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3.利用传感器制作简单的自动控制装置
课后训练巩固提升
一、基础巩固
1.某市为了节约能源,合理适时地使用路灯,要求夜晚亮、白天熄,利用半导体的某种特性制成自动点亮、熄灭的装置,实现了自动控制。这是利用半导体的(　　)
A.力敏性 B.光敏性
C.热敏性 D.三种特性都利用了
答案:B
解析:题目中半导体应能感知光照强度变化,并输出电信号,控制电路通断,所以利用了半导体的光敏性,故B正确。
2.右图是一测定液面高低的传感器示意图,A为固定的导体芯,B为导体芯外面的一层绝缘物质,C为导电液体,把传感器接到图示电路中,已知灵敏电流表指针偏转方向与电流方向相同。如果发现指针正向右偏转,则导电液体的深度h变化为(　　)
A.h正在增大 B.h正在减小
C.h不变 D.无法确定
答案:B
解析:由电源极性及电流方向可知,A、B、C构成的电容器上的电荷量减小,根据C=,电容C在减小,故正对面积S减小,即h在减小,B正确。
3.对于常见的可燃气体浓度的检测,现在一般用催化燃烧检测器。它的原理如下:传感器的核心为一惠斯通电桥,其中一桥臂上有催化剂,当与可燃气体接触时,可燃气体在有催化剂的电桥上燃烧,该桥臂的电阻发生明显变化,其余桥臂的电阻不变化,从而引起整个电路的输出发生变化,而该变化与可燃气体的浓度成比例,从而实现对可燃气体的检测。由此可推断有催化剂的桥臂上的电阻材料为(　　)
A.铜 B.合金
C.半导体 D.绝缘体
答案:C
解析:可燃气体燃烧后电阻发生变化,是由于温度升高造成的,所以此电阻应为金属热电阻或热敏电阻,而能够随温度变化其电阻有较明显变化的材料只可能是选项中的半导体材料,故选C。
4.(多选)下图是电容式声波传感器的示意图,该电路可将声音信号转化为电信号。该电路中右侧金属板b固定不动,左侧是能在声波驱动下沿水平方向左右往复运动的镀有金属层的振动膜a,a、b构成了一个平行板电容器,且通过导线与稳压电源正、负极相接,a随声源S振动而左右往复运动。下列有关分析正确的是(　　)
A.a左右往复运动过程中,a、b板构成的电容器的电容不变
B.a左右往复运动过程中,b板所带的电荷量不断变化
C.a左右往复运动过程中,a、b板之间的电场强度不断变化
D.a左右往复运动过程中,灵敏电流计中始终有方向不变的电流
答案:BC
解析:由于平行板电容器两极板与电池两极始终连接,两板间的电压U保持不变,根据电场强度公式E=、电容的决定式C=,可判断出A错,C对;a、b板所带电荷量Q=CU,电容C变化导致Q变化,B对;由于声源S振动,电容C不断变化导致电荷量Q不断变化,所以电容器出现反复性的充电、放电现象。显然,电流计中电流方向不断变化,D错。
5.(多选)某压力传感器输出的电阻的阻值会随所受压力的增大而减小。一同学利用该传感器设计了判断升降机运动状态的装置,如图甲所示,将该传感器平放在升降机内,受压面朝上,在上面放一物体M,升降机静止时电流表示数为I0。某过程中电流表的示数如图乙所示,则在此过程中(　　)
A.物体处于失重状态
B.物体处于超重状态
C.升降机一定向上做匀加速运动
D.升降机可能向下做匀减速运动
答案:BD
解析:升降机静止时电流表示数为I0,而此过程中电流表示数为2I0,由欧姆定律分析电阻的阻值变小,说明压力增大,则物体处于超重状态,故A错误,B正确。物体处于超重状态时,速度方向可能向下,也可能向上,则升降机可能向下做匀减速运动,也可能向上做匀加速运动,故C错误,D正确。
