高中物理粤教版2第三章传感器

章末分层突破[自我校对]①电信号②力信号③声信号④温度⑤光信号传感器工作原理、常见敏感元件及其应用1.传感器的工作原理传感器感受的通常是非电学量，如力、热、磁、光、声等，而它输出的通常是电学量，这些输出信号是非常微弱的，通常要经过放大后，再送给控制系统产生各种控制动作，传感器原理如框图所示．eq\x(非电学量)eq\x(敏感元件)eq\x(转换元件)eq\x(转换电路)eq\x(电学量)2．常见敏感元件及特性(1)光敏电阻：光敏电阻在被光照射时电阻发生变化，光照增强电阻减小，光照减弱电阻增大．(2)金属热电阻：金属热电阻的电阻率随温度升高而增大．(3)热敏电阻：热敏电阻有正温度系数、负温度系数两种．正温度系数的热敏电阻的阻值随温度升高而增大；负温度系数的热敏电阻的阻值随温度升高而减小．(4)电容：平行板电容器的电容与极板正对面积、极板间距及电介质材料有关，电容器可以感知引起电容变化的任一外界信息，并将其转化为电容变化，例如，当极板受力时会改变极板间距，从而引起电容变化．3．传感器的复杂应用(1)搞清传感器的原理及应用过程是求解该类问题的关键．(2)与电路的结合问题．涉及到电路的动态变化问题时要抓住题目的关键信息及敏感元件的特性，如光强度的变化、光敏电阻的变化、温度的变化、热敏电阻的变化，分析的顺序同直流电路动态问题分析一样，先从部分到整体，再到部分．涉及到电路的计算问题时，由于敏感元件变化的特性，所以找准对应时刻、位置等，把握图象的信息非常重要．如图3­1为某一热敏电阻(电阻值随温度的改变而改变，且对温度很敏感)的I­U关系曲线图．图3­1(1)为了通过测量得到如图所示I­U关系的完整曲线，在图3­2甲和乙两个电路中应选择的是图________；简要说明理由：_________________________________________________.(电源电动势为9V，内阻不计，滑动变阻器的阻值为0～100Ω)图3­2(2)在如图3­3所示电路中，电源电压恒为9V，电流表读数为70mA，定值电阻R1＝250Ω.由热敏电阻的I­U关系曲线可知，热敏电阻两端的电压为________V；电阻R2的阻值为________Ω.图3­3【解析】(1)应选择图甲，因为图甲电路电压可从0V调到所需电压，电压调节范围大．(2)由题图知R2与热敏电阻串联后与R1并联接在9V电源上，总电流I＝70mA，R1＝250Ω.设通过热敏电阻的电流为I2，通过R1的电流为I1，则I＝I1＋I2，故I2＝I－I1＝(70－eq\f(9,250)×103)mA＝34mA.由图象查得34mA对应的电压为V，R2两端电压U2＝9V－V＝V，所以R2＝eq\f,34×10－3)Ω＝Ω.【答案】(1)甲因为甲电路电压可从0V调到所需电压，电压调节范围大(2)常见的传感器及应用1.力电传感器力电传感器是利用敏感元件和变阻器把力学信号(位移、速度、加速度等)转换为电学信号(电压、电流等)的仪器．力电传感器广泛地应用于社会生产、现代科技中，如安装在导弹、飞机、潜艇和宇宙飞船上的惯性导航系统及ABS防抱死制动系统等．2．热电传感器热电传感器是利用热敏电阻的阻值会随温度的变化而变化的原理把热学信号转换成电学信号的仪器，如各种家用电器(空调、冰箱、热水器、饮水机、电饭煲等)的温度控制、火警报警器、恒温箱等都是利用了热电传感器的原理．3．光电传感器光电传感器中的主要部件是光敏电阻或光电管，光电传感器是根据光敏电阻的阻值随光照强度的变化而变化的原理把光信号转换成电信号的仪器，如自动冲水机、路灯的控制、光电计数器、烟雾报警器等都是利用了光电传感器的原理．4．声电传感器声电传感器主要利用电磁感应的原理把声音信号转换成电信号，如动圈式话筒、电容式话筒等．5．电容式传感器电容器的电容C取决于极板的正对面积S、极板间距离d及极板间的电介质这几个因素．如果某一物理量(如角度、位移、深度等)的变化能引起上述某个因素的变化，从而引起电容的变化，则通过测定电容器的电容就可以确定上述物理量的变化，起这种作用的电容器称为电容式传感器．为了节能和环保，一些公共场所使用光控开关控制照明系统．光控开关可采用光敏电阻来控制，光敏电阻是阻值随着光的照度而发生变化的元件(照度可以反映光的强弱，光越强照度越大，照度单位为lx)．某光敏电阻Rp在不同照度下的阻值如下表：照度(lx)电阻(kΩ)754028232018(1)根据表中数据，请在图3­4所给定的坐标系中描绘出阻值随照度变化的曲线，并说明阻值随照度变化的特点．图3­4(2)如图3­5所示，当1、2两端所加电压上升至2V时，控制开关自动启动照明系统，请利用下列器材设计一个简单电路．