高中物理人教版选修3-2作业传感器的应用 Word版含解析

一、单项选择题
1．下列器件是应用力传感器的是(　　)
A．鼠标器　　　　　　　　 B．火灾报警器
C．测温仪 D．电子秤
解析　鼠标器中的传感器是红外线接收管，属于光传感器；火灾报警器中传感器是光电三极管，属于光传感器；测温仪用的是温度传感器；电子秤的敏感元件是应变片，是力传感器，D项正确．
答案　D
2.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，可完成自动控制的要求，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　由图可知A、B是电磁继电器线圈，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排斥，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项．
答案　A
3．如图所示，甲为在温度为10 ℃左右的环境中工作的某自动恒温箱原理简图，箱内的电阻R1＝20 kΩ、R2＝10 kΩ、R3＝40 kΩ，RT为热敏电阻，它的电阻随温度变化的图线如图乙所示，a、b端电压Uab≤0时，电压鉴别器会令开关S接触，恒温箱内的电热丝发热，使箱内温度升高；当a、b端电压Uab>0时，电压鉴别器会令开关S断开，停止加热，则恒温箱内的温度可保持在(　　)
A．10 ℃ B．20 ℃
C．35 ℃ D．45 ℃
解析　由题可知Uab＝0是一个电压的临界点，对应着开关S的动作，而开关的动作对应着温度的上升或下降．由电路图可知，在R1、R2、R3给定的条件下，热敏电阻RT的阻值决定了Uab的正负．设电源负极的电势为零，则φa＝U，φb＝U，其中U为电源的路端电压，令φa＝φb，即Uab＝0，则可得＝，代入数据得RT＝20 kΩ，查表得对应的温度为35 ℃，故本题C项正确．
答案　C
4．如图是磁流体发电机示意图．平行金属板a、b之间有一个很强的匀强磁场，将一束等离子体(即高温下电离的气体，含有大量正、负带电粒子)垂直于磁场的方向喷入磁场，a、b两板间便产生电压．如果把a、b板与用电器相连接，a、b板就是等效直流电源的两个电极．若磁场的磁感应强度为B，每个离子的电荷量大小为q、速度为v，a、b两板间距为d，两板间磁流体的等效电阻为r，用电器电阻为R.稳定时，下列判断正确的是(　　)
A．图中a板是电源的正极 B．电源的电动势为
C．用电器中电流为 D．a、b板间电压为Bvd
解析　根据左手定则，正电荷受到的洛伦兹力方向向下，负电荷受到的洛伦兹力向上，因此下极板为电源的正极，即b板为电源的正极，故A项错误；根据平衡有：qvB＝q，解得电源的电动势E＝Bdv，运动的电离气体，受到磁场的作用，将产生大小不变的电动势，相当于电源，其内阻为r，根据闭合电路欧姆定律，电路中的电流为I＝＝，那么用电器R的电压U＝IR＝Bvd，故B、C两项错误，D项正确．
答案　D
5．办公大楼的大门能“看到”人的到来或离开而自动开或关，利用的传感器是(　　)
A．生物传感器 B．红外传感器
C．温度传感器 D．压力传感器
解析　自动门的自动控制要求灵敏、可靠，若以温度控制，人的体温与夏季气温接近，在夏季自动门可能做出错误动作．自动门实际使用的是红外线传感器，红外线属于不可见光，人在白天或黑夜均发出红外线，传感器接收到人体发出的红外线后传给自动控制装置的电动机，实现自动开门，故B项正确．
