新教材2023~2024學(xué)年高中物理 5.1 常見傳感器的工作原理課件 （3份打包）魯科版選擇性必修第二冊

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第5章

第1節(jié)常見傳感器的工作原理

學(xué)習(xí)目標(biāo)思維導(dǎo)圖

1.知道什么是傳感器,感受傳感器的作用和意義。(物理觀念)2.知道光敏元件、熱敏元件和磁敏元件,了解它們的用途。(科學(xué)思維)3.知道非電學(xué)量轉(zhuǎn)換成電學(xué)量的技術(shù)意義。(科學(xué)思維)

基礎(chǔ)落實·必備知識全過關(guān)

重難探究·能力素養(yǎng)全提升

目錄索引

學(xué)以致用·隨堂檢測全達標(biāo)

基礎(chǔ)落實·必備知識全過關(guān)

一、初識傳感器

1.傳感器:能夠感受,并將其按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成

(主要是)的器件或裝置。

2.傳感器功能:傳感器通常用在自動測量和自動控制系統(tǒng)中,擔(dān)負(fù)著信息

和任務(wù),把量轉(zhuǎn)化為量。

想一想為什么傳感器一般都是將感受到的非電學(xué)量轉(zhuǎn)換成電學(xué)量呢

外界信息

可用輸出信號

電信號

采集

轉(zhuǎn)化

非電學(xué)

電學(xué)

提示電學(xué)量具有易測量,易控制,測量精度和速度較高,易放大、反饋、存儲和可遠距離傳輸?shù)忍攸c。特別是電信號能方便地與計算機連接而進行信息處理,所以傳感器一般都是將感受到的非電學(xué)量轉(zhuǎn)換成電學(xué)量。

二、敏感元件

1.光敏元件

(1)特點:光照越強,電阻。

(2)原因:光敏電阻的構(gòu)成物質(zhì)為半導(dǎo)體材料。當(dāng)光照射到這些半導(dǎo)體物質(zhì)上時,會激發(fā)半導(dǎo)體內(nèi)部受束縛的電子,其電阻值就會發(fā)生改變。光照越強,被激發(fā)的電子數(shù)就,電阻值就。

越小

越多

越小

2.熱敏元件

(1)熱敏電阻

熱敏電阻是利用半導(dǎo)體的電阻會隨溫度的變化而變化的特性制成的。

(2)兩種熱敏電阻:在工作溫度范圍內(nèi),電阻值隨溫度升高而的是正溫度系數(shù)(PTC)熱敏電阻;電阻值隨溫度升高而的是負(fù)溫度系數(shù)(NTC)熱敏電阻。

3.磁敏元件

(1)霍爾元件是根據(jù)材料的效應(yīng)制成的一種磁敏元件。

(2)霍爾元件可將的測量轉(zhuǎn)化為的測量。

增大

減小

半導(dǎo)體

霍爾

磁感應(yīng)強度

電壓

想一想熱敏電阻和金屬熱電阻都能把溫度這個熱學(xué)量轉(zhuǎn)換為電阻這個電學(xué)量嗎

提示熱敏電阻和金屬熱電阻都能把溫度這個熱學(xué)量轉(zhuǎn)換為電阻這個電學(xué)量。

易錯辨析判一判

(1)傳感器的作用是將電學(xué)量轉(zhuǎn)換為非電學(xué)量。()

(2)監(jiān)測天氣變化的氣象衛(wèi)星用到了傳感器。()

(3)所有傳感器的工作原理都一樣。()

(4)傳感器內(nèi)部一定有某種轉(zhuǎn)換元件。()

×

提示傳感器的作用是將非電學(xué)量轉(zhuǎn)換為電學(xué)量。

√

×

提示不同的傳感器的原理不同,但都是通過敏感元件把非電學(xué)量的變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡妼W(xué)量的變化。

√

即學(xué)即用練一練

1.下列有關(guān)傳感器的說法正確的是()

A.話筒是一種常用的聲傳感器,其作用是將電信號轉(zhuǎn)換為聲信號

B.樓梯口的電燈開關(guān)裝的兩種傳感器是熱敏電阻和光敏電阻

C.電子秤所使用的測力裝置是力傳感器

D.半導(dǎo)體熱敏電阻常用作溫度傳感器,因為溫度越高,它的電阻值越大

C

解析話筒是一種常用的聲傳感器,其作用是將聲信號轉(zhuǎn)換為電信號,故A錯誤;樓梯口的電燈開關(guān)裝的兩種傳感器是聲敏電阻和光敏電阻,故B錯誤;電子秤所使用的測力裝置是壓力傳感器,故C正確;有些半導(dǎo)體熱敏電阻的阻值隨溫度的升高而降低,故D錯誤。

2.傳感器已廣泛應(yīng)用在生產(chǎn)、生活中,下列關(guān)于傳感器的說法正確的是

()

A.火警報警器使用了壓力傳感器

B.冰箱控溫系統(tǒng)使用了溫度傳感器

C.商場里的自動門使用了光傳感器

D.夜間自動打開的路燈使用了溫度傳感器

B

解析火警報警器使用了溫度傳感器,故A錯誤;冰箱控溫系統(tǒng)使用了溫度傳感器,故B正確;一般人體都有恒定的體溫,所以會發(fā)出特定波長的紅外線,被動式紅外探頭就是靠探測人體發(fā)射的紅外線而進行工作的,人走向門口時,門會自動打開,是因為安裝了紅外線傳感器,從而能感知紅外線,使門打開,故C錯誤;燈要求夜晚亮、白天熄,而白天有光,黑夜沒有光,所以夜間自動打開的路燈是利用光電傳感器,故D錯誤。

