内容正文:
高中物理 选择性必修二 第五章 传感器
5.1 认识传感器&5.2 常见传感器的工作原理及应用
神奇的传感器
知识点一
1.传感器的应用:
①楼道灯自动开启:这个开关会感知环境的明暗和声音的强弱。只有环境的亮度低于某一数值,同时声强高于某一数值时,声控—光控开关才会接通,灯才会亮。
②自动门:有的自动门装有一种装置,当人走近时,可以检测出人体向外辐射的红外线,从而发出使自动 门开关启动的命令。这种装置就是红外线传感器。
③便携式酒精检测仪:司机对着 “便携式酒精检测仪”呼气,检测仪就会显示呼出气体中的酒精浓度,这是因为检测仪上装有“乙醇传感器”,它能感知乙醇的浓度。
④传感器:它能够感受诸如力、温度、光、声、化学成分等被测量,并能把它们按照一定的规律转换为便于传送和处理的可用信号输出。通常转换成的可用信号是电压、电流等电学量,或转换为电路的通断。把非电学量转换为电学量, 可以很方便地进行测量、传输、处理和控制。
2.传感器的核心元件
(1)敏感元件:相当于人的感觉器官,直接感受被测量,并将其变换成与被测量成一定关系的易于测量的物理量,如温度、位移等。
(2)转换元件:也称为传感元件,通常不直接感受被测量,而是将敏感元件输出的物理量转换成电学量输出。
(3)转换电路:是将转换元件输出的电学量转换成易于测量的电学量,如电压、电流等。
3.传感器的工作原理
传感器感受的通常是非电学量,如压力、温度、位移、浓度、速度、酸碱度等,而它输出的通常是电学量,如电压、电流、电荷量等,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。传感器的工作原理如下所示:
传感器的种类
知识点二
1.传感器的种类:力传感器、磁传感器、声传感器等物理传感器。
2.电化学反应原理:把无机或有机化学物质的成分、浓度等转换为电信号。
3.生物活性物质:利用生物活性物质选择性来识别和测定生物化学物质,如酶传感器、微生物传感器、 细胞传感器等生物传感器。
常见传感器的工作原理及应用
知识点四
一、光敏电阻
1.特点:光照越强,电阻越小。
2.原因:光敏电阻的构成物质为半导体材料,无光照时,载流子极少,导电性能不好;随着光照的增强,载流子增多,导电性变好。
3.作用:把光照强弱这个光学量转换为电阻这个电学量。
二、热敏电阻和金属热电阻
1.热敏电阻
热敏电阻由半导体材料制成,其电阻随温度的变化明显,温度升高电阻减小,如图甲所示为某一热敏电阻的电阻随温度变化的特性曲线。
甲 乙
2.金属热电阻
有些金属的电阻率随温度的升高而增大,这样的电阻也可以制作温度传感器,称为热电阻,如图乙所示为某金属导线电阻的温度特性曲线。
3.热敏电阻与金属热电阻的区别
热敏电阻
金属热电阻
特点
电阻随温度的变化而变化且非常明显
电阻率随温度的升高而增大
制作材料
半导体
金属导体
优点
灵敏度好
化学稳定性好,测温范围大
作用
能够将温度这个热学量转换为电阻这个电学量
4.注意:在工作温度范围内,电阻值随温度上升而增加的是正温度系数(PTC)热敏电阻器;电阻值随温度上升而减小的是负温度系数(NTC)热敏电阻器。
3、 力传感器的应用——电子秤
1.电子秤组成及敏感元件:由金属梁和应变片组成,敏感元件是应变片。
2.工作原理:
3.作用:应变片将物体形变这个力学量转换为电压这个电学量。
4、 电容式传感器:电容器的电容决定于极板间的正对面积S、极板间距d、极板间的电介质这几个因素。如果某个物理量(如角度θ、位移x、深度H等)的变化引起上述某个因素的变化,从而引起电容的变化,通过电容的变化就可以确定上述物理量的变化,这种电容器称为电容式传感器。
1.常见电容式传感器
名称
传感器
原理
测定角度θ的
电容式传感器
当动片与定片之间的角度θ发生变化时,引起极板正对面积S的变化,使电容C发生变化,知道C的变化,就可以知道θ的变化情况
测定液面高度h的
电容式传感器
在导线芯的外面涂上一层绝缘物质,放入导电液体中,导线芯和导电液体构成电容器的两个极,导线芯外面的绝缘物质就是电介质,液面高度h发生变化时,引起正对面积发生变化,使电容C发生变化,知道C的变化,就可以知道h的变化情况
测定压力F的
电容式传感器
待测压力F作用于可动膜片电极上的时候,膜片发生形变,使极板间距离d发生变化,引起电容C的变化,知道C的变化,就可以知道F的变化情况
测定位移x的
电容式传感器
随着电介质进入极板间的长度发生变化,电容C发生变化,知道C的变化,就可以知道x的变化情况
基础过关
1. 思考判断(正确的打“√”,错误的打“×”)
(1)传感器是把非电学量转换为电学量的元件。 ( )
(2)所有传感器的材料都是由半导体材料做成的。 ( )
(3)传感器只能感受温度和光两个物理量。 ( )
(4)传感器可以将所有感受到的信号都转换为电学量。 ( )
(5)光敏电阻的阻值随光照的强弱而变化,光照越强电阻越大. ( )
(6)热敏电阻是由金属制成的,对温度感知灵敏。 ( )
(7)热敏电阻一般用半导体材料制作,导电能力随温度的升高而增强,但灵敏度低. ( )
(8)只有热敏电阻才能把温度这个热学量转换为电阻这个电学量。 ( )
(9)干簧管是根据热胀冷缩的原理制成的。 ( )
(10)电阻应变片能够把物体的形变情况转变为电阻的变化. ( )
(11)电子秤所使用的测力装置是力传感器,它是把力信号转化为电压信号。 ( )
2.(多选)传感器担负着信息采集的任务,它可以( )
A.将力学量(如形变量)转变成电学量
B.将热学量转变成电学量
C.将光学量转变成电学量
D.将电学量转变成力学量
3.关于传感器及其作用,下列说法正确的是( )
A.传感器一定是把非电学量转换为电学量
B.传感器一定是把非电学量转换为电路的通断
C.传感器把非电学量转换为电学量是为了方便地进行测量、传输、处理和控制
D.电磁感应是把磁学的量转换为电学的量,所以电磁感应也是传感器
4. (多选)利用半导体材料可以制成( )
A. 标准电阻
B. 热敏电阻
C. 光敏电阻
D. 温度报警器
5.某学习小组的同学在用多用电表研究热敏特性实验中,安装好如图所示的装置。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.多用电表应选用电流挡,温度升高换用大量程测量
B.多用电表应选用电流挡,温度升高换用小量程测量
C.多用电表应选用欧姆挡,温度升高时换用倍率大的挡
D.多用电表应选用欧姆挡,温度升高时换用倍率小的挡
传感器的原理和分类
考点一
【例1】关于传感器,下列说法正确的是( )
A.所有传感器都是由半导体材料制成的
B.金属材料也可以制成传感器
C.传感器主要是通过感知电压的变化来传递信号的
D.水银温度计是一种传感器
【例2】许多办公楼及宿舍楼的楼梯上的电灯白天不亮,到了晚上能够自动做到“人来即亮,人走即灭”,其神奇功能在于控制灯的“开关”传感器,下列有关该传感器的说法正确的是( )
A.该传感器能够测量的物理量是位移和温度
B.该传感器能够测量的物理量是位移和光强
C.该传感器能够测量的物理量是光强和声音
D.该传感器能够测量的物理量是压力和位移
【例3】全面了解汽车的运行状态(速度、水箱温度、油量)是确保汽车安全行驶和驾驶员安全的举措之一,为模仿汽车油表原理,某同学自制一种测定油箱油量多少或变化多少的装置。如图所示,其中电源电压保持不变,R是滑动变阻器,它的金属滑片是金属杆的一端。该同学在装置中使用了一只电压表(图中没有画出),通过观察电压表示数,可以了解油量情况,你认为电压表应该接在图中的 两点之间,按照你的接法请回答:当油箱中油量减少时,电压表的示数将 (选填“增大”或“减小”)。
敏感元件的认识与使用
考点二
【例4】传感器已广泛应用在生产、生活中,下列关于传感器的说法正确的是( )
A.火警报警器使用了压力传感器
B.冰箱控温系统使用了温度传感器
C.商场里的自动门使用了光传感器
D.夜间自动打开的路灯使用了温度传感器
【例5】如图所示,R1为定值电阻,R2为负温度系数的热敏电阻(负温度系数热敏电阻是指阻值随温度的升高而减小的热敏电阻),L为小灯泡,当温度降低时( )
A. R1两端的电压增大
B.电流表的示数增大
C.小灯泡的亮度变强
D.小灯泡的亮度变弱
【例6】(多选)如图所示,Rt为正温度系数热敏电阻,R1为光敏电阻,R2和R3均为定值电阻,电源电动势为E,内阻为r,为理想电压表,现发现电压表示数增大,可能的原因是( )
A.热敏电阻温度升高,其他条件不变
B.热敏电阻温度降低,其他条件不变
C.光照增强,其他条件不变
D.光照减弱,其他条件不变
【例7】(多选)如图R1、R2为定值电阻,L为小灯泡,R3为光敏电阻,当入射光强度增大时( )
A.电压表的示数增大
B.R2中电流减小
C.小灯泡的功率增大
D.电路的路端电压增大
【例8】(多选)在温控电路中,通过热敏电阻阻值随温度的变化可实现对电路相关物理量的控制。如图所示电路,R1为定值电阻,R2为半导体热敏电阻(温度越高电阻越小),C为电容器。当环境温度降低时( )
A.电容器C的带电荷量增大
B.电压表的读数增大
C.电容器C两板间的电场强度减小
D.R1消耗的功率增大
【例9】压敏电阻的阻值随所受压力的增大而减小,有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绝缘小车上,中间放置一个绝缘重球。小车向右做直线运动过程中,电流表示数如图乙所示,下列判断正确的是( )
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
【例10】有一种测量人体重的电子秤,其原理图如图中的虚线所示.它主要由三部分构成:踏板和压力杠杆ABO、压力传感器R(一个阻值可随压力大小而变化的电阻器)、显示体重的仪表(其实质是电流表).其中AO∶BO=5∶1.已知压力传感器的电阻与其所受压力的关系如下表所示:
压力F/N
0
50
100
150
200
250
300
…
电阻R/Ω
300
270
240
210
180
150
120
…
设踏板的杠杆组件的质量不计,接通电源后,压力传感器两端电压恒为4.68 V,则:
(1)利用表中数据归纳出电阻R随压力F变化的函数关系式;
(2)该秤零刻度线(即踏板空载时的刻度线)应标在电流表刻度盘多少毫安处?
