【同步】高中物理教科版(2019)選擇性必修2：第5章3.傳感器的應(yīng)用舉例4.自制簡(jiǎn)單的控制電路分層作業(yè)習(xí)題

第五章分層作業(yè)28傳感器的應(yīng)用舉例自制簡(jiǎn)單的控制電路A級(jí)必備知識(shí)基礎(chǔ)練1.電磁繼電器自動(dòng)雙向開(kāi)關(guān)如圖甲所示,當(dāng)DE中通過(guò)的電流較小時(shí),電磁鐵磁性弱,A與B接線柱接通;當(dāng)DE中通過(guò)的電流增大到一定數(shù)值時(shí),C與B接線柱接通。圖乙為應(yīng)用電磁繼電器和光敏電阻實(shí)現(xiàn)路燈自動(dòng)開(kāi)、關(guān)的電路圖,虛線框內(nèi)為電磁繼電器接入電路時(shí)的符號(hào)(M、N兩接線柱分別與電磁繼電器中接線柱A或C連接)。R為光敏電阻,R1為可調(diào)電阻,R0為保護(hù)電阻。開(kāi)關(guān)S閉合,在光線暗時(shí)對(duì)路燈L供電,光線亮?xí)r對(duì)路燈L斷電并同時(shí)接通LED。下列說(shuō)法正確的是()甲乙A.光敏電阻阻值隨光照強(qiáng)度增大而增大B.為使電路正常工作,圖甲中電磁繼電器的A接線柱應(yīng)與圖乙中N接線柱連接C.為更好地節(jié)能環(huán)保,光線更暗時(shí)對(duì)路燈自動(dòng)供電,可將R1的阻值調(diào)小D.當(dāng)LED出現(xiàn)斷路故障時(shí),電磁繼電器將不能正常工作2.某光敏電阻RT沒(méi)有受到光照射(或光較暗)時(shí),阻值較大,有光照射時(shí),阻值較小?，F(xiàn)利用該光敏電阻、低壓電源和電磁繼電器設(shè)計(jì)了自動(dòng)控制電路,如圖所示。下列說(shuō)法正確的是()A.該控制電路利用了電磁感應(yīng)的原理B.白天通過(guò)R3的電流小于晚上通過(guò)R3的電流C.該電路能實(shí)現(xiàn)燈泡白天亮、晚上不亮的功能D.若將低壓電源正負(fù)極調(diào)換,則該控制電路無(wú)法完成自動(dòng)控制功能3.為了節(jié)能環(huán)保,一些公共場(chǎng)所使用光控開(kāi)關(guān)控制照明系統(tǒng)。光控開(kāi)關(guān)可采用光敏電阻來(lái)控制,光敏電阻是阻值隨著光的照度而發(fā)生變化的元件(照度可以反映光的強(qiáng)弱,光越強(qiáng),照度越大,照度單位為lx)。甲乙(1)某光敏電阻的阻值R隨照度變化的曲線如圖甲所示,由圖像可求出照度為0.6lx時(shí)的電阻約為kΩ。

(2)圖乙是街道路燈自動(dòng)控制設(shè)計(jì)電路,利用直流電源為電磁鐵供電,利用照明電源為路燈供電。為達(dá)到天亮燈熄、天暗燈亮的效果,路燈應(yīng)接在(選填“AB”或“BC”)之間。

4.利用壓力敏感元件制作的傳感器,可用于設(shè)計(jì)制作“車輛闖紅燈違規(guī)記錄儀”,儀器主要由控制電路和工作電路組成,如圖甲所示,控制電路中的光控開(kāi)關(guān)接收到紅光時(shí)會(huì)自動(dòng)閉合,接收到綠光或黃光時(shí)會(huì)自動(dòng)斷開(kāi)。將控制電路中的壓力敏感元件埋在路面停止線前側(cè),壓力敏感元件阻值隨壓力的變化如圖乙所示?？刂齐娐分须娫吹碾妱?dòng)勢(shì)為9V,內(nèi)阻為1Ω,繼電器線圈電阻為9Ω,滑動(dòng)變阻器連入電路的電阻為50Ω;當(dāng)控制電路中的電流大于0.06A時(shí),銜鐵會(huì)被吸引,從而啟動(dòng)工作電路,電控照相機(jī)拍照記錄違規(guī)車輛。甲乙(1)當(dāng)紅燈亮?xí)r,若車輛越過(guò)停止線,電流表A的示數(shù)會(huì)變(選填“小”或“大”)。

