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第5章 传感器及其应用
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定义)(非电学量转化成
的装置
「备选答案
传感器
提示:将以下备选答案前的字
母填入左侧正确的位置.
传感器
分类
传感器
A.生物
传感器及其应用
传感器
B.大
结构
C.电学量
正温度系数:温度高→电阻
D.物理
热敏电阻
负温度系数:温度高→电阻小
E.化学
敏感元件
F减小
光敏电阻
阻值随光照强度的增大而
「答案校对]
应用
(1)自动门;2)指纹识别器3)洗衣机水位控制装置
(4)传感器与机器人
C DEA B F
知识体系,网络构建
宏观把握·理清脉络
》专题归纳,整合提升
归纳整合·深度升华
本章优化总结
[学生用书P67])
传感器的工作原理、常见敏感元件[学生用书P67]
1．传感器的工作原理：传感器感受的通常是非电学量，如力、热、磁、光、声等，而它输出的通常是电学量，这些输出信号是非常微弱的，通常要经过放大后，再输送给控制系统产生各种控制动作，传感器原理如图所示.
2．常见敏感元件及其特性
能制成传感器的敏感元件有许多，其中常见的敏感元件如下表所示：
物理量 敏感元件
力学量 半导体压敏电阻、金属应变电阻、驻极式话筒
热学量 热敏电阻、双金属片控温件
光学量 光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管、光电探测器、CCD(电荷耦合器件)探测器、红外探测器
磁学量 磁敏电阻、磁敏二极管、磁敏三极管
(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：金属热电阻的电阻率随温度升高而增大．
(3)热敏电阻：热敏电阻有正温度系数(PTC)、负温度系数(NTC)两种，正温度系数的热敏电阻的阻值随温度升高而增大，负温度系数的热敏电阻的阻值随温度升高而减小．
(4)电容：平行板电容器的电容与极板面积、极板间距及电介质材料有关，因而电容器可以感知引起电容变化的
任一外界信息，并将其转化为电容变化，例如当极板受力时会改变极板间距，从而引起电容变化．
(多选) 如图所示，RT为正温度系数热敏电阻，R1为光敏电阻，R2和R3均为定值电阻，电源电动势为E，内阻为r，电压表为理想电压表，现发现电压表示数增大，可能的原因是( )
A．热敏电阻温度升高，其他条件不变
B．热敏电阻温度降低，其他条件不变
C．光照增强，其他条件不变
D．光照减弱，其他条件不变
[解析] 电压表示数增大，而R3为定值电阻，说明流经R3的电流增大，由电路结构可知，这可能是由于RT阻值减小或R1阻值增大，由热敏电阻和光敏电阻特性知，可能是由于温度降低或光照减弱，故B、D正确，A、C错误．
[答案] BD
如图所示，RT为负温度系数的热敏电阻，R为定值电阻，若往RT上擦些酒精，在环境温度不变的情况下，关于电压表示数的变化情况，下列说法中正确的是( )
A．变大 B．变小
C．先变大后变小再不变 D．先变小后变大再不变
解析：选D.往RT上擦酒精后，酒精蒸发吸热，热敏电阻RT温度降低，电阻值增大，根据串联电路的分压特点知，电压表示数变小．当酒精蒸发完毕后，RT的温度逐渐升高到环境温度后不变，所以热敏电阻的阻值逐渐变小，最后不变，故电压表的示数将逐渐变大，最后不变，所以选项D正确．
生活中传感器的实际应用[学生用书P68]
1．传感器一般是把非电学量转换为电学量，因此往往与电子元件一起构成电路，比较常见的传感器都可以与电路进行组合，所以一定要注意电路分析，特别是要弄清楚各种敏感元件的特性及各种常用电子元件的工作特点，并针对具体问题具体分析，灵活处理．
2．分析传感器问题的思维方法
(1)确定传感器所感受的物理量，传感器所感受到的物理量有力、热、磁、光、声等．
(2)转换电路通过元件把敏感元件的输出量转换成电信号，最后借助于转换电路把电信号转换为便于处理、显示、记录或控制的量．
为了节能和环保，一些公共场所使用光控开关控制照明系统．光控开关可采用光敏电阻来控制，光敏电阻是阻值随着光的照度而发生变化的元件(照度可以反映光的强弱，光越强照度越大，照度单位为lx)．某光敏电阻RP在不同照度下的阻值如下表：
照度(lx) 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2
电阻(kΩ) 75 40 28 23 20 18
(1)根据表中数据，请在给定的坐标系中描绘出阻值随照度变化的曲线，并说明阻值随照度变化的特点．
(2)如图所示，当1、2两端所加电压上升至2 V时，控制开关自动启动照明系统，请利用下列器材设计一个简单电路．给1、2两端提供电压，要求当天色渐暗照度降低至1.0(lx)时启动照明系统，在虚线框内完成电路原理图．(不考虑控制开关对所设计电路的影响)
提供的器材有：
光敏电阻RP，电源E(电动势3 V，内阻不计)；
定值电阻：R1＝10 kΩ，R2＝20 kΩ，R3＝40 kΩ(限选其中之一并在图中标出)，开关S及导线若干．
[解析] (1)光敏电阻的阻值随照度变化的曲线如图所示．
特点：光敏电阻的阻值随光照强度的增大而非线性减小．
(2)设计电路如图所示．
当天色渐暗照度降低至1.0(lx)时启动照明系统，此时光敏电阻阻值为20 kΩ，两端电压为2 V，而电源电动势为3 V，所以应加上一个分压电阻，分得的电压为1 V，由串联电路的分压特点得，分压电阻阻值应为10 kΩ，故选用定值电阻R1.
