高中物理粵教版2第三章傳感器

章末分層突破[自我校對(duì)]①電信號(hào)②力信號(hào)③聲信號(hào)④溫度⑤光信號(hào)傳感器工作原理、常見敏感元件及其應(yīng)用1.傳感器的工作原理傳感器感受的通常是非電學(xué)量，如力、熱、磁、光、聲等，而它輸出的通常是電學(xué)量，這些輸出信號(hào)是非常微弱的，通常要經(jīng)過(guò)放大后，再送給控制系統(tǒng)產(chǎn)生各種控制動(dòng)作，傳感器原理如框圖所示．eq\x(非電學(xué)量)eq\x(敏感元件)eq\x(轉(zhuǎn)換元件)eq\x(轉(zhuǎn)換電路)eq\x(電學(xué)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(shí)電阻發(fā)生變化，光照增強(qiáng)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(shù)、負(fù)溫度系數(shù)兩種．正溫度系數(shù)的熱敏電阻的阻值隨溫度升高而增大；負(fù)溫度系數(shù)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(duì)面積、極板間距及電介質(zhì)材料有關(guān)，電容器可以感知引起電容變化的任一外界信息，并將其轉(zhuǎn)化為電容變化，例如，當(dāng)極板受力時(shí)會(huì)改變極板間距，從而引起電容變化．3．傳感器的復(fù)雜應(yīng)用(1)搞清傳感器的原理及應(yīng)用過(guò)程是求解該類問(wèn)題的關(guān)鍵．(2)與電路的結(jié)合問(wèn)題．涉及到電路的動(dòng)態(tài)變化問(wèn)題時(shí)要抓住題目的關(guān)鍵信息及敏感元件的特性，如光強(qiáng)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(dòng)態(tài)問(wèn)題分析一樣，先從部分到整體，再到部分．涉及到電路的計(jì)算問(wèn)題時(shí)，由于敏感元件變化的特性，所以找準(zhǔn)對(duì)應(yīng)時(shí)刻、位置等，把握?qǐng)D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(duì)溫度很敏感)的I-U關(guān)系曲線圖．圖3-1(1)為了通過(guò)測(cè)量得到如圖所示I-U關(guān)系的完整曲線，在圖3-2甲和乙兩個(gè)電路中應(yīng)選擇的是圖________；簡(jiǎn)要說(shuō)明理由：_________________________________________________.(電源電動(dòng)勢(shì)為9V，內(nèi)阻不計(jì)，滑動(dòng)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(shù)為70mA，定值電阻R1＝250Ω.由熱敏電阻的I-U關(guān)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(yīng)選擇圖甲，因?yàn)閳D甲電路電壓可從0V調(diào)到所需電壓，電壓調(diào)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(shè)通過(guò)熱敏電阻的電流為I2，通過(guò)R1的電流為I1，則I＝I1＋I(xiàn)2，故I2＝I－I1＝(70－eq\f(9,250)×103)mA＝34mA.由圖象查得34mA對(duì)應(yīng)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?yàn)榧纂娐冯妷嚎蓮?V調(diào)到所需電壓，電壓調(diào)節(jié)范圍大(2)常見的傳感器及應(yīng)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(xué)信號(hào)(位移、速度、加速度等)轉(zhuǎn)換為電學(xué)信號(hào)(電壓、電流等)的儀器．力電傳感器廣泛地應(yīng)用于社會(huì)生產(chǎn)、現(xiàn)代科技中，如安裝在導(dǎo)彈、飛機(jī)、潛艇和宇宙飛船上的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)及ABS防抱死制動(dòng)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(huì)隨溫度的變化而變化的原理把熱學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)換成電學(xué)信號(hào)的儀器，如各種家用電器(空調(diào)、冰箱、熱水器、飲水機(jī)、電飯煲等)的溫度控制、火警報(bào)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(jù)光敏電阻的阻值隨光照強(qiáng)度的變化而變化的原理把光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的儀器，如自動(dòng)沖水機(jī)、路燈的控制、光電計(jì)數(shù)器、煙霧報(bào)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(yīng)的原理把聲音信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，如動(dòng)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(duì)面積S、極板間距離d及極板間的電介質(zhì)這幾個(gè)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(gè)因素的變化，從而引起電容的變化，則通過(guò)測(cè)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(chǎng)所使用光控開關(guān)控制照明系統(tǒng)．光控開關(guān)可采用光敏電阻來(lái)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(qiáng)弱，光越強(qiáng)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(jù)表中數(shù)據(jù)，請(qǐng)?jiān)趫D3-4所給定的坐標(biāo)系中描繪出阻值隨照度變化的曲線，并說(shuō)明阻值隨照度變化的特點(diǎn)．圖3-4(2)如圖3-5所示，當(dāng)1、2兩端所加電壓上升至2V時(shí)，控制開關(guān)自動(dòng)啟動(dòng)照明系統(tǒng)，請(qǐng)利用下列器材設(shè)計(jì)一個(gè)簡(jiǎn)單電路．