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2019-2020年高中物理 第三章 第一、二節(jié) 認識傳感器 探究傳感器的原理學案 粵教版選修3-2 1．知道什么是傳感器． 2．知道傳感器的分類． 1．傳感器是把能夠完成兩種量(光、熱、電、力學量和機械量等)之間的變換或轉(zhuǎn)換關(guān)系的元件． 2．傳感器目前一般可按如下方式進行分類：按被測量進行劃分，按傳感器的工作原理進行劃分，按能量傳遞方式進行劃分． 3．常見的傳感器有：溫度傳感器(隨溫度的變化而變化)，光電傳感器(隨光照強度的變化而變化)等． 日本一家大型化學公司開發(fā)出一種利用發(fā)光二極管種植蔬菜的新技術(shù)．試驗證實：用發(fā)光二極管種出的蔬菜比露天種出的蔬菜營養(yǎng)更豐富，口味也更好． 據(jù)介紹，發(fā)光二極管的外殼以塑料制成，長約1厘米，直徑為0.6厘米～0.7厘米，外形如同中藥膠囊，由于里面裝有以半導體化合物為原料的發(fā)光體，故通電后即會像燈泡一樣發(fā)光．以往的“蔬菜工廠”是為陽光不足地區(qū)也能種菜設立的，一般用日光燈代替太陽．而發(fā)光二極管顯然比日光燈甚至陽光更具優(yōu)勢，因為可發(fā)出紅、藍、綠、白等不同顏色的光，種植者只要對不同的色光作適當調(diào)整以便更高效地生產(chǎn)蔬菜．如，紅光可使作物光合作用更為活躍，藍光可使蘿卜等作物根部變大．利用對不同色光照射時間的調(diào)整，不僅可縮短作物的生長期，而且可使作物個頭更大，從而大大提高了產(chǎn)量．此外，蔬菜中糖分和維生素的含量也會根據(jù)光線顏色的不同和照射時間的長短出現(xiàn)變化．如：生菜只要多照紅光，光合作用就會活躍起來，所含糖分隨之增加，味道也會變得較甜；而大多數(shù)蔬菜照射較長時間紅光，所含維生素都會增加．掌握了這一規(guī)律，種植者便不難對所種蔬菜的營養(yǎng)成分和口味作調(diào)整． 目前，發(fā)光二極管價格雖仍偏高，但耗電量很低，壽命也長(約在5萬小時以上)，故汽車剎車燈、紅綠交通燈等也紛紛開始改用發(fā)光二極管．專家們預測，隨著發(fā)光二極管制作成本的逐步降低，它必將在更多領(lǐng)域發(fā)揮積極作用． 一、單項選擇題 1．在防治“非典”期間，在機場、車站等交通出入口，使用了紅外線熱像儀，紅外線熱像儀通過紅外線遙感，可檢測出經(jīng)過它時的發(fā)熱病人，從而可以有效控制疫情的傳播．關(guān)于紅外線熱像儀，下列說法正確的是(D) A．選擇紅外線進行檢測，主要是因為紅外線光子能量小，可以節(jié)約能量 B．紅外線熱像儀通過發(fā)射紅外線照射人體來檢測 C．紅外線熱像儀同時還具有殺菌作用 D．一切物體都能發(fā)射紅外線，而且物體在不同溫度下發(fā)射的紅外線的頻率和強度不同 解析：紅外線熱像儀是根據(jù)物體發(fā)射的紅外線的頻率和強度不同而工作的，故選項D正確． 2．如下圖所示，R1為定值電阻，R2為負溫度系數(shù)的熱敏電阻(負溫度系數(shù)熱敏電阻是指阻值隨溫度的升高而減小的熱敏電阻)，L為小燈泡，當溫度降低時(C) A．R1兩端的電壓增大 B．電流表的示數(shù)增大 C．小燈泡的亮度變強 D．小燈泡的亮度變?nèi)? 解析：溫度降低時R2的阻值增大，干路電流減小，R1兩端電壓、電流表示數(shù)都減小，燈泡兩端電壓變大、亮度變強．只有C項正確． 3．“嫦娥一號”衛(wèi)星上裝有8種24件探測儀器，其中可能有(D) A．味覺傳感器 B．氣體傳感器 C．聽覺傳感器 D．視覺傳感器 解析：“嫦娥一號”月球衛(wèi)星是為探測月球而發(fā)射的在軌衛(wèi)星，而月球上無氣體，所以不需要氣體傳感器和聽覺傳感器，當然也用不到味覺傳感器，真正需要的是為月球“畫像”的視覺傳感器——立體相機． 