高中物理粤教版选修3-2作业题 第三章 章末复习课

章末复习课
【知识体系】
传感器
[答案填写]　①变换或转换　②敏感元件　③转换元件　④热敏电阻　⑤光敏电阻
主题1　常见敏感元件的特点
1．光敏电阻．
光敏电阻由金属硫化物等半导体材料制成，其电阻率对光非常敏感．光敏电阻的阻值与所受光照的强度有关，光照增强阻值减小，光照减弱阻值增大．
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．
热敏电阻是由半导体材料制成的，其电阻率对温度非常敏感．热敏电阻有正温度系数和负温度系数两种．正温度系数热敏电阻的阻值随温度升高而增大，负温度系数热敏电阻的阻值随温度升高而减小．
4．电容器．
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，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．
5．霍尔元件．
能够把磁感应强度这个磁学量转换成电压这个电学量．
【典例1】　如图是一火警报警器的部分电路示意图．其中R2为用半导体负温度系数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变大，U变小
C．I变小，U变大 D．I变小，U变小
解析：R2所在处出现火情时，温度升高，则R2的阻值减小．R2减小→R总减小→I干增大→U1增大→U3减小→I减小，故显示器的电流I变小，由U＝E－I干r，I干变大，知U变小，故选项D正确．
答案：D
针对训练
1．如图所示，电源两端的电压恒定，L为小灯泡，R为光敏电阻，D为发光二极管(电流越大，发光越强)，且R与D距离不变，下列说法中正确的是(　　)
A．当滑动触头向左移动时，L消耗的功率增大
B．当滑动触头向左移动时，L消耗的功率减小
C．当滑动触头向右移动时，L消耗的功率可能不变
D．无论怎样移动滑动触头，L消耗的功率都不变
解析：电源电压恒定，也就是说，并联电路两端的电压恒定，当滑动触头向左移动时，发光二极管发光变强，光敏电阻的电阻变小，所以电流变大，则L的功率变大．
答案：A
主题2　传感器在实际问题中的应用
1．传感器是以一定的精度和规律，将所感受到的物理量(如力、热、磁、光、声等)转换成便于测量的量(一般是电学量)的一类元件．
2．传感器的应用过程包括三个环节：感、传、用．
(1)“感”是指传感器的敏感元件感受信息．
(2)“传”是指通过电路等将传感器敏感元件获取的信息传给执行机构．
(3)“用”是指执行机构利用传感器传来的信息进行某种显示或某种动作．
3．传感器电路问题的处理思路．
处理与传感器有关的电路设计问题时，可将整个电路分解为：
(1)传感器所在的信息采集部分．
(2)转化传输部分(这部分电路往往与直流电路的动态分析有关)．
(3)执行电路部分．
【典例2】　气体传感器利用物质的化学反应将某种气体的浓度转换成电信号并输出，如图所示，B为将可燃气体或有毒气体(如CO、CH4、瓦斯、煤气等)浓度转换为电信号的传感器，俗称电子鼻．当有毒气体浓度大时，其电阻变小．根据如下材料：电源电压U＝220 V，M为排风扇，G为继电器，A为控制电源，S为控制开关，请设计一个家用自动排烟电路，并在图中完成连线图．
解析：电磁继电器起开关作用，所以电池组、开关和电磁继电器应组成一个电路，另一个是由排风扇和高压电源组成的电路．
答案：如图所示
针对训练
2．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分别为触头开关，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)．
答案：(1)如图所示
(2)按图接好电路，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，吸下衔铁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，控制电路停止工作，F无磁性，D拉动E，使S2接通，M工作．
统揽考情
随着科学技术的发展，传感器在社会实践中应用越来越广泛，它是各种测量和自动控制系统的“感觉器官”．新课标增加了传感器的内容，在新高考中一定会有所体现，但所占比例不会太大，且都在“了解”的水平上，不会出现太复杂且有难度的题目，更不会涉及大量的技术细节；命题形式一般以选择题或填空题为主，也可能与其他知识综合出题．
真题例析
(2018·全国卷Ⅰ)某实验小组利用如图甲所示的电路探究在25～80 ℃范围内某热敏电阻的温度特性．所用器材有：置于温控室(图中虚线区域)中的热敏电阻RT，其标称值(25 ℃时的阻值)为900.0 Ω；电源E(6 V，内阻可忽略)；电压表(量程150 mV)；定值电阻R0(阻值20.0 Ω)，滑动变阻器R1(最大阻值为1 000 Ω)；电阻箱R2(阻值范围0～999.9 Ω)；单刀开关S1，单刀双掷开关S2.
