传感器第2节传感器的应用讲义人教版高中物理选修32讲义练习.docx

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传感器第2节传感器的应用讲义人教版高中物理选修32讲义练习

第2节传感器的应用

1．应变式力传感器可用来测量各种力，其中的应变片能把物体形变这个力学量转换为电压这个电学量。

2．电熨斗因为装有双金属片温度传感器，所以它能够自动控制温度。

双金属片上层金属的热膨胀系数大于下层金属。

3．电饭锅中的温度传感器主要元件是感温铁氧体。

4．有一种火灾报警器是利用了光传感器的作用，即利用烟雾对光的散射来工作。

一、传感器应用的一般模式

二、传感器的应用实例

1．力传感器的应用——电子秤

（1）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。

2．温度传感器的应用实例

电熨斗

电饭锅

敏感元件

双金属片

感温铁氧体

工作原理

温度变化时，由于双金属片上层金属与下层金属的热膨胀系数不同，双金属片发生弯曲从而控制电路的通断

（1）居里温度：

感温铁氧体常温下具有铁磁性，温度上升到约103℃时，失去铁磁性，这一温度称为“居里温度”

（2）自动断电原理：

用手按下开关通电加热，开始煮饭，当锅内加热温度达到103℃时，铁氧体失去磁性，永久磁铁失去吸引力，被弹簧片弹开，从而推动杠杆使触点开关断开

　　3.光传感器的应用——火灾报警器

（1）组成：

如图所示，发光二极管LED、光电三极管和不透明的挡板。

（2）工作原理

1．自主思考——判一判

（1）传感器可以直接用来进行自动控制。

（×）

（2）传感器可以用来采集信息。

（√）

（3）传感器可以将所有感受到的信号都转换为电学量。

（×）

（4）鼠标是力传感器。

（×）

（5）电吉他是光电传感器。

（×）

（6）火灾报警器是温度传感器。

（×）

2．合作探究——议一议

（1）生活中与温度控制相关的家用电器有很多，试举例说明。

提示：

电饭煲、电冰箱、电冰柜、微波炉、空调、消毒柜等。

（2）分析传感器问题应注意哪些问题？

提示：

应注意四点：

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，分析它的输入信号和输出信号，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的过程。

（3）如果用电饭锅烧水，水沸腾后能否自动断电？

提示：

电饭锅中的温度传感器主要元件是感温铁氧体。

如果用电饭锅烧水，水沸腾后水温保持100℃，不会再升高，而使感温铁氧体失去磁性的温度为103℃，故不能自动断电。

力传感器的应用

[典例]　用如图所示的装置可以测量汽车在水平路面上做匀加速直线运动的加速度。

该装置是在矩形箱子的前、后壁上各安装一个由力敏电阻组成的压力传感器。

用两根相同的轻弹簧夹着一个质量为2.0kg的滑块，滑块可无摩擦滑动，两弹簧的另一端分别压在传感器a、b上，其压力大小可直接从传感器的液晶显示屏上读出。

现将装置沿运动方向固定在汽车上，传感器b在前，传感器a在后。

汽车静止时，传感器a、b的示数均为10N（取g＝10m/s2）。

（1）若传感器a的示数为14N，b的示数为6.0N，求此时汽车的加速度大小和方向。

（2）当汽车以怎样的加速度运动时，传感器a的示数为零？

[思路点拨]　传感器上所显示出的力的大小，即弹簧对传感器的压力，据牛顿第三定律知，此即为弹簧的弹力大小，亦即该弹簧对滑块的弹力大小。

[解析]　

（1）如图所示，依题意：

左侧弹簧对滑块向右的推力F1＝14N，右侧弹簧对滑块向左的推力F2＝6.0N，滑块所受合力产生加速度a1，

根据牛顿第二定律有F1－F2＝ma1，

得a1＝

＝

m/s2＝4.0m/s2。

a1与F1同方向，即向前（向右）。

（2）传感器a的读数恰为零，即左侧弹簧的弹力F1′＝0，因两弹簧相同，左侧弹簧伸长多少，右侧弹簧就缩短多少，所以右侧弹簧的弹力变为F2′＝20N。

滑块所受合力产生加速度，由牛顿第二定律得F合＝F2′＝ma2，

得a2＝

＝－10m/s2，负号表示方向向后（向左）。

[答案]　

