高中物理教科版2第二章交變電流 2023版第3章章末分層突破

章末分層突破[自我校對(duì)]①非電學(xué)②電學(xué)③光敏④熱敏⑤金屬熱⑥力⑦溫度⑧力⑨聲⑩溫度?光常見(jiàn)敏感元件及其特性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小．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．如圖3-1所示，有的計(jì)算機(jī)鍵盤(pán)的每一個(gè)鍵下面都連一小塊金屬片，與該金屬片隔有一定空隙還有另一塊小的固定金屬片，這兩塊金屬片組成一個(gè)小電容器，該電容器的電容C可用公式C＝eeq\f(S,d)計(jì)算，式中常量e＝9×10－12F·m－1，S表示金屬片的正對(duì)面積，d表示兩金屬片間的距離．當(dāng)鍵被按下時(shí)，此小電容器的電容發(fā)生變化，與之相連的電子線路就能檢測(cè)出哪個(gè)鍵被按下了，從而給出相應(yīng)的信號(hào)．設(shè)每個(gè)金屬片的正對(duì)面積為50mm2，鍵未被按下時(shí)兩金屬片間的距離為0.6mm.如果電容變化了pF，電子線路恰能檢測(cè)出必要的信號(hào)，則鍵至少要被按下________mm.圖3-1【解析】計(jì)算機(jī)鍵盤(pán)是一個(gè)電容傳感器，由題意知它是靠改變兩極板間距從而改變電容，得到相應(yīng)的電信號(hào)．又因兩極板間距減小，電容變大，設(shè)原間距為d0，按下鍵后間距為d時(shí)電子線路恰能檢測(cè)出必要的信號(hào)，則根據(jù)C＝eeq\f(S,d)，ΔC＝eSeq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,d)－\f(1,d0)))得d＝eq\f(eSd0,ΔC·d0＋eS)＝eq\f(9×10－12×50×10－6××10－3,×10－12××10－3＋9×10－12×50×10－6)m＝×10－3m＝0.45mm所以鍵至少要被按下的距離為0.6mm－0.45mm＝0.15mm.【答案】日常生活中常見(jiàn)的傳感器1．紅外線傳感器紅外線傳感器接收攜帶著信息的紅外線，轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，從而得知輻射源的相關(guān)參數(shù)或信息．自然界幾乎所有的物體都能輻射波長(zhǎng)在μm～1000μm的電磁波即紅外線，因此紅外線傳感器不僅被廣泛用于航空攝影、衛(wèi)星遙感遙測(cè)等高科技領(lǐng)域，也被廣泛用于日常生活中，自動(dòng)門(mén)、生命探測(cè)器、非接觸式紅外測(cè)溫儀、家電遙控系統(tǒng)以及防盜、防火報(bào)警器等均使用了紅外線敏感傳感器．自動(dòng)門(mén)就應(yīng)用了紅外線傳感器．自動(dòng)門(mén)的工作流程如圖3-2所示．當(dāng)有人接近自動(dòng)門(mén)時(shí)，傳感器接收到人體發(fā)出的紅外線，產(chǎn)生電壓輸出信號(hào)；信號(hào)經(jīng)過(guò)電路處理后，使定時(shí)器工作；由定時(shí)器構(gòu)成的電路使繼電器通電，自動(dòng)門(mén)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，門(mén)自動(dòng)打開(kāi)；當(dāng)人通過(guò)自動(dòng)門(mén)幾秒鐘后，定時(shí)器又使繼電器斷電，自動(dòng)門(mén)電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)，門(mén)自動(dòng)關(guān)閉．圖3-22．壓力傳感器全自動(dòng)洗衣機(jī)的水位控制裝置中使用了壓力傳感器．圖3-3(a)中1和2分別是洗衣機(jī)的外筒和內(nèi)筒，3是氣室，4是傳感器的膜盒．氣室下部與外筒連通，上部與軟管、傳感器的膜盒連通．