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1　认识传感器
2　常见传感器的工作原理及应用
第五章　传感器
[定位·学习目标]　
1.感受传感器,知道传感器是把非电学量转换成电学量的器件或装置,其主要元件是敏感元件。知道传感器在生产生活等实践活动中有广泛应用。2.了解光敏电阻、金属热电阻、热敏电阻和电阻应变片等材料的物理特性,知道利用其特性可以制作传感器的敏感元件。3.知道传感器在某些方面可以代替甚至超过人类对自然的感知,能够改变人类的生产生活方式。
探究·必备知识
知识点一　认识传感器
「探究新知」
1.神奇的传感器
(1)楼道的灯安装了“ ”开关。
(2)自动门应用了 传感器。
(3)酒精检测仪上装有 传感器。
声控—光控
红外线
乙醇
2.传感器的定义和意义
(1)定义:能够感受诸如力、温度、光、声、化学成分等被测量,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电压、电流等 量,或转换为电路的 。
(2)意义:把非电学量转换为 量,可以很方便地进行测量、传输、处理和控制。
电学
通断
电学
3.传感器的种类
(1)按学科分类。
①物理: 传感器、磁传感器、声传感器等。
②化学: 传感器、气体传感器等。
③生物:酶传感器、 传感器、细胞传感器等。
(2)物理传感器的种类。
①根据被测量的不同,可分为声、光、 、 、加速度、温度等传感器。
②根据工作原理可分为 式、 式、电感式、光电式、热电式、压电式、磁电式等传感器。
力
离子
微生物
压力
位移
电阻
电容
4.传感器的组成与应用模式
(1)传感器的基本部分。
①敏感元件:能直接感受或响应外界被测 量的部分。
②转换元件:能将敏感元件输出的信号直接转换成电信号的部分。
(2)传感器应用的一般模式。
非电学
正误辨析
(1)传感器的功能与人的视觉、听觉、触觉、嗅觉等功能相似。(　 　)
(2)传感器担负着信息采集的任务,它常常是将电学量转化为力学量。
(　 　)
(3)敏感元件是指能直接感受或响应外界被测电学量的部分。(　 　)
(4)话筒是一种能够将声音信号转换为电信号的传感器。(　 　)
√
×
×
√
知识点二　常见传感器的工作原理及应用
「探究新知」
1.光敏电阻
(1)把硫化镉涂敷在绝缘板上,在其表面再用银浆涂敷两个互不相连的梳状电极,这样就制成了一个 电阻。
(2)硫化镉是一种半导体材料,无光照时,载流子极少,导电性能 ;随着光照的增强, 增多,导电性变好。
(3)光敏电阻能够把 这个光学量转换为电阻这个电学量。
(4)光敏电阻可在产品生产的流水线上实现自动计数的功能。
光敏
差
载流子
光照强弱
2.金属热电阻和热敏电阻
(1)金属热电阻。
金属的电阻率随温度的 而增大,用金属丝可以制作 传感器,称为热电阻,如图甲所示为某一金属热电阻的阻值随温度变化的特性曲线。
升高
温度
(2)热敏电阻。
有些半导体在温度上升时导电能力 ,因此可以用半导体材料制作热敏电阻。用氧化锰等金属氧化物烧结而成的热敏电阻的阻值随温度的变化非常 ,如图乙所示为某一热敏电阻的阻值随温度变化的特性曲线。
增强
明显
3.电阻应变片
(1)电阻应变片的工作原理。
①金属的电阻应变效应:金属导体在外力作用下发生机械形变,导体的长度、横截面积变化从而引起 变化的现象。
②半导体材料的压阻效应:当单晶半导体材料沿某一轴向受到外力作用时,其电阻率发生变化的现象。
电阻
(2)应变式力传感器——电子秤。
①组成:由金属梁和电阻应变片组成。
②工作原理。
③作用:电阻应变片将物体形变这个力学量转换为 这个电学量。
电阻
电压
电阻
(1)光敏电阻的阻值随光线的强弱而变化,光照越强电阻越大。(　 　)
(2)光敏电阻可以把光照强弱这个光学量转换为电阻这个电学量。(　 　)
(3)热敏电阻一般用半导体材料制作,导电能力随温度的升高而增强,但灵敏度低。(　 　)
(4)金属热电阻随温度的升高导电能力增强,它的化学稳定性好,测量范围大。
(　 　)
(5)热敏电阻和金属热电阻都能把温度这个热学量转换为电阻这个电学量。
(　 　)
正误辨析
√
×
×
×
√
突破·关键能力
要点一　传感器
仔细观察下图,认真参与探究活动。
「情境探究」
探究1:如图甲所示,小盒子A的侧面露出一个小灯泡,盒外没有开关。如果把磁体B放到盒子上面,灯泡就会发光,把磁体移走,灯泡熄灭。盒子里有什么样的装置,才能出现这样的现象
【答案】 小灯泡的发光、熄灭与磁场的有无有关,说明盒子里有一种能够感知磁场的装置,它起到了开关的作用。
探究2:图甲的小盒子A中起到开关作用的装置叫作“干簧管”,它是一种传感器。如图乙,控制楼道灯亮灭的“声控—光控”开关也用到了传感器。只有当环境的亮度低于某一数值,同时声强高于某一数值时,“声控—光控”开关才会接通,灯才会亮。“声控—光控”开关能感知什么 并将其转换为什么
【答案】 “声控—光控”开关能感知环境的明暗和声音的强弱,并将其转换为电路的通断。
探究3:如图丙,一些宾馆安装了自动门,当人走近时,自动门上的红外线传感器可以检测出人体向外辐射的红外线,从而发出使自动门开关启动的命令。红外线传感器能感知什么 并将其转换为什么
【答案】 红外线传感器能感知红外线,并将其转换为控制自动门开关的电信号。
探究4:如图丁,交通警察在检查司机是否酒后开车时,会让司机对着“便携式酒精检测仪”呼气,检测仪就会显示呼出气体中的酒精浓度。检测仪中的乙醇传感器能感知什么 并将其转换为什么
【答案】 乙醇传感器能感知乙醇的浓度,并将其转换为电信号。
探究5:如图戊,传感器的功能与人的感觉器官的功能类似,所以这类装置才叫作传感器。请根据以上例子,总结传感器的功能。
【答案】 传感器能够感受诸如力、温度、光、声、化学成分等被测量,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电压、电流等电学量,或转换为电路的通断。把非电学量转换为电学量,可以很方便地进行测量、传输、处理和控制。
1.传感器的组成和工作流程
(1)传感器的组成。
①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。
②转换元件:传感器中能将敏感元件输出且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。
