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32整理.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32整理
2017-2018学年高中物理第6章传感器2传感器的应用练习新人教版选修3-2
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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．
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