第5章 3.利用传感器制作简单的自动控制装置-【勤径学升】2024-2025学年高中物理选择性必修第二册同步练测（人教版2019）

3.红外线 红外线传感器 4.乙醇传感器 浓度 二、 1.力传感器 磁传感器 声传感器 2.成分 浓度 3.酶传感器 微生物传感器 三、 1.敏感元件 转换元件 2.非电学量 电学量 放大 3.(1)非电学量 检测(2)转换(3)转换元件 热电偶 四、 1.越小 2.差 增强 变好 3.光照强弱 电阻 五、 1.增大 2.减小 六、 1.金属梁 应变片 应变片 3.形变 电压 自我诊断 1.(1)×(2)×(3)√(4)√ (5)×(6)√ 2.电容 互动探究解疑难 要点一 问题导引 提示 声控灯全名应该为———声光控灯，声控灯中有光 控电路，使其在光线充足的时候不工作，所以声控灯的 控制盒实际上是声、光同时控制的，在光线充足的情况 下灯不会亮，起到日熄夜亮的控制作用，以节约用电。 典例剖析 [例1] [解析] 传感器是能感受规定的被测量并按照 一定的规律转换成可用信号的器件或装置，一般由敏感 元件和处理电路组成，A正确；敏感元件的功能是把非 电学量转换成电学量便于处理电路进行处理，B错误； 半导体元件光敏电阻阻值随光照增强而减小，正温度系 数半导体元件热敏电阻阻值随温度升高而增大，C错 误；干簧管属于磁敏元件，是由磁场控制的自动开关， D正确。 [答案] AD 针对训练 1.ACD 利用脂肪几乎不含水分，其导电性和人体内其他 成分不同，可以用测量人体电阻的办法来计算人体脂肪 率，B错误，A正确；人在激烈运动和沐浴之后，人体内 含水量发生变化，人体脂肪所占比例发生变化，即人体 的电阻大小变化，所以测量数据会不准确，C、D正确。 要点二 问题导引 提示 温度传感器。 典例剖析 [例2] [解析] R?与灯泡L并联后再与R?串联，与电 源构成闭合电路。当温度降低时，热敏电阻R?电阻值 增大，外电路电阻增大，电流表的示数减小，灯泡L两端 的电压增大，灯泡的亮度变强，R?两端的电压减小，故 只有C正确。 [答案] C 针对训练 c=4rka,电容2.A 压力F作用时，极板间距d变小，由 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，充电 结束，指针回到零刻度。故选 A。 随堂巩固促应用 1.B 大多数传感器是由半导体材料制成的，某些金属也 可以制成传感器，如金属热电阻，故 A错误，B正确；传 感器将非电学量转换为电学量，因此传感器感知的应该 是“非电信号”,故C错误；水银温度计能感受热学量，但不 能把热学量转化为电学量，因此不是传感器，故 D错误。 2.B 汽车保持静止时，由Q=CU知，电容器带电，A错 误；汽车静止时与匀速直线运动时，弹簧都处于原长，电 容器的电容相同，B正确；汽车由静止突然向前加速，弹 簧会伸长，电介质相对于电容器极板向后运动，e,增大， 由C=4kd可知电容变大，电容器的电荷量要变大，电 容器充电，电路中有顺时针方向的电流，C错误；汽车向 前做匀加速运动过程中，加速度不变，弹簧的伸长量不 变，电容器充电完成后，电路中不再有电流，D错误。故 选B。 3.D 根据自动干手机工作的特征，手靠近干手机电热器 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 度的变化工作就成了室内烘干机，A、B、C错误。 