重難探究·能力素養(yǎng)全提升

探究一初識傳感器

情境探究

為解決樓道里的照明問題,在樓道內(nèi)安裝一個傳感器與控制電燈的電路連接。當(dāng)樓道內(nèi)有人走動而發(fā)出聲響時,電燈即與電源接通而發(fā)光。

(1)這種傳感器是什么傳感器

(2)它的輸入信號是什么

(3)它的輸出信號是什么

要點提示(1)這種傳感器是聲電傳感器。

(2)它輸入的是聲信號。

(3)輸出的是電信號。

知識歸納

1.傳感器感受的通常是非電學(xué)量,如壓力、溫度、位移、濃度、速度、酸堿度等,而它輸出的通常是電學(xué)量,如電壓、電流、電荷量等,這些輸出信號是非常微弱的,通常要經(jīng)過放大后再輸送給控制系統(tǒng)產(chǎn)生各種控制動作。

2.傳感器的工作原理如下所示:

非電學(xué)量→電學(xué)量

閃光語錄傳感器的發(fā)展十分迅速,其品種已達數(shù)萬種,我們學(xué)習(xí)了解的只是最基本的幾種而已。

應(yīng)用體驗

典例1傳感器可以進行信息采集并把采集到的信息轉(zhuǎn)換為易于控制的量,其工作過程可能是()

A.將力學(xué)量(如形變量)轉(zhuǎn)換成磁學(xué)量

B.將電學(xué)量轉(zhuǎn)換成熱學(xué)量

C.將光學(xué)量轉(zhuǎn)換成電學(xué)量

D.將電學(xué)量轉(zhuǎn)換成力學(xué)量

C

解析傳感器是指能夠感受諸如力、溫度、光、聲、化學(xué)成分等非電學(xué)量,并能把它們按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換為電壓、電流等電學(xué)量或轉(zhuǎn)換為控制電路的通斷的一類元件,故只有C項正確。

針對訓(xùn)練1

(2023廣東東莞東華高級中學(xué)模擬)電容式傳感器的原理圖如圖所示,其中某個量的變化能夠引起電容的變化,現(xiàn)通過測定電容就可以確定上述物理量的變化。下列說法正確的是()

A.傳感器是通過電容的變化確定液面高度的變化

B.傳感器是通過電容的變化確定電介質(zhì)厚度的變化

C.液面升高,則電容器的介電常數(shù)變大

D.液面升高,則電容器的正對面積變小

A

解析由傳感器原理圖可知,液體高度變化,引起電容器的正對面積變化,從而引起電容的變化,A項正確,B項錯誤;電容器的介電常數(shù)由材料決定,液面升高,電容器的介電常數(shù)不變,C項錯誤;液面升高,電容器的正對面積變大,D項錯誤。

探究二光敏元件

情境探究

在工廠生產(chǎn)車間的生產(chǎn)線上安裝計數(shù)器后,就可以準(zhǔn)確得知生產(chǎn)產(chǎn)品的數(shù)量。如圖所示為光敏電阻自動計數(shù)器的示意圖,其中R1為光敏電阻,R2為定值電阻。

(1)當(dāng)光被產(chǎn)品擋住時,R1電阻怎樣變化

(2)當(dāng)光被產(chǎn)品擋住時,電路中電流怎樣變化

(3)當(dāng)光被產(chǎn)品擋住時,R2兩端電壓怎樣變化

(4)此光電計數(shù)器為什么能計數(shù)

要點提示(1)增大。

(2)減小。

(3)減小。

(4)R2兩端電壓減小,信號處理系統(tǒng)得到低電壓,每通過一個產(chǎn)品就獲得一次低電壓,并計數(shù)一次。

知識歸納

1.光敏電阻的導(dǎo)電特性:光敏電阻一般由半導(dǎo)體材料做成,當(dāng)半導(dǎo)體材料受到光照時,會有更多的電子獲得能量成為自由電子,于是導(dǎo)電性能明顯增強。

2.光敏電阻特性驗證實驗設(shè)計

(1)實驗器材:光敏電阻、多用電表、導(dǎo)線、開關(guān)。

(2)實驗步驟

①用多用電表歐姆擋兩表筆與光敏電阻兩端連接,測光敏電阻的阻值,如圖所示;

②手張開(或用黑紙)放在光敏電阻上,擋住部分光線,再測光敏電阻的阻值;

③全部擋住光線,再測光敏電阻的阻值。

(3)實驗結(jié)論:光敏電阻的阻值隨光照強度的減弱而增大,而且阻值的變化是非線性的。

閃光語錄由光敏電阻的特性曲線可以看出,當(dāng)入射光線增強時,光敏電阻的阻值減小,流過光敏電阻的電流增大。

應(yīng)用體驗

典例2(多選)如圖所示是用光敏電阻LDR和燈泡制成的一種簡易水污染指示器,下列說法正確的是()

