高中物理教科版2第二章交變電流 2023版第3章章末分層突破

章末分層突破[自我校對]①非電學(xué)②電學(xué)③光敏④熱敏⑤金屬熱⑥力⑦溫度⑧力⑨聲⑩溫度?光常見敏感元件及其特性1．光敏電阻光敏電阻在被光照射時電阻發(fā)生變化，光照增強電阻減小，光照減弱電阻增大．2．金屬熱電阻金屬熱電阻的電阻率隨溫度升高而增大．3．熱敏電阻熱敏電阻有正溫度系數(shù)、負(fù)溫度系數(shù)兩種．正溫度系數(shù)的熱敏電阻的阻值隨溫度升高而增大，負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻的阻值隨溫度升高而減?。?．電容平行板電容器的電容與極板面積、極板間距及電介質(zhì)材料有關(guān)，電容器可以感知引起電容變化的任一外界信息，并將其轉(zhuǎn)化為電容變化，例如，當(dāng)極板受力時會改變極板間距，從而引起電容變化．如圖3-1所示，有的計算機鍵盤的每一個鍵下面都連一小塊金屬片，與該金屬片隔有一定空隙還有另一塊小的固定金屬片，這兩塊金屬片組成一個小電容器，該電容器的電容C可用公式C＝eeq\f(S,d)計算，式中常量e＝9×10－12F·m－1，S表示金屬片的正對面積，d表示兩金屬片間的距離．當(dāng)鍵被按下時，此小電容器的電容發(fā)生變化，與之相連的電子線路就能檢測出哪個鍵被按下了，從而給出相應(yīng)的信號．設(shè)每個金屬片的正對面積為50mm2，鍵未被按下時兩金屬片間的距離為0.6mm.如果電容變化了pF，電子線路恰能檢測出必要的信號，則鍵至少要被按下________mm.圖3-1【解析】計算機鍵盤是一個電容傳感器，由題意知它是靠改變兩極板間距從而改變電容，得到相應(yīng)的電信號．又因兩極板間距減小，電容變大，設(shè)原間距為d0，按下鍵后間距為d時電子線路恰能檢測出必要的信號，則根據(jù)C＝eeq\f(S,d)，ΔC＝eSeq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,d)－\f(1,d0)))得d＝eq\f(eSd0,ΔC·d0＋eS)＝eq\f(9×10－12×50×10－6××10－3,×10－12××10－3＋9×10－12×50×10－6)m＝×10－3m＝0.45mm所以鍵至少要被按下的距離為0.6mm－0.45mm＝0.15mm.【答案】日常生活中常見的傳感器1．紅外線傳感器紅外線傳感器接收攜帶著信息的紅外線，轉(zhuǎn)換成電信號，從而得知輻射源的相關(guān)參數(shù)或信息．自然界幾乎所有的物體都能輻射波長在μm～1000μm的電磁波即紅外線，因此紅外線傳感器不僅被廣泛用于航空攝影、衛(wèi)星遙感遙測等高科技領(lǐng)域，也被廣泛用于日常生活中，自動門、生命探測器、非接觸式紅外測溫儀、家電遙控系統(tǒng)以及防盜、防火報警器等均使用了紅外線敏感傳感器．自動門就應(yīng)用了紅外線傳感器．自動門的工作流程如圖3-2所示．當(dāng)有人接近自動門時，傳感器接收到人體發(fā)出的紅外線，產(chǎn)生電壓輸出信號；信號經(jīng)過電路處理后，使定時器工作；由定時器構(gòu)成的電路使繼電器通電，自動門電動機轉(zhuǎn)動，門自動打開；當(dāng)人通過自動門幾秒鐘后，定時器又使繼電器斷電，自動門電動機反轉(zhuǎn)，門自動關(guān)閉．圖3-22．壓力傳感器全自動洗衣機的水位控制裝置中使用了壓力傳感器．圖3-3(a)中1和2分別是洗衣機的外筒和內(nèi)筒，3是氣室，4是傳感器的膜盒．氣室下部與外筒連通，上部與軟管、傳感器的膜盒連通．