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课时素养评价
十六 认识传感器 常见传感器的工作原理及应用
(25分钟·60分)
一、选择题(本题共6小题,每题8分,共48分)
1.如图所示,在电路中接一段铜丝,闭合开关,灯泡正常发光,当用酒精灯给铜丝加热时灯泡亮度明显变暗,根据铜丝的上述特性,可用铜丝来制作一个温度传感器,下面的说法中不正确的是
( )
A.该传感器利用了铜丝的物理性质
B.该传感器利用了铜丝电阻随温度变化而变化的特性
C.该传感器能够把热学量(温度)转换为电学量(电阻)
D.该传感器能够把电学量(电阻)转换为热学量(温度)
【解析】选D。由题目中的实验现象可知,铜丝的电阻随温度的升高而增大,随温度的降低而减小,利用该特性可以制成温度传感器,传感器能够把温度这个热学量转换为电阻这个电学量,故A、B、C正确,D错误。
【补偿训练】
下列关于传感器说法正确的是
( )
A.干簧管接入电路中相当于电阻的作用
B.霍尔元件能够把磁学量(如磁感应强度)转化为电学量(如电压)
C.光敏电阻随光照强度增加电阻增大
D.热敏电阻的阻值随温度的升高而升高
【解析】选B。干簧管接入电路中相当于开关的作用,所以A错误;霍尔元件将磁学量转化为电学量,所以B正确;光敏电阻随光照强度增加电阻减小,所以C错误;热敏电阻的阻值随温度的升高而减小,所以D错误。
2.某楼梯口的电灯开关装有传感器,天黑时,出现声音才能发光,而白天即使有声音,电灯也不能发光,该开关中有两种传感器,它们可能是
( )
A.热敏电阻和光敏电阻
B.金属热电阻和光敏电阻
C.热敏电阻和霍尔元件
D.光敏电阻和驻极体话筒
【解析】选D。两种传感器分别把声音信号转换为电信号、把光信号转换为电信号,所以选项D正确。
3.如图是智能称重地磅,它使用方便快捷、计量精度高、反应速度灵敏、移动方便,这种地磅安装了应变式力传感器,下列关于应变式力传感器的说法不正确的是
( )
A.应变片是由半导体材料制成
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】选C。应变片多用半导体材料制成,故选项A正确;当应变片拉伸时,其电阻变大,故选项B正确;传感器输出的是上、下两应变片上的电压差值,并且随着外力的增大,输出的电压差值也就越大,故C错误,D正确。本题选错误的,故选C。
4.如图所示的电路中,电源两端的电压恒定,L为小灯泡,R为光敏电阻,LED为发光二极管(电流越大,发出的光越强),且R与LED间距不变,下列说法中正确的是
( )
A.当滑动触头P向左移动时,L消耗的功率增大
B.当滑动触头P向左移动时,L消耗的功率减小
C.当滑动触头P向右移动时,L消耗的功率可能不变
D.无论怎样移动触头P,L消耗的功率都不变
【解析】选A。从图中可知,当P向左滑动时,滑动变阻器连入电路的电阻减小,由于电源两端的电压恒定,即两并联支路的电压恒定,所以有二极管支路的总电阻减小,故通过二极管的电流增加,光照强度增加,从而导致光敏电阻上的光照增强,光敏电阻的阻值R减小,所以根据公式UL=RL=,灯泡两端的电压增加,故再根据公式P=可得L消耗的功率增加,A正确,B错误;当P向右滑动时,滑动变阻器连入电路的电阻增加,由于电源两端的电压恒定,即两并联支路的电压恒定,所以有二极管支路的总电阻增加,故通过二极管的电流减小,光照强度减小,从而导致光敏电阻上的光照减弱,光敏电阻的阻值R增加,所灯泡两端的电压减小,可得L消耗的功率减小,C、D错误。
5.如图所示,M是一小型理想变压器,接线柱a、b接在电压u=311sin
134t(V)的正弦交流电源上,变压器右侧部分为一火警报警系统原理图,其中R2为用半导体热敏材料制成的传感器,电流表A2为值班室的显示器,显示通过R1的电流,电压表V2显示加在报警器上的电压(报警器未画出),R3为一定值电阻,当传感器R2所在处出现火情时,以下说法中正确的是
( )
A.A1的示数不变,A2的示数增大
B.A1的示数增大,A2的示数增大
C.V1的示数增大,V2的示数增大
D.V1的示数不变,V2的示数减小
【解析】选D。当传感器R2所在处出现火情时,R2的电阻减小,导致电路的总电阻减小,所以电路中的总电流将会增大,A1测量的是原线圈中的总的电流,由于副线圈的电流增大了,所以原线圈的电流A1示数也要增大;由于电源的电压不变,原副线圈的电压也不变,所以V1的示数不变,由于副线圈中电流增大,R3的电压变大,所以V2的示数要减小,即R1的电压也要减小,所以A2的示数要减小,A、B、C错误,D正确。
6.抗击新型冠状病毒期间,由于无法外出,某同学在家利用所学物理知识设计能显示拉力大小的电子健身器材,如图所示是原理图。轻质弹簧右端和金属滑片P固定在一起(弹簧的电阻不计,P与R1间的摩擦不计),弹簧劲度系数为100