(3)如果某人站在踏板上,电流表刻度盘示数为20 mA,这个人的体重是多少?(取g=10 N/kg)
电容式传感器
考点三
【例11】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
【例12】传感器是将能感受的物理量(如力、热、光、声等)转换成便于测量的量(一般是电学量)的一类元件,在自动控制中有相当广泛的应用,如图所示的装置是一种测定液面高度的电容式传感器。金属芯线与导电液体构成一个电容器,从电容C大小的变化情况就能反映出液面高度h的高低情况,则两者的关系是( )
①C增大表示h增大 ②C增大表示h减小 ③C减小表示h减小 ④C减小表示h增大
A.只有①正确 B.只有①、③正确
C.只有②正确 D.只有②、④正确
课后巩固
1.【难度1】(多选)关于传感器的作用,下列说法中正确的有( )
A.通常的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
2.【难度2】关于光敏电阻和热敏电阻,下列说法中正确的是( )
A.光敏电阻是用半导体材料制成的,其阻值随光照增强而减小,随光照的减弱而增大
B.光敏电阻是能把光照强度这个光学量转换为电流这个电学量的传感器
C.热敏电阻是用金属铂制成的,它对温度感知很灵敏
D.热敏电阻是把热量这个热学量转换为电阻这个电学量的传感器
3.【难度2】有一电学元件,温度升高时其电阻减小,这种元件可能是( )
A.金属导体
B.光敏电阻
C.NTC热敏电阻
D.PTC热敏电阻
4.【难度2】(多选)电子电路中常用到一种称为“干簧管”的元件(如图所示),它的结构很简单,只是玻璃管内封入的两个软磁性材料制成的簧片。当磁体靠近干簧管时,两个簧片被磁化而接通,所以干簧管能起到开关的作用,操纵开关的是磁场这只看不见的“手”。关于干簧管,下列说法正确的是( )
A.干簧管接入电路中相当于电阻的作用
B.干簧管是根据热胀冷缩的原理制成的
C.两个磁性材料制成的簧片接通的原因是被磁化后相互吸引
D.干簧管接入电路中相当于开关的作用
5.【难度2】办公大楼的大门能“看到”人的到来或离开而自动开或关,利用的传感器是( )
A.生物传感器
B.红外传感器
C.温度传感器
D.压力传感器
6.【难度2】电视机中有一个传感器,能将遥控器发出的红外线信号转化为电信号,下列装置中也利用了这种传感器的是( )
A.电话机的话筒
B.楼道里的声控开关
C.空调中的遥控接收器
D.冰箱中的温控器
7.【难度2】有一些星级宾馆的洗手间装有自动干手机,洗手后将湿手靠近,机内的传感器就开通电热器加热,有热空气从机内喷出,将湿手烘干,手靠近自动干手机能使传感器工作,是因为改变了( )
A.湿度
B.温度
C.磁场
D.电容
8.【难度2】街道旁的路灯利用半导体的电学特性制成了白天自动熄灭,夜晚自动点亮的装置,该装置利用了半导体的( )
A.光敏性
B.压敏性
C.热敏性
D.三个特性同时应用
9.【难度2】许多饮水机,可以保证出水温度恒定,采取的方法是( )
A.持续加温
B.设定程式,固定各次加温时间及加热时间间隔
C.水温低于设定温度时加热,达到设定温度时,停止加热
D.人工控制加温按钮
10.【难度2】(多选)下列关于电子秤中应变式力传感器的说法正确的是( )
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,输出的电压值也越大
11.【难度2】唱卡拉OK用的话筒,内有传感器,其中有一种是动圈式的,它的工作原理是在弹性膜片后面粘接一个轻小的金属线圈,线圈处于永磁体的磁场中,当声波使膜片前后振动时,就将声音信号转变为电信号,下列说法正确的是 ( )
A.该传感器是根据电流的磁效应工作的
B.该传感器是根据电磁感应原理工作的
C.膜片振动时,穿过金属线圈的磁通量不变
D.膜片振动时,金属线圈中不会产生感应电动势
12.【难度2】如图是电容式话筒的示意图,它是利用电容制成的传感器,话筒的振动膜前面有薄薄的金属层,膜后距膜几十微米处有一金属板,振动膜上的金属层和这个金属板构成电容器的两极.在两极间加一电压U,人对着话筒说话时,振动膜前后振动,使电容发生变化,从而使声音信号被话筒转化为电信号,其中导致电容变化的原因是电容器两板间的 ( )
A.距离变化
B.正对面积变化
C.电介质变化
D.电压变化
13.【难度2】如图电吉他的弦是磁性物质,当弦振动时,线圈中产生感应电流,感应电流输送到放大器、喇叭,把声音播放出来,下列说法正确的是( )
A.电吉他是光电传感器
B.电吉他是温度传感器
C.电吉他是声音传感器
D.弦改用尼龙材料,原理不变
14.【难度2】传感器在日常生活中的应用越来越广泛,温度传感器(实质是自动开关)是其中的一种。某一食品消毒柜就是利用温度传感器来自动控制电路的。常温下,该温度传感器是闭合的;当温度达到某一设定值时,传感器自动断开,从而切断整个电路。下列关于该消毒柜的几种电路图中(图中S为电源开关),连接正确的是( )
A B C D
15.【难度2】居民楼的楼道里,夜里只是偶尔有人经过,电灯如果总是亮着会造成很大浪费。科研人员利用“光敏”材料制成“光控开关”,天黑时自动闭合,天亮时自动断开;利用“声敏”材料制成“声控开关”,当有人走动发出声音时自动闭合,无人走动时自动断开。若将这两种开关配合使用,下列电路符合要求的是( )
A B C D
16.【难度3】(多选)电容式传感器是将非电信号转换为电信号的装置.由于电容器的电容C取决于极板正对面积S、极板间距离d以及极板间的电介质这几个因素,当某一物理量发生变化时就能引起上述某个因素的变化,从而引起电容的变化,如图是四个电容式传感器的示意图,关于这四个传感器的作用,下列说法正确的是( )
A.甲图的传感器可以用来测量角度
B.乙图的传感器可以用来测量液面的高度
C.丙图的传感器可以用来测量压力
D.丁图的传感器只能用来测量速度
17.【难度3】如图将一光敏电阻接入多用电表两表笔上,将多用电表的选择开关置于欧姆挡,用光照射光敏电阻时,表针的偏转角为θ;现用手掌挡住部分光线,表针的偏转角为θ′,则可判断( )
A.θ′=θ
B.θ′<θ
C.θ′>θ
D.不能确定
18.【难度3】如图R3是光敏电阻(光照增强时电阻变小),当开关S闭合后,在没有光照射时,a、b两点等电势.当用光照射电阻R3时,则(电源内阻不计)( )
A.a点电势高于b点电势
B.a点电势低于b点电势
C.a点电势等于b点电势
D.a点电势和b点电势的大小无法比较
19.【难度3】(多选)如图理想变压器的原线圈与定值电阻r串联,副线圈接热敏电阻RT(温度升高,阻值减小),在正弦交流电源的电压U0不变的情况下,下列说法正确的是( )
A.当RT的温度升高时,原线圈两端的电压一定减小
B.当RT的温度升高时,原线圈中的电流一定减小
C.当RT的温度降低时,r消耗的功率一定减小
D.当RT的温度降低时,r消耗的功率一定增大
20.【难度3】影响物质材料电阻率的因素很多,一般金属材料的电阻率随温度的升高而增大,而半导体材料的电阻率则与之相反,随温度的升高而减小。某课题研究组在研究某种导电材料的用电器件Z的导电规律时,利用如图甲所示的分压电路,测得其电压与电流的关系如表所示:
U/V
0.40
0.60
0.80
1.00
1.20
1.50
1.60
I/A
0.20
0.45
0.80
1.25
1.80
2.81
3.20
甲 乙
(1)根据表中数据,用电器件Z可能属于上述哪类材料?
