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第十二章
交变电流　电磁波　传感器
第3讲　电磁振荡　电磁波　传感器
(含实验16　利用传感器制作简单的自动控制装置)
1.了解LC振荡电路中振荡电流的产生过程及电磁振荡过程中能量转化情况。2.掌握电磁振荡周期和频率的表达式。3.理解麦克斯韦电磁场理论,了解电磁波的产生、发射、传播和接收过程。
1.LC振荡电路和图像(如图所示)。
考点1　电磁振荡　电磁场和电磁波

电场
4.电磁波。
电磁场(电磁能量)由近及远地向周围传播形成电磁波。
(1)电磁波是横波,在空间传播_______(填“需要”或“不需要”)介质。
(2)真空中电磁波的速度为_______ m/s。
(3)v=λf对电磁波_________。
(4)电磁波能产生反射、折射 、_______和衍射等现象。(注 :电磁波由一种介质进入另一种介质时,频率不变)
不需要
3.0×108
同样适用
干涉
5.发射电磁波的条件。
(1)要有足够高的_________。
(2)电路必须______,使振荡电路的电场和磁场分散到尽可能大的空间。
6.电磁波谱:按电磁波的波长从长到短分布是_________、红外线、可见光、紫外线、X射线和γ射线,形成电磁波谱;递变规律:直线传播能力增强,衍射能力减弱。
振荡频率
开放
无线电波
(1)LC振荡电路中,电容器放电完毕时,回路中电流最小( )
(2)LC振荡电路中,回路中的电流最大时回路中的磁场能最大( )
(3)电磁波只能在真空中传播,在空气中不能传播( )
(4)电磁波从一种介质进入另一种介质时,频率不变,波长和波速会改变
( )
1.麦克斯韦电磁场理论。
2.电磁波与机械波的比较。
　　名称 项目 电磁波 机械波
研究对象 电磁现象 力学现象
产生 由周期性变化的电场、磁场产生 由质点(波源)的振动产生
波的特点 横波 纵波或横波
波速 在真空中等于光速,很大(c=3×108 m/s) 在空气中不大(如声波波速一般为340 m/s)
是否需要 介质 不需要介质(在真空中仍可传播) 必须有介质(真空中不能传播)
能量传播 电磁能 机械能
【典例1】　如图所示,单刀双掷开关S先置于a端。当t=0时刻开关S置于b端,若LC振荡电路的周期T=0.04 s。下列说法正确的是(　　)
A.t=0.01 s时回路中的电流顺时针方向达到最大值
B.t=0.02 s时电感线圈中的自感电动势值最小
C.0.01 s~0.02 s时间内,电容器极板间电场方向竖直向上且逐渐增大
D.0.04 s~0.05 s时间内,线圈中的磁场能逐渐减小
解析　当开关S置于b端时,电容器开始放电,电容器上极板带正电,当t=0.01 s时回路中的电流逆时针方向达到最大值,A项错误;当t=0.02 s时电流逆时针,电容器充电结束时,该时刻电流变化最快,自感电动势最大, B项错误;在0.01 s~0.02 s时间内,为给电容器充电,电容器下极板带正电,在t=0.02 s时刻充电结束,电容器带电量最大,所以在这段时间内电容器极板间电场方向竖直向上且逐渐增大,C项正确;根据周期性可知,在0.04 s~0.05 s时间内与0~0.01 s时间内相同,为电容器放电过程,电场能逐渐减小而磁场能逐渐增大,D项错误。
答案　C
【典例2】　(多选)下列说法正确的是(　　)
A.在均匀变化的电场周围一定产生均匀变化的磁场,在均匀变化的磁场周围一定产生均匀变化的电场
B.电磁场是周期性变化的电场和磁场交替产生而形成的不可分离的统一体
C.在电磁波谱中,最容易发生衍射现象的是γ射线
D.机械波和电磁波都可发生反射、折射、干涉
和衍射现象
解析　均匀变化的电场周围产生稳定的磁场,均匀变化的磁场周围产生稳定的电场,A项错误;根据麦克斯韦理论,电磁场是周期性变化的电场和磁场交替产生而形成的不可分离的统一体,B项正确;在电磁波谱中,无线电波的波长最长,最容易发生衍射现象的是无线电波,C项错误;反射、折射、干涉和衍射是所有波的特性,机械波和电磁波都可发生反射、折