（1）4.0m/s2　向右　

（2）以方向向左大小为10m/s2的加速度运动

力传感器是一种测量力的大小的工具。

此类题常与牛顿第二定律、运动学的内容综合。

当只知道加速度的大小和方向，不知道物体的运动方向时，物体的运动情况有两种可能，即沿某一方向的匀加速或相反方向的匀减速，不要漏掉其中一种。

1．[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

解析：

选BD　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。

2．如图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：

（1）托盘上未放物体时，在托盘自身重力作用下，P1与A端的距离x1。

（2）托盘上放有质量为m的物体时，P1与A端的距离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端的距离也为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：

（1）由力的平衡知识有：

m0g＝kx1，解得x1＝

。

（2）放上物体m重新平衡后：

m0g＋mg＝kx2，

解得x2＝

。

（3）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为均匀滑线电阻，则其阻值与长度成正比。

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（R串为P1、P2间电阻）

由

＝

，其中x为P1、P2间的距离，

则x＝x2－x1＝

联立解得：

m＝

。

答案：

（1）

（2）

　（3）m＝

温度传感器和光传感器的应用

[典例]　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。

在图甲中，电源的电动势E＝9.0V，内阻可忽略不计；G为灵敏电流表，内阻r保持不变；R0为保护电阻，R为热敏电阻，其电阻值与温度变化的关系如图乙所示。

（1）试写出热敏电阻的阻值随温度变化的关系式。

（2）闭合开关S，当R的温度等于40℃时，电流表示数I1＝2.25mA。

则当电流表的示数I2＝3.6mA时，热敏电阻R的温度是多少摄氏度？

[思路点拨]　本题的解答思路为

→

→

[解析]　

（1）题中的Rt图像是直线，根据数学知识可写出热敏电阻R与温度t的关系式为R＝kt＋b。

由图像知t1＝0℃时，R1＝4.25kΩ，得b＝4.25，再根据t2＝120℃时，R2＝2kΩ，得k＝－0.01875，所以R与t的关系式为R＝－0.01875t＋4.25（kΩ）。

（2）根据题中的Rt图像，t3＝40℃时，热敏电阻的阻值R3＝3.5kΩ，有E＝I1（r＋R0＋R3）；电流I2＝3.6mA时，设热敏电阻的阻值为R4，有E＝I2（r＋R0＋R4），代入数据可解得R4＝2kΩ，由题中的Rt图像或将R4＝2kΩ代入R与t的关系式可得t4＝120℃。

[答案]　

（1）R＝－0.01875t＋4.25（kΩ）　

（2）120℃

温度传感器一般使用的是热敏电阻，负温度系数的热敏电阻的阻值随温度升高而减小，正温度系数的热敏电阻的阻值随温度升高而增大，在解答有关温度传感器的应用问题时应注意区分这一性质。

1．[多选]下列关于光传感火灾报警器的说法中正确的是（　　）

A．发光二极管、光电三极管都是由半导体材料制成的

B．光电三极管与光敏电阻一样都是光敏感元件，都是将光信号转换为电信号

C．发光二极管发出的是脉冲微光

D．如果把挡板撤去，火灾报警器照样工作

解析：

选AB　发光二极管工作时是持续发光的，挡板撤去，光始终照到光电三极管上，始终发出警报，和有无火灾无关。

2．（2016·全国卷Ⅰ）现要组装一个由热敏电阻控制的报警系统，要求当热敏电阻的温度达到或超过60℃时，系统报警。

提供的器材有：

热敏电阻，报警器（内阻很小，流过的电流超过Ic时就会报警），电阻箱（最大阻值为999.9Ω），直流电源（输出电压为U，内阻不计），滑动变阻器R1（最大阻值为1000Ω），滑动变阻器R2（最大阻值为2000Ω），单刀双掷开关一个，导线若干。

在室温下对系统进行调节。

已知U约为18V，Ic约为10mA；流过报警器的电流超过20mA时，报警器可能损坏；该热敏电阻的阻值随温度升高而减小，在60℃时阻值为650.0Ω。

（1）完成待调节的报警系统原理电路图的连线。

（2）电路中应选用滑动变阻器________（填“R1”或“R2”）。

（3）按照下列步骤调节此报警系统：

①电路接通前，需将电阻箱调到一固定的阻值，根据实验要求，这一阻值为________Ω；滑动变阻器的滑片应置于________（填“a”或“b”）端附近，不能置于另一端的原因是________________________________________________________________________。

