第3节 大显身手的传感器(赋能课—精细培优科学思维)
课标要求 学习目标
列举传感器在生产生活中的应用。 1.能了解常见传感器的工作原理,解释传感器在生产生活中的应用。2.具有与传感器相关的运动与相互作用观念。3.能体会传感技术的应用给人类社会带来的挑战;有较强的将所学内容应用于日常生活实际的热情。4.认同物理的技术应用应考虑道德与规范的要求,能认识传感技术应用与人类社会发展的关系。
一、自动感应门 洗衣机水位控制 指纹识别器
1．自动感应门
(1)控制自动感应门开关的是一种________传感器。
(2)自动门工作流程：
2．洗衣机水位控制
全自动洗衣机的水位控制装置使用了______传感器。当水位达到设定的高度时接通控制电路，__________进水电磁阀门，________洗涤电动机电源。
3．指纹识别器
指纹识别器是通过________传感器来识别指纹的。手指皮肤与电容传感器表面构成了__________，由于指纹的凹凸导致不同位置的电容器的电容值也不相同。
二、机器人
1．机器人组成
由机械系统、__________系统、信息处理和控制系统组成。
2．机器人传感器的分类
分为________传感器和________传感器。
3．机器人传感器的用途
(1)外部传感器用于感知________工作环境和外界事物对机器人的刺激。包括视觉传感器、超声波传感器、温度传感器、压力传感器、位移传感器等。
(2)内部传感器(如角度传感器、关节传感器等)用于检测机器人____________。
[微情境·大道理]
1．当我们进入宾馆的大门时，门自动开启，当我们通过后，门自动关闭。这是为什么？
2．如图所示，为应变片的工作原理及力传感器的应用图片，试分析：
在应变式力传感器中，应变片中通过的电流恒定时，压力的大小转变为哪一个电学量？如何变？
强化点(一) 传感器问题分析
任务驱动
如图所示是中大型超市卖场在入口处安装的自动感应单向门，人走到跟前就会自动打开，过去之后自动关闭，这种感应门的工作原理是什么呢？
[要点释解明]
1．感受量分析
要明确传感器所感受的物理量，如力、热、光、磁、声等。
2．输出信号分析
明确传感器的敏感元件，分析它的输入信号及输出信号，以及输入信号与输出信号间的变化规律。
3．电路结构分析
认真分析传感器所在的电路结构，在熟悉常用电子元件工作特点的基础上，分析电路输出信号与输入信号间的规律。
4．执行机构工作分析
传感器的应用，不仅包含非电学量如何向电学量转化的过程，还包含根据所获得的信息控制执行机构进行工作的过程。
[典例] 如图所示为一种常见的身高体重测量仪。测量仪顶部向下发射波速为v的超声波，超声波经反射后返回，被测量仪接收，测量仪记录发射和接收的时间。质量为M0的测重台置于压力传感器上，传感器输出电压与作用在其上的压力成正比。当测重台没有站人时，测量仪记录的时间为t0，输出电压为U0；某同学站上测重台，测量仪记录的时间为t，输出电压为U，则该同学身高和质量分别为( )
A．v(t0－t)，U
B.v(t0－t)，U
C．v(t0－t)，(U－U0)
D.v(t0－t)，(U－U0)
听课记录：
[题点全练清]
1.呼吸机是一种能够起到预防和治疗呼吸衰竭、减少并发症、挽救及延长病人生命的至关重要的医疗设备。为保持病人获得持续、舒适的呼吸功能，需要呼吸机中设计安装多个传感器，用于实时、持续、稳定、精确地监测和控制气流、压力和温湿度等参数指标，下列传感器不是呼吸机必须搭载的为( )
A．气体质量流量传感器
B．压力传感器
C．光传感器
D．温度传感器
2．如图所示是会议室和宾馆房间的天花板上装有的火灾报警器的结构原理图，罩内装有发光二极管LED、光电三极管和不透明的挡板。平时光电三极管接收不到LED发出的光，呈现高阻状态。发生火灾时，下列说法正确的是( )
A．进入罩内的烟雾遮挡住了光线，使光电三极管电阻更大，检测电路检测出变化发出警报
B．进入罩内的烟雾对光有散射作用，部分光线照到光电三极管上，电阻变小，发出警报
C．光电三极管温度升高，电阻变小，检测电路检测出变化发出警报
D．以上说法均不正确
强化点(二) 力传感器及其应用
[要点释解明]
力传感器的分析思路
力传感器能够把物体的形变转换为电压或电流的变化，外力越大，电压或电流的变化就越大，由变化的差值大小，可以得知外力的大小。力传感器的种类繁多，在具体应用中，应依据其特性，综合利用其他知识进行分析与计算。
[典例] 有一种测量人体重的电子秤，其原理图如图所示。它主要由三部分构成：踏板和压力杠杆ABO、压力传感器R(一个阻值可随压力大小而变化的电阻器)、显示体重的仪表 (其实质是电流表)。其中AO∶BO＝5∶1。已知压力传感器的电阻与其所受压力的关系如下表所示。
压力F/N 0 50 100 150 200 250 300 …
电阻R/Ω 300 270 240 210 180 150 120 …
踏板的杠杆组件的质量不计，接通电源后，压力传感器两端电压恒为4.68 V，则：
(1)利用表中数据归纳出电阻R随压力F变化的函数关系式；
(2)该秤零刻度线(即踏板空载时的刻度线)应标在电流表刻度盘多少毫安处？
(3)如果某人站在踏板上，电流表刻度盘示数为20 mA，这个人的体重是多少(g取10 m/s2)
尝试解答：
[题点全练清]
1．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，其工作原理如图甲所示。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过程中，电流表示数随时间变化的图像如图乙所示。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t2到t3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t1到t2时间内，小车做匀加速直线运动
2．(多选)图甲虚线框内所示是电子秤测量部分的原理图，压力传感器的电阻R随压力F的变化如图乙所示。开关闭合后，压力传感器两端的电压恒为6.0 V。电流表的量程为0～0.6 A，电流表的内阻、踏板和压杆的质量可以忽略不计，则对于该电子秤，下列说法正确的是( )
A．最大称量值为1 500 N
B．压力传感器的电阻最小为0
C．空载时，电流表的读数为20 mA
D．称重为900 N时，电阻R的阻值为120 Ω
强化点(三) 电容式传感器及其应用
[要点释解明]
1．电容式传感器的工作原理
电容器的电容C取决于极板正对面积S、极板间的距离d以及极板间的电介质这几个因素。如果某一物理量(如角度θ、位移s、深度h等)的变化能引起上述某个因素的变化，从而引起电容的变化，那么，通过测定电容器的电容就可以确定上述物理量的变化。具有这种用途的电容器称为电容式传感器。
2．电容式传感器的一些常见应用
用途 图例 原理
测定角度θ 当动片与定片之间的角度θ发生变化时,引起极板正对面积S的变化,使电容C发生变化
测定液面高度h 在金属芯线的外面涂上一层绝缘物质,放入导电液体中,金属芯线和导电液体构成电容器的两个极板,金属芯线外面的绝缘物质就是电介质。当液面高度h发生变化时,引起电容器极板正对面积发生变化,使电容C发生变化
测定压力F 待测压力F作用于可动电极上时,可动电极发生形变,使极板间距离d发生变化,引起电容C发生变化