(2)把用电器件Z接入图乙所示的电路中,闭合开关,电流表的读数为1.8 A,电池的电动势为3 V,内阻不计,电阻R的电功率为多大?
1.【难度3】(多选)有定值电压、热敏电阻、光敏电阻三只元件,将这三只元件分别接入如图所示电路中的A、B两点后,用黑纸包住元件或者把元件置入热水中,观察欧姆表的示数,下列说法中正确的是( )
A.置入热水中与不置入热水中相比,欧姆表示数变化较大的一定是热敏电阻
B.置入热水中与不置入热水中相比,欧姆表示数不变化的一定是定值电阻
C.用黑纸包住与不用黑纸包住相比,欧姆表示数变化较大的一定是光敏电阻
D.用黑纸包住与不用黑纸包住相比,欧姆表示数相同的一定是定值电阻
2.【难度3】(多选)如图为电阻R随温度T变化的图线。下列说法中正确的是( )
A.图线1是热敏电阻的图线,它是用金属材料制成的
B.图线2是热敏电阻的图线,它是用半导体材料制成的
C.图线1对应的材料化学稳定性好、测温范围大、灵敏度高
D.图线2对应的材料化学稳定性差、测温范围小、灵敏度高
1.【难度3】传感器可将非电学量转化为电学量起自动控制作用,如计算机鼠标中有位移传感器,电饭煲中有温度传感器,电视机、录像机、影碟机、空调机中有光电传感器,如图是演示位移传感器的工作原理图,物体M在导轨上平移时,带动滑动变阻器的滑动触头滑动,通过电压表显示的数据来反映物体位移的大小,假设电压表是理想的,则下列说法正确的是( )
A.物体M运动时,电源内的电流会发生变化
B.物体M运动时,电压表的示数会发生变化
C.物体M不动时,电路中没有电流
D.物体M不动时,电压表没有示数
2.【难度3】(多选)利用光敏电阻制作的光传感器,记录了传送带上工件的输送情况,如图甲所示为某工厂成品包装车间的光传感记录器,光传感器B能接收到发光元件A发出的光,每当工件挡住A发出的光时,光传感器输出一个电信号,并在屏幕上显示出电信号与时间的关系,如图乙所示.若传送带始终匀速运动,每两个工件间的距离为0.2 m,则下述说法正确的是( )
A.传送带运动的速度是0.1 m/s
B.传送带运动的速度是0.2 m/s
C.该传送带每小时输送3 600个工件
D.该传送带每小时输送7 200个工件
3.【难度3】如图甲图是录音机的录音电路原理图,乙图是研究自感现象的实验电路图,丙图是光电传感的火灾报警器的部分电路图,丁图是电容式话筒的电路原理图,下列说法错误的是( )
A.甲图中录音机录音时,由于话筒的声电转换,线圈中变化的电流在磁头缝隙处产生变化的磁场
B.乙图电路中,开关断开瞬间,灯泡会突然闪亮一下,并在开关处产生电火花
C.丙图电路中,当有烟雾进入罩内时,光电三极管上就会因烟雾的散射而有光的照射,表现出电阻的变化
D.丁图电路中,当声波使膜片振动时,电容发生变化,会在电路中产生变化的电流
4.【难度3】如图6是安装在潜水器上深度表的电路简图,显示器由电流表(电阻不计)改装而成,压力传感器的电阻随压力的增大而减小,电源电动势不变,内阻为r,定值电阻阻值为R0,在潜水器下潜过程中,电路中有关物理量的变化情况是( )
A.通过显示器的电流减小
B.R0两端的电压增大
C.传感器两端的电压增大
D.电路的总功率减小
5.【难度3】压敏电阻的阻值随所受压力的增大而减小,有位同学设计了利用压敏电阻判断竖直升降机运动状态的装置,其工作原理图如图甲,将压敏电阻固定在升降机底板上,其上放置一个物块,在升降机运动的过程中,电流表示数如图乙所示,已知升降机静止时电流表的示数为I1.下列判断正确的是( )
A.0到t1时间内,升降机一定静止
B.t1到t2时间内,升降机可能做匀加速直线运动
C.t1到t2时间内,升降机运动时的加速度在变化
D.t2到t3时间内,升降机可能向下匀速运动
6.【难度3】如图(a)所示的电路中,光敏电阻R2加上图(b)所示的光照时,R2两端的电压变化规律是图中的( )
A B C D
7.【难度3】如图所示是观察电阻R随温度变化情况的示意图。现在把杯中的水由冷水换为热水,关于欧姆表的读数变化情况正确的是( )
A.如果R为金属热电阻,读数变大,且变化非常明显
B.如果R为金属热电阻,读数变小,且变化不明显
C.如果R为热敏电阻(用半导体材料制作),读数变化非常明显
D.如果R为热敏电阻(用半导体材料制作),读数变化不明显
8. 【难度3】某温控电路的原理如图,RM是负温度系数的热敏电阻,R是滑动变阻器,某种仪器要求在15~27 ℃的环境中工作.当环境温度偏高或偏低时,控制器会自动启动降温或升温设备.下列说法正确的是( )
A.环境温度降低,RM的阻值减小
B.环境温度升高,Uab变大
C.滑片P向下移动时,Uab变大
D.调节滑片P的位置能改变降温和升温设备启动时的临界温度
9.【难度3】在输液时,药液有时会从针口流出体外,为了及时发现,设计了一种报警装置,电路如图所示。M是贴在针口处的传感器,接触到药液时其电阻RM发生变化,导致S两端电压U增大,装置发出警报,此时( )
A.RM变大,且R越大,U增大越明显
B.RM变大,且R越小,U增大越明显
C.RM变小,且R越大,U增大越明显
D.RM变小,且R越小,U增大越明显
10.【难度3】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。加速度计构造原理的示意图如图所示,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s,则这段时间内导弹的加速度( )
A.方向向左,大小为
B.方向向右,大小为
C.方向向左,大小为
D.方向向右,大小为
11.【难度3】如图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( )
A.正在增加,= B.正在增加,=
C.正在减弱,= D.正在减弱,=
12.【难度3】霍尔元件是一种磁传感器,是实际生活中的重要元件之一.如图为长度一定的霍尔元件,在该元件中通有方向从E到F的恒定电流I,在空间加一竖直向下的匀强磁场,磁感应强度大小为B,霍尔元件中的载流子为负电荷.则下列说法正确的是( )
A.该元件能把电学量转化为磁学量
B.左表面的电势高于右表面
C.如果用该元件测赤道处的磁场,应保持元件上表面呈水平状态
D.如果霍尔元件中的电流大小不变,则左、右表面的电势差与磁场的磁感应强度成正比
13.【难度3】温度传感器广泛应用于室内空调、电冰箱和微波炉等家用电器中,它是利用热敏电阻的阻值随温度变化而变化的特性工作的.在图11甲中,电源的电动势E=9.0 V,电源内电阻可忽略不计;G为小量程的电流表,电流表内阻RG保持不变;R为热敏电阻,其电阻值随温度的变化关系如图乙的R-t图线所示.闭合开关S.
(1)当R的温度等于40 ℃时,电流表示数I1=2.25 mA,求电流表内阻RG;
(2)当电流表的示数I2=4.5 mA时,求热敏电阻R的温度.
