教科版高中物理選修3-2練習第三章傳感器第3.4節(jié)

第3節(jié)生活中的傳感器第4節(jié)實驗探究：簡單的光控和溫控電路1．在家用電器中使用最多的是______傳感器，其次是______、______、____、磁、壓力、煙霧、聲敏等傳感器．2．模糊洗衣機中的傳感器有：______傳感器、________傳感器、________傳感器、______傳感器、________傳感器、臟污程度傳感器、脫水傳感器等．3．集成電路又稱IC，是在______上集合各種電子器件，實現(xiàn)某種特定功能的電路模塊，它是__________中最重要的部分．4．傳感器的種類多種多樣，其性能也各不相同，空調機在室內溫度達到設定的溫度后，會自動停止工作，空調機內使用的傳感器是()A．生物傳感器B．紅外傳感器C．溫度傳感器D．壓力傳感器5．下列器件是應用力傳感器的是()A．鼠標器B．火災報警器C．測溫儀D．電子秤6．用遙控器調換電視機頻道的過程，實際上是電視機中的傳感器把光信號轉化為電信號的過程．下列屬于這類傳感器的是()A．紅外報警裝置B．走廊照明燈的聲控開關C．自動洗衣機中的壓力傳感裝置D．電飯鍋中控制加熱和保溫的溫控器【概念規(guī)律練】知識點一生活中的傳感器1．如圖1所示為某種電冰箱內溫度控制器的結構．銅制的測溫泡1、細管2和彈性金屬膜盒3連通成密封的系統(tǒng)，里面充有氯甲烷和它的蒸氣，構成了一個溫度傳感器．膜盒3為扁圓形(圖中顯示它的切面)，右表面固定，左表面通過小柱體與彈簧片4連接．盒中氣體的壓強增大時，盒體就會膨脹．測溫泡1安裝在冰箱的冷藏室中.5、6分別是電路的動觸點和靜觸點，控制制冷壓縮機的工作．拉簧7的兩端分別連接到彈簧片4和連桿9上．連桿9的下端是裝在機箱上的軸．凸輪8是由設定溫度的旋鈕(圖中未畫出)控制的，逆時針旋轉時凸輪連桿上端右移，從而加大對彈簧7的拉力．(1)為什么當冰箱內溫度較高時壓縮機能夠自動開始工作，而在達到設定的低溫后又自動停止工作？(2)為什么用凸輪可以改變設定的溫度？圖12．溫度傳感器是應用最廣泛的傳感器之一，一般由半導體材料的熱敏電阻制成，它可以把熱信號轉換為電信號，進行自動控制，電飯鍋、電飯煲的自動加熱和保溫就是借助于溫度傳感器來完成的．電飯鍋中應用了溫度傳感器，它的主要元件是感溫鐵氧體．感溫鐵氧體是用氧化錳、氧化鋅和氧化鐵粉末混合燒結而成的，它的特點是：常溫下具有鐵磁性，能夠被磁體吸引，但是溫度上升到約103℃時，就失去了鐵磁性，不能被磁體吸引了．這個溫度在物理學中稱為該材料的“居里溫度”或“居里點電飯鍋的結構如圖2所示，試回答以下問題：(1)開始煮飯時為什么要壓下開關按鈕？手松開后這個按鈕是否會恢復到圖示的狀態(tài)？為什么？(2)煮飯時水沸騰后鍋內是否會大致保持一定的溫度？為什么？(3)飯熟后，水分被大米吸收，鍋底的溫度會有什么變化？這時電飯鍋會自動地發(fā)生哪些動作？(4)如果用電飯鍋燒水，能否在水沸騰后自動斷電？圖2知識點二簡單的光控電路和溫控電路3．路燈晚上為我們照亮道路，天亮之后熄滅，它是通過光線來實現(xiàn)自動控制的，使電路在天亮時自動切斷，天黑則自動導通，圖3可以模擬光控自動照明電路，其中各元件的參數(shù)如下，其中發(fā)光二極管相當于路燈．圖3如何調試來實現(xiàn)天暗時自動發(fā)光，天亮時自動熄滅？4．使用電熨斗時，必須控制電加熱過程，以免過熱損壞衣服．這就要求，電熨斗的溫度低于指定值時電加熱器供電加熱，溫度高于指定值時要將電源關閉，請仿照上題中的光控電路設計一個溫控電路．【方法技巧練】傳感器問題的分析技巧5．電熨斗在達到設定的溫度后就不再升溫，當溫度降低時又會繼續(xù)加熱，使它總與設定的溫度相差不多．在熨燙不同的織物時，設定的溫度可以不同，進行這樣的控制，靠的是溫度傳感器．電熨斗中裝有雙金屬片溫度傳感器，這種雙金屬片的作用是控制電路的通斷，如圖4所示為電熨斗的結構圖，圖中雙金屬片上層金屬的膨脹系數(shù)大于下層金屬的膨脹系數(shù)，請結合所學知識回答以下問題：圖4(1)常溫下，上、下觸點應當是接觸的還是分離的？當溫度過高時雙金屬片將起怎樣的作用？