高中物理魯科版2第五章傳感器及其應(yīng)用單元測試 2023版第5章章末分層突破

章末分層突破[自我校對]①物理②化學(xué)③生物④光敏⑤熱敏⑥力電⑦電容式⑧力⑨紅外線⑩電容傳感器工作原理、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，這些輸出信號是非常微弱的，通常要經(jīng)過放大后，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．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)用過程是求解該類問題的關(guān)鍵．(2)與電路的結(jié)合問題．涉及到電路的動(dòng)態(tài)變化問題時(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)算問題時(shí)，由于敏感元件變化的特性，所以找準(zhǔn)對應(yīng)時(shí)刻、位置等，把握圖象的信息非常重要．如圖5－1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(guān)系曲線圖．圖5－1(1)為了通過測量得到圖所示I－U關(guān)系的完整曲線，在圖5－2甲和乙兩個(gè)電路中應(yīng)選擇的是圖________；簡要說明理由：_______________.(電源電動(dòng)勢為9V，內(nèi)阻不計(jì)，滑動(dòng)變阻器的阻值為0～100Ω)圖5－2(2)在如圖5－3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5－3【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)通過熱敏電阻的電流為I2，通過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(位移、速度、加速度等)轉(zhuǎn)換為電學(xué)信號(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)信號轉(zhuǎn)換成電學(xué)信號的儀器，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轉(zhuǎn)換成電信號的儀器，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)的原理把聲音信號轉(zhuǎn)換成電信號，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．如圖5－4所示，一熱敏電阻RT放在控溫容器M內(nèi)；?為毫安表，量程為6mA，內(nèi)阻為數(shù)十歐姆；E為直流電源，電動(dòng)勢約為3V，內(nèi)阻很??；R為電阻箱，最大阻值為Ω；S為開關(guān)．已知RT在95℃時(shí)的阻值為150Ω，在20℃時(shí)的阻值約為550Ω.現(xiàn)要求在降溫過程中測量在95℃～20℃之間的多個(gè)溫度下圖5－4(1)在圖中畫出連線，完成實(shí)驗(yàn)原理電路圖．(2)完成下列實(shí)驗(yàn)步驟中的填空：①依照實(shí)驗(yàn)原理電路圖連線．②調(diào)節(jié)控溫容器M內(nèi)的溫度，使得RT的溫度為95℃③將電阻箱調(diào)到適當(dāng)?shù)某踔担员ＷC儀器安全．④閉合開關(guān)，調(diào)節(jié)電阻箱，記錄電流表的示數(shù)I0，并記錄____________．⑤將RT的溫度降為T1(20℃<T1<95⑥溫度為T1時(shí)熱敏電阻的電阻值RT1＝____________________________.⑦逐步降低T1的數(shù)值，直至20℃為止；在每一溫度下重復(fù)步驟⑤⑥【導(dǎo)學(xué)號：05002135】【解析】(1)由于本實(shí)驗(yàn)只有一只可以測量和觀察的直流電流表，所以應(yīng)該用“替代法”，考慮到用電流表觀察而保證電路中電阻不變，因此將熱敏電阻、電阻箱和電流表串聯(lián)形成測量電路，如圖所示．而且熱敏電阻RT在95℃和20℃時(shí)的阻值是已知的，所以熱敏電阻的初始溫度為(2)①依照實(shí)驗(yàn)原理電路圖連線．②調(diào)節(jié)控溫容器M內(nèi)的溫度，使得RT溫度為95℃③將電阻箱調(diào)到適當(dāng)?shù)某踔担员ＷC儀器安全．④閉合開關(guān)，調(diào)節(jié)電阻箱，記錄電流表的示數(shù)I0，并記錄電阻箱的讀數(shù)R0.⑤將RT的溫度降為T1(20℃<T1<95℃)；調(diào)節(jié)電阻箱，使得電流表的讀數(shù)仍為I0，記錄電阻箱的讀數(shù)R⑥溫度為T1時(shí)熱敏電阻的電阻值RT1＝R0－R1＋150_Ω.⑦逐步降低T1的數(shù)值，直至20℃為止；在每一溫度下重復(fù)步驟⑤⑥【答案】(1)實(shí)驗(yàn)原理電路圖見解析(2)④電阻箱的讀數(shù)R0⑤仍為I0電阻箱的讀數(shù)R1⑥R0－R1＋150Ω傳感器應(yīng)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(zhuǎn)換為便于測量的電學(xué)量的器件，傳感器的應(yīng)用過程分為三個(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.(多選)美國科學(xué)家willardS．Boyle與GeorgeE．Smith因電荷耦合器件(CCD)的重要發(fā)明榮獲2023年度諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)．CCD是將光學(xué)量轉(zhuǎn)變成電學(xué)量的傳感器．下列器件可作為傳感器的有()A．發(fā)光二極管 B．熱敏電阻C．霍爾元件 D．干電池【解析】傳感器是能夠把一些非電學(xué)量轉(zhuǎn)換成電學(xué)量的元件．發(fā)光二極管是通電能夠發(fā)光的元件，A錯(cuò)誤；熱敏電阻是溫度變化引起電阻變化的元件，B正確；霍爾元件是磁場能夠引起電壓變化的元件，C正確；干電池是把化學(xué)能轉(zhuǎn)化成電能的器件，D錯(cuò)誤．【答案】BC2．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5－5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)()【導(dǎo)學(xué)號：05002136】圖5－5A．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】C3．(多選)某同學(xué)設(shè)計(jì)的家庭電路保護(hù)裝置如圖5－6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，下列說法正確的有()圖5－6A．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】ABD4．熱敏電阻常用于溫度控制或過熱保護(hù)裝置中．圖5－7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”)；相對金屬熱電阻而言，熱敏電阻對溫度變化的響應(yīng)更________(選填“敏感”或“不敏感”)．圖5－7【解析】由R－t圖像可知，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(yīng)更敏感．【答案】增強(qiáng)敏感5．硅光電池在無光照時(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5－8甲所示電路，給硅光電池加反向電壓(硅光電池負(fù)極接高電勢點(diǎn)，正極接低電勢點(diǎn))，探究其在無光照時(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5－8(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某次測量時(shí)，電壓表V1示數(shù)如圖丙所示，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(shù))．②該小組測出大量數(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)對應(yīng)的5個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)．請你標(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－－－－－－－圖5－9③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________(填“線性”或“非線性”)關(guān)系.【導(dǎo)學(xué)號：05002137】【解析】(1)實(shí)物圖如圖1所示圖1(2)①由題圖知，電壓表讀數(shù)為V，通過硅光電池的反向電流也等于通過電壓表V1的電流，故I＝eq\f(U1,RV1)＝eq\f,×103)A≈mA.②先在坐標(biāo)紙上描點(diǎn)，然后用平滑的曲線將其連接起來，如圖2所示．圖2③因圖線為曲線，故Ix與Ux成非線性關(guān)系．【答案】(1)如解析圖1所示(2)①②如解析圖2所示③非線性我還有這些不足：(1)____________________________________(