③转换电路:将转换元件输出的不易测量的电学量转换成易于测量或传输的电学量,如电压、电流、电阻等。
「要点归纳」
(2)传感器的工作流程。
2.传感器的原理
传感器感受的通常是非电学量,如力、温度、位移、浓度、速度、酸碱度等,而输出的通常是电学量,如电压、电流等。这些输出的电信号是非常微弱的,通常需要经过转换电路放大或转换后,再传送给执行机构产生各种控制动作。
[例1] 关于传感器,下列说法正确的是(　　)
[A] 所有传感器都是由半导体材料制成的
[B] 传感器一定是把非电学量转换为电学量
[C] 传感器把非电学量转换为电学量是为了方便地进行测量、传输、处理和控制
[D] 干簧管是通过磁体靠近产生电磁感应实现自动控制的
「典例研习」
C
【解析】 传感器可以由半导体材料制成,也可以由其他材料制成,故A错误;传感器不一定是把非电学量转换为电学量,也可以转换为电路的通断,故B错误;传感器把非电学量转换为电学量是为了方便地进行测量、传输、处理和控制,故C正确;干簧管是利用磁现象,故D错误。
·规律方法·
分析传感器时要明确的问题
(1)核心元件是什么。
(2)是怎样将非电学量转换为电学量的。
(3)是如何显示或控制开关的。
要点二　光敏电阻及其应用
「情境探究」
仔细观察下图,认真参与探究活动。
探究1:将图甲光敏电阻接到多用电表的两端,选择开关置于倍率为“×100”的电阻挡(图乙),先后在室内用自然光照射、用手掌遮光、用阳光直接照射,测量光敏电阻的阻值,光敏电阻阻值的变化特点是什么
【答案】 光照强度越强,光敏电阻的阻值越小。
探究2:换用一个普通的电阻,小心地把它表面的漆层除去一些,使里面的导电膜露出来接受光照。重做上述实验,结果相同吗
【答案】 不同,普通电阻的阻值几乎不变。
「要点归纳」
1.光敏电阻的应用——光电计数
在产品生产的流水线上,常需要对产品计数。如图所示是利用光敏电阻自动计数的示意图,其中A是发光仪器,B是接收光信号的仪器,B中的主要元件是由光敏电阻组成的光电传感器。当传送带上没有物品挡住由A射向B的光信号时,光敏电阻的阻值较小,供给信号处理系统的电压变低;当传送带上有物品挡住由A射向B的光信号时,光敏电阻的阻值变大,供给信号处理系统的电压变高。这种高低交替变化的信号经过处理,就会转化为相应的数字,实现自动计数的功能。
2.光敏电阻的应用——测量光照的强度
把光敏电阻、多用电表的直流电流挡和干电池按照如图甲所示连成电路,这样就能对光照的强度进行比较性测量。光敏电阻受到的光照越强,电路中的电流越大。
若按照图乙所示,把光敏电阻R的引脚穿过硬泡沫塑料板Z而固定,再罩上内壁涂黑、长度足够的遮光筒T,则可避免杂散光的干扰。然后分别把不同的光源L(如蜡烛、几种不同功率的白炽灯泡、日光灯管等)放在与光敏电阻相同距离(例如1 m)的位置,可根据电流表的示数比较它们的亮度。
[例2] 如图所示是利用太阳能给LED路灯供电的自动控制电路的示意图。R是光敏电阻,R0是保护定值电阻,日光充足时,电磁继电器把衔铁吸下,GH接入电路,太阳能电池板给蓄电池充电,光线不足时,衔铁被弹簧拉起,与EF接入电路,蓄电池给LED路灯供电,路灯亮起。下列关于该电路分析正确的是(　　)
[A] 该光敏电阻R阻值随光照强度增大而增大
[B] 增加电源电动势可以增加路灯照明时间
[C] 增大保护电阻R0阻值可延长每天路灯照明时间
[D] 并联更多的LED路灯可延长每天路灯照明时间
「典例研习」
C
【解析】 日光充足时,电磁继电器把衔铁吸下,根据闭合电路欧姆定律,控制电路中电阻变小,电流变大,衔铁才会被吸下,所以当光照强度增大时光敏电阻R阻值减小,故A错误;电动势增大,电阻不变情况下,电流增大,电磁继电器把衔铁吸下,光敏电阻阻值需增大到更大,即需要光照更弱时衔铁才会被弹簧拉起,减少了路灯照明时间,故B错误;增大保护电阻R0,减小了电流,需要光敏电阻阻值减小到更小,即光照更充足时,电磁铁才会把衔铁吸下,所以延长了照明时间,故C正确;LED灯的盏数不影响控制电路,考虑蓄电池容量一定,可能减少照明时间,故D错误。
·规律方法·
(1)光敏电阻的阻值随光照强度的增强而减小。
(2)从题目中结合电路图获取信息,利用闭合电路的动态分析解决问题。
要点三　金属热电阻和热敏电阻及其应用
如图所示,将多用电表的选择开关置于电阻挡,再将多用电表的两支表笔与负温度系数的热敏电阻RT(温度升高,电阻减小)的两端相连,这时指针恰好指在刻度盘的正中央。
「情境探究」
探究1:若在RT上擦一些酒精,多用电表指针将如何偏转
【答案】 由于酒精挥发,热敏电阻RT温度降低,电阻值增大,多用电表指针将向左偏。
探究2:若用吹风机将热风吹向热敏电阻,多用电表指针将如何偏转
【答案】 用吹风机将热风吹向热敏电阻,热敏电阻RT温度升高,电阻值减小,多用电表指针将向右偏。
1.金属热电阻和热敏电阻对比分析
「要点归纳」
项目 特性 原因
金属热电阻 温度越高, 电阻越大 温度升高,金属电阻率增大,电阻增大
热 敏 电 阻 负温度系数的热敏电阻 温度越高, 电阻越小 温度升高,载流子增多,电阻减小
正温度系数的热敏电阻 温度越高, 电阻越大 温度升高,载流子减少,电阻增大
2.应用
(1)利用金属热电阻和热敏电阻的阻值与温度之间的对应关系来测量温度。
(2)如图甲、乙所示,一些汽车的低油位报警装置采用热敏电阻来检测油箱的警戒液位。若给热敏电阻通以一定的电流,热敏电阻会发热。当液面高于热敏电阻的高度时,热敏电阻发出的热量会被液体带走,温度基本不变,阻值较大,指示灯不亮(图甲)。当液体减少、热敏电阻露出液面时,发热导致它的温度上升、阻值较小,指示灯亮(图乙)。通过判断热敏电阻的阻值变化,就可以知道液面是否低于设定值。
[例3] 在电喷汽车的进气管道中,广泛地使用着一种叫“电热丝式空气流量传感器”的部件,其核心部分是一种用特殊的合金材料制作的电热丝。如图所示,当进气管道中的冷空气流速越大时,电阻R两端的电压U0就变得越高,反之,电压U0就越低。这样管道内空气的流量就转变成了可以测量的电压信号,便于汽车内的电脑系统实现自动控制。如果将这种电热丝从汽车的进气管道中取出,放在实验室中测量这种电热丝,得到的伏安特性曲线正确的是(　　)
「典例研习」
D
[A] [B] [C] [D]
【解析】 当进气管道中的冷空气流速越大时,电阻R两端的电压U0就变得越高,说明电热丝两端的电压越低。根据题中电路图可知,温度越低,这种电热丝的电阻越小;温度越高,这种电热丝的电阻越大;I-U图像上点与原点连线的斜率表示电阻的倒数,随着U、I的增大,温度升高,电热丝的电阻增大,则I-U图像上点与原点连线的斜率减小。故选D。