4.BC 这种传感器输入的物理量是位移，输出的物理量 是电流，A错误；当软铁芯插入或拔出线圈时，在线圈中 产生方向相反的电流，则通过这种传感器线圈的电流是 交流电，B正确；因软铁芯的移动导致线圈中产生感应 电流，则软铁芯是敏感元件，线圈是转换元件，C正确； 当物体1向右移动时，软铁芯插入线圈的深度减小，则 线圈的自感系数减小，D错误。 3.利用传感器制作简单的自动控制装置 互动探究解疑难 要点一 典例剖析 [例1] [解析] (1)电压为18 V,而报警时的电流为 21 :R=10×10=Q=1 800 Q;而热10 mA;此时电阻约为： 敏电阻的阻值约为700 Ω,故滑动变阻器接入电阻约为 1 100 Ω,故应选择R?。 (2)①因要求热敏电阻达到120℃时报警，此时电阻为 700 Q,故应将电阻箱调节至700 Q,然后由最大阻值处 调节滑动变阻器，直至报警器报警，故开始时滑片应在 b端，目的是避免接通电源后，流过报警器的电流会超 过20 mA,报警器可能损坏；②将开关接到c端与电阻 箱连接，调节滑动变阻器直至报警器开始报警即可，然 后再接入热敏电阻，电路即可正常工作。 (3)滑动变阻器滑片的位置不变，将开关向另一端闭合， 报警系统即可正常使用。 (4)需将上述电路中的热敏电阻换成光敏电阻，并将电 阻箱的阻值调到650 Ω,然后重复上述操作即可。 [答案](1)R?(2)①700.0 b 接通电源后，流过报 警器的电流会超过20 mA,报警器可能损坏 ②c 报 警器开始报警(3)不变(4)热敏电阻 650 要点二 典例剖析 R=u=2,当[例2] [解析](1)电阻R?和R。串联， 照度为1.0 1x时，电阻R?=20 kΩ,则R?=10 kΩ。 (2)由图可知，图丙的电阻为R?=62.5kQ,图丁的电阻 R?′=22.5 kΩ,本题采用等效替代法测电阻，前后两次 电路中的电流相等，则电路中的电阻相等，则有R?=R? +R?',所以R?=40.0 kΩ。 [答案](1)10 (2)62.5 40.0 要点三 典例剖析 [例3] [解析](1)电阻丝受拉力时，长度增加而横截 面积减小，根据电阻定律知其阻值增大。 (2)根据等效替代法测电阻，调节电阻箱，使电流表的示 数仍为I;由其阻值随拉力变化的图像可得， k=会F=104201000 2/N=0.2 Q/N, 由平衡条件得2△Fcos θ=G, 由等效替代法测电阻得△R=R?-R?, 联立解得G=(R,-R)?s?, 可得待测重物的重力： G=2×(1052-12030)×0.6N=132 N。 (3)为了提高测量重量的精度，将电阻箱换成精度更高 的电阻箱，适当增大A、B接线柱之间的距离，使得拉力 敏感电阻丝的受力大一些。根据闭合电路欧姆定律得 I=k只有几毫安，所以不能将毫安表换成量程为电流 G=2(R,-R?)os10 μA的微安表，由( 知，物体的重力 与电流表量程、内阻无关，故选C、D。 [答案](1)电阻丝受拉力时，长度增加而横截面积减 小，根据电阻定律知其阻值增大 (k?-k?cos0 132(2)c.电流表的示数仍为 I (3)CD 随堂巩固促应用 1.A A、B接电磁继电器的线圈，所以 A、B应接信号电 压，线圈电流随信号电压变化使电磁继电器相吸或释 放，从而使 C、D接通或断开，进而起到控制作用，故 A正确。 2.C 由恒温箱原理图可知，若热敏电阻出现故障或温度 设定装置出现故障都会向控制器传递错误信息，导致控 制器发出错误指令，故C正确，A、B错误。若加热器出 现故障，只有一种可能，即不能加热，而题中加热器一直 加热才会使温度持续升高，故 D错误。 