测定位移s 随着电介质进入极板间的长度发生变化,电容C发生变化
[典例] 如图所示为某电容传声器结构示意图，膜片和极板组成一个电容器，当人对着传声器讲话时，膜片会振动。若某次膜片振动时，膜片与极板间的距离减小，则在此过程中( )
A．膜片与极板所组成的电容器的电容变小
B．极板的带电荷量增大
C．膜片与极板间的电场强度变小
D．电阻R中无电流通过
听课记录：
[题点全练清]
1.如图所示为一测液面高低的传感器示意图，A为固定的导体芯，B为导体芯外面的一层绝缘物质，C为导电液体，把传感器接到图示的电路中，已知灵敏电流计指针偏转方向与电流方向相同，如果发现指针正向右偏转，则导电液体的深度h变化为( )
A．h正在增大 B．h正在减小
C．h不变 D．无法确定
2．(多选)传感器是智能设备的基础元件。如图所示为电容式位移传感器的示意图，观测电容C的变化即可知道物体位移s的变化，表示该传感器的灵敏度。电容器极板和电介质板长度均为L，测量范围为－≤s≤。下列说法正确的是( )
A．电容器的电容变大，物体向－s方向运动
B．电容器的电容变大，物体向＋s方向运动
C．电介质的介电常数越大，传感器灵敏度越高
D．电容器的板间电压越大，传感器灵敏度越高
3．(多选)如今智能手机中普遍安装了陀螺仪，它是一种加速度传感器，可集成于手机内部，用来检测手机的姿态。其工作原理如图所示，当手机运动状态改变时，固连在手机上的A部分随手机一起运动，质量块B通过弹性物体连接手机，由于惯性，运动状态不会随手机立刻发生变化，出现运动滞后，这样电容器电容值就发生了变化，变化的电容值会通过电信号传输给处理单元，就可测量手机的姿态，铺三层这种结构，就可以测出手机的前后、左右、上下以及旋转的加速度，这样就可以360°无死角检测手机运动。以下说法中正确的是( )
A．在外太空完全失重的情况下，这种传感器仍然可以使用
B．可以测量出任意情况下手机相对地面的速度
C．这种探测器可以测量地磁场强度，进而进行卫星定位
D．改变电容值是通过改变正对面积和板间距d来实现的
第3节 大显身手的传感器
一、1.(1)红外线 2.压力 关闭 接通 3.电容 电容器
二、1.传感器 2.外部 内部 3.(1)外部 (2)自身的状态
[微情境·大道理]
1．提示：红外线传感器探测到有人进入时，将脉冲信号传给主控器，主控器判断后控制电动机运行，使门开启。门开启后由控制器做出判断，如需关门，控制电动机反向运行，关闭门。
2．提示：压力的大小转变为电压的大小。
如果让应变片中通过的电流保持恒定，那么上表面应变片两端的电压变大，下表面应变片两端的电压变小，传感器把这两个电压的差值输出，则力F越大，输出的电压差值也就越大。
强化点(一)
[任务驱动] 提示：当单向门上的(雷达或者红外线)传感器检测到有人到达入口时，发出开门信号，门自动打开；检测到人通过后，发出关门信号，门自动关闭。
[典例] 选D 设该同学的身高为x，质量为m。
当测重台没有站人时＝①
当该同学站在测重台上时＝②
由①②两式得该同学的身高x＝v(t0－t)
当测重台上没站人时M0g＝kU0③
当该同学站在测重台上时(M0＋m)g＝kU④
由③④两式得该同学的质量m＝(U－U0)
可知选项D正确。
[题点全练清]
1．选C 呼吸机需要实时、持续、稳定、精确地监测和控制气流、压力和温湿度等参数指标，因此需要安装气体质量流量、压力、湿度、温度等传感器，故A、B、D都必须搭载，C不必须搭载。
2．选B 挡板不透明，平时光电三极管接收不到LED发出的光，呈现高阻状态。发生火灾时，进入罩内的烟雾对光有散射作用，部分光线照到光电三极管上，光电三极管电阻变小，检测电路检测出变化发出警报。该传感器是用光传感器实现报警的，故B项正确，A、C、D三项错误。
强化点(二)
[典例] 解析：(1)由表中数据可归纳得出R＝300－0.6F。
(2)依题意可知，电子秤空载时压力传感器受到的压力为零，电阻R1＝300 Ω，电路中的电流I1＝＝ A＝15.6 mA，所以该秤零刻度线应标在电流表刻度盘的15.6 mA处。
(3)当电流表刻度盘的示数I2＝20 mA时，压力传感器的电阻R2＝＝ Ω＝234 Ω
由R＝300－0.6F，解得F2＝110 N
再由F2·AO＝G·BO，可得G＝550 N
故人的体重m＝＝55 kg。
答案：(1)R＝300－0.6F (2)15.6 mA (3)55 kg
[题点全练清]
1．选B 在t1～t2时间内，I变大，压敏电阻的阻值变小，其受到的压力变大，小车做变加速运动，故A、D错误；在t2～t3时间内，I不变，压敏电阻受到的压力恒定，且大于0～t1时间内受到的压力，小车做匀加速直线运动，故B正确，C错误。
2．选CD 由题图乙可得电阻R(单位为Ω)与压力F(单位为N)在数值上满足关系R＝300－0.2F，则当电阻R＝0时，压力Fmax＝1 500 N，但压力传感器的电阻为零时，电源短路，则压力传感器的电阻最小不可能为零，即电子秤最大称量值不可能为1 500 N，故A、B错误；空载时F＝0，根据题图乙可知，此时R＝300 Ω，由欧姆定律得I＝＝＝20 mA，故C正确；当F＝900 N时，由R＝300－0.2F可得R＝120 Ω，故D正确。
强化点(三)
[典例] 选B 某次膜片振动时，膜片与极板间的距离减小，它们组成的电容器的电容增大，A错误；由C＝知，U不变的情况下，电容增大，则电容器极板所带电荷量Q增大，B正确；由E电场＝知，U不变，d减小，则电场强度E电场增大，C错误；极板的带电荷量增大，电容器充电，电阻R中有电流通过，D错误。
[题点全练清]
1．选B 由电源极性及电流方向可知，A、B、C构成的电容器上的电荷量正在减小，由Q＝CU可知C减小，则正对面积减小，即h在减小，故B正确。
2．选AC 根据电容决定式C＝可知，电容器的电容变大，说明电容器极板间的电介质板长度增加，则物体沿－s方向运动，A正确，B错误；电介质的介电常数εr越大，电介质板移动相同的位移，电容的变化量ΔC越大，传感器灵敏度越高，C正确；电容器的板间电压变化，电容不发生变化，则传感器灵敏度不变，D错误。
3．选AD 这种传感器的使用原理是惯性，跟重力无关，所以在外太空完全失重的情况下，这种传感器仍然可以使用，故A正确；这种探测器可以测出手机的前后、左右、上下以及旋转的加速度，不可以测量出任意情况下手机相对地面的速度，也不可以测量地磁场强度，进行卫星定位，故B、C错误；由题图可知，手机上的A部分与质量块B发生相对移动时，电容器的正对面积和板间距d发生变化，所以改变电容值是通过改变正对面积和板间距d来实现的，故D正确。
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大显身手的传感器
(赋能课—精细培优科学思维)
第3节
课标要求 学习目标
列举传感器在生产生活中的应用。 1.能了解常见传感器的工作原理,解释传感器在生产生活中的应用。
2.具有与传感器相关的运动与相互作用观念。
3.能体会传感技术的应用给人类社会带来的挑战;有较强的将所学内容应用于日常生活实际的热情。
4.认同物理的技术应用应考虑道德与规范的要求,能认识传感技术应用与人类社会发展的关系。
1
课前预知教材/落实主干基础
2
课堂精析重难/深度发掘知能
3
课时跟踪检测
CONTENTS
目录
课前预知教材/落实主干基础
一、自动感应门 洗衣机水位控制 指纹识别器
1.自动感应门