·规律方法·
(1)注意区分金属热电阻和热敏电阻,金属热电阻阻值随温度升高而变大,热敏电阻阻值根据具体情况确定。
(2)从题目中结合电路图获取信息,利用闭合电路的动态分析解决问题。
要点四　电阻应变片与电容式传感器
「情境探究」
如图所示的电容式话筒是一种电容式传感器,其原理是导电性振动膜片与固定电极构成了一个电容器,当振动膜片在声音的作用下振动时,两个电极之间的电容发生变化,电路中的电流随之变化,这样声信号就变成了电信号,则当振动膜片向左振动时,电容器的带电荷量怎样变化
「要点归纳」
1.应变式力传感器
(1)结构。
常用的一种力传感器是由金属梁和电阻应变片组成的,其结构如图甲所示,称为应变式力传感器。
(2)原理。
应变式力传感器的工作原理如图乙所示。弹簧钢制成的梁形元件右端固定,在梁的上下表面各贴一个应变片。在梁的自由端施力F,则梁发生弯曲,上表面拉伸,下表面压缩,上表面应变片的电阻变大,下表面应变片的电阻变小。力F越大,弯曲形变越大,应变片的电阻变化就越大。如果让应变片中通过的电流保持恒定,那么上表面应变片两端的电压变大,下表面应变片两端的电压变小。传感器把这两个电压的差值输出。力F越大,输出的电压差值也就越大。
2.常见电容式传感器
名称 传感器 原理
测定角 度θ的 电容式 传感器 当动片与定片之间的角度θ发生变化时,引起极板正对面积S的变化,使电容C发生变化,知道C的变化,就可以知道θ的变化情况
测定液 面高度 h的电 容式传 感器　 在导线芯的外面涂上一层绝缘物质,放入导电液体中,导线芯和导电液体构成电容器的两个极板,导线芯外面的绝缘物质就是电介质,液面高度h发生变化时,引起正对面积发生变化,使电容C发生变化,知道C的变化,就可以知道h的变化情况
测定压 力F的 电容式 传感器 待测压力F作用于可动膜片电极上的时候,膜片发生形变,使极板间距离d发生变化,引起电容C的变化,知道C的变化,就可以知道F的变化情况
测位移 x的电 容式传 感器　 随着电介质进入极板间的长度发生变化,电容C发生变化,知道C的变化,就可以知道x的变化情况
[例4] (电压式传感器)图乙为一个自动筛选鸡蛋重量的装置,可以筛选出两类重量不同的鸡蛋。当不同重量的鸡蛋传送到压力秤上时,压力秤作用在压力传感器电阻R1上,其电阻值随压力秤所受压力的变化图像如图甲所示。R2是可调节电阻,其两端电压经放大电路放大后可以控制电磁铁是否吸动衔铁并保持一段时间。当电压超过某一数值时电磁铁可以吸动衔铁使弹簧下压,鸡蛋就进入B通道。已知电源电动势,E=9 V,内阻不计,R2调节为20 Ω。
「典例研习」
(1)由图甲可知,压力传感器的电阻值R1随压力的增大而　　　(选填“增大”或“减小”)。
减小
【解析】 (1)由题图甲可知,压力传感器的电阻值R1随压力的增大而减小。
(2)从B通道通过的是　　　　(选填“重”或“轻”)鸡蛋。
重
【解析】 (2)鸡蛋越重,对R1的压力越大,R1的阻值越小,分得的电压越低,
R2分得的电压越高,电磁铁对衔铁向下的吸引力越大,越容易将弹簧压下,鸡蛋进入B通道,因此从B通道通过的是重鸡蛋。
(3)由两图可知,若R2两端的电压超过6 V时,电磁铁可以吸动衔铁向下,则选择的重鸡蛋对压力秤的压力要大于　　 N。(结果保留2位有效数字)
0.43
(4)要想选择出更重的鸡蛋,需要把电阻R2的阻值调　　　　(选填“大”或“小”);若在不改变R2阻值和更换R1情况下要选出更重的鸡蛋,还有什么措施 请写出一条可行办法:　 。
小
可以更换电动势更低的电源
【解析】 (4)当更重的鸡蛋压到R1上时,R1上的阻值更小,但R1上的电压不变,回路的电流更大,即流过R2的电流更大,而R2的电压也不变,因此应将R2的阻值调小。
在其他条件不变时,为选出更重的鸡蛋,可以更换电动势更低的电源,使得更重的鸡蛋才能使R2分得与原来相同的电压。
[例5] (电容式传感器)(多选)如图所示为某汽车上的加速度电容式传感器的俯视图。质量块左、右侧分别连接电介质、轻质弹簧,弹簧与电容器固定在外框上,质量块可带动电介质相对于外框无摩擦左右移动,电容器与供电电源连接,并串联计算机的信号采集器。下列关于该传感器的说法正确的是(　　 )
[A] 电介质插入极板间越深,则电容器电容越大
[B] 在汽车向右匀加速直线运动过程中电路中有电流
[C] 在汽车向左匀速直线运动过程中电路中有电流
[D] 在汽车向右做加速度增大的加速运动过程中,电路中有顺时针方向的充电电流
AD
·规律方法·
电容式传感器是应用了电容器的电容跟板间距离、正对面积、电介质及引起它们改变的因素(如力、位移、压强、声音等)的关系,将这些非电学量转换为电容器的电容这个电学量。
检测·学习效果
1.下列关于传感器的应用,说法正确的是(　　)
[A] 干簧管是利用电磁感应的原理控制电路的通断的
[B] 机器人“眼睛”利用了光传感器
[C] 红外测温枪向人体发射红外线,从而测量人体温度
[D] 火灾报警器是通过感知温度触发报警的
B
【解析】 干簧管是利用磁极间的相互作用来控制电路的通断的,故A错误;机器人“眼睛”利用了光传感器,故B正确;红外测温枪是接收人体向外发射红外线的强弱,从而测量人体温度的,故C错误;火灾报警器是利用烟雾对光的散射工作的,故D错误。
2.利用电容式传感器可检测矿井渗水及时发出安全警报,如图所示是一种通过电容式传感器检测矿井中液面高低的仪器原理图,矿井水中掺杂有杂质,可视为导电液体,根据该探究装置,下列说法正确的是(　　)
[A] 水面升高,则电容器的相对介电常数变大
[B] 水面升高,则电容器的两极板之间的间距在变大
[C] 若G中有从a到b的电流,说明矿井出现渗水(h增加)
[D] G的示数越小说明矿井水位越低
C
【解析】 电容器的相对介电常数由电介质材料决定,液体为导电液体,不是电介质,所以相对介电常数与液面高度无关,故A错误;水面升高,则电容器的两极板之间的正对面积增大,间距不变,故B错误;若G中有从a到b的电流,可知电容器在充电,电容器电容增大,两极板之间的正对面积增大,说明矿井出现渗水(h增加),故C正确;当矿井水位不变时,G的示数为零,故G的示数越小不能说明矿井水位越低,故D错误。