A.嚴(yán)重污染時,LDR是高電阻

B.輕度污染時,LDR是高電阻

C.無論污染程度如何,LDR的電阻不變,阻值大小由材料本身因素決定

D.該儀器的使用會因為白天和晚上受到影響

AD

解析嚴(yán)重污染時,透過污水照到LDR上的光線較少,LDR電阻較大,A正確,B錯誤;LDR由半導(dǎo)體材料制成,受光照影響電阻會發(fā)生變化,C錯誤;白天和晚上自然光強弱不同,或多或少會影響LDR的電阻,D正確。

規(guī)律方法光敏電阻的特點

1.光敏電阻能夠把光照強弱這個光學(xué)量轉(zhuǎn)換為電阻這個電學(xué)量。

2.光敏電阻器是利用半導(dǎo)體的光敏效應(yīng)制成的一種電阻值隨入射光的強弱而改變的電阻器。入射光增強,電阻減小;入射光減弱,電阻增大。

針對訓(xùn)練2

(多選)如圖所示是某居住小區(qū)門口利用光敏電阻設(shè)計的行人監(jiān)控裝置,R1為光敏電阻、R2為定值電阻,A、B接監(jiān)控裝置,則()

A.當(dāng)有人通過而遮住光線時,A、B之間電壓升高

B.當(dāng)有人通過而遮住光線時,A、B之間電壓降低

C.當(dāng)僅增大R2的阻值時,可增大A、B之間的電壓

D.當(dāng)僅減小R2的阻值時,可增大A、B之間的電壓

BC

解析R1是光敏電阻,當(dāng)有人通過而遮住光線時,R1的阻值變大,回路中的電流I減小,A、B間的電壓U=IR2減小,故A項錯誤,B項正確;由閉合電路歐姆定律得U=E-I(R1+r),當(dāng)僅增大R2的阻值時,電路中的電流減小,A、B間的電壓U增大,故C項正確;當(dāng)減小R2的阻值時,電路中的電流增大,A、B間的電壓U減小,故D項錯誤。

探究三熱敏元件

情境探究

如圖所示,將多用電表的選擇開關(guān)置于歐姆擋,再將電表的兩支表筆與負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻RT(溫度升高,電阻減小)的兩端相連,這時表針恰好指在刻度盤的正上都。

(1)若在RT上擦一些酒精,表針將如何偏轉(zhuǎn)

(2)若用吹風(fēng)機將熱風(fēng)吹向熱敏電阻,表針將如何偏轉(zhuǎn)

要點提示(1)由于酒精蒸發(fā),熱敏電阻RT溫度降低,電阻

值增大,表針將向左偏;

(2)用吹風(fēng)機將熱風(fēng)吹向熱敏電阻,熱敏電阻RT溫度升高,電阻值減小,表針將向右偏。

知識歸納

1.熱敏電阻:指用半導(dǎo)體材料制成,電阻值隨溫度變化發(fā)生明顯變化的電阻。如圖線①所示為某熱敏電阻的電阻—溫度特性曲線。

2.金屬熱電阻:有些金屬的電阻率隨溫度的升高而增大,如圖線②所示,這樣的電阻也可以制作溫度傳感器。熱敏電阻或金屬熱電阻都能夠把溫度這個熱學(xué)量轉(zhuǎn)換為電阻這個電學(xué)量,但相比而言,金屬熱電阻的化學(xué)穩(wěn)定性好,測溫范圍大,而熱敏電阻的靈敏度較好。

3.光敏電阻、熱敏電阻特點對比

元件特點

光敏電阻半導(dǎo)體材料受到的光照增強時,會有更多的電子獲得能量成為自由電子,于是導(dǎo)電性明顯地增強,電阻減小

熱敏電阻對于負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻,溫度升高時,有更多的電子獲得能量成為自由電子,于是導(dǎo)電性明顯地增強,電阻減小

閃光語錄熱敏電阻與金屬熱電阻的區(qū)別

元件熱敏電阻金屬熱電阻

特點電阻隨溫度的變化而變化且非常明顯電阻率隨溫度的升高而增大

制作材料半導(dǎo)體金屬導(dǎo)體

優(yōu)點靈敏度好化學(xué)穩(wěn)定性好,測溫范圍大

作用能夠?qū)囟冗@個熱學(xué)量轉(zhuǎn)換為電阻這個電學(xué)量

應(yīng)用體驗

典例3如圖所示是一火警報警器的一部分電路示意圖,其中RT為用半導(dǎo)體熱敏電阻(阻值隨溫度的升高而減小)制成的傳感器,電流表為值班室的顯示器,a、b之間接報警器。當(dāng)傳感器RT所在處出現(xiàn)火情時,顯示器的電流I、報警器兩端的電壓U的變化情況是()

A.I變大、U變大B.I變小、U變小

C.I變小、U變大D.I變大、U變小

B

解析當(dāng)RT處出現(xiàn)火情時,熱敏電阻的阻值將減小,則此時電路中的總電阻減小,由閉合電路歐姆定律可知,電路中的總電流增大,路端電壓將減小,所以R1兩端的電壓增大,并聯(lián)部分的電壓減小,通過R2的電流I變小,所以顯示器的電流I變小,報警器的電壓U變小,故選B。

規(guī)律方法含有熱敏電阻的電路的動態(tài)分析順序

針對訓(xùn)練3

如圖所示,R為定值電阻,RT為負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻,L為小燈泡,當(dāng)溫度降低時()