(2)只有車輛對(duì)壓力敏感元件的壓力超過(guò)N后,車輛闖紅燈時(shí)才會(huì)被拍照記錄。

B級(jí)關(guān)鍵能力提升練5.傳感器讓我們的生活變得更加便利,其基本工作原理是把非電學(xué)量轉(zhuǎn)換為電學(xué)量,從而方便進(jìn)行測(cè)量、傳輸和控制。(1)為了測(cè)量?jī)?chǔ)罐中某種不導(dǎo)電液體液面的高度,某同學(xué)利用平行板電容器制作了一個(gè)“液位監(jiān)測(cè)儀”,如圖甲所示,將兩塊平行金屬板豎直插入到該液體中,液體填充在兩極板之間。兩極板分別用導(dǎo)線接到數(shù)字電容表上,數(shù)字電容表可顯示出電容器的電容,從電容的變化就可以知道容器中液面高度的變化。當(dāng)數(shù)字電容表示數(shù)增大時(shí),液面高度是上升還是下降?簡(jiǎn)要說(shuō)明理由。(2)圖乙為大型電子地磅電路圖。不稱物體時(shí),滑片P在A端,滑動(dòng)變阻器接入電路中的電阻最大,電流最小;稱重物時(shí),在壓力作用下滑片P下滑,滑動(dòng)變阻器接入電路中的電阻減小,電流增大。將電流表的電流刻度轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的重力刻度,就可以讀出被稱物體的重力。已知電源電動(dòng)勢(shì)為E,內(nèi)阻不計(jì);滑動(dòng)變阻器A、B間距離為L(zhǎng),最大阻值等于定值電阻R0的阻值;兩根彈簧的總彈力大小與形變量成正比,比例系數(shù)為k;電流表內(nèi)阻不計(jì)。請(qǐng)推導(dǎo)所稱重物的重力G的大小與電流I的關(guān)系式。(3)利用霍爾元件可以進(jìn)行微小位移的測(cè)量。如圖丙所示,在兩塊磁感應(yīng)強(qiáng)度相同、N極相對(duì)放置的磁體縫隙中放入霍爾元件,當(dāng)霍爾元件處于中間位置時(shí),磁感應(yīng)強(qiáng)度為0,霍爾電壓為0,將該點(diǎn)作為位移的零點(diǎn),當(dāng)霍爾元件沿±x方向移動(dòng)時(shí),同時(shí)通有如圖丁所示的恒定電流I,由于不同位置處磁感應(yīng)強(qiáng)度B不同,在M、N表面間產(chǎn)生的電勢(shì)差UMN不同。在小范圍內(nèi),兩磁極間磁感應(yīng)強(qiáng)度B的大小與位移x的大小成正比,比例系數(shù)為k。已知該霍爾元件長(zhǎng)為a,寬為b,厚為c,單位體積中導(dǎo)電的電子數(shù)為n,電子的電荷量為e。請(qǐng)推導(dǎo)霍爾元件M、N表面間的電勢(shì)差UMN與位移x的關(guān)系式。6.某同學(xué)設(shè)計(jì)了一種測(cè)定風(fēng)力的裝置,其原理如圖所示,迎風(fēng)板與一輕彈簧的一端N相接,穿在光滑的金屬桿上,彈簧是絕緣材料制成的,其勁度系數(shù)k=1300N/m,自然長(zhǎng)度L0=0.5m,均勻金屬桿用電阻率較大的合金制成,迎風(fēng)板面積S=2m2,工作時(shí)正對(duì)著風(fēng)吹來(lái)的方向,電路中左端導(dǎo)線與金屬桿M端相連,右端導(dǎo)線接在N點(diǎn)并可隨迎風(fēng)板在金屬桿上滑動(dòng),且與金屬桿接觸良好,限流電阻的阻值R=1Ω,電源電動(dòng)勢(shì)E=12V,內(nèi)阻r=0.5Ω。閉合開(kāi)關(guān),沒(méi)有風(fēng)吹時(shí),彈簧處于原長(zhǎng),電壓表的示數(shù)U1=3.0V。如果某時(shí)刻風(fēng)吹迎風(fēng)板使其向左壓縮彈簧,電壓表的示數(shù)變?yōu)閁2=2.0V,求:(1)金屬桿單位長(zhǎng)度的電阻R0;(2)U2=2.0V時(shí),作用在迎風(fēng)板上的風(fēng)力F。