【推荐】专题49 传感器及其应用-2017-2018学年高二物理专题提升之电学

【推荐】专题49 传感器及其应用-2017-2018学年高二物理专题提升之电学

一：专题概述 一、传感器及构成 ‎1．传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求．‎ ‎2．传感器一般由敏感元件、转换元件和转换电路三部分组成．‎ 二、传感器的分类 传感器一般按被测量、工作原理、能量传递方式等进行分类．‎ 三、两种重要的传感器 ‎1．温度传感器：一种将温度变化转换成电学量变化的装置．热敏电阻是利用半导体材料的阻值随温度的变化而变化的特性实现温度测量的．‎ ‎2．光电传感器：一种将光学量变化转换成电学量变化的传感器，就是光电传感器在光照作用下，其导电性能发生变化，如光敏电阻、光电池和光敏晶体管等．‎ 二：典例精讲 ‎1．温度传感器及其应用 热敏电阻用半导体材料制成，按热敏电阻阻值随温度变化而变化的规律，热敏电阻可分为正温度系数的热敏电阻和负温度系数的热敏电阻．正温度系数的热敏电阻随温度升高电阻增大；负温度系数的热敏电阻(如氧化锰热敏电阻)随温度升高电阻减小．‎ 典例1：广泛应用于室内空调、电冰箱和微波炉等家用电器中的温度传感器，是利用热敏电阻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，内电阻不可忽略，G为内阻不计的灵敏电流表，R0为保护电阻， R为热敏电阻，其电阻值与温度变化关系如图乙的R-t图象所示．则热敏电阻R与摄氏温度t的关系为R=______kΩ；闭合电键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______摄氏度．‎ ‎【答案】 120‎ ‎（2）R的温度等于40℃时，R=3.5kΩ，电流表示数I1=2.25mA，根据闭合电路欧姆定律，有 ‎ 代入数据，解得r+R0=0.5kΩ 当电流表的示数I2=3.6mA时，根据闭合电路欧姆定律，有 ‎ 解得R′=2.0kΩ，代入热敏电阻R随摄氏温度t变化的关系式： ‎ 得到温度值为t=120°C ‎2．光电传感器及其应用 光电传感器是一种将光学量变化转换为电学量变化的传感器．光敏电阻一般由半导体材料制成，特点是光照越强，电阻越小．‎ 典例2：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．‎ ‎(2)如图所示当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)；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】见解析 ‎3．其他传感器及其应用 典例3：如图是一种测定油箱油量多少或变化多少的装置，其中电源电压保持不变，R是滑动变阻器，它的金属滑片是金属杆的一端，在装置中使用了一只电压表(图中没有画出)，通过观察电压表示数，可以了解油量情况．将电压表分别接在b、c之间与c、d之间，当油量变化时，电压表的示数变化有何不同？‎ ‎【答案】见解析 典例4：如图所示装置可以用来测量硬弹簧(即劲度系数较大的弹簧)的劲度系数k.电源的电动势为E，内阻可忽略不计；滑动变阻器全长为L，重力加速度为g.为理想电压表．当木板上没有放重物时，滑动变阻器的触头位于图中a点，此时电压表示数为零．在木板上放置质量为m的重物，滑动变阻器的触头随木板一起下移．由电压表的示数U及其他给定条件，可计算出弹簧的劲度系数k.