第六章 传感器 —2020-2021学年人教版高中物理选修3-2学案（Word含答案）
文档属性
| 名称 | 第六章 传感器 —2020-2021学年人教版高中物理选修3-2学案（Word含答案） |  | |
| 格式 | docx | ||
| 文件大小 | 288.6KB | ||
| 资源类型 | 教案 | ||
| 版本资源 | 人教版（新课程标准） | ||
| 科目 | 物理 | ||
| 更新时间 | 2021-05-04 16:58:19 | ||
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文档简介
第六章 传感器及其工作原理和应用
一、传感器及工作原理
1．传感器的定义：能够感受诸如力、温度、光、声、化学成分等物理量，并能把它们按照一定的规律转换为便于传送和处理的另一个物理量(通常是电压、电流等电学量)，或转换为电路的通断的元件．
2．非电学量转换为电学量的意义：把非电学量转换为电学量，可以方便地进行测量、传输、处理和控制．
二、力传感器的作用及原理
1．应变式力传感器可以用来测重力、压力、拉力等各种力．
2．应变片能够把物体形变这个力学量转换为电压这个电学量．
三、温度传感器的工作原理
1．双金属片温度传感器的工作原理：温度变化时，因双金属片上层金属与下层金属的热膨胀系数不同，双金属片发生弯曲从而控制电路的通断．
2．(1)电饭锅中温度传感器为感温铁氧体．感温铁氧体常温下具有铁磁性，温度上升到约103℃时，失去铁磁性，这一温度称为该材料的“居里温度”或“居里点”．
(2)用手按下开关按钮通电加热，开始煮饭，当锅内温度达到103℃时，感温铁氧体失去磁性，与永久磁铁失去吸引力，被弹簧弹开，从而推动杠杆使触点开关断开．
四、光敏电阻的特点及工作原理
1．当半导体材料受到光照或者温度升高时，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，于是导电能力明显增强．
2．光敏电阻是用半导体材料(如硫化镉)制成的．它的特点是光照越强，电阻越小．它能够把光照强弱这个光学量转换为电阻这个电学量．
3．最常见的光传感器有光敏电阻、光电管、光电二极管、光电三极管等．
4．典型的应用，如鼠标、火灾报警器、光敏自动计数器等．
五、热敏电阻和金属热电阻的特点
1．热敏电阻：用半导体材料制成．可分为正温度系数的热敏电阻和负温度系数的热敏电阻．
(1)正温度系数的热敏电阻随温度升高电阻增大．
(2)负温度系数的热敏电阻(如氧化锰热敏电阻)随温度升高电阻减小．
2．金属热电阻：金属的电阻率随温度升高而增大，利用这一特性，金属丝也可以制作成温度传感器，称为热电阻．
1．压敏电阻的阻值随所受压力的增大而减小，在升降机中将重物放在压敏电阻上，压敏电阻接在如图甲所示的电路中，电流表示数变化如图乙所示，某同学根据电流表的示数变化情况推断升降机的运动状态，下列说法中正确的是( )
A．0～t1时间内，升降机一定匀速运动 B．0～t1时间内，升降机可能减速上升
C．t1～t2时间内，升降机可能匀速上升 D．t1～t2时间内，升降机可能匀加速上升
2．(多选)为了锻炼身体，小明利用所学物理知识设计了一个电子拉力计，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100N/cm.定值电阻R0＝5Ω，ab是一根长为5cm的均匀电阻丝，阻值R1＝25Ω，电源输出电压恒为U＝3V，理想电流表的量程为0～0.6A．当拉环不受力时，滑片P处于a端．下列关于这个电路的说法正确的是(不计电源内阻)( )
A．小明在电路中连入R0的目的是保护电路
B．当拉环不受力时，闭合开关后电流表的读数为0.1A
C．当拉力为400N时，电流表指针指在0.3A处
D．当拉力为400N时，电流表指针指在0.5A处
3．(多选)电容式传感器是用来将非电信号转变为电信号的装置．由于电容器的电容C取决于极板正对面积S、极板间距离d以及极板间的电介质这几个因素，当某一物理量发生变化时就能引起上述某个因素的变化，从而引起电容的变化，如图所示是四个电容式传感器的示意图，关于这四个传感器的作用，下列说法正确的是( )