14.【难度3】传感器是把非电学量(如速度、温度、压力等)的变化转换成电学量的变化的一种元件,在自动控制中有着相当广泛的应用。有一种测量人的体重的电子秤,其测量部分的原理图如图中的虚线框所示,它主要由压力传感器R(电阻值会随所受压力大小发生变化的可变电阻)、显示体重大小的仪表 (实质是理想的电流表)组成。压力传感器表面能承受的最大压强为1.0×107 Pa,且已知压力传感器R的电阻与所受压力的关系如表所示。设踏板和压杆的质量可以忽略不计,接通电源后,压力传感器两端的电压恒为4.8 V,g取10 m/s2。请回答:
压力F/N
0
250
500
750
1 000
1 250
1 500
…
电阻R/Ω
300
270
240
210
180
150
120
…
(1)该秤零起点(即踏板空载时)的刻度线应标在电流表刻度盘 A处。
(2)如果某人站在该秤踏板上,电流表刻度盘的示数为20 mA,则这个人的体重是 kg。
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高中物理 选择性必修二 第五章 传感器
5.1 认识传感器&5.2 常见传感器的工作原理及应用
神奇的传感器
知识点一
1.传感器的应用:
①楼道灯自动开启:这个开关会感知环境的明暗和声音的强弱。只有环境的亮度低于某一数值,同时声强高于某一数值时,声控—光控开关才会接通,灯才会亮。
②自动门:有的自动门装有一种装置,当人走近时,可以检测出人体向外辐射的红外线,从而发出使自动 门开关启动的命令。这种装置就是红外线传感器。
③便携式酒精检测仪:司机对着 “便携式酒精检测仪”呼气,检测仪就会显示呼出气体中的酒精浓度,这是因为检测仪上装有“乙醇传感器”,它能感知乙醇的浓度。
④传感器:它能够感受诸如力、温度、光、声、化学成分等被测量,并能把它们按照一定的规律转换为便于传送和处理的可用信号输出。通常转换成的可用信号是电压、电流等电学量,或转换为电路的通断。把非电学量转换为电学量, 可以很方便地进行测量、传输、处理和控制。
2.传感器的核心元件
(1)敏感元件:相当于人的感觉器官,直接感受被测量,并将其变换成与被测量成一定关系的易于测量的物理量,如温度、位移等。
(2)转换元件:也称为传感元件,通常不直接感受被测量,而是将敏感元件输出的物理量转换成电学量输出。
(3)转换电路:是将转换元件输出的电学量转换成易于测量的电学量,如电压、电流等。
3.传感器的工作原理
传感器感受的通常是非电学量,如压力、温度、位移、浓度、速度、酸碱度等,而它输出的通常是电学量,如电压、电流、电荷量等,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。传感器的工作原理如下所示:
传感器的种类
知识点二
1.传感器的种类:力传感器、磁传感器、声传感器等物理传感器。
2.电化学反应原理:把无机或有机化学物质的成分、浓度等转换为电信号。
3.生物活性物质:利用生物活性物质选择性来识别和测定生物化学物质,如酶传感器、微生物传感器、 细胞传感器等生物传感器。
常见传感器的工作原理及应用
知识点四
一、光敏电阻
1.特点:光照越强,电阻越小。
2.原因:光敏电阻的构成物质为半导体材料,无光照时,载流子极少,导电性能不好;随着光照的增强,载流子增多,导电性变好。
3.作用:把光照强弱这个光学量转换为电阻这个电学量。
二、热敏电阻和金属热电阻
1.热敏电阻
热敏电阻由半导体材料制成,其电阻随温度的变化明显,温度升高电阻减小,如图甲所示为某一热敏电阻的电阻随温度变化的特性曲线。
甲 乙
2.金属热电阻
有些金属的电阻率随温度的升高而增大,这样的电阻也可以制作温度传感器,称为热电阻,如图乙所示为某金属导线电阻的温度特性曲线。
3.热敏电阻与金属热电阻的区别
热敏电阻
金属热电阻
特点
电阻随温度的变化而变化且非常明显
电阻率随温度的升高而增大
制作材料
半导体
金属导体
优点
灵敏度好
化学稳定性好,测温范围大
作用
能够将温度这个热学量转换为电阻这个电学量
4.注意:在工作温度范围内,电阻值随温度上升而增加的是正温度系数(PTC)热敏电阻器;电阻值随温度上升而减小的是负温度系数(NTC)热敏电阻器。
3、 力传感器的应用——电子秤
1.电子秤组成及敏感元件:由金属梁和应变片组成,敏感元件是应变片。
2.工作原理:
3.作用:应变片将物体形变这个力学量转换为电压这个电学量。
4、 电容式传感器:电容器的电容决定于极板间的正对面积S、极板间距d、极板间的电介质这几个因素。如果某个物理量(如角度θ、位移x、深度H等)的变化引起上述某个因素的变化,从而引起电容的变化,通过电容的变化就可以确定上述物理量的变化,这种电容器称为电容式传感器。
1.常见电容式传感器
名称
传感器
原理
测定角度θ的
电容式传感器
当动片与定片之间的角度θ发生变化时,引起极板正对面积S的变化,使电容C发生变化,知道C的变化,就可以知道θ的变化情况
测定液面高度h的
电容式传感器
在导线芯的外面涂上一层绝缘物质,放入导电液体中,导线芯和导电液体构成电容器的两个极,导线芯外面的绝缘物质就是电介质,液面高度h发生变化时,引起正对面积发生变化,使电容C发生变化,知道C的变化,就可以知道h的变化情况
测定压力F的
电容式传感器
待测压力F作用于可动膜片电极上的时候,膜片发生形变,使极板间距离d发生变化,引起电容C的变化,知道C的变化,就可以知道F的变化情况
测定位移x的
电容式传感器
随着电介质进入极板间的长度发生变化,电容C发生变化,知道C的变化,就可以知道x的变化情况
基础过关
1. 思考判断(正确的打“√”,错误的打“×”)
(1)传感器是把非电学量转换为电学量的元件。 (√)
(2)所有传感器的材料都是由半导体材料做成的。 (×)
(3)传感器只能感受温度和光两个物理量。 (×)
(4)传感器可以将所有感受到的信号都转换为电学量。 (×)
(5)光敏电阻的阻值随光照的强弱而变化,光照越强电阻越大. (×)
(6)热敏电阻是由金属制成的,对温度感知灵敏。 (×)
(7)热敏电阻一般用半导体材料制作,导电能力随温度的升高而增强,但灵敏度低. (×)
(8)只有热敏电阻才能把温度这个热学量转换为电阻这个电学量。 (×)
(9)干簧管是根据热胀冷缩的原理制成的。 (×)
(10)电阻应变片能够把物体的形变情况转变为电阻的变化. (√)
(11)电子秤所使用的测力装置是力传感器,它是把力信号转化为电压信号。 (√)
2.(多选)传感器担负着信息采集的任务,它可以( ABC )
A.将力学量(如形变量)转变成电学量
B.将热学量转变成电学量
C.将光学量转变成电学量
D.将电学量转变成力学量
[解析:传感器是将所感受到的不便于测量的物理量(如力、热、光、声等)转换成便于测量的物理量(一般是电学量)的一类元件,故选项A、B、C对,选项D错。]
3.关于传感器及其作用,下列说法正确的是( C )
A.传感器一定是把非电学量转换为电学量
B.传感器一定是把非电学量转换为电路的通断
C.传感器把非电学量转换为电学量是为了方便地进行测量、传输、处理和控制
D.电磁感应是把磁学的量转换为电学的量,所以电磁感应也是传感器
[解析:传感器是指一种元件或装置,它能感受力、温度、光、声、磁、化学成分等非电学量,并能把它们按照一定的规律转换为电压、电流等电学量,或转换为电路的通断;其作用和目的是更方便地测量、传输、处理、控制非电学量,找出非电学量和电学量之间的对应关系。电磁感应是现象和原理,不是元件和装置,不能称为传感器。]
4. (多选)利用半导体材料可以制成( BCD )
A. 标准电阻
B. 热敏电阻
C. 光敏电阻
D. 温度报警器
[解析:标准电阻的电阻值几乎不随温度的变化而变化,采用合金材料制成,A错误;热敏电阻中有电阻随温度升高而降低的特点,采用半导体材料制造,B正确;光敏电阻的电阻值随着光强的增加而减小,采用半导体制造,C正确;可以采用半导体材料制造简单的温度报警器,D正确。]
5.某学习小组的同学在用多用电表研究热敏特性实验中,安装好如图所示的装置。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( D )
A.多用电表应选用电流挡,温度升高换用大量程测量
B.多用电表应选用电流挡,温度升高换用小量程测量
C.多用电表应选用欧姆挡,温度升高时换用倍率大的挡
D.多用电表应选用欧姆挡,温度升高时换用倍率小的挡
[解析:测电阻应选用欧姆挡。当温度升高时,热敏电阻受温度变化的影响,偏转角度增大,说明电阻阻值变小,所以应换用倍率小的挡。]
传感器的原理和分类
考点一
【例1】关于传感器,下列说法正确的是( B )
A.所有传感器都是由半导体材料制成的
B.金属材料也可以制成传感器
C.传感器主要是通过感知电压的变化来传递信号的
D.水银温度计是一种传感器
[解析:传感器材料分为半导体材料、陶瓷材料、金属材料和有机材料等,A错误,B正确;传感器一定是通过非电学量转换成电学量来传递信号的,C错误;水银温度计根据热胀冷缩来测量温度,不是传感器,D错误.]