給1、2兩端提供電壓，要求當(dāng)天色漸暗照度降低至(lx)時(shí)啟動(dòng)照明系統(tǒng)，在虛線框內(nèi)完成電路原理圖．圖3-5(不考慮控制開關(guān)對(duì)所設(shè)計(jì)電路的影響)提供的器材如下：光敏電阻Rp(符號(hào)，阻值見上表)；直流電源E(電動(dòng)勢(shì)3V，內(nèi)阻不計(jì))；定值電阻：R1＝10kΩ，R2＝20kΩ，R3＝40kΩ(限選其中之一并在圖中標(biāo)出)；開關(guān)S及導(dǎo)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(diǎn)：光敏電阻的阻值隨光照強(qiáng)度的增大非線性減?。?2)當(dāng)控制開關(guān)自動(dòng)啟動(dòng)照明系統(tǒng)，給1、2兩端提供電壓，要求當(dāng)天色漸暗照度降低至(lx)時(shí)啟動(dòng)照明系統(tǒng)，即此時(shí)光敏電阻阻值為20kΩ，兩端電壓為2V，電源電動(dòng)勢(shì)為3V，所以應(yīng)加上一個(gè)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(yīng)用問(wèn)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(zhuǎn)換為便于測(cè)量的電學(xué)量的器件，傳感器的應(yīng)用過(guò)程分為三個(gè)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(shí)，藥液有時(shí)會(huì)從針口流出體外，為了及時(shí)發(fā)現(xiàn)，設(shè)計(jì)了一種報(bào)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(shí)其電阻RM發(fā)生變化，導(dǎo)致S兩端電壓U增大，裝置發(fā)出警報(bào)，此時(shí)()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(dāng)RM變大時(shí)，回路的總電阻R總變大，根據(jù)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(xiàng)A、B錯(cuò)誤；當(dāng)RM變小時(shí)，回路的總電阻R總＝eq\f(1,\f(1,R)＋\f(1,RM))＋RS變小，根據(jù)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(shí)，對(duì)回路的總電阻變化的影響越明顯，故選項(xiàng)C正確，選項(xiàng)D錯(cuò)誤．【答案】C2．(多選)某同學(xué)設(shè)計(jì)的家庭電路保護(hù)裝置如圖3-7所示，鐵芯左側(cè)線圈L1由火線和零線并行繞成．當(dāng)右側(cè)線圈L2中產(chǎn)生電流時(shí)，電流經(jīng)放大器放大后，使電磁鐵吸起鐵質(zhì)開關(guān)K，從而切斷家庭電路．僅考慮L1在鐵芯中產(chǎn)生的磁場(chǎng)，下列說(shuō)法正確的有()圖3-7A．家庭電路正常工作時(shí)，L2中的磁通量為零B．家庭電路中使用的電器增多時(shí)，L2中的磁通量不變C．家庭電路發(fā)生短路時(shí)，開關(guān)K將被電磁鐵吸起D．地面上的人接觸火線發(fā)生觸電時(shí)，開關(guān)K將被電磁鐵吸起【解析】由于零線、火線中電流方向相反，產(chǎn)生的磁場(chǎng)方向相反，所以家庭電路正常工作時(shí)，L2中的磁通量為零，選項(xiàng)A正確；家庭電路短路和用電器增多時(shí)均不會(huì)引起L2的磁通量的變化，選項(xiàng)B正確，C錯(cuò)誤；地面上的人接觸火線發(fā)生觸電時(shí)，線圈L1中磁場(chǎng)變化引起L2中磁通量的變化，產(chǎn)生感應(yīng)電流，吸起K，切斷家庭電路，選項(xiàng)D正確．【答案】ABD3.熱敏電阻常用于溫度控制或過(guò)熱保護(hù)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(shí)導(dǎo)電能力________(選填“增強(qiáng)”或“減弱”)；相對(duì)金屬熱電阻而言，熱敏電阻對(duì)溫度變化的響應(yīng)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(shí)電阻減小，則導(dǎo)電能力增強(qiáng)．相對(duì)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(duì)溫度變化的響應(yīng)更敏感．【答案】增強(qiáng)敏感4．硅光電池在無(wú)光照時(shí)不產(chǎn)生電能，可視為一電子元件．某實(shí)驗(yàn)小組設(shè)計(jì)如圖3-9甲電路，給硅光電池加反向電壓(硅光電池負(fù)極接高電勢(shì)點(diǎn)，正極接低電勢(shì)點(diǎn))，探究其在無(wú)光照時(shí)的反向伏安特性．圖中電壓表V1量程選用3V，內(nèi)阻為kΩ；電壓表V2量程選用15V，內(nèi)阻約為30kΩ；R0為保護(hù)電阻；直流電源電動(dòng)勢(shì)E約為12V，內(nèi)阻不計(jì)．(1)根據(jù)圖甲，用筆畫線代替導(dǎo)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(guān)S，調(diào)節(jié)變阻器R，讀出電壓表V1、V2的示數(shù)U1、U2.①某次測(cè)量時(shí)，電壓表V1示數(shù)如圖丙，則U1＝________V，可算出通過(guò)硅光電池的反向電流大小為________mA(保留兩位小數(shù))．②該小組測(cè)出大量數(shù)據(jù)，篩選出下表所示的9組U1、U2數(shù)據(jù)，算出相應(yīng)的硅光電池兩端反向電壓Ux和通過(guò)的反向電流Ix(表中“－”表示反向)，并在坐標(biāo)紙上建立Ix-Ux坐標(biāo)系，標(biāo)出了與表中前5組Ux、Ix數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的5個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)．請(qǐng)你標(biāo)出余下的4個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)，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?zé)o光照下加反向電壓時(shí)，Ix與Ux成________