高中物理教科版选修3-2学案 实验：传感器的简单应用 Word版含答案

　实验：传感器的简单应用
/夯实基础　
1．传感器
传感器是指这样一类元件：它能够感受诸如力、温度、光、声、化学成分等，并能将它们按照一定的规律转换为__电压、电流__等，或转换为电路的__通断__．
2．制作传感器需要的元件
(1)光敏电阻：光敏电阻在被光照射时电阻发生变化，光照增强电阻__减小__，光照减弱电阻__增大__．
(2)金属热电阻和热敏电阻：金属的电阻率随温度的升高而__增大__，用金属丝可以制作温度传感器，称为热电阻．与金属不同的是有些半导体的导电能力随温度的升高而__增强__，其电阻随温度的升高而__减小__，用半导体材料可制成热敏电阻．与热敏电阻相比，金属热电阻的化学稳定性好，测温范围大但灵敏度较差．
(3)霍尔元件：是能够把磁学量__磁感应强度__转换为电学量__电压__的传感器元件．
如图所示，在__M、N__间出现的电压称为霍尔电压UH，UH＝k.式中d为金属薄片的厚度，k为霍尔系数(设q为每个运动电荷的电量，n为单位体积内电荷数，k＝)，由薄片的__材料__决定．
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3．传感器应用的一般模式
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/考点突破　　
?　　【p203】
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例1有一种测量人体重量的电子秤，其原理图如图中的虚线框内所示，它主要由三部分构成：踏板、压力传感器(是一个阻值R可随压力大小而变化的压敏电阻)、显示体重的仪表G(实质是理想电流表)．设踏板的质量可忽略不计，已知理想电流表的量程为3 A，电源电动势为12 V，内阻为2 Ω，电阻R随压力变化的函数式为R＝30－0.02F(F和R的单位分别是N和Ω)．
(1)该秤能测量的最大重量是________N；
(2)该秤零刻度线(即踏板空载时间刻度线)应标在电流刻度盘________A处．
【解析】(1)当电路中电流I＝3 A时，电子秤测量的体重最大．由欧姆定律I＝得到R＝－r＝2 Ω，代入R＝30－0.02F得到：F＝1 400 N.
(2)踏板空载时F＝0，代入R＝30－0.02F得到电阻R＝30 Ω，由欧姆定律得I＝＝0.375 A，所以该秤零刻度线(即踏板空载时的刻度线)应标在电流表G刻度盘0.375 A处．
【答案】1 400　0.375
【小结】力电传感器电路中的关键元件是压敏电阻或滑动变阻器、电容器、弹簧等，解答这类问题的关键是：压敏电阻的阻值与压力的函数关系、滑片移动的距离、电容器的板间距离与力学物理量的联系．
力电传感器的力电联系图：
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/针对训练　
1．压敏电阻的阻值随所受压力的增大而减小，有位同学设计了利用压敏电阻判断竖直升降机运动状态的装置，其工作原理图如图甲所示，将压敏电阻固定在升降机底板上，其上放置一个物块，在升降机运动的过程中，电流表示数如图乙所示，已知升降机静止时电流表的示数I1.下列判断正确的是(C)
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A．从0到t1时间内，升降机一定静止
B．从t1到t2时间内，升降机可能做匀加速直线运动
C．从t1到t2时间内，升降机运动时的加速度在变化
D．从t2到t3时间内，升降机可能向下匀加速运动
【解析】从0～t1时间内，电流不变，根据欧姆定律可知电路中的总阻值不变，升降机可能静止也可能匀速运动，故A错误；t1到t2时间内，电流增大，电阻减小，因为压敏电阻的阻值随所受压力的增大而减小，所以压力增大，静止时FN＝mg，t1到t2时间内根据牛顿第二定律FN－mg＝ma，合力向上，加速度向上，向上做加速度增大的加速运动，故B错误，C正确；t2到t3时间内电流不变，电阻不变，压力不变，电流大于静止时的电流，压力大于静止时的压力，对物块受力分析，受到重力和支持力，根据牛顿第二定律FN－mg＝ma，合力向上，加速度向上，加速度不变，所以t2到t3时间内升降机匀加速上升，故D错误．