A．甲图的传感器可以用来测量角度 B．乙图的传感器可以用来测量液面的高度
C．丙图的传感器可以用来测量压力 D．丁图的传感器只能用来测量速度
4．氧化锡传感器主要用于汽车尾气中一氧化碳浓度的检测，它的电阻随一氧化碳浓度的变化而变化．在如图甲所示的电路中，不同的一氧化碳浓度对应着传感器的不同电阻，这样，理想电压表的指针位置就与一氧化碳浓度有了对应关系，观察电压表指针就能判断一氧化碳浓度是否超标．有一种氧化锡传感器，其技术资料中给出的是电导(即电阻的倒数)—CO浓度曲线，如图乙所示．在下列表示一氧化碳浓度c与电压表示数U0之间关系的图象中正确的是( )
5．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性来工作的．如图甲所示，电源的电动势E＝9V，内阻不计；G为灵敏电流表，内阻Rg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，电流表的示数I1＝2mA；当电流表的示数I2＝3.6mA时，热敏电阻的温度是( )
A．60℃ B．80℃ C．100℃ D．120℃
6．(多选)如图，R1、R2为定值电阻，L为小灯泡，R3为光敏电阻，当入射光强度增大时( )
A．电压表的示数增大 B．R2中电流减小
C．小灯泡的功率增大 D．电路的路端电压增大
7．(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的带电荷量增大 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
8．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，R和L之间用挡板(未画出)隔开，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．无论怎样移动滑动触头P，L消耗的功率都不变
9．(多选)压敏电阻的阻值会随所受压力的增大而减小，某位同学利用压敏电阻设计了判断电梯运动状态的装置，其装置示意图如图所示，将压敏电阻平放在电梯内，受压面朝上，在上面放一物体m，电梯静止时电流表示数为I0，电梯在不同的运动过程中，电流表的示数分别如图甲、乙、丙、丁所示，下列判断中正确的是( )
A．甲图表示电梯可能做匀速直线运动 B．乙图表示电梯可能做匀加速上升运动
C．丙图表示电梯可能做匀加速上升运动 D．丁图表示电梯可能做匀减速下降运动
10．如图所示为某传感装置内部部分电路图，RT为正温度系数热敏电阻，其特性为随着温度的升高阻值增大；R1为光敏电阻，其特性为随着光照强度的增强阻值减小；R2和R3均为定值电阻，电源电动势为E，内阻为r，V为理想电压表．若发现电压表示数增大，可能的原因是( )
①热敏电阻温度降低，其他条件不变 ②热敏电阻温度升高，其他条件不变
③光照减弱，其他条件不变 ④光照增强，其他条件不变
A．①③ B．①④ C．②③ D．②④
第六章传感器
传感器及其工作原理和应用
1．答案 B
解析 在0～t1时间内，电流恒定，表明压敏电阻的阻值恒定，则重物对压敏电阻的压力恒定，则升降机可能处于静止、匀速运动或匀变速直线运动状态，故A选项错误，B选项正确；t1～t2时间内，电流在增加，表明压敏电阻的阻值在减小，则重物对压敏电阻的压力在增大，重物的加速度是变化的，故不可能做匀速运动或匀加速运动，C、D选项错误．
2．答案 ABC
解析 若电路无电阻R0，且金属滑片P在b端时，回路短路会损坏电源，R0的存在使电路不出现短路，因此A正确；当拉环不受力时，滑片P在a端，由闭合电路欧姆定律得，I＝＝0.1A，故B正确；拉力为400N时，由F＝kΔx，则Δx＝4cm，对应的电阻为RaP＝20Ω，R1接入电路的电阻RPb＝5Ω，由闭合电路欧姆定律得，I′＝＝0.3A，故D错误，C正确．
3．答案 ABC
4．答案 A
解析 U0＝IR0＝，一氧化碳浓度c增大，电导增大，电阻R传减小，U0增大，但不是正比关系．选项A正确，B、C、D错误．
5．答案 D
解析 在20℃时，E＝(Rg＋R1)I1，得Rg＝500Ω，在温度为t时，E＝(Rg＋R2)I2，代入数据得R2＝2000Ω，从题图乙中可以看出t＝120℃，故选D.
