定相连.若P1、P2间出现电压时，该电压经过放大，通过信号转换后在显示屏上将显示物体重力的大小.已知弹簧的劲度系数为k，托盘自身质量为m0，电源电动势为E，内阻不计，当地的重力加速度为g，求： 【导学号：72000094】图43(1)托盘上未放物体时，在托盘自身重力作用下，P1离A的距离x1；(2)托盘上放有质量为m的物体时，P1离A的距离x2；(3)在托盘上未放物体时通常先较准零点，其方法是：调节P2，使P2离A的距离也为x1，从而使P1、P2间的电压为零.校准零点后，将物体m放在托盘上，试推导出物体质量m与P1、P2间的电压U之间的函数关系式.【解析】托盘的移动带动P1移动，使P1、P2间出现电势差，电势差的大小反映了托盘向下移动距离的大小，由于R为均匀的滑线电阻，则其电阻与长度成正比.(1)由力的平衡知识可得：m0gkx1，解得：x1.(2)放上重物重新平衡后，m0gmgkx2，解得：x2.(3)由闭合电路欧姆定律可知EIR，由部分电路欧姆定律可得：UIR串，由于，其中x为P1、P2间的距离，则xx2x1联立以上各式解得：mU.【答案】(1)x1(2)x2(3)mU(1)P1、P2的高度相同时，电压为零，显示屏的示数也为零.(2)P1沿竖直方向上、下移动并不影响电路的连接方式.1.(2016银川一中检测)全自动洗衣机设有多段式水位自动感应装置，该水位自动感应装置采用的传感器是()A.温度传感器B.压力传感器C.生物传感器D.红外线传感器【解析】水位不同，压力不同，压力传感器能将压力信号转换为电信号，B正确.【答案】B2.(多选)(2016洛阳一中检测)美国科学家Willard S.Boyle与George E.Smith因电荷耦合器件(CCD)的重要发明荣获2009年度诺贝尔物理学奖.CCD是将光学量转变成电学量的传感器.下列器件可作为传感器的有()A.发光二极管B.热敏电阻C.霍尔元件D.干电池【解析】传感器是指能够感受诸如力、温度、光、声、化学成分等非电学量，并把它们按照一定的规律转换为电压、电流等电学量的元件，发光二极管是电学元件.是电能转换成光能的元件，不是传感器，A错误；干电池是一种电源，不是传感器，D错误；热敏电阻温度变化时，其电阻会发生变化，能把温度转换成电学量，是传感器，B正确；霍尔元件能够把磁感应强度这个磁学量转换成电压这个电学量，是传感器，C正确.【答案】BC3.(多选)(2016青岛二中检测)如图44是电饭锅结构示意图，关于电饭锅下列说法正确的是()图44A.电饭锅中的传感器磁体是一种半导体材料B.开始煮饭时，压下开关按钮的原因是克服弹簧的弹力使永磁体一端上升，上下触点接触接通电路C.用电饭锅煮米饭，饭熟后水分被大米吸收，锅底的温度会升高，当升高到“居里温度”时，电饭锅会自动断电D.用电饭锅烧水，水沸腾后也可以自动断电【解析】根据电饭锅的结构及工作原理可知B、C正确，水的沸腾温度为100C，故D错.【答案】BC4.(多选)(2016苏州一中检测)某同学设计的家庭电路保护装置如图45所示，铁心左侧线圈L1由火线和零线并行绕成.当右侧线圈L2中产生电流时，电流经放大器放大后，使电磁铁吸起铁质开关K，从而切断家庭电路.仅考虑L1在铁心中产生的磁场，下列说法正确的有()图45A.家庭电路正常工作时，L2中的磁通量为零B.家庭电路中使用的电器增多时，L2中的磁通量不变C.家庭电路发生短路时，开关K将被电磁铁吸起D.地面上的人接触火线发生触电时，开关K将被电磁铁吸起【解析】 电路正常或短路时，火线和零线中通过的电流大小相等、方向相反，故L1中火线与零线中电流产生的磁场相抵消，铁心中的磁通量为零，L2中无感应电流产生，电磁铁中也就无电流，开关K不会被吸起.由上述分析可知，A、B项正确，C项错误；当地面上的人接触火线发生触电时，火线与零线中的电流大小不再相等，则L2中产生感应电流，电磁铁也就能把开关K吸起，即D正确.【答案】ABD5.(2016石家庄一中检测)如图46所示为一实验小车中利用光脉冲测量车速和行程的装置的示意图，A为光源，B为光电接收器，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之间的间隙变成脉冲光信号，被B接收并转换成电信号，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，设小车速度为v，行程为x，试完成下列问题的解答：图46(1)要测出小车的速度和行程还必须测量的物理量或数据是哪些？(2)推导小车速度的表达式；(3)推导小车行程的表达式.