(1)控制自动感应门开关的是一种________传感器。
(2)自动门工作流程:
红外线
2.洗衣机水位控制
全自动洗衣机的水位控制装置使用了______传感器。当水位达到设定的高度时接通控制电路,______ 进水电磁阀门,_______ 洗涤电动机电源。
3.指纹识别器
指纹识别器是通过______传感器来识别指纹的。手指皮肤与电容传感器表面构成了_________,由于指纹的凹凸导致不同位置的电容器的电容值也不相同。
压力
关闭
接通
电容
电容器
二、机器人
1.机器人组成
由机械系统、_______系统、信息处理和控制系统组成。
2.机器人传感器的分类
分为_______传感器和________传感器。
传感器
外部
内部
3.机器人传感器的用途
(1)外部传感器用于感知______工作环境和外界事物对机器人的刺激。包括视觉传感器、超声波传感器、温度传感器、压力传感器、位移传感器等。
(2)内部传感器(如角度传感器、关节传感器等)用于检测机器人______________。
外部
自身的状态
1.当我们进入宾馆的大门时,门自动开启,当我们通过后,门自动关闭。这是为什么
提示:红外线传感器探测到有人进入时,将脉冲信号传给主控器,主控器判断后控制电动机运行,使门开启。门开启后由控制器做出判断,如需关门,控制电动机反向运行,关闭门。
微情境·大道理
2.如图所示,为应变片的工作原理及力传感器的应用图片,试分析:
在应变式力传感器中,应变片中通过的电流恒定时,压力的大小转变为哪一个电学量 如何变
提示:压力的大小转变为电压的大小。
如果让应变片中通过的电流保持恒定,那么上表面应变片两端的电压变大,下表面应变片两端的电压变小,传感器把这两个电压的差值输出,则力F越大,输出的电压差值也就越大。
课堂精析重难/深度发掘知能
如图所示是中大型超市卖场在入口处安装的自动感应单向门,人走到跟前就会自动打开,过去之后自动关闭,这种感应门的工作原理是什么呢
提示:当单向门上的(雷达或者红外线)传感器检测到有人到达入口时,发出开门信号,门自动打开;检测到人通过后,发出关门信号,门自动关闭。
强化点(一) 传感器问题分析
任务驱动
1.感受量分析
要明确传感器所感受的物理量,如力、热、光、磁、声等。
2.输出信号分析
明确传感器的敏感元件,分析它的输入信号及输出信号,以及输入信号与输出信号间的变化规律。
要点释解明
3.电路结构分析
认真分析传感器所在的电路结构,在熟悉常用电子元件工作特点的基础上,分析电路输出信号与输入信号间的规律。
4.执行机构工作分析
传感器的应用,不仅包含非电学量如何向电学量转化的过程,还包含根据所获得的信息控制执行机构进行工作的过程。
[典例] 如图所示为一种常见的身高体重测量仪。测量仪顶
部向下发射波速为v的超声波,超声波经反射后返回,被测量仪接
收,测量仪记录发射和接收的时间。质量为M0的测重台置于压
力传感器上,传感器输出电压与作用在其上的压力成正比。当
测重台没有站人时,测量仪记录的时间为t0,输出电压为U0;某同学站上测重台,测量仪记录的时间为t,输出电压为U,则该同学身高和质量分别为 ( )
A.v(t0-t),U
B.v(t0-t),U
C.v(t0-t),(U-U0)
D.v(t0-t),(U-U0)
√
[解析] 设该同学的身高为x,质量为m。
当测重台没有站人时= ①
当该同学站在测重台上时= ②
由①②两式得该同学的身高x=v(t0-t)
当测重台上没站人时M0g=kU0 ③
当该同学站在测重台上时(M0+m)g=kU ④
由③④两式得该同学的质量m=(U-U0)
可知选项D正确。
1.呼吸机是一种能够起到预防和治疗呼吸衰竭、
减少并发症、挽救及延长病人生命的至关重要的医疗
设备。为保持病人获得持续、舒适的呼吸功能,需要呼吸机中设计安装多个传感器,用于实时、持续、稳定、精确地监测和控制气流、压力和温湿度等参数指标,下列传感器不是呼吸机必须搭载的为( )
A.气体质量流量传感器 B.压力传感器
C.光传感器 D.温度传感器
题点全练清
√
解析:呼吸机需要实时、持续、稳定、精确地监测和控制气流、压力和温湿度等参数指标,因此需要安装气体质量流量、压力、湿度、温度等传感器,故A、B、D都必须搭载,C不必须搭载。
2. 如图所示是会议室和宾馆房间的天花板上装有的火灾报警器的结构原理图,罩内装有发光二极管LED、光电三极管和不透明的挡板。平时光电三极管接收不到LED发出的光,呈现高阻状态。发生火灾时,下列说法正确的是 ( )
A.进入罩内的烟雾遮挡住了光线,使光电三极管电阻更大,检测电路检测出变化发出警报
B.进入罩内的烟雾对光有散射作用,部分光线照到光电三极管上,电阻变小,发出警报
C.光电三极管温度升高,电阻变小,检测电路检测出变化发出警报
D.以上说法均不正确
√
解析:挡板不透明,平时光电三极管接收不到LED发出的光,呈现高阻状态。发生火灾时,进入罩内的烟雾对光有散射作用,部分光线照到光电三极管上,光电三极管电阻变小,检测电路检测出变化发出警报。该传感器是用光传感器实现报警的,故B项正确,A、C、D三项错误。
力传感器的分析思路
力传感器能够把物体的形变转换为电压或电流的变化,外力越大,电压或电流的变化就越大,由变化的差值大小,可以得知外力的大小。力传感器的种类繁多,在具体应用中,应依据其特性,综合利用其他知识进行分析与计算。
要点释解明
强化点(二) 力传感器及其应用
[典例] 有一种测量人体重的电子秤,其原理图如图所示。它主要由三部分构成:踏板和压力杠杆ABO、压力传感器R(一个阻值可随压力大小而变化的电阻器)、显示体重的仪表 (其实质是电流表)。其中AO∶BO
=5∶1。已知压力传感器的电阻与其所受压力的关系如下表所示。
压力F/N 0 50 100 150 200 250 300 …
电阻R/Ω 300 270 240 210 180 150 120 …
踏板的杠杆组件的质量不计,接通电源后,压力传感器两端电压恒为4.68 V,则:
(1)利用表中数据归纳出电阻R随压力F变化的函数关系式;
[答案] R=300-0.6F
[解析] 由表中数据可归纳得出R=300-0.6F。
(2)该秤零刻度线(即踏板空载时的刻度线)应标在电流表刻度盘多少毫安处
[答案] 15.6 mA
[解析] 依题意可知,电子秤空载时压力传感器受到的压力为零,电阻R1=300 Ω,电路中的电流I1== A=15.6 mA,所以该秤零刻度线应标在电流表刻度盘的15.6 mA处。
(3)如果某人站在踏板上,电流表刻度盘示数为20 mA,这个人的体重是多少(g取10 m/s2)
[答案] 55 kg
[解析] 当电流表刻度盘的示数I2=20 mA时,压力传感器的电阻R2== Ω=234 Ω
由R=300-0.6F,解得F2=110 N
再由F2·AO=G·BO,可得G=550 N
故人的体重m==55 kg。
1.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,其工作原理如图甲所示。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过程中,电流表示数随时间变化的图像如图乙所示。下列判断正确的是 ( )
题点全练清
A.从t1到t2时间内,小车做匀速直线运动
B.从t2到t3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t1到t2时间内,小车做匀加速直线运动
