专题35 电感、电容、传感器（精讲）-2019年高考物理双基突破（二）

专题35 电感、电容、传感器（精讲）-2019年高考物理双基突破（二）

‎ 一、电感对交变电流的阻碍作用 在交流电路中，电感线圈除本身的电阻对电流有阻碍作用以外，由于自感现象，对电流起着阻碍作用。如果线圈电阻很小，可忽略不计，那么此时电感对交变电流阻碍作用的大小，用感抗（XL）来表示。‎ 由于交变电流大小和方向都在发生周期性变化，因而在通过电感线圈时，线圈上匀产生自感电动势，自感电动势总是阻碍交流电的变化。 又因为自感电动势的大小与自感系数（L）和电流的变化率有关，所以自感系数的大小和交变电流频率的高低决定了感抗的大小。关系式为：XL=2πf L。‎ 此式表明线圈的自感系数越大，交变电流的频率越高，电感对交变电流的作用就越大，感抗也就越大。‎ 自感系数很大的线圈有通直流、阻交流的作用，自感系数较小的线圈有通低频、阻高频的作用。‎ 电感线圈又叫扼流圈，扼流圈有两种：一种叫做低频扼流圈，线圈的自感系数L很大，作用是“通直流。阻交流”，另一种叫做高频扼流圈，线圈的自感系数很小，作用是“通低频，阻高频”。‎ 二、电容器对交变电流的阻碍作用 ‎ 直流电流是不能通过电容器的，但在电容器两端加上交变电压时，通过电容器的充放电，即可实现电流“通过”电容器。这样，电容器对交变电流的阻碍作用就不是无限大了，而是有一定的大小，用容抗（XC）来表示电容器阻碍电流作用的大小，容抗的大小与交变电流的频率和电容器的电容有关，关系式为：。‎ 此式表明电容器的电容越大，交变电流的频率越高，电容对电流的阻碍作用越小，容抗也就越小。‎ 由于电容大的电容器对频率高的交流电流有很好的通过作用，因而可以做成高频旁路电容器，通高频、阻低频；利用电容器对直流的阻止作用，可以做成隔直电容器，通交流、阻直流。电容器在电路中表现为“通交流、隔直流、通高频、阻低频”。‎ 电容的作用不仅存在于成形的电容器中，也存在于电路的导线、元件及机壳间，当交流电频率很高时，电容的影响就会很大.通常一些电器设备和电子仪器的外壳会给人以电击的感觉，甚至能使测试笔氖管发光，就是这个原因。‎ ‎【题1】如图，交流电源的电动势有效值与直流电源的电动势相等，两电源的内阻均可忽略，三个灯泡是完全相同的，分别与定值电阻、电感器和电容器相接。当S接1时三个灯泡的亮度相同，那么S接2时 A．三个灯泡亮度相同 ‎ B．甲灯比乙灯亮，丙灯不亮 C．甲灯比乙灯暗，丙灯不亮 ‎ D．甲灯和乙灯亮度相同，丙灯不亮 ‎【答案】C ‎【题2】（多选）某音响电路的简化电路图如图，输入信号既有高频成分，也有低频成分，则 A．电感L1的作用是通高频 ‎ B．电容C2的作用是通高频 C．扬声器甲用于输出高频成分 ‎ D．扬声器乙用于输出高频成分 ‎【答案】BD ‎【题3】如图，交流电源的电动势有效值与直流电源的电动势相等，两电源的内阻均可忽略，三个灯泡是完全相同的，分别与定值电阻、电感器和电容器相接。当S接1时三个灯泡的亮度相同，那么S接2时 A．三个灯泡亮度相同 ‎ B．甲灯比乙灯亮，丙灯不亮 C．甲灯比乙灯暗，丙灯不亮 ‎ D．甲灯和乙灯亮度相同，丙灯不亮 ‎【答案】C 三、传感器 ‎1．传感器一般概念：传感器是指这样一类元件，它能够感受诸如力、温度、光、声、化学成分等非电学量，并能把它们按照一定的规律转换为电压、电流等电学量，或转换为电路的通断。把非电学量转换为电学量以后，就可以很方便地进行测量、传输、处理和控制了。传感器是一种采集信息的重要器件。