[答案] 见解析
解答传感器的实际应用问题的两点技巧
(1)分析清楚传感器的工作原理，明确装置如何将非电学量转化为电学量是解决该类问题的关键．
(2)涉及电路计算时，注意欧姆定律及分压原理的应用．
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第5章 传感器及其应用
第5章 传感器及其应用
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第5章
传感器及其应用
DI WU ZHANG
预习导学·新知探究
梳理知识·夯实基础
多维课堂,师生互动
突破疑难·讲练提升
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随堂演练·巩固提升
以练促学·补短扬长
第1节 揭开传感器的“面纱” 第2节 常见传感器的工作原理
1.知道什么是传感器，感受传感器的作用和意义． 2.知道光敏电阻和热敏电阻的特性，了解它们的用途．
3．知道非电学量转换成电学量的技术意义．
一、揭开传感器的“面纱”
1．什么是传感器
(1)定义：能够感受外界信息，并将其按照一定的规律转换成电信号的器件或装置．
(2)意义：利用传感器可以方便地进行自动测量、自动控制等．
2．种类繁多的传感器
(1)种类：按传感器工作原理的不同分为物理传感器、化学传感器和生物传感器．
(2)传感器的结构
―→―→―→―→
(1)电冰箱的自动控温装置是一个传感器．( )
(2)用钥匙打开房门是利用了传感器．( )
(3)四川地震时使用的生命探测仪利用了生物传感器．( )
提示：(1)√ (2)× (3)√
二、常见传感器的工作原理
1．光电传感器的原理
(1)光电传感器：把光信号转换成电信号的器件或装置．
(2)光敏电阻
①光敏电阻器是用金属硫化物等半导体材料制成的．
②特点：光照越强，电阻越小．
③光敏电阻器一般用于光的测量和光的控制．
2．探究温度传感器的原理
(1)温度传感器：将温度变化转换为电学量变化的装置．
(2)热敏电阻：NTC热敏电阻的阻值随温度的升高而减小，PTC热敏电阻的阻值随温度的升高而增大．
如图所示，R1是光敏电阻，当光照增强时，AB端电压如何变化？
提示：光照增强，R1阻值变小，由I＝知，电路中电流增大，而UAB＝IR2，所以UAB增大．
传感器的结构及分类[学生用书P59]
1．传感器的结构
传感器的一般组成结构如图所示．
→→→→
(1)敏感元件：相当于人的感觉器官，直接感受被测量并将其变换成与被测量成一定关系的易于测量的物理量．
(2)转换元件：也称为传感元件，通常不直接感受被测量，而是将敏感元件输出的物理量转换成电学量输出．
(3)转换电路：将转换元件输出的电学量转换成易于测量的电学量，如电压、电流等．
2．传感器的分类
传感器按照工作原理的不同可以分为以下三类
分类 工作原理 举例
物理传感器 利用物质的物理性质和物理效应感知并检测出待测对象信息 压电传感器、温度传感器、电感传感器、电容传感器等
化学传感器 利用化学反应识别和检测信息 气敏传感器、湿敏传感器等
生物传感器 利用生物化学反应识别和检测信息 酶传感器、组织传感器、细胞传感器等
下列说法正确的是( )
A．凡将非电学量转化为电学量的传感器都是物理传感器
B．湿敏传感器只能是物理传感器
C．物理传感器只能将采集到的信息转化为电压输出
D．物理传感器利用的是物质的物理性质和物理效应
[解析] 各种传感器虽然工作原理不同，但基本功能相似，多数是将非电学量转化为电学量，故A错；湿敏传感器为化学传感器，故B错；传感器既可将信息转化为电压输出，也可转化为电流、电阻等输出，故C错；由物理传感器定义知D对．
[答案] D
1.中国牛奶行业曾经历了一次严峻考验，许多牛奶制品中被检测出化学原料三聚氰胺．在多种检测三聚氰胺的方法中有一种“酶标法检测”，若这种检测方法使用了传感器，应为传感器中的哪一类( )
A．物理传感器 B．化学传感器
C．生物传感器 D．温度传感器
解析：选C.检测方法为酶标法，所以其原理应该是利用了生物酶，故应为生物传感器，所以C正确．
(1)传感器的种类繁多，但一般都是将感受到的非电学量转换成电学量，其核心结构是敏感元件→转换元件→转换电路．解决该类问题的关键是能够充分理解传感器的概念．
(2)物理传感器、化学传感器、生物传感器是按照敏感元件工作原理的不同进行分类的，敏感元件相当于人的感觉器官，直接感受被测量的量并将其转换成与被测量的量成一定关系的易于测量的量．
传感器的应用[学生用书P60]
1．传感器应用的一般模式
2．光电传感器的应用原理
(1)光敏电阻的特点：阻值随光照强度的增大而减小．
(2)光敏电阻的机理：光敏电阻一般由半导体材料制成，当半导体材料受到光照而温度升高时，会有更多的电子获得能量成为自由电子，同时也形成更多的空穴，导电性能变好，电阻变小．
3．温度传感器的应用原理
(1)热敏电阻
①特点：热敏电阻的阻值大小与温度的高低有关．温度变化，阻值有明显变化．
②分类：由半导体材料制成，其导电性能对温度的变化很敏感，热敏电阻所用材料根据其温度特性可分为三类：正温度系数热敏电阻、负温度系数热敏电阻和临界温度系数热敏电阻．
a．正温度系数的热敏材料(PTC)，它的电阻随温度上升而增大．
b．负温度系数的热敏材料(NTC)，它的电阻随温度的上升而减小．
c．临界温度系数的热敏材料(CTC)，它的电阻在很小的温度范围(临界)内急剧减小．
(2)金属热电阻
特点：电阻率随温度的升高而增大．
命题视角1 光敏电阻特性的应用
(多选)如图所示为光敏电阻自动计数器的示意图，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( )
A．当有光照射R1时，信号处理系统获得高电压
B．当有光照射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．以上说法都不对
[解析] 当光照射光敏电阻R1时，光敏电阻R1的阻值减小，回路中电流增大，R2两端的电压升高，信号处理系统得到高电压，计数器每次由高电压转到低电压，就计一次数，从而能达到计数的目的．
[答案] AC
命题视角2 热敏电阻特性的应用
温度传感器广泛应用于室内空调、电冰箱和微波炉等家用电器中，它是利用热敏电阻的阻值随温度变化而变化的特性工作的．在图甲中，电源的电动势E＝9.0 V，内阻可忽略不计；G为灵敏电流表，内阻r保持不变；R0为保护电阻，R为热敏电阻，其电阻值与温度变化的关系如图乙所示．试写出热敏电阻的阻值随温度变化的关系式．闭合开关S，当R的温度等于40 ℃时，电流表示数I1＝2.25 mA，则当电流表的示数I2＝3.6 mA时，热敏电阻R的温度是多少摄氏度？
[解题探究] (1)该热敏电阻是正温度系数的热敏电阻还是负温度系数的热敏电阻？
(2)该电路是否满足欧姆定律？
[解析] 题中的R－t图象是直线，根据数学知识可写出热敏电阻的阻值R与温度t的关系式为R＝kt＋b.由图象知t1＝0 ℃时，R1＝4.25 kΩ，得b＝4.25，再根据t2＝120 ℃时，R2＝2 kΩ，得k＝－0.018 75，所以R与t的关系式为R＝－0.018 75t＋4.25(kΩ)．
根据题中的R－t图象，t3＝40 ℃时，热敏电阻的阻值R3＝3.5 kΩ，有E＝I1(r＋R0＋R3)；电流I2＝3.6 mA时，设热敏电阻的阻值为R4，有E＝I2(r＋R0＋R4)，代入数据可解得R4＝2 kΩ.由题中的R－t图象或将R4＝2 kΩ代入R与t的关系式可得t4＝120 ℃.
[答案] R＝－0.018 75t＋4.25(kΩ) 120 ℃
命题视角3 含光敏(热敏)电路的动态分析问题
如图所示是一火警报警器的一部分电路示意图，其中R2为用NTC半导体热敏材料制成的传感器，电流表为值班室的显示器，a、b之间接报警器，当传感器R2所在处出现火情时，显示器的电流I、报警器两端的电压U的变化情况是( )
A．I变大，U变大 B．I变小，U变小
C．I变小，U变大 D．I变大，U变小
[解题探究] (1)NTC半导体热敏材料制成的R2其电阻随温度如何变化？
(2)R2在电路中的位置及电路结构？
[解析] 当R2处出现火情时，NTC热敏材料制成的传感器的电阻将减小，则此时电路中的总电阻减小，由闭合电路欧姆定律可知：外电路电压将减小，U减小；电路中的总电流增大，所以R1上的电压增大，显示器两端的电压将减小，电流I减小，B正确．
[答案] B
解决含有热敏(光敏)电阻的动态分析问题的思路
(1)应明确热敏(光敏)电阻的电阻特性．
(2)根据闭合电路欧姆定律及串、并联电路的性质来分析电路中某一电阻变化而引起的整个电路中各部分电学量的变化情况．
(3)基本流程：R局→R总→I总→U端→I局．
2．(多选)如图所示，R1、R2为定值电阻，L为小灯泡，R3为光敏电阻，当照射光强度增大时( )
A．电压表的示数增大
B．R2中电流强度减小
C．小灯泡的功率增大
D．电路的路端电压增大
解析：选ABC.光的强度是被测量，光敏电阻R3为光敏感元件，同时也是转换器件．当光强度增大时，R3阻值减小，外电路电阻随R3的减小而减小，R1两端电压因干路电流增大而增大，同时内电压增大，故电路路端电压减小，而电压表的示数增大，A项正确，D项错误；由路端电压减小，而R1两端电压增大，可知R2两端电压必减小，则R2中电流减小，B项正确；结合干路电流增大知流过小灯泡的电流必增大，则小灯泡的功率增大，C项正确．
传感器与力、电知识的综合[学生用书P61]
如图所示是一种悬球式加速度仪，它可以用来测定沿水平轨道运动的列车的加速度，金属球的质量为m，它系在金属丝的下端，金属丝的上端悬挂在O点，AB是一根长为L的均匀电阻丝，其阻值为R，金属丝与电阻丝接触良好，摩擦不计，电阻丝的中心C焊接一根导线，从O点也引出一根导线，两线之间接入一个电压表V(金属丝和导线电阻不计)．图中虚线OC与AB垂直，且OC＝h，电阻丝AB接在电压为U的直流稳压电源上，整个装置固定在列车中并使AB沿车前进的方向．列车静止时金属丝呈竖直状态，当列车加速或减速前进时，金属丝将偏离竖直方向，从电压表V的读数变化可以测出加速度的大小．
当列车向右做匀加速直线运动时，试导出加速度a与电压表读数U′的关系式(用U′、U、L、h及重力加速度g等表示)．
[思路点拨] 解此题的关键有两点：
(1)电压表的测量范围；
(2)小车和悬球有相同的加速度．
[解析] 设列车加速度为a时，小球偏离竖直方向θ角，此时小球受力情况如图所示，根据牛顿第二定律得
mgtan θ＝ma①
因为tan θ＝②
由①②两式得a＝g·③
设列车加速度为a时，电压表读数为U′
＝＝④
由④得DC＝⑤
⑤代入③得a＝g·.