解析:在t1~t2时间内,I变大,压敏电阻的阻值变小,其受到的压力变大,小车做变加速运动,故A、D错误;在t2~t3时间内,I不变,压敏电阻受到的压力恒定,且大于0~t1时间内受到的压力,小车做匀加速直线运动,故B正确,C错误。
√
2.(多选)图甲虚线框内所示是电子秤测量部分的原理图,压力传感器的电阻R随压力F的变化如图乙所示。开关闭合后,压力传感器两端的电压恒为6.0 V。电流表的量程为0~0.6 A,电流表的内阻、踏板和压杆的质量可以忽略不计,则对于该电子秤,下列说法正确的是 ( )
A.最大称量值为1 500 N
B.压力传感器的电阻最小为0
C.空载时,电流表的读数为20 mA
D.称重为900 N时,电阻R的阻值为120 Ω
√
√
解析:由题图乙可得电阻R(单位为Ω)与压力F(单位为N)在数值上满足关系R=300-0.2F,则当电阻R=0时,压力Fmax=1 500 N,但压力传感器的电阻为零时,电源短路,则压力传感器的电阻最小不可能为零,即电子秤最大称量值不可能为1 500 N,故A、B错误;空载时F=0,根据题图乙可知,此时R=300 Ω,由欧姆定律得I===20 mA,故C正确;当F=900 N时,由R=300-0.2F可得R=120 Ω,故D正确。
1.电容式传感器的工作原理
电容器的电容C取决于极板正对面积S、极板间的距离d以及极板间的电介质这几个因素。如果某一物理量(如角度θ、位移s、深度h等)的变化能引起上述某个因素的变化,从而引起电容的变化,那么,通过测定电容器的电容就可以确定上述物理量的变化。具有这种用途的电容器称为电容式传感器。
要点释解明
强化点(三) 电容式传感器及其应用
2.电容式传感器的一些常见应用
用途 图例 原理
测定 角度θ 当动片与定片之间的角度θ发生变化时,引起极板正对面积S的变化,使电容C发生变化
测定 液面 高度h 在金属芯线的外面涂上一层绝缘物质,放入导电液体中,金属芯线和导电液体构成电容器的两个极板,金属芯线外面的绝缘物质就是电介质。当液面高度h发生变化时,引起电容器极板正对面积发生变化,使电容C发生变化
续表
测定 压力F 待测压力F作用于可动电极上时,可动电极发生形变,使极板间距离d发生变化,引起电容C发生变化
测定 位移s 随着电介质进入极板间的长度发生变化,电容C发生变化
续表
[典例] 如图所示为某电容传声器结构示意图,
膜片和极板组成一个电容器,当人对着传声器讲话
时,膜片会振动。若某次膜片振动时,膜片与极板间
的距离减小,则在此过程中 ( )
A.膜片与极板所组成的电容器的电容变小
B.极板的带电荷量增大
C.膜片与极板间的电场强度变小
D.电阻R中无电流通过
√
[解析] 某次膜片振动时,膜片与极板间的距离减小,它们组成的电容器的电容增大,A错误;由C=知,U不变的情况下,电容增大,则电容器极板所带电荷量Q增大,B正确;由E电场=知,U不变,d减小,则电场强度E电场增大,C错误;极板的带电荷量增大,电容器充电,电阻R中有电流通过,D错误。
1.如图所示为一测液面高低的传感器示意图,A为固定的
导体芯,B为导体芯外面的一层绝缘物质,C为导电液体,把传
感器接到图示的电路中,已知灵敏电流计指针偏转方向与电流方向相同,如果发现指针正向右偏转,则导电液体的深度h变化为 ( )
A.h正在增大 B.h正在减小
C.h不变 D.无法确定
题点全练清
√
解析:由电源极性及电流方向可知,A、B、C构成的电容器上的电荷量正在减小,由Q=CU可知C减小,则正对面积减小,即h在减小,故B正确。
2.(多选)传感器是智能设备的基础元件。如图所示为电容式位移传感器的示意图,观测电容C的变化即可知道物体位移s的变化,表示该传感器的灵敏度。电容器极板和电介质板长度均为L,测量范围为
-≤s≤。下列说法正确的是( )
A.电容器的电容变大,物体向-s方向运动
B.电容器的电容变大,物体向+s方向运动
C.电介质的介电常数越大,传感器灵敏度越高
D.电容器的板间电压越大,传感器灵敏度越高
√
√
解析:根据电容决定式C=可知,电容器的电容变大,说明电容器极板间的电介质板长度增加,则物体沿-s方向运动,A正确,B错误;电介质的介电常数εr越大,电介质板移动相同的位移,电容的变化量ΔC越大,传感器灵敏度越高,C正确;电容器的板间电压变化,电容不发生变化,则传感器灵敏度不变,D错误。
3.(多选)如今智能手机中普遍安装了陀螺仪,它是
一种加速度传感器,可集成于手机内部,用来检测手机
的姿态。其工作原理如图所示,当手机运动状态改变
时,固连在手机上的A部分随手机一起运动,质量块B通过弹性物体连接手机,由于惯性,运动状态不会随手机立刻发生变化,出现运动滞后,这样电容器电容值就发生了变化,变化的电容值会通过电信号传输给处理单元,就可测量手机的姿态,铺三层这种结构,就可以测出手机的前后、左右、上下以及旋转的加速度,这样就可以360°无死角检测手机运动。以下说法中正确的是 ( )
A.在外太空完全失重的情况下,这种传感器仍然可以使用
B.可以测量出任意情况下手机相对地面的速度
C.这种探测器可以测量地磁场强度,进而进行卫星定位
D.改变电容值是通过改变正对面积和板间距d来实现的
√
√
解析:这种传感器的使用原理是惯性,跟重力无关,所以在外太空完全失重的情况下,这种传感器仍然可以使用,故A正确;这种探测器可以测出手机的前后、左右、上下以及旋转的加速度,不可以测量出任意情况下手机相对地面的速度,也不可以测量地磁场强度,进行卫星定位,故B、C错误;由题图可知,手机上的A部分与质量块B发生相对移动时,电容器的正对面积和板间距d发生变化,所以改变电容值是通过改变正对面积和板间距d来实现的,故D正确。
课时跟踪检测
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A级——基础达标
1.在公共场所装有自动干手机,洗手后将湿手靠近,自动干手机内的传感器就会开通电热器加热,喷出热空气将手烘干。自动干手机使用的传感器应该是( )
A.磁传感器 B.红外线传感器
C.力传感器 D.声传感器
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解析:手靠近干手机时,红外线传感器通过接收身体表面辐射出来的红外线来启动加热装置工作,故B正确,A、C、D错误。
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2.(多选)下列关于传感器的说法中,正确的是 ( )
A.测温枪是应用红外线传感器来测量体温的
B.话筒是一种常用的声传感器,其作用是将电信号转换为声信号
C.指纹识别器是应用压力传感器来识别指纹的
D.光敏电阻能够把光照强度这个光学量转换为电阻这个电学量
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解析:一切物体均能发出红外线,测温枪是应用红外线传感器来测量体温的,故A正确;话筒是一种常用的声传感器,其作用是将声信号转换为电信号,故B错误;指纹识别器是应用电容传感器来识别指纹的,故C错误;光敏电阻能够把光照强弱变化转化为电阻大小的变化,故D正确。