7.要在居民樓的樓道安裝一個(gè)插座和一個(gè)電燈,電燈由光敏開(kāi)關(guān)和聲敏開(kāi)關(guān)控制,光敏開(kāi)關(guān)在天黑時(shí)自動(dòng)閉合,天亮?xí)r自動(dòng)斷開(kāi);聲敏開(kāi)關(guān)在有聲音時(shí)自動(dòng)閉合,無(wú)聲音時(shí)自動(dòng)斷開(kāi)。在圖中連線,要求夜間且有聲音時(shí)電燈自動(dòng)亮,插座隨時(shí)可用。參考答案分層作業(yè)28傳感器的應(yīng)用舉例自制簡(jiǎn)單的控制電路1.C解析由題意可知,光線較暗時(shí),接M接線柱,圖甲中電磁繼電器的A接線柱應(yīng)與圖乙中M接線柱連接,此時(shí)AB接通,流過(guò)DE的電流較小,可知光敏電阻的阻值較大,光敏電阻阻值隨光照強(qiáng)度減小而增大,故A、B錯(cuò)誤;電磁鐵的磁性與電流的大小有關(guān),電流小到一定值,AB接通,光線更暗時(shí),光敏電阻的阻值更大,根據(jù)I=ER0+R2.B解析該控制電路利用了電流的磁效應(yīng),A錯(cuò)誤;白天干路電流較大,故內(nèi)阻及R1上的電壓較大,并聯(lián)電路的電壓較小,則R3的電流較小,即白天流過(guò)R3的電流小于晚上流過(guò)R3的電流,B正確;白天流過(guò)R3的電流較小,故流過(guò)線圈的電流較小,則白天電磁繼電器不工作,即該電路能實(shí)現(xiàn)燈泡白天不亮,晚上亮的功能,C錯(cuò)誤;若將低壓電源正負(fù)極調(diào)換,不改變電流磁效應(yīng)磁力的作用效果,則該控制電路依然可以完成自動(dòng)控制功能,D錯(cuò)誤。3.答案(1)2.8(2)AB解析(1)從圖像上可以看出當(dāng)照度為0.6lx時(shí)的電阻約為2.8kΩ;(2)當(dāng)天亮?xí)r,光敏電阻的阻值變小,所以回路中電流增大,則銜鐵被吸下來(lái),此次觸片和下方接觸,此時(shí)燈泡應(yīng)該熄滅,所以燈泡應(yīng)接在AB之間。4.答案(1)大(2)5×103解析(1)當(dāng)紅燈亮?xí)r,若車輛越過(guò)停止線,壓力敏感元件所受壓力變大,阻值變小,控制電路中總電阻變小,電流變大,電流表的示數(shù)會(huì)變大。(2)壓力敏感元件阻值為R時(shí),控制電路中的電流等于0.06A,則R總=UI=90.06Ω=150Ω,R總=1Ω+9Ω+50Ω5.答案(1)見(jiàn)解析(2)G=2kL-kELIR0(3)U解析(1)根據(jù)平行板電容器電容決定式C=εrS4π(2)設(shè)稱重物時(shí),在壓力作用下使滑片P下滑x,根據(jù)受力平衡可得G=kx滑動(dòng)變阻器接入電路的阻值為R=R0-xLR根據(jù)閉合電路歐姆定律可得I=E聯(lián)立解得G=2kL-kELI(3)設(shè)電子在霍爾元件中的定向速度大小為v,則有evB=eU根據(jù)電流微觀表達(dá)式可得I=neSv=nebcv聯(lián)立解得UMN=IB根據(jù)題意有B=kx則有UMN=Ikxnec6.答案(1)1Ω(2)260N解析(1)無(wú)風(fēng)時(shí),電路中的電流為I1=E-U則此時(shí)金屬桿的電阻為R1=U1I1=則金屬桿單位長(zhǎng)度的電阻R0=R10(2)當(dāng)傳感器的示數(shù)為U1=2.0V時(shí),根據(jù)閉合電路歐姆定律有U2=ER+解得此時(shí)金屬桿電阻為R2=0.3Ω則此時(shí)彈簧長(zhǎng)度為l1=R2R0=所以彈簧壓縮量為Δl=l0-l1=0.2m根據(jù)平衡條件,此時(shí)風(fēng)力為F=kΔl=260N。7.