高中物理鲁科版 过关检测 选修3-2　实验：利用传感器设计并制作简单的自动控制装置 Word版含解析

　实验:利用传感器设计并制作简单的自动控制装置

1.唱卡拉OK用的话筒内有传感器,其中有一种是动圈式的,它的工作原理是在弹性膜片后面粘接一个轻小线圈,线圈处于永磁体的磁场中,当声波使膜片前后振动时,就将声音信号转换为电信号。下列说法正确的是(　　)
A.该传感器是根据电流的磁效应工作的
B.该传感器是根据电磁感应原理工作的
C.膜片振动时,穿过金属线圈的磁通量不变
D.膜片振动时,金属线圈中不会产生感应电动势
答案　B　当声波使膜片前后振动时,带动处于永磁体的磁场中的线圈切割磁感线,穿过线圈的磁通量发生改变,产生感应电流,从而将声音信号转变为电信号。可见利用的是电磁感应原理。
2.传感器是一种采集信息的重要器件,如图是由电容器作为传感器来测定压力变化的电路,当待测压力作用于膜片电极上时,下列说法中正确的是(　　)
①若F向下压膜片电极,电路中有从a到b的电流;
②若F向下压膜片电极,电路中有从b到a的电流;
③若F向下压膜片电极,电路中不会有电流产生;
④若电流表有示数,说明压力F发生变化;
⑤若电流表有示数,说明压力F不会发生变化。
A.②④ B.①④ C.③⑤ D.①⑤
答案　A　当向下压时,因为C=εrS4πkd,d减小,C增大,在U不变时,由C=QU知,Q增大,电路中有从b向a的电流,②正确;当F变化时,电容器两极板的间距变化,电容变化,电容器所带电荷量发生变化,电路中有电流,④正确,故选A。
3.关于传感器工作的一般流程,下列说法中正确的是(　　)
A.非电学量→敏感元件→转换电路→电学量→转换元件
B.电学量→敏感元件→转换电路→转换元件→非电学量
C.非电学量→敏感元件→转换元件→转换电路→电学量
D.非电学量→转换电路→转换元件→敏感元件→电学量
答案　C　传感器工作的一般流程为:非电学量被敏感元件感知,然后通过转换元件转换成电信号,再通过转换电路将此信号转换成易于传输或测量的电学量,因此A、B、D错,C对。
4.如图所示为电容式传感器部分构件的示意图。当动片(实线图)和定片(虚线图)之间正对扇形区的圆心角的角度θ发生变化时,电容C便发生变化,图中能正确反映C和θ间函数关系的是(　　)
答案　D　当角度θ发生变化时,极板正对面积发生变化,S=πr2θ2π=r22θ,又C=εrS4πkd,所以C=εrr2θ8πkd,θ=8πkdCεrr2,故D正确。
5.电流传感器可以像电流表一样测量电流,它的优点是反应非常快,可以捕捉到瞬间的电流变化,还可以与计算机相连,能在很短的时间内画出电流随时间的变化图像。按图甲连接电路,提供8 V直流电源,先使开关S与1相连,电源向电容器充电,这个过程可在瞬间完成,然后把开关S掷向2,电容器放电,传感器将电流信息传入计算机,屏上显示出电流随时间变化的I-t曲线,如图乙所示。
(1)图乙中画出的竖直狭长矩形(图乙最左端),它的面积表示的物理意义是　　　　　　　　　　　;?
(2)估算电容器在全部放电过程中释放的电荷量是　　　　　　　C;?
(3)根据以上数据估算,电容器的电容是　　　F。?
答案　(1)电容器0.1 s内放电的电荷量　(2)6.08×10-3(6.00×10-3、6.16×10-3均正确)　(3)7.6×10-4(7.5×10-4、7.7×10-4均正确)
解析　(1)因为q=It,所以I-t图线与t轴所围“面积”表示电荷量q。
(2)图线与t轴所围的“面积”有76个格(或75、77个格),所以电荷量为76×0.2×0.4×10-3 C=6.08×10-3 C(6.00×10-3、6.16×10-3 C都算正确)。
(3)电容器充电的电压U等于电源电动势E=8 V,由C=QU得C=7.6×10-4 F(7.5×10-4、7.7×10-4 F都算正确)。
B组　综合提能
1.如图甲是某同学设计的电容式速度传感器原理图,其中上板为固定极板,下板为待测物体,在两极板间电压恒定的条件下,极板上所带电荷量Q将随待测物体的上下运动而变化。若Q随时间t的变化关系为Q=bt+a(a、b为大于零的常数),其图像如图乙所示,那么图丙、图丁中反映极板间场强大小E和物体速率v随t变化的图线可能是(　　)
A.①和③ B.①和④ C.②和③ D.②和④
答案　C　平行板电容器间电压恒定,板间场强E=Ud=QCd=QεrS4πkdd=4πkQεrS,故E∝Q,即E∝bt+a,故②可能正确。极板所带电荷量Q=UC=UεrS4πkd=UεrS4πkd,与已知Q随时间的变化关系对比可知d∝t+a,即待测物体的运动为匀速运动,故③可能正确。
2.现要组装一个由热敏电阻控制的报警系统,要求当热敏电阻的温度达到或超过60 ℃时,系统报警。提供的器材有:热敏电阻,报警器(内阻很小,流过的电流超过Ic时就会报警),电阻箱(最大阻值为999.9 Ω),直流电源(输出电压为U,内阻不计),滑动变阻器R1(最大阻值为1 000 Ω),滑动变阻器R2(最大阻值为2 000 Ω),单刀双掷开关一个,导线若干。
在室温下对系统进行调节。已知U约为18 V,Ic约为10 mA;流过报警器的电流超过20 mA时,报警器可能损坏;该热敏电阻的阻值随温度升高而减小,在60 ℃时阻值为650.0 Ω。
(1)完成待调节的报警系统原理电路图的连线。
(2)电路中应选用滑动变阻器　　　　(选填“R1”或“R2”)。?
(3)按照下列步骤调节此报警系统:
①电路接通前,需将电阻箱调到一固定的阻值,根据实验要求,这一阻值为　　　　Ω;滑动变阻器的滑片应置于　　　　(选填“a”或“b”)端附近,不能置于另一端的原因是　　　　　　　　　　　　　　　　。?
②将开关向　　　　(选填“c”或“d”)端闭合,缓慢移动滑动变阻器的滑片,直至　　　　　　　　。?
(4)保持滑动变阻器滑片的位置不变,将开关向另一端闭合,报警系统即可正常使用。
答案　(1)连线如图所示
(2)R2
(3)①650.0　b　接通电源后,流过报警器的电流会超过20 mA,报警器可能损坏　②c　报警器开始报警
解析　(1)见答案。
(2)由R=UIc=1810×10-3 Ω=1 800 Ω可知,滑动变阻器应选R2。
(3)①电阻箱的电阻值应调为热敏电阻在60 ℃时的阻值,即650.0 Ω。滑动变阻器的滑片应置于b端,使开关接通后回路中电流最小,以保护报警器,即防止因过载而损坏报警器。
②应将开关向c端闭合,然后对系统进行调节。