(2)熨燙棉麻衣物和熨燙絲綢衣物需要設定不同的溫度，這是如何利用調溫旋鈕來實現(xiàn)的？6．如圖5所示為某種電子秤的原理示意圖，AB為一均勻的滑線電阻，阻值為R，長度為L，兩邊分別有P1、P2兩個滑動頭，P1可在豎直絕緣光滑的固定桿MN上保持水平狀態(tài)而上下自由滑動，彈簧處于原長時，P1剛好指著A端，P1與托盤固定相連，若P1、P2間出現(xiàn)電壓，該電壓經過放大，通過信號轉換后在顯示屏上將顯示物體重力的大?。阎獜椈傻膭哦认禂?shù)為k，托盤自身質量為m0，電源電動勢為E，內阻不計，當?shù)氐闹亓铀俣葹間.求：圖5(1)托盤上未放物體時，在托盤自身重力作用下，P1離A的距離x1；(2)托盤上放有質量為m的物體時，P1離A的距離x2；(3)在托盤上未放物體時通常先校準零點，其方法是：調節(jié)P2，使P2離A的距離也為x1，從而使P1、P2間的電壓為零．校準零點后，將物體m放在托盤上，試推導出物體質量m與P1、P2間的電壓U之間的函數(shù)關系式．1．如圖6所示，將一光敏電阻連入多用電表兩表筆上，將多用電表的選擇開關置于歐姆擋，用光照射光敏電阻時表針的偏角為θ，現(xiàn)用手掌擋住部分光線，表針的偏角變?yōu)棣取洌瑒t可判斷()圖6A．θ′＝θB．θ′<θC．θ′>θD．不能確定θ和θ′的關系2．在電梯門口放置一障礙物，會發(fā)現(xiàn)電梯門不停地開關，這是由于在電梯門上裝有的傳感器是()A．光傳感器B．溫度傳感器C．聲傳感器D．壓力傳感器3.慣性制導系統(tǒng)已廣泛應用于彈道式導彈工程中，這個系統(tǒng)的重要元件之一是加速度計．加速度計構造和原理的示意圖如圖7所示：沿導彈長度方向安裝的固定光滑桿上套一質量為m的滑塊，滑塊兩側分別與勁度系數(shù)均為k的彈簧相連；兩彈簧的另一端與固定壁相連．滑塊原來靜止，彈簧處于自然長度，滑塊上有指針，可通過標尺測出滑塊的位移，然后通過控制系統(tǒng)進行制導．設某段時間內導彈沿水平方向運動，指針向左偏離O點的距離為x，則這段時間內導彈的加速度()圖7A．方向向左，大小為kx/mB．方向向右，大小為kx/mC．方向向左，大小為2kx/mD．方向向右，大小為2kx/m4．某小型電磁繼電器，其中L為含鐵芯的線圈．P為可繞O點轉動的鐵片，K為彈簧，S為一對觸頭，A、B、C、D為四個接線柱．電磁繼電器與傳感器配合，可完成自動控制的要求如圖8所示．其工作方式是()圖8A．A與B接信號電壓，C與D跟被控電路串聯(lián)B．A與B接信號電壓，C與D跟被控電路并聯(lián)C．C與D接信號電壓，A與B跟被控電路串聯(lián)D．C與D接信號電壓，A與B跟被控電路并聯(lián)5．下列器件不是應用溫度傳感器的是()A．電熨斗B．話筒C．電飯鍋D．測溫儀6．某市為了節(jié)約能源，合理適時地使用路燈，要求夜晚亮、白天熄，利用半導體的某種特性制成自動點亮、熄滅的裝置，實現(xiàn)了自動控制．這是利用半導體的()A．壓敏性B．光敏性C．熱敏性D．三種特性都利用了7．如圖9所示為一種自動跳閘的閘刀開關，O是轉動軸，A是絕緣手柄，C是閘刀卡口，M、N接電源線，閘刀處于垂直紙面向里、B＝1T的勻強磁場中，CO間距離為10cm，當磁場力為0.2N時，閘刀開關會自動跳開．則要使閘刀開關能跳開，CO中通過的電流的大小和方向為()圖9A．電流方向C→OB．電流方向O→CC．電流大小為1AD．電流大小為0.5A8．利用傳感器和計算機可以研究快速變化的力的大小．實驗時，把圖10甲中的小球舉高到繩子的懸點O處，然后讓小球自由下落．用這種方法獲得的彈性繩的拉力隨時間的變化圖線如圖乙所示．根據(jù)圖線所提供的信息，以下判斷正確的是()圖10A．t2時刻小球所處位置是運動中最高點B．t1～t2期間小球速度先增大后減小C．t3時刻小球動能最小D．t2與t5時刻小球速度大小不同9．如圖11所示，兩塊水平放置的金屬板距離為d，用導線、電鍵K與一個n匝的線圈連接，線圈置于方向豎直向上的變化磁場B中．兩板間放一臺小壓力傳感器，壓力傳感器上表面靜止放置一個質量為m、電荷量為＋q的小球．K斷開時傳感器上有示數(shù)，K閉合時傳感器上恰好無示數(shù)．