向內(nèi)筒中注水時(shí)，水通過(guò)內(nèi)筒壁上的小孔流入外筒，部分水進(jìn)入氣室，氣室內(nèi)被密封的空氣壓強(qiáng)增大，使傳感器的膜片向上凸起如圖(b)所示，當(dāng)筒中水位到達(dá)設(shè)定的高度時(shí)，凸起的膜片使動(dòng)觸點(diǎn)a與靜觸點(diǎn)b脫離，并與靜觸點(diǎn)c接觸，從而接通控制電路，關(guān)閉進(jìn)水電磁閥門(mén)，接通洗滌電動(dòng)機(jī)電源，開(kāi)始洗滌衣物．圖3-33．電腦中的傳感器電腦常用的兩種溫度傳感器：熱敏電阻傳感器和集成溫度傳感器．以下是這兩種溫度傳感器的工作原理．(1)熱敏電阻傳感器熱敏電阻傳感器按溫度對(duì)電阻變化的影響一般可分為正溫度系數(shù)熱敏電阻、負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻，以及臨界溫度系數(shù)熱敏電阻．正溫度系數(shù)熱敏電阻及臨界溫度系數(shù)熱敏電阻的電阻特性會(huì)在特定溫度下發(fā)生急劇變化，適用于溫度檢測(cè)或控制．負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻主要為氧化錳、氧化鈷、氧化鎳、氧化銅和氧化鋁等金屬氧化物的復(fù)合燒結(jié)體，這些金屬氧化物材料都具有半導(dǎo)體性質(zhì)，當(dāng)溫度較低時(shí)，半導(dǎo)體內(nèi)的電子——空穴對(duì)數(shù)目較少，因此電阻較高．當(dāng)溫度升高時(shí)，熱敏電阻內(nèi)的電子——空穴對(duì)數(shù)目增加，因此導(dǎo)電率增加，電阻值下降．(2)集成溫度傳感器集成溫度傳感器是目前電腦普遍采用的溫度傳感器，具有精確度高、響應(yīng)速度快、體積小、功耗低、軟件界面控制方便等優(yōu)點(diǎn)．溫度檢測(cè)的主要機(jī)制為集成溫度傳感器內(nèi)部的電流源和ADC，集成溫度傳感器的工作原理是利用半導(dǎo)體PN正向?qū)ǎ闺妷号c溫度變化呈反向線性關(guān)系，所以后續(xù)處理電路可將正向?qū)妷鹤兓厔?shì)圖線表述為被測(cè)溫度的變化趨勢(shì)．4．酒精濃度測(cè)試儀機(jī)動(dòng)車(chē)駕駛員酒后駕車(chē)，極易發(fā)生道路交通事故，嚴(yán)重危害交通安全和人身財(cái)產(chǎn)安全．怎樣才能判定駕駛員酒后駕車(chē)呢？人飲酒后，酒精通過(guò)消化系統(tǒng)被人體吸收，經(jīng)血液循環(huán)，約有90%的酒精通過(guò)肺部呼氣排出，因此測(cè)量呼氣的酒精含量就可以判斷其飲酒程度．我國(guó)已制成對(duì)低濃度酒精有高靈敏性的酒精傳感器．交通警察使用這樣的酒精傳感器就能迅速、準(zhǔn)確地檢查出機(jī)動(dòng)車(chē)駕駛員是否酒后駕車(chē)．氧化錫傳感器主要用于汽車(chē)尾氣中一氧化碳濃度的檢測(cè)．它的電阻隨一氧化碳濃度的變化而變化，在如圖3-4甲所示的電路中，不同的一氧化碳濃度對(duì)應(yīng)著傳感器的不同電阻，這樣，顯示儀表的指針就與一氧化碳濃度有了對(duì)應(yīng)關(guān)系，觀察儀表指針就能判斷一氧化碳濃度是否超標(biāo)，有一種氧化錫傳感器，其技術(shù)資料中給出的是電導(dǎo)(即電阻的倒數(shù))——濃度曲線如圖乙，電壓表示數(shù)U0與一氧化碳濃度c之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系正確的是()甲乙圖3-4【解析】當(dāng)一氧化碳濃度增大時(shí)，傳感器的電導(dǎo)增大，電阻R傳減小，由閉合電路歐姆定律知，電路中的電流I＝E/(R0＋R＋R傳＋r)增大，電壓表的示數(shù)U0＝IR0＝ER0/(R0＋R＋R傳＋r)增大，故C、D錯(cuò)誤，由題圖知，傳感器的電導(dǎo)與濃度成正比，傳感器的電阻R傳與濃度成反比，但電壓表的示數(shù)U0與傳感器的電阻R傳并不成正比關(guān)系，所以，電壓表示數(shù)U0與一氧化碳濃度c之間的關(guān)系圖線并不是直線，A錯(cuò)，答案為B.