6．答案 ABC
解析 当入射光强度增大时，R3阻值减小，外电路总电阻随R3的减小而减小，由闭合电路欧姆定律知，干路电流增大，R1两端电压增大，从而电压表的示数增大，同时内电压增大，故电路的路端电压减小，A项正确，D项错误．因路端电压减小，而R1两端电压增大，故R2两端电压必减小，则R2中电流减小，故B项正确．结合干路电流增大知流过小灯泡的电流必增大，故小灯泡的功率增大，C项正确．
7．答案 AB
解析 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，B正确；又由P1＝I2R1可知，R1消耗的功率P1变小，D错误；电容器两板间的电压U2＝U－U1，U1＝IR1，可知U1变小，U2变大，由场强E′＝，Q＝CU2可知Q、E′都增大，故A正确，C错误．
8．答案 A
解析 滑动触头P左移，滑动变阻器接入电路的电阻减小，流过二极管的电流增大，从而发光增强，使光敏电阻R减小，最终达到增大流过灯泡的电流的效果．
9．答案 AB
解析 题图甲中电流表示数和静止时相等，故可能做匀速直线运动，A正确．题图乙中电流表示数为2I0，且保持不变，故压敏电阻所受压力增大且恒定，电阻变小，物体超重，电梯可能匀加速上升，B正确．题图丙、丁中电流表的示数随时间变化，故电梯的加速度是变化的，不可能是匀加速或匀减速，C、D错误．
10．答案 A
解析 ①热敏电阻温度降低时，其阻值减小，外电路总电阻减小，总电流增大，路端电压随之减小，通过光敏电阻的电流减小，通过R3的电流增大，电压表的读数增大，符合题意，故①正确．
②同理可得热敏电阻温度升高，其他条件不变，电压表的示数减小，不符合题意，故②错误．
③光照减弱，光敏电阻的阻值增大，外电路总电阻增大，路端电压增大，则电压表的示数增大，故③正确．
④光照增强，光敏电阻的阻值减小，外电路总电阻减小，路端电压减小，则电压表的示数减小，故④错误．本题选A.
一、传感器及工作原理
1．传感器的定义：能够感受诸如力、温度、光、声、化学成分等物理量，并能把它们按照一定的规律转换为便于传送和处理的另一个物理量(通常是电压、电流等电学量)，或转换为电路的通断的元件．
2．非电学量转换为电学量的意义：把非电学量转换为电学量，可以方便地进行测量、传输、处理和控制．
二、力传感器的作用及原理
1．应变式力传感器可以用来测重力、压力、拉力等各种力．
2．应变片能够把物体形变这个力学量转换为电压这个电学量．
三、温度传感器的工作原理
1．双金属片温度传感器的工作原理：温度变化时，因双金属片上层金属与下层金属的热膨胀系数不同，双金属片发生弯曲从而控制电路的通断．
2．(1)电饭锅中温度传感器为感温铁氧体．感温铁氧体常温下具有铁磁性，温度上升到约103℃时，失去铁磁性，这一温度称为该材料的“居里温度”或“居里点”．
(2)用手按下开关按钮通电加热，开始煮饭，当锅内温度达到103℃时，感温铁氧体失去磁性，与永久磁铁失去吸引力，被弹簧弹开，从而推动杠杆使触点开关断开．
四、光敏电阻的特点及工作原理
1．当半导体材料受到光照或者温度升高时，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，于是导电能力明显增强．
2．光敏电阻是用半导体材料(如硫化镉)制成的．它的特点是光照越强，电阻越小．它能够把光照强弱这个光学量转换为电阻这个电学量．
3．最常见的光传感器有光敏电阻、光电管、光电二极管、光电三极管等．
4．典型的应用，如鼠标、火灾报警器、光敏自动计数器等．
五、热敏电阻和金属热电阻的特点
1．热敏电阻：用半导体材料制成．可分为正温度系数的热敏电阻和负温度系数的热敏电阻．
(1)正温度系数的热敏电阻随温度升高电阻增大．
(2)负温度系数的热敏电阻(如氧化锰热敏电阻)随温度升高电阻减小．
2．金属热电阻：金属的电阻率随温度升高而增大，利用这一特性，金属丝也可以制作成温度传感器，称为热电阻．