‎ ‎(1)写出m、U与k之间所满足的关系式．‎ ‎(2)已知E＝1.50 V，L＝12.0 cm，g取9.80 m/s2.测量结果如下表：‎ m/kg ‎1.00‎ ‎1.50‎ ‎3.00‎ ‎4.50‎ ‎6.00‎ ‎7.50‎ U/V ‎0.108‎ ‎0.154‎ ‎0.290‎ ‎0.446‎ ‎0.608‎ ‎0.740‎ ‎①在图中给出的坐标纸上利用表中数据描出m－U直线．‎ ‎②m－U直线的斜率为________kg/V(结果保留三位有效数字)．‎ ‎③弹簧的劲度系数k＝________N/m(结果保留三位有效数字)．‎ ‎【答案】(1)m＝U　(2)①见解析图　②10.0　③1.23×103‎ ‎【解析】(1)设放置质量为m的重物时弹簧的压缩量为x，则有mg＝kx又U＝E 解得m＝U.‎ ‎(2)①用描点法作图，作出的图象如图所示．‎ ‎②选取(0,0)、(0.90,9)两点，‎ 则斜率为＝ kg/V＝10.0 kg/V.‎ ‎③因m＝U，故＝，‎ k＝·＝10.0×N/m≈1.23×103 N/m.‎ 三 提升专练 ‎1.(多选)传感器被广泛应用在日常生活中，下列用电器中，有使用温度传感器的是（ ）‎ A. 遥控器 B. 空调机 C. 电冰箱 D. 电饭锅 ‎【答案】BCD ‎2．下列说法中正确的是（ ）‎ A. 电饭锅中的敏感元件是光敏电阻 B. 测温仪中测温元件可以是热敏电阻 C. 机械式鼠标中的传感器接收到连续的红外线，输出不连续的电脉冲 D. 火灾报警器中的光传感器在没有烟雾时呈现低电阻状态，有烟雾时呈现高电阻状态 ‎【答案】B ‎【解析】电饭锅中的敏感元件将热学量转换为电学量，是热敏电阻，A错误；测温仪中测温元件将热学量转换为电学量，是热敏电阻，B正确；机械式鼠标中的传感器接收到的是不连续的电脉冲，输出不连续的电脉冲，C错误；火灾报警器中的光传感器在没有烟雾时呈现高电阻状态，有烟雾时呈现低电阻状态，D错误．‎ ‎3.(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. 1m,则下列说法中正确的是 (　　)‎ A. 传送带运动的速度是0.1m/s B. 传送带运动的速度是0.2m/s C. 该传送带每小时输送3600个工件 D. 该传送带每小时输送7200个工件 ‎【答案】BD ‎4.(多选)如图是电饭锅的结构图，如果感温磁体的“居里温度”为‎103℃‎时，下列说法中正确的是（ ）‎ A．常温下感温磁体具有较强的磁性，能自动吸起永磁体，通电加热 B．当温度超过‎103℃‎时，感温磁体的磁性消失，弹簧推动杠杆断开触点 C．饭熟后，水分被大米吸收，锅底的温度会超过‎103℃‎，这时开关按钮不会跳起 D．常压下只要锅内有水，锅内的温度不可能达到‎103℃‎，开关按钮就不会自动跳起 ‎【答案】ABD ‎5.(多选) 如图所示的火警报警装置,R1为热敏电阻,若温度升高,则R1的阻值会急剧减小,从而引起电铃电压的增加.当电铃电压达到一定值时,电铃会响.下列说法中正确的是 (　　)‎ A. 要使报警的临界温度升高,可以适当增大电源的电动势 B. 要使报警的临界温度降低,可以适当增大电源的电动势 C. 要使报警的临界温度升高,可以把R2的滑片P适当向下移 D. 要使报警的临界温度降低,可以把R2的滑片P适当向下移 ‎【答案】 BD ‎【解析】 结合热敏电阻阻值随温度变化规律图象,若临界温度升高,将减小.