則線圈中的磁場B的變化情況和磁通量變化率分別是()圖11A．正在增加，eq\f(ΔΦ,Δt)＝eq\f(mgd,q)B．正在減弱，eq\f(ΔΦ,Δt)＝eq\f(mgd,nq)C．正在減弱，eq\f(ΔΦ,Δt)＝eq\f(mgd,q)D．正在增加，eq\f(ΔΦ,Δt)＝eq\f(mgd,nq)題號123456789答案10．一般的電熨斗用合金絲做發(fā)熱元件，合金絲電阻隨溫度t變化的關系如圖12中實線①所示．由于環(huán)境溫度以及熨燙的衣服厚度、干濕等情況不同，熨斗的散熱功率不同，因而熨斗的溫度可能會在較大的范圍內波動，易損壞衣物．有一種用主要成分為BaTiO3，被稱為“PTC”的特殊材料做發(fā)熱元件的電熨斗，具有升溫快、能自動控制溫度的特點．PTC材料的電阻隨溫度變化的關系如圖12中實線②所示．圖12根據(jù)圖線分析：(1)為什么處于冷態(tài)的PTC熨斗剛通電時比普遍電熨斗升溫快？(2)通電一段時間后電熨斗溫度t自動地穩(wěn)定在______＜t＜______范圍之內．11．青島奧運會帆船賽場采用風力發(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，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，可以實現(xiàn)路燈自動在白天關閉，黑天打開．電磁開關的內部結構如圖13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.圖13(1)利用以下器材設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，符號蓄電池E，電壓36V，內阻很??；開關S，導線若干．(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在有些應用電磁開關的場合，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疄榇耍姶砰_關內部結構應如何改造？請結合本題中電磁開關內部結構圖說明．答：________________________________________________________________________________________________________________________________________________.③任意舉出一個其它的電磁鐵應用的例子．答：________________________________________________________________________.第3節(jié)生活中的傳感器第4節(jié)實驗探究：簡單的光控和溫控電路答案課前預習練1．溫度濕度氣體光2．水位負載量水溫布質洗滌粉3．硅板電子設備4．C[空調機根據(jù)溫度調節(jié)工作狀態(tài)，所以內部使用了溫度傳感器，故C正確．]5．D[鼠標器中的傳感器是紅外線接收管，屬于光傳感器；火災報警器中傳感器是光電三極管，屬于光傳感器；測溫儀用的是溫度傳感器；電子秤的敏感元件是應變片，是力傳感器，D正確．]6．A[遙控器發(fā)出紅外線，電視中的傳感器感知紅外線，是紅外線傳感器，所以A選項正確．]課堂探究練1．見解析解析(1)冰箱內溫度較高時，密封系統(tǒng)中的壓強增大，盒體膨脹，膜盒3通過小柱體帶動彈簧片4，使動觸點5與靜觸點6接觸，控制壓縮機自動開始工作，而在達到設定的溫度時彈簧帶動彈簧片4將觸點5、6斷開，使壓縮機停止工作．(2)凸輪逆時針轉動會加大連桿9對彈簧7的拉力，該拉力與彈性金屬膜盒3共同控制彈簧片4的運動，而彈簧7上彈力的變化會改變設定的溫度．2．見解析解析(1)開始煮飯時用手壓下開關按鈕，永磁體與感溫磁體相吸觸點接通，電熱板通電加熱；手松開后，由于永磁體與感溫磁體的吸引，按鈕不會恢復到圖示狀態(tài)．