A.R兩端的電壓增大

B.電流表的示數(shù)增大

C.小燈泡的亮度變亮

D.小燈泡的亮度變暗

C

解析RT與小燈泡并聯(lián)后再與R串聯(lián),和電源構(gòu)成閉合電路,當(dāng)溫度降低時,熱敏電阻RT的阻值增大,外電路電阻增大,電流表示數(shù)變小,R兩端電壓減小,小燈泡兩端電壓增大,小燈泡亮度變亮,故C正確,A、B、D錯誤。

探究四磁敏元件

情境探究

霍爾效應(yīng)是電磁效應(yīng)的一種,這一現(xiàn)象是米國物理學(xué)家霍爾于1879年在研究金屬的導(dǎo)電機制時發(fā)現(xiàn)的。霍爾元件是磁傳感器,是實際生活中的重要元件之一。如圖所示為長度一定的霍爾元件,在該元件中通有方向從E到F的恒定電流I,現(xiàn)在空間加一豎直向下的勻強磁場,磁感應(yīng)強度大小為B,其中元件中的載流子為帶負(fù)電的電荷。

(1)霍爾元件能夠把磁學(xué)量轉(zhuǎn)換為什么量

(2)左、右表面的電勢哪個表面高

(3)如果用該元件測赤道處的磁場,保持平面呈水平狀態(tài)有電壓產(chǎn)生嗎

(4)如果在霍爾元件中的電流大小不變,則左右表面的電勢差與磁場的磁感應(yīng)強度成正比嗎

要點提示(1)霍爾元件能夠把磁學(xué)量轉(zhuǎn)換為電學(xué)量。

(2)由于元件中的載流子為帶負(fù)電的電荷,則負(fù)電荷的運動方向由F到E,由左手定則可知負(fù)電荷向左表面偏轉(zhuǎn),則右表面的電勢高。

(3)如果用該元件測赤道處的磁場,由于地磁場與水平面平行,因此如果霍爾元件的平面保持水平,則無電壓產(chǎn)生。

知識歸納

1.霍爾元件能把磁感應(yīng)強度這個磁學(xué)量轉(zhuǎn)換為電壓這個電學(xué)量。

2.霍爾元件是根據(jù)半導(dǎo)體材料的霍爾效應(yīng)制成的一種磁敏元件。一般用于電機中測定轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速,如錄像機的磁鼓,電腦中的散熱風(fēng)扇等,已發(fā)展成一個品種多樣的磁傳感器產(chǎn)品族,并已得到廣泛的應(yīng)用。

閃光語錄霍爾元件具有許多優(yōu)點,它們的結(jié)構(gòu)牢固,體積小,重量輕,壽命長,安裝方便,功耗小,頻率高(可達1MHz),耐震動,不怕灰塵、油污、水汽及鹽霧等的污染或腐蝕。

應(yīng)用體驗

典例4(多選)某霍爾元件的工作原理示意圖如圖所示,該元件中電流I由正電荷的定向運動形成。下列說法正確的是()

A.M點電勢比N點電勢高

B.用霍爾元件可以測量地磁場的磁感應(yīng)強度

C.用霍爾元件能夠把磁學(xué)量轉(zhuǎn)換為電學(xué)量

D.若保持電流I恒定,則霍爾電壓UH與B成正比

BCD

解析當(dāng)正電荷定向運動形成電流時,正電荷在洛倫茲力作用下向N極聚集,M極感應(yīng)出等量的負(fù)電荷,所以M點電勢比N點電勢低,選項A錯誤;根據(jù)霍爾元件的特點可知,選項B、C正確;因霍爾電壓,保持電流I恒定時,霍爾電壓UH與B成正比,選項D正確。

規(guī)律方法霍爾元件的應(yīng)用

1.將霍爾元件放在磁場中,外部磁場就會使運動的載流子受到洛倫茲力的作用,在導(dǎo)體板的一側(cè)聚集一種電荷,在導(dǎo)體板的另一側(cè)相應(yīng)出現(xiàn)多余的另一種電荷,從而形成橫向電場。

2.橫向電場對載流子施加與洛倫茲力方向相反的靜電力,當(dāng)靜電力與洛倫茲力達到平衡時,導(dǎo)體板的左右兩側(cè)形成穩(wěn)定的電壓,即qE=qvB,此方程是解決涉及霍爾效應(yīng)問題的重要依據(jù)。

3.明確載流子是帶正電還是帶負(fù)電,并利用左手定則判斷載流子的受力方向。

針對訓(xùn)練4

(多選)霍爾元件的示意圖如圖所示,一塊通電的銅板放在磁場中,銅板的前、后板面垂直于磁場,板內(nèi)通有如圖方向的電流,a、b是銅板上、下邊緣的兩點,則()

A.電勢φa>φb

B.電勢φb>φa

C.B一定,電流增大時,|φa-φb|增大

D.其他條件不變,將銅板改為NaCl溶液時,電勢結(jié)果仍然一樣

AC

解析銅板中的自由電荷是電子,電子定向移動的方向與電流的方向相反,由左手定則可判斷出電子因受洛倫茲力作用向b側(cè)偏轉(zhuǎn),所以φa>φb,A正確,B錯誤;因,所以B一定,電流增大時,|φa-φb|增大,C正確;若將銅板改為NaCl溶液,溶液中的正、負(fù)離子均向b側(cè)偏轉(zhuǎn),|φa-φb|=0,即不產(chǎn)生霍爾效應(yīng),故D選項錯誤。

學(xué)以致用·隨堂檢測全達標(biāo)