[答案] a＝g·
本题是科技产品与电路结合的新颖题．本题既是对电路的考查，又是对牛顿第二定律的考查．题目中隐含条件是串联电路的分压原理．本题旨在对应用物理知识解决实际问题能力的考查．
3．用如图所示的装置可以测量汽车在水平路面上做匀加速直线运动的加速度．该装置是在矩形箱子的前、后壁上各安装一个由力敏电阻组成的压力传感器．用两根相同的轻弹簧夹着一个质量为2.0 kg的滑块，滑块可无摩擦滑动，两弹簧的另一端分别压在传感器a、b上，其压力大小可直接从传感器的液晶显示屏上读出．现将装置沿运动方向固定在汽车上，传感器b在前，传感器a在后．汽车静止时，传感器a、b的示数均为10.0 N(取g＝10 m/s2)．
(1)若传感器a的示数为14.0 N，b的示数为6.0 N，求此时汽车的加速度大小和方向．
(2)当汽车以怎样的加速度运动时，传感器a的示数为零？
解析：(1)如图所示，依题意得左侧弹簧对滑块向右的推力F1＝14.0 N，右侧弹簧对滑块向左的推力F2＝6.0 N，滑块所受合力产生加速度a1，根据牛顿第二定律有F1－F2＝ma1，得
a1＝＝ m/s2＝4.0 m/s2
a1与F1同方向，即向前(向右)．
(2)a传感器的读数恰为零，即左侧弹簧的弹力F′1＝0，因两弹簧相同，左弹簧伸长多少，右弹簧就缩短多少，所以右弹簧的弹力变为F′2＝20.0 N．滑块所受合力产生加速度a2，由牛顿第二定律得F合＝F′2＝ma2得a2＝＝10.0 m/s2，方向向左．
答案：(1)4.0 m/s2 方向向右
(2)以方向向左、大小为10.0 m/s2的加速度运动
[随堂检测] [学生用书P62]
1．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
解析：选C.传感器工作的一般流程为：非电学量敏感元件转换元件转换电路电学量，因此A、B、D错误，C正确．
2．关于物理传感器、化学传感器和生物传感器的下列说法中，正确的是 ( )
A．物理传感器是利用材料的某种物理性质工作的，因而只能用于机械加工行业不能用于化工领域
B．化学传感器是利用某种化学反应来工作的，因而只能输出某种化学物质而不能输出电学量
C．生物传感器的适用范围广，可在任意温度条件下工作
D．生物传感器由于含有生命物质，因而对使用传感器的环境条件有一定要求
解析：选D.不论哪种传感器都可以将非电学量转换成电学量输出，故B错．物理传感器在化工领域也可以使用，如温度传感器等，故A错．生物传感器能够使用的前提是感受器中的生命物质保持生物活性，故C错、D对．
3．(多选)用遥控器调换电视频道的过程，实际上就是传感器把光信号转化为电信号的过程，下列属于这类传感器的是( )
A．红外报警装置
B．街道上照明灯的光控开关
C．自动洗衣机中的压力传感器
D．电饭煲中控制加热和保温的温控器
解析：选AB.红外报警装置和街道上照明灯的光控开关都是把光信号转化为电信号，所以A、B正确；C为把压力信号转化为电信号，D为把温度信号转化为电信号，所以C、D错误．
4．在输液时，药液有时会从针口流出体外，为了及时发现，设计了一种报警装置，电路如图所示．M是贴在针口处的传感器，接触到药液时其电阻RM发生变化，导致S两端电压U增大，装置发出警报，此时( )
A．RM变大，且R越大，U增大越明显
B．RM变大，且R越小，U增大越明显
C．RM变小，且R越大，U增大越明显
D．RM变小，且R越小，U增大越明显
解析：选C.当RM变大时，回路的总电阻R总变大，根据I总＝，得干路中的电流变小，S两端的电压U＝I总RS变小，故选项A、B错误；当RM变小时，回路的总电阻R总＝＋RS变小，根据I总＝，得干路中的电流变大，S两端的电压U＝I总RS变大，而且R越大，RM变小时，对回路的总电阻变化的影响越明显，故选项C正确，选项D错误．
[课时作业] [学生用书P103(单独成册)]
一、单项选择题
1．关于传感器的作用，下列说法中正确的是 ( )
A．通常的传感器可以直接用来进行自动控制
B．传感器可以用来采集信息
C．传感器可以将感受到的一些信号转换为力学量
D．传感器可以将所有感受到的信号转换为电学量
解析：选B.通常的传感器输出的电信号非常微弱，要经过放大，再送给控制系统产生各种控制动作，选项A错误．传感器通过采集力、温度、光、声、磁场、化学成分等信息，按一定规律转换为电压、电流、电阻等电学量或电路的通断，传感器并不能将所有非电学量都转换为电学量，故选项B正确，选项C、D错误．
2．传感器的种类多种多样，其性能也各不相同．空调机在室内温度达到设定的温度后，会自动停止工作，空调机内使用的传感器是 ( )
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：选C.空调机是根据温度调节工作状态的，所以其内部使用了温度传感器，故选项C正确．
3．街旁的路灯，江海里的航标都要求在夜晚亮，白天熄，实现了自动控制，这是利用半导体的( )
A．压敏性
B．光敏性
C．热敏性
D．三种特性都利用
解析：选B.街旁的路灯和江海里的航标，都是利用了半导体的光敏性，夜晚电阻大，白天电阻小，控制了电路的通断．故选项B正确．
4．关于光敏电阻和热敏电阻，下列说法中正确的是( )
A．光敏电阻是用半导体材料制成的，其阻值随光照增强而减小，随光照的减弱而增大
B．光敏电阻是能把光照强度这个光学量转换为电流这个电学量的传感器
C．热敏电阻是用金属铂制成的，它对温度感知很灵敏
D．热敏电阻是把热量这个热学量转换为电阻这个电学量的传感器
解析：选A.光敏电阻是把光照强度转换为电阻的元件；热敏电阻是把温度转换为电阻的元件，B、D错误；热敏电阻和光敏电阻都是半导体材料制成的，半导体具有光敏性和热敏性，金属铂与热敏电阻相反，C错误．
5．将多用电表的选择开关置于欧姆挡，再将电表的表笔与一光敏电阻的两端相连，此时电表的指针恰好指在表盘的中央，若用黑纸把光敏电阻包住，电表指针的偏角情况是( )
A．变小 B．变大
C．不变 D．不能确定
解析：选A.因为光敏电阻的阻值会随光照强度的增大而减小，因此，用黑纸把光敏电阻包住，光敏电阻的阻值变大，所以多用电表指针偏角变小，故选项A正确．
6．如图所示，R1为定值电阻，R2为负温度系数的热敏电阻(负温度系数热敏电阻是指阻值随温度的升高而减小的热敏电阻)，L为小灯泡，当温度降低时( )
A．R1两端的电压增大
B．电流表的示数增大
C．小灯泡的亮度变强
D．小灯泡的亮度变弱