1．压敏电阻的阻值随所受压力的增大而减小，在升降机中将重物放在压敏电阻上，压敏电阻接在如图甲所示的电路中，电流表示数变化如图乙所示，某同学根据电流表的示数变化情况推断升降机的运动状态，下列说法中正确的是( )
A．0～t1时间内，升降机一定匀速运动 B．0～t1时间内，升降机可能减速上升
C．t1～t2时间内，升降机可能匀速上升 D．t1～t2时间内，升降机可能匀加速上升
2．(多选)为了锻炼身体，小明利用所学物理知识设计了一个电子拉力计，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100N/cm.定值电阻R0＝5Ω，ab是一根长为5cm的均匀电阻丝，阻值R1＝25Ω，电源输出电压恒为U＝3V，理想电流表的量程为0～0.6A．当拉环不受力时，滑片P处于a端．下列关于这个电路的说法正确的是(不计电源内阻)( )
A．小明在电路中连入R0的目的是保护电路
B．当拉环不受力时，闭合开关后电流表的读数为0.1A
C．当拉力为400N时，电流表指针指在0.3A处
D．当拉力为400N时，电流表指针指在0.5A处
3．(多选)电容式传感器是用来将非电信号转变为电信号的装置．由于电容器的电容C取决于极板正对面积S、极板间距离d以及极板间的电介质这几个因素，当某一物理量发生变化时就能引起上述某个因素的变化，从而引起电容的变化，如图所示是四个电容式传感器的示意图，关于这四个传感器的作用，下列说法正确的是( )
A．甲图的传感器可以用来测量角度 B．乙图的传感器可以用来测量液面的高度
C．丙图的传感器可以用来测量压力 D．丁图的传感器只能用来测量速度
4．氧化锡传感器主要用于汽车尾气中一氧化碳浓度的检测，它的电阻随一氧化碳浓度的变化而变化．在如图甲所示的电路中，不同的一氧化碳浓度对应着传感器的不同电阻，这样，理想电压表的指针位置就与一氧化碳浓度有了对应关系，观察电压表指针就能判断一氧化碳浓度是否超标．有一种氧化锡传感器，其技术资料中给出的是电导(即电阻的倒数)—CO浓度曲线，如图乙所示．在下列表示一氧化碳浓度c与电压表示数U0之间关系的图象中正确的是( )
5．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性来工作的．如图甲所示，电源的电动势E＝9V，内阻不计；G为灵敏电流表，内阻Rg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，电流表的示数I1＝2mA；当电流表的示数I2＝3.6mA时，热敏电阻的温度是( )
A．60℃ B．80℃ C．100℃ D．120℃
6．(多选)如图，R1、R2为定值电阻，L为小灯泡，R3为光敏电阻，当入射光强度增大时( )
A．电压表的示数增大 B．R2中电流减小
C．小灯泡的功率增大 D．电路的路端电压增大
7．(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的带电荷量增大 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
8．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，R和L之间用挡板(未画出)隔开，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．无论怎样移动滑动触头P，L消耗的功率都不变
9．(多选)压敏电阻的阻值会随所受压力的增大而减小，某位同学利用压敏电阻设计了判断电梯运动状态的装置，其装置示意图如图所示，将压敏电阻平放在电梯内，受压面朝上，在上面放一物体m，电梯静止时电流表示数为I0，电梯在不同的运动过程中，电流表的示数分别如图甲、乙、丙、丁所示，下列判断中正确的是( )