3.如图所示为电饼铛自动控温电路。电路中的R1和R2,其中一个是定值电阻,另一个是温度传感器(可等效为可变电阻)。温度越高,温度传感器的电阻值越小。当a、b两端的电压大于U1时,控制开关自动闭合开始加热;当a、b两端的电压小于U2(U1、U2为定值)时,控制开关断开停止加热。下列说法正确的是(　　)
[A] R2为温度传感器
[B] 定值电阻的阻值越小,电饼铛停止加热时的温度越低
[C] 定值电阻的阻值越小,电饼铛停止加热时的温度越高
[D] U1C
4.如图所示为一种常见的身高体重测量仪,其中测体重的为压力传感器。如果该传感器输出电压与作用在其上的压力成正比,质量为M0的测重台置于该传感器上时输出电压为U0,某同学再站上测重台时输出电压变为U,问该同学的质量为多少
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2　常见传感器的工作原理及应用
[定位·学习目标]　1.感受传感器,知道传感器是把非电学量转换成电学量的器件或装置,其主要元件是敏感元件。知道传感器在生产生活等实践活动中有广泛应用。2.了解光敏电阻、金属热电阻、热敏电阻和电阻应变片等材料的物理特性,知道利用其特性可以制作传感器的敏感元件。3.知道传感器在某些方面可以代替甚至超过人类对自然的感知,能够改变人类的生产生活方式。
知识点一　认识传感器
探究新知
1.神奇的传感器
(1)楼道的灯安装了“声控—光控”开关。
(2)自动门应用了红外线传感器。
(3)酒精检测仪上装有乙醇传感器。
2.传感器的定义和意义
(1)定义:能够感受诸如力、温度、光、声、化学成分等被测量,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电压、电流等电学量,或转换为电路的通断。
(2)意义:把非电学量转换为电学量,可以很方便地进行测量、传输、处理和控制。
3.传感器的种类
(1)按学科分类。
①物理:力传感器、磁传感器、声传感器等。
②化学:离子传感器、气体传感器等。
③生物:酶传感器、微生物传感器、细胞传感器等。
(2)物理传感器的种类。
①根据被测量的不同,可分为声、光、压力、位移、加速度、温度等传感器。
②根据工作原理可分为电阻式、电容式、电感式、光电式、热电式、压电式、磁电式等传感器。
4.传感器的组成与应用模式
(1)传感器的基本部分。
①敏感元件:能直接感受或响应外界被测非电学量的部分。
②转换元件:能将敏感元件输出的信号直接转换成电信号的部分。
(2)传感器应用的一般模式。
正误辨析
(1)传感器的功能与人的视觉、听觉、触觉、嗅觉等功能相似。(　√　)
(2)传感器担负着信息采集的任务,它常常是将电学量转化为力学量。(　×　)
(3)敏感元件是指能直接感受或响应外界被测电学量的部分。(　×　)
(4)话筒是一种能够将声音信号转换为电信号的传感器。(　√　)
知识点二　常见传感器的工作原理及应用
探究新知
1.光敏电阻
(1)把硫化镉涂敷在绝缘板上,在其表面再用银浆涂敷两个互不相连的梳状电极,这样就制成了一个光敏电阻。
(2)硫化镉是一种半导体材料,无光照时,载流子极少,导电性能差;随着光照的增强,载流子增多,导电性变好。
(3)光敏电阻能够把光照强弱这个光学量转换为电阻这个电学量。
(4)光敏电阻可在产品生产的流水线上实现自动计数的功能。
2.金属热电阻和热敏电阻
(1)金属热电阻。
金属的电阻率随温度的升高而增大,用金属丝可以制作温度传感器,称为热电阻,如图甲所示为某一金属热电阻的阻值随温度变化的特性曲线。
(2)热敏电阻。
有些半导体在温度上升时导电能力增强,因此可以用半导体材料制作热敏电阻。用氧化锰等金属氧化物烧结而成的热敏电阻的阻值随温度的变化非常明显,如图乙所示为某一热敏电阻的阻值随温度变化的特性曲线。
3.电阻应变片
(1)电阻应变片的工作原理。
①金属的电阻应变效应:金属导体在外力作用下发生机械形变,导体的长度、横截面积变化从而引起电阻变化的现象。
②半导体材料的压阻效应:当单晶半导体材料沿某一轴向受到外力作用时,其电阻率发生变化的现象。
(2)应变式力传感器——电子秤。
①组成:由金属梁和电阻应变片组成。
②工作原理。
③作用:电阻应变片将物体形变这个力学量转换为电阻这个电学量。
正误辨析
(1)光敏电阻的阻值随光线的强弱而变化,光照越强电阻越大。(　×　)
(2)光敏电阻可以把光照强弱这个光学量转换为电阻这个电学量。(　√　)
(3)热敏电阻一般用半导体材料制作,导电能力随温度的升高而增强,但灵敏度低。(　×　)
(4)金属热电阻随温度的升高导电能力增强,它的化学稳定性好,测量范围大。(　×　)
(5)热敏电阻和金属热电阻都能把温度这个热学量转换为电阻这个电学量。(　√　)
要点一　传感器
情境探究
仔细观察下图,认真参与探究活动。
探究1:如图甲所示,小盒子A的侧面露出一个小灯泡,盒外没有开关。如果把磁体B放到盒子上面,灯泡就会发光,把磁体移走,灯泡熄灭。盒子里有什么样的装置,才能出现这样的现象
【答案】 小灯泡的发光、熄灭与磁场的有无有关,说明盒子里有一种能够感知磁场的装置,它起到了开关的作用。
探究2:图甲的小盒子A中起到开关作用的装置叫作“干簧管”,它是一种传感器。如图乙,控制楼道灯亮灭的“声控—光控”开关也用到了传感器。只有当环境的亮度低于某一数值,同时声强高于某一数值时,“声控—光控”开关才会接通,灯才会亮。“声控—光控”开关能感知什么 并将其转换为什么
【答案】 “声控—光控”开关能感知环境的明暗和声音的强弱,并将其转换为电路的通断。
探究3:如图丙,一些宾馆安装了自动门,当人走近时,自动门上的红外线传感器可以检测出人体向外辐射的红外线,从而发出使自动门开关启动的命令。红外线传感器能感知什么 并将其转换为什么
【答案】 红外线传感器能感知红外线,并将其转换为控制自动门开关的电信号。
探究4:如图丁,交通警察在检查司机是否酒后开车时,会让司机对着“便携式酒精检测仪”呼气,检测仪就会显示呼出气体中的酒精浓度。检测仪中的乙醇传感器能感知什么 并将其转换为什么
【答案】 乙醇传感器能感知乙醇的浓度,并将其转换为电信号。
探究5:如图戊,传感器的功能与人的感觉器官的功能类似,所以这类装置才叫作传感器。请根据以上例子,总结传感器的功能。
【答案】 传感器能够感受诸如力、温度、光、声、化学成分等被测量,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电压、电流等电学量,或转换为电路的通断。把非电学量转换为电学量,可以很方便地进行测量、传输、处理和控制。
要点归纳