向內(nèi)筒中注水時，水通過內(nèi)筒壁上的小孔流入外筒，部分水進入氣室，氣室內(nèi)被密封的空氣壓強增大，使傳感器的膜片向上凸起如圖(b)所示，當(dāng)筒中水位到達設(shè)定的高度時，凸起的膜片使動觸點a與靜觸點b脫離，并與靜觸點c接觸，從而接通控制電路，關(guān)閉進水電磁閥門，接通洗滌電動機電源，開始洗滌衣物．圖3-33．電腦中的傳感器電腦常用的兩種溫度傳感器：熱敏電阻傳感器和集成溫度傳感器．以下是這兩種溫度傳感器的工作原理．(1)熱敏電阻傳感器熱敏電阻傳感器按溫度對電阻變化的影響一般可分為正溫度系數(shù)熱敏電阻、負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻，以及臨界溫度系數(shù)熱敏電阻．正溫度系數(shù)熱敏電阻及臨界溫度系數(shù)熱敏電阻的電阻特性會在特定溫度下發(fā)生急劇變化，適用于溫度檢測或控制．負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻主要為氧化錳、氧化鈷、氧化鎳、氧化銅和氧化鋁等金屬氧化物的復(fù)合燒結(jié)體，這些金屬氧化物材料都具有半導(dǎo)體性質(zhì)，當(dāng)溫度較低時，半導(dǎo)體內(nèi)的電子——空穴對數(shù)目較少，因此電阻較高．當(dāng)溫度升高時，熱敏電阻內(nèi)的電子——空穴對數(shù)目增加，因此導(dǎo)電率增加，電阻值下降．(2)集成溫度傳感器集成溫度傳感器是目前電腦普遍采用的溫度傳感器，具有精確度高、響應(yīng)速度快、體積小、功耗低、軟件界面控制方便等優(yōu)點．溫度檢測的主要機制為集成溫度傳感器內(nèi)部的電流源和ADC，集成溫度傳感器的工作原理是利用半導(dǎo)體PN正向?qū)ǎ闺妷号c溫度變化呈反向線性關(guān)系，所以后續(xù)處理電路可將正向?qū)妷鹤兓厔輬D線表述為被測溫度的變化趨勢．4．酒精濃度測試儀機動車駕駛員酒后駕車，極易發(fā)生道路交通事故，嚴(yán)重危害交通安全和人身財產(chǎn)安全．怎樣才能判定駕駛員酒后駕車呢？人飲酒后，酒精通過消化系統(tǒng)被人體吸收，經(jīng)血液循環(huán)，約有90%的酒精通過肺部呼氣排出，因此測量呼氣的酒精含量就可以判斷其飲酒程度．我國已制成對低濃度酒精有高靈敏性的酒精傳感器．交通警察使用這樣的酒精傳感器就能迅速、準(zhǔn)確地檢查出機動車駕駛員是否酒后駕車．氧化錫傳感器主要用于汽車尾氣中一氧化碳濃度的檢測．它的電阻隨一氧化碳濃度的變化而變化，在如圖3-4甲所示的電路中，不同的一氧化碳濃度對應(yīng)著傳感器的不同電阻，這樣，顯示儀表的指針就與一氧化碳濃度有了對應(yīng)關(guān)系，觀察儀表指針就能判斷一氧化碳濃度是否超標(biāo)，有一種氧化錫傳感器，其技術(shù)資料中給出的是電導(dǎo)(即電阻的倒數(shù))——濃度曲線如圖乙，電壓表示數(shù)U0與一氧化碳濃度c之間的對應(yīng)關(guān)系正確的是()甲乙圖3-4【解析】當(dāng)一氧化碳濃度增大時，傳感器的電導(dǎo)增大，電阻R傳減小，由閉合電路歐姆定律知，電路中的電流I＝E/(R0＋R＋R傳＋r)增大，電壓表的示數(shù)U0＝IR0＝ER0/(R0＋R＋R傳＋r)增大，故C、D錯誤，由題圖知，傳感器的電導(dǎo)與濃度成正比，傳感器的電阻R傳與濃度成反比，但電壓表的示數(shù)U0與傳感器的電阻R傳并不成正比關(guān)系，所以，電壓表示數(shù)U0與一氧化碳濃度c之間的關(guān)系圖線并不是直線，A錯，答案為B.