高中物理第6章传感器2传感器的应用练习新人教版选修3Word文件下载.docx

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B．物体处于超重状态

C．升降机一定向上做匀加速运动

D．升降机可能向下做匀减速运动

2．传感器是一种采集信息的重要器件，如图2所示的是一种测定压力的电容式传感器，当待测压力F作用于可动膜片的电极上时，以下说法中正确的是（　　）

图2

①若F向上压膜片电极，电路中有从a到b的电流

②若F向上压膜片电极，电路中有从b到a的电流

③若F向上压膜片电极，电路中不会出现电流

④若电流表有示数，则说明压力F发生变化

⑤若电流表有示数，则说明压力F不发生变化

A．②④　　　B．①④　　　C．③⑤　　　D．①⑤

知识点二　温度传感器的应用

3．关于电饭锅的说法正确的是（　　）

A．电饭锅中的温度传感器其主要元件是氧化铁

B．铁氧体在常温下具有铁磁性，温度很高时失去铁磁性

C．用电饭锅烧水，水开时能自动断电

D．用电饭锅煮饭时，温控开关自动断电后，它不能自动复位

4．如图3所示是电饭煲的电路图，S1是一个温控开关，手动闭合后，当此开关温度达到居里点（103℃）时会自动断开，S2是一个自动温控开关，当温度低于70℃时会自动闭合；

温度高于80℃时会自动断开，红灯是加热时的指示灯，黄灯是保温时的指示灯，分流电阻R1＝R2＝500Ω，加热电阻丝R3＝50Ω，两灯电阻不计．

图3

（1）分析电饭煲的工作原理．

（2）简要回答，如果不闭合开关S1，能将饭煮熟吗？

（3）计算加热和保温两种状态下，电饭煲消耗的电功率之比．

知识点三　光传感器的应用

5．在如图4所示的电路中，电源两端的电压恒定，L为小灯泡，R为光敏电阻，LED为发光二极管（电流越大，发出的光越强），且R与LED之间的距离不变，下列说法正确的是（　　）

图4

A．当滑动触头P向左移动时，L消耗的功率增大

B．当滑动触头P向左移动时，L消耗的功率减小

C．当滑动触头P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P，L消耗的功率都不变

6．如图5为烟雾散射式火灾报警器，它主要由带孔的外罩，发光二极管LED、光电三极管及不透明的挡板组成，请简述它的工作原理．

图5

【方法技巧练】

传感器问题的分析技巧

7．电熨斗在达到设定的温度后就不再升温，当温度降低时又会继续加热，使它总与设定的温度相差不多．在熨烫不同的织物时，设定的温度可以不同，进行这样的控制，靠的是温度传感器．电熨斗中装有双金属片温度传感器，这种双金属片的作用是控制电路的通断，如图6所示为电熨斗的结构图，图中双金属片上层金属的膨胀系数大于下层金属，请结合所学知识回答以下问题：

图6

（1）常温下，上、下触点应当是接触的还是分离的？

当温度过高时双金属片将起怎样的作用？

（2）熨烫棉麻衣物和熨烫丝绸衣物需要设定不同的温度，这是如何利用调温旋钮来实现的？

8．如图7所示为某种电子秤的原理示意图，AB为一均匀的滑线电阻，阻值为R，长度为L，两边分别有P1、P2两个滑动头，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，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：

图7

（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校准零点，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．

1．关于电子秤中应变式力传感器说法正确的是（　　）

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

2．电子秤使用的是（　　）

A．超声波传感器B．压力传感器

C．温度传感器D．红外传感器

3．在电梯门口放置一障碍物，会发现电梯门不停地开关，这是由于在电梯门上装有的传感器是（　　）

A．光传感器B．温度传感器

C．声传感器D．压力传感器

4．下列器件不是应用温度传感器的是（　　）

A．电熨斗B．话筒

C．电饭锅D．测温仪

5.惯性制导系统已广泛应用于弹道式导弹工程中，这个系统的重要元件之一是加速度计．加速度计构造和原理的示意图如图8所示：

沿导弹长度方向安装的固定光滑杆上套一质量为m的滑块，滑块两侧分别与劲度系数均为k的弹簧相连；

两弹簧的另一端与固定壁相连．滑块原来静止，弹簧处于自然长度，滑块上有指针，可通过标尺测出滑块的位移，然后通过控制系统进行制导．设某段时间内导弹沿水平方向运动，指针向左偏离O点的距离为x，则这段时间内导弹的加速度（　　）