【解析】小车的速度等于车轮的周长与单位时间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v2Rk.若齿轮的齿数为P，则齿轮转一圈电子电路显示的脉冲数即为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.由于齿轮与车轮同轴相连，它们在单位时间内转动圈数相等，即kn/P.由以上两式可得v.同理，设车轮转动的累计圈数为k，则有路程x2Rk，且kN/P，所以x.可见，要测出小车的速度v和行程x，除知道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P.【答案】(1)车轮半径R和齿轮的齿数P(2)v(3)x我还有这些不足：(1) (2) 我的课下提升方案：(1) (2) 章末综合测评(四)(时间：60分钟满分：100分)一、选择题(本大题共10小题，每小题6分，共60分，在每小题给出的四个选项中，第17题只有一项符合题目要求，第810题有多项符合题目要求，全部选对的得6分，选对但不全的得3分，有选错的得0分)1.许多牛奶制品中被检测出化学原料三聚氰胺.在多种检测三聚氰胺的方法中有一种“酶标法检测”，这种检测方法使用的传感器，应为传感器中的哪一类()A.物理传感器B.化学传感器C.生物传感器D.温度传感器【解析】检测方法为酶标法，所以其原理应该是利用了生物酶，故应为生物传感器，所以C正确.【答案】C2.传感器广泛应用在我们的生产生活中，常用的计算机键盘就是一种传感器.如图1所示，键盘上每一个键的下面都连一小金属片，与该金属片隔有一定空气间隙的是另一小的固定金属片，这两金属片组成一个小电容器.当键被按下时，此小电容器的电容发生变化，与之相连的电子线路就能够检测出哪个键被按下，从而给出相应的信号.这种计算机键盘使用的是() 【导学号：72000095】图1A.温度传感器B.压力传感器C.磁传感器D.光传感器【解析】小金属片被按下时，对该键有一个压力，小金属片向下移动，两个极板之间的距离改变，电容改变，将压力这个力学量转化为电容这个电学量，所以计算机键盘使用的是压力传感器，B正确，A、C、D错误.【答案】B3.如图2所示，由电源、小灯泡、电阻丝、开关组成的电路中，当闭合开关S后，小灯泡正常发光，若用酒精灯加热电阻丝时，发现小灯泡亮度变暗，发生这一现象的主要原因是 () 【导学号：72000096】图2A.小灯泡的电阻发生了变化B.小灯泡灯丝的电阻率随温度发生了变化C.电阻丝的电阻率随温度发生了变化D.电源的电压随温度发生了变化【解析】电阻丝的电阻率随温度的升高而增大，电阻也增大，电路中电流减小，根据PI2R知，小灯泡的实际功率减小，所以变暗.【答案】C4.如图3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()图3A.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消耗的功率不变【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.【答案】A5.如图4是霍尔元件的工作原理示意图，如果用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，以下说法中错误的是() 【导学号：72000097】图4A.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.在测量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【解析】由霍尔元件的工作原理知：UHk，UH与B成正比，将永磁体的一个磁极逐渐靠近霍尔元件的工作面，磁性增强，所以UH将变大；地球两极的磁场方向垂直指向地面，因此，霍尔元件的工作面应保持水平；地球赤道上的磁场方向沿南北水平方向，因此，霍尔元件的工作面应保持竖直.改变磁感线与霍尔元件工作面的夹角，垂直霍尔元件的磁场方向的垂直分量将变化，因此UH也将发生变化.只有C错误.【答案】C6.(2016郑州一中高二检测)某仪器内部电路如图5所示，其中M是一个质量较大的金属块，左右两端分别与金属丝制作的弹簧相连，并套在光滑水平细杆上，a、b、c三块金属片的间隙很小(b固定在金属块上).当金属块处于平衡时两根弹簧均处于原长状态.若将该仪器固定在一辆汽车上，则下列说法正确的是 ()【导学号：72000098】图5A.当汽车加速前进时，甲灯亮B.当汽车加速前进时，乙灯亮C.当汽车刹车时，乙灯亮D.当汽车刹车时，甲、乙灯均不亮【解析】向右加速时，M向左移动，与a接触，乙灯亮；当刹车时，M向右移动，与c接触，甲灯亮.