②将开关向________（填“c”或“d”）端闭合，缓慢移动滑动变阻器的滑片，直至________________________________________________________________________。

（4）保持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。

解析：

（1）电路图连接如图。

（2）报警器开始报警时，对整个回路有

U＝Ic（R滑＋R热）

代入数据可得R滑＝1150.0Ω，因此滑动变阻器应选择R2。

（3）①在调节过程中，电阻箱起到等效替代热敏电阻的作用，电阻箱的阻值应为报警器报警时热敏电阻的阻值，即为650.0Ω。

滑动变阻器在电路中为限流接法，滑片应置于b端附近，若置于另一端a时，闭合开关，则电路中的电流I＝

A≈27.7mA，超过报警器最大电流20mA，报警器可能损坏。

②开关应先向c端闭合，移动滑动变阻器的滑片，直至报警器开始报警为止。

答案：

（1）连线见解析图　

（2）R2　（3）①650.0　b　接通电源后，流过报警器的电流会超过20mA，报警器可能损坏　②c　报警器开始报警

1．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

解析：

选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。

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，线圈处于永磁铁的磁场中，当声波使膜片前后振动时，就将声音信号转变为电信号。

下列说法中正确的是（　　）

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：

选B　当声波使膜片前后振动时，线圈切割磁感线产生感应电流，将声音信号转化为电信号，是根据电磁感应原理工作的，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，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，D错误。

3．[多选]如图所示为某商厦安装的光敏电阻自动计数器的示意图。

其中A为光源，B为由电动机带动匀速运行的自动扶梯，R1为光敏电阻，R2为定值电阻。

每当扶梯上有顾客经过挡住由A射向R1的光线时，计数器就计数一次。

下列说法正确的是（　　）

A．当有光照射R1时，信号处理系统获得低电压

B．当有光照射R1时，信号处理系统获得高电压

C．信号处理系统每获得一次低电压就计数一次

D．信号处理系统每获得一次高电压就计数一次

解析：

选BC　当光线照射R1时，R1阻值减小，R总减小，且电源电压不变，由闭合电路欧姆定律得I＝

，电路中的电流增大，R2是定值电阻，U2＝IR2，R2两端电压增大，信号处理系统获得高电压，所以选项A错误，B正确；根据前面分析可知，每当有人经过时，即没有光照时，信号处理系统获得低电压，信号处理系统计数一次，即信号处理系统每获得一次低电压就计数一次，所以选项C正确，D错误。

4．下列说法正确的是（　　）

A．电饭锅中的温度传感器的主要元件是氧化铁

B．氧化铁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，若温控开关自动断电后，它不能自动复位

解析：

选D　电饭锅的主要元件为感温铁氧体，它在103℃时失去铁磁性，选项A、B均错；用电饭锅烧水时，在标准大气压下，水温最高为100℃，电饭锅不会自动断电，若无人控制，则会直到水全部蒸发后才会断电，选项C错；电饭锅开关自动断电后只能手动复位，选项D正确。

5．有一种在光照或温度升高时排气扇都能启动的自动控制装置，下列说法正确的是（　　）

A．两个传感器都是光电传感器

B．两个传感器分别是光电传感器和温度传感器

C．两个传感器可能分别是温度传感器、电容式传感器

D．只有光照和温度都适合时排气扇才能工作

解析：

选B　题中提到有光照或温度升高时排气扇都能自动控制，由此可见两个传感器一个是光电传感器，一个是温度传感器，而且排气扇自动工作只需光照和温度一个满足条件即可，A、C、D错，B对。

6.在如图所示的电路中，电源两端的电压恒定，L为小灯泡，R为光敏电阻，D为发光二极管（电流越大，发出的光越强），且R与D间距不变，下列说法正确的是（　　）

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

解析：

选A　当P向左移动，滑动变阻器接入电路的电阻减小，通过二极管的电流增大，发光变强，光敏电阻阻值减小，灯泡中电流增大，L消耗的功率增大；同理可知P向右移动时，L消耗的功率减小。