射、干涉和衍射现象,D项正确。
答案　BD
1.传感器是这样一类元件或装置:它能够感受诸如力、______、_____、_____、化学成分等_______,并能把它们按照一定的规律转换为便于传送和处理的可用信号输出。通常转换成的可用信号是______、_____等电学量,或转化为电路的_______。
考点2　传感器及其工作原理
温度
光
声
被测量
电压
电流
通断
2.工作原理。
3.常用传感器的工作原理及应用。
(1)光敏电阻。
①特点:电阻值随光照增强而_______。
②原理:光敏电阻由半导体材料制成,无光照时,载流子极少,导电性能_______;随着光照的增强,载流子_______,导电性_______。
③作用:光敏电阻能够把__________这个光学量转换为_____这个电学量。
减小
不好
增多
变好
光照强弱
电阻
氧化锰热敏电阻 金属热电阻
特点 电阻率随温度的升高而_______ 电阻率随温度的升高而_______
制作材料 半导体 金属
优点 灵敏度好 化学稳定性好,测温_______
作用 将_______这个热学量转换为_______这个电学量 (2)热敏电阻和金属热电阻。
减小
增大
范围大
温度
电阻
(3)电阻应变片。
①特点:金属电阻应变片的特点是金属导体在拉力(或压力)作用下伸长(或缩短)时,其电阻_______(或_______)。
②原理:金属电阻应变片的工作原理是金属的_______效应,半导体电阻应变片的工作原理是半导体材料的_______效应。
③作用:电阻应变片能够把__________这个力学量转换为_______这个电学量。
变大
减小
应变
压阻
物体形变
电阻
(1)传感器是一类把力、光、声、温度等信号转化为电信号的元件或装置( )
(2)光敏电阻的阻值随光照强度的增大而增大( )
(3)热敏电阻的阻值随温度的升高而减小 ( )
1.传感器的组成和应用模式。
(1)一般模式。
(2)敏感元件相当于人的感觉器官,是传感器的核心部分,是利用材料的某种敏感效应(如热敏、光敏、压敏、力敏、湿敏等)制成的。
(3)转换元件是传感器中能将敏感元件输出的,与被测物理量成一定关系的非电信号转换成电信号的电子元件。
(4)转换电路是将转换元件输出的不易测量的电学量转换成易于测量的电学量,如电压、电流、电阻等。
2.常见传感器。
(1)光敏电阻。
①光敏电阻在被光照射时电阻发生变化,这样光敏电阻可以把光照强弱转换为电阻大小这个电学量。
②光敏电阻的阻值随光照的增强而减小。
③光敏电阻一般由半导体材料做成,当半导体材料受到光照时,会有更多的电子获得能量成为自由电子,同时也形成更多的空穴,于是导电性能明显增强。
(2)热敏电阻和金属热电阻。
①热敏电阻:用半导体材料制成,其电阻值随温度变化明显。
热敏电阻的用途:利用温度特性来测量温度、控制温度和元件、器件、电路的温度补偿;利用非线性特性完成稳压、限幅、开关、过流保护作用;利用不同媒质中热耗散特性的差异测量流量、流速、液面等。
②金属热电阻:有些金属的电阻率随温度的升高而增大,这样的电阻也可以制作温度传感器,称为金属热电阻。
相比而言,金属热电阻化学稳定性好,测温范围大,而热敏电阻的灵敏度较好。

(4)电阻应变片。
电阻应变片是一种力敏元件,能把物体的形变这一力学量转换为电阻这一电学量,常用的力传感器是由金属梁和电阻应变片组成的,称为应变式力传感器。
(5)电容器。
①原理:电容器的电容C决定于极板正对面积S、极板间距离d及极板间电介质这几个因素,如果某一物理量(如角度θ、位移x、深度h等)的变化能引起上述某一因素的变化,从而引起电容的变化,那么测定电容器的电容就可以确定上述物理量的变化。
②用途。
例如:图甲是用来测定角度θ的电容式传感器,图乙是测定液面高度h的电容式传感器,图丙是测定压力F的电容式传感器,图丁是测定位移x的电容式传感器。
考向1　热敏电阻