故选项B正确.【答案】B7.如图6所示是利用电容器测量角度的传感器示意图.当动片和定片之间的角度发生变化时，电容C便发生变化，测出C的变化情况，就可知道的变化情况.下图的四个图像中，能正确反映C和间函数关系的是 ()【导学号：72000099】图6ABC D【解析】因为电容和两块极板之间正对面积的大小是成正比的.而的增大使得动片和定片的面积减小，所以使得C减小，又增大导致面积减小是按照线性规律的，所以选A.【答案】A8.关于传感器的作用，下列说法中正确的是()A.通常传感器可以直接用来进行自动控制B.传感器可以用来采集信息C.传感器可以将感受到的一些信号转换为电学量D.传感器可以将所有感受到的信号都转换为电学量【解析】传感器是将感受的非电学量转化为电学量的仪器，不同的传感器感受不同的信号，B、C对.【答案】BC9.下列说法正确的是()A.热敏电阻可以将热量这个热学量转换为电阻这个电学量B.金属热电阻的化学稳定性和灵敏度都较好C.金属热电阻的化学稳定性较好，但灵敏度差D.电熨斗中的双金属片是温度传感器【解析】热敏电阻是可以将温度这个热学量转换为电阻这个电学量的元件，A错误；金属热电阻化学稳定性好，但灵敏度差，B错误，C、D正确.【答案】CD10.电容式话筒的保真度比动圈式话筒好，其工作原理如图7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.当膜片向右运动的过程中有()图7A.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【解析】由C知，膜片向右运动的过程中，d减小，所以电容变大，电容器两端电压没有变化，电容器要继续充电，所以导线AB中有向左的电流.【答案】AC二、非选择题(本大题共3个小题，共40分，按题目要求作答.)11.(12分)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8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1 min后断开，灯泡熄灭.根据上述信息和原理图，我们可推断：图8按钮开关K按下前，发光二极管是 (填“发光的”或“熄灭的”)，按钮开关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 .限流电阻R的阻值和灯丝电阻RL相比，应满足R RL的条件.【解析】开关K按下前，S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1 min后断开，故灯泡L能持续发光1 min，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RRL.【答案】发光的1熄灭的12.(14分)如图9所示，图甲为某热敏电阻的Rt图像，图乙为用此热敏电阻R和继电器组成的一个简单的恒温箱温控电路，继电器线圈的电阻为150 .当线圈中的电流大于或等于20 mA时，继电器的衔铁被吸合.为继电器线圈供电的电池的电动势E6 V，内阻不计.图中的“电源”是恒温箱加热器的电源.(1)应该把恒温箱内的加热器接在A、B两端还是C、D两端？(2)如果要使恒温箱内的温度保持100，滑动变阻器R的阻值应调节为多少？甲 乙图9【解析】(1)应接在A、B两端.(2)由题图甲可知，t100时R50 ，则t100 时继电器电路中的电流I又E6 V，I20 mA，R继150 代入数据，解得R100 .【答案】(1)应接在A、B两端(2)100 13.(14分)加速度计是测定物体加速度的仪器.在现代科技中，它已成为导弹、飞机、潜艇或宇宙飞船制导系统的信息源.如图10所示为应变式加速度计.当系统加速时，加速度计中的敏感元件也处于加速状态.敏感元件由弹簧连接并架在光滑支架上，架与待测系统固定在一起，敏感元件下端可在滑动变阻器R上自由滑动.当系统加速运动时，敏感元件发生位移并转换为电信号输出，就可以根据输出电压的大小求出物体的加速度.图10已知：敏感元件的质量为m，两侧弹簧的劲度系数均为k，电源电动势为E，电源内阻不计，滑动变阻器的总电阻值为R，有效长度为l，静态时，输出电压为U0，试写出加速度a随输出电压U变化的关系式.【解析】设静态时，滑动变阻器滑片与变阻器左端的距离为x，则有：U0R当系统以加速度a向左加速时，设敏感元件向右移动x，则对敏感元件由牛顿第二定律得：2kxma此时输出电压UR由以上三式得a当UU0时，系统为向左加速；当UU0时，系统为向右加速.【答案】a