‎ 一般由敏感元件和输出部分组成，通过敏感元件获取外界信息并转换为电信号，通过输出部分输出，然后经控制器分析处理。常见的传感器有：热电传感器、光电传感器、声电传感器、力传感器等。‎ ‎2．传感器的原理：传感器感受到的通常是非电学量，如压力、温度、位移、浓度、速度等，而它输出的通常是电学量，如电压值、电流值、电荷量等，这些输出信号非常微弱，通常经过放大后再送给控制系统产生各种控制动作。‎ ‎3．传感器的分类：常用的分类方法有两个。‎ ‎（1）按输入量分类，如输入量分别为温度、压力、位移、速度、加速度等非电学量时，相应的传感器称为温度传感器、压力传感器、位移传感器、速度传感器、加速度传感器。‎ ‎（2）按传感器的工作原理分类，可分为电阻传感器、电容传感器、电感传感器、电压传感器、霍尔传感器、光电传感器、光栅传感器等。‎ ‎（3）传感器的元件：制作传感器时经常使用的元件有光敏电阻、热敏电阻、金属热电阻、霍尔元件等。‎ ‎①⑧⑨光敏电阻：通常是由硫化镉等半导体制成，其特点是光照变强，电阻变小。光敏电阻是把光照强度这个光学量转换为电阻这一电学量的元件。‎ ‎②金属热电阻和热敏电阻：金属热电阻是由铂、铜等金属材料制成，其特点是温度升高，电阻变大；热敏电阻是由半导体材料制成，其特点是温度升高，电阻变小。它们都能够把温度这个热学量转化为电阻这个电 ‎ 题型二、光敏电阻传感器的应用 ‎【题6】（多选）如图所示为光敏电阻自动计数器的示意图，图中虚线表示激光，圆柱体表示随传送带运动的货物，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．当光照射R1时，信号处理系统获得高电压 B．当光照射R1时，信号处理系统获得低电压 C．信号处理系统每获一次低电压就计数一次 D．信号处理系统每获一次高电压就计数一次 ‎【答案】BD ‎【题7】（多选）利用光敏电阻制作的光传感器，记录了传送带上工件的输送情况，如图甲所示为某工厂成品包装车间的光传感记录器，光传感器B能接收到发光元件A发出的光，每当工件挡住A发出的光时，光传感器就输出一个电信号，并在屏幕上显示出电信号与时间的关系，如图乙所示。若传送带始终匀速运动，每两个工件间的距离为0.2 m，则下列说法正确的是 A．传送带运动的速度是0.1 m/s ‎ B．传送带运动的速度是0.2 m/s C．该传送带每小时输送3 600个工件 ‎ D．该传送带每小时输送7 200个工件 ‎【答案】BC 题型三、光电传感器的应用 ‎【题8】‎ 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）‎ ‎0.2‎ ‎0.4‎ ‎0.6‎ ‎0.8‎ ‎1.0‎ ‎1.2‎ 电阻（kΩ）‎ ‎75‎ ‎40‎ ‎28‎ ‎23‎ ‎20‎ ‎18‎ ‎（1）根据表中数据，请在图甲所示的坐标系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。‎ ‎（2）如图乙所示，当1、2两端所加电压上升至2 V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1.0 lx时启动照明系统，在虚线框内完成电路原理图。（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3 V，内阻不计）；定值电阻：R1＝10 kΩ，R2＝20 kΩ，R3＝40 kΩ（限选其中之一，并在图中标出）；开关S及导线若干。