解析：选C.当温度降低时，热敏电阻R2的阻值会增大，小灯泡L和R2是并联关系，并联部分的电阻会增大，整个电路中的总电阻会增大，根据闭合电路欧姆定律可以判断出回路中干路的电流会减小，R1是一个定值电阻，R1两端的电压减小，所以A选项错误；干路的电流减小，电流表测量的是干路电流，电流表的示数减小，所以B选项错误；小灯泡两端的电压与并联部分两端的电压相等，根据串联电路分压原理，并联部分电阻阻值增大，所分得的电压增大，小灯泡两端的电压增大，小灯泡的亮度变强，所以C选项正确，D选项错误．
7．如图所示，用光敏电阻LDR和灯泡制成一种简易水污染指示器，下列说法中正确的是( )
A．严重污染时，LDR是高电阻
B．轻度污染时，LDR是高电阻
C．无论污染程度如何，LDR的电阻不变，阻值大小由材料本身因素决定
D．该仪器的使用不会因为白天和晚上受到影响
解析：选A.严重污染时，透过污水照到LDR上的光线较少，LDR电阻较大，A对，B错；LDR由半导体材料制成，受光照影响电阻会发生变化，C错；白天和晚上自然光强弱不同，或多或少会影响LDR的电阻，D错．
二、多项选择题
8．如图甲所示，质量不计的弹簧竖直固定在水平面上，t＝0时刻，将一金属小球从弹簧正上方某一高度处由静止释放，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．通过安装在弹簧下端的压力传感器，测出这一过程弹簧弹力F随时间t变化的图象如图乙所示，则( )
A．t1时刻小球动能最大
B．t2时刻小球动能为零
C．t2～t3这段时间内，小球的动能先增加后减少
D．t2～t3这段时间内，小球增加的动能等于弹簧减少的弹性势能
解析：选BC.0～t1时间内小球做自由落体运动，落到弹簧上并往下运动的过程中，小球重力与弹簧对小球弹力的合力方向先向下后向上，故小球先加速后减速，t2时刻到达最低点，动能为0，A错误，B正确；t2～t3时间内小球向上运动，合力方向先向上后向下，小球先加速后减速，动能先增加后减少，C正确；t2～t3时间内由能量守恒知小球增加的动能等于弹簧减少的弹性势能减去小球增加的重力势能，D错误．
9.已知磁敏电阻在没有磁场时电阻很小，有磁场时电阻变大，并且磁场越强阻值越大．为探测磁场的有无，利用磁敏电阻作为传感器设计了如图所示电路．电源的电动势E和内阻r不变，在没有磁场时调节变阻器R使电灯L正常发光，若探测装置从无磁场区进入强磁场区．则( )
A．电灯L变暗
B．电灯L变亮
C．电流表的示数增大
D．电流表的示数减小
解析：选BD.探测装置从无磁场区进入强磁场区，磁敏电阻阻值变大，则闭合电路的总电阻R总变大．由闭合电路欧姆定律知，电路中的电流I＝减小，电流表的示数减小，D对，C错；由U灯＝E－Ir知U灯变大，电灯L变亮，B对，A错．
三、非选择题
10.一般的电熨斗用合金丝做发热元件，合金丝电阻随温度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服厚度、干湿等情况不同，熨斗的散热功率不同，因而熨斗的温度可能在较大范围内波动，易损坏衣物．有一种用主要成分为BaTiO3、被称为“PTC”的特殊材料做发热元件的电熨斗，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自动稳定在T________＜t＜T________范围之内．(填下标数字)
解析：(1)由于冷态时PTC材料电阻较小，故由P＝知，其发热功率较大，所以升温快．
(2)由题图可以看出，温度较低时，电阻较小，热功率较大，所以生热快于散热，升到一定温度时，电阻值迅速增大，相应生热功率减小，当生热功率小于散热功率时，电阻温度降低，电阻值减小，生热功率会相应增大，故当生热功率等于散热功率时，温度会稳定在图中T6～T7之间．
答案：见解析
11．如图所示为一种加速度仪的示意图．质量为m的振子两端连有劲度系数均为k的轻弹簧，电源的电动势为E，不计内阻，滑动变阻器的总阻值为R，有效长度为L，系统静止时滑动触头位于滑动变阻器正中，这时电压表指针恰好在刻度盘正中．求：
(1)系统的加速度a(以向右为正)和电压表读数U的函数关系式．
(2)将电压表刻度改为加速度刻度后，其刻度是均匀的还是不均匀的？为什么？
(3)若电压表指针指在满刻度的位置，此时系统的加速度大小和方向如何？
解析：(1)当振子向左偏离中间位置x距离时，由牛顿第二定律得：2kx＝ma①
电压表的示数为U＝E②
由以上两式解得a＝(E－2U)．③
(2)均匀．因为加速度a与电压表示数U是一次函数(线性)关系．
(3)当滑动触头滑到最右端时，电压表最大示数Um＝E，电压表指针指在满刻度的位置时，U＝E
代入③式解得a＝－
即加速度大小为，方向向左
答案：(1)a＝(E－2U) (2)见解析 (3) 方向向左
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第5章 传感器及其应用
第5章 传感器及其应用
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第3节 大显身手的传感器
1.了解传感器应用的一般模式． 2.感受传感器技术给人类生活带来的便利，了解传感器应用的设计思路．
3．理解传感器在洗衣机水温控制装置、自动门、指纹识别器、机器人中的工作原理．
[学生用书P62])
一、洗衣机水位控制装置
1．全自动洗衣机的水位控制装置中使用了压力传感器．
2．组成：外筒和内筒、气室、传感器的膜盒．
3．工作原理：当洗衣机筒内的水位达到设定标准时，气体压强增大到使传感器的膜片向上凸起，凸起的膜片使动触点与静触点脱离，并与另外一个静触点接触，从而控制电路的通断．
1．压力传感器是将什么信号转变为电信号的？能否举另外一例？
提示：将压力信号转变为电信号，常见的还有电子秤．
二、自动门、指纹识别器
1．自动门
(1)组成：红外线传感器．
(2)工作原理：当有人接近自动门时，传感器接收到人体发出的红外线，产生电压输出信号；信号经过电路处理后，使定时器工作；由定时器构成的电路使继电器通电，自动门电动机转动，门自动打开；当人通过自动门几秒钟后，定时器又使继电器断电，自动门电动机反转，门自动关闭．
(3)自动门工作流程
→→→
↑
2．指纹识别器
(1)组成：电容传感器．
(2)工作原理：当用户的手指放在绝缘表面上时，皮肤就组成了电容阵列极板的另一面．由于指纹的脊和谷相对于另一极之间的距离不同，使电容阵列中不同位置的电容器的电容值也不相同．通过读取这些电容的差异，就能够获取指纹信息．
3．电容式传感器的工作原理：依据平行板电容器的公式C＝，改变S或d或ε，都可以改变电容器的电容C.