【答案】B傳感器的應(yīng)用過程包括三個環(huán)節(jié)：感、傳、用1．“感”是指傳感器的敏感元件感受信息，并轉(zhuǎn)換為電學(xué)量．2．“傳”是指通過電路等將傳感器敏感元件獲取并轉(zhuǎn)換的電學(xué)信息傳給執(zhí)行機構(gòu)．3．“用”是指執(zhí)行機構(gòu)利用傳感器傳來的信息進行某種顯示或某種動作．1.如圖3-5所示為一種常見的身高體重測量儀．測量儀頂部向下發(fā)射波速為v的超聲波，超聲波經(jīng)反射后返回，被測量儀接收，測量儀記錄發(fā)射和接收的時間間隔．質(zhì)量為M0的測重臺置于壓力傳感器上，傳感器輸出電壓與作用在其上的壓力成正比．當(dāng)測重臺沒有站人時，測量儀記錄的時間間隔為t0，輸出電壓為U0，某同學(xué)站上測重臺，測量儀記錄的時間間隔為t，輸出電壓為U，則該同學(xué)身高和質(zhì)量分別為()【導(dǎo)學(xué)號：46042180】圖3-5A．v(t0－t)，eq\f(M0,U0)UB．eq\f(1,2)v(t0－t)，eq\f(M0,U0)UC．v(t0－t)，eq\f(M0,U0)(U－U0)D．eq\f(1,2)v(t0－t)，eq\f(M0,U0)(U－U0)【解析】設(shè)人的身高為x，質(zhì)量為m.當(dāng)測重臺沒有站人時：eq\f(H,v)＝eq\f(t0,2) ①當(dāng)人站在測重臺上時：eq\f(H－x,v)＝eq\f(t,2) ②由①②兩式得人的身高x＝eq\f(1,2)v(t0－t)當(dāng)測重臺上沒站人時：M0g＝kU0 當(dāng)人站在測重臺上時：(M0＋m)g＝kU ④由③④兩式得人的質(zhì)量m＝eq\f(M0,U0)(U－U0)可知選項D正確．【答案】D2．在輸液時，藥液有時會從針口流出體外，為了及時發(fā)現(xiàn)，設(shè)計了一種報警裝置，電路如圖3-6所示．M是貼在針口處的傳感器，接觸到藥液時其電阻RM發(fā)生變化，導(dǎo)致S兩端電壓U增大，裝置發(fā)出警報，此時()【導(dǎo)學(xué)號：46042181】圖3-6A．RM變大，且R越大，U增大越明顯B．RM變大，且R越小，U增大越明顯C．RM變小，且R越大，U增大越明顯D．RM變小，且R越小，U增大越明顯【解析】當(dāng)RM變大時，回路的總電阻R總變大，根據(jù)I總＝eq\f(E,R總)，得干路中的電流變小，S兩端的電壓U＝I總RS變小，故選項A、B錯誤；當(dāng)RM變小時，回路的總電阻R總＝eq\f(1,\f(1,R)＋\f(1,RM))＋RS變小，根據(jù)I總＝eq\f(E,R總)，得干路中的電流變大，S兩端的電壓U＝I總RS變大，而且R越大，RM變小時，對回路的總電阻變化的影響越明顯，故選項C正確，選項D錯誤．【答案】C3．(多選)某同學(xué)設(shè)計的家庭電路保護裝置如圖3-7所示，鐵芯左側(cè)線圈L1由火線和零線并行繞成．當(dāng)右側(cè)線圈L2中產(chǎn)生電流時，電流經(jīng)放大器放大后，使電磁鐵吸起鐵質(zhì)開關(guān)K，從而切斷家庭電路．僅考慮L1在鐵芯中產(chǎn)生的磁場，下列說法正確的有()圖3-7A．家庭電路正常工作時，L2中的磁通量為零B．家庭電路中使用的電器增多時，L2中的磁通量不變C．家庭電路發(fā)生短路時，開關(guān)K將被電磁鐵吸起D．地面上的人接觸火線發(fā)生觸電時，開關(guān)K將被電磁鐵吸起【解析】由于零線、火線中電流方向相反，產(chǎn)生磁場方向相反，所以家庭電路正常工作時，L2中的磁通量為零，選項A正確；家庭電路短路和用電器增多時均不會引起L2的磁通量的變化，選項B正確，C錯誤；地面上的人接觸火線發(fā)生觸電時，線圈L1中磁場變化引起L2中磁通量的變化，產(chǎn)生感應(yīng)電流，吸起K，切斷家庭電路，選項D正確．