【典例3】　温度传感器广泛应用于室内空调、电冰箱和微波炉等家电产品中,它是利用热敏电阻的阻值随温度的变化而变化的特性工作的。如图甲中,电源的电动势E=9.0 V,内电阻可忽略不计;G为灵敏电流表,内阻Rg保持不变;R为热敏电阻,其电阻值与温度的变化关系如图乙的R-t图线所示,闭合开关,当R的温度等于120 ℃时,电流表示数I1=3 mA,求:
(1)电流表G的内阻Rg;
(2)当电流表的示数I2=1.8 mA时,热敏电阻R的温度。


答案　(1)1 000 Ω　(2)20 ℃
考向2　金属热电阻
【典例4】　如图,在电路中接一段钨丝(从旧白炽灯中取出),闭合开关,灯泡正常发光,当用打火机给钨丝加热时灯泡亮度明显变暗,根据钨丝的上述特性,可用钨丝来制作一个温度传感器,下面的说法中正确的是(　)
A.该传感器利用了钨丝的化学性质
B.该传感器的原理是把电学量(电阻)转换为热
学量(温度)
C.该传感器的敏感元件是钨丝,转换元件是灯泡
D.该传感器利用了钨丝电阻随温度变化而变化的特性
解析　该传感器利用了钨丝的物理性质,敏感元件和转换元件都是钨丝,故A、C两项错误;由题可知,钨丝的电阻随温度的升高而增大,利用该特性制作的温度传感器,能够把温度这个热学量转换为电阻这个电学量,故B项错误,D项正确。
答案　D
考向3　光敏电阻
【典例5】　(多选)如图所示为某商厦安装的光敏电阻自动计数器的示意图。其中A为光源,B为由电动机带动匀速运行的自动扶梯,R1为光敏电阻,R2为定值电阻。每当扶梯上有顾客经过挡住由A射向R1的光线时,计数器就计数一次。下列说法正确的是(　　)
A.当有光照射R1时,信号处理系统获得低电压
B.当有光照射R1时,信号处理系统获得高电压
C.信号处理系统每获得一次低电压就计数一次
D.信号处理系统每获得一次高电压就计数一次

答案　BC
考向4　电容传感器
【典例6】　如图甲所示为一种电容式位移传感器的原理图,当被测物体在左右方向发生位移时,电介质板随之在电容器两极板之间移动,已知电容器的电容与电介质板进入电容器的长度x之间的关系如图乙所示,其中C0为电介质没有插入电容器时的电容,为判断被测物体是否发生微小移动,将该电容式位移传感器与电源、电流表、开关组成串联回路(图中未画出),被测物体的初始位置如图甲所示,电路闭合一段时间后,下列说法正确的是(　　)
A.若电源为直流电源且直流电流表示数不为零,说明物体一定在发生移动
B.若电源为交流电源且交流电流表示数不为零,说明物体一定在发生移动
C.若电源为直流电源且直流电流表示数变大,说明物体一定在向右发生移动
D.若电源为交流电源且交流电流表示数变大,说明物体一定在向右发生移动

为交流电源且交流电流表示数变大,可能是电路中的电动势发生了变化,物体不一定在向右发生移动,D项错误。
答案　A
考向5　压力传感器
【典例7】　某兴趣小组利用压敏电阻制作一台电子秤,其内部电路如图所示,R1是保护电阻,R2是调零电阻,压敏电阻值R随压力F变化规律为R=kF+C(k、C为常量,k>0)。现对电流表的刻度盘进行改装,使得电流表满偏时对应的物体质量为零,则(　　)
A.刻度盘标注的质量刻度均匀
B.若使用前质量示数大于零,应将R2的滑片向右滑动
C.电子秤的示数越大,电源的总功率越大
D.若电池的内阻增大,但仍能调零,则称量值仍准确

答案　D
考点3　实验:利用传感器制作简单的自动控制装置
实验1　门窗防盗报警装置 实验2　光控开关
原理装置图 干簧管在电路中起_______和控制开关的作用
光照强度变化,光敏电阻的阻值变化,控制三极管导通或不导通,则发光二极管发光或不发光
传感器
操作要求 1.连接电路前,要先判断干簧管是否可以正常工作。 2.确定各元件可以正常工作后,按照如图所示连接电路。 3.接通电源后将磁体靠近和离开干簧管,分别观察实验现象。 1.按照图连接电路,检查无误后接通电源。
2.让光敏电阻RG受到白天较强的自然光照射,调节电阻R1使发光二极管或小灯泡刚好不发光。
3.遮挡RG,当光照减弱到某种程度时,就会看到发光二极管或小灯泡发光。
4.让光照加强,当光照强到某种程度时,则发光二极管或小灯泡熄灭。
考向1　教材常规实验