(2)煮飯時，水沸騰后鍋內保持100℃不變，因為水的沸點為100℃(3)水分被大米吸收后，鍋底溫度升高，當溫度升至“居里點103℃”時，感溫磁體失去磁性，在彈簧作用下，永磁體被彈開，觸點分離，切斷電源，從而停止加熱(4)如果用電飯鍋燒水，水沸騰后，鍋內保持100℃不變，溫度低于“居里點103℃”電飯鍋不能自動斷電，只有水燒干后，溫度升高到1033．見解析解析將光敏電阻用黑紙包住使它不被光照亮，如果發(fā)光二極管不亮，則調節(jié)電位器R1，直到發(fā)光二極管發(fā)光為止．然后將包裹光敏電阻的黑紙打開，看它是否熄滅，如果此時發(fā)光二極管不熄滅，則再調節(jié)電位器．反復使光敏電阻遮光或見光，直到可以實現(xiàn)發(fā)光二極管在光敏電阻有光照時熄滅，無光照時發(fā)光為止．4．見解析解析只需將上題光控電路中的光敏電阻RG換成熱敏電阻RT即可，用訊響器發(fā)聲代表電加熱器通電，電路如下圖所示調試時：調試R1使RT的溫度低于某一指定值時M741后面的電路接通，使RT的溫度高于某一指定值時M741后面的電路斷開．5．(1)常溫下，上、下觸點應是接觸的，但溫度過高時，由于雙金屬片上、下表面受熱膨脹系數(shù)不同，上部金屬膨脹大，下部金屬膨脹?。畡t雙金屬片向下彎曲，使觸點分離，從而切斷電源，停止加熱，溫度降低后，雙金屬片恢復原狀，重新接通電路加熱，這樣循環(huán)進行，起到自動控制溫度的作用．(2)熨燙棉麻衣物和熨燙絲綢衣物需要設定不同的溫度，此時可通過調溫旋鈕調節(jié)升降螺絲，升降螺絲帶動彈性銅片升降，從而改變觸點接觸的位置，達到控制不同溫度的目的．6．(1)eq\f(m0g,k)(2)eq\f(m＋m0g,k)(3)m＝eq\f(kL,gE)U解析托盤的移動帶動P1移動，使P1、P2間出現(xiàn)電勢差，電勢差的大小反映了托盤向下移動距離的大小，由于R為均勻的滑線電阻，則其阻值與長度成正比．(1)由力的平衡知識知m0g＝kx1，解得x1＝eq\f(m0g,k)(2)放上重物重新平衡后m0g＋mg＝kx解得x2＝eq\f(m＋m0g,k)(3)由閉合電路歐姆定律知E＝IR，由部分電路歐姆定律知U＝IR串，由eq\f(R串,R)＝eq\f(x,L)，其中x為P1、P2間的距離，則x＝x2－x1＝eq\f(mg,k)聯(lián)立解得m＝eq\f(kL,gE)U方法總結分析傳感器問題要注意四點(1)感受量分析要明確傳感器所感受的物理量，如力、熱、光、磁、聲等．(2)輸出信號分析明確傳感器的敏感元件，分析它的輸入信號及輸出信號，以及輸入信號與輸出信號間的變化規(guī)律．(3)電路結構分析認真分析傳感器所在的電路結構，在熟悉常用電子元件工作特點的基礎上，分析電路輸出信號與輸入信號間的規(guī)律．(4)執(zhí)行機構工作分析傳感器的應用，不僅包含非電學量如何向電學量轉化的過程，還包含根據(jù)所獲得的信息控制執(zhí)行機構進行工作的過程．課后鞏固練1．B[光敏電阻的阻值隨光照強度的增強而減小，開始時有光照射，光敏電阻的阻值較小，當手掌擋住部分光線時，光敏電阻的阻值增大，因為歐姆表的零刻度在表盤的右側，所以歐姆表測電阻時，阻值越大，指針張角越小，所以選項B正確．]2．D[當電梯門碰到人或其他障礙物時立即停止關門以防擠傷人，故為壓力傳感器．]3．D[滑塊隨導彈一起做加速運動，向左偏離O點的距離為x，使左側彈簧被壓縮，右側彈簧被拉長，則滑塊所受合力為2kx，方向向右，故加速度方向向右．由牛頓第二定律得：2kx＝ma，滑塊加速度大小為：a＝2kx/m，故選D.]4．A[A、B接電磁繼電器線圈，所以A、B應接信號電壓，線圈隨信號電壓變化使電磁繼電器相吸或釋放，從而使C、D接通或斷開，進而起到控制作用．故正確答案為A.]5．B6．B[題目中半導體應能感知光照強度變化，并輸出電信號，控制電路通斷，所以利用了半導體的光敏性，故B正確．]C，由B＝eq\f(F,IL)得I＝eq\f(F,BL)＝2A．→C，由B＝eq\f(F,IL)得I＝eq\f(F,BL)＝2A．]8．B[小球下落的軌跡如右圖所示，B處為繩子原長處，C處為小球重力與繩上拉力相等處，D處為小球下落的最低點，在F－t圖中，0～t1小球在OB間下落，t1～t2小球在BD間下落，t2～t3小球由D回到B處，t3～t4小球在BO間上升，而后下落至B點．由F－t