答案　B
6．对于常见的可燃气体浓度的检测，现在一般用催化燃烧检测器．它的原理如下：传感器的核心为一惠斯通电桥，其中一桥臂上有催化剂，当与可燃气体接触时，可燃气体在有催化剂的电桥上燃烧，该桥臂的电阻发生明显变化，其余桥臂的电阻不变化，从而引起整个电路的输出发生变化，而该变化与可燃气体的浓度成比例，从而实现对可燃气体的检测．由此可推断有催化剂的桥臂上的电阻材料为(　　)
A．铜 B．合金
C．半导体 D．绝缘体
解析　可燃气体燃烧后电阻发生变化的原因，是由于温度升高造成的，所以此电阻应属于热敏电阻，而能够随温度变化其电阻有较明显变化的材料只可能是选项中的半导体材料，故选C项．
答案　C
7.惯性制导系统已广泛应用于弹道式导弹工程中，这个系统的重要元件之一是加速度计．加速度计构造原理的示意图如图所示，沿导弹长度方向安装的固定光滑杆上套一质量为m的滑块，滑块两侧分别与劲度系数均为k的弹簧相连；两弹簧的另一端与固定壁相连．滑块原来静止，弹簧处于自然长度，滑块上有指针可通过标尺测出滑块的位移，然后通过控制系统进行制导．设某段时间内导弹沿水平方向运动，指针向左偏离O点的距离为s，则这段时间内导弹的加速度(　　)
A．方向向左，大小为 B．方向向右，大小为
C．方向向左，大小为 D．方向向右，大小为
解析　当指针向左偏离O点的距离为s时，与滑块相连的左边弹簧被压缩s，右边弹簧被拉伸s，因而弹簧对滑块的弹力的大小均为ks，且方向均水平向右，即滑块受到的合力大小为2ks，方向水平向右．由牛顿第二定律可知D项正确．
答案　D
8．温度传感器广泛应用于室内空调、电冰箱等家用电器中，它是利用热敏电阻的阻值随温度变化的特殊性来工作的．如图甲所示，电源的电动势E＝9 V，内阻不计；G为灵敏电流表，内阻保持不变；R为热敏电阻，其电阻阻值与温度的变化关系如图乙所示．闭合开关S，当R的温度等于20 ℃时，电流表示数I1＝2 mA.当电流表的示数I2＝3.6 mA时，热敏电阻的温度是(　　)
A．60 ℃ B．80 ℃
C．100 ℃ D．120 ℃
解析　在20 ℃时，E＝(RG＋R1)I1，即RG＝500 Ω，当I2＝3.6 mA时，E＝(RG＋R2)I2，即9 V＝(500＋R2)×3.6×10－3 V，所以R2＝2 000 Ω.从题图乙中可以看出t＝120 ℃，故选D项．
答案　D
二、不定项选择题
9．下列关于电熨斗的说法正确的是(　　)
A．电熨斗能自动控制温度主要利用了双金属片，两片金属的膨胀系数相同
B．常温下，上下触点是接触的；温度过高时，双金属片发生弯曲使上下触点分离
C．需要较高温度熨烫时，要调节温度旋钮，使升降螺丝下移并推动弹性铜片下移
D．电熨斗中的双金属片是一种半导体材料
解析　常温下，上下触点是接触的；温度过高时，双金属片发生弯曲使上下触点分离；需要较高温度熨烫时，要调节温度旋钮，使升降螺丝下移并推动弹性铜片下移．
答案　BC
10．关于电子秤中应变式力传感器的说法正确的是(　　)
A．应变片是由导体材料制成
B．当应变片的表面拉伸时，其电阻变大；反之，变小
C．传感器输出的是应变片上的电压
D．外力越大，输出的电压差值也越大
解析　应变片多用半导体材料制成，故A项错误；传感器输出的是上、下两应变片上的电压差，并且随着外力的增大，输出的电压差值也就越大，故C项错误，B、D两项正确．
答案　BD
三、计算及论述题