【典例8】　传感器担负着信息的采集任务,在自动控制中发挥着重要作用,传感器能够将感受到的物理量(如温度、光、声等)转换成便于测量的量(通常是电学量)。例如,热敏传感器主要是应用了半导体材料制成的热敏电阻,其阻值随温度变化的图线如图甲所示,图乙是由热敏电阻Rt作为传感器制作的简单自动报警器的线路图,问:
(1)为了使温度过高时报警铃响,c应接在________(填“a”或“b”)点。
(2)若使启动报警的温度提高些,应将滑动变阻器滑片P向________(填“左”或“右”)移动。
(3)如果在调试报警器达到最低报警温度时,无论如何调节滑动变阻器滑片P都不能使报警器工作,且电路连接完好,各电路元件都能处于工作状态,则造成工作电路实际不能工作的原因可能是____________________
___________________________________________________________。
解析　(1)由题图甲可知当温度升高时Rt的阻值减小,通过线圈的电流变大,对衔铁的引力变大,可与a点接触,欲使报警器报警,c应接在a点。
(2)若使启动报警的温度提高些,可使电路的相对电流减小一些,以使得热敏电阻Rt的阻值减小得更大一些,所以将滑动变阻器滑片P向左移动,增大滑动变阻器接入电路的阻值。
(3)在调试报警器达最低报警温度时,无论如何调节滑动变阻器滑片P都不能使报警器工作,可能是通过线圈的电流太小(E1电压太低)或线圈匝数太少,对衔铁的引力较小,也可能是弹簧的弹力较大,线圈的磁力不能将衔铁吸引到和a接触的状态。
答案　(1)a　(2)左　(3)可能是乙图中的电源E1电压太低或继电器线圈匝数太少或弹簧劲度系数太大
考向2　实验的迁移、拓展和创新
【典例9】　某实验小组利用如图甲所示的电路探究在25~80 ℃范围内某热敏电阻的温度特性,所用器材有:置于温控室(图中虚线区域)中的热敏电阻RT,其标称值(25 ℃时的阻值)为900.0 Ω;电源E(6 V,内阻可忽略);
电压表V(量程150 mV);定值电阻R0(阻值20.0 Ω),滑动变阻器R1(最大阻值为1 000 Ω);电阻箱R2(阻值范围0~999.9 Ω);单刀单掷开关S1,单刀双掷开关S2。
实验时,先按图甲连接好电路,再将温控室的温度t升至80.0 ℃,将S2与1端接通,闭合S1,调节R1的滑片位置,使电压表读数为某一值U0;保持R1的滑片位置不变,将R2置于最大值,将S2与2端接通,调节R2,使电压表读数仍为U0;断开S1,记下此时R2的读数,逐步降低温控室的温度t,得到相应温度下R2的阻值,直至温度降到25.0 ℃,实验得到的R2-t数据见下表。
t/℃ 25.0 30.0 40.0 50.0 60.0 70.0 80.0
R2/Ω 900.0 680.0 500.0 390.0 320.0 270.0 240.0
回答下列问题:
(1)在闭合S1前,图甲中R1的滑片应移动到________(填“a”或“b”)端。
(2)在图乙的坐标纸上补齐数据表中所给数据点,并作出R2-t曲线。
(3)由图乙可得到RT,在25~80 ℃范围内的温度特性,当t=44.0 ℃时,可得RT=________Ω。
(4)将RT握于手心,手心温度下R2的相应读数如图丙所示,该读数为________Ω,则手心温度为________℃。
解析　(1)题图甲的电路滑动变阻器采用限流接法,在闭合S1前,R1应该调节到接入电路部分的电阻值最大,使电路中电流最小,即题图甲中的R1的滑片应移到b端。
(2)将t=60 ℃和t=70 ℃对应的两组数据对
应画在坐标图上,然后用平滑曲线(过尽可
能多的数据点)画出R2-t 图像。
(3)根据题述实验过程可知,测量的R2数据等于对应的热敏电阻RT的电阻值。由画出的R2-t图像可知,当t=44.0 ℃时,对应的RT=450 Ω。
(4)由题图丙知R2=620.0 Ω;由画出的R2-t图像可知,当RT=620.0 Ω时,手心温度t=33.0 ℃。
答案　(1)b　(2)见解析图　(3)450　(4)620.0　33.0
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