N/cm。定值电阻R0=5
Ω,ab是一根长为5
cm的均匀电阻丝,阻值R1=25
Ω,电源输出电压恒为U=3
V,理想电流表的量程为0～0.6
A。当拉环不受力时,滑片P位于a端。下列关于这个电路的说法正确的是
( )
A.当拉环不受力时,闭合开关后电流表的读数为0
A
B.当拉力为400
N时,电流表指针指在0.3
A处
C.当拉力为400
N时,电流表指针指在0.5
A处
D.该健身器材能测量力的范围是0～400
N
【解析】选B。当拉环不受力时,滑片P在a端,由欧姆定律得,I==0.1
A,故选项A错误;拉力为400
N时,由F=kΔx,则Δx=4
cm,对应的电阻为RaP=20
Ω,R1接入电路的电阻RPb=5
Ω,由欧姆定律得,I′==0.3
A,故选项B正确,C错误;在P移动到b点时Δx′=5
cm,由F=kΔx,拉力最大,F=500
N,故选项D错误。
【总结提升】力学传感器的分析方法
(1)清楚力学传感器的工作原理,明确装置是如何将力这个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。
二、非选择题(12分。要有必要的文字说明和解题步骤,有数值计算的要标明单位)
7.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,弹簧端点始终紧密连接物体。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
N(g取10
m/s2)。
(1)若传感器a的示数为14
N,传感器b的示数为6
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)左侧弹簧对滑块向右的推力F1=14
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,
所以a1==
m/s2=4
m/s2,a1与F1同方向,即向前(向右)。
(2)传感器a的读数恰为零,则左侧弹簧的弹力F1′=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F2′=-20
N。滑块所受合力产生加速度,由牛顿第二定律得F合=F2′=ma2,所以a2==-10
m/s2,负号表示方向向后(向左)。
答案:(1)4
m/s2 向右
(2)大小为10
m/s2,方向向左
(15分钟·40分)
8.(8分)(多选)某仪器内部的电路如图所示,其中M是一个质量较大的金属块,左右两端分别与金属丝制作的弹簧相连,并套在光滑水平细杆上,当金属块处于平衡时两根弹簧均处于原长状态,此时两灯均不亮。若将该仪器固定在一辆汽车上,则下列说法正确的是
( )
A.当汽车加速前进时,甲灯亮
B.当汽车加速前进时,乙灯亮
C.当汽车刹车时,甲灯亮
D.当汽车刹车时,乙灯亮
【解析】选B、C。汽车加速前进时,M与左边触点接触,乙灯亮,所以B正确;当汽车刹车时,M与右边触点接触,甲灯亮,所以C正确。
9.(8分)(多选)如图甲所示是利用硫化镉制成的光敏电阻自动计数的示意图,其中A是发光仪器,B是光敏电阻(光照时电阻会变小),电源的内阻较大,电压表记录数据传给控制器。成品包装车间的光传感记录器输出一个电信号,并在屏幕上显示出电信号与时间的关系,如图乙所示。若传送带始终匀速运动,每两个工件间的距离为0.2
m,则下述说法正确的是
( )
A.传送带运动的速度是0.1
m/s
B.传送带运动的速度是0.2
m/s
C.该传送带每小时输送3
600个工件
D.该传送带每小时输送7
200个工件
【解析】选B、C。有工件通过时,挡住A射向光传感器B的光,B的电阻增大,输出一个高电压,故知两相邻工件通过时间t=1
s,传送带的速度v=
m/s=0.2
m/s。每小时传送工件3
600个。
10.(8分)(多选)如图所示是一种自动控制水温的装置,P、Q是加热电路的两个触头,M、N是热敏电阻的两个触头,则下列说法正确的是
( )
A.P、Q应接在a、b之间
B.P、Q应接在c、d之间
C.M、N应接在e、f之间
D.M、N应接在c、d之间
【解析】选A、C。P、Q应该分别接在触头a、b之间,同时,M、N应该分别接e、f。其工作原理是当水温升高时,热敏电阻阻值减小,电磁铁中电流增大,吸引力增大,使衔铁被吸下,a、b断开,使加热装置停止加热;当水温降低到一定程度时,热敏电阻温度减小,电磁铁中电流减小,吸引力减小,衔铁被弹簧拉上去,使a、b之间连接,加热装置开始加热,从而实现控制水温,故A、C正确。
【补偿训练】
(多选)如图是某电子秤的原理图,人只要站在踏板上,仪表G就能显示人的体重,踏板下面的传感器R实质是一个阻值可随压力大小而变化的电阻,显示体重的仪表G实质是理想电流表,如果不计踏板的质量,电阻R随人的体重G变化的函数关系式为R=a-kG(a、k是常量,G和R的单位分别是N和Ω),下列说法正确的是