2．在机场、车站、码头等人员集散地都设有体温检测点，为什么测体温时一般不用水银温度计，而用红外线测温仪？
提示：用水银温度计，测温时间长，同时又容易引起交叉感染，用红外线测温仪测温速度快，也不需要与人体直接接触，又避免了交叉感染，因此用红外线测温较好．
三、传感器与机器人
1．机器人传感器的分类
机器人传感器分为外部传感器和内部传感器．
2．传感器用途
(1)外部传感器用于感知外部工作环境和外界事物对机器人的刺激，使机器人拥有类似人的视觉、听觉、触觉、嗅觉、味觉等感觉，从而使机器人具有拟人化的特点．
(2)内部传感器(如角度传感器、关节传感器等)用于检测机器人自身的状态．
3．机器人上安装的传感器和人类感官有怎样的相对应关系？
提示：光电传感器——视觉；声电传感器——听觉；气敏传感器——嗅觉；化学传感器——味觉；压敏、温敏、流体传感器——触觉．
压力传感器的应用[学生用书P63]
1．应变式力传感器
(1)组成：由金属架和应变片组成．
(2)工作原理：如图甲所示，弹簧钢制成的梁形元件右端固定，在梁的上下表面各帖一个应变片，在梁的自由端施加力F，则梁发生弯曲，上表面拉伸，下表面压缩，上表面应变片的电阻变大，下表面应变片的电阻变小．力F越大，弯曲形变越大，应变片的电阻变化就越大，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．力F越大，输出的电压差值也就越大．
2．全自动洗衣机水位控制装置的工作原理
全自动洗衣机的水位控制装置中使用了压力传感器．图乙中，1和2分别是洗衣机的外筒和内筒，3是气室，4是传感器的膜盒．气室下部与外筒连通，上部与软管、传感器的膜盒连通．向内筒中注水时，水通过内筒壁上的小孔流入外筒，部分水进入气室，气室内被密封的空气压强增大，使传感器的膜片向上凸起，如图丙所示，当筒中水位到达设定的高度时，凸起的膜片使动触点a与静触点b脱离，并与静触点c接触，从而接通控制电路，关闭进水电磁阀门，接通洗涤电动机电源，开始洗涤衣物．
命题视角1 全自动洗衣机的工作原理
下列情况不可能是由于水位控制装置损坏引起的是( )
A．洗衣机不加水 B．洗衣机加水不能自动停止
C．洗衣机不排水 D．洗衣机不洗衣
[解析] 洗衣机水位控制装置正常，才能正常加水，且加到合适的水位，若损坏可能导致一直不加水或一直不停地加水，所以A、B可能，而这两种情况都会导致洗衣机洗衣程序不工作，所以D可能，故选项C符合题意．
[答案] C
命题视角2 压力传感器的综合应用
有一种测量人体重的电子秤，其原理图如图中的虚线所示．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G(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 …
设踏板的杠杆组件的质量不计，接通电源后，压力传感器两端的电压恒为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？
[解题探究] (1)压力传感器的工作原理是什么？
(2)由图表数据可获取什么信息？
[解析] (1)由表中数据可归纳得出：
R＝300－0.6F(R和F的单位分别为Ω和N)．
(2)依题意可知，电子秤空载时压力传感器的电阻R1＝300 Ω，电路中的电流为I＝＝ 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)当电流表刻度盘的读数为I2＝20 mA时，压力传感器的电阻R2＝＝ Ω＝234 Ω
由R＝300－0.6F(Ω)，算得F2＝110 N
再由F2·AO＝G·BO得G＝550 N.
[答案] (1)R＝300－0.6F(R和F的单位分别为Ω和N)
(2)15.6 mA (3)550 N
涉及压力传感器应用问题，其基本原理是通过压力改变电阻，从而改变电路中的电流，通过电流表示数反映压力的大小．
传感器与自动控制[学生用书P64]
1．红外线传感器：红外线传感器接收携带着信息的红外线，转换成电信号，从而得知辐射源的相关参数或信息．自然界几乎所有的物体都能辐射波长在0.76～1 000 μm的电磁波，即红外线，因此红外线传感器不仅被广泛应用于航空摄影、卫星遥感、遥测等高科技领域，也被广泛应用于日常生活中，自动门、生命探测器、非接触式红外测温仪、家电遥控系统以及防盗、防火报警器等均使用了红外线传感器．
2．传感器系统在机器人中的作用
传感器系统在机器人中起着非常重要的作用，是机器人的感觉器官，可以分为外部传感器和内部传感器．
(1)外部传感器用于感知外部工作环境和外界事物对机器人的刺激．外部传感器包括视觉传感器(相当于眼睛)，超声波传感器和语音识别装置(相当于耳朵)，温度传感器(相当于皮肤)，压力传感器、位移传感器和温度传感器(相当于手)，嗅觉、味觉传感器等．
(2)内部传感器(如角度传感器、关节传感器等)用于检测机器人自身的状态．
命题视角1 红外线传感器的应用
在防治“非典”期间，在机场、车站等交通出入口，使用了红外线热像仪，红外线热像仪通过红外线遥感，可检测出经过它时的发热病人，从而可以有效控制疫情的传播．关于红外线热像仪，下列说法正确的是( )
A．选择红外线进行检测，主要是因为红外线光子能量小，可以节约能量
B．红外线热像仪通过发射红外线照射人体来检测
C．红外线热像仪同时还具有杀菌作用
D．一切物体都能发射红外线，而且物体在不同温度下发射的红外线的频率和强度不同
[解析] 红外线热像仪是根据物体发射的红外线的频率和强度不同而工作的，故选项D正确．
[答案] D
命题视角2 自动门的原理
如图所示是一位同学设计的防盗门报警器的简化电路示意图．门打开时，红外光敏电阻R3受到红外线照射，电阻减小；门关闭会遮蔽红外线源(红外线源没有画出)．经实际试验，灯的亮灭能反映门的开、关状态．门打开时两灯的发光情况以及R2两端电压UR2与门关闭时相比( )
A．红灯亮，UR2变大
B．绿灯亮，UR2变大
C．绿灯亮，UR2变小
D．红灯亮，UR2变小
[解析] 门打开时R3减小，导致R总减小和I总增加，Ur和UR1变大，UR2＝E－(UR1＋Ur)减小，IR3＝I总－增加，电磁继电器磁性增强把衔铁拉下，红灯亮，绿灯灭，选项A、B、C错误，选项D正确．
[答案] D
命题视角3 自动化控制的综合应用
如图所示，甲为温度在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．当a、b端电压Uab＜0时，电压鉴别器会令开关S接通，恒温箱内的电热丝加热，使箱内温度升高；当Uab>0时，电压鉴别器会令开关S断开，停止加热，恒温箱内的温度恒定在________ ℃.
[解析] 设电路的路端电压为U，当Uab＝0时，是电热丝加热的临界状态．
此时R1＝R3，解得RT＝20 kΩ.
由题图乙知，当RT＝20 kΩ时，t＝35 ℃.
[答案] 35
传感器与自动控制问题通常是利用传感器中的敏感元件与电路结合分析，要把握两点：
(1)明确组成传感器的敏感元件的特性．
(2)注意电路的结构及串、并联的分析计算方法．
传感器的电路设计与分析技巧[学生用书P65]
1．感受量分析：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．
采用风力发电给蓄电池充电，为路灯提供电能，是现代城市“亮化”工程的方向．用光敏电阻作为传感器控制路灯电路的开关，实现自动控制．光敏电阻的阻值随照射光的强弱而变化，作为简化模型，可以近似认为，照射光较强(如白天)时电阻几乎为0，照射光较弱(如黑天)时电阻接近于无穷大．利用光敏电阻作为传感器，借助电磁开关，可以实现路灯自动在白天关闭、黑天打开．电磁开关的内部结构如图所示.1、2两接线柱之间是励磁线圈，3、4两接线柱分别与弹簧片和触点连接．当励磁线圈中电流大于50 mA时，电磁铁吸合铁片，弹簧片和触点分离，3、4断开；电流小于50 mA时，3、4接通．励磁线圈中允许通过的最大电流为100 mA.
(1)利用以下器材设计一个自动控制路灯的电路，画出电路原理图．
光敏电阻R1，符号
灯泡L，额定功率40 W，额定电压36 V，符号
保护电阻R2，符号
电磁开关，符号
蓄电池E，电压36 V，内阻很小；开关S，导线若干．
(2)回答下列问题：
①如果励磁线圈的电阻为200 Ω，励磁线圈允许加的最大电压为________V，保护电阻R2的阻值范围为__________ Ω.