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2．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超声波，超声波经反射后返回，被测量仪接收，测量仪可记录发射和接收的时间间隔．测量仪底部有一压力传感器，其输出电压与作用在它上的压力F成正比，表达式为U＝kF(k为比例系数)．某同学已知了自己的身高h、质量m和重力加速度g，他想利用该装置测量超声波速度v和比例系数k，他多次研究发现，当他站上测重台时测量仪记录的时间间隔比他没站上时减少了Δt；当他没站上测重台时，测量仪已有输出电压为U0(U0≠0)，当他站上测重台时测量仪输出电压为U，那么超声波速度v与比例系数k为(C)
A．v＝，k＝
B．v＝，k＝
C．v＝，k＝
D．v＝，k＝
【解析】设身高体重测量仪高度为L，没有站人时压力传感器的压力为F0，设当测重台上没有站人时，测量仪记录的时间间隔为t0，根据超声波的速度和位移关系可得vt0＝2L；根据传感器输出电压与作用在其上的压力成正比可得U0＝kF0；当测重台上站人时，测量仪记录的时间间隔为t，同理可得vt＝2，U＝k，Δt＝t0－t，联立解得v＝，k＝，C正确．
?　　
/考点突破　　
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例2如图所示为某传感装置内部部分电路图，RT为正温度系数热敏电阻，其特性为随着温度的升高阻值增大；R1为光敏电阻，其特性为随着光照强度的增强阻值减小；R2和R3均为定值电阻，电源电动势为E，内阻为r，V为理想电压表．若发现电压表示数增大，可能的原因是(　　)
　　　　　　　　　　　　　　　
①热敏电阻温度降低，其他条件不变　②热敏电阻温度升高，其他条件不变　③光照减弱，其他条件不变　④光照增强，其他条件不变
A．①③ B．①④
C．②③ D．②④
【解析】热敏电阻温度降低，其他条件不变时，热敏电阻阻值减小，总电阻减小，总电流变大，则热敏电阻及光敏电阻所在的并联支路电压减小，光敏电阻上的电流减小，则热敏电阻及电阻R3上的电流变大，则电压表的读数变大，故①正确，②错误；若光照减弱，则光敏电阻的阻值增大，总电阻变大，总电流减小，则热敏电阻及光敏电阻所在的并联支路电压增大，则R3上的分压变大，电压表示数变大，选项③正确，④错误．故选A.
【答案】A
【小结】涉及到热敏电阻、光敏电阻或金属热电阻时，要根据其电阻阻值随温度或光照条件发生变化时阻值如何变化的特点，结合闭合电路欧姆定律、串并联电路特点、部分电路欧姆定律和电功率的计算式，进行分析判断．
/针对训练　
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3．(多选)光敏电阻自动计数器的示意图如图所示，图中虚线表示激光，圆柱体表示随传送带运动的货物，其中R1为光敏电阻，R2为定值电阻，此光电计数器的基本工作原理是(BD)
A．当光照射R1时，信号处理系统获得高电压
B．当光照射R1时，信号处理系统获得低电压
C．信号处理系统每获得一次低电压就计数一次
D．信号处理系统每获得一次高电压就计数一次
【解析】当有光照射R1时，R1的电阻减小，则整个电路总电阻变小，电动势不变，则电流增大，则R2两端的电压增大，所以R1两端的电压减小，即信号处理系统获得低电压，故A错误，B正确；当无光照射R1时，R1的电阻增大，则整个电路总电阻变大，电动势不变，则电流减小，则R2两端的电压减小，所以R1两端的电压增大，即信号处理系统获得高电压，则信号处理系统每获得一次高电压就计数一次，所以C错误，D正确．
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/考点突破　　
例3
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如图所示为小型电磁继电器的构造示意图．其中L为含铁芯的线圈．P为可绕O点转动的铁片，K为弹簧，S为一对触头，A、B、C、D为四个接线柱．电磁继电器与传感器配合，可达到自动控制的目的，其工作方式是(　　)
A．A与B接信号电压，C与D跟被控电路串联
B．A与B接信号电压，C与D跟被控电路并联
C．C与D接信号电压，A与B跟被控电路串联
D．C与D接信号电压．A与B跟被控电路并联
【解析】A、B接电磁继电器线圈，所以A、B应接信号电压，线圈随信号电压变化使电磁继电器相吸或释放，从而使C、D接通或断开，进而起到控制作用．故正确答案为A.