1

2

3

4

1.會議室和賓館房間的天花板上裝有的火災(zāi)報警器的結(jié)構(gòu)原理圖如圖所示。罩內(nèi)裝有發(fā)光二極管LED、光電三極管和不透明的擋板。平時光電三極管接收不到LED發(fā)出的光,呈現(xiàn)高電阻狀態(tài),發(fā)生火災(zāi)時,下列說法正確的是()

A.進入罩內(nèi)的煙霧遮擋了光線,使光電三極管電阻更大,檢測電路檢測出變化發(fā)出警報

B.發(fā)生火災(zāi)時,光電三極管溫度升高,電阻變小,檢測電路檢測出變化發(fā)出警報

C.發(fā)生火災(zāi)時,進入罩內(nèi)的煙霧對光有散射作用,

部分光線照到光電三極管上,電阻變小,發(fā)出警報

D.以上說法均不正確

C

1

2

3

4

解析由報警器的原理可知,發(fā)生火災(zāi)時煙霧進入罩內(nèi),使光發(fā)生散射,部分光線照在三極管上,電阻變小,與傳感器相連的電路檢測出這種變化,發(fā)出警報,C正確。

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2.(多選)電容式話筒的工作原理如圖所示。D是絕緣支架,薄金屬膜M和固定電極N形成一個電容器,被直流電源充電,當(dāng)聲波使膜片振動時,電容發(fā)生變化,電路中形成變化的電流。當(dāng)膜片向右運動的過程中有()

A.電容變大

B.電容變小

C.導(dǎo)線AB中有向左的電流

D.導(dǎo)線AB中有向右的電流

AC

解析當(dāng)膜片向右運動的過程中,相當(dāng)于電容器兩板間距d變小,由可知,選項A正確,B錯誤;由Q=CU知,電容器充電,選項C正確,D錯誤。

1

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3.如圖所示,實線是某同學(xué)利用力傳感器懸掛一鉤碼在豎直方向運動時,數(shù)據(jù)采集器記錄下的力傳感器中拉力的大小變化情況。從圖中可知道該鉤碼的重力約為N,A、B、C、D四段圖線中鉤碼處于超重狀態(tài)的為,處于失重狀態(tài)的為。

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A、D

B、C

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4

解析當(dāng)拉力的大小不變時,壓力傳感器懸掛的鉤碼在豎直方向是勻速運動,此時壓力傳感器的讀數(shù)就是鉤碼的重力,約10N。當(dāng)壓力傳感器讀數(shù)大于重力時,鉤碼處于超重狀態(tài),即A、D狀態(tài)。當(dāng)壓力傳感器讀數(shù)小于重力時,鉤碼處于失重狀態(tài),即B、C狀態(tài)。

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4.一般的電熨斗用合金絲作發(fā)熱元件,合金絲電阻隨溫度T變化的關(guān)系如圖中實線①所示。由于環(huán)境溫度以及熨燙的衣物厚度、干濕等情況不同,熨斗的散熱功率不同,因而熨斗的溫度可能會在較大的范圍內(nèi)波動,易損壞衣物。

有一種用“PTC”特殊材料(主要成分為BaTiO3)作發(fā)熱元件的電熨斗,具有升溫快、能自動控制溫度的特點。PTC材料的電阻隨溫度變化的關(guān)系如圖中實線②所示。

1

2

3

4

根據(jù)圖線解答:

(1)為什么原處于冷態(tài)的PTC熨斗剛通電時比普遍電熨斗升溫快

(2)通電一段時間后電熨斗溫度T自動地穩(wěn)定在θD.不能確定

B

解析光敏電阻的阻值隨光照強度的增強而減小,用手掌擋住部分光線,阻值變大,指針自左向右偏轉(zhuǎn)角度變小,B正確。

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4.如圖所示為測定壓力的電容式傳感器,將平行板電容器、靈敏電流表(零刻度在中間)和電源串聯(lián)成閉合回路,當(dāng)壓力F作用于可動膜片電極上時,膜片發(fā)生形變,引起電容的變化,導(dǎo)致靈敏電流表指針偏轉(zhuǎn),在開始對膜片施加壓力把膜片電極從圖中的虛線位置推到圖中實線位置并保持固定的過程中,靈敏電流表指針偏轉(zhuǎn)情況為(電流從靈敏電流表右接線柱流入時指針向右偏)()

A.向右偏到某一刻度后回到零刻度

B.向左偏到某一刻度后回到零刻度

C.向右偏到某一刻度后不動

D.向左偏到某一刻度后不動

A

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解析壓力F作用時,極板間距d變小,由知,電容器電容C變大,又電壓U不變,根據(jù)Q=CU知,極板所帶電荷量變大,所以電容器充電,電流由右接線柱流入靈敏電流表,所以指針將右偏,F不變時,極板保持固定后,充電結(jié)束,指針回到零刻度,故選A。

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5.利用光敏電阻制作的光傳感器,記錄了傳送帶上工件的輸送情況,如圖甲所示為某工廠成品包裝車間的光傳感記錄器,光傳感器B能接收到發(fā)光元件A發(fā)出的光,每當(dāng)工件擋住A發(fā)出的光時,光傳感器就輸出一個電信號,并在屏幕上顯示出電信號與時間的關(guān)系,如圖乙所示。若傳送帶始終勻速運動,每兩個工件間的距離為0.2m,則傳送帶運動的速度大小是m/s;該傳送帶每小時輸送個工件。