②在有些应用电磁开关的场合，为了安全，往往需要在电磁铁吸合铁片时，接线柱3、4之间从断开变为接通．为此，电磁开关内部结构应如何改造？请结合本题中电磁开关内部结构图说明．
③任意举出一个其他的电磁铁应用的例子．
[解析] (2)①Um＝ImR＝100×10－3×200 V＝20 V
E＝I(R2＋R)，其中50 mA故R2在160～520 Ω之间．
[答案] (1)
(2)①20 160～520
②把触点从弹簧片右侧移到弹簧片左侧，保证当电磁铁吸合铁片时，3、4之间接通；不吸合时，3、4之间断开．
③电磁起重机
现有热敏电阻、电热丝、电源、电磁继电器、滑动变阻器、开关各一个，导线若干，如图所示，试设计一个温控电路．要求温度低于某一温度时，电热丝自动通电加热，超过某一温度时，又可以自动断电，画出电路图并说明工作过程．
解析：热敏电阻与滑动变阻器及电磁继电器构成低压控制电路，电路图如图所示．
工作过程：闭合开关S，当温度低于设计值时，热敏电阻阻值大，通过电磁继电器的电流小，电磁铁磁性弱，不能将衔铁P吸下，触点K接通，电热丝通电加热；当温度达到设计值时，热敏电阻阻值减小到某值，通过电磁继电器的电流变大达到工作电流，电磁铁磁性增强，将衔铁P吸下，触点K断开，电热丝断电，停止加热；当温度低于设计值时，又重复前述过程．
答案：见解析
[随堂检测] [学生用书P66]
1．类人型机器人装有作为眼睛的“传感器”，犹如大脑的“控制器”，以及可以行走的“执行器”，在它碰到障碍物前会自动避让并及时转弯．下列有关该机器人“眼睛”的说法中正确的是( )
A．是力传感器 B．是光传感器
C．是温度传感器 D．是声音传感器
解析：选B.遇到障碍物会绕开，说明它是光传感器，B正确，A、C、D错误．
2．当你走近豪华宾馆、酒楼的大门时，门就自动为你打开；当你走进门之后，门又在你身后自动关上．你觉得这可能是将下列哪种外界信息转换为有用的信息( )
A．温度 B．运动
C．人 D．光线
解析：选D.自动门的自动控制要求灵敏、可靠、自动门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．
3．下列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的
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电压
D．外力越大，输出的电压差越小
解析：选B.应变片是由半导体材料制成的，A错误；应变片的表面拉伸时，R值变大，应变片压缩时，R值变小，B正确；传感器输出的是应变片两个电压的差值，外力越大，输出电压差值越大，C、D错误．
4．(多选) 如图所示为电熨斗的结构图，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，要调节调温旋钮，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：选BC.电熨斗主要是利用双金属片的膨胀系数不同而自动控制温度的，选项A错误；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，选项B正确；需要较高温度熨烫时，要调节调温旋钮，使升降螺丝下移并推动弹性铜片下移，选项C正确；电熨斗中的双金属片是金属材料，选项D错误．
5．如图所示，A是浮子，B是金属触头，C为住宅楼房顶上的蓄水池，M是带水泵的电动机，D是弹簧，E是衔铁，F是电磁铁，S1、S2均为触点开关，S为开关，J为电池．请利用上述材料，设计一个住宅楼房顶上的自动注水装置．
(1)连接电路图；
(2)简述其工作原理(涉及的元件可用字母代替)．
解析：(1)连接线路如图所示．
(2)按图连接好电路，合上开关S，水泵工作，水位升高，当浮子上升使B接触到S1时，左侧电路(控制电路)工作，电磁铁F有磁力，拉下衔铁E，使S2断开，电动机M不工作，停止注水，当水位下降使B与S1脱离，左侧电路停止工作，F无磁性，D拉动E，使S2接通，M工作．
答案：见解析
[课时作业] [学生用书P105(单独成册)]
一、单项选择题
1．电子秤使用的传感器是( )
A．超声波传感器 B．温度传感器
C．压力传感器 D．红外线传感器
解析：选C.电子秤通过感知物体对它的压力，将其转换为电信号，并由仪表显示，来测量物体质量，所以它感知的是压力，使用了压力传感器，故C选项正确．
2．机器人技术发展迅速，以下哪方面是现有的机器人不能很好地完成的( )
A．汽车工业中自动焊接领域
B．深水探险
C．艺术体操和与人对话
D．机械加工
解析：选C.现有的机器人技术仅限于制造工艺、计算机技术和传感器技术，还很难达到类似人对肢体的控制能力，其动作精确但较僵硬，语音识别能力还很差，但在其他几个方面机器人都有较好表现．
3．指纹识别器在下列哪些方面可以得到广泛应用( )
A．乘坐客车购票时 B．过公路收费处时
C．放学出校门口时 D．开银行保险柜时
解析：选D.指纹识别用于对特定人的身份识别，在具有特殊要求的场合应用此项技术，A、B、C三项不需要严格的身份验证，所以不必使用这一技术．
4.小强用恒温箱进行实验时，发现恒温箱的温度持续升高，无法自动控制．经检查，恒温箱的控制器没有故障．参照图示，下列对故障判断正确的是( )
A．只可能是热敏电阻出现故障
B．只可能是温度设定装置出现故障
C．热敏电阻和温度设定装置都可能出现故障
D．可能是加热器出现故障
解析：选C.由恒温箱原理图可知，若热敏电阻出现故障或温度设定出现故障都会向控制器传递错误信息，导致控制器发出错误指令，C正确，A、B错误；若加热器出现故障，只有一种可能，即不能加热，而题中加热器一直加热才会使温度持续升高，D错误．
5．如图所示为一种温度自动报警器的原理图，在水银温度计的顶端封入一段金属丝，以下说法正确的是( )
A．温度升高至74 ℃时，L1亮灯报警
B．温度升高至74 ℃时，L2亮灯报警
C．温度升高至78 ℃时，L1亮灯报警
D．温度升高至78 ℃时，L2亮灯报警
解析：选D.当温度低于78 ℃时，线圈中没有电流，此时灯L1亮，但不报警；当温度升高到78 ℃时，线圈中有电流，磁铁吸引衔铁，灯L2被接通，所以灯L2亮且报警，温度升高至74 ℃时，线圈中没有电流，只是灯L1亮，不会报警．
6．酒精测试仪用于对机动车驾驶人员是否酒后驾车及其他严禁酒后作业人员的现场检测，它利用的是一种二氧化锡半导体型酒精气体传感器．酒精气体传感器的电阻随酒精气体浓度的变化而变化，在如图所示的电路中，不同的酒精气体浓度对应着传感器的不同电阻，这样，显示仪表的指针就与酒精气体浓度有了对应关系．如果二氧化锡半导体型酒精气体传感器电阻r′的倒数与酒精气体的浓度成正比，那么，电压表示数U与酒精气体浓度c之间的对应关系正确的是( )
A．U越大，表示c越大，c与U成正比
B．U越大，表示c越大，但是c与U不成正比
C．U越大，表示c越小，c与U成反比
D．U越大，表示c越小，但是c与U不成反比
解析：选B.传感器电阻r′的倒数与浓度c是正比关系，即＝kc.