1.传感器的组成和工作流程
(1)传感器的组成。
①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。
②转换元件:传感器中能将敏感元件输出且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。
③转换电路:将转换元件输出的不易测量的电学量转换成易于测量或传输的电学量,如电压、电流、电阻等。
(2)传感器的工作流程。
2.传感器的原理
传感器感受的通常是非电学量,如力、温度、位移、浓度、速度、酸碱度等,而输出的通常是电学量,如电压、电流等。这些输出的电信号是非常微弱的,通常需要经过转换电路放大或转换后,再传送给执行机构产生各种控制动作。
典例研习
[例1] 关于传感器,下列说法正确的是(　　)
[A] 所有传感器都是由半导体材料制成的
[B] 传感器一定是把非电学量转换为电学量
[C] 传感器把非电学量转换为电学量是为了方便地进行测量、传输、处理和控制
[D] 干簧管是通过磁体靠近产生电磁感应实现自动控制的
【答案】 C
【解析】 传感器可以由半导体材料制成,也可以由其他材料制成,故A错误;传感器不一定是把非电学量转换为电学量,也可以转换为电路的通断,故B错误;传感器把非电学量转换为电学量是为了方便地进行测量、传输、处理和控制,故C正确;干簧管是利用磁现象,故D错误。
分析传感器时要明确的问题
(1)核心元件是什么。
(2)是怎样将非电学量转换为电学量的。
(3)是如何显示或控制开关的。
要点二　光敏电阻及其应用
情境探究
仔细观察下图,认真参与探究活动。
探究1:将图甲光敏电阻接到多用电表的两端,选择开关置于倍率为“×100”的电阻挡(图乙),先后在室内用自然光照射、用手掌遮光、用阳光直接照射,测量光敏电阻的阻值,光敏电阻阻值的变化特点是什么
【答案】 光照强度越强,光敏电阻的阻值越小。
探究2:换用一个普通的电阻,小心地把它表面的漆层除去一些,使里面的导电膜露出来接受光照。重做上述实验,结果相同吗
【答案】 不同,普通电阻的阻值几乎不变。
要点归纳
1.光敏电阻的应用——光电计数
在产品生产的流水线上,常需要对产品计数。如图所示是利用光敏电阻自动计数的示意图,其中A是发光仪器,B是接收光信号的仪器,B中的主要元件是由光敏电阻组成的光电传感器。当传送带上没有物品挡住由A射向B的光信号时,光敏电阻的阻值较小,供给信号处理系统的电压变低;当传送带上有物品挡住由A射向B的光信号时,光敏电阻的阻值变大,供给信号处理系统的电压变高。这种高低交替变化的信号经过处理,就会转化为相应的数字,实现自动计数的功能。
2.光敏电阻的应用——测量光照的强度
把光敏电阻、多用电表的直流电流挡和干电池按照如图甲所示连成电路,这样就能对光照的强度进行比较性测量。光敏电阻受到的光照越强,电路中的电流越大。
若按照图乙所示,把光敏电阻R的引脚穿过硬泡沫塑料板Z而固定,再罩上内壁涂黑、长度足够的遮光筒T,则可避免杂散光的干扰。然后分别把不同的光源L(如蜡烛、几种不同功率的白炽灯泡、日光灯管等)放在与光敏电阻相同距离(例如1 m)的位置,可根据电流表的示数比较它们的亮度。
典例研习
[例2] 如图所示是利用太阳能给LED路灯供电的自动控制电路的示意图。R是光敏电阻,R0是保护定值电阻,日光充足时,电磁继电器把衔铁吸下,GH接入电路,太阳能电池板给蓄电池充电,光线不足时,衔铁被弹簧拉起,与EF接入电路,蓄电池给LED路灯供电,路灯亮起。下列关于该电路分析正确的是(　　)
[A] 该光敏电阻R阻值随光照强度增大而增大
[B] 增加电源电动势可以增加路灯照明时间
[C] 增大保护电阻R0阻值可延长每天路灯照明时间
[D] 并联更多的LED路灯可延长每天路灯照明时间
【答案】 C
【解析】 日光充足时,电磁继电器把衔铁吸下,根据闭合电路欧姆定律,控制电路中电阻变小,电流变大,衔铁才会被吸下,所以当光照强度增大时光敏电阻R阻值减小,故A错误;电动势增大,电阻不变情况下,电流增大,电磁继电器把衔铁吸下,光敏电阻阻值需增大到更大,即需要光照更弱时衔铁才会被弹簧拉起,减少了路灯照明时间,故B错误;增大保护电阻R0,减小了电流,需要光敏电阻阻值减小到更小,即光照更充足时,电磁铁才会把衔铁吸下,所以延长了照明时间,故C正确;LED灯的盏数不影响控制电路,考虑蓄电池容量一定,可能减少照明时间,故D错误。
(1)光敏电阻的阻值随光照强度的增强而减小。
(2)从题目中结合电路图获取信息,利用闭合电路的动态分析解决问题。
要点三　金属热电阻和热敏电阻及其应用
情境探究
如图所示,将多用电表的选择开关置于电阻挡,再将多用电表的两支表笔与负温度系数的热敏电阻RT(温度升高,电阻减小)的两端相连,这时指针恰好指在刻度盘的正中央。
探究1:若在RT上擦一些酒精,多用电表指针将如何偏转
【答案】 由于酒精挥发,热敏电阻RT温度降低,电阻值增大,多用电表指针将向左偏。
探究2:若用吹风机将热风吹向热敏电阻,多用电表指针将如何偏转
【答案】 用吹风机将热风吹向热敏电阻,热敏电阻RT温度升高,电阻值减小,多用电表指针将向右偏。
要点归纳
1.金属热电阻和热敏电阻对比分析
项目 特性 原因
金属热电阻 温度越高, 电阻越大 温度升高,金属电阻率增大,电阻增大
热 敏 电 阻 负温度系数的热敏电阻 温度越高, 电阻越小 温度升高,载流子增多,电阻减小
正温度系数的热敏电阻 温度越高, 电阻越大 温度升高,载流子减少,电阻增大
2.应用
(1)利用金属热电阻和热敏电阻的阻值与温度之间的对应关系来测量温度。
(2)如图甲、乙所示,一些汽车的低油位报警装置采用热敏电阻来检测油箱的警戒液位。若给热敏电阻通以一定的电流,热敏电阻会发热。当液面高于热敏电阻的高度时,热敏电阻发出的热量会被液体带走,温度基本不变,阻值较大,指示灯不亮(图甲)。当液体减少、热敏电阻露出液面时,发热导致它的温度上升、阻值较小,指示灯亮(图乙)。通过判断热敏电阻的阻值变化,就可以知道液面是否低于设定值。
典例研习
[例3] 在电喷汽车的进气管道中,广泛地使用着一种叫“电热丝式空气流量传感器”的部件,其核心部分是一种用特殊的合金材料制作的电热丝。如图所示,当进气管道中的冷空气流速越大时,电阻R两端的电压U0就变得越高,反之,电压U0就越低。这样管道内空气的流量就转变成了可以测量的电压信号,便于汽车内的电脑系统实现自动控制。如果将这种电热丝从汽车的进气管道中取出,放在实验室中测量这种电热丝,得到的伏安特性曲线正确的是(　　)
