高中物理粵教版2第三章傳感器

章末分層突破[自我校對]①電信號②力信號③聲信號④溫度⑤光信號傳感器工作原理、常見敏感元件及其應用1.傳感器的工作原理傳感器感受的通常是非電學量，如力、熱、磁、光、聲等，而它輸出的通常是電學量，這些輸出信號是非常微弱的，通常要經過放大后，再送給控制系統(tǒng)產生各種控制動作，傳感器原理如框圖所示．eq\x(非電學量)eq\x(敏感元件)eq\x(轉換元件)eq\x(轉換電路)eq\x(電學量)2．常見敏感元件及特性(1)光敏電阻：光敏電阻在被光照射時電阻發(fā)生變化，光照增強電阻減小，光照減弱電阻增大．(2)金屬熱電阻：金屬熱電阻的電阻率隨溫度升高而增大．(3)熱敏電阻：熱敏電阻有正溫度系數、負溫度系數兩種．正溫度系數的熱敏電阻的阻值隨溫度升高而增大；負溫度系數的熱敏電阻的阻值隨溫度升高而減?。?4)電容：平行板電容器的電容與極板正對面積、極板間距及電介質材料有關，電容器可以感知引起電容變化的任一外界信息，并將其轉化為電容變化，例如，當極板受力時會改變極板間距，從而引起電容變化．3．傳感器的復雜應用(1)搞清傳感器的原理及應用過程是求解該類問題的關鍵．(2)與電路的結合問題．涉及到電路的動態(tài)變化問題時要抓住題目的關鍵信息及敏感元件的特性，如光強度的變化、光敏電阻的變化、溫度的變化、熱敏電阻的變化，分析的順序同直流電路動態(tài)問題分析一樣，先從部分到整體，再到部分．涉及到電路的計算問題時，由于敏感元件變化的特性，所以找準對應時刻、位置等，把握圖象的信息非常重要．如圖3-1為某一熱敏電阻(電阻值隨溫度的改變而改變，且對溫度很敏感)的I-U關系曲線圖．圖3-1(1)為了通過測量得到如圖所示I-U關系的完整曲線，在圖3-2甲和乙兩個電路中應選擇的是圖________；簡要說明理由：_________________________________________________.(電源電動勢為9V，內阻不計，滑動變阻器的阻值為0～100Ω)圖3-2(2)在如圖3-3所示電路中，電源電壓恒為9V，電流表讀數為70mA，定值電阻R1＝250Ω.由熱敏電阻的I-U關系曲線可知，熱敏電阻兩端的電壓為________V；電阻R2的阻值為________Ω.圖3-3【解析】(1)應選擇圖甲，因為圖甲電路電壓可從0V調到所需電壓，電壓調節(jié)范圍大．(2)由題圖知R2與熱敏電阻串聯(lián)后與R1并聯(lián)接在9V電源上，總電流I＝70mA，R1＝250Ω.設通過熱敏電阻的電流為I2，通過R1的電流為I1，則I＝I1＋I2，故I2＝I－I1＝(70－eq\f(9,250)×103)mA＝34mA.由圖象查得34mA對應的電壓為V，R2兩端電壓U2＝9V－V＝V，所以R2＝eq\f,34×10－3)Ω＝Ω.【答案】(1)甲因為甲電路電壓可從0V調到所需電壓，電壓調節(jié)范圍大(2)常見的傳感器及應用1.力電傳感器力電傳感器是利用敏感元件和變阻器把力學信號(位移、速度、加速度等)轉換為電學信號(電壓、電流等)的儀器．力電傳感器廣泛地應用于社會生產、現代科技中，如安裝在導彈、飛機、潛艇和宇宙飛船上的慣性導航系統(tǒng)及ABS防抱死制動系統(tǒng)等．2．熱電傳感器熱電傳感器是利用熱敏電阻的阻值會隨溫度的變化而變化的原理把熱學信號轉換成電學信號的儀器，如各種家用電器(空調、冰箱、熱水器、飲水機、電飯煲等)的溫度控制、火警報警器、恒溫箱等都是利用了熱電傳感器的原理．3．光電傳感器光電傳感器中的主要部件是光敏電阻或光電管，光電傳感器是根據光敏電阻的阻值隨光照強度的變化而變化的原理把光信號轉換成電信號的儀器，如自動沖水機、路燈的控制、光電計數器、煙霧報警器等都是利用了光電傳感器的原理．4．聲電傳感器聲電傳感器主要利用電磁感應的原理把聲音信號轉換成電信號，如動圈式話筒、電容式話筒等．5．電容式傳感器電容器的電容C取決于極板的正對面積S、極板間距離d及極板間的電介質這幾個因素．如果某一物理量(如角度、位移、深度等)的變化能引起上述某個因素的變化，從而引起電容的變化，則通過測定電容器的電容就可以確定上述物理量的變化，起這種作用的電容器稱為電容式傳感器．為了節(jié)能和環(huán)保，一些公共場所使用光控開關控制照明系統(tǒng)．光控開關可采用光敏電阻來控制，光敏電阻是阻值隨著光的照度而發(fā)生變化的元件(照度可以反映光的強弱，光越強照度越大，照度單位為lx)．某光敏電阻Rp在不同照度下的阻值如下表：照度(lx)電阻(kΩ)754028232018(1)根據表中數據，請在圖3-4所給定的坐標系中描繪出阻值隨照度變化的曲線，并說明阻值隨照度變化的特點．圖3-4(2)如圖3-5所示，當1、2兩端所加電壓上升至2V時，控制開關自動啟動照明系統(tǒng)，請利用下列器材設計一個簡單電路．