3.D R?所在处出现火情时，温度升高，则R?的阻值减 小。R?V→R意v→I个→U?个→U?v→Iv,故显示 器的电流I变小，由U=E-I r,I 变大，知U变小， 故D正确。 4.解析 电路连接如图所示。当天亮时，光线照射光敏电 阻 A,其阻值迅速减小，控制回路电流增大，电磁继电器 B工作，吸下衔铁使触点断开，路灯熄灭。当夜晚降临， 光线变暗，光敏电阻A的阻值增大，控制回路电流减 小，弹簧将衔铁拉起，触点接通，路灯点亮。 零线c 火线- D 触点衔铁 立NT 电磁铁 B 答案 见解析图 5.解析 水位正常时，线圈中没有电流，衔铁1与触头3 接触，这时应绿灯亮，所以绿灯泡应安在 A位置，当高 出一定水位时，线圈中有电流，磁体吸引衔铁1,使它与 触头3断开，与触头2 接触，这时应红灯亮，所以红灯泡 应安在B位置。 答案 B A 6.解析(1)由表中数据可归纳得出： R=300—0.6F(R和F的单位分别为Ω和 N)。 (2)依题意可知，电子秤空载时压力传感器的电阻R?= I=R=308 A=15.6 mA,所300 Ω,电路中的电流为 以该秤零刻度线应标在电流表刻度盘的 15.6 mA处。 (3)当电流表刻度盘的示数为I?=20 mA 时，压力传感 R?=Y=0.62 Q=234 Ω,由R=300-器的电阻 0.6F(Q),解得 F?=110 N, 再由F?·AO=G·BO得G=550 N。 答案(1)R=300—0.6F(R和F的单位分别为Ω和N) (2)15.6 mA (3)550 N 22 第五章传感器。 随堂巩固促应用 验证反馈证移运用 1.(传感器原理)关于传感器，下列说法正确：3.（传感器的应用）有一些星级宾馆的洗手间装 的是 ( 有自动干手机，洗手后将湿手靠近，机内的传 A.所有传感器都是由半导体材料制成的 感器就开通电热器加热，有热空气从机内喷 B.金属材料也可以制成传感器 出，将湿手烘干，手靠近干手机能使传感器工 C.传感器主要是通过感知电压的变化来传 作，是因为 () 递信号的 A.改变湿度 B.改变温度 D.水银温度计是一种传感器 C.改变磁场 D.改变电容 2.(传感器的原理)如图所示为某汽车的加速度：4.（传感器的原理）（多选）如图所示是一种电感 传感器的俯视图。金属块前、后侧分别连接： 式微小位移传感器的原理图。1是待测位移 轻质弹簧、电介质，弹簧与电容器固定在外框： 的物体，3是空心线圈，软铁芯2插在线圈3 上，金属块可带动电介质相对于外框前后移 中并且可以随着物体1在线圈中左右平移。 动（不能沿其他方向移动），电容器与电源连： 关于这种传感器的工作原理，下列说法正确 接，并串联计算机的信号采集器。关于该传 的是 感器的说法正确的是 电介质金 后 wW前 块 计算机 A.汽车保持静止时，电容器不带电 A.这种传感器输入的物理量是位移，输出的 物理量是自感系数 B.汽车静止时与直线运动时，电容器的电容 可能相同 B.通过这种传感器线圈的电流是交流电 C.汽车由静止突然向前加速，电路中有逆时 C.软铁芯是敏感元件，线圈是转换元件 针方向的电流 D.当物体1向右移动时，线圈的自感系数 D.汽车向前做匀加速运动过程中，电路中始 增大 终有顺时针方向的电流 提示请完成《素能提升训练》训练二十 3.利用传感器制作简单的自动控制装置 学习目标 1.了解传感器应用的一般模式。 2.会设计简单的自动控制电路，提高分析、解决问题的能力。 3.