【答案】ABD4．(多選)有一種測量物體重量的電子秤，其電路原理圖如圖3-8中的虛線部分所示，主要由三部分構(gòu)成：踏板、壓力傳感器(實際上是一個阻值可隨壓力變化的電阻器)、顯示重量的儀表G(實質(zhì)上是電流表)．不計踏板的質(zhì)量，已知電流表的量程為2A，內(nèi)阻為1Ω，電源電動勢為12V，內(nèi)阻為1Ω，壓力傳感器的電阻R隨壓力F變化的函數(shù)關(guān)系式為R＝30－0.01F(F和R【導(dǎo)學(xué)號：46042182】圖3-8A．該電子秤能測量的最大重量是2600NB．該電子秤零刻度線(即踏板空載時的刻度線)應(yīng)標(biāo)在電流表G刻度盤的0.375A處C．電流表G的量程越大，則能測量的最大重量越小D．該電子秤可以通過電路規(guī)律轉(zhuǎn)換成F＝3200＋eq\f(1200,I)(F、I的單位分別為N、A)關(guān)系進行刻度轉(zhuǎn)換【解析】由題意知，F(xiàn)越大R越小，當(dāng)電路中電流達到電流表最大量程時，壓力最大，電路中最大電流為2A，則電路中總電阻R總＝eq\f(E,Im)＝eq\f(12,2)Ω＝6Ω，壓力傳感器的接入電阻為4Ω，最大測量壓力為2600N，選項A正確；當(dāng)壓力為零時，壓力傳感器的電阻為30Ω，則電路中電流I＝eq\f(E,r＋R＋RG)＝eq\f(12,32)A＝0.375A，故零刻度在0.375A處，選項B正確；由閉合電路歐姆定律可知，I＝eq\f(E,r＋R＋RG)，而R＝30－0.01F，代入可得F＝3200－eq\f(1200,I)(F、I的單位分別為N、A)，故選項D錯誤；由上式可以看出，電流I越大，F(xiàn)越大，即電流表G的量程越大，能測量的最大重量越大，選項C錯誤．【答案】AB5．現(xiàn)要組裝一個由熱敏電阻控制的報警系統(tǒng)，要求當(dāng)熱敏電阻的溫度達到或超過60℃時，系統(tǒng)報警．提供的器材有：熱敏電阻，報警器(內(nèi)阻很小，流過的電流超過Ic時就會報警)，電阻箱(最大阻值為Ω)，直流電源(輸出電壓為U，內(nèi)阻不計)，滑動變阻器R1(最大阻值為1000Ω)，滑動變阻器R2在室溫下對系統(tǒng)進行調(diào)節(jié)．已知U約為18V，Ic約為10mA；流過報警器的電流超過20mA時，報警器可能損壞；該熱敏電阻的阻值隨溫度升高而減小，在60℃時阻值為【導(dǎo)學(xué)號：46042183】(1)完成待調(diào)節(jié)的報警系統(tǒng)原理電路圖的連線．圖3-9(2)電路中應(yīng)選用滑動變阻器________(選填“R1”或“R2(3)按照下列步驟調(diào)節(jié)此報警系統(tǒng)：①電路接通前，需將電阻箱調(diào)到一固定的阻值，根據(jù)實驗要求，這一阻值為________Ω；滑動變阻器的滑片應(yīng)置于________(選填“a”或“b”)端附近，不能置于另一端的原因是____________________________________________________________________________________________________________.②將開關(guān)向________(選填“c”或“d”)端閉合，緩慢移動滑動變阻器的滑片，直至________________________________________________________．