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3.docx
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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3
第2节 传感器的应用
1.传感器应用的一般模式:
______________________.
2.电子秤由________、电压放大器、模数转换器、微处理器和数字显示器组成.电阻应变片受到力的作用,它的______会发生变化,从而引起上下表面的电压差发生变化.把应变片放到合适的电路中,它能够把物体的______这个力学量转换为______这个电学量,因而电子秤是______传感器的应用.
3.电饭锅中的敏感元件为____________,它具有这样的性质:
常温下具有________,能够被磁体吸引,当温度上升到约103℃时,就__________,不能被磁体吸引,这个温度在物理学中称为该材料的“居里温度”或“居里点”,电饭锅是温度传感器的应用.
4.传感器的种类多种多样,其性能也各不相同,空调机在室内温度达到设定的温度后,会自动停止工作,空调机内使用的传感器是( )
A.生物传感器B.红外传感器
C.温度传感器D.压力传感器
5.下列器件是应用力传感器的是( )
A.鼠标器B.火灾报警器
C.测温仪D.电子秤
6.用遥控器调换电视机频道的过程,实际上是电视机中的传感器把光信号转化为电信号的过程.下列属于这类传感器的是( )
A.红外报警装置
B.走廊照明灯的声控开关
C.自动洗衣机中的压力传感装置
D.电饭锅中控制加热和保温的温控器
【概念规律练】
知识点一 力传感器的应用
1.压敏电阻的阻值会随所受压力的增大而减小.一同学利用压敏电阻设计了判断升降机运动状态的装置,如图1甲所示,将压敏电阻平放在升降机内,受压面朝上,在上面放一物体m,升降机静止时电流表示数为I0.某过程中电流表的示数如图乙所示,则在此过程中( )
图1
A.物体处于失重状态
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=
U
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=
得I=
=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;
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.