給1、2兩端提供電壓，要求當天色漸暗照度降低至(lx)時啟動照明系統(tǒng)，在虛線框內完成電路原理圖．圖3-5(不考慮控制開關對所設計電路的影響)提供的器材如下：光敏電阻Rp(符號，阻值見上表)；直流電源E(電動勢3V，內阻不計)；定值電阻：R1＝10kΩ，R2＝20kΩ，R3＝40kΩ(限選其中之一并在圖中標出)；開關S及導線若干．【解析】(1)光敏電阻的阻值隨光照變化的曲線如圖所示．特點：光敏電阻的阻值隨光照強度的增大非線性減?。?2)當控制開關自動啟動照明系統(tǒng)，給1、2兩端提供電壓，要求當天色漸暗照度降低至(lx)時啟動照明系統(tǒng)，即此時光敏電阻阻值為20kΩ，兩端電壓為2V，電源電動勢為3V，所以應加上一個分壓電阻，分壓電阻阻值為10kΩ，即選用R1，電路原理圖如圖所示．【答案】見解析傳感器應用問題的分析思路物理傳感器是將所感受的物理量(如力、熱、光等)轉換為便于測量的電學量的器件，傳感器的應用過程分為三個步驟：(1)信息采集．(2)信息加工、放大、傳輸．(3)利用所獲得的信息執(zhí)行某種操作．1．在輸液時，藥液有時會從針口流出體外，為了及時發(fā)現，設計了一種報警裝置，電路如圖3-6所示．M是貼在針口處的傳感器，接觸到藥液時其電阻RM發(fā)生變化，導致S兩端電壓U增大，裝置發(fā)出警報，此時()圖3-6A．RM變大，且R越大，U增大越明顯B．RM變大，且R越小，U增大越明顯C．RM變小，且R越大，U增大越明顯D．RM變小，且R越小，U增大越明顯【解析】當RM變大時，回路的總電阻R總變大，根據I總＝eq\f(E,R總)，得干路中的電流變小，S兩端的電壓U＝I總RS變小，故選項A、B錯誤；當RM變小時，回路的總電阻R總＝eq\f(1,\f(1,R)＋\f(1,RM))＋RS變小，根據I總＝eq\f(E,R總)，得干路中的電流變大，S兩端的電壓U＝I總RS變大，而且R越大，RM變小時，對回路的總電阻變化的影響越明顯，故選項C正確，選項D錯誤．【答案】C2．(多選)某同學設計的家庭電路保護裝置如圖3-7所示，鐵芯左側線圈L1由火線和零線并行繞成．當右側線圈L2中產生電流時，電流經放大器放大后，使電磁鐵吸起鐵質開關K，從而切斷家庭電路．僅考慮L1在鐵芯中產生的磁場，下列說法正確的有()圖3-7A．家庭電路正常工作時，L2中的磁通量為零B．家庭電路中使用的電器增多時，L2中的磁通量不變C．家庭電路發(fā)生短路時，開關K將被電磁鐵吸起D．地面上的人接觸火線發(fā)生觸電時，開關K將被電磁鐵吸起【解析】由于零線、火線中電流方向相反，產生的磁場方向相反，所以家庭電路正常工作時，L2中的磁通量為零，選項A正確；家庭電路短路和用電器增多時均不會引起L2的磁通量的變化，選項B正確，C錯誤；地面上的人接觸火線發(fā)生觸電時，線圈L1中磁場變化引起L2中磁通量的變化，產生感應電流，吸起K，切斷家庭電路，選項D正確．【答案】ABD3.熱敏電阻常用于溫度控制或過熱保護裝置中．圖3-8為某種熱敏電阻和金屬熱電阻的阻值R隨溫度t變化的示意圖．由圖可知，這種熱敏電阻在溫度上升時導電能力________(選填“增強”或“減弱”)；相對金屬熱電阻而言，熱敏電阻對溫度變化的響應更______(選填“敏感”或“不敏感”)．圖3-8【解析】由R-t圖象可知，熱敏電阻在溫度上升時電阻減小，則導電能力增強．相對金屬熱電阻，熱敏電阻在相同的溫度變化情況下電阻變化大，則熱敏電阻對溫度變化的響應更敏感．【答案】增強敏感4．硅光電池在無光照時不產生電能，可視為一電子元件．某實驗小組設計如圖3-9甲電路，給硅光電池加反向電壓(硅光電池負極接高電勢點，正極接低電勢點)，探究其在無光照時的反向伏安特性．圖中電壓表V1量程選用3V，內阻為kΩ；電壓表V2量程選用15V，內阻約為30kΩ；R0為保護電阻；直流電源電動勢E約為12V，內阻不計．(1)根據圖甲，用筆畫線代替導線，將圖乙連接成完整電路．圖3-9(2)用遮光罩罩住硅光電池，閉合開關S，調節(jié)變阻器R，讀出電壓表V1、V2的示數U1、U2.①某次測量時，電壓表V1示數如圖丙，則U1＝________V，可算出通過硅光電池的反向電流大小為________mA(保留兩位小數)．②該小組測出大量數據，篩選出下表所示的9組U1、U2數據，算出相應的硅光電池兩端反向電壓Ux和通過的反向電流Ix(表中“－”表示反向)，并在坐標紙上建立Ix-Ux坐標系，標出了與表中前5組Ux、Ix數據對應的5個坐標點．請你標出余下的4個坐標點，并繪出Ix-Ux圖線.123456789U1/VU2/VUx/V－－－－－－－－Ix/mA－－－－－－－③由Ix-Ux圖線可知，硅光電池無光照下加反向電壓時，Ix與Ux成________