了解传感器的应用 93 高中物理·选择性必修第二册（人教版） 自主学习探新知 深前预习双基幕实 一、实验目的 三、实验器材 1.了解防盗报警装置和光控开关的工作原理。 :1.防盗装置实验：干簧管（常开型）、继电器、发 2.练习用传感器制作简单的自动控制设备。 光二极管、电阻(330Ω)、蜂鸣器（有源型）、电 二、实验原理 源(6V)、小磁体、开关。 1.门窗防盗报警装置 2.光控开关实验：可调电阻R(最大阻值51k2)、 (1)电路图如图所示 限流电阻R2(330Ω)、光敏电阻（暗电阻> 1M2,亮电阻<3kn)、三极管(8050)、发光 二极管、继电器、小灯泡(6V0.3A)、二极管 (IN4001)、电源(6V) 四、实验步骤 1.防盗装置实验 (1)连接电路前，要先判断一下干簧管是否可 (2)控制电路原理 以正常工作。用磁体直接靠近干簧管，观察 ①闭合开关S,系统处于防盗状态，当门窗紧 簧片能否正常动作。 闭时，磁体M靠近干簧管SA,干簧管两个簧 (2)确定各元件可以正常工作后，按照图示连 片被磁化吸引，继电器被接通，继电器的动触 接电路。 点c与常开触点a接通，发光二极管LED发 (3)接通电源后，将磁体靠近和离开干簧管， 光，显示为正常状态。 分别观察实验现象。 ②当门被打开时，磁体M离开干簧管SA,干：2.光控开关实验 簧管失磁断开，使继电器断电，继电器动触点： (1)按照图示连接电路，检查无误后，接通 c与常闭触点b接通，蜂鸣器开始报警。 电源。 2.光控开关 (2)让光敏电阻R:受到白天较强的自然光照 (1)电路图如图所示 射，调节电阻R,使发光二极管LED或小灯 泡L刚好不发光 (3)遮挡R:,当光照减弱到某种程度时，就会 「D应形 看到发光二极管LED或小灯泡L发光。 (4)让光照加强，当光照强到某种程度时，则 发光二极管LED或小灯泡L熄灭。 如果实验现象不明显，可用手电筒加强 (2)电路工作原理 光照，或遮盖光敏电阻，再进行观察。 ①当环境光较强时，光敏电阻R,阻值很小，五、注意事项 三极管不导通，发光二极管所在的电路相当：1.安装前，对器材进行测试，确保各元件性能良 于断路，即LED灯不亮。 好后，再进行安装。 ②当环境光较弱时，光敏电阻R,阻值变大，：2.光控开关实验中，二极管连入电路的极性不 三极管导通，且获得足够的基极电流，产生较 能反接，否则电磁继电器不能正常工作。 大的集电极电流，LED灯所在电路形成通：3.要想天更暗时路灯才亮应把电阻R,的阻值 路，LED灯被点亮。 调大些。 94 第五章传感器 互动探究解疑难 要点归纳重难突碳 要点一 实验原理和实验操作 。典例剖析 (1)电路中应选用滑动变阻器 (选填 [例1]现要组装一个由热敏电阻控制的报警 “R”或“R2”)。 系统，要求当热敏电阻的温度达到或超过 (2)按照下列步骤调节此报警系统： 120℃时，系统报警。提供的器材有： ①电路接通前，需将电阻箱调到一固定的阻 热敏电阻（该热敏电阻的阻值随温度的升高： 值，根据实验要求，这一阻值为 Q: 而减小，在120℃时阻值为700.02)： 滑动变阻器的滑片应置于 (选填“a” 报警器（内阻很小，流过的电流超过L时就 或“b”)端附近，不能置于另一端的原因是 会报警，I约为10mA:流过报警器的电流超 过20mA时，报警器可能损坏)： ②将开关向 (选填“c”或“d”)端闭 电阻箱（最大阻值为999.92）： 合，缓慢移动滑动变阻器的滑片，直至 直流电源（输出电压U约为18V,内阻不计）： 滑动变阻器R(最大阻值为10002)： (3)滑动变阻器滑片的位置 (选填 滑动变阻器R(最大阻值为2000Ω)： “不变”“向左滑动”或“向右滑动”)，将开关向 单刀双掷开关一个，导线若干。 