0.2

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解析從乙圖可知,每間隔1s的時間光傳感器就輸出一個電信號,而在這一段時間內(nèi)傳送帶運動了兩個工件之間的距離,所以傳送帶運動的速度是

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6.如圖所示,是自動控制電路的原理圖,a、b間電壓恒定,R1為光敏電阻,R2為定值電阻。當(dāng)電路中的光敏電阻不受光的照射時用電器可以正常工作。

(1)當(dāng)光敏電阻受光的照射時,其阻值和電流表的示數(shù)如何變化

(2)當(dāng)光敏電阻受光的照射時,用電器工作狀態(tài)怎樣

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解析(1)受光照射時,光敏電阻的阻值會減小,所以當(dāng)光照射時電路總阻值變小,干路電流增大,R2兩端電壓增大,并聯(lián)部分的電壓變小,電流表的示數(shù)變小。

(2)當(dāng)光敏電阻受光的照射時,用電器兩端的電壓變得很小,通過的電流也變得很小,故用電器停止工作。

答案(1)變小變小(2)停止工作

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B級關(guān)鍵能力提升練

7.(2023北京昌平期末)利用熱敏電阻在通以恒定電流(實驗設(shè)定恒定電流為50.0μA)時,其阻值隨溫度的變化關(guān)系(如圖甲所示)可以制作電子溫度計。把恒壓直流電源E、熱敏電阻RT、可變電阻R1、電流表A、電壓表V連成如圖乙所示的電路。用熱敏電阻作測溫探頭,把電壓表的電壓刻度改為相應(yīng)的溫度刻度,就得到了一個簡易的電子溫度計。下列說法正確的是()

A.電壓較高時表示溫度也較高

B.該電子溫度計表盤上溫度的刻度是均勻的

C.當(dāng)熱敏電阻的溫度升高時,應(yīng)將R1的阻值調(diào)大

D.每升高相同的溫度,熱敏電阻的阻值變化均相等

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甲

乙

答案C

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解析根據(jù)題意可知,電路通有恒定的電流,溫度越高,由圖甲可知,RT阻值越小,由U=IRT可知,熱敏電阻兩端的電壓越小,故A錯誤;由上述分析可知,電壓表的示數(shù)為U=IRT,由圖甲可知,RT阻值與溫度不是線性關(guān)系,則電子溫度計表盤上溫度的刻度不是均勻的,故B錯誤;當(dāng)熱敏電阻的溫度升高時,阻值減小,要保證電路中電流恒定,則應(yīng)增大R1,即將R1的阻值調(diào)大,故C正確;由圖甲可知,RT阻值與溫度不是線性關(guān)系,每升高相同的溫度,熱敏電阻的阻值變化不相等,故D錯誤。

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8.(多選)有一種測量人體重的電子秤,其原理如圖中虛線內(nèi)所示,它主要由三部分構(gòu)成:踏板、壓力傳感器R(是一個阻值可隨壓力大小而變化的電阻器)、顯示體重的儀表G(實質(zhì)是理想電流表)。設(shè)踏板的質(zhì)量可忽略不計,已知理想電流表的量程為3A,電源電動勢為12V,內(nèi)阻為2Ω,電阻R隨壓力變化的函數(shù)式為R=30-0.01F(F和R的單位分別是N和Ω)。下列說法正確的是()

A.該秤能測量的最大體重是1400N

B.該秤能測量的最大體重是2800N

C.該秤零刻度線(即踏板空載時的刻度線)應(yīng)標(biāo)在電流表G刻度盤0.375A處

D.該秤零刻度線(即踏板空載時的刻度線)應(yīng)標(biāo)在電流表G刻度盤0.400A處

BC

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解析分析題意可知,理想電流表的量程為3A,故電路中電流為3A時,電子秤測量的體重最大,根據(jù)閉合電路歐姆定律可知,,解得R=2Ω,其中R=30-0.01F,聯(lián)立解得F=2800N,A選項錯誤,B選項正確;踏板空載時F=0,代入R=30-0.01F,解得R=30Ω,根據(jù)歐姆定律得,I=0.375A,該秤零刻度線(即踏板空載時的刻度線)應(yīng)標(biāo)在電流表G刻度盤0.375A處,C選項正確,D選項錯誤。

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9.(多選)霍爾元件的結(jié)構(gòu)牢固,體積小,重量輕,壽命長,安裝方便,功耗小,頻率高(可達1MHz),耐震動,不怕灰塵、油污、水汽及煙霧等的污染或腐蝕,所以得到了廣泛的應(yīng)用。圖甲是常見的兩種霍爾元件,圖乙為其工作的原理圖。在霍爾元件中通以大小恒定的電流,方向由a向b,將一磁體靠近時,在c、f兩端將會有一定的電勢差,下列說法正確的是()

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A.磁場無論是什么方向,c、f兩端都會有電勢差

B.只要保持磁感應(yīng)強度大小不變,無論怎樣改變磁場的方向,c、f兩端的電勢差都不會發(fā)生變化

C.當(dāng)磁感應(yīng)強度大小不變時,c、f兩端的電勢差會隨所加磁場方向的變化而變化

D.在加上某一方向的磁場后,如果c、f兩端有電勢差,其數(shù)值會隨磁感應(yīng)強度的增大而增大

答案CD

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解析霍爾元件的工作原理是磁場對運動電荷會產(chǎn)生力的作用,但當(dāng)電荷運動的方向與磁場方向平行時,就不會受到磁場力的作用,c、f兩端就不會產(chǎn)生電勢差,選項A、B錯誤,C正確;當(dāng)有磁場時,如果c、f兩端產(chǎn)生電勢差,由可得,電勢差的數(shù)值會隨磁感應(yīng)強度的增大而增大,選項D正確。