电路中的电流为I＝，
电压表示数
U＝IR0＝＝，
可见电压与浓度的关系不是正比关系，但随浓度的增加而增加．故B正确．
二、多项选择题
7.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，可使膜片产生形变，引起电容的变化．将电容式传感器、灵敏电流计和电源串接成如图所示的闭合电路，那么下列说法正确的是( )
A．当F向上压膜片电极时，电容将减小
B．若灵敏电流计有示数，则压力F发生了变化
C．若灵敏电流计有向右的电流通过，则压力F在增大
D．若灵敏电流计有向右的电流通过，则压力F在减小
解析：选BC.当F向上压膜片电极时，两电极之间的距离变小，使得电容变大，选项A错误；当灵敏电流计有示数时，说明电容式传感器正在进行充放电，而电容式传感器始终与电源相连，即电压不变，所以说明其电容在发生变化，一定是压力F发生了变化，选项B正确；由于电容式传感器固定电极接在电源的正极，灵敏电流计有向右的电流通过，则说明电流流向电容式传感器的固定电极，所以电容在变大，即间距在减小，力F在变大，选项C正确，D错误．
8.全自动洗衣机中，排水阀是由程序控制器控制其动作的．当洗衣机进行排水和脱水工序时电磁铁的线圈通电，使电磁铁的铁芯2动作，牵引排水阀的活塞，排出污水，牵引电磁铁的结构如图所示．以下说法正确的是( )
A．若某时刻输入控制电流时，a为正，b为负，则铁芯2中A端为N极，B端为S极
B．若某时刻输入控制电流时，a为正，b为负，则铁芯2中A端为S极，B端为N极
C．若a、b处输入交变电流，铁芯2不能吸入线圈中
D．若a、b处输入交变电流，铁芯2能吸入线圈中
解析：选BD.若输入控制电流由a流入，b流出，则铁芯1左端为N极，右端为S极，它将使铁芯2被磁化，A端为S极，B端为N极，并吸入线圈中．若a、b处输入交变电流，铁芯2仍能被吸入线圈中，故选B、D.
9．如图甲所示是一天花板上的火灾报警器，其内部结构原理如图乙所示．它是利用烟雾对光的散射来工作的．下列关于该报警器原理的说法正确的是( )
A．罩内的光电三极管将光强度这个非电学量转化为电流这个电学量
B．罩内的光电三极管将光强度这个非电学量转化为电阻这个电学量
C．烟雾进入罩内后对光有散射作用，使部分光线照射到光电三极管上，其电阻变小
D．烟雾进入罩内后对光有散射作用，使部分光线照射到光电三极管上，其电阻变大
解析：选BC.平时光电三极管收不到LED发出的光，呈现高电阻状态．烟雾进入罩内后对光有散射作用，使部分光线照射到光电三极管上，其电阻变小．所以选项B、C正确，选项A、D错误．
10．如图是电饭锅的结构图，如果感温磁体的“居里温度”为103 ℃时，下列说法中正确的是( )
A．常温下感温磁体具有较强的磁性
B．当温度超过103 ℃时，感温磁体的磁性较强
C．饭熟后，水分被大米吸收，锅底的温度会超过103 ℃，这时开关按钮会跳起
D．常压下只要锅内有水，锅内的温度就不可能达到103 ℃，开关按钮就不会自动跳起
解析：选ACD.感温铁氧体的特点：在“103 ℃”以下具有较强的磁性，在“103 ℃”以上失去磁性，故A正确，B错误；当温度达到103 ℃开关自动断开，低于103 ℃开关不能自动断开，故C、D正确．
三、非选择题
11．如图甲是汽车过桥时对不同类型桥面压力变化的实验．采用DIS方法对模型进行测量，其结果如图乙中电脑屏幕所示．
(1)图甲中的传感器为________传感器．
(2)图甲中①②③分别为三种不同类型的桥面，对于凸形桥①，其相对应的压力图线应是屏幕上的________．(填“a”“b”或“c”)
解析：(1)由于是将压力信号转化为电信号，所以是压力传感器．
(2)桥面如题图①所示时，小球在最高点时对桥的压力小于重力；
桥面如题图②所示时，小球对桥的压力不变，总等于重力；
桥面如题图③所示时，小球在最低点时对桥的压力大于重力；
由此可得：对应凸形桥①的压力图线是电脑屏幕上的c.答案：(1)压力 (2)c
12．如图所示为某种电子秤的原理示意图，AB为一均匀的滑线电阻，阻值为R，长度为L，两边分别有P1、P2两个滑动头，P1可在竖直绝缘光滑的固定杆MN上保持水平状态而上下自由滑动．弹簧处于原长时，P1刚好指着A端，P1与托盘固定相连．若P1、P2间出现电压时，该电压经过放大，通过信号转换后在显示屏上将显示物体重力的大小．已知弹簧的劲度系数为k，托盘自身质量为m0，电源电动势为E，内阻不计，当地的重力加速度为g.求：
(1)托盘上未放物体时，在托盘自身重力作用下，P1与A端的距离x1；
(2)托盘上放有质量为m的物体时，P1与A端的距离x2；
(3)在托盘上未放物体时通常先校准零点，其方法是调节P2，使P2离A端的距离也为x1，从而使P1、P2间的电压为零．校准零点后，将物体m放在托盘上，试推导出物体质量m与P1、P2间的电压U之间的函数关系式．
解析：托盘的移动带动P1移动，使P1、P2间出现电势差，电势差的大小反映了托盘向下移动距离的大小，由于R为均匀滑线电阻，则其阻值与长度成正比．
(1)由力的平衡知识得：m0g＝kx1，解得x1＝.
(2)放上物体m重新平衡得：m0g＋mg＝kx2，
解得：x2＝.
(3)由闭合电路欧姆定律知：E＝IR
由部分电路欧姆定律知：U＝IR串(R串为P1、P2间电阻)由＝，其中x为P1、P2间的距离，
则x＝x2－x1＝
联立以上各式解得：m＝.
答案：(1) (2) (3)m＝
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章末过关检测(五)
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章末过关检测(五)
[学生用书P107(单独成册)]
(时间：60分钟，满分：100分)
一、单项选择题(本题共6小题，每小题6分，共36分．在每小题给出的四个选项中，只有一个选项正确．)
1．下列应用中不是利用了传感器的有( )
A．医疗和防疫需要一种快速、准确而又与被测者身体没有接触的体温测试仪
B．化工厂控制室内为了同时知道相距较远的若干个反应器中的温度所用的温度测试仪
C．所用的孵化器要在达到设定的温度时切断加热器的电源所用的控制电路
D．电烙铁通电后会发热
解析：选D.医疗和防疫需要一种快速、准确而又与被测者身体没有接触的体温测试仪，化工厂的控制室内为了同时知道相距较远的若干个反应器中的温度所用的温度测试仪，都是把温度这个热学量转换为电学量，所用的都是温度传感器，选项A、B正确；孵化器要在达到设定的温度时切断加热器的电源所用的控制电路，是把温度这个热学量转换为电路的通断，也是传感器，选项C正确；电烙铁通电会发热，是利用了电流的热效应，而不是把非电学量转换成电学量的传感器，选项D错误．
2．有一种在光照或温度升高时排气扇都能启动的自动控制装置，下列说法正确的是( )
A．两个传感器都是光电传感器
B．两个传感器分别是光电传感器和温度传感器
C．两个传感器可能分别是温度传感器、电容式传感器
D．只有光照和温度都适合时排气扇才能工作
解析：选B.题中提到有光照或温度升高时排气扇都能自动控制，由此可见两个传感器一个是光电传感器，一个是温度传感器，而且排气扇自动工作只需光照和温度一个条件满足即可，A、C、D错，B对．
3．关于测温仪，下列说法中正确的是( )
A．测温用的金属热电阻的阻值不能随温度的变化而变化
B．机场、车站用的测温仪能非常迅速地测出人的体温，它是利用了红外线敏感元件
C．热敏电阻的特点是随温度的升高而电阻变小
D．以上说法都不对
解析：选B.金属热电阻随温度的升高而阻值升高，NTC热敏电阻随温度升高而阻值减小，而PTC热敏电阻的阻值随温度的升高而增大，测温仪利用了红外线敏感元件，所以B正确．
4.如图所示是观察电阻阻值随温度变化情况的示意图，现在把杯中的水由冷水变为热水，关于欧姆表的读数变化情况正确的是(设水对电阻阻值的影响不计)( )
A．如果R为金属热电阻，读数变大，且变化非常明显
B．如果R为金属热电阻，读数变小，且变化不明显
C．如果R为热敏电阻(用半导体材料制成)，读数变化非常明显
D．如果R为热敏电阻(用半导体材料制成)，读数变化不明显
解析：选C.金属热电阻的阻值随温度的升高而增大，但灵敏度较差，而热敏电阻(用半导体材料制成)灵敏度高，所以选C.