另一端闭合，报警系统即可正常使用。 在室温下对系统进行调节，调节的报警系统 (4)若要将此系统改为光敏电阻控制的报警 电路原理图如图所示。 系统，要求当光敏电阻的光照达到或超过某 报晋器 一特定值时，系统报警，且光敏电阻在这一特 电源 。6 定值时的电阻为6502，则需将上述电路中 电阻箱 滑动变器 的 换成光敏电阻，并将电阻箱的阻 值调到 ,然后重复上述操作即可。 热敏电阻 要点二 实验数据的处理 口典例剖析 [例2]为了节能和环保，一些公共场所用光 : 照明 系统 控开关控制照明系统，光控开关可用光敏电 阻控制，如图甲所示是某光敏电阻阻值随光 (1)如图乙所示，电源电动势为3V,内阻不 照强度变化的曲线，照度可以反映光的强弱， 计，当控制开关两端电压上升至2V时控制 光越强照度越大，照度单位为：勒克斯(1x)。 开关自动启动照明系统。要求当天色渐暗照 电阻kD 度降至1.01x时控制开关接通照明系统，则 0 R= kna 2 00.20.40.60.81.012照度x (2)某同学为了测量光敏电阻在不同照度下的 阻值，设计了如图戊所示的电路进行测量，电源 95 高中物理·选择性必修第二册（人教版】 (E=3V,内阻未知)，电阻箱(0~999992)。实 验时将电阻箱阻值置于最大，闭合S,将S ×10k×1k ×10k×11 与1相连，减小电阻箱阻值，使灵敏电流计的 示数为I,图丙为实验时电阻箱的阻值，其示 数为 kn;然后将S与2相连，调节 电阻箱的阻值如图丁所示，此时灵敏电流计 的示数恰好为I,则光敏电阻的阻值R。一 k2(结果保留3位有效数字)。 要点三 创新型实验 。典例剖析 上，通过光滑绝缘滑环可将重物吊起，接通电 [例3]如图甲所示是大型机械厂里用来称重 路完成下列操作。 的电子吊秤，其中实现称重的关键元件是拉 .滑环下不吊重物时，调节电阻箱，当电流表为 力传感器。其工作原理是：挂钩上挂上重物， 某一合适示数I时，读出电阻箱的示数R: 传感器中拉力敏感电阻丝在拉力作用下发生 b.滑环下吊上待测重物，测出电阻丝与竖直 形变，拉力敏感电阻丝的电阻也随着发生变 方向的夹角为0： 化，再经相应的测量电路把这一电阻变化转 c.调节电阻箱，使 ,读 换为电信号（电压或电流），从而完成将所称 出此时电阻箱的示数R; 物体重量变换为电信号的过程。 d.算得图乙直线的斜率k和截距b: 则待测重物的重力G的表达式为G 1/x102) 10.4 B (用以上测得的物理量表示)，测 10.0 拉方酥感电[堂 012x10N 一持测重物 得0=53°(sin53°=0.8，cos53°=0.6)，R1、 金 公 R,分别为1052n和10302，结合图乙信 (1)简述拉力敏感电阻丝的阻值随拉力变化 息，可得待测重物的重力G N(结 的原因 果保留三位有效数字)。 (3)针对小明的设计方案，为了提高测量重量 的精度，你认为下列措施可行的是 (2)小明找到一根拉力敏感电阻丝R,其阻 A.将毫安表换成量程不同，内阻更小的毫 值随拉力变化的图像如图乙所示，再按图丙： 安表 所示电路制作了一个简易“吊秤”。电路中电 B.将毫安表换成量程为10：A的微安表 源电动势E约15V,内阻约2Ω：灵敏毫安表 量程为10mA,内阻约52：R是电阻箱，最 C.将电阻箱换成精度更高的电阻箱 大阻值是99992：R接在A、B两接线柱 D.