(4)保持滑動變阻器滑片的位置不變，將開關(guān)向另一端閉合，報警系統(tǒng)即可正常使用．【解析】(1)電路圖連接如圖．(2)報警器開始報警時，對整個回路有U＝Ic(R滑＋R熱)代入數(shù)據(jù)可得R滑＝1Ω，因此滑動變阻器應(yīng)選擇R2.(3)①在調(diào)節(jié)過程中，電阻箱起到等效替代熱敏電阻的作用，電阻箱的阻值應(yīng)為報警器報警時熱敏電阻的阻值，即為Ω.滑動變阻器在電路中為限流接法，滑片應(yīng)置于b端附近，若置于另一端a時，閉合開關(guān)，則電路中的電流I＝eq\f(18,A≈mA，超過報警器最大電流20mA，報警器可能損壞．②開關(guān)應(yīng)先向c端閉合，移動滑動變阻器的滑片，直至報警器開始報警為止．【答案】(1)連線如解析圖所示．(2)R2(3)①b接通電源后，流過報警器的電流會超過20mA，報警器可能損壞②c報警器開始報警6．青島奧運會帆船賽場采用風(fēng)力發(fā)電給蓄電池充電，為路燈提供電能．用光敏電阻作為傳感器控制路燈電路的開關(guān)，實現(xiàn)自動控制．光敏電阻的阻值隨照射光的強弱而變化，作為簡化模型，可以近似認(rèn)為，照射光較強(如白天)時電阻幾乎為0；照射光較弱(如黑天)時電阻接近于無窮大．利用光敏電阻作為傳感器，借助電磁開關(guān)，可以實現(xiàn)路燈自動在白天關(guān)閉，黑天打開．電磁開關(guān)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3-10所示.1、2兩接線柱之間是勵磁線圈，3、4兩接線柱分別與彈簧片和觸點連接．當(dāng)勵磁線圈中電流大于50mA時，電磁鐵吸合鐵片，彈簧片和觸點分離，3、4斷開；電流小于50mA時，3、4接通，勵磁線圈中允許通過的最大電流為100mA.電磁開關(guān)內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖圖3-10(1)利用以下器材設(shè)計一個自動控制路燈的電路，畫出電路原理圖．光敏電阻R1，符號燈泡L，額定功率40W，額定電壓36V，符號保護電阻R2，符號電磁開關(guān)，符號畜電池E，電壓36V，內(nèi)阻很??；開關(guān)S，導(dǎo)線若干．(2)回答下列問題：①如果勵磁線圈的電阻為200Ω，勵磁線圈允許加的最大電壓為________V，保護電阻R2的阻值范圍為________Ω.②在有些應(yīng)用電磁開關(guān)的場合，為了安全，往往需要在電磁鐵吸合鐵片時，接線柱3、4之間從斷開變?yōu)榻油ǎ疄榇?，電磁開關(guān)內(nèi)部結(jié)構(gòu)應(yīng)如何改造？請結(jié)合本題中電磁開關(guān)內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖說明．③任意舉出一個其他的電磁鐵應(yīng)用的例子．【解析】(1)要使光敏電阻能夠?qū)﹄娐愤M行控制，且有光照時路燈熄滅，光敏電阻應(yīng)與1、2串聯(lián)，3、4與路燈串聯(lián)，則電路如圖所示．(2)①Um＝ImR＝100×10－3×200V＝20V；E＝I(R2＋R1)，其中50mA<I≤100mA，解得R2在160～520Ω之間．②把觸點從彈簧片右側(cè)移到彈簧片左側(cè)，保證當(dāng)電磁鐵吸合鐵片時3、4之間接通，不吸合時3、4之間斷開．③電磁起重機【答案】(1)見解析(2)①20160～520②把觸點從彈簧片右側(cè)移到彈簧片左側(cè)，保證