( )
A.传感器R是一个力电传感器
B.闭合电路测量时,电路中的电流随人的体重均匀变化
C.该秤零刻度线(即踏板空载时的刻度线)应标在电流表G刻度盘的零刻度处
D.如果要扩大电子秤的量程,滑动变阻器R′接入电路中的电阻应调大
【解析】选A、D。根据闭合电路欧姆定律列式得到电流的表达式和量程的表达式进行讨论即可,R是将压力信号换成电信号的传感器,即力电传感器,故A正确;闭合电路测量时,电路中的电流:I=,显然与人的体重不成线性关系,故B错误;当重力为零时,电流最小,但不为零,故C错误;由Ig=可知,kGm=a+r+R′-,因此变阻器接入电路中的电阻调大,可以测量的人的最大体重增大,故D正确。
11.(16分)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离A的距离x1。
(2)托盘上放有质量为m的物体时,P1离A的距离x2。
(3)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。
【解题指南】解答本题应注意两点:
(1)托盘的移动带动P1移动,使P1、P2间出现电势差。
(2)电势差的大小反映了托盘向下移动距离的大小,由于R为均匀的滑线电阻,则其阻值与长度成正比。
【解析】
(1)由力的平衡知识知:m0g=kx1,
解得x1=。
(2)放上重物重新平衡后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:U=IR串
由题图知=
其中x为P1、P2间的距离,则x=x2-x1=
联立解得m=U。
答案:(1) (2) (3)m=U
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第五章 传 感 器
1.认识传感器
2.常见传感器的工作原理及应用
必备知识·素养奠基
一、神奇的传感器
【思考】
当我们进入宾馆的大门时,门自动开启,当我们通过后,门自动关闭。这是为什么?
提示:红外线传感器探测到有人进入时,将脉冲信号传给主控器,主控器判断后通知马达运行,使门扇开启。门扇开启后由控制器做出判断,如需关门,通知马达做反向运动,关闭门扇。
1.传感器:能够感受诸如力、温度、光、声、化学成分等_______,并能把它们
按照一定的规律转换为便于传送和处理的_________输出的一类器件或装置。
2.非电学量转换为电学量的意义:
把_________转换成电压、电流等电学量,或转换为电路的_____,可以很方便
地进行测量、传输、处理和_____。
被测量
可用信号
非电学量
通断
控制
二、传感器的种类
1.根据物质的物理特性或物理效应制作而成,如力传感器、磁传感器、声传感
器等物理传感器。
2.利用电化学反应原理,把无机或有机化学物质的成分、浓度等转换为_____
___,如离子传感器、气体传感器等化学传感器。
3.利用生物活性物质的选择性来识别和测定生物化学物质,如酶传感器、微生
物传感器、细胞传感器等生物传感器。
电信
号
三、传感器的组成与应用模式
1.传感器的基本部分由_________、_________组成。
2.传感器原理:传感器感受的通常是
_________,如压力、温度、位移、浓
度、速度、酸碱度等,而它输出的通常是_______,如电压值、电流值、电荷量
等,这些输出信号是非常微弱的,通常要经过_____后,再送给控制系统产生各
种控制动作。
敏感元件
转换元件
非电学量
电学量
放大
3.传感器的两个重要概念:
(1)敏感元件:是指能直接感受或响应外界被测_________的部分,执行_____的
功能。
(2)转换元件是指能将敏感元件输出的信号直接转换成电信号的部分,完成
_____基本功能。
(3)如果敏感元件直接输出的是电学量,它就同时兼为_________。这种敏感元
件和转换元件二者合一的传感器是很多的。例如,_______、压电晶体等都是
这种形式的传感器。
非电学量
检测
转换
转换元件
热电偶
4.传感器应用的一般模式:
四、光敏电阻
1.组成:把_______涂敷在绝缘板上,在其表面再用银浆涂敷两个互不相连的梳
状电极,这样就制成了一个光敏电阻。
2.光敏电阻的特性:光敏电阻在暗环境,电阻很___;光敏电阻在强光照射下,电
阻很___。
3.光敏电阻在被光照射时电阻发生变化的原理:
硫化镉是一种半导体材料,无光照时,_______极少,导电性能___;随着光照的增
强,_______增多,导电性变___。
4.光敏电阻的作用:把光照强弱这个光学量转换为_____这个电学量。
硫化镉
大
小
载流子
载流子
好
电阻
差
五、金属热电阻和热敏电阻
【思考】随着温度的升高由某种材料制作的电阻一定增加吗?