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10.電容式位移傳感器的工作原理如圖所示。當(dāng)被測物體在左右方向發(fā)生位移時,電介質(zhì)板隨之在電容器兩極板之間移動。如果測出了電容的變化,就能知道物體位置的變化。電容式位移傳感器是把這個力學(xué)量轉(zhuǎn)化為電容這個電學(xué)量。在某次測量中,電容增大了,則被測物體向

(選填“左”或“右”)移動。

位移

左

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解析被測物體運動時,電介質(zhì)在極板間的長度不同,影響電容器的電容,電容式位移傳感器是把位移這個力學(xué)量轉(zhuǎn)化為電容這個電學(xué)量。在某次測量中,電容增大了,根據(jù),可知介電常數(shù)變大了,即被測物體向左運動了。

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11.如圖所示為某種電子秤的原理示意圖,AB為一均勻的滑線電阻,阻值為R,長度為L,兩邊分別有P1、P2兩個滑動頭,P1可在豎直絕緣光滑的固定桿MN上保持水平狀態(tài)而上下自由滑動。彈簧處于原長時,P1剛好指著A端,P1與托盤固定相連。若P1、P2間出現(xiàn)電壓時,該電壓經(jīng)過放大,通過信號轉(zhuǎn)換后在顯示屏上將顯示物體重力的大小。已知彈簧的勁度系數(shù)為k,托盤自身質(zhì)量為m0,電源電動勢為E,內(nèi)阻不計,當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣葹間。

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(1)求托盤上未放物體時,在托盤自身重力作用下,P1與A端的距離x1。

(2)求托盤上放有質(zhì)量為m的物體時,P1與A端的距離x2。

(3)在托盤上未放物體時通常先校準(zhǔn)零點,其方法是:調(diào)節(jié)P2,使P2離A端的距離也為x1,從而使P1、P2間的電壓為零。校準(zhǔn)零點后,將物體放在托盤上,試推導(dǎo)出物體質(zhì)量m與P1、P2間的電壓U之間的函數(shù)關(guān)系式。

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(3)托盤的移動帶動P1移動,使P1、P2間出現(xiàn)電勢差,電勢差的大小反映了托盤向下移動距離的大小,由于R為均勻滑線電阻,則其阻值與長度成正比。由閉合電路歐姆定律知E=IR,由部分電路歐姆定律知U=IR串(R串為P1、P2第1節(jié)常見傳感器的工作原理

A級必備知識基礎(chǔ)練

1.(多選)有定值電阻、熱敏電阻、光敏電阻三只元件,將這三只元件分別接入如圖所示電路中的A、B兩點后,用黑紙包住元件或者把元件置入熱水中,觀察歐姆表的示數(shù),下列說法正確的是()

A.置入熱水中與不置入熱水中相比,歐姆表示數(shù)變化較大的一定是熱敏電阻

B.置入熱水中與不置入熱水中相比,歐姆表示數(shù)不變化的一定是定值電阻

C.用黑紙包住與不用黑紙包住相比,歐姆表示數(shù)變化較大的一定是光敏電阻

D.用黑紙包住與不用黑紙包住相比,歐姆表示數(shù)相同的一定是定值電阻

2.用遙控器調(diào)換電視機頻道的過程,實際上就是傳感器把光信號轉(zhuǎn)換為電信號的過程,下列屬于這類傳感器的是()

A.紅外報警裝置

B.走廊照明燈的聲控開關(guān)

C.自動洗衣機中的壓力傳感裝置

D.電飯煲中控制加熱和保溫的溫控器

3.如圖所示,將一光敏電阻接入多用電表兩表筆上,將多用電表的選擇開關(guān)置于歐姆擋,用光照射光敏電阻時,表針的偏角為θ;現(xiàn)用手掌擋住部分光線,表針的偏角為θ',則可判斷()

A.θ'=θB.θ'θD.不能確定

4.如圖所示為測定壓力的電容式傳感器,將平行板電容器、靈敏電流表(零刻度在中間)和電源串聯(lián)成閉合回路,當(dāng)壓力F作用于可動膜片電極上時,膜片發(fā)生形變,引起電容的變化,導(dǎo)致靈敏電流表指針偏轉(zhuǎn),在開始對膜片施加壓力把膜片電極從圖中的虛線位置推到圖中實線位置并保持固定的過程中,靈敏電流表指針偏轉(zhuǎn)情況為(電流從靈敏電流表右接線柱流入時指針向右偏)()

A.向右偏到某一刻度后回到零刻度

B.向左偏到某一刻度后回到零刻度

C.向右偏到某一刻度后不動

D.向左偏到某一刻度后不動

5.利用光敏電阻制作的光傳感器,記錄了傳送帶上工件的輸送情況,如圖甲所示為某工廠成品包裝車間的光傳感記錄器,光傳感器B能接收到發(fā)光元件A發(fā)出的光,每當(dāng)工件擋住A發(fā)出的光時,光傳感器就輸出一個電信號,并在屏幕上顯示出電信號與時間的關(guān)系,如圖乙所示。若傳送帶始終勻速運動,每兩個工件間的距離為0.2m,則傳送帶運動的速度大小是m/s;該傳送帶每小時輸送個工件。