6.大多楼道灯具有这样的功能:天黑时,出现声音它就开启;而在白天,即使有声音它也没有反应。它的控制电路中接入了哪几种传感器
答案:接入了两种传感器:光传感器(通常用的是光敏电阻),声传感器(通常用的是微型驻极体话筒)。
二、能力提升
1.下图为用电源、电磁继电器、滑动变阻器、绿灯泡、小电铃、负温度系数半导体热敏电阻、开关、导线等组成的一个高温报警器电路图,要求正常情况绿灯亮,有险情时电铃报警。则图中的甲、乙、丙分别是(　　)
A.小电铃、半导体热敏电阻、绿灯泡
B.半导体热敏电阻、小电铃、绿灯泡
C.绿灯泡、小电铃、半导体热敏电阻
D.半导体热敏电阻、绿灯泡、小电铃
答案:B
解析:控制电路含有电磁继电器,因此甲的回路为控制电路,甲是半导体热敏电阻;负温度系数热敏电阻的特点是温度高,电阻小,电流大,继电器工作,触头被吸下,乙被接通应报警,即乙是小电铃;平常时,温度低,热敏电阻电阻大,电流小,触头未被吸下,丙导通,丙应是绿灯泡,即B正确。
2.(多选)某同学设计了一个探究电容器所带电荷量与电容器两极间电压关系的实验,实验电路如图甲所示,其中P为电流传感器,V为电阻很大的电压表。实验时,先将开关S1闭合,单刀双掷开关S2掷向a,调节滑动变阻器的滑片到某位置使电容器C充电,当电路达到稳定后记录理想电压表的示数。再迅速将开关S2掷向b,使电容器放电。电流传感器P将电容器充、放电过程中的电流数据传送给计算机,在计算机上可显示出电流i随时间t变化的图像如图乙所示。然后改变滑动变阻器滑片的位置,重复上述步骤,记录多组电流随时间变化的图像和电压表的示数。对于这个实验过程和由图像及数据所得出的结果,下列说法正确的是(　　)
甲
乙
A.流过电流传感器P的充电电流和放电电流方向相同
B.图乙中的第①段(充电阶段)电流曲线与横轴所围图形的面积表示电容器充电结束时所带的电荷量
C.电容器充电结束时所带电荷量随电容器充电结束时两极间电压变化的关系图像应为一条过原点的倾斜直线
D.电容器充电结束时所带电荷量与滑动变阻器滑片的位置无关
答案:BC
解析:流过电流传感器P的充电电流和放电电流方向相反,选项A错误;题图乙中的第①段(充电阶段)电流曲线与横轴所围图形的面积表示电容器充电结束时所带的电荷量,选项B正确;由C=可知,电容器充电结束时所带电荷量随电容器充电结束时两极间电压变化的关系图像应为一条过原点的倾斜直线,选项C正确;电容器充电结束时所带电荷量与滑动变阻器滑片的位置有关,选项D错误。
3.(2020江苏盐城检测)目前有些居民区内楼道灯的控制,使用的是一种延时开关。该延时开关的简化原理图如图所示,图中D是红色发光二极管(只要有很小的电流通过就能使其发出红色亮光),R为限流电阻,K为按钮式开关,虚线框内S表示延时开关电路。当K按下接通电路瞬间,延时开关触发,相当于S闭合。这时释放K后,延时开关S约在1 min后断开,电灯熄灭。根据上述信息和电路原理图,我们可推断:按钮开关K按下前,发光二极管是　　　(选填“发光的”或“熄灭的”)。按钮开关K按下再释放后,电灯L发光持续时间约　　　　 min,这一过程中发光二极管是　　　　(选填“发光的”或“熄灭的”)。限流电阻R的阻值和灯丝电阻RL相比,应满足R　　　　RL的条件。
答案:发光的　1　熄灭的　
解析:开关K按下前,二极管、灯泡、电阻R、电源组成串联电路,所以二极管是发光的。按钮开关K按下再释放后,由于延时开关的作用,灯L发光时间为1 min,此时二极管被短路,所以二极管是熄灭的。只有当限流电阻R的阻值比灯丝电阻RL大得多时,通过发光二极管的电流才很小,确保二极管不烧坏。