5．楼道里，夜间只是偶尔有人经过，电灯总是亮着会浪费电能．科研人员利用光敏材料制成“光控开关”，天黑时自动闭合，天亮时自动断开；利用声敏材料制成“声控开关”，当有人走动发出声音时，自动闭合，无人走动时，自动断开．若将这两个开关配合使用，就可以使楼道变得“智能化”，这种“智能”电路正确的电路原理图是( )
解析：选D.需要同时满足题意的两个条件，则必须把光控开关和声控开关串联，故选项D正确．
6．如图为自动售货机投币系统．它可以自动识别硬币．以下关于自动售货机投币系统工作原理说法不正确的是( )
A．当硬币投入自动售货机的投币口时，硬币被挡住，暂时停止在A处，以便让机器测出电阻，如果电阻值在机器内计算机芯片所认可的范围内，支持物A下降，硬币沿斜面滚下
B．当硬币通过两块磁铁时，硬币内产生了涡流，从而受到安培力的作用，导致速度减小
C．当硬币通过磁铁后，传感器测出它的速度，并且与存储在计算机中的标准值比较，如果速度适当，开关B就打开，硬币被接受
D．当硬币通过磁铁后，传感器测出它的速度，并且与存储在计算机中的标准值比较，如果速度过快，开关B就打开，硬币被接受
解析：选D.当硬币投入自动售货机的投币口时，硬币被挡住，暂时停止在A处，以便让机器测出电阻．如果电阻值在机器内计算机芯片所认可的范围内，支持物A下降，硬币沿斜面滚下，当硬币通过两块磁铁时，硬币内产生了涡流，从而受到安培力的作用，导致速度减小，当硬币通过磁铁后，传感器测出它的速度，并且与存储在计算机中的标准值比较，如果速度适当，开关B就打开，硬币被接受，否则开关C打开，硬币进入拒绝通道．
二、多项选择题(本题共4小题，每小题6分，共24分．在每小题给出的四个选项中，有多个选项正确，全部选对的得6分，选对但不全的得3分，有选错或不答的得0分．)
7．如图甲所示，将一光敏电阻接在多用电表两表笔间，将多用电表的选择开关置于“×10”的欧姆挡，手掌挡住部分光线，表针指示如图乙所示，则( )
A．此时电阻值大约为22 Ω
B．此时电阻值大约为220 Ω
C．将手拿开，指针将向左偏转
D．将手拿开，指针将向右偏转
解析：选BD.由于多用电表的选择开关置于“×10”的欧姆挡，所以读数为220 Ω，而不是22 Ω，A错误，B正确；因光敏电阻的阻值随光强增大而减小，故手拿开后，光敏电阻的阻值变小，多用电表指针向右偏转，故C错误，D正确．
8.为了测量储罐中不导电液体的高度，将与储罐外壳绝缘的两块平行金属板构成的电容器C置于储罐中，电容器可通过开关S与线圈L或电源相连，如图所示．当开关从a拨到b时，由L与C构成的回路中产生周期T＝2π 的振荡电流．当罐中的液面上升时( )
A．电容器的电容减小
B．电容器的电容增大
C．LC回路的振荡频率减小
D．LC回路的振荡频率增大
解析：选BC.液面上升时，两板间的电介质变多，根据电容的决定式C＝知，电容器的电容C增大，选项B正确、A错误；根据振荡电流的周期T＝2π可知，周期变大，由f＝可知，频率变小，选项C正确、D错误．
9．传感器是把非电学量转换成电学量的一种元件．如图所示，乙、丙是两种常见的电容式传感器，现将乙、丙两种传感器分别接到图甲的电路中进行实验(电流从电流表正接线柱流入时指针向右偏)，下列实验现象中正确的是( )
A．将乙传感器接入电路中进行实验时，若F变小，则电流表指针向右偏转
B．将乙传感器接入电路中进行实验时，若F变大，则电流表指针向右偏转
C．将丙传感器接入电路中进行实验时，若导电溶液深度h变大，则电流表指针向左偏转
D．将丙传感器接入电路中进行实验时，若导电溶液深度h变小，则电流表指针向左偏转
解析：选BD.将乙传感器接入电路中进行实验时，若F变大，极板间距d变小，由C＝，知电容C变大，又根据Q＝CU，极板带电荷量Q变大，电容器充电，电流表中产生由正接线柱流入的电流，电流表指针向右偏转；若F变小，则指针向左偏，A错误，B正确．将丙传感器接入电路中进行实验时，若导电溶液深度h变大，则相当于两极板的正对面积S变大，由C＝，知电容C变大，则Q变大，指针向右偏，反之，h变小时，电流表指针向左偏，C错误，D正确．
10.在温控电路中，通过热敏电阻阻值随温度的变化可实现对电路相关物理量的控制．如图所示电路，R1为定值电阻，R2为半导体热敏电阻(温度越高电阻越小)，C为电容器．当环境温度降低时( )
A．电容器C的带电荷量增大
B．电压表的读数减小
C．电容器C两板间的电场强度减小
D．R1消耗的功率减小
解析：选AD.温度降低时，R2电阻增大，由I＝知，I减小，内电压与R1两端电压减小，R2两端电压增大，所以电容器带电荷量增大，电容器两极板间电场强度增大，A正确，C错误．由于内电压减小，所以路端电压增大，B错误．由于电流减小，所以R1消耗的功率减小，D正确．
三、非选择题(本题共3小题，共40分．解答应写出必要的文字说明、方程式和重要的演算步骤，只写出最后答案的不能得分，有数值计算的题，答案中必须明确写出数值和单位．)
11．(12分)某实验小组探究一种热敏电阻的温度特性．现有器材：恒流电源(在正常工作状态下输出的电流恒定)、电压表、待测热敏电阻、保温容器、温度计、开关和导线等．
(1)若用上述器材测量热敏电阻的阻值随温度变化的特性，请你在实物图上连线．
(2)实验的主要步骤：
①正确连接电路，在保温容器中注入适量冷水，接通电源，调节并记录电源输出的电流值；
②在保温容器中添加少量热水，待温度稳定后，闭合开关，________________，________________，断开开关；
③重复第②步操作若干次，测得多组数据．
(3)实验小组算得该热敏电阻在不同温度下的阻值，并据此绘得R－t关系图线如图所示，请根据图线写出该热敏电阻的R－t关系式：R＝____＋____t(Ω)(保留3位有效数字)．
解析：改变温度后，热敏电阻阻值改变，电压表示数改变，从图线知R与t成线性关系，且纵轴上截距(当t＝0 ℃时)R＝100 Ω.斜率为＝0.400，所以R＝100＋0.400t(Ω)．
答案：(1)如图所示
(2)②记录温度计示数 记录电压表示数
(3)100 0.400
12．(13分)在航天事业中要用角速度计测得航天器的自转角速度ω，结构如图所示，当系统绕轴OO′转动时，元件A在光滑杆上发生滑动，并输出电信号，成为航天器的制导信号源，已知A质量为m，弹簧的劲度系数为k，原长为l0，电源电动势为E，内阻不计，滑动变阻器总长为l，电阻分布均匀，系统静止时滑动变阻器触头P在中点，与固定接头Q正对，当系统以角速度ω转动时，求：
(1)弹簧形变量x与ω的关系式；
(2)电压表示数U与角速度ω的关系式．
解析：(1)由圆周运动规律知kx＝mω2R＝mω2(l0＋x)
即kx－mω2x＝mω2l0
所以x＝.
(2)由串联电路的规律知U＝E＝.
答案：(1)x＝ (2)U＝
13.(15分)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(传感器可看作一个纯电阻)，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＝eq \f(U,P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
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