A．甲图表示电梯可能做匀速直线运动 B．乙图表示电梯可能做匀加速上升运动
C．丙图表示电梯可能做匀加速上升运动 D．丁图表示电梯可能做匀减速下降运动
10．如图所示为某传感装置内部部分电路图，RT为正温度系数热敏电阻，其特性为随着温度的升高阻值增大；R1为光敏电阻，其特性为随着光照强度的增强阻值减小；R2和R3均为定值电阻，电源电动势为E，内阻为r，V为理想电压表．若发现电压表示数增大，可能的原因是( )
①热敏电阻温度降低，其他条件不变 ②热敏电阻温度升高，其他条件不变
③光照减弱，其他条件不变 ④光照增强，其他条件不变
A．①③ B．①④ C．②③ D．②④
第六章传感器
传感器及其工作原理和应用
1．答案 B
解析 在0～t1时间内，电流恒定，表明压敏电阻的阻值恒定，则重物对压敏电阻的压力恒定，则升降机可能处于静止、匀速运动或匀变速直线运动状态，故A选项错误，B选项正确；t1～t2时间内，电流在增加，表明压敏电阻的阻值在减小，则重物对压敏电阻的压力在增大，重物的加速度是变化的，故不可能做匀速运动或匀加速运动，C、D选项错误．
2．答案 ABC
解析 若电路无电阻R0，且金属滑片P在b端时，回路短路会损坏电源，R0的存在使电路不出现短路，因此A正确；当拉环不受力时，滑片P在a端，由闭合电路欧姆定律得，I＝＝0.1A，故B正确；拉力为400N时，由F＝kΔx，则Δx＝4cm，对应的电阻为RaP＝20Ω，R1接入电路的电阻RPb＝5Ω，由闭合电路欧姆定律得，I′＝＝0.3A，故D错误，C正确．
3．答案 ABC
4．答案 A
解析 U0＝IR0＝，一氧化碳浓度c增大，电导增大，电阻R传减小，U0增大，但不是正比关系．选项A正确，B、C、D错误．
5．答案 D
解析 在20℃时，E＝(Rg＋R1)I1，得Rg＝500Ω，在温度为t时，E＝(Rg＋R2)I2，代入数据得R2＝2000Ω，从题图乙中可以看出t＝120℃，故选D.
6．答案 ABC
解析 当入射光强度增大时，R3阻值减小，外电路总电阻随R3的减小而减小，由闭合电路欧姆定律知，干路电流增大，R1两端电压增大，从而电压表的示数增大，同时内电压增大，故电路的路端电压减小，A项正确，D项错误．因路端电压减小，而R1两端电压增大，故R2两端电压必减小，则R2中电流减小，故B项正确．结合干路电流增大知流过小灯泡的电流必增大，故小灯泡的功率增大，C项正确．
7．答案 AB
解析 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，B正确；又由P1＝I2R1可知，R1消耗的功率P1变小，D错误；电容器两板间的电压U2＝U－U1，U1＝IR1，可知U1变小，U2变大，由场强E′＝，Q＝CU2可知Q、E′都增大，故A正确，C错误．
8．答案 A
解析 滑动触头P左移，滑动变阻器接入电路的电阻减小，流过二极管的电流增大，从而发光增强，使光敏电阻R减小，最终达到增大流过灯泡的电流的效果．
9．答案 AB
解析 题图甲中电流表示数和静止时相等，故可能做匀速直线运动，A正确．题图乙中电流表示数为2I0，且保持不变，故压敏电阻所受压力增大且恒定，电阻变小，物体超重，电梯可能匀加速上升，B正确．题图丙、丁中电流表的示数随时间变化，故电梯的加速度是变化的，不可能是匀加速或匀减速，C、D错误．
10．答案 A
解析 ①热敏电阻温度降低时，其阻值减小，外电路总电阻减小，总电流增大，路端电压随之减小，通过光敏电阻的电流减小，通过R3的电流增大，电压表的读数增大，符合题意，故①正确．
②同理可得热敏电阻温度升高，其他条件不变，电压表的示数减小，不符合题意，故②错误．
③光照减弱，光敏电阻的阻值增大，外电路总电阻增大，路端电压增大，则电压表的示数增大，故③正确．
④光照增强，光敏电阻的阻值减小，外电路总电阻减小，路端电压减小，则电压表的示数减小，故④错误．本题选A.