提示:不一定,金属丝的电阻随温度的升高而增加;某些半导体材料制作的电阻随温度的增加而降低。
1.常见的感知温度的敏感元件。
(1)金属的电阻率随温度的_____而增大,用金属丝可以制作温度传感器,称为
_______。
(2)有些半导体在温度升高时,电阻减少,用半导体材料制作_____电阻。
2.热敏电阻和金属热电阻的比较:
(1)金属热电阻和热敏电阻都能够把温度这个热学量转换为_____这个电学
量。
(2)金属热电阻化学稳定性好,测温范围___,但灵敏度较___;热敏电阻灵敏度
较___。
升高
热电阻
热敏
电阻
大
差
好
六、电阻应变片
1.电阻应变效应:
金属导体在外力作用下发生_________(伸长或缩短)时,其
_____随着它所受机械形变的变化而发生变化的现象。电阻应变片是一种
_____元件。
2.电阻应变片的原理:当金属丝受到拉力时,长度变___、横截面积变___,导致
电阻变___;当金属丝受到压力时,长度变___、横截面积变___,导致电阻
变___。
3.电阻应变片能够把_________这个力学量转换为电阻这个电学量。应用有
_______。
机械形变
电阻
力敏
长
小
大
大
小
物体形变
电子秤
短
4.力传感器和电容式传感器:
(1)力传感器:可以测量重力,也可测量其他各种力,如汽车和卷扬机的牵引力等。
(2)电容式传感器:电容器的电容C取决于极板的正对面积S、极板间的距离d以及极板间的电介质这三个因素。如果某个物理量的变化能引起上述某个因素的变化,从而引起电容的变化,那么,通过测定电容器的电容就可以确定这个物理量的变化,由此可以制成电容式传感器。
关键能力·素养形成
一 对传感器的认识
1.传感器的组成和工作流程:
(1)传感器的组成。
①敏感元件:相当于人的感觉器官,是传感器的核心部分,是利用材料的某种敏感效应(如热敏、光敏、压敏、力敏、湿敏等)制成的。
②转换元件:将敏感元件输出的与被测物理量成一定关系的非电信号转换成电信号的电子元件。
③转换电路:将转换元件输出的不易测量的电学量转换成易于测量的电学量,如电压、电流、电阻等电学量或电路的通断等。
(2)传感器的工作流程。
2.传感器的原理:传感器感受的通常是非电学量,如力、温度、位移、浓度、速度、酸碱度等,而输出的通常是电学量,如电压、电流、电荷量等。这些输出的信号是非常微弱的,通常需要经过放大后,再传送给控制系统产生各种控制动作。
3.传感器的作用:能像人的感觉器官那样感受外界信息,并能按照一定的规律和要求,把这些信息转换成可用的输出信息的器件和装置,叫作传感器。传感器是各种测量和自动控制系统的“感觉器官”。
4.分类:
(1)按传感器所测量物理量分为:位移、力、速度、温度、流量、气体成分等传感器。
(2)按传感器工作原理分为:压电、电容、电感、磁电、光电、热电等传感器。
【思考·讨论】
干簧管结构如图甲所示,它是在玻璃管内封入的两个软磁性材料制成的簧片,接入图乙电路,当磁铁靠近干簧管时。
(1)观察到什么现象?
(物理观念)
提示:磁铁靠近干簧管时,灯泡就会发光;把磁铁移走,灯泡熄灭。
(2)干簧管的原理是什么?
(科学思维)
提示:干簧管的两个簧片在外加磁场的作用下被磁化成相反磁性的磁极而连通,没有外加磁场时两簧片失去磁性而分开。
(3)干簧管的作用是什么?
(物理观念)
提示:干簧管将盒子周围磁场的有无转化为电路的通断,干簧管在电路中的作用相当于自动开关。
【典例示范】
某电容式话筒的原理示意图如图所示,E为电源,R为电阻,薄片P和Q为两金属极板。对着话筒说话时,P振动而Q可视为不动,在P向左运动的过程中
( )
A.P、Q构成的电容器的电容增大
B.P上电荷量保持不变
C.M点的电势比N点的低
D.M点的电势比N点的高
【解题探究】
如图所示的电容式话筒是怎样利用改变电容器电容实现把声音的变化转换为电信号的?