‎ ‎【答案】（1）随照度的增大而减小（2）见解析 ‎（2）根据串联电阻的正比分压关系，E＝3 V，当照度降低至1.0 lx时，1、2两端电压升至2 V，由题中所给数据知，此时光敏电阻阻值RP＝20 kΩ，URP＝2 V，串联电阻分压UR＝1 V，由＝＝2，得R＝＝10 kΩ，故选定值电阻R1，电路原理图如图乙所示。 ‎ ‎ 五、传感器的应用实验　‎ ‎1．实验目的：‎ ‎（1）体会传感器在实际中的应用；‎ ‎（2）了解斯密特触发器的工作特点，能够分析光控电路和温控电路的工作原理。‎ ‎2．实验原理：‎ ‎（1）光控开关（如图所示）：白天，光强度较大，光敏电阻RG电阻值较小，加在斯密特触发器A端的电压较低，则输出端Y输出高电平，发光二极管LED不导通；当天色暗到一定程度时，RG的阻值增大到一定值，斯密特触发器的输入端A的电压上升到某个值（1.6 V），输出端Y突然从高电平跳到低电平，则发光二极管LED导通发光（相当于路灯亮了），这样就达到了使路灯天明熄灭，天暗自动开启的目的。R1的阻值调高，路灯会在更暗时亮。‎ ‎（2）温度报警器（如图所示）：‎ 常温下，调整R1的阻值使斯密特触发器的输入端A处于低电平，则输出端Y处于高电平，无电流通过峰鸣器，蜂鸣器不发声；当温度升高时，热敏电阻RT阻值减小，斯密特触发器输入端A电势升高，当达到某一值（高电平），其输出端由高电平跳到低电平，蜂鸣器通电，从而发出报警声。R1的阻值越小，则报警温度越高。‎ ‎（3）实验器材：斯密特触发器、光敏电阻、发光二极管（LED）、可变电阻、定值电阻、热敏电阻、蜂鸣器、集成电路实验板。‎ ‎（4）实验步骤 实验一、光控开关 ‎①先把光敏电阻、发光二极管等电路元件按电路图接好（见原理图）；‎ ‎②调节可变电阻，使发光二极管（LED）不发光，然后减小照射到光敏电阻的光量，观察发光二极管发光的情况；‎ ‎③调节可变电阻R1，探究使LED发光的规律。‎ 实验二、温度报警器 ‎①先把热敏电阻、蜂鸣器等电路元件按电路图接好（参照图中光控开关的原理图）；‎ ‎②调节可变电阻，使蜂鸣器不发声，然后用热水使热敏电阻的温度上升，达一定温度后就会发出警报声；‎ ‎③调节可变电阻R1的阻值，观查报警温度的变化。‎ ‎5、实验注意点 由于集成电路允许通过的电流较小，要用白炽灯泡模仿路灯，就要使用继电器来启闭工作电。路 ‎【题10】压敏电阻的阻值随所受压力的增大而减小，有位同学利用压敏电阻设计了判断小车运动状态的装置，其工作原理如图（a）所示，将压敏电阻和一块挡板固定在绝缘小车上，中间放置一个绝缘重球．小车向右做直线运动的过程中，电流表示数如图（b）所示，下列判断正确的是 A．从t1到t2时间内，小车做匀速直线运动 ‎ B．从t1到t2时间内，小车做匀加速直线运动 C．从t2到t3时间内，小车做匀速直线运动 ‎ D．从t2到t3时间内，小车做匀加速直线运动 ‎【答案】D 阻较小，且是一确定的值，小球对压敏电阻的作用力恒定，小车做匀加速直线运动，D正确。‎ ‎【题11】如图所示，实线是某同学利用力传感器悬挂一钩码在竖直方向运动时，数据采集器记录下的力传感器中拉力的大小变化情况。从图中可知道该钩码的重力约为______N，A、B、C、D四段图线中钩码处于超重状态的为________，处于失重状态的为_______。‎ ‎【答案】10 N AD BC ‎【解析】拉力大小不变时，力传感器悬挂的钩码在竖直方向上做匀速运动，拉力大小等于重力，约10 N；力传感器的读数大于重力时，钩码处于超重状态，即A、D状态；当力传感器的读数小于重力时，钩码处于失重状态，即B、C状态。‎