[A] [B] [C] [D]
【答案】 D
【解析】 当进气管道中的冷空气流速越大时,电阻R两端的电压U0就变得越高,说明电热丝两端的电压越低。根据题中电路图可知,温度越低,这种电热丝的电阻越小;温度越高,这种电热丝的电阻越大;I-U图像上点与原点连线的斜率表示电阻的倒数,随着U、I的增大,温度升高,电热丝的电阻增大,则I-U图像上点与原点连线的斜率减小。故选D。
(1)注意区分金属热电阻和热敏电阻,金属热电阻阻值随温度升高而变大,热敏电阻阻值根据具体情况确定。
(2)从题目中结合电路图获取信息,利用闭合电路的动态分析解决问题。
要点四　电阻应变片与电容式传感器
情境探究
　如图所示的电容式话筒是一种电容式传感器,其原理是导电性振动膜片与固定电极构成了一个电容器,当振动膜片在声音的作用下振动时,两个电极之间的电容发生变化,电路中的电流随之变化,这样声信号就变成了电信号,则当振动膜片向左振动时,电容器的带电荷量怎样变化
【答案】 振动膜片向左振动时,电容器两极板的距离变大,由C=知C减小,由Q=CU知,在U不变时Q减小。
要点归纳
1.应变式力传感器
(1)结构。
常用的一种力传感器是由金属梁和电阻应变片组成的,其结构如图甲所示,称为应变式力传感器。
(2)原理。
应变式力传感器的工作原理如图乙所示。弹簧钢制成的梁形元件右端固定,在梁的上下表面各贴一个应变片。在梁的自由端施力F,则梁发生弯曲,上表面拉伸,下表面压缩,上表面应变片的电阻变大,下表面应变片的电阻变小。力F越大,弯曲形变越大,应变片的电阻变化就越大。如果让应变片中通过的电流保持恒定,那么上表面应变片两端的电压变大,下表面应变片两端的电压变小。传感器把这两个电压的差值输出。力F越大,输出的电压差值也就越大。
2.常见电容式传感器
名称 传感器 原理
测定角 度θ的 电容式 传感器 当动片与定片之间的角度θ发生变化时,引起极板正对面积S的变化,使电容C发生变化,知道C的变化,就可以知道θ的变化情况
测定液 面高度 h的电 容式传 感器　 在导线芯的外面涂上一层绝缘物质,放入导电液体中,导线芯和导电液体构成电容器的两个极板,导线芯外面的绝缘物质就是电介质,液面高度h发生变化时,引起正对面积发生变化,使电容C发生变化,知道C的变化,就可以知道h的变化情况
测定压 力F的 电容式 传感器 待测压力F作用于可动膜片电极上的时候,膜片发生形变,使极板间距离d发生变化,引起电容C的变化,知道C的变化,就可以知道F的变化情况
测位移 x的电 容式传 感器　 随着电介质进入极板间的长度发生变化,电容C发生变化,知道C的变化,就可以知道x的变化情况
典例研习
[例4] (电压式传感器)图乙为一个自动筛选鸡蛋重量的装置,可以筛选出两类重量不同的鸡蛋。当不同重量的鸡蛋传送到压力秤上时,压力秤作用在压力传感器电阻R1上,其电阻值随压力秤所受压力的变化图像如图甲所示。R2是可调节电阻,其两端电压经放大电路放大后可以控制电磁铁是否吸动衔铁并保持一段时间。当电压超过某一数值时电磁铁可以吸动衔铁使弹簧下压,鸡蛋就进入B通道。已知电源电动势,E=9 V,内阻不计,R2调节为
20 Ω。
(1)由图甲可知,压力传感器的电阻值R1随压力的增大而　　　　(选填“增大”或“减小”)。
(2)从B通道通过的是　　　　(选填“重”或“轻”)鸡蛋。
(3)由两图可知,若R2两端的电压超过6 V时,电磁铁可以吸动衔铁向下,则选择的重鸡蛋对压力秤的压力要大于　　　　 N。(结果保留2位有效数字)
(4)要想选择出更重的鸡蛋,需要把电阻R2的阻值调　　　 　(选填“大”或“小”);若在不改变R2阻值和更换R1情况下要选出更重的鸡蛋,还有什么措施 请写出一条可行办法:
　 。
【答案】 (1)减小　(2)重　(3)0.43　(4)小　可以更换电动势更低的电源
【解析】 (1)由题图甲可知,压力传感器的电阻值R1随压力的增大而减小。
(2)鸡蛋越重,对R1的压力越大,R1的阻值越小,分得的电压越低,R2分得的电压越高,电磁铁对衔铁向下的吸引力越大,越容易将弹簧压下,鸡蛋进入B通道,因此从B通道通过的是重鸡蛋。
(3)由于R1与R2串联,因此满足I==,可知R1=10 Ω,通过题图甲可知,此时重鸡蛋对压力秤的压力为0.43 N。
(4)当更重的鸡蛋压到R1上时,R1上的阻值更小,但R1上的电压不变,回路的电流更大,即流过R2的电流更大,而R2的电压也不变,因此应将R2的阻值调小。
在其他条件不变时,为选出更重的鸡蛋,可以更换电动势更低的电源,使得更重的鸡蛋才能使R2分得与原来相同的电压。
[例5] (电容式传感器)(多选)如图所示为某汽车上的加速度电容式传感器的俯视图。质量块左、右侧分别连接电介质、轻质弹簧,弹簧与电容器固定在外框上,质量块可带动电介质相对于外框无摩擦左右移动,电容器与供电电源连接,并串联计算机的信号采集器。下列关于该传感器的说法正确的是(　　)
[A] 电介质插入极板间越深,则电容器电容越大
[B] 在汽车向右匀加速直线运动过程中电路中有电流
[C] 在汽车向左匀速直线运动过程中电路中有电流
[D] 在汽车向右做加速度增大的加速运动过程中,电路中有顺时针方向的充电电流
【答案】 AD
【解析】 根据C=,若电介质插入极板间越深,相对介电常数εr越大,则电容器的电容越大,A正确;在汽车向右匀加速直线运动过程中,加速度方向向右,大小一定,可知弹簧弹力方向向右,大小一定,即电介质插入极板间的深度一定,则极板之间的相对介电常数一定,电容器电容一定,根据C=可知,电容器与供电电源连接,极板之间电压一定,电容一定时,极板所带电荷量一定,即电路中没有充电电流或者放电电流,同理,汽车向左匀速直线运动过程中电路中也无电流,B、C错误;在汽车向右做加速度增大的加速运动过程中,加速度方向向右,大小逐渐增大,可知弹簧弹力方向向右,大小逐渐增大,弹簧长度增大,即电介质插入极板间的深度增大,则极板之间的相对介电常数增大,电容器电容增大,根据C=可知,电容器与供电电源连接,极板之间电压一定,电容增大时,极板所带电荷量增大,电容器上极板带正电,即电路中有顺时针方向的充电电流,D正确。
电容式传感器是应用了电容器的电容跟板间距离、正对面积、电介质及引起它们改变的因素(如力、位移、压强、声音等)的关系,将这些非电学量转换为电容器的电容这个电
学量。
1.下列关于传感器的应用,说法正确的是(　　)
[A] 干簧管是利用电磁感应的原理控制电路的通断的