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3.(2024·山东东营高二月考)传感器是采集信息的一种重要元件,如图所示是一种电容式压力传感器,当待测压力作用于可动电极时,使它发生形变,从而改变传感器的电容。若电流从灵敏电流计“+”接线柱流进时指针向右偏,从“-”接线柱流进时指针向左偏。当待测压力突然增大时,下列说法中正确的是 ( )
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A.电容器的电容将减小
B.M点的电势比N点的低
C.灵敏电流计指针向左偏转
D.若电流计示数稳定且不为零,说明压力F不再变化
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解析:当待测压力突然增大时,F向上压可动电极,由C=,可知d减小,电容增大,A错误;由题可知,电容器的电压不变,若F向上压可动电极,电容增大,电量增大,电容器充电,电路中形成逆时针方向的电流,则灵敏电流计指针向右偏,电流从N流向M,故M点的电势比N点的低,C错误,B正确;若电流计示数稳定且不为零,说明电容器正在充、放电,电容器的电容变化,说明压力F变化,D错误。
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4.(2024·河北邢台高二联考)(多选)某加速度传
感器的原理示意图如图所示,其被固定在被测对象
的水平面上。传感器中的电源电动势和内阻均恒
定,滑动变阻器的滑片到滑动变阻器两端的阻值与它到滑动变阻器两端的距离成正比,滑片与滑块(质量恒定)固定在一起,它们可以在光滑的框架中平移,滑块两侧用轻弹簧拉着。滑块处于平衡状态时,滑片恰好位于滑动变阻器中央,此时电压表指针也恰好指在刻度盘的中央。下列说法正确的是 ( )
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A.当滑块具有图示方向的加速度a时,电压表的指针将向右偏转
B.当电压表的指针指在零刻度时,滑块的加速度方向一定沿图示方向
C.滑块的加速度大小与电压表指针的刻度成正比
D.滑块的加速度大小与电压表指针偏离中央的角度成正比
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解析:当滑块具有题图示方向的加速度a时,滑块向左移动,带动滑动变阻器的滑片移向中点左方,则电压表所测电压变小,示数减小,指针将向左偏转,故A错误;当电压表的指针指在零刻度时,滑片位于滑动变阻器R左端,滑块的加速度方向沿题图示方向,故B正确;设滑块偏离中间位置x距离,滑动变阻器单位长度的电阻为r,流过滑动变阻器的电流为I,电压表示数变化量为ΔU=Ixr,设弹簧的弹性系数为k,由牛顿第二定律得2kx=ma,解得a=,故C错误,D正确。
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5.(多选)电容式加速度传感器在安全气囊、手机移
动设备等方面应用广泛,其工作原理简化为如图所示的
示意图。质量块左侧连接轻质弹簧,右侧连接电介质。弹簧与电容器固定在外框上,质量块可带动电介质移动以改变电容器的电容,则下列说法正确的是 ( )
A.电介质插入极板间越深,电容器的电容越大
B.若传感器以恒定加速度向左运动,则电路中有由a向b的电流
C.若传感器以恒定加速度向右运动,则电路中有由a向b的电流
D.若传感器运动时向右的加速度逐渐增大,则电路中有由a向b的电流
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解析:电介质插入极板间越深,根据电容的决定式C=可知此时介电常数εr越大,故电容器的电容越大,故A正确;若传感器以恒定加速度向左运动或者向右运动,可知此时弹簧长度保持不变,电容器中电介质的长度不变,电容器电容不变,带电量不变,故电路中无电流,故B、C错误;若传感器运动时向右的加速度逐渐增大,此时弹簧长度逐渐变短,电容器中电介质的长度变短,故电容器的电容越来越小,电容器两端的电压不变等于电源电动势,根据Q=CU可知电容器的带电量在减小,电容器在放电,电路中有由a向b的电流,故D正确。
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6.(2024·北京丰台高二检测)如图是苹果自动分拣装置的示意图,该装置能够按一定质量标准自动分拣大苹果和小苹果。该装置的托盘秤压在一个以O1为转动轴的杠杆上,杠杆末端压在电阻R1上,R1的阻值随压力的变化而变化。小苹果通过托盘秤时,R2两端的电压较小,分拣开关在弹簧向上弹力作用下处于水平状态,小苹果进入上面通道;当大苹果通过托盘秤时,R2两端能够获得较大电压,电磁铁吸动分拣开关的衔铁,打开下面通道,让大苹果进入下面通道。设定进入下面通道的大苹果最小质量m0为该装置的分拣标准,下列说法正确的是 ( )
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A.压力越小R1越小
B.调节R2的大小不可以改变苹果的分拣标准
C.若要提高分拣标准,可只适当减小R2的阻值
D.若要提高分拣标准,可只增大电路中电源的电动势
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解析:由题可知,小苹果通过托盘秤时,R2两端的电压较小,则根据闭合电路的欧姆定律有E=IR1+I(R并+r),可知压力越小R1应该越大,故A错误;根据闭合电路的欧姆定律有E=I(R1+r)+IR并,当适当减小R2的阻值,则R并减小,在R1不变的情况下I增大,此时R2两端的电压比没有减小R2时的电压小,则分拣出的大苹果最小质量比m0大;若只增大电路中电源的电动势,同理也会让I增大,此时R2两端的电压比没有增大电路中电源的电动势时的电压大,则可分拣出的大苹果最小质量比m0小,故C正确,B、D错误。
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7.如图是利用太阳能给LED路灯供电的自动控制电路的示意图。R是光敏电阻,R0是定值保护电阻。日光充足时,电磁继电器把衔铁吸下,GH接入电路,太阳能电池板给蓄电池充电;光线不足时,衔铁被弹簧拉起,与EF接入电路,蓄电池给LED路灯供电,路灯亮起。下列关于该电路分析正确的是 ( )
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A.该光敏电阻阻值随光照强度增大而增大
B.增加电源电动势可以增加路灯照明时间
C.增大保护电阻R0阻值可延长每天路灯照明时间
D.并联更多的LED路灯可延长每天路灯照明时间
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解析:日光充足时,电磁继电器把衔铁吸下,根据闭合电路欧姆定律,控制电路中电阻变小,电流变大,衔铁被吸下,故光敏电阻R阻值随光照强度增大而减小,故A错误;电动势增大、电阻不变情况下,电流增大,电磁继电器把衔铁吸下,减少了路灯照明时间,故B错误;增大保护电阻R0,减小了电流,延长了照明时间,故C正确;LED路灯的盏数不影响控制电路,考虑到蓄电池容量一定,可能会减少照明时间,故D错误。