【例2】许多办公楼及宿舍楼的楼梯上的电灯白天不亮,到了晚上能够自动做到“人来即亮,人走即灭”,其神奇功能在于控制灯的“开关”传感器,下列有关该传感器的说法正确的是( C )
A.该传感器能够测量的物理量是位移和温度
B.该传感器能够测量的物理量是位移和光强
C.该传感器能够测量的物理量是光强和声音
D.该传感器能够测量的物理量是压力和位移
[解析:楼道中安装了自动灯光控制系统,白天灯不亮与光传感器有关;晚上有人经过时,灯自动亮起来,与声音有关,是声传感器,所以该传感器能够测量的物理量是光强和声音,C正确.]
【例3】全面了解汽车的运行状态(速度、水箱温度、油量)是确保汽车安全行驶和驾驶员安全的举措之一,为模仿汽车油表原理,某同学自制一种测定油箱油量多少或变化多少的装置。如图所示,其中电源电压保持不变,R是滑动变阻器,它的金属滑片是金属杆的一端。该同学在装置中使用了一只电压表(图中没有画出),通过观察电压表示数,可以了解油量情况,你认为电压表应该接在图中的 b、c 两点之间,按照你的接法请回答:当油箱中油量减少时,电压表的示数将 增大 (选填“增大”或“减小”)。
[解析:由题图可知当油箱内液面高度变化时,R的金属滑片将会移动,从而引起R两端电压的变化,且当R′≫R时,UR=IR可视为UR与R成正比,所以电压表应接在b、c两点之间;当油量减少时,电压表示数将增大。]
敏感元件的认识与使用
考点二
【例4】传感器已广泛应用在生产、生活中,下列关于传感器的说法正确的是( B )
A.火警报警器使用了压力传感器
B.冰箱控温系统使用了温度传感器
C.商场里的自动门使用了光传感器
D.夜间自动打开的路灯使用了温度传感器
[解析:火警报警器使用了温度传感器,故A错误;冰箱控温系统使用了温度传感器,故B正确;一般人体都有恒定的体温,一般在37 ℃,所以会发出特定波长10 μm左右的红外线,被动式红外探头就是靠探测人体发射的10 μm左右的红外线而进行工作的。人走向门口时,门会自动打开,是因为安装了红外线传感器,从而能感知红外线,导致门被打开,故C错误;灯要求夜晚亮、白天熄,而白天有光,黑夜没有光,则是由光导致电路的电流变化,所以电路中光传感器导致电阻变化,实现自动控制,因此是利用半导体的光敏性,即为光电传感器,故D错误。]
【例5】如图所示,R1为定值电阻,R2为负温度系数的热敏电阻(负温度系数热敏电阻是指阻值随温度的升高而减小的热敏电阻),L为小灯泡,当温度降低时( C )
A. R1两端的电压增大
B.电流表的示数增大
C.小灯泡的亮度变强
D.小灯泡的亮度变弱
[解析:R2与灯泡L并联后再与R1串联,与电源构成闭合电路,当温度降低时,热敏电阻R2电阻值增大,外电路电阻增大,电流表读数减小,灯泡L两端的电压增大,灯泡的亮度变强,R1两端的电压减小,故只有C正确。]
【例6】(多选)如图所示,Rt为正温度系数热敏电阻,R1为光敏电阻,R2和R3均为定值电阻,电源电动势为E,内阻为r,为理想电压表,现发现电压表示数增大,可能的原因是( BD )
A.热敏电阻温度升高,其他条件不变
B.热敏电阻温度降低,其他条件不变
C.光照增强,其他条件不变
D.光照减弱,其他条件不变
[解析:电压表示数变大,而R3为定值电阻,说明流经R3的电流增大,由电路连接可知,这可能是由于Rt减小或R1增大,由热敏电阻和光敏电阻特性知,可能是由于温度降低或光照减弱,故B、D正确,A、C错误。]
【例7】(多选)如图R1、R2为定值电阻,L为小灯泡,R3为光敏电阻,当入射光强度增大时( ABC )
A.电压表的示数增大
B.R2中电流减小
C.小灯泡的功率增大
D.电路的路端电压增大
[解析:当入射光强度增大时,R3阻值减小,外电路总电阻随R3的减小而减小,由闭合电路欧姆定律知,干路电流增大,R1两端电压增大,电压表的示数增大,同时内电压增大,故电路的路端电压减小,A项正确,D项错误;因路端电压减小,且R1两端电压增大,故R2两端电压必减小,则R2中电流减小,B项正确;因干路电流增大,且R2中电流减小,知流过小灯泡的电流必增大,故小灯泡的功率增大,C项正确.]
【例8】(多选)在温控电路中,通过热敏电阻阻值随温度的变化可实现对电路相关物理量的控制。如图所示电路,R1为定值电阻,R2为半导体热敏电阻(温度越高电阻越小),C为电容器。当环境温度降低时( AB )
A.电容器C的带电荷量增大
B.电压表的读数增大
C.电容器C两板间的电场强度减小
D.R1消耗的功率增大
[解析:当环境温度降低时,R2变大,电路的总电阻变大,由I=知I变小,又U=E-Ir,电压表的读数U增大,B正确;又由U1=IR1及P1=I2R1可知U1变小,R1消耗的功率P1变小,D错误;电容器两板间的电压U2=U-U1,U2变大,由场强E′=,Q=CU2可知Q、E′都增大,A正确,C错误。]
【例9】压敏电阻的阻值随所受压力的增大而减小,有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绝缘小车上,中间放置一个绝缘重球。小车向右做直线运动过程中,电流表示数如图乙所示,下列判断正确的是( D )
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
[解析:在0~t1内,I恒定,压敏电阻阻值不变,由小球的受力不变可知,小车可能做匀速或匀加速直线运动,在t1~t2内,I变大,压敏电阻阻值变小,压力变大,小车做变加速运动,A、B错误;在t2~t3内,I不变,压力恒定,小车做匀加速直线运动,C错误,D正确。]
【例10】有一种测量人体重的电子秤,其原理图如图中的虚线所示.它主要由三部分构成:踏板和压力杠杆ABO、压力传感器R(一个阻值可随压力大小而变化的电阻器)、显示体重的仪表(其实质是电流表).其中AO∶BO=5∶1.已知压力传感器的电阻与其所受压力的关系如下表所示:
压力F/N
0
50
100
150
200
250
300
…
电阻R/Ω
300
270
240
210
180
150
120
…
设踏板的杠杆组件的质量不计,接通电源后,压力传感器两端电压恒为4.68 V,则:
(1)利用表中数据归纳出电阻R随压力F变化的函数关系式;
(2)该秤零刻度线(即踏板空载时的刻度线)应标在电流表刻度盘多少毫安处?
(3)如果某人站在踏板上,电流表刻度盘示数为20 mA,这个人的体重是多少?(取g=10 N/kg)
[解析:(1)由表中数据可归纳得出:R=300-0.6F.
(2)依题意可知电子秤空载时压力传感器受到的压力为零,电阻R1=300 Ω,电路中的电流为I1== A=15.6 mA,所以该秤零刻度线应标在电流表刻度盘的15.6 mA处.
(3)当电流表刻度盘的读数为I2=20 mA时,压力传感器的电阻R2== Ω=234 Ω,
由R=300-0.6F,解得F2=110 N.再由F2·AO=G·BO,可得G=550 N.故人的体重为m==55 kg.]