[B] 机器人“眼睛”利用了光传感器
[C] 红外测温枪向人体发射红外线,从而测量人体温度
[D] 火灾报警器是通过感知温度触发报警的
【答案】 B
【解析】 干簧管是利用磁极间的相互作用来控制电路的通断的,故A错误;机器人“眼睛”利用了光传感器,故B正确;红外测温枪是接收人体向外发射红外线的强弱,从而测量人体温度的,故C错误;火灾报警器是利用烟雾对光的散射工作的,故D错误。
2.利用电容式传感器可检测矿井渗水及时发出安全警报,如图所示是一种通过电容式传感器检测矿井中液面高低的仪器原理图,矿井水中掺杂有杂质,可视为导电液体,根据该探究装置,下列说法正确的是(　　)
[A] 水面升高,则电容器的相对介电常数变大
[B] 水面升高,则电容器的两极板之间的间距在变大
[C] 若G中有从a到b的电流,说明矿井出现渗水(h增加)
[D] G的示数越小说明矿井水位越低
【答案】 C
【解析】 电容器的相对介电常数由电介质材料决定,液体为导电液体,不是电介质,所以相对介电常数与液面高度无关,故A错误;水面升高,则电容器的两极板之间的正对面积增大,间距不变,故B错误;若G中有从a到b的电流,可知电容器在充电,电容器电容增大,两极板之间的正对面积增大,说明矿井出现渗水(h增加),故C正确;当矿井水位不变时,G的示数为零,故G的示数越小不能说明矿井水位越低,故D错误。
3.如图所示为电饼铛自动控温电路。电路中的R1和R2,其中一个是定值电阻,另一个是温度传感器(可等效为可变电阻)。温度越高,温度传感器的电阻值越小。当a、b两端的电压大于U1时,控制开关自动闭合开始加热;当a、b两端的电压小于U2(U1、U2为定值)时,控制开关断开停止加热。下列说法正确的是(　　)
[A] R2为温度传感器
[B] 定值电阻的阻值越小,电饼铛停止加热时的温度越低
[C] 定值电阻的阻值越小,电饼铛停止加热时的温度越高
[D] U1【答案】 C
【解析】 若R2为温度传感器,则当温度升高时,其电阻值减小,回路电流变大,则R1两端的电压变大,当a、b两端的电压大于U1时,控制开关自动闭合开始加热,则与装置功能不相符,则R1为温度传感器,选项A错误;电阻R1的分压U==,当UU2,选项D错误。
4.如图所示为一种常见的身高体重测量仪,其中测体重的为压力传感器。如果该传感器输出电压与作用在其上的压力成正比,质量为M0的测重台置于该传感器上时输出电压为U0,某同学再站上测重台时输出电压变为U,问该同学的质量为多少
【答案】
【解析】 传感器输出电压与作用在其上的压力成正比,质量为M0的测重台置于该传感器上时输出电压为U0,某同学再站上测重台时输出电压变为U,设该同学的质量为M,则有
=,
可得该同学的质量为M=。
课时作业
(分值:42分)
基础巩固练
考点一　认识传感器
1.(4分)关于传感器工作的一般流程,下列选项正确的是(　　)
[A] 非电学量→敏感元件→转换电路→电学量→转换元件
[B] 电学量→敏感元件→转换电路→转换元件→非电学量
[C] 非电学量→敏感元件→转换元件→转换电路→电学量
[D] 非电学量→转换电路→转换元件→敏感元件→电学量
【答案】 C
【解析】 传感器工作的一般流程为:非电学量被敏感元件感知,然后通过转换元件转换成电信号,再通过转换电路将此信号转换成易于传输或测量的电学量。故选C。
2.(4分)传感器的应用越来越广泛,下列关于传感器在生产生活中的实际应用,说法正确的是(　　)
[A] 电梯能对超出负载作出“判断”,主要利用的是力传感器
[B] 宾馆的自动门能“感受”到人走近,主要利用的是声音传感器
[C] 检测汽车尾气排放是否符合标准,主要利用的是热传感器
[D] 电视遥控接收器的主要元件是次声波传感器
【答案】 A
【解析】 通过压力传感器,可以使电梯判断是否超出负载,即电梯能对超出负载作出“判断”,主要利用的是力传感器,A正确;宾馆的自动门能“感受”到人走近,是因为安装了红外线传感器,从而能感知红外线,导致门被打开,B错误;检测汽车尾气排放是否符合标准,主要利用的是气体传感器,C错误;电视遥控接收器的主要元件是红外线传感器,D错误。
3.(4分)一种新型保险柜安装有声纹锁,只有主人说出事先设定的暗语才能打开,别人即使说出暗语也打不开锁。这种声纹锁辨别主人声音的依据是(　　)
[A] 音调 [B] 音色
[C] 响度 [D] 声速
【答案】 B
【解析】 因为每个人的发声音色不同,而声纹锁是依据音色来进行判断的,只能按照设定的音色打开,所以主人说出事先设定的暗语就能打开,故B正确,A、C、D错误。
考点二　常见传感器的工作原理及应用
4.(4分)(2024·浙江期中)某磁敏电阻R的阻值随外加磁场的磁感应强度B的增大而增大。一名同学利用该磁敏电阻设计了一款可以测量小车加速度的实验装置,如图所示,条形磁体的左、右两端分别连接两根相同的轻质弹簧,两弹簧的另一端固定在小车两侧的竖直挡板上,磁体可以相对小车无摩擦左右移动。下列说法正确的是(　　)
[A] 小车向右做匀速直线运动的过程中,电流表示数变大
[B] 小车向右做匀减速直线运动的过程中,电压表示数变小
[C] 小车向左做加速度逐渐增大的加速直线运动过程中,电流表示数变大
[D] 小车向左做匀减速直线运动的过程中,电压表示数变小
【答案】 C
【解析】 在小车向右做匀速直线运动的过程中,磁体没有加速度,受力平衡,与磁敏电阻距离保持不变,磁敏电阻阻值不变,电路中电流不变,A错误;当小车向右匀减速时,磁体具有向左的加速度且恒定,受到的合力向左且为恒力,弹簧形变量保持不变,磁体与磁敏电阻距离保持不变,磁敏电阻阻值不变,电路中电流不变,电压表示数不变,B错误;同理,D错误;在小车向左做加速度逐渐增大的加速直线运动过程中,磁体具有向左的加速度且增大,受到的合力向左且增大,故左侧的弹簧拉伸,右侧的弹簧压缩,故弹簧形变量逐渐增大,磁体向右远离磁敏电阻R,R阻值减小,电路中的电流增大,电流表的示数变大,C正确。
5.(4分)如图甲所示是电饭锅的电路图,其内部结构如图乙所示,S1是一个限温开关,按下此开关按钮,两触点闭合,当温度达到居里点(103 ℃)时此开关会自动断开。S2是一个自动温控开关,当温度低于70 ℃时会自动闭合,温度高于80 ℃时会自动断开,R1是限流电阻,R2是加热电阻。下列说法正确的是(　　)
[A] 当感温磁体的温度达到居里点(103 ℃)时,由于感温磁体失去了磁性,不能被永磁体吸引,在弹簧和磁体重力的作用下,两触点断开