【答案】B傳感器的應(yīng)用過(guò)程包括三個(gè)環(huán)節(jié)：感、傳、用1．“感”是指?jìng)鞲衅鞯拿舾性惺苄畔?，并轉(zhuǎn)換為電學(xué)量．2．“傳”是指通過(guò)電路等將傳感器敏感元件獲取并轉(zhuǎn)換的電學(xué)信息傳給執(zhí)行機(jī)構(gòu)．3．“用”是指執(zhí)行機(jī)構(gòu)利用傳感器傳來(lái)的信息進(jìn)行某種顯示或某種動(dòng)作．1.如圖3-5所示為一種常見(jiàn)的身高體重測(cè)量?jī)x．測(cè)量?jī)x頂部向下發(fā)射波速為v的超聲波，超聲波經(jīng)反射后返回，被測(cè)量?jī)x接收，測(cè)量?jī)x記錄發(fā)射和接收的時(shí)間間隔．質(zhì)量為M0的測(cè)重臺(tái)置于壓力傳感器上，傳感器輸出電壓與作用在其上的壓力成正比．當(dāng)測(cè)重臺(tái)沒(méi)有站人時(shí)，測(cè)量?jī)x記錄的時(shí)間間隔為t0，輸出電壓為U0，某同學(xué)站上測(cè)重臺(tái)，測(cè)量?jī)x記錄的時(shí)間間隔為t，輸出電壓為U，則該同學(xué)身高和質(zhì)量分別為()【導(dǎo)學(xué)號(hào)：46042180】圖3-5A．v(t0－t)，eq\f(M0,U0)UB．eq\f(1,2)v(t0－t)，eq\f(M0,U0)UC．v(t0－t)，eq\f(M0,U0)(U－U0)D．eq\f(1,2)v(t0－t)，eq\f(M0,U0)(U－U0)【解析】設(shè)人的身高為x，質(zhì)量為m.當(dāng)測(cè)重臺(tái)沒(méi)有站人時(shí)：eq\f(H,v)＝eq\f(t0,2) ①當(dāng)人站在測(cè)重臺(tái)上時(shí)：eq\f(H－x,v)＝eq\f(t,2) ②由①②兩式得人的身高x＝eq\f(1,2)v(t0－t)當(dāng)測(cè)重臺(tái)上沒(méi)站人時(shí)：M0g＝kU0 當(dāng)人站在測(cè)重臺(tái)上時(shí)：(M0＋m)g＝kU ④由③④兩式得人的質(zhì)量m＝eq\f(M0,U0)(U－U0)可知選項(xiàng)D正確．【答案】D2．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)()【導(dǎo)學(xué)號(hào)：46042181】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】C3．(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(kāi)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(kāi)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(kāi)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】ABD4．(多選)有一種測(cè)量物體重量的電子秤，其電路原理圖如圖3-8中的虛線部分所示，主要由三部分構(gòu)成：踏板、壓力傳感器(實(shí)際上是一個(gè)阻值可隨壓力變化的電阻器)、顯示重量的儀表G(實(shí)質(zhì)上是電流表)．不計(jì)踏板的質(zhì)量，已知電流表的量程為2A，內(nèi)阻為1Ω，電源電動(dòng)勢(shì)為12V，內(nèi)阻為1Ω，壓力傳感器的電阻R隨壓力F變化的函數(shù)關(guān)系式為R＝30－0.01F(F和R【導(dǎo)學(xué)號(hào)：46042182】圖3-8A．該電子秤能測(cè)量的最大重量是2600NB．該電子秤零刻度線(即踏板空載時(shí)的刻度線)應(yīng)標(biāo)在電流表G刻度盤(pán)的0.375A處C．