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8.如图甲所示,质量不计的弹簧竖直固定在一压力传感器上,压力传感器是电阻阻值随受到压力的增大而减小的变阻器(压力不超过最大值),压力传感器、电流表、定值电阻和电源组成一电路。压力传感器不受力时电流表示数是I0。t=0时刻,将一金属小球从弹簧正上方某一高度由静止释放,小球落到弹簧上压缩弹簧到最低点,然后又被弹起离开弹簧,上升到一定高度后再下落,如此反复。整个过程中,不计能量损失,电流表示数I随时间t变化的图像如图乙所示,则 ( )
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A.t1时刻,小球动能最小
B.t2时刻,弹簧的弹性势能最小
C.t2~t3这段时间内,弹簧的弹性势能先增加后减少
D.t2~t3这段时间内,小球增加的动能小于弹簧减少的弹性势能
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解析:t2时刻,电流表示数最大,表示压力传感器的电阻阻值最小,故压力传感器受到的压力最大,说明此时小球把弹簧压缩到最低点,小球动能最小,弹簧的弹性形变程度最大,弹性势能最大,故A、B错误;t2~t3这段时间内,电流表示数变小,表示压力传感器的电阻阻值增大,故压力传感器受到的压力减小,说明此时是弹簧把小球弹起的过程,弹簧的弹性势能转化成小球的动能和重力势能,故弹簧的弹性势能逐渐减少,小球增加的动能小于弹簧减少的弹性势能,故C错误,D正确。
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9.如图所示,小铅球P系在细金属丝下,悬挂在O点,
开始时小铅球P沿竖直方向处于静止状态。当将小铅球
P放入水平流动的水中时,小铅球向左摆动一定的角度θ,
水流速度越大,θ越大。为了测定水流对小铅球作用力的大小,在水平方向固定一根电阻丝BC,其长为L,它与金属丝接触良好,不计摩擦和金属丝的电阻,C端在O点正下方处,且OC=h。图中还有电动势为E的电源(内阻不计)和一只电压表。请你连接一个电路,使得当水速增大时,电压表示数增大。
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答案:见解析图
解析:电路图如图所示。
设CD=x,小铅球P平衡时,
由几何知识可得tan θ= ①
根据闭合电路欧姆定律和部分电路欧姆定律可得I== ②
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根据电阻定律可得RL=ρ ③
Rx=ρ ④
由①②③④式可得U=,
因为水流速度越大,θ越大,所以U越大。
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B级——综合应用
10.(2024·江苏南京高二阶段检测)某力敏电阻的阻值随着压力的增大而线性减小。一同学利用该力敏电阻设计了判断小车在水平方向上运动状态的装置。其工作原理如图甲所示,将力敏电阻和一块挡板固定在绝缘小车上,之间放置一个光滑绝缘重物M,重物与挡板之间通过轻弹簧连接。某次实验中,电压表示数随时间变化关系如图乙所示,已知0~t1时间内,小车处于静止状态,则( )
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A.0~t1时间内,弹簧处于原长状态
B.t1~t2时间内,小车的加速度随时间均匀增大
C.t1~t2时间内,小车做匀变速直线运动
D.t2~t3时间内,小车可能向左做匀减速直线运动
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解析:0~t1时间内电压表示数不变,说明力敏电阻所受压力不变,由题意可知,弹簧上一定有力,M处于静止状态,合力为零,力敏电阻对M的弹力水平向左,弹簧对M的弹力水平向右,所以在0~t1时间内弹簧处于压缩状态,故A错误;t1~t2时间内,R两端电压均匀减小,电路中电流均匀减小,力敏电阻阻值变大,设t=t1时电路中电源和R的总电阻为R0,电路中电流为I0,由闭合电路的欧姆定律得I=,解得F=-,由题图乙可知I=I0-k0t,
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解得F=-,物块的加速度a=,T为弹簧弹力,大小不变,所以小车的加速度随时间不是均匀变化,故B、C错误;t2~t3时间内,电流不变,力敏电阻上所受压力不变,且M受到弹簧向右的力大于力敏电阻对M的压力,可知M的加速度向右且大小不变,所以小车可能向右做匀加速直线运动或向左做匀减速直线运动,故D正确。
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11.(2024·江苏徐州高二联考)如图甲所示是电饭锅的电路图,S1是一个限温开关,其内部结构如图乙所示,按下此开关按钮,两触点闭合,当温度达到居里点(103 ℃)时此开关会自动断开。S2是一个自动温控开关,当温度低于70 ℃时会自动闭合,温度高于80 ℃时会自动断开,R1是限流电阻,R2是加热电阻。下列说法正确的是 ( )
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A.当感温磁体的温度达到居里点(103 ℃)时,由于感温磁体失去了磁性,不能被永磁体吸引,在弹簧和磁体重力的作用下,两触点断开
B.开始煮饭时,若不按下限温开关S1一样可以把饭煮熟
C.电饭锅的饭煮熟后可以长时间保持米饭的温度在70 ℃到103 ℃之间
D.用电饭锅烧水,当水沸腾后限温开关S1也会自动断开
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解析:当感温磁体的温度达到居里点(103 ℃)时,由于感温磁体失去了磁性,不能被永磁体吸引,在弹簧和磁体重力的作用下,使得两触点断开,故A正确;如果开始煮饭时不按下限温开关S1,由于S2的作用,当锅内温度低于70 ℃时S2会自动闭合,从而对锅加热,但当温度高于80 ℃时S2会自动断开,使电饭锅处于保温状态,因此锅内的温度会控制在70 ℃到80 ℃之间,而无法将饭煮熟,故B、C错误;用电饭锅烧水,水沸腾后水的温度会保持100 ℃不变,温度不能达到居里点(103 ℃),因此限温开关S1不会自动断开,故D错误。
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12.在科技小组活动中亮亮同学受图1所示电子秤的启发,自行设计了一个电子秤,其原理如图2所示,他试图用电压表(图中暂未画出)的示数来反应物体质量的大小。设电源的电压为U恒定,定值电阻的阻值为R0,滑动变阻器的总电阻为R,总长度为L,滑动触头固定在安放托盘的轻质弹簧上,并能随轻质弹簧一起自由滑动,已知对托盘每施加1 N的压力时,弹簧的长度就会缩短a。当托盘中不放物体时,滑动触头指在最上端,此时电压表的示数为零;当在托盘中放一物体时,滑动触头随弹簧向下移动到某一位置,于是电压表就指示出相应的示数。(重力加速度为g)
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(1)若在托盘上放一质量为m的物体,则滑动触头向下移动多大的距离