4．氧化錫傳感器主要用于汽車尾氣中一氧化碳濃度的檢測．它的電阻隨一氧化碳濃度的變化而變化，在如右圖所示的電路中，不同的一氧化碳濃度對應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應關(guān)系，觀察儀表指針就能判斷一氧化碳是否超標．有一種氧化錫傳感器，其電阻的倒數(shù)與一氧化碳的濃度成正比，那么，電壓表示數(shù)U與一氧化碳濃度c之間的對應關(guān)系正確的是(C) A．U越大，表示c越大，c與U成正比 B．U越大，表示c越小，c與U成反比 C．U越大，表示c越大，但是c與U不成正比 D．U越大，表示c越小，但是c與U不成反比 解析：由電路圖可知，U越大，表明通過電阻R0的電流越大，則氧化錫傳感器的電阻減小，由于題目中指出其“電阻的倒數(shù)與一氧化碳的濃度成正比”，則表示一氧化碳的濃度c變大．根據(jù)電路圖可知，c與U不成正比． 二、多項選擇題 5．電飯鍋工作時有兩種狀態(tài)：一種是鍋內(nèi)水燒干前的加熱狀態(tài)，另一種是鍋內(nèi)水燒干后的保溫狀態(tài)．如下圖所示是電飯鍋的電路原理示意圖，S是用感溫材料制造的開關(guān)，下列說法中正確的是(BD) A．其中R1是供加熱用的電阻絲 B．當開關(guān)S接通時電飯鍋為加熱狀態(tài)，S斷開時為保溫狀態(tài) C．要使R2在保溫狀態(tài)時的功率為加熱狀態(tài)時功率的一半，＝ D．要使R2在保溫狀態(tài)時的功率為加熱狀態(tài)時功率的一半，＝ 解析：由電路圖可知，不管S斷開還是閉合，加在電阻上的電壓都是220 V，所以根據(jù)P＝得接在電路的電阻越小，功率越大，所以S閉合的時候，R2處于加熱狀態(tài)，B正確；根據(jù)＝2得＝，所以D 也正確． 6．在如右圖所示的電路中，電池的電動勢為E，內(nèi)阻為r，R1為金屬電阻、R2為光敏電阻、R3為熱敏電阻．設電流表A的讀數(shù)為I，電壓表V1的讀數(shù)為U1，電壓表V2的讀數(shù)為U2，三個電阻中僅有一個的阻值發(fā)生變化，則下面的分析正確的是(AB) A．給R1升溫，I變小，U1變大 B．用光照R2，I變小，U2變大 C．給R3降溫，I變大，U1變大 D．給R1降溫，I變小，U1變小 解析：R1為金屬電阻：溫度越高，電阻值越大；R2為光敏電阻：光照越強，電阻值越??；R3為熱敏電阻：溫度越高，電阻值越小．則根據(jù)“串反并同”得，A選項給R1升溫，R1電阻值變大了，I減小，U1變大，A正確；B選項用光照R2，R2電阻值減小，則I變小，U2變大，B正確． 7．傳感器是把非電學物理量(如位移、速度、壓力、角度等)轉(zhuǎn)換成電學物理量(如電壓、電流、電量等)的一種元件．如下圖所示中的甲、乙、丙、丁是四種常見的電容式傳感器，下列說法正確的是(BD) A．圖甲中兩極間的電量不變，若電壓減少，可判斷出h變小 B．圖乙中兩極間的電量不變，若電壓增加，可判斷出θ變大 C．圖丙中兩極間的電壓不變，若有電流流向傳感器的負極，則x變大 D．圖丁中兩極間的電壓不變，若有電流流向傳感器的正極，則F變大 8．唱卡拉OK用的話筒內(nèi)有將聲音信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柕膫鞲衅?，其中一種是動圈式的，下圖是該傳感器的構(gòu)造原理圖．它的工作原理是，在彈性膜的后面粘接一個輕小的金屬線圈，線圈處于永久磁體的磁場之中，當聲波使膜片前后振動時，就將聲音信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枺铝姓f法正確的是(BC) A．該傳感器是根據(jù)電流的磁效應工作的 B．