图8

A．方向向左，大小为kx/m

B．方向向右，大小为kx/m

C．方向向左，大小为2kx/m

D．方向向右，大小为2kx/m

6．如图9所示为一种自动跳闸的闸刀开关，O是转动轴，A是绝缘手柄，C是闸刀卡口，M、N接电源线，闸刀处于垂直纸面向里、B＝1T的匀强磁场中，CO间距离为10cm，当磁场力为0.2N时，闸刀开关会自动跳开．则要使闸刀开关能跳开，CO中通过的电流的大小和方向为（　　）

图9

A．电流方向C→O

B．电流方向O→C

C．电流大小为1A

D．电流大小为0.5A

7．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10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（　　）

图10

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

8．如图11所示，两块水平放置的金属板距离为d，用导线、电键K与一个n匝的线圈连接，线圈置于方向竖直向上的变化磁场B中．两板间放一台小压力传感器，压力传感器上表面静止放置一个质量为m、电荷量为＋q的小球．K断开时传感器上有示数，K闭合时传感器上恰好无示数．则线圈中的磁场B的变化情况和磁通量变化率分别是（　　）

图11

A．正在增加，

＝

　　B．正在减弱，

C．正在减弱，

D．正在增加，

题　号

1

2

3

4

5

6

7

8

答　案

9．一般的电熨斗用合金丝做发热元件，合金丝电阻随温度t变化的关系如图12中实线①所示．由于环境温度以及熨烫的衣服厚度、干湿等情况不同，熨斗的散热功率不同，因而熨斗的温度可能会在较大的范围内波动，易损坏衣物．有一种用主要成分为BaTiO3，被称为“PTC”的特殊材料做发热元件的电熨斗，具有升温快、能自动控制温度的特点．PTC材料的电阻随温度变化的关系如图11中实线②所示．

根据图线分析：

图12

（1）为什么处于冷态的PTC熨斗刚通电时比普遍电熨斗升温快？

（2）通电一段时间后电熨斗温度t自动地稳定在______＜t＜______范围之内．

10．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（如黑天）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，黑天打开．电磁开关的内部结构如图13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.

图13

（1）利用以下器材设计一个自动控制路灯的电路，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

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．

③任意举出一个其它的电磁铁应用的例子．

第2节　传感器的应用答案

课前预习练

放大（转换）电路→放大（转换）电路→执行机构（或显示系统）

2．应变片　电阻　形变　电压　力

3．感温铁氧体　铁磁性　失去磁性

4．C　[空调机根据温度调节工作状态，所以内部使用了温度传感器，故C正确．]

5．D　[鼠标器中的传感器是红外线接收管，属于光传感器；

火灾报警器中传感器是光电三极管，属于光传感器；

测温仪用的是温度传感器；

电子秤的敏感元件是应变片，是力传感器，D正确．]

6．A　[遥控器发出红外线，电视中的传感器感知红外线，是红外线传感器，所以A选项正确．]

课堂探究练

1．BD　[由乙图知电流强度变为原来的二倍，而加在压敏电阻两端的电压不变，说明压敏电阻的阻值减小，即物体对压敏电阻的压力增大，物体所受支持力大于重力，升降机匀加速上升或匀减速下降，处于超重状态，故选B、D.]

2．A　[当F向上压膜片电极时，板间距离减小，电容器的电容将增大．当F变化时，电容变化，而板间电压不变，由Q＝CU，故带电荷量Q发生变化，电容器将发生充、放电现象，回路中有电流，电流计有示数．反之，电流计有示数时，压力F必发生变化．]

点评　力传感器能够把物体的形变转换为电压或电流的变化，外力越大，电压或电流的变化就越大，由变化的差值大小，可以得知外力的大小．

3．BD　[电饭锅中的温度传感器其主要元件是铁氧体，故A选项错，B选项正确．因水开时温度约为100℃，达不到居里温度，故不能自动断电，则选项C错．温控开关只能手动闭合，故D正确．]

4．

（1）见解析　

（2）不能　（3）12∶1

解析　

（1）电饭煲盛上食物后，接上电源，S2自动闭合，同时手动闭合S1，这时黄灯短路，红灯亮，电饭煲处于加热状态，加热到80℃时，S2自动断开，S1仍闭合；

水烧开后，温度升高到103℃时，开关S1自动断开，这时饭已煮熟，黄灯亮，电饭煲处于保温状态，由于散热，待温度降至70℃时，S2自动闭合，电饭煲重新加热，温度达到80℃时，S2又自动断开，再次处于保温状态．

（2）如果不闭合开关S1，则不能将饭煮熟，因为只能加热到80℃.

（3）加热时电饭煲消耗的电功率为P1＝

，保温时电饭煲消耗的电功率P2＝

，两式中R并＝

Ω.从而有P1∶P2＝

＝12∶1.