答案:mga
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解析:物体所受的重力为G=mg
由平衡条件及牛顿第三定律可知,物体对托盘的压力F=G=mg
由题意可知弹簧的弹力与压缩量成正比,所以滑动触头向下移动的距离ΔL=mga。
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(2)请在原理图的适当位置接上符合要求的电压表;
答案:见解析图
解析:电压表在使用时必须并联到被测电阻上,且滑动触头指在最上端时,电压表的示数为零;所以符合要求的电压表位置如图:
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(3)求出电压表的示数U表与待测物体质量m之间的关系式(用已知量的符号表示)。
答案:
解析:待测物体质量为m时,滑动变阻器滑动触头上方电阻丝的电阻值为R'=R=R
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由题图可知电阻R0和滑动变阻器串联,由欧姆定律得电路中的电流I==
滑动触头上方电阻丝两端的电压,即电压表的示数为U表=IR'=
×R=
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4课时跟踪检测(二十) 大显身手的传感器
A级——基础达标
1．在公共场所装有自动干手机，洗手后将湿手靠近，自动干手机内的传感器就会开通电热器加热，喷出热空气将手烘干。自动干手机使用的传感器应该是( )
A．磁传感器 B．红外线传感器
C．力传感器 D．声传感器
2．(多选)下列关于传感器的说法中，正确的是( )
A．测温枪是应用红外线传感器来测量体温的
B．话筒是一种常用的声传感器，其作用是将电信号转换为声信号
C．指纹识别器是应用压力传感器来识别指纹的
D．光敏电阻能够把光照强度这个光学量转换为电阻这个电学量
3．(2024·山东东营高二月考)传感器是采集信息的一种重要元件，如图所示是一种电容式压力传感器，当待测压力作用于可动电极时，使它发生形变，从而改变传感器的电容。若电流从灵敏电流计“＋”接线柱流进时指针向右偏，从“－”接线柱流进时指针向左偏。当待测压力突然增大时，下列说法中正确的是( )
A．电容器的电容将减小
B．M点的电势比N点的低
C．灵敏电流计指针向左偏转
D．若电流计示数稳定且不为零，说明压力F不再变化
4．(2024·河北邢台高二联考)(多选)某加速度传感器的原理示意图如图所示，其被固定在被测对象的水平面上。传感器中的电源电动势和内阻均恒定，滑动变阻器的滑片到滑动变阻器两端的阻值与它到滑动变阻器两端的距离成正比，滑片与滑块(质量恒定)固定在一起，它们可以在光滑的框架中平移，滑块两侧用轻弹簧拉着。滑块处于平衡状态时，滑片恰好位于滑动变阻器中央，此时电压表指针也恰好指在刻度盘的中央。下列说法正确的是( )
A．当滑块具有图示方向的加速度a时，电压表的指针将向右偏转
B．当电压表的指针指在零刻度时，滑块的加速度方向一定沿图示方向
C．滑块的加速度大小与电压表指针的刻度成正比
D．滑块的加速度大小与电压表指针偏离中央的角度成正比
5．(多选)电容式加速度传感器在安全气囊、手机移动设备等方面应用广泛，其工作原理简化为如图所示的示意图。质量块左侧连接轻质弹簧，右侧连接电介质。弹簧与电容器固定在外框上，质量块可带动电介质移动以改变电容器的电容，则下列说法正确的是( )
A．电介质插入极板间越深，电容器的电容越大
B．若传感器以恒定加速度向左运动，则电路中有由a向b的电流
C．若传感器以恒定加速度向右运动，则电路中有由a向b的电流
D．若传感器运动时向右的加速度逐渐增大，则电路中有由a向b的电流
6．(2024·北京丰台高二检测)如图是苹果自动分拣装置的示意图，该装置能够按一定质量标准自动分拣大苹果和小苹果。该装置的托盘秤压在一个以O1为转动轴的杠杆上，杠杆末端压在电阻R1上，R1的阻值随压力的变化而变化。小苹果通过托盘秤时，R2两端的电压较小，分拣开关在弹簧向上弹力作用下处于水平状态，小苹果进入上面通道；当大苹果通过托盘秤时，R2两端能够获得较大电压，电磁铁吸动分拣开关的衔铁，打开下面通道，让大苹果进入下面通道。设定进入下面通道的大苹果最小质量m0为该装置的分拣标准，下列说法正确的是( )
A．压力越小R1越小
B．调节R2的大小不可以改变苹果的分拣标准
C．若要提高分拣标准，可只适当减小R2的阻值
D．若要提高分拣标准，可只增大电路中电源的电动势
7．如图是利用太阳能给LED路灯供电的自动控制电路的示意图。R是光敏电阻，R0是定值保护电阻。日光充足时，电磁继电器把衔铁吸下，GH接入电路，太阳能电池板给蓄电池充电；光线不足时，衔铁被弹簧拉起，与EF接入电路，蓄电池给LED路灯供电，路灯亮起。下列关于该电路分析正确的是( )
A．该光敏电阻阻值随光照强度增大而增大
B．增加电源电动势可以增加路灯照明时间
C．增大保护电阻R0阻值可延长每天路灯照明时间
D．并联更多的LED路灯可延长每天路灯照明时间
8．如图甲所示，质量不计的弹簧竖直固定在一压力传感器上，压力传感器是电阻阻值随受到压力的增大而减小的变阻器(压力不超过最大值)，压力传感器、电流表、定值电阻和电源组成一电路。压力传感器不受力时电流表示数是I0。t＝0时刻，将一金属小球从弹簧正上方某一高度由静止释放，小球落到弹簧上压缩弹簧到最低点，然后又被弹起离开弹簧，上升到一定高度后再下落，如此反复。整个过程中，不计能量损失，电流表示数I随时间t变化的图像如图乙所示，则( )
A．t1时刻，小球动能最小
B．t2时刻，弹簧的弹性势能最小
C．t2～t3这段时间内，弹簧的弹性势能先增加后减少
D．t2～t3这段时间内，小球增加的动能小于弹簧减少的弹性势能
9．如图所示，小铅球P系在细金属丝下，悬挂在O点，开始时小铅球P沿竖直方向处于静止状态。当将小铅球P放入水平流动的水中时，小铅球向左摆动一定的角度θ，水流速度越大，θ越大。为了测定水流对小铅球作用力的大小，在水平方向固定一根电阻丝BC，其长为L，它与金属丝接触良好，不计摩擦和金属丝的电阻，C端在O点正下方处，且OC＝h。图中还有电动势为E的电源(内阻不计)和一只电压表。请你连接一个电路，使得当水速增大时，电压表示数增大。
B级——综合应用
10．(2024·江苏南京高二阶段检测)某力敏电阻的阻值随着压力的增大而线性减小。一同学利用该力敏电阻设计了判断小车在水平方向上运动状态的装置。其工作原理如图甲所示，将力敏电阻和一块挡板固定在绝缘小车上，之间放置一个光滑绝缘重物M，重物与挡板之间通过轻弹簧连接。某次实验中，电压表示数随时间变化关系如图乙所示，已知0～t1时间内，小车处于静止状态，则( )
A．0～t1时间内，弹簧处于原长状态
B．t1～t2时间内，小车的加速度随时间均匀增大
C．t1～t2时间内，小车做匀变速直线运动
D．t2～t3时间内，小车可能向左做匀减速直线运动
11．(2024·江苏徐州高二联考)如图甲所示是电饭锅的电路图，S1是一个限温开关，其内部结构如图乙所示，按下此开关按钮，两触点闭合，当温度达到居里点(103 ℃)时此开关会自动断开。S2是一个自动温控开关，当温度低于70 ℃时会自动闭合，温度高于80 ℃时会自动断开，R1是限流电阻，R2是加热电阻。下列说法正确的是( )