适当增大A、B接线柱之间的距离 96 第五章传感器4 随堂巩固促应用 验证反馈迁移运用 1.如图所示是某小型电磁继电器的简化电路：3.如图所示是一火警报警器 图，其中L为含铁芯的线圈。P为可绕O点 的部分电路示意图。其中 警器 R 转动的铁片，K为弹簧，S为一对触头，A,B、 R:为用半导体负温度系 C、D为四个接线柱。电磁继电器与传感器 数热敏材料制成的传感器，电流表为值班室 配合，可完成自动控制的要求，其工作方式是 的显示器，Q、b之间接报警器。当传感器R 所在处出现火情时，显示器的电流I,报警器 两端的电压U的变化情况是 A.I变大，U变大B.I变大，U变小 C.I变小，U变大D.I变小，U变小 4.光敏电阻在各种自动化装置中有很多应用， A,A与B接信号电压，C与D跟被控电路 其中就可用于街道路灯的自动控制开关，如 串联 图所示为模拟电路，其中A为光敏电阻，B B.A与B接信号电压，C与D跟被控电路 为电磁继电器，C为照明电路，D为路灯，请 并联 连成正确的电路，达到日出灯熄、日落灯亮的 C.C与D接信号电压，A与B跟被控电路 效果。 串联 火线 D.C与D接信号电压，A与B跟被控电路 衍铁了立触点 并联 电 2.小强用恒温箱进行实验 箱体 时，发现恒温箱的温度持 度 格器 5.如图所示是自动水位报警器的示意图，其中 设 加热器 继电器的线圈通过电流时，磁体吸引衔铁1， 续升高，无法自动控制。 控制糕 使它与触头3断开，与触头2接触。若要求 经检查，恒温箱的控制器 水位正常时绿灯亮，高出一定水位时红灯亮，现 没有故障。恒温箱原理图如图所示，下列对 有红、绿灯泡各一个，红灯泡应安在 位 故障判断正确的是 置，绿灯泡应安在 位置。（均选填 A.只可能是热敏电阻出现故障 “A”或“B”) B.只可能是温度设定装置出现故障 138 C.热敏电阻和温度设定装置都可能出现 故障 D.可能是加热器出现故障 电源 电灏 97 ●高中物理·选择性必修第二册（人教版） 6.有一种测量人体重的电子秤，其原理图如图：(2)该秤零刻度线（即踏板空载时的刻度线） 中的虚线所示。它主要由三部分构成：踏板 应标在电流表刻度盘多少毫安处？ 和压力杠杆ABO、压力传感器R(一个阻值 (3)如果某人站在踏板上，电流表刻度盘示数 为20mA,这个人的体重是多少？ 可随压力大小而变化的电阻器)、显示体重的 仪表G(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 的关系如表所示。 踏板 压力传盛器R 压力FN 0 50100150200250300 电阻R.'Q300270240210180150120… 设踏板的杠杆组件的质量不计，接通电源后， 压力传感器两端的电压恒为4,68V,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。 章末优化提升 巴网络构建 定义：将非电学量转化为电学量或控制电路的通断的元件 金属热电阻和热敏电阻—温度传感器 光敏电阻—光传感器 传感器及其工作原理敏感元件 霍尔元件 电阻应变片—一力传感器 工作流程：非电学量→敏感元件→转换元件→转换电路→电学量 执行机构 放大 传 工作模式：传感器→ 电路显示器（指针式电表、数字屏） 转换 感 计算机系统 器 力传感器— 电子秤 传感器的应用 应用 电熨斗 温度传感器 电饭锅 光传感器— 光电计数器（火灾报警器） 光控开关 实验 防盗装置 98