点评　①电饭煲的工作过程：

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，水沸腾后，由于锅内保持100℃不变，故感温磁体仍与永磁体相吸，继续加热，直到饭熟后，水分被大米吸收，锅底温度升高，当温度升至“居里点103℃”时，感温磁体失去铁磁性，在弹簧作用下，永磁体被弹开，触点分离，切断电源，从而停止加热．

②如果用电饭煲烧水，水沸腾后，锅内保持100℃不变，温度低于“居里点103℃”，电饭煲不能自动断电．只有水烧干后，温度升高到103℃才能自动断电．因此，电饭煲用来烧水不能实现自动控温．

5．A　[滑动触头P左移，使其电阻减小，流过二极管的电流增大，从而发光增强，使光敏电阻R减小，最终达到增大流过灯泡的电流的效果．]

6．见解析

解析　使用时发光二极管处于发光状态，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．

点评　发光二极管具有单向导电性，导电时还能发光．普通二极管只具有单向导电性．

7．

（1）常温下，上、下触点应是接触的，但温度过高时，由于双金属片上、下表面受热膨胀系数不同，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．

（2）熨烫棉麻衣物和熨烫丝绸衣物需要设定不同的温度，此时可通过调温旋钮调节升降螺丝，升降螺丝带动弹性铜片升降，从而改变触点接触的位置，达到设定不同温度的目的．

8．

（1）

（2）

　（3）m＝

U

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，则其阻值与长度成正比．

（1）由力的平衡知识知m0g＝kx1，解得x1＝

（2）放上重物重新平衡后m0g＋mg＝kx2

解得x2＝

（3）由闭合电路欧姆定律知E＝IR，

由部分电路欧姆定律知U＝IR串，

由

，其中x为P1、P2间的距离，则x＝x2－x1＝

联立解得m＝

方法总结　分析传感器问题要注意四点

（1）感受量分析

要明确传感器所感受的物理量，如力、热、光、磁、声等．

（2）输出信号分析

明确传感器的敏感元件，分析它的输入信号及输出信号，以及输入信号与输出信号间的变化规律．

（3）电路结构分析

认真分析传感器所在的电路结构，在熟悉常用电子元件工作特点的基础上，分析电路输出信号与输入信号间的规律．

（4）执行机构工作分析

传感器的应用，不仅包含非电学量如何向电学量转化的过程，还包含根据所获得的信息控制执行机构进行工作的过程．

课后巩固练

1．BD　[应变片多用半导体材料制成，故选项A错，B对．传感器输出的是应变片上、下两表面的电压差，并且随着外力的增大，输出的电压差值也就越大，故C错，D对]

2．B

3．D　[当电梯门碰到人或其他障碍物时立即停止关门以防挤伤人，故为压力传感器．]

4．B

5．D　[滑块随导弹一起做加速运动，向左偏离O点的距离为x，使左侧弹簧被压缩，右侧弹簧被拉长，则滑块所受合力为2kx，方向向右，故加速度方向向右．由牛顿第二定律得：

2kx＝ma，滑块加速度大小为：

a＝2kx/m，故选D.]

C，由B＝

得I＝

＝2A．→C，由B＝

＝2A．]

7．B　[

小球下落的轨迹如右图所示，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F－t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F－t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．正确选项为B.]

8．D　[K闭合时传感器上恰好无示数，说明小球受竖直向上的电场力，且电场力大小等于重力．由楞次定律可判断磁场B正在增强，根据法拉第电磁感应定律E＝n

＝U，又

q＝mg得

，故D正确．]

9．

（1）见解析　

（2）T6　T7

解析　

（1）由于冷态时PTC材料电阻很小，故由P＝

知，其发热功率很大，所以升温很快．

（2）在T6～T7之间，电熨斗放出的热量和产生的热量才有可能相等，达到热平衡状态，所以电熨斗温度t自动地稳定在T6＜t＜T7范围之内．

10．

（1）见解析　

（2）①20　160～320

②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

③电磁起重机

解析　

（1）要使光敏电阻能够对电路进行控制，且有光照时路灯熄灭，光敏电阻应与1、2串联，3、4与路灯串联，则电路图如图右所示．

（2）

①由U＝IR得励磁线圈允许加的最大电压Um＝ImR＝0.1×

200V＝20V；

依据允许通过励磁线圈的电流最大值和最小值计算得R2min＝

Ω＝160Ω，R2max＝

Ω＝320Ω，因此保护电阻R2的阻值范围为160～320Ω；

不吸合时，3、4之间断开．

③电磁起重机．