電流表G的量程越大，則能測(cè)量的最大重量越小D．該電子秤可以通過(guò)電路規(guī)律轉(zhuǎn)換成F＝3200＋eq\f(1200,I)(F、I的單位分別為N、A)關(guān)系進(jìn)行刻度轉(zhuǎn)換【解析】由題意知，F(xiàn)越大R越小，當(dāng)電路中電流達(dá)到電流表最大量程時(shí)，壓力最大，電路中最大電流為2A，則電路中總電阻R總＝eq\f(E,Im)＝eq\f(12,2)Ω＝6Ω，壓力傳感器的接入電阻為4Ω，最大測(cè)量壓力為2600N，選項(xiàng)A正確；當(dāng)壓力為零時(shí)，壓力傳感器的電阻為30Ω，則電路中電流I＝eq\f(E,r＋R＋RG)＝eq\f(12,32)A＝0.375A，故零刻度在0.375A處，選項(xiàng)B正確；由閉合電路歐姆定律可知，I＝eq\f(E,r＋R＋RG)，而R＝30－0.01F，代入可得F＝3200－eq\f(1200,I)(F、I的單位分別為N、A)，故選項(xiàng)D錯(cuò)誤；由上式可以看出，電流I越大，F(xiàn)越大，即電流表G的量程越大，能測(cè)量的最大重量越大，選項(xiàng)C錯(cuò)誤．【答案】AB5．現(xiàn)要組裝一個(gè)由熱敏電阻控制的報(bào)警系統(tǒng)，要求當(dāng)熱敏電阻的溫度達(dá)到或超過(guò)60℃時(shí)，系統(tǒng)報(bào)警．提供的器材有：熱敏電阻，報(bào)警器(內(nèi)阻很小，流過(guò)的電流超過(guò)Ic時(shí)就會(huì)報(bào)警)，電阻箱(最大阻值為Ω)，直流電源(輸出電壓為U，內(nèi)阻不計(jì))，滑動(dòng)變阻器R1(最大阻值為1000Ω)，滑動(dòng)變阻器R2在室溫下對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)．已知U約為18V，Ic約為10mA；流過(guò)報(bào)警器的電流超過(guò)20mA時(shí)，報(bào)警器可能損壞；該熱敏電阻的阻值隨溫度升高而減小，在60℃時(shí)阻值為【導(dǎo)學(xué)號(hào)：46042183】(1)完成待調(diào)節(jié)的報(bào)警系統(tǒng)原理電路圖的連線．圖3-9(2)電路中應(yīng)選用滑動(dòng)變阻器________(選填“R1”或“R2(3)按照下列步驟調(diào)節(jié)此報(bào)警系統(tǒng)：①電路接通前，需將電阻箱調(diào)到一固定的阻值，根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求，這一阻值為_(kāi)_______Ω；滑動(dòng)變阻器的滑片應(yīng)置于________(選填“a”或“b”)端附近，不能置于另一端的原因是____________________________________________________________________________________________________________.②將開(kāi)關(guān)向________(選填“c”或“d”)端閉合，緩慢移動(dòng)滑動(dòng)變阻器的滑片，直至________________________________________________________．(4)保持滑動(dòng)變阻器滑片的位置不變，將開(kāi)關(guān)向另一端閉合，報(bào)警系統(tǒng)即可正常使用．【解析】(1)電路圖連接如圖．(2)報(bào)警器開(kāi)始報(bào)警時(shí)，對(duì)整個(gè)回路有U＝Ic(R滑＋R熱)代入數(shù)據(jù)可得R滑＝1Ω，因此滑動(dòng)變阻器應(yīng)選擇R2.(3)①在調(diào)節(jié)過(guò)程中，電阻箱起到等效替代熱敏電阻的作用，電阻箱的阻值應(yīng)為報(bào)警器報(bào)警時(shí)熱敏電阻的阻值，即為Ω.