电容式传感器
考点三
【例11】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 )
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
[解析:压力F作用时,极板间距d变小,由C=,电容器电容C变大,又根据Q=CU,极板带电荷量变大,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。F不变时,极板保持固定后,充电结束,指针回到零刻度。故选A。]
【例12】传感器是将能感受的物理量(如力、热、光、声等)转换成便于测量的量(一般是电学量)的一类元件,在自动控制中有相当广泛的应用,如图所示的装置是一种测定液面高度的电容式传感器。金属芯线与导电液体构成一个电容器,从电容C大小的变化情况就能反映出液面高度h的高低情况,则两者的关系是( B )
①C增大表示h增大 ②C增大表示h减小 ③C减小表示h减小 ④C减小表示h增大
A.只有①正确
B.只有①、③正确
C.只有②正确
D.只有②、④正确
[解析:液面高度的变化,相当于电容器极板正对面积的变化。当h增大时,相当于正对面积增大,则电容应增大;当h减小时,相当于正对面积减小,电容C应减小,B正确。]
课后巩固
1.【难度1】(多选)关于传感器的作用,下列说法中正确的有( BC )
A.通常的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:传感器是通过非电学量转换成电学量来传递信号的,不能直接用来进行自动控制,A选项错误;传感器可以用来采集信息,B选项正确;传感器分不同种类,每种传感器只感受到特定的信号、并把采集到的信号转化为电学量,C选项正确,D选项错误。]
2.【难度2】关于光敏电阻和热敏电阻,下列说法中正确的是( A )
A.光敏电阻是用半导体材料制成的,其阻值随光照增强而减小,随光照的减弱而增大
B.光敏电阻是能把光照强度这个光学量转换为电流这个电学量的传感器
C.热敏电阻是用金属铂制成的,它对温度感知很灵敏
D.热敏电阻是把热量这个热学量转换为电阻这个电学量的传感器
[解析:光敏电阻是把光强转换为电阻的元件;热敏电阻是把温度转换为电阻的元件,B、D错;热敏电阻和光敏电阻都是半导体材料制成的,半导体具有光敏性和热敏性,金属铂与热敏电阻的阻值随温度的变化趋势相反,C错。]
3.【难度2】有一电学元件,温度升高时其电阻减小,这种元件可能是( C )
A.金属导体
B.光敏电阻
C.NTC热敏电阻
D.PTC热敏电阻
[解析:金属导体电阻值一般随温度升高而增大,光敏电阻电阻值是随光照强度的增大而减小,PTC热敏电阻的阻值随温度的升高而增大,只有NTC热敏电阻的阻值随温度的升高而减小,C正确,A、B、D错误.]
4.【难度2】(多选)电子电路中常用到一种称为“干簧管”的元件(如图所示),它的结构很简单,只是玻璃管内封入的两个软磁性材料制成的簧片。当磁体靠近干簧管时,两个簧片被磁化而接通,所以干簧管能起到开关的作用,操纵开关的是磁场这只看不见的“手”。关于干簧管,下列说法正确的是( CD )
A.干簧管接入电路中相当于电阻的作用
B.干簧管是根据热胀冷缩的原理制成的
C.两个磁性材料制成的簧片接通的原因是被磁化后相互吸引
D.干簧管接入电路中相当于开关的作用
[解析:当磁体靠近干簧管时,两个簧片被磁化相互吸引而接通,B错误,C正确;当磁体远离干簧管时,软磁性材料制成的簧片失去磁性,所以两簧片又分开,因此干簧管在电路中相当于开关的作用,A错误,D正确。]
5.【难度2】办公大楼的大门能“看到”人的到来或离开而自动开或关,利用的传感器是( B )
A.生物传感器
B.红外传感器
C.温度传感器
D.压力传感器
[解析:自动门实际使用的是红外传感器,红外线属于不可见光,人在白天或黑夜均发出红外线,传感器接收到人体发出的红外线后传给自动控制装置的电动机,实现自动开门,故B正确。]
6.【难度2】电视机中有一个传感器,能将遥控器发出的红外线信号转化为电信号,下列装置中也利用了这种传感器的是( C )
A.电话机的话筒
B.楼道里的声控开关
C.空调中的遥控接收器
D.冰箱中的温控器
[解析:用遥控器调换电视机的频道的过程,实际上就是传感器把光信号转化为电信号的过程。电话机的话筒是将声音转化为电信号,故A错误;楼道中照明灯的声控开关将声信号转化为电信号,故B错误;空调机接收遥控信号的装置将光信号转化为电信号,故C正确;冰箱中控制温度的温控器将温度转化为电信号,故D错误。]
7.【难度2】有一些星级宾馆的洗手间装有自动干手机,洗手后将湿手靠近,机内的传感器就开通电热器加热,有热空气从机内喷出,将湿手烘干,手靠近自动干手机能使传感器工作,是因为改变了( D )
A.湿度
B.温度
C.磁场
D.电容
[解析:根据自动干手机工作的特征,手靠近干手机时电热器工作,手撤离后电热器停止工作,人是一种导体,可以与其他导体构成电容器。手靠近时相当于连接一个电容器,可以确定干手机内设有电容式传感器,由于手的靠近改变了电容大小,故D正确;用湿度和温度来驱动电热器工作,理论上可行,但是假如干手机是由于温度、湿度的变化工作,它就成了室内烘干机。]
8.【难度2】街道旁的路灯利用半导体的电学特性制成了白天自动熄灭,夜晚自动点亮的装置,该装置利用了半导体的( A )
A.光敏性
B.压敏性
C.热敏性
D.三个特性同时应用
[解析:要求路灯夜晚亮,白天熄,可知光的强弱导致电路电流变化,所以电路中利用光传感器使电阻变化,实现自动控制,即利用半导体的光敏性,A正确,B、C、D错误.]
9.【难度2】许多饮水机,可以保证出水温度恒定,采取的方法是( C )
A.持续加温
B.设定程式,固定各次加温时间及加热时间间隔
C.水温低于设定温度时加热,达到设定温度时,停止加热
D.人工控制加温按钮
[解析:饮水机温度控制系统以调节饮水机中水的温度为目的,其输入参数主要是水温信号和设置的设定温度。输出信号主要是温度显示、声光报警和执行加热。工作时传感器将温度传给单片机,当水温低于设定温度时,单片机控制加热模块加热,当温度高于设定温度时,继电器断开,加热停止,从而实现温度控制的目的,故选C。]
10.【难度2】(多选)下列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,输出的电压值也越大
[解析:应变片多用半导体材料制成,故选项A错误;当应变片拉伸时,其电阻变大,选项B正确;传感器输出的是上、下两应变片上的电压差值,并且随着外力的增大,输出的电压差值越大,故选项C错误,选项D正确。]
11.【难度2】唱卡拉OK用的话筒,内有传感器,其中有一种是动圈式的,它的工作原理是在弹性膜片后面粘接一个轻小的金属线圈,线圈处于永磁体的磁场中,当声波使膜片前后振动时,就将声音信号转变为电信号,下列说法正确的是 ( B )
A.该传感器是根据电流的磁效应工作的
B.该传感器是根据电磁感应原理工作的
C.膜片振动时,穿过金属线圈的磁通量不变
D.膜片振动时,金属线圈中不会产生感应电动势
[解析:当声波使膜片前后振动时,线圈切割磁感线产生感应电流,将声音信号变化为电信号,是根据电磁感应原理工作的,故A错误,B正确;膜片随着声波而周期性振动,穿过金属线圈的磁通量是周期性变化的,故C错误;膜片振动时,金属线圈切割磁感线,会产生感应电动势,故D错误。]
12.【难度2】如图是电容式话筒的示意图,它是利用电容制成的传感器,话筒的振动膜前面有薄薄的金属层,膜后距膜几十微米处有一金属板,振动膜上的金属层和这个金属板构成电容器的两极.在两极间加一电压U,人对着话筒说话时,振动膜前后振动,使电容发生变化,从而使声音信号被话筒转化为电信号,其中导致电容变化的原因是电容器两板间的 ( A )
A.距离变化
B.正对面积变化
C.电介质变化
D.电压变化
[解析:振动膜前后振动使振动膜上的金属层与金属板间的距离发生变化,从而将声音信号转化为电信号,A对.]