提示:话筒的振动膜前面有薄薄的金属层,膜后距膜几十微米处有一金属板,振动膜上的金属层和这个金属板构成电容器的两极,在两极间加一电压U,人对着话筒说话时,振动膜前后振动,使电容发生变化,声音信号被话筒转化为电信号。
【解析】选D。当P向左运动时,据平行板电容器公式C=
知d增加,则C变小,
选项A错误;稳定后电容器两极板间的电压不变,则据Q=CU知C减少,U不变,则Q减
少,选项B错误;电容器两极板的电荷量减少,产生放电电流,方向从M→N,因此M
点的电势比N点的电势高,D正确,C错误。
【规律方法】分析传感器时要明确的问题
(1)核心元件是什么;
(2)是怎样将非电学量转化为电学量的;
(3)是如何显示或控制开关的。
【素养训练】
1.传感器广泛应用在我们的生产生活中,常用的计算机键盘就是一种传感器。
如图所示,键盘上每一个键的下面都连有一小金属片,与该金属片隔有一定空气
间隙的是另一小的固定金属片,这两个金属片组成一个小电容器,当键被按下时,
此小电容器的电容发生变化,与之相连的电子线路就能够检测出哪个键被按下,
从而给出相应的信号。这种计算机键盘使用的是( )
A.温度传感器 B.压力传感器
C.磁传感器
D.光传感器
【解析】选B。小金属片被按下时,作用的压力不一样,小金属片下移的距离不同,两个极板之间的距离不同,电容就不同,即将压力这个力学量转换为电容这个电学量,所以计算机键盘使用的是压力传感器,选项B正确,选项A、C、D错误。
2.压敏电阻的阻值随所受压力的增大而减小,有位同学利用压敏电阻设计了判断小车运动状态的装置,其工作原理如图甲所示,将压敏电阻和一块挡板固定在绝缘小车上,中间放置一个绝缘重球。小车向右做直线运动过程中,电流表示数的变化规律如图乙所示,下列判断正确的是
( )
A.从0到t1时间内,小车做匀速直线运动
B.从t1到t2时间内,小车做匀加速直线运动
C.从t2到t3时间内,小车做匀减速直线运动
D.从t2到t3时间内,小车做匀加速直线运动
【解析】选D。在0～t1内,电流I恒定,压敏电阻阻值不变,由小球的受力不变可知,小车可能做匀速或匀加速直线运动;在t1～t2内,电流I变大,压敏电阻阻值变小,压力变大,小车做变加速运动,选项A、B错误;在t2～t3内,电流I不变,压力恒定,小车做匀加速直线运动,选项C错误,选项D正确。
【补偿训练】
如图是一种测定油箱油量的装置。其中电源电压保持不变,R是滑动变阻器,它的金属滑片是金属杆的一端。在装置中使用了一只电压表(图中没有画出),通过观察电压表示数,可以了解油量情况,你认为电压表应该接在图中的________(选填“c、d”或“a、b”)两点之间,按照你的接法请回答:当油箱中油量减少时,电压表的示数将________。?
【解析】由题图可知当油箱内液面高度变化时,滑动变阻器R的金属滑片将会移动,从而引起R两端电压的变化。当油量减少时,滑动变阻器R的阻值会增大,电路中的电流会减小,c、d间的电压会减小。当把电压表接在c、d两点间,电压表数值减小时,表示油量在减少。
答案:c、d 减小
二 电阻式传感器的应用分析
1.电阻式传感器性能比较:
热敏电阻
金属热电阻
光敏电阻
电阻应变片
特点
正温度系数的热敏电阻,随温度升高电阻变大;负温度系数的热敏电阻,随温度升高电阻减小
电阻率随
温度的升高
而增加
在强光下电阻小,
在暗光下电阻大
受到拉力时,
电阻变小;
受到压力时,
电阻变大
热敏电阻
金属热电阻
光敏电阻
电阻应变片
敏感
材料
半导体
金属
把硫化镉涂敷
在绝缘板上,
其表面镀银
金属材料
优点
灵敏度好
测温范围大
灵敏度好
灵敏度好
原理
温度影响电阻率
无光照时,载流子极少,导电性能差;随着
光照的增强,载流子增多,导电性变好
应用
空调机
电饭煲
照相机
电子秤
2.热敏电阻和金属热电阻随温度变化的特点:
(1)热敏电阻:用半导体材料制成,电阻值随温度变化发生明显变化的电阻。如图①所示为某热敏电阻的电阻—温度特性曲线。
(2)金属热电阻:有些金属的电阻率随温度的升高而增大,如图②所示,这样的电阻也可以制作温度传感器。
【思考·讨论】
如图是应变片的原理及力学传感器的应用的图片。
(1)电子秤的敏感元件是什么?