实验时，先按图甲连接好电路，再将温控室的温度t升至80.0 ℃.将S2与1端接通，闭合S1，调节R1的滑片位置，使电压表读数为某一值U0；保持R1的滑片位置不变，将R2置于最大值，将S2与2端接通，调节R2，使电压表读数仍为U0；断开S1，记下此时R2的读数．逐步降低温控室的温度t，得到相应温度下R2的阻值，直至温度降到25.0 ℃.实验得到的R2?t数据见下表.
t/℃ 25.0 30.0 40.0 50.0 60.0 70.0 80.0
R2/Ω 900.0 680.0 500.0 390.0 320.0 270.0 240.0
回答下列问题：
(1)在闭合S1前，图甲中R1的滑片应移动到________(填“a”或“b”)端．
(2)在图乙的坐标纸上补齐数据表中所给数据点，并作出R2t曲线．
图乙
图丙
(3)由图乙可得到RT在25～80 ℃范围内的温度特性．当t＝44.0 ℃时，可得RT＝________Ω.
(4)将RT握于手心，手心温度下R2的相应读数如图丙所示，该读数为________Ω，则手心温度为________ ℃.
解析：本题主要考查研究小灯泡的伏安特性实验、利用伏安特性曲线计算实际功率及其相关的知识点，意在考查考生对小灯泡伏安特性曲线的理解和灵活运用相关知识，解决实际问题的能力．
(1)图甲的电路滑动变阻器采用限流接法，在闭合S1前，R1应该调节到接入电路部分的电阻值最大，使电路中电流最小，即图甲中的R1的滑片应移到b端．
(2)将t＝60 ℃和t＝70 ℃对应的两组数据对应画在坐标图上，然后用平滑曲线过尽可能多的数据点画出R2-t图象．
(3)根据题述实验过程可知，测量的R2数据等于对应的热敏电阻RT的电阻值．由画出的R2-t图象可知，当t＝44.0 ℃时，对应的RT＝460 Ω.
(4)由画出的R2?t图象可知，当RT＝620.0 Ω，则手心温度t＝33.0 ℃.
答案：(1)b
(2)如图所示
(3)450.0　(4)620.0　33.0
针对训练
如图a是用电流传感器(相当于电流表，其电阻可以忽略不计)研究自感现象的实验电路，图中两个电阻的阻值均为R，L是一个自感系数足够大的自感线圈，其直流电阻值也为R.图b是某同学画出的在t0时刻开关S由闭合变为断开，通过传感器的电流随时间变化的图象．关于这些图象，下列说法中正确的是(　　)
A．图甲是通过传感器1的电流随时间变化的情况
B．图乙是通过传感器1的电流随时间变化的情况
C．图丙是通过传感器2的电流随时间变化的情况
D．图丁是通过传感器2的电流随时间变化的情况
解析：开关S由闭合变为断开，传感器1中的电流立刻变为零，如图丁；传感器2中的电流由于线圈的自感作用，电流反向并逐渐减小，C正确，A、B、D错误．
答案：C
1．(2016·全国卷Ⅰ)现要组装一个由热敏电阻控制的报警系统，当要求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的升高而减小，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)在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．
解析：(1)根据题意可知，本实验要求能用电阻箱进行校准，故电阻箱应与热敏电阻并联，利用单刀双掷开关进行控制；它们再与报警器和滑动变阻器串联即可起到报警作用；
(2)电压为18 V，而报警时的电流为10 mA，此时电阻约为：R＝ Ω＝1 800 Ω，而热敏电阻的阻值约为650 Ω，故滑动变阻器接入电阻约为1 150 Ω，故应选择R2；(3)①因要求热敏电阻达到60 ℃时报警，此时电阻为650 Ω，故应将电阻箱调节至650 Ω，然后由最大调节滑动变阻器，直至报警器报警，故开始时滑片应在b端；目的是让电流由小到大调节，保证报警器的安全使用；②将开关接到c端与电阻箱连接，调节滑动变阻器直至报警器开始报警即可；然后再接入热敏电阻，电路即可正常工作．
答案：(1)如图所示
(2)R2　(3)①650.0　b　保证报警器的安全使用
②c　报警器开始报警
2．(多选)美国科学家Willard S．Boyle与George E．Smith 因电荷耦合器件(CCD)的重要发明荣获2009年度诺贝尔物理学奖．CCD是将光学量转变成电学量的传感器．下列器件可作为传感器的有(　　)
A．发光二极管　　　 B．热敏电阻
C．霍尔元件 D．干电池
解析：热敏电阻的阻值随温度的变化而变化，可以把温度转化为电学量，而霍尔元件可以把磁场的磁感应强度转化为电学量，热敏电阻和霍尔元件可作为传感器，B、C正确．
答案：BC
3．(多选)如图所示为握力器原理示意图，握力器把手上的连杆与弹簧一起上下移动，握力的大小可通过一定的换算关系由电流表的示数获得．当人紧握握力器时，如果握力越大，下列判断正确的有(　　)
A．电路中电阻越大　 B．电路中电阻越小
C．电路中电流越小 D．电路中电流越大
解析：由题图可知，握力越大，变阻器接入电路的电阻越小，外电路的总电阻越小，故A错误，B正确；根据闭合电路欧姆定律可知，电路中电流越大．故C错误，D正确．
答案：BD
4．(2017·江苏卷)某同学通过实验制作一个简易的温控装置，实验原理电路图如图甲所示，继电器与热敏电阻Rt、滑动变阻器R串联接在电源E两端，当继电器的电流超过15 mA时，衔铁被吸合，加热器停止加热，实现温控．继电器的电阻约20 Ω，热敏电阻的阻值Rt与温度t的关系如下表所示.