给1、2两端提供电压，要求当天色渐暗照度降低至(lx)时启动照明系统，在虚线框内完成电路原理图．图3­5(不考虑控制开关对所设计电路的影响)提供的器材如下：光敏电阻Rp(符号，阻值见上表)；直流电源E(电动势3V，内阻不计)；定值电阻：R1＝10kΩ，R2＝20kΩ，R3＝40kΩ(限选其中之一并在图中标出)；开关S及导线若干．【解析】(1)光敏电阻的阻值随光照变化的曲线如图所示．特点：光敏电阻的阻值随光照强度的增大非线性减小．(2)当控制开关自动启动照明系统，给1、2两端提供电压，要求当天色渐暗照度降低至(lx)时启动照明系统，即此时光敏电阻阻值为20kΩ，两端电压为2V，电源电动势为3V，所以应加上一个分压电阻，分压电阻阻值为10kΩ，即选用R1，电路原理图如图所示．【答案】见解析传感器应用问题的分析思路物理传感器是将所感受的物理量(如力、热、光等)转换为便于测量的电学量的器件，传感器的应用过程分为三个步骤：(1)信息采集．(2)信息加工、放大、传输．(3)利用所获得的信息执行某种操作．1．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3­6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()图3­6A．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＝eq\f(E,R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＝eq\f(1,\f(1,R)＋\f(1,RM))＋RS变小，根据I总＝eq\f(E,R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，选项D错误．【答案】C2．(多选)某同学设计的家庭电路保护装置如图3­7所示，铁芯左侧线圈L1由火线和零线并行绕成．当右侧线圈L2中产生电流时，电流经放大器放大后，使电磁铁吸起铁质开关K，从而切断家庭电路．仅考虑L1在铁芯中产生的磁场，下列说法正确的有()图3­7A．家庭电路正常工作时，L2中的磁通量为零B．家庭电路中使用的电器增多时，L2中的磁通量不变C．家庭电路发生短路时，开关K将被电磁铁吸起D．地面上的人接触火线发生触电时，开关K将被电磁铁吸起【解析】由于零线、火线中电流方向相反，产生的磁场方向相反，所以家庭电路正常工作时，L2中的磁通量为零，选项A正确；家庭电路短路和用电器增多时均不会引起L2的磁通量的变化，选项B正确，C错误；地面上的人接触火线发生触电时，线圈L1中磁场变化引起L2中磁通量的变化，产生感应电流，吸起K，切断家庭电路，选项D正确．【答案】ABD3.热敏电阻常用于温度控制或过热保护装置中．图3­8为某种热敏电阻和金属热电阻的阻值R随温度t变化的示意图．由图可知，这种热敏电阻在温度上升时导电能力________(选填“增强”或“减弱”)；相对金属热电阻而言，热敏电阻对温度变化的响应更______(选填“敏感”或“不敏感”)．图3­8【解析】由R­t图象可知，热敏电阻在温度上升时电阻减小，则导电能力增强．相对金属热电阻，热敏电阻在相同的温度变化情况下电阻变化大，则热敏电阻对温度变化的响应更敏感．【答案】增强敏感4．硅光电池在无光照时不产生电能，可视为一电子元件．某实验小组设计如图3­9甲电路，给硅光电池加反向电压(硅光电池负极接高电势点，正极接低电势点)，探究其在无光照时的反向伏安特性．图中电压表V1量程选用3V，内阻为kΩ；电压表V2量程选用15V，内阻约为30kΩ；R0为保护电阻；直流电源电动势E约为12V，内阻不计．(1)根据图甲，用笔画线代替导线，将图乙连接成完整电路．图3­9(2)用遮光罩罩住硅光电池，闭合开关S，调节变阻器R，读出电压表V1、V2的示数U1、U2.①某次测量时，电压表V1示数如图丙，则U1＝________V，可算出通过硅光电池的反向电流大小为________mA(保留两位小数)．②该小组测出大量数据，筛选出下表所示的9组U1、U2数据，算出相应的硅光电池两端反向电压Ux和通过的反向电流Ix(表中“－”表示反向)，并在坐标纸上建立Ix­Ux坐标系，标出了与表中前5组Ux、Ix数据对应的5个坐标点．请你标出余下的4个坐标点，并绘出Ix­Ux图线.123456789U1/VU2/VUx/V－－－－－－－－Ix/mA－－－－－－－③由Ix­Ux图线可知，硅光电池无光照下加反向电压时，Ix与Ux成________