13.【难度2】如图电吉他的弦是磁性物质,当弦振动时,线圈中产生感应电流,感应电流输送到放大器、喇叭,把声音播放出来,下列说法正确的是( C )
A.电吉他是光电传感器
B.电吉他是温度传感器
C.电吉他是声音传感器
D.弦改用尼龙材料,原理不变
[解析:由电吉他发声原理可知是将声音变化转变为电流的变化,C正确]
14.【难度2】传感器在日常生活中的应用越来越广泛,温度传感器(实质是自动开关)是其中的一种。某一食品消毒柜就是利用温度传感器来自动控制电路的。常温下,该温度传感器是闭合的;当温度达到某一设定值时,传感器自动断开,从而切断整个电路。下列关于该消毒柜的几种电路图中(图中S为电源开关),连接正确的是( A )
A B C D
[解析:B、C、D电路中,温度升高到某一设定值时,传感器会断开,但整个电路不会断开。A电路中,电源开关S闭合后,消毒柜开始工作,当温度达到某一设定值时,传感器自动断开,整个电路也断开,所以选项A正确。]
15.【难度2】居民楼的楼道里,夜里只是偶尔有人经过,电灯如果总是亮着会造成很大浪费。科研人员利用“光敏”材料制成“光控开关”,天黑时自动闭合,天亮时自动断开;利用“声敏”材料制成“声控开关”,当有人走动发出声音时自动闭合,无人走动时自动断开。若将这两种开关配合使用,下列电路符合要求的是( D )
A B C D
[解析:根据题意可得,声控开关和光控开关串联后共同控制灯泡,即用导线将各元件依次连接起来,故选D。]
16.【难度3】(多选)电容式传感器是将非电信号转换为电信号的装置.由于电容器的电容C取决于极板正对面积S、极板间距离d以及极板间的电介质这几个因素,当某一物理量发生变化时就能引起上述某个因素的变化,从而引起电容的变化,如图是四个电容式传感器的示意图,关于这四个传感器的作用,下列说法正确的是( ABC )
A.甲图的传感器可以用来测量角度
B.乙图的传感器可以用来测量液面的高度
C.丙图的传感器可以用来测量压力
D.丁图的传感器只能用来测量速度
[解析:甲图中极板的正对面积与角度的变化有关,A对;乙图中液面的高低与电容器正对面积有关(金属芯线与导电液体相当于电容器的两个极板),B正确;丙图中两极板间距离有关,C对;丁图中电容器的大小与介质速度无关,故选ABC。]
17.【难度3】如图将一光敏电阻接入多用电表两表笔上,将多用电表的选择开关置于欧姆挡,用光照射光敏电阻时,表针的偏转角为θ;现用手掌挡住部分光线,表针的偏转角为θ′,则可判断( B )
A.θ′=θ
B.θ′<θ
C.θ′>θ
D.不能确定
[解析:多用电表与热敏电阻构成的回路中未接入电源,故不能选用电流挡,A、B错误;当温度升高时多用电表指针偏转角度较大,说明热敏电阻的阻值变小了,应该换用欧姆挡倍率小的挡,C错误,D正确.]
18.【难度3】如图R3是光敏电阻(光照增强时电阻变小),当开关S闭合后,在没有光照射时,a、b两点等电势.当用光照射电阻R3时,则(电源内阻不计)( A )
A.a点电势高于b点电势
B.a点电势低于b点电势
C.a点电势等于b点电势
D.a点电势和b点电势的大小无法比较
[解析:当用光照射电阻R3时,R3电阻变小,R3两端电压减小,故a点电势升高,因其他电阻的阻值不变,所以a点电势高于b点电势,故A正确.]
19.【难度3】(多选)如图理想变压器的原线圈与定值电阻r串联,副线圈接热敏电阻RT(温度升高,阻值减小),在正弦交流电源的电压U0不变的情况下,下列说法正确的是( AC )
A.当RT的温度升高时,原线圈两端的电压一定减小
B.当RT的温度升高时,原线圈中的电流一定减小
C.当RT的温度降低时,r消耗的功率一定减小
D.当RT的温度降低时,r消耗的功率一定增大
[解析:设变压器原线圈的匝数为n1,副线圈的匝数为n2,当RT的温度升高时,其阻值减小,副线圈的电流I2增大,根据=,可知原线圈的电流I1增大,根据U0=I1r+U1,可知原线圈两端的电压U1减小,故A正确,B错误;同理,当RT的温度降低时,其阻值增大,副线圈的电流I2减小,根据=,可知原线圈的电流I1减小,根据P=I12r,可知r消耗的功率一定减小,故C正确,D错误.]
20.【难度3】影响物质材料电阻率的因素很多,一般金属材料的电阻率随温度的升高而增大,而半导体材料的电阻率则与之相反,随温度的升高而减小。某课题研究组在研究某种导电材料的用电器件Z的导电规律时,利用如图甲所示的分压电路,测得其电压与电流的关系如表所示:
U/V
0.40
0.60
0.80
1.00
1.20
1.50
1.60
I/A
0.20
0.45
0.80
1.25
1.80
2.81
3.20
甲 乙
(1)根据表中数据,用电器件Z可能属于上述哪类材料?
(2)把用电器件Z接入图乙所示的电路中,闭合开关,电流表的读数为1.8 A,电池的电动势为3 V,内阻不计,电阻R的电功率为多大?
[解析:(1)由表格中数据可得,电阻随电压的增大而减小,而电压越大,用电器件温度越高,所以为半导体材料。
(2)查表I=1.8 A时,Z的电压为1.2 V,则UR=E2-UZ=3 V-1.2 V=1.8 V。PR=IUR=1.8×1.8 W=3.24 W。]
1.【难度3】(多选)有定值电压、热敏电阻、光敏电阻三只元件,将这三只元件分别接入如图所示电路中的A、B两点后,用黑纸包住元件或者把元件置入热水中,观察欧姆表的示数,下列说法中正确的是( AC )
A.置入热水中与不置入热水中相比,欧姆表示数变化较大的一定是热敏电阻
B.置入热水中与不置入热水中相比,欧姆表示数不变化的一定是定值电阻
C.用黑纸包住与不用黑纸包住相比,欧姆表示数变化较大的一定是光敏电阻
D.用黑纸包住与不用黑纸包住相比,欧姆表示数相同的一定是定值电阻
[解析:热敏电阻的阻值随温度的变化而变化,定值电阻和光敏电阻的阻值不随温度发生变化,故A正确,B错误;光敏电阻的阻值随光照的变化而变化,而定值电阻和热敏电阻的阻值不随光照的变化而变化,故C正确,D错误。]
2.【难度3】(多选)如图为电阻R随温度T变化的图线。下列说法中正确的是( BD )
A.图线1是热敏电阻的图线,它是用金属材料制成的
B.图线2是热敏电阻的图线,它是用半导体材料制成的
C.图线1对应的材料化学稳定性好、测温范围大、灵敏度高
D.图线2对应的材料化学稳定性差、测温范围小、灵敏度高
[解析:金属热电阻的阻值随温度升高而增大,半导体材料的热敏电阻的阻值随温度升高而减小,A错,B正确;图线1对应的材料化学稳定性好但灵敏度低,图线2对应的材料化学稳定性差但灵敏度高,C错,D正确。]
1.【难度3】传感器可将非电学量转化为电学量起自动控制作用,如计算机鼠标中有位移传感器,电饭煲中有温度传感器,电视机、录像机、影碟机、空调机中有光电传感器,如图是演示位移传感器的工作原理图,物体M在导轨上平移时,带动滑动变阻器的滑动触头滑动,通过电压表显示的数据来反映物体位移的大小,假设电压表是理想的,则下列说法正确的是( B )
A.物体M运动时,电源内的电流会发生变化
B.物体M运动时,电压表的示数会发生变化
C.物体M不动时,电路中没有电流
D.物体M不动时,电压表没有示数
[解析:由于电压表是理想的,因此滑片P移动时,不改变闭合电路的电阻,电源内的电流不发生变化,即电流恒定,A、C错误;物体M运动时,电压表所测电压是变化的,M不动时,电压表示数恒定,B正确,D错误。]
2.【难度3】(多选)利用光敏电阻制作的光传感器,记录了传送带上工件的输送情况,如图甲所示为某工厂成品包装车间的光传感记录器,光传感器B能接收到发光元件A发出的光,每当工件挡住A发出的光时,光传感器输出一个电信号,并在屏幕上显示出电信号与时间的关系,如图乙所示.若传送带始终匀速运动,每两个工件间的距离为0.2 m,则下述说法正确的是( BC )
A.传送带运动的速度是0.1 m/s
B.传送带运动的速度是0.2 m/s
C.该传送带每小时输送3 600个工件
D.该传送带每小时输送7 200个工件
[解析:由题图乙可知,每隔1 s记录一个工件,因此传送带运动的速度是0.2 m/s,进而可知,每小时该传送带输送3 600个工件,故选项B、C正确.]