t/℃ 30.0 40.0 50.0 60.0 70.0 80.0
Rt/Ω 199.5 145.4 108.1 81.8 62.9 49.1
(1)提供的实验器材有：电源E1(3 V，内阻不计)、电源E2(6 V，内阻不计)、滑动变阻器R1(0～200 Ω)、滑动变阻器R2(0～500 Ω)、热敏电阻Rt、继电器、电阻箱(0～999.9 Ω)、开关S、导线若干．
为使该装置实现对30～80 ℃之间任一温度的控制，电源E应选用________(选填“E1”或“E2”)，滑动变阻器R应选用________(选填“R1”或“R2”)．
(2)实验发现电路不工作．某同学为排查电路故障，用多用电表测量各接点间的电压，则应将如图乙所示的选择开关旋至________(选填“A”“B”“C”或“D”)．
(3)合上开关S，用调节好的多用电表进行排查．在图甲中，若只有b、c间断路，则应发现表笔接入a、b时指针____________(选填“偏转”或“不偏转”)，接入a、c时指针________(选填“偏转”或“不偏转”)．
(4)排除故障后，欲使衔铁在热敏电阻为50 ℃时被吸合，下列操作步骤的正确顺序是________(填写各步骤前的序号)．
①将热敏电阻接入电路
②观察到继电器的衔铁被吸合
③断开开关，将电阻箱从电路中移除
④合上开关，调节滑动变阻器的阻值
⑤断开开关，用电阻箱替换热敏电阻，将阻值调至108.1 Ω
解析：(1)如果电源用E1，则在t＝30 ℃时电路中的最大电流Im＝ A≈13.67 mA<15 mA，故不能实现对此温度的控制，因此电源应选用E2；为了在t＝80 ℃时实现对温度的控制，设滑动变阻器阻值的最大值至少为R′，则＝0.015 A，解得R′＝330.9 Ω，因此滑动变阻器应选用R2.
(2)要用多用电表的直流电压挡检测故障，应将选择开关旋至C.
(3)如果只有b、c间断路，说明b点与电源的负极间没有形成通路，a、b间的电压为零，表笔接在a、b间时，指针不偏转；c点与电源的负极间形成通路，a与电源的正极相通，a、c间有电压，因此两表笔接入a、c间时指针发生偏转．
(4)排除故障后，欲使衔铁在热敏电阻为50 ℃时被吸合，应先断开开关，用电阻箱替换热敏电阻，并将阻值调至108.1 Ω，合上开关，调节滑动变阻器的阻值，直至观察到继电器的衔铁被吸合，这时断开开关，将电阻箱从电路中移除，将热敏电阻接入电路．因此操作步骤的正确顺序是⑤④②③①.
答案：(1)E2　R2　(2)C　(3)不偏转　偏转　(4)⑤④②③①
5．有一种测量物体重量的电子秤，其电路主要由三部分构成：踏板、压力传感器R(实际上是一个阻值可随压力变化的电阻器)、显示体重的仪表G(实质上是电流表)，原理图如图中的虚线所示，不计踏板的质量．已知电流表的量程为2 A，内阻为1 Ω，电源电动势为12 V，内阻为1 Ω，电阻R随压力F变化的函数式为R＝30－0.01F(F和R的单位分别为N和Ω)．
(1)求该秤能测量的最大体重；
(2)通过计算，得出该秤零刻度线(即踏板空载时的刻度线)应标在电流表G刻度盘的哪个刻度处？
(3)写出该秤测量的重力与电流表中电流的函数关系．
解析：(1)由电流表量程可知电路中最大电流为2 A，
由闭合电路欧姆定律E＝I(R＋r＋rg)，可解得压力传感器R的最小值为4 Ω，
由电阻R随压力F的变化的函数式为R＝30－0.01F，可得压力最大值F＝2 600 N，
即该秤能测量的最大体重为2 600 N.
(2)踏板空载时，F＝0，R＝30 Ω.
由闭合电路欧姆定律得：E＝I(R＋r＋rg)，
可解得I＝0.375 A，
即该秤零刻度线应标在电流表G刻度盘的0.375 A刻度处．
(3)由E＝I(R＋r＋rg)和R＝30－0.01F，可得
E＝I(30－0.01F＋r＋rg)，
将电动势E＝12 V、内阻r＝1 Ω、电流表内阻rg＝1 Ω代入，得F＝3 200－.
答案：(1)2 600 N　(2)0.375 A　(3)F＝3 200－