11.一般的电熨斗用合金丝作发热元件，合金丝电阻随温度t变化的关系如图中实线①所示．由于环境温度以及熨烫的衣物厚度、干湿等情况不同，电熨斗的散热功率不同，因而电熨斗的温度可能会在较大范围内波动，易损坏衣物．有一种用主要成分为BaTiO3被称为“PTC”的特殊材料作发热元件的电熨斗，具有升温快、能自动控制温度的特点．PTC材料的电阻随温度变化的关系如图中实线②所示．根据图线分析：
(1)为什么原处于冷态的PTC电熨斗刚通电时比普通电熨斗升温快？
(2)通电一段时间后电熨斗温度t自动地稳定在什么范围之内？
解析　(1)由图可知温度较低时PTC材料的电阻较小，根据P＝可知，处于冷态时PTC电熨斗的发热功率较大，所以升温快．
(2)由图可知，当温度达到T6时PTC的电阻显著增大，到T7时达到最大，此时发热功率减小，所以温度t会自动地稳定在T6答案　见解析
12．如图所示为检测某传感器的电路图．传感器上标有“3 V，0.9 W”的字样(传感器可看做一个纯电阻)，滑动变阻器R0上标有“10 Ω，1 A”的字样，电流表的量程为0.6 A，电压表的量程为3 V．求：
(1)传感器的电阻和额定电流．
(2)为了确保电路各部分的安全，在a、b之间所加的电源电压最大值是多少？
(3)如果传感器的电阻变化超过标准值1 Ω，则该传感器就失去作用．实际检测时，将一个恒压电源加在图中a、b之间，闭合开关S，通过调节R0来改变电路中的电流和R0两端的电压．检测记录如下：
电压表示数U/V
电流表示数I/A
第一次
1.48
0.16
第二次
0.91
0.22
若不计检测电路对传感器电阻的影响，你认为这个传感器是否仍可使用？此时a、b间所加的电压是多少？
解析　(1)R传＝＝ Ω＝10 Ω，
I传＝＝ A＝0.3 A.
(2)最大电流I＝I传＝0.3 A，
电源电压最大值
Um＝U传＋U0，
U传为传感器的额定电压，
U0为R0m＝10 Ω时R0两端的电压，
即U0＝I传·R0m＝0.3×10 V＝3 V，
Um＝U传＋U0＝3 V＋3 V＝6 V.
(3)设实际检测时加在a、b间的电压为U，传感器的实际电阻为R′传，根据第一次实验记录数据有
U＝I1R′传＋U1
根据第二次实验记录数据有U＝I2R′传＋U2
代入数据，解得R′传＝9.5 Ω，U＝3 V
传感器的电阻变化为ΔR＝R传－R′传＝10 Ω－9.5 Ω＝0.5 Ω<1 Ω，所以此传感器仍可使用．
答案　(1)10 Ω　0.3 A　(2)6 V
(3)此传感器仍可使用　3 V
13．如图所示，图a为半导体材料做成的热敏电阻的电阻值随温度变化的曲线，而图b则是用这个热敏电阻和继电器做成的温控电路．设电磁铁线圈的电阻为50 Ω，线圈中的电流大于或等于20 mA时，继电器的衔铁被吸合，已知左侧电源的电动势为6 V，电源的内电阻不计，则继电器中吸合衔铁的部件是________，要使右则电路中的小灯泡发光，温度的范围应是________．
解析　当温度上升时，电阻R的阻值减小，电路中的电流增大，电磁铁的磁性增强，将衔铁吸下，灯泡发光．过一段时间后，温度下降，电阻R的阻值增大，电路中的电流减小，电磁铁的磁性减弱，衔铁被弹簧拉起，灯泡不发光．
继电器中吸合衔铁的部件是电磁铁，当电流等于20 mA时，即0.02 A，总电阻R＝＝＝300 Ω，
由于是串联电路，所以热敏电阻的电阻＝R－R0＝300 Ω－50 Ω＝250 Ω，对应图象找出温度数值为45 ℃.所以要使右侧电路中的小灯泡发光，温度的范围应是大于等于45 ℃.
答案　电磁铁　大于等于45 ℃