若保持R2的滑片P位置不动,由闭合电路欧姆定律,电铃响起时通过R2的临界电流I临=,为保证I临不变,应适当减小电源电动势E,A项错误;同理若临界温度降低,应适当增大电源电动势E,B项正确;若保持电源电动势E不变,‎ 由闭合电路欧姆定律U2临=E-I(r+R1临),当临界温度升高,减小,为保证不变,应增大I,需减小R2,即将R2滑片上移,C项错误;同理当临界温度降低,应将R2滑片下移,D项正确.‎ ‎6.电容式传感器是用来将各种非电信号转变为电信号的装置，由于电容器的电容C取决于极板正对面积S、极板间距离d以及极板间的电介质这几个因素，当某一物理量发生变化时就能引起上述某个因素的变化，从而又可推出另一物理量的值．如图11所示是四种电容式传感器的示意图，关于这四种传感器的作用，下列说法不正确的是(　　)‎ ‎ ‎ A．甲图的传感器可以用来测量角度 B．乙图的传感器可以用来测量液面高度 C．丙图的传感器可以用来测量压力 D．丁图的传感器可以用来测量速度 ‎【答案】D ‎7.如图所示，Rt为金属热电阻，R1为光敏电阻，R2和均为定值电阻，电源电动势为E，内阻为r，V为理想电压表，现发现电压表示数增大，可能的原因是（ ）‎ A．金属热电阻温度升高，其他条件不变 B．金属热电阻温度降低，光照减弱，其他条件不变 C．光照增强，其他条件不变 D．光照增强，金属热电阻温度升高，其他条件不变 ‎【答案】B 电阻温度升高，一个电阻减小，一个电阻增大，若总电阻减小，则总电流增大，路端电压减小，而两端的电压增大，所以并联电路电压减小，所在支路的电阻增大，所以支路电流减小，电压表示数减小，一个电阻减小，一个电阻增大，若总电阻增大，则路端电压增大，总电流减小，而两端的电压减小，所以并联电路电压增大，所以光敏电阻两端的电压增大，通过光敏电阻的电流增大，而总电流是减小的，所以所在支路的的电流减小，电压表示数减小，故D错误。‎ ‎8. 电动自行车是一种应用广泛的交通工具，其速度控制是通过转动右把手实现的，这种转动把手称“霍尔转把”．转把内部有永久磁铁和霍尔器件等，截面如图甲．开启电源时，在霍尔器件的上下面之间加一定的电压，形成电流，如图乙．随着转把的转动，其内部的永久磁铁也跟着转动，霍尔器件能输出控制车速的电压，已知电压与车速关系如图丙．以下关于“霍尔转把”叙述正确的是(　　)‎ ‎ ‎ A. 为提高控制的灵敏度，永久磁铁的上、下端分别为N、S极 B. 按图甲顺时针转动电动车的右把手(手柄转套)，车速将变快 C. 图乙中控制车速的霍尔电压应该是从霍尔器件的左右侧面输出 D. 若霍尔器件的上下面之间所加电压正负极性对调，将影响车速控制 ‎【答案】B ‎9.(多选) 如图所示，R1、R2为定值电阻，L为小灯泡，R3为光敏电阻，当入射光强度增大时(　　)‎ A．电压表的示数减小 B．R2中电流减小 C．小灯泡的功率增大 D．电路的路端电压增大 ‎【答案】BC ‎【解析】当入射光强度增大时，R3阻值减小，外电路电阻随R3的减小而减小，R1两端电压因干路电流的增大而增大，从而电压表的示数增大，同时内电压增大，故电路的路端电压减小，A、D项均错误．由路端电压减小，而R1两端电压增大知，R2两端电压必减小，则R2中电流减小，故B项正确．结合干路电流增大知流过小灯泡的电流必增大，故小灯泡的功率增大，C项正确．‎ ‎10.(多选) 下图为握力器原理示意图，握力器把手上的连杆与弹簧一起上下移动，握力的大小可通过一定的换算关系由电流表的示数获得．当人紧握握力器时，如果握力越大，下列判断正确的有(　　)‎ A. 电路中电阻越大 B. 电路中电阻越小 C. 电路中电流越小 D. 电路中电流越大 ‎【答案】BD ‎11.