(物理观念)
提示:电阻应变片。
(2)电阻应变片是怎样把非电学量转化为电学量的?
(科学思维)
提示:当电阻应变片长度和横截面积发生变化时,由电阻定律可知电阻发生变化。
(3)电子秤的工作原理是什么?
(物理观念)
【典例示范】
(多选)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的带电荷量增加
B.电压表的读数增大
C.电容器C两板间的电场强度减小
D.R1消耗的功率增大
【思维建模】
【解析】选A、B。当环境温度降低时,R2变大,电路的总电阻变大,由I=
知I
变小,又U=E-Ir,电压表的读数U增大,故B正确;又由U1=IR1及P1=I2R1可知U1变
小,R1消耗的功率P1变小,故D错误;电容器两板间的电压U2=U-U1,U2变大,由电场
强度E′=
,Q=CU2可知Q、E′都增大,故A正确,C错误。
【误区警示】含传感器的电路动态分析的四点注意
(1)如果涉及光敏电阻,必须明确光照情况怎样变化,从而判断出其阻值的变化。
(2)如果涉及热敏电阻,必须明确是正温度系数还是负温度系数的热敏电阻及温度变化情况,从而判断其阻值的变化。
(3)如果是其他元件引起的电路变化可具体问题具体分析。
(4)结合电路结构特点及局部阻值的变化,根据闭合电路的欧姆定律等规律分析有关物理量的变化。
【素养训练】
1.如图所示,R1为定值电阻,R2为金属热电阻(是指阻值随温度的升高而增加的金属电阻),L为小灯泡,当温度升高时
( )
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。R2与灯泡L并联后再与R1串联,与电源构成闭合电路,当温度升高时,金属热电阻R2电阻值增大,外电路电阻增大,电流表读数减小,灯泡L两端的电压增大,灯泡的亮度变强,R1两端的电压减小,故只有C正确。
2.如图是某同学在科技制作活动中自制的电子秤原理图,利用电压表(内电阻很大)的示数来指示物体的质量。托盘与电阻可忽略的弹簧相连,托盘与弹簧的质量均不计。滑动变阻器的滑动端与弹簧上端连接,当托盘中没有放物体时,电压表的示数为零。设变阻器的总电阻为R,总长度为L,电源电动势为E,内阻为r,限流电阻为R0,弹簧的劲度系数为k,若不计一切摩擦和其他阻力。
(1)求出电压表示数Ux与所称物体质量m的关系式。
(2)由(1)的计算结果可知,电压表示数与待测物体质量不成正比,不便于制作刻度。为使电压表示数与待测物体质量成正比,请利用原有器材进行改进,在如图的基础上完成改进后的电路原理图,并求出电压表示数Ux与待测物体质量m的关系式。
【解析】(1)由胡克定律知mg=kx,滑动变阻器R连入电路中的有效电阻
Rx=
,
根据闭合电路的欧姆定律可知I=
,
Ux=IRx=
。
(2)改进后的电路图如图所示。
Ux=
答案:(1)Ux=
(2)图见解析 Ux=
【补偿训练】
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.电压表的示数减小
B.R2中电流强度增大
C.小灯泡的功率增大
D.R1中电流强度减少
【解析】选C。光强度增大,R3的电阻变小,总电阻变小,总电流I变大,路端电压变小,R1两端的电压变大,则电压表的示数增加,R2两端的电压变小,通过R2的电流变小,则通过灯泡的电流变大,则小灯泡电功率变大,故A、B、D错误,C正确。
三 传感器应用
1.传感器的应用步骤:
物理传感器是将所感受的物理量(如力、热、光等)转换为便于测量的电学量的器件。我们可以把传感器的应用过程分为三个步骤:
(1)信息采集。
(2)信息加工、放大、传输。
(3)利用所获得的信息执行某种操作。
2.分析传感器问题要注意三点:
(1)感受量分析:要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,在熟悉常用电子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。
【思考·讨论】
电容器的电容C取决于极板正对面积S、极板间距离d及极板间电介质这几个因素,如果某一物理量(如角度θ、位移x、深度h等)的变化能引起上述某一因素的变化,从而引起电容的变化,那么测定电容器的电容就可以确定上述物理量的变化。
四个图中是怎样改变电容的?