【答案】A
【小结】解答继电器控制电路的设计问题，应弄清以下两个问题：
(1)弄清两个电路：控制电路(直流电源、光敏电阻或热敏电阻、继电器构成的闭合回路)、工作电路(继电器吸引衔铁控制工作电路的开关)．
(2)弄清控制关系：光敏电阻(或热敏电阻)控制继电器中的电流，继电器电流增大吸引衔铁控制工作电路的开关(断开或闭合)．
/针对训练　
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4．(多选)在一些学校教室为了保证照明条件，采用智能照明系统，在自然光不足时接通电源启动日光灯，而在自然光充足时，自动关闭日光灯，其原理图如图所示．R为一光敏电阻，L为一带铁芯的螺线管，在螺线管上方有一用细弹簧系着的轻质衔铁，一端用铰链固定在墙上可以自由转动，另一端用一绝缘棒连接两动触头．有关这套智能照明系统工作原理的描述正确的是(BC)
A．光照越强，光敏电阻阻值越大，衔铁被吸引下来
B．在光线不足时，光敏电阻阻值变大，衔铁被弹簧拉上去
C．上面两接线柱应该和日光灯电路连接
D．下面两接线柱应该和日光灯电路连接
【解析】光照越强，光敏电阻阻值越小，电流越大，故衔铁被吸引下来，选项A错误；在光线不足时，光敏电阻阻值变大，电流减小，故衔铁被弹簧拉上去，点亮照明灯，故上面两接线柱应该和日光灯电路连接，选项B、C正确；D错误．
5．如图所示，图甲为热敏电阻的R－t图象，图乙为用此热敏电阻和继电器组成的一个简单恒温箱温控电路，继电器的电阻为100 Ω.当线圈的电流大于或等于20 mA时，继电器的衔铁被吸合．为继电器线圈供电的电池的电动势E＝9.0 V，内阻不计．图中的“电源”是恒温箱加热器的电源．
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(1)应该把恒温箱内的加热器接在__A、B端__(填“A、B端”或“C、D端”)；
(2)若恒温箱系统要保持温度为50 ℃，则需把滑动变阻器调节到__260__Ω；为了实现调节滑动变阻器到此阻值进行了下列步骤：
①电路接通前，滑动变阻器调节最大，需将电阻箱调到一固定的阻值，根据实验要求，这一阻值应为__90__Ω；
②将单刀双掷开关向__c__(填“c”或“d”)端闭合，缓慢移动滑动变阻器的滑片，直至继电器的衔铁被吸合；
③保持滑动变阻器的位置不变，将单刀双掷向另一端闭合，恒温箱系统即可正常使用．
【解析】(1)由图可知，热敏电阻R的阻值随温度的升高而减小，由闭合电路欧姆定律得，干路电流增大，当大到继电器的衔铁被吸合时的电流，恒温箱内的加热器，停止加热，故恒温箱内的加热器接在A、B端；
(2)当恒温箱内的温度保持50 ℃，应调节可变电阻R′的阻值使电流达到20 mA，由闭合电路欧姆定律得r＋R＋R′＝，即R′＝－r－R＝(－100－90) Ω＝260 Ω，即可变电阻R′的阻值应调节为260 Ω；
①电路接通前，滑动变阻器调节最大，需将电阻箱调到一固定的阻值，根据实验要求，电阻箱的阻值应等于热敏电阻的电阻，应为90 Ω，②将单刀双掷开关向c端闭合，缓慢移动滑动变阻器的滑片，直至继电器的衔铁被吸合．
/考 点 集 训　
1．每当地震发生后，各路救援人员及时深入灾区，与死神抢时间，争分夺秒抢救被埋人员，有些救援队借助“生命探测仪”可以发现深埋在废墟中的伤员，根据所学知识，你认为“生命探测仪”可能用到了(A)
A．红外线传感器 B．压力传感器
C．振动传感器 D．电容传感器
【解析】伤员被深埋在废墟中，借助红外线传感器，可以感知人与周围环境的差别，且伤员与尸体的温度不同，借助探测仪可以探测到活着的被困人员，故A正确，B、C、D错误．