A．当感温磁体的温度达到居里点(103 ℃)时，由于感温磁体失去了磁性，不能被永磁体吸引，在弹簧和磁体重力的作用下，两触点断开
B．开始煮饭时，若不按下限温开关S1一样可以把饭煮熟
C．电饭锅的饭煮熟后可以长时间保持米饭的温度在70 ℃到103 ℃之间
D．用电饭锅烧水，当水沸腾后限温开关S1也会自动断开
12．在科技小组活动中亮亮同学受图1所示电子秤的启发，自行设计了一个电子秤，其原理如图2所示，他试图用电压表(图中暂未画出)的示数来反应物体质量的大小。设电源的电压为U恒定，定值电阻的阻值为R0，滑动变阻器的总电阻为R，总长度为L，滑动触头固定在安放托盘的轻质弹簧上，并能随轻质弹簧一起自由滑动，已知对托盘每施加1 N的压力时，弹簧的长度就会缩短a。当托盘中不放物体时，滑动触头指在最上端，此时电压表的示数为零；当在托盘中放一物体时，滑动触头随弹簧向下移动到某一位置，于是电压表就指示出相应的示数。(重力加速度为g)
(1)若在托盘上放一质量为m的物体，则滑动触头向下移动多大的距离？
(2)请在原理图的适当位置接上符合要求的电压表；
(3)求出电压表的示数U表与待测物体质量m之间的关系式(用已知量的符号表示)。
课时跟踪检测(二十)
1．选B 手靠近干手机时，红外线传感器通过接收身体表面辐射出来的红外线来启动加热装置工作，故B正确，A、C、D错误。
2．选AD 一切物体均能发出红外线，测温枪是应用红外线传感器来测量体温的，故A正确；话筒是一种常用的声传感器，其作用是将声信号转换为电信号，故B错误；指纹识别器是应用电容传感器来识别指纹的，故C错误；光敏电阻能够把光照强弱变化转化为电阻大小的变化，故D正确。
3．选B 当待测压力突然增大时，F向上压可动电极，由C＝，可知d减小，电容增大，A错误；由题可知，电容器的电压不变，若F向上压可动电极，电容增大，电量增大，电容器充电，电路中形成逆时针方向的电流，则灵敏电流计指针向右偏，电流从N流向M，故M点的电势比N点的低，C错误，B正确；若电流计示数稳定且不为零，说明电容器正在充、放电，电容器的电容变化，说明压力F变化，D错误。
4．选BD 当滑块具有题图示方向的加速度a时，滑块向左移动，带动滑动变阻器的滑片移向中点左方，则电压表所测电压变小，示数减小，指针将向左偏转，故A错误；当电压表的指针指在零刻度时，滑片位于滑动变阻器R左端，滑块的加速度方向沿题图示方向，故B正确；设滑块偏离中间位置x距离，滑动变阻器单位长度的电阻为r，流过滑动变阻器的电流为I，电压表示数变化量为ΔU＝Ixr，设弹簧的弹性系数为k，由牛顿第二定律得2kx＝ma，解得a＝，故C错误，D正确。
5．选AD 电介质插入极板间越深，根据电容的决定式C＝可知此时介电常数εr越大，故电容器的电容越大，故A正确；若传感器以恒定加速度向左运动或者向右运动，可知此时弹簧长度保持不变，电容器中电介质的长度不变，电容器电容不变，带电量不变，故电路中无电流，故B、C错误；若传感器运动时向右的加速度逐渐增大，此时弹簧长度逐渐变短，电容器中电介质的长度变短，故电容器的电容越来越小，电容器两端的电压不变等于电源电动势，根据Q＝CU可知电容器的带电量在减小，电容器在放电，电路中有由a向b的电流，故D正确。
6．选C 由题可知，小苹果通过托盘秤时，R2两端的电压较小，则根据闭合电路的欧姆定律有E＝IR1＋I(R并＋r)，可知压力越小R1应该越大，故A错误；根据闭合电路的欧姆定律有E＝I(R1＋r)＋IR并，当适当减小R2的阻值，则R并减小，在R1不变的情况下I增大，此时R2两端的电压比没有减小R2时的电压小，则分拣出的大苹果最小质量比m0大；若只增大电路中电源的电动势，同理也会让I增大，此时R2两端的电压比没有增大电路中电源的电动势时的电压大，则可分拣出的大苹果最小质量比m0小，故C正确，B、D错误。
7．选C 日光充足时，电磁继电器把衔铁吸下，根据闭合电路欧姆定律，控制电路中电阻变小，电流变大，衔铁被吸下，故光敏电阻R阻值随光照强度增大而减小，故A错误；电动势增大、电阻不变情况下，电流增大，电磁继电器把衔铁吸下，减少了路灯照明时间，故B错误；增大保护电阻R0，减小了电流，延长了照明时间，故C正确；LED路灯的盏数不影响控制电路，考虑到蓄电池容量一定，可能会减少照明时间，故D错误。
8．选D t2时刻，电流表示数最大，表示压力传感器的电阻阻值最小，故压力传感器受到的压力最大，说明此时小球把弹簧压缩到最低点，小球动能最小，弹簧的弹性形变程度最大，弹性势能最大，故A、B错误；t2～t3这段时间内，电流表示数变小，表示压力传感器的电阻阻值增大，故压力传感器受到的压力减小，说明此时是弹簧把小球弹起的过程，弹簧的弹性势能转化成小球的动能和重力势能，故弹簧的弹性势能逐渐减少，小球增加的动能小于弹簧减少的弹性势能，故C错误，D正确。
9．解析：电路图如图所示。
设CD＝x，小铅球P平衡时，由几何知识可得tan θ＝①
根据闭合电路欧姆定律和部分电路欧姆定律可得I＝＝②
根据电阻定律可得RL＝ρ③
Rx＝ρ④
由①②③④式可得U＝，
因为水流速度越大，θ越大，所以U越大。
答案：见解析图
10．选D 0～t1时间内电压表示数不变，说明力敏电阻所受压力不变，由题意可知，弹簧上一定有力，M处于静止状态，合力为零，力敏电阻对M的弹力水平向左，弹簧对M的弹力水平向右，所以在0～t1时间内弹簧处于压缩状态，故A错误；t1～t2时间内，R两端电压均匀减小，电路中电流均匀减小，力敏电阻阻值变大，设t＝t1时电路中电源和R的总电阻为R0，电路中电流为I0，由闭合电路的欧姆定律得I＝，解得F＝－，由题图乙可知I＝I0－k0t，解得F＝－，物块的加速度a＝，T为弹簧弹力，大小不变，所以小车的加速度随时间不是均匀变化，故B、C错误；t2～t3时间内，电流不变，力敏电阻上所受压力不变，且M受到弹簧向右的力大于力敏电阻对M的压力，可知M的加速度向右且大小不变，所以小车可能向右做匀加速直线运动或向左做匀减速直线运动，故D正确。
11．选A 当感温磁体的温度达到居里点(103 ℃)时，由于感温磁体失去了磁性，不能被永磁体吸引，在弹簧和磁体重力的作用下，使得两触点断开，故A正确；如果开始煮饭时不按下限温开关S1，由于S2的作用，当锅内温度低于70 ℃时S2会自动闭合，从而对锅加热，但当温度高于80 ℃时S2会自动断开，使电饭锅处于保温状态，因此锅内的温度会控制在70 ℃到80 ℃之间，而无法将饭煮熟，故B、C错误；用电饭锅烧水，水沸腾后水的温度会保持100 ℃不变，温度不能达到居里点(103 ℃)，因此限温开关S1不会自动断开，故D错误。
12．解析：(1)物体所受的重力为G＝mg
由平衡条件及牛顿第三定律可知，物体对托盘的压力F＝G＝mg
由题意可知弹簧的弹力与压缩量成正比，所以滑动触头向下移动的距离ΔL＝mga。
(2)电压表在使用时必须并联到被测电阻上，且滑动触头指在最上端时，电压表的示数为零；所以符合要求的电压表位置如图：
(3)待测物体质量为m时，滑动变阻器滑动触头上方电阻丝的电阻值为R′＝R＝R
由题图可知电阻R0和滑动变阻器串联，由欧姆定律得电路中的电流I＝＝
滑动触头上方电阻丝两端的电压，即电压表的示数为U表＝IR′＝×R＝。
答案：(1)mga (2)见解析图 (3)
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