[B] 开始煮饭时,若不按下限温开关S1一样可以把饭煮熟
[C] 电饭锅的饭煮熟后可以长时间保持米饭的温度在70 ℃到103 ℃之间
[D] 用电饭锅烧水,当水沸腾后限温开关S1也会自动断开
【答案】 A
【解析】 当感温磁体的温度达到居里点(103 ℃)时,由于感温磁体失去了磁性,不能被永磁体吸引,在弹簧和磁体重力的作用下,使得两触点断开,故A正确;如果开始煮饭时不按下限温开关S1,由于S2的作用,当锅内温度低于70 ℃时S2会自动闭合,从而对锅加热,但当温度高于80 ℃时S2会自动断开,使电饭锅处于保温状态,因此锅内的温度会控制在70 ℃到80 ℃之间,而无法将饭煮熟,故B、C错误;用电饭锅烧水,水沸腾后水的温度会保持100 ℃不变,锅底温度不能达到居里点(103 ℃),因此限温开关S1不会自动断开,故D错误。
6.(6分)(多选)(2024·广东佛山期末)图甲是氯化锂湿敏电阻原理示意图,当空气湿度升高时,其电阻率变大。某同学设计图乙的电路来监测空气湿度变化,其中RH是氯化锂湿敏电阻,
R0是定值电阻,在环境温度一定时,闭合开关,下列说法正确的是(　　)
[A] 空气湿度越高,RH阻值越小
[B] 空气湿度越低,电路中电流越大
[C] 空气湿度越高,电压表的示数越大
[D] 空气湿度越低,路端电压越大
【答案】 BC
【解析】 依题意,空气湿度越高,其电阻率越大,根据R=ρ,可知RH阻值越大,故A错误;同理,空气湿度越低,RH阻值越小,根据I=,可知电路中电流越大,U路端=E-Ir,路端电压越小,故B正确,D错误;同理,可知,空气湿度越高,RH阻值越大,电路中电流越小,由URH=
E-I(R0+r),可知电压表的示数越大,故C正确。
7.(4分)某蹦床俱乐部通过压力传感器获取运动员的运动数据,其工作电路如图所示。图中电源电动势恒定,内阻可忽略不计,R1为定值电阻,R为压力传感器,其阻值随压力的增大而减小,电压表和电流表均为理想电表。在运动员接触蹦床、挤压蹦床到离开蹦床的过程中,下列说法正确的是(　　)
[A] 电流表的示数先增大后减小
[B] 电压表的示数先增大后减小
[C] 电压表与电流表示数的比值先增大后减小
[D] 电路消耗的总功率增大
【答案】 A
【解析】 在运动员接触蹦床、挤压蹦床到离开蹦床的过程中,压力传感器受到的压力先增大后减小,压力传感器的阻值先减小后增大,根据闭合电路欧姆定律可知,电路电流先增大后减小,即电流表的示数先增大后减小,故A正确;定值电阻R1两端电压先增大后减小,R两端的电压先减小后增大,所以电压表的示数先减小后增大,故B错误;电压表与电流表示数的比值先减小后增大,故C错误;根据P总=EI,由于电路电流先增大后减小,可知电路消耗的总功率先增大后减小,故D错误。
能力提升练
8.(4分)图甲为在10 ℃左右的环境中工作的某自动恒温箱原理图,箱内的电阻R1=2 kΩ,
R2=1.5 kΩ,R3=4 kΩ,RT为热敏电阻,它的电阻随温度变化的图线如图乙所示,当a、b两端电压Uab<0时,电压鉴别器会令开关S接通,恒温箱内的电热丝发热;当 Uab>0时,电压鉴别器使S断开,停止加热。则恒温箱内的温度大约保持在(　　)
[A] 35 ℃ [B] 30 ℃
[C] 25 ℃ [D] 20 ℃
【答案】 C
【解析】 由题意可知,当Uab=0时,即φa=φb时,恒温箱保持稳定,根据串、并联电路电压与电阻的关系可知R1∶R2=2∶1.5=4∶3,只有R3∶RT也为4∶3的时候,Uab=0,此时有=,解得RT电阻为3 kΩ,从题图乙可以看出,温度为25 ℃。故选C。
9.(4分)自行车速度计的工作原理主要依靠的就是安装在前轮上的一块磁体,当磁体运动到霍尔传感器附近时,就产生了霍尔电压,霍尔电压通过导线传入一个小型放大器中,放大器就能检测到霍尔电压,这样便可测出在某段时间内的脉冲数。当自行车以某个速度匀速直线行驶时,检测到单位时间内的脉冲数为N,已知磁铁和霍尔传感器到前轮轮轴的距离均为R1,前轮的半径为R2,脉冲的宽度为Δt,峰值为Um,下列说法正确的是(　　)
[A] 车速越快,脉冲的峰值Um越大
[B] 车速越快,脉冲的宽度Δt越大
[C] 车速为2πNR2
[D] 车速为2πNR1
【答案】 C
【解析】 根据qvB=q得,Um=Bdv,由电流的微观定义式I=neSv,n是单位体积内的电子数,e是单个导电粒子所带的电荷量,S是导体的横截面积,v是导电粒子运动的速度,整理得v=,联立解得Um=,可知用霍尔元件可以测量磁场的磁感应强度,保持电流不变,霍尔电压Um与车速大小无关,故A、B均错误。由题意,当在单位时间t=1 s内的脉冲数为N时,自行车的转速为n0=,则车速为v=2πnR2==2πNR2,故C正确,D错误。
10.(4分)在产品生产的流水线上,常需要对产品计数。如图甲是利用光敏电阻自动计数的示意图,其中A是发光仪器,B是接收光信号的仪器,B中的主要元件是由光敏电阻组成的光电传感器。当传送带上没有产品挡住由A射向B的光信号时,光敏电阻的阻值较小;有产品挡住由A射向B的光信号时,光敏电阻的阻值变大。实现自动计数功能的电路如图乙所示,a、b之间接示波器。水平传送带匀速前进,产品通过时会挡住光信号。示波器显示的电压随时间变化的图像如图丙所示。若计数电路中的电源两端的电压恒为6 V,光敏电阻与阻值为1 kΩ的定值电阻串联。已知t=0.1 s时光信号被产品挡住。下列说法正确的是(　　)
[A] R1为光敏电阻
[B] 光信号被产品挡住时,光敏电阻的阻值为2 kΩ
[C] 光信号被产品挡住时,光敏电阻的阻值为0.5 kΩ
[D] 每分钟通过计数装置的产品数量为300个
【答案】 B
【解析】 已知t=0.1 s时光信号被产品挡住,此时a、b之间电压为2 V,可知光信号没有被产品挡住时,a、b之间电压为4 V。有光照射时,光敏电阻的阻值较小,没有光照射时,光敏电阻的阻值较大,设电源两端的电压为U,则a、b两端的电压Uab=·R1,因此R2为光敏电阻,故A错误;光信号被产品挡住时,a、b之间电压为2 V,则R2两端电压U2=6 V-2 V=4 V,根据串联电路电阻之比等于电压之比可得==,光信号被产品挡住时,光敏电阻的阻值为R2=2R1=2 kΩ,故B正确,C错误;由题图丙可知,每经过0.4 s,就有一个产品通过计数装置。每分钟通过计数装置的产品数量n==150(个),故D错误。

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