2．传感器是一种采集信息的重要器件，如图所示是一种测定压力的电容式传感器．当待测压力F作用于可动膜片电极上时，以下说法中错误的是(A)
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A．若F向上压膜片电极，电路中有从a到b的电流
B．若F向上压膜片电极，电容器的电容增大
C．若F向上压膜片电极的短暂时间内，电流表指针发生偏转
D．若电流表有示数，则说明压力F发生变化
【解析】由题可知，电容器的电压不变．若F向上压膜片电极，减小板间距离，电容增大，电量增大，电容器充电，电路中形成逆时针方向的充电电流，即电路中有从b到a的电流，电流表指针发生偏转，充电完成后，电流表指针又不偏转，A错误，B、C正确；当压力F变化时，电容变化，电量变化，电路中就有电流，故电流表有示数时，说明压力F发生变化，D正确．
3．为了保证汽车刹车时车轮不被抱死，使车轮仍有一定的滚动而不是纯滑动，这样既可以提高刹车效果，又不使车轮失去控制，为此需要一种测定车轮是否还在转动的装置，这种检测装置称为电磁脉冲传感器，如果该装置检测出车轮不再转动，它就会自动放松刹车机构，让车轮仍保持转动状态，这就是ABS防抱死系统．如图是电磁脉冲传感器示意图，B是一根永久磁体，外面绕有线圈，它们的左端靠近一个铁质齿轮A，齿轮与转动的车轮是同步的，则以下说法正确的是(B)
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A．车轮转动时，由于齿轮在永久磁体的磁场中切割磁感线，产生感应电流
B．车轮转动时，由于齿轮被磁化使线圈中的磁场发生变化，产生感应电流
C．车轮转速减慢时，输出电流的周期变小，电流强度也变小
D．车轮转速减慢时，输出电流的周期变大，电流强度也变大
【解析】此传感器是利用线圈中磁通量的变化产生感应电流的原理来实现检测的，当车轮转动时，带动齿轮转动，相当于将铁块插入和拔出线圈，从而使线圈中磁通量发生变化而产生感应电流，故A错误，B正确；当车轮转速减慢时，线圈中磁通量的变化减慢，产生的感应电流的周期变大，由E＝n可知，电流强度变小，故C、D错误．
4．如图所示是一种利用光纤温度传感器测量温度的装置，一束偏振光射入光纤，由于温度的变化，光纤的长度、芯径、折射率发生变化，从而使偏振光的透振方向发生变化，光接收器接收的光强度就会变化．设起偏器和检偏器的透振方向相同，关于这种温度计的工作原理，正确的说法是(B)
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A．到达检偏器的光的透振方向变化越小，光接收器所接收的光强度就会越小，表示温度变化越大
B．到达检偏器的光的透振方向变化越大，光接收器所接收到的光强度就会越小，表示温度变化越大
C．到达检偏器的光的透振方向变化越小，光接收器所接收的光强度就会越小，表示温度变化越小
D．到达检偏器的光的透振方向变化越大，光接收器所接收的光强度就会越小，表示温度变化越小
【解析】偏振光通过一些介质后，其振动方向相对原来的振动方向会发生一定角度的旋转，温度变化越大，发生旋转的角度越大，即到达检偏器的光的透振方向变化越大，导致光接收器所接收到的光强度就会越小，故选项B正确，选项A、C、D错误．
5．(多选)某温度检测、光电控制加热装置原理如图所示．图中RT为热敏电阻(随温度升高，阻值减小)，用来探测加热电阻丝R的温度，RG为光敏电阻(随光照强度增大，阻值减小)，接收小灯泡L的光照，除RT、RG外，其他电阻均为定值电阻(虚线框内两元件距离很近)．当R处温度升高时(AD)
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A．L变亮