(多选)陶瓷气敏传感器可以用于分析气体中酒精蒸气的含量，常用于检查酒后驾驶人员，如果司机饮酒，血液中的酒精成分会扩散到呼出的气体中，呼出的气体喷吹传感器，传感器的电阻将随着酒精蒸气浓度发生相应变化，从而可以检测血液中的酒精含量，某种陶瓷气敏传感器的电导（电阻的倒数）与气体中酒精蒸气浓度c的关系如图甲所示。小明同学针对图乙所示的检测电路（电流表内阻不计）提出了以下看法，其中正确的有（ ）‎ A．此陶瓷气敏传感器的电阻与气体中酒精蒸气的浓度成正比 B．气体中酒精蒸气的浓度越大，则电流表指针偏转的角度越大 C．气体中酒精蒸气的浓度越大，则电池的路端电压越小，电阻R0两端电压也越小 D．电池用的时间长了，电动势减小、内阻增大，导致测得的酒精浓度偏低 ‎【答案】BD ‎【解析】由图传感器的电阻与气体中酒精蒸汽的浓度成反比，故A错误；因为酒精蒸气的浓度C越大，电阻越小，电流越大，故B正确；酒精蒸气的浓度C越大，电阻越小，电流越大，路端电压越小，R电压越大，故C错误；若电池时间长了，电动势变小，内阻变大，则同样电流时，气敏传感器的电阻大，测量的C变小，故D正确。‎ ‎12. 利用负温度系数热敏电阻制作的热传感器，一般体积很小，可以用来测量很小范围内的温度变化，反应快，而且精确度高．‎ ‎(1)如果将负温度系数热敏电阻与电源、电流表和其他元件串联成一个电路，其他因素不变，只要热敏电阻所处区域的温度降低，电路中电流将变______(填“大”或“小”)．‎ ‎(2)上述电路中，我们将电流表中的电流刻度换成相应的温度刻度，就能直接显示出热敏电阻附近的温度．如果刻度盘正中的温度为20 ℃(如图6甲所示)，则25 ℃的刻度应在20 ℃的刻度的______(填“左”或“右”)侧．‎ ‎(3)为了将热敏电阻放置在某蔬菜大棚内检测大棚内温度变化，请用图乙中的器材(可增加元器件)‎ 设计一个电路．‎ ‎【答案】(1)小　(2)右　(3)见解析图 ‎13. 某兴趣小组为了研制一台“电子秤”，找到一个力电转换传感器，该传感器的输出电压正比于受压面的正压力，实验操作时，先调节传感器输入端的电压（要求从零开始调节），使力电转换传感器在空载时的输出电压为零；而后在其受压面上放一物体，即可测得与物体的质量成正比的输出电压。‎ ‎（1）如图所示，E为直流电源；S为开关；R为滑动变阻器；为电压表，在图中用笔画线代替导线连接成实验电路图。‎ ‎（2）若将质量为m0的砝码放在力电转换传感器的受压面上，电压表的示数为U0；然后取下砝码，再将待测质量为m的物体放在力电转换传感器的受压面上，电压表的示数为U，则待测物体的质量m＝________。‎ ‎【答案】（1）如图所示 （2）‎ ‎14. 如图所示为某一热敏电阻(电阻值随温度的改变而改变，且对温度很敏感)的I－U关系曲线图．‎ ‎(1)为了通过测量得到图示的I－U关系的完整曲线，在图甲、乙两个电路中应选择的是图________；简要说明理由：______________________________________________.‎ ‎(电源电动势为9 V，内阻不计，滑动变阻器的阻值为0～100 Ω)‎ ‎ ‎ ‎(2)在图丙所示电路中，电源电压恒为9 V，理想电流表读数为70 mA，定值电阻R1＝250 Ω.由热敏电阻的I－U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.‎ ‎(3)举出一个可以应用热敏电阻的例子：______________________________________.‎ ‎【答案】(1)甲　见解析　(2)5.2　111.8　(3)热敏温度计(提出其他实例，只要合理均对)‎