3.【难度3】如图甲图是录音机的录音电路原理图,乙图是研究自感现象的实验电路图,丙图是光电传感的火灾报警器的部分电路图,丁图是电容式话筒的电路原理图,下列说法错误的是( B )
A.甲图中录音机录音时,由于话筒的声电转换,线圈中变化的电流在磁头缝隙处产生变化的磁场
B.乙图电路中,开关断开瞬间,灯泡会突然闪亮一下,并在开关处产生电火花
C.丙图电路中,当有烟雾进入罩内时,光电三极管上就会因烟雾的散射而有光的照射,表现出电阻的变化
D.丁图电路中,当声波使膜片振动时,电容发生变化,会在电路中产生变化的电流
[解析:磁带录音机的录音原理是:录音时,将电信号转换为磁信号,故A正确;乙图电路中,开关断开瞬间,灯泡立即熄灭,故B错误;光电三极管也是一种晶体管,它有三个电极,当光照强弱变化时,电极之间的电阻会随之变化。当有烟雾进入罩内时,光电三极管上就会因烟雾的散射而有光的照射,表现出电阻的变化,故C正确;电容话筒利用振膜接受空气振动信号 ,振膜与固定的平面电极之间形成一个电容,两者之间的距离变化会导致其电容容量的变化,在电容两端施加固定频率及大小的电压,通过电容的电流就会变化,故D正确。本题选错误的,故选B。]
4.【难度3】如图6是安装在潜水器上深度表的电路简图,显示器由电流表(电阻不计)改装而成,压力传感器的电阻随压力的增大而减小,电源电动势不变,内阻为r,定值电阻阻值为R0,在潜水器下潜过程中,电路中有关物理量的变化情况是( B )
A.通过显示器的电流减小
B.R0两端的电压增大
C.传感器两端的电压增大
D.电路的总功率减小
[解析:在潜水器下潜过程中,压力传感器受到的压力越来越大,压力传感器的电阻随压力的增大而减小,所以电路中的总电阻减小,由闭合电路欧姆定律I=可知电路中的总电流增大,即通过显示器的电流增大,故A错误;R0两端的电压U=IR0,电路中的电流增大,则U增大,故B正确;传感器两端的电压U传=E-I(R0+r),由于I增大,E、R0、r都不变,则传感器两端的电压减小,故C错误;由P=EI可知,电路的总功率增大,故D错误.]
5.【难度3】压敏电阻的阻值随所受压力的增大而减小,有位同学设计了利用压敏电阻判断竖直升降机运动状态的装置,其工作原理图如图甲,将压敏电阻固定在升降机底板上,其上放置一个物块,在升降机运动的过程中,电流表示数如图乙所示,已知升降机静止时电流表的示数为I1.下列判断正确的是( C )
A.0到t1时间内,升降机一定静止
B.t1到t2时间内,升降机可能做匀加速直线运动
C.t1到t2时间内,升降机运动时的加速度在变化
D.t2到t3时间内,升降机可能向下匀速运动
6.【难度3】如图(a)所示的电路中,光敏电阻R2加上图(b)所示的光照时,R2两端的电压变化规律是图中的( B )
A B C D
[解析:光敏电阻随光照的增强电阻减小,电路中电流增大,电阻R1两端电压增大,R2两端电压减小,但不能减小到零。故选项B正确。]
7.【难度3】如图所示是观察电阻R随温度变化情况的示意图。现在把杯中的水由冷水换为热水,关于欧姆表的读数变化情况正确的是( C )
A.如果R为金属热电阻,读数变大,且变化非常明显
B.如果R为金属热电阻,读数变小,且变化不明显
C.如果R为热敏电阻(用半导体材料制作),读数变化非常明显
D.如果R为热敏电阻(用半导体材料制作),读数变化不明显
[解析:若为金属热电阻,温度升高后,电阻变大,但由于金属热电阻灵敏度较差,故欧姆表读数变大但不明显,A、B错误;若为用半导体材料制作的热敏电阻,由于热敏电阻的灵敏度较高,读数将明显变化,C正确,D错误。]
8. 【难度3】某温控电路的原理如图,RM是负温度系数的热敏电阻,R是滑动变阻器,某种仪器要求在15~27 ℃的环境中工作.当环境温度偏高或偏低时,控制器会自动启动降温或升温设备.下列说法正确的是( D )
A.环境温度降低,RM的阻值减小
B.环境温度升高,Uab变大
C.滑片P向下移动时,Uab变大
D.调节滑片P的位置能改变降温和升温设备启动时的临界温度
[解析:环境温度降低时,RM的阻值变大,A错误;环境温度升高,RM的阻值减小,则Uab变小,B错误;滑片P向下移动时,接入电路中的电阻变大,回路电流减小,则Uab变小,C错误;由C可知,调节滑片P的位置能改变临界温度,D正确.
9.【难度3】在输液时,药液有时会从针口流出体外,为了及时发现,设计了一种报警装置,电路如图所示。M是贴在针口处的传感器,接触到药液时其电阻RM发生变化,导致S两端电压U增大,装置发出警报,此时( C )
A.RM变大,且R越大,U增大越明显
B.RM变大,且R越小,U增大越明显
C.RM变小,且R越大,U增大越明显
D.RM变小,且R越小,U增大越明显
[解析:当RM变大时,回路的总电阻R总变大,根据I总=,得干路中的电流变小,S两端的电压U=I总RS变小,故选项A、B错误;当RM变小时,回路的总电阻R总=+RS变小,根据I总=,得干路中的电流变大,S两端的电压U=I总RS变大,而且R越大,RM变小时,对回路的总电阻变化的影响越明显,故选项C正确,D错误。]
10.【难度3】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。加速度计构造原理的示意图如图所示,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s,则这段时间内导弹的加速度( D )
A.方向向左,大小为
B.方向向右,大小为
C.方向向左,大小为
D.方向向右,大小为
[解析:当指针向左偏离O点的距离为s时,与滑块相连的左边弹簧被压缩s,右边弹簧被拉伸s,因而弹簧对滑块的弹力的大小均为ks,且方向均水平向右,即滑块受到的合力大小为2ks,方向水平向右。由牛顿第二定律可知D正确。]
11.【难度3】如图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( B )
A.正在增加,= B.正在增加,=
C.正在减弱,= D.正在减弱,=
[解析:K闭合时传感器上恰好无示数,说明小球所受电场力和重力平衡,由于小球带正电,所以电容器上极板为负,由楞次定律,可知线圈中的磁场B正在增加。根据分析列出方程:mg==qn,解得=,B正确。]
12.【难度3】霍尔元件是一种磁传感器,是实际生活中的重要元件之一.如图为长度一定的霍尔元件,在该元件中通有方向从E到F的恒定电流I,在空间加一竖直向下的匀强磁场,磁感应强度大小为B,霍尔元件中的载流子为负电荷.则下列说法正确的是( D )
A.该元件能把电学量转化为磁学量
B.左表面的电势高于右表面
C.如果用该元件测赤道处的磁场,应保持元件上表面呈水平状态
D.如果霍尔元件中的电流大小不变,则左、右表面的电势差与磁场的磁感应强度成正比
[解析:霍尔元件是把磁学量转换为电学量,A错误;由于霍尔元件中的载流子为负电荷,则负电荷的运动方向由F到E,由左手定则可知负电荷向左表面偏转,则右表面的电势高,B错误;如果用该元件测赤道处的磁场,由于地磁场与水平面平行,因此如果霍尔元件的上表面保持水平,则无电压产生,C错误;根据qvB=q得,U=Bdv,又I=nqSv,联立解得U=,可知保持电流不变,则左、右表面的电势差与磁感应强度成正比,D正确.]
13.【难度3】温度传感器广泛应用于室内空调、电冰箱和微波炉等家用电器中,它是利用热敏电阻的阻值随温度变化而变化的特性工作的.在图11甲中,电源的电动势E=9.0 V,电源内电阻可忽略不计;G为小量程的电流表,电流表内阻RG保持不变;R为热敏电阻,其电阻值随温度的变化关系如图乙的R-t图线所示.闭合开关S.
(1)当R的温度等于40 ℃时,电流表示数I1=2.25 mA,求电流表内阻RG;
(2)当电流表的示数I2=4.5 mA时,求热敏电阻R的温度.
[解析:(1)由R-t图像得,当t=40 ℃时,R1=3 500 Ω,
再由I1=,得RG=500 Ω
(2)I2=,代入数据得:R2=1 500 Ω,由R-t图像可知,此时的温度是140 ℃.]
14.【难度3】传感器是把非电学量(如速度、温度、压力等)的变化转换成电学量的变化的一种元件,在自动控制中有着相当广泛的应用。有一种测量人的体重的电子秤,其测量部分的原理图如图中的虚线框所示,它主要由压力传感器R(电阻值会随所受压力大小发生变化的可变电阻)、显示体重大小的仪表 (实质是理想的电流表)组成。压力传感器表面能承受的最大压强为1.0×107 Pa,且已知压力传感器R的电阻与所受压力的关系如表所示。设踏板和压杆的质量可以忽略不计,接通电源后,压力传感器两端的电压恒为4.8 V,g取10 m/s2。请回答:
压力F/N
0
250
500
750
1 000
1 250
1 500
…
电阻R/Ω
300
270
240
210
180
150
120
…
(1)该秤零起点(即踏板空载时)的刻度线应标在电流表刻度盘 A处。
(2)如果某人站在该秤踏板上,电流表刻度盘的示数为20 mA,则这个人的体重是 kg。
[解析:(1)由图表知,踏板空载时,压力传感器电阻R=300 Ω,此时A中电流I== A=1.6×10-2 A。
(2)当电流I=20 mA=20×10-3A时,压力传感器的电阻R== Ω=240 Ω,对应表格中,这个人的质量为50 kg。]
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