B．R3的电流减小
C．E2的路端电压增大
D．R的功率减小
【解析】当R处温度升高时，RT阻值变小，小灯泡L的电流变大，所以光照强度增大，RG阻值变小，通过R2的电流变大，E2的路端电压变小，R两端电压变小，通过的电流也变小，功率变小，通过R3的电流变大，故A、D正确．
6．诺贝尔物理学奖授予了法国科学家阿尔贝·费尔和德国科学家彼得·格林贝格尔，以表彰他们发现“巨磁电阻(GMR)效应”．基于巨磁电阻效应开发的用于读取硬盘数据的磁电技术，被认为是纳米技术的第一次真正应用．下图是研究巨磁电阻特性的原理示意图，实验发现，当闭合S1、S2后使滑动变阻器的滑片P向左滑动的过程中，指示灯明显变亮，下列说法中正确的是(C)
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A．滑片P向左滑动的过程中，电磁铁的磁性减弱
B．巨磁电阻的阻值随磁场的增强而明显增大
C．巨磁电阻的阻值随磁场的增强而明显减小
D．巨磁电阻不可用来制作磁电传感器
【解析】当滑片P向左滑动时，滑动变阻器连入电路中的电阻变小，则电路中的电流变大，通电螺线管的磁性增强，A错误；通电螺线管的磁性增强时，右边电路中的指示灯明显变亮，则说明右边电路的电流明显变大了，巨磁电阻的电阻明显变小了，即巨磁电阻的阻值随磁场的增强而明显变小，故B错误，C正确；由C分析可知巨磁电阻可用来制作磁电传感器，D错误．
7．如图所示是家用电冰箱的压缩、启动装置的电路．其中的运行绕组是电冰箱在工作时的电动机定子，由于家用交流电是单相的，启动时必须依靠启动绕组的帮助才能产生旋转磁场．在启动绕组的支路中串联有一个PTC元件，这是一种以钛酸钡为主要材料的热敏电阻器．电流流过PTC元件，元件发热，它的电阻率随温度升高而发生显著变化，当电动机转动正常以后，PTC元件温度较高，电阻很大，启动绕组电流很小．则以下判断正确的是(B)
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①电冰箱的电动机启动时比正常工作时耗电少
②电冰箱的电动机正常工作时比启动时耗电少
③电冰箱启动后，启动绕组功率不变，运行绕组功率是变化的
④电冰箱启动后，启动绕组功率是变化的，运行绕组功率不变
A．①③ B．②④ C．①④ D．②③
【解析】加在运行绕组的电压等于电源电压，所以电冰箱启动后，运行绕组的功率不变，③错，④对．电动机正常运转后，PTC元件电阻很大，启动绕组中电流很小，总电流小于刚启动时的总电流，所以消耗的电功率比启动时小，②对，①错，所以选B.
8．如图所示为某同学自制的电子秤原理图：粗细均匀的电阻棒尺(每厘米长的电阻为1 Ω)竖直放置、其总长度L＝10 cm，电源电动势E＝6 V，内阻r＝1 Ω，保护电阻R0＝4 Ω，托盘连接在竖直放置、下端固定的轻弹簧上端，其质量m0＝0.1 kg，水平金属轻杆一端连接弹簧上端、一端通过滑片与电阻棒接触．当托盘内不放物体静止时，弹簧的形变量x＝1 cm，轻杆的滑片刚好与电阻棒上端接触．若电路各处接触良好、导线及轻杆电阻不计、弹簧的形变始终未超过限度、轻杆只能上下平移，g取10 m/s2.求：
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(1)弹簧的劲度系数k；
(2)该电子秤能称出的最大物体质量m及对应的理想电压表V的示数U.
【解析】(1)当托盘内不放重物时，弹簧弹力为kx＝m盘g可得k＝100 N/m.
(2)R＝1×10 Ω＝10 Ω，当重量最大时，轻杆位于R最下端，此时电压表示数为R的电压，即U＝ R＝4 V，
此时弹簧又缩短了10 cm，所放重物重量mg＝kΔx，可得m＝1 kg.