滑動(dòng)變阻器在電路中為限流接法，滑片應(yīng)置于b端附近，若置于另一端a時(shí)，閉合開(kāi)關(guān)，則電路中的電流I＝eq\f(18,A≈mA，超過(guò)報(bào)警器最大電流20mA，報(bào)警器可能損壞．②開(kāi)關(guān)應(yīng)先向c端閉合，移動(dòng)滑動(dòng)變阻器的滑片，直至報(bào)警器開(kāi)始報(bào)警為止．【答案】(1)連線如解析圖所示．(2)R2(3)①b接通電源后，流過(guò)報(bào)警器的電流會(huì)超過(guò)20mA，報(bào)警器可能損壞②c報(bào)警器開(kāi)始報(bào)警6．青島奧運(yùn)會(huì)帆船賽場(chǎng)采用風(fēng)力發(fā)電給蓄電池充電，為路燈提供電能．用光敏電阻作為傳感器控制路燈電路的開(kāi)關(guān)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制．光敏電阻的阻值隨照射光的強(qiáng)弱而變化，作為簡(jiǎn)化模型，可以近似認(rèn)為，照射光較強(qiáng)(如白天)時(shí)電阻幾乎為0；照射光較弱(如黑天)時(shí)電阻接近于無(wú)窮大．利用光敏電阻作為傳感器，借助電磁開(kāi)關(guān)，可以實(shí)現(xiàn)路燈自動(dòng)在白天關(guān)閉，黑天打開(kāi)．電磁開(kāi)關(guān)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3-10所示.1、2兩接線柱之間是勵(lì)磁線圈，3、4兩接線柱分別與彈簧片和觸點(diǎn)連接．當(dāng)勵(lì)磁線圈中電流大于50mA時(shí)，電磁鐵吸合鐵片，彈簧片和觸點(diǎn)分離，3、4斷開(kāi)；電流小于50mA時(shí)，3、4接通，勵(lì)磁線圈中允許通過(guò)的最大電流為100mA.電磁開(kāi)關(guān)內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖圖3-10(1)利用以下器材設(shè)計(jì)一個(gè)自動(dòng)控制路燈的電路，畫(huà)出電路原理圖．光敏電阻R1，符號(hào)燈泡L，額定功率40W，額定電壓36V，符號(hào)保護(hù)電阻R2，符號(hào)電磁開(kāi)關(guān)，符號(hào)畜電池E，電壓36V，內(nèi)阻很??；開(kāi)關(guān)S，導(dǎo)線若干．(2)回答下列問(wèn)題：①如果勵(lì)磁線圈的電阻為200Ω，勵(lì)磁線圈允許加的最大電壓為_(kāi)_______V，保護(hù)電阻R2的阻值范圍為_(kāi)_______Ω.②在有些應(yīng)用電磁開(kāi)關(guān)的場(chǎng)合，為了安全，往往需要在電磁鐵吸合鐵片時(shí)，接線柱3、4之間從斷開(kāi)變?yōu)榻油ǎ疄榇?，電磁開(kāi)關(guān)內(nèi)部結(jié)構(gòu)應(yīng)如何改造？請(qǐng)結(jié)合本題中電磁開(kāi)關(guān)內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖說(shuō)明．③任意舉出一個(gè)其他的電磁鐵應(yīng)用的例子．【解析】(1)要使光敏電阻能夠?qū)﹄娐愤M(jìn)行控制，且有光照時(shí)路燈熄滅，光敏電阻應(yīng)與1、2串聯(lián)，3、4與路燈串聯(lián)，則電路如圖所示．(2)①Um＝ImR＝100×10－3×200V＝20V；E＝I(R2＋R1)，其中50mA<I≤100mA，解得R2在160～520Ω之間．②把觸點(diǎn)從彈簧片右側(cè)移到彈簧片左側(cè)，保證當(dāng)電磁鐵吸合鐵片時(shí)3、4之間接通，不吸合時(shí)3、4之間斷開(kāi)．③電磁起重機(jī)【答案】(1)見(jiàn)解析(2)①20160～520②把觸點(diǎn)從彈簧片右側(cè)移到彈簧片左側(cè)，保證