該傳感器是根據(jù)電磁感應原理工作的 C．膜片振動時，穿過金屬線圈的磁通量不斷改變 D．膜片振動時，金屬線圈中產(chǎn)生的感應電動勢保持不變 解析：根據(jù)圖可知，當聲波使膜片前后振動時，傳感器的線圈的磁通量不斷變化，產(chǎn)生不斷改變的感應電流，就把聲音轉(zhuǎn)化成了電信號．所以B、C正確． 9．某半導體的電阻隨溫度變化的關(guān)系曲線，則(CD) A．圖線1反映半導體材料的電阻隨溫度的變化 B．圖線2反映金屬導體的電阻隨溫度的變化 C．圖線1反映金屬導體的電阻隨溫度的變化 D．圖線2反映半導體材料的電阻隨溫度的變化 三、非選擇題(按題目要求作答．解答題應寫出必要的文字說明、方程和重要演算步驟，答案中必須明確寫出數(shù)值和單位．) 10．傳感器是把非電學量(如速度、溫度、壓力等)的變化轉(zhuǎn)換成電學量的變化的一種元件，在自動控制中有著相當廣泛的應用．有一種測量人的體重的電子秤，其測量部分的原理圖如圖中的虛線框所示，它主要由壓力傳感器R(電阻值會隨所受壓力大小發(fā)生變化的可變電阻)、顯示體重大小的儀表A(實質(zhì)是理想的電流表)組成．壓力傳感器表面能承受的最大壓強為1107 Pa，且已知壓力傳感器R的電阻與所受壓力的關(guān)系如下表所示．設踏板和壓桿的質(zhì)量可以忽略不計，接通電源后，壓力傳感器兩端的電壓恒為4.8 V，取g＝10 m/s2.請回答： 壓力F/N 0 250 500 750 1 000 1 250 1 500 … 電阻R/Ω 300 270 240 210 180 150 120 … (1)該秤零起點(即踏板空載時)的刻度線應標在電流表刻度盤________A處． (2)如果某人站在該秤踏板上，電流表刻度盤的示數(shù)為20 mA，則這個人的體重是________kg. 解析：(1)由圖表知，踏板空載時，壓力傳感器電阻R＝300 Ω，此時A中電流I＝＝ A＝1.610－2 A. (2)當電流I＝20 mA＝2010－3 A時，壓力傳感器的電阻R＝＝ Ω＝240 Ω， 對應表格中，這個人的質(zhì)量為50 kg. 答案：(1)1.610－2　(2)50 11．如圖所示為檢測某傳感器的電路圖．傳感器上標有“3 V 0.9 W”的字樣(傳感器可看作一個純電阻)，滑動變阻器R0上標有“10 Ω 1 A”的字樣，電流表的量程為0.6 A，電壓表的量程為3 V．求： (1)傳感器的電阻和額定電流． (2)為了確保電路各部分的安全，在a、b之間所加的電源電壓最大值是多少？ (3)如果傳感器的電阻變化超過標準值1 Ω，則該傳感器就失去作用．實際檢測時，將一個恒壓電源加在圖中a、b之間，閉合開關(guān)S，通過調(diào)節(jié)R0來改變電路中的電流和R0兩端的電壓．檢測記錄如下 電壓表示數(shù)U/V 電流表示數(shù)I/A 第一次 1.48 0.16 第二次 0.91 0.22 若不計檢測電路對傳感器電阻的影響，你認為這個傳感器是否仍可使用？此時a、b間所加的電壓是多少？ 解析：(1)R傳＝＝ Ω＝10 Ω I傳＝＝A＝0.3 A. (2)最大電流I＝I傳＝0.3 A 電源電壓最大值Um＝U傳＋U0 U傳為傳感器的額定電壓，U0為R0m＝10 Ω時R0兩端的電壓，即U0＝I傳R0m＝0.310 V＝3 V Um＝U傳＋U0＝3 V＋3 V＝6 V. (3)設實際檢測時加在a、b間的電壓為U，傳感器的實際電阻為R傳′，根據(jù)第一次實驗記錄數(shù)據(jù)有：U＝I1R傳′＋U1 根據(jù)第二次實驗記錄數(shù)據(jù)有U＝I2R傳′＋ U2 代入數(shù)據(jù)，解得：R傳′＝9.5 Ω，U＝3 V 傳感器的電阻變化為ΔR＝R傳－R傳′＝10 Ω－9.5 Ω＝0.5 Ω＜1 Ω，所以此傳感器仍可使用． 答案：見解析