6.如圖所示,是自動控制電路的原理圖,a、b間電壓恒定,R1為光敏電阻,R2為定值電阻。當(dāng)電路中的光敏電阻不受光的照射時用電器可以正常工作。

(1)當(dāng)光敏電阻受光的照射時,其阻值和電流表的示數(shù)如何變化

(2)當(dāng)光敏電阻受光的照射時,用電器工作狀態(tài)怎樣

B級關(guān)鍵能力提升練

7.(2023北京昌平期末)利用熱敏電阻在通以恒定電流(實驗設(shè)定恒定電流為50.0μA)時,其阻值隨溫度的變化關(guān)系(如圖甲所示)可以制作電子溫度計。把恒壓直流電源E、熱敏電阻RT、可變電阻R1、電流表A、電壓表V連成如圖乙所示的電路。用熱敏電阻作測溫探頭,把電壓表的電壓刻度改為相應(yīng)的溫度刻度,就得到了一個簡易的電子溫度計。下列說法正確的是()

甲

乙

A.電壓較高時表示溫度也較高

B.該電子溫度計表盤上溫度的刻度是均勻的

C.當(dāng)熱敏電阻的溫度升高時,應(yīng)將R1的阻值調(diào)大

D.每升高相同的溫度,熱敏電阻的阻值變化均相等

8.(多選)有一種測量人體重的電子秤,其原理如圖中虛線內(nèi)所示,它主要由三部分構(gòu)成:踏板、壓力傳感器R(是一個阻值可隨壓力大小而變化的電阻器)、顯示體重的儀表G(實質(zhì)是理想電流表)。設(shè)踏板的質(zhì)量可忽略不計,已知理想電流表的量程為3A,電源電動勢為12V,內(nèi)阻為2Ω,電阻R隨壓力變化的函數(shù)式為R=30-0.01F(F和R的單位分別是N和Ω)。下列說法正確的是()

A.該秤能測量的最大體重是1400N

B.該秤能測量的最大體重是2800N

C.該秤零刻度線(即踏板空載時的刻度線)應(yīng)標(biāo)在電流表G刻度盤0.375A處

D.該秤零刻度線(即踏板空載時的刻度線)應(yīng)標(biāo)在電流表G刻度盤0.400A處

9.(多選)霍爾元件的結(jié)構(gòu)牢固,體積小,重量輕,壽命長,安裝方便,功耗小,頻率高(可達1MHz),耐震動,不怕灰塵、油污、水汽及煙霧等的污染或腐蝕,所以得到了廣泛的應(yīng)用。圖甲是常見的兩種霍爾元件,圖乙為其工作的原理圖。在霍爾元件中通以大小恒定的電流,方向由a向b,將一磁體靠近時,在c、f兩端將會有一定的電勢差,下列說法正確的是()

A.磁場無論是什么方向,c、f兩端都會有電勢差

B.只要保持磁感應(yīng)強度大小不變,無論怎樣改變磁場的方向,c、f兩端的電勢差都不會發(fā)生變化

C.當(dāng)磁感應(yīng)強度大小不變時,c、f兩端的電勢差會隨所加磁場方向的變化而變化

D.在加上某一方向的磁場后,如果c、f兩端有電勢差,其數(shù)值會隨磁感應(yīng)強度的增大而增大

10.電容式位移傳感器的工作原理如圖所示。當(dāng)被測物體在左右方向發(fā)生位移時,電介質(zhì)板隨之在電容器兩極板之間移動。如果測出了電容的變化,就能知道物體位置的變化。電容式位移傳感器是把這個力學(xué)量轉(zhuǎn)化為電容這個電學(xué)量。在某次測量中,電容增大了,則被測物體向(選填“左”或“右”)移動。

11.如圖所示為某種電子秤的原理示意圖,AB為一均勻的滑線電阻,阻值為R,長度為L,兩邊分別有P1、P2兩個滑動頭,P1可在豎直絕緣光滑的固定桿MN上保持水平狀態(tài)而上下自由滑動。彈簧處于原長時,P1剛好指著A端,P1與托盤固定相連。若P1、P2間出現(xiàn)電壓時,該電壓經(jīng)過放大,通過信號轉(zhuǎn)換后在顯示屏上將顯示物體重力的大小。已知彈簧的勁度系數(shù)為k,托盤自身質(zhì)量為m0,電源電動勢為E,內(nèi)阻不計,當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣葹間。

(1)求托盤上未放物體時,在托盤自身重力作用下,P1與A端的距離x1。

(2)求托盤上放有質(zhì)量為m的物體時,P1與A端的距離x2。

(3)在托盤上未放物體時通常先校準(zhǔn)零點,其方法是:調(diào)節(jié)P2,使P2離A端的距離也為x1,從而使P1、P2間的電壓為零。校準(zhǔn)零點后,將物體放在托盤上,試推導(dǎo)出物體質(zhì)量m與P1、P2間的電壓U之間的函數(shù)關(guān)系式。

第1節(jié)常見傳感器的工作原理

1.AC熱敏電阻的阻值隨溫度的變化而變化,定值電阻和光敏電阻的阻值不隨溫度發(fā)生