(科学思维)
提示:图①是用来测定角度θ的电容式传感器,当动片与定片之间的角度θ发生变化时,引起极板正对面积S的变化,使电容C发生变化,反之,知道C的变化,就可以知道θ的变化情况。
图②是测定液面高度h的电容式传感器,在导线芯的外面涂上一层绝缘物质,放入导电液体中,导线芯和导电液体构成电容器的两个极,导线芯外面的绝缘物质就是电介质,液面高度h发生变化时,引起正对面积发生变化,使电容C发生变化。反之,知道C的变化,就可以知道h的变化情况。
图③是测定压力F的电容式传感器,待测压力F作用于可动膜片电极上的时候,膜片发生形变,使极板间距离d发生变化,引起电容C的变化。反之,知道C的变化,就可以知道F的变化情况。
图④是测定位移x的电容式传感器,随着电介质进入极板间的长度发生变化,电容C发生变化。反之,知道C的变化,就可以知道x的变化情况。
【典例示范】
如图所示,厚度为h,宽度为d的导体板放在垂直于它的磁感应强度为B的匀强磁
场中,实验表明,当磁场不太强时,电势差U、电流I和B的关系为U=
。式中
的比例系数k称为霍尔系数。设电流I是由电子的定向移动形成的,电子的平均
定向速度为v、电荷量为e。
(1)求电子所受的洛伦兹力的大小;
(2)证明霍尔系数k=
。
其中n代表导体板单位体积中电子的个数。
【解题探究】
(1)霍尔元件的作用是什么?
提示:霍尔元件的作用是把不易测量的磁感应强度这一磁学量转化为电压这一
易于测量的电学量的元件。
(2)霍尔元件的工作原理是什么?
提示:在外部磁场的作用下,元件两侧聚集不同电荷形成电场,当q
=qvB时,电
流稳定,元件两侧电压不变,得
U∝B,所以可以用电压反映磁场的强弱。
【解析】(1)f=evB。
(2)电子受到静电力与洛伦兹力的作用,两力平衡,
有e
=evB得U=hvB,
通过导体的电流I=nevdh,
由U=k
,有hvB=k
得k=
。
答案:见解析
【规律方法】霍尔电势高低的判断方法
(1)由左手定则判断带电粒子的受力方向,如果带电粒子是正电荷,则拇指所指的面为高电势面;如果是负电荷,则拇指所指的面为低电势面,但无论是正电荷还是负电荷,四指指的都是电流方向,即正电荷定向移动的方向,负电荷定向移动的反方向。
(2)在判断电势高低时一定要注意载流子是正电荷还是负电荷。
【素养训练】
1.
如图所示,截面为矩形的金属导体,放在匀强磁场中,当导体中通有电流时,导体的上下表面的电势有什么关系
( )
A.φM>φN
B.φM=φN
C.φM<φN
D.无法判断
【解析】选A。霍尔效应形成的原因是带电粒子在磁场中受到洛伦兹力的作用,做定向移动形成的,根据左手定则,金属导体中自由电子受到向下的洛伦兹力作用,向N板运动,则M板剩下正电荷,所以φM>φN。故选A。
2.如图所示为测定压力的电容式传感器,将平行板电容器、灵敏电流计(零刻度在中间)和电源串联成闭合回路,当压力F作用于可动膜片电极上时,膜片发生形变,引起电容的变化,导致灵敏电流计指针偏转,在对膜片开始施加压力使膜片电极从图中的虚线推到图中实线位置并保持固定的过程中,灵敏电流计指针偏转情况为(电流从电流计正接线柱流入时指针向右偏)
( )
A.向右偏到某一刻度后回到零刻度
B.向左偏到某一刻度后回到零刻度
C.向右偏到某一刻度后不动
D.向左偏到某一刻度后不动
【解析】选A。压力F作用时,极板间距d变小,由C=
,电容器电容C变大,又
根据Q=CU,极板所带电荷量变大,所以电容器应充电,灵敏电流计中有由正接线
柱流入的电流,所以指针将右偏,极板保持固定后,充电结束,指针回到零刻度,
则A正确。
【补偿训练】
如图所示是一个测定液面高度的传感器,在导线芯的外面涂上一层绝缘物质,放在导电液体中,导线芯和导电液体构成电容器的两极,把这两极接入外电路,当外电路中的电流变化说明电容值增大时,则导电液体的深度h变化情况为
( )
A.h增大 B.h减小 C.h不变 D.无法确定
【解析】选A。导电液体的深度h变化时,电容器极板的正对面积变化,由平行板
电容器的电容C=
可知,C增大,S增大,故知h增大。A正确。
【课堂回眸】
课堂检测·素养达标
1.关于传感器,下列说法中正确的是
( )
A.电熨斗通过压力传感器实现温度的自动控制
B.动圈式话筒是利用电磁感应原理来工作的声传感器
C.金属热电阻是一种将电学量转换为热学量的传感器
D.火灾报警器都是利用温度传感器实现报警
【解析】选B。电熨斗是通过双金属片温度传感器来控制温度的,选项A错误;动圈式话筒是利用电磁感应原理来工作的,B正确;金属热电阻是将热学量转化为电学量的传感器,选项C错误;有的火灾报警器是利用光传感器实现报警,选项D错误。
2.