7.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

解析：

选D　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选项D正确。

8.如图所示为一实验小车中利用光电脉冲测量车速和行程的示意图，A为光源，B为光电接收器，A、B均固定在小车上，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的间隙后变成脉冲光信号，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的脉冲数为n，累积脉冲数为N。

试完成下列问题。

（1）要测出小车的速度和行程，还必须测量的物理数据有哪些？

（2）推导小车速度的表达式。

（3）推导小车行程的表达式。

解析：

（1）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。

所以还要测量车轮的半径R和齿轮的齿数P。

（2）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

。

则有小车速度的表达式v＝

。

（3）小车行程的表达式s＝

。

答案：

（1）车轮半径R和齿轮齿数P

（2）v＝

　（3）s＝

9．[多选]计算机光驱的主要部分是激光头，它可以发射脉冲激光信号，激光扫描光盘时，激光头利用光敏电阻自动计数器将反射回来的脉冲信号传输给信号处理系统，再通过计算机显示出相应信息，光敏电阻自动计数器的示意图如图所示，其中R1为光敏电阻，R2为定值电阻，此光电计数器的基本工作原理是（　　）

A．当有光照射R1时，处理系统获得高电压

B．当有光照射R1时，处理系统获得低电压

C．信号处理系统每获得一次低电压就计数一次

D．信号处理系统每获得一次高电压就计数一次

解析：

选AD　R1、R2和电源组成一个闭合电路，当激光照到光敏电阻R1时，R1的阻值变小，总电流变大，则R2两端获得高电压，因此只有R2两端获得高电压时，处理系统才能进行信号处理，故选A、D。

10．动圈式话筒和磁带录音机都应用了电磁感应现象。

图1是动圈式话筒的原理图，图2是磁带录音机的录音、放音原理图，由图可知下列选项叙述错误的是（　　）

图1

图2

A．话筒工作时磁铁不动，线圈振动而产生感应电流

B．录音机放音时变化的磁场在静止的线圈里产生感应电流

C．录音机放音时线圈中变化的电流在磁头缝隙处产生变化的磁场

D．录音机录音时线圈中变化的电流在磁头缝隙处产生变化的磁场

解析：

选C　话筒的工作原理是声波迫使金属线圈在磁场中振动产生感应电流，A正确。

录音时，话筒产生的感应电流经放大电路放大后在录音机磁头缝隙处产生变化的磁场，D正确。

磁带在放音时通过变化的磁场使放音磁头产生感应电流，经放大电路后再送到扬声器中，B正确，C错误。

11.一般的电熨斗用合金丝作发热元件，合金丝电阻随t变化的关系如图中实线①所示，由于环境温度以及熨烫的衣物厚度、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”的特殊材料作发热元件的电熨斗，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中实线②所示。

根据图线分析：

（1）为什么处于冷态的PTC熨斗刚通电时比普通电熨斗升温快？

（2）通电一段时间电熨斗温度t自动稳定在________＜t＜________范围之内。

（填下标数字）

解析：

（1）由于冷态时PTC材料电阻较小，由P＝

知，其发热功率较大，所以升温快。

（2）从题图上看出，温度较低时，电阻较小，热功率较大，所以发热快于散热，温度升高，电阻值迅速增大，相应发热功率减小，当发热功率小于散热功率时，电阻温度降低，电阻值减小，发热功率会相应增大，故当发热功率等于散热功率时，温度会稳定在图中T6～T7。

答案：

见解析

12．如图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。

（1）分析电饭煲的工作原理。

（2）计算加热和保温两种状态下，电饭煲消耗的电功率之比。

（3）简要回答，如果不闭合开关S1，能将饭煮熟吗？

解析：

（1）电饭煲接上电源，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。

水烧干后，温度升高到“居里点”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，如此循环。

（2）加热时电饭煲消耗的电功率P1＝

，

保温时电饭煲消耗的电功率P2＝

，

两式中R并＝

＝

Ω＝

Ω。

从而有

＝

＝

＝

。

（3）如果不闭合开关S1，开始S2是闭合的，R1被短路，功率为P1；当温度上升到80℃时，S2自动断开，功率降为P2；温度降低到70℃，S2自动闭合…，温度只能在70～80℃之间变化，不能把水烧开，不能煮熟饭。

答案：

（1）见解析　

（2）12∶1　（3）见解析