电阻R随温度T变化的图线如图所示,下列说法中正确的是
( )
A.图线1是热敏电阻的图线,它是用金属材料制成的
B.图线2是热敏电阻的图线,它是用半导体材料制成的
C.图线1对应的材料化学稳定性好,测温范围大,灵敏度高
D.图线2对应的材料化学稳定性好,测温范围大,灵敏度高
【解析】选B。金属热电阻的阻值随温度升高而增大,有些半导体材料的热敏电阻的阻值随温度升高而减小,所以A错,B对;图线1对应的材料化学稳定性好,测温范围大,但灵敏度低,图线2对应的材料化学稳定性差,测温范围小,灵敏度高,C、D错误。
3.如图所示,电吉他的弦是磁性物质,当弦振动时,线圈中产生感应电流,感应电流输送到放大器、喇叭,
把声音播放出来,下列说法正确的是
( )
A.电吉他是光电传感器
B.电吉他是温度传感器
C.电吉他是声音传感器
D.弦改用尼龙材料原理不变
【解析】选C。由电吉他发声原理可知是将声音变化转变为电流的变化,C正确,A、B、D错误。
4.有一些星级宾馆的洗手间装有自动干手机,洗手后将湿手靠近,机内的传感器就开通电热器加热,有热空气从机内喷出,将湿手烘干,手靠近自动干手机能使传感器工作,是因为改变了
( )
A.湿度 B.温度 C.磁场 D.电容
【解析】选D。根据自动干手机工作的特征,手靠近干手机时电热器工作,手撤离后电热器停止工作,人是一种导体,可以与其他导体构成电容器。手靠近时相当于连接一个电容器,可以确定干手机内设有电容式传感器,由于手的靠近改变了电容大小,故D正确;用湿度和温度来驱动电热器工作,理论上可行,但是假如干手机是由于温度、湿度的变化工作,它就成了室内烘干机。
5.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,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。
【总结提升】电路中含有热敏电阻的分析方法
(1)明确热敏电阻与温度变化的规律;
(2)根据电路中电阻的变化,分析电路中总电阻的变化,根据欧姆定律分析干路电流、路端电压的变化;
(3)根据串并联电路的电压和电流的关系,分析电路中用电器的电流、两端电压变化等问题。
【补偿训练】
传感器可将非电学量转化为电学量起自动控制作用,如计算机鼠标中有位移传感器,电饭煲中有温度传感器,电视机、录像机、影碟机、空调机中有光电传感器,如图是演示位移传感器的工作原理图,物体M在导轨上平移时,带动滑动变阻器的滑动触头滑动,通过电压表显示的数据来反映物体位移的大小,假设电压表是理想的,则下列说法正确的是
( )
A.物体M运动时,电源内的电流会发生变化
B.物体M运动时,电压表的示数会发生变化
C.物体M不动时,电路中没有电流
D.物体M不动时,电压表没有示数
【解析】选B。由于电压表是理想的,因此滑片P移动时,不改变闭合电路的电阻,电源内的电流不发生变化,即电流恒定,A、C错误;物体M运动时,电压表所测电压是变化的,M不动时,电压表示数恒定,B正确,D错误。
【新思维·新考向】
情境:磁传感器是把磁场、电流、温度、光等外界因素引起的敏感元件磁性能变化转换成电信号,以这种方式来检测相应物理量的器件。磁敏电阻是利用某些材料电阻的磁敏效应制成的,其外形结构如图(a)所示。把磁敏电阻GMR接入如图所示的电路中,它的阻值随所处空间磁场的增强而增大,电源的内阻不可忽略。
问题:闭合开关S1和S2后,当滑片P向右滑动时,灯泡L1、L2的亮度怎样变化?
【解析】当滑片P向右移动时,滑动变阻器接入电路的阻值增大,电源电压不变,所以电磁铁电路中的电流减小,电磁铁的磁场减弱,磁敏电阻阻值减小,总电流变大,路端电压减少,故灯泡L2变暗;由于通过L1支路的电流变大,故L1变亮。
答案:L2变暗 L1变亮