4.图甲为热敏电阻的R-t图像,图乙为用此热敏电阻R和继电器组成的一个简单恒温箱温控电路,继电器的电阻为100 Ω。当线圈的电流大于或等于20 mA时,继电器的衔铁被吸合。为继电器线圈供电的电池的电动势E=9.0 V,内阻可以不计。图中的“电源”是恒温箱加热器的电源。则:
甲
乙
(1)应该把恒温箱内的加热器接在　　　　(选填“A、B端”或“C、D端”)。
(2)如果要使恒温箱内的温度保持50 ℃,可变电阻R'的阻值应调节为　　　　 Ω。
答案:(1)A、B端　(2)260
解析:(1)恒温箱内的加热器应接在A、B端。当温度较低时,热敏电阻R阻值较大,线圈中的电流较小,继电器的衔铁在上方,恒温箱的加热器处于工作状态,恒温箱内温度升高。
(2)随着恒温箱内温度升高,热敏电阻R的阻值变小,则线圈中的电流变大,当线圈中的电流大于或等于20 mA时,继电器的衔铁被吸到下方来,则恒温箱加热器与电源断开,加热器停止工作,恒温箱内温度降低。
随着恒温箱内温度降低,热敏电阻R的阻值变大,则线圈中的电流变小,当线圈的电流小于20 mA时,继电器的衔铁又被释放到上方,则恒温箱加热器又开始工作,这样就可以使恒温箱内保持在某一温度。
要使恒温箱内的温度保持50 ℃ ,即50 ℃时线圈内的电流为20 mA。由闭合电路欧姆定律得I=,r为继电器的电阻。由题图甲可知,50 ℃时热敏电阻的阻值为90 Ω,所以R'=-R-r=260 Ω。
5.一热敏电阻在温度为80 ℃时阻值很大,当温度达到100 ℃时阻值就很小,今用一电阻丝给水加热,并配以热敏电阻以保持水温在80 ℃到100 ℃之间,可将电阻丝与热敏电阻并联,一并放入水中,如图所示,图中R1为热敏电阻,R2为电阻丝。请简述其工作原理。
答案:开始水温较低时,R1阻值较大,电阻丝R2对水进行加热;当水温达到100 ℃左右时,R1阻值变得很小,R2近似被短接,可以认为停止加热;当温度降低到80 ℃时,R1阻值又变得很大,R2又开始加热。这样就可达到保温的效果。
11.认识传感器
2.常见传感器的工作原理及应用
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一、基础巩固
1.传感器可以进行信息采集并把采集到的信息转换为易于控制的量,其工作过程可能是(　　)
A.将力学量(如形变量)转换成磁学量
B.将电学量转换成热学量
C.将光学量转换成电学量
D.将电学量转换成力学量
答案:C
解析:传感器是指能够感受诸如力、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、电流等电学量或电路的通断,故只有C项正确。
2.有一电学元件,温度升高时电阻却大幅度地减小,则这种元件使用的材料可能是(　　)
A.金属导体 B.绝缘体
C.半导体 D.超导体
答案:C
解析:金属导体的电阻随温度的升高而增大,超导体的电阻几乎为零,某些半导体的阻值随温度的升高而大幅度地减小。
3.用遥控器调换电视机频道的过程,实际上就是传感器把光信号转化为电信号的过程。下列属于这类传感器的是(　　)
A.红外报警装置
B.走廊照明灯的声控开关
C.自动洗衣机中的压力传感装置
D.电饭煲中控制加热和保温的温控器
答案:A
解析:红外报警装置正是把光信号转化为电信号的器件。
4.(多选)电子电路中常用到一种称为“干簧管”的元件(如图所示),它的结构很简单,只是玻璃管内封入两个软磁性材料制成的簧片。当磁体靠近干簧管时,两个簧片被磁化而接通,所以干簧管能起到开关的作用,操纵开关的是磁场这只看不见的“手”。关于干簧管,下列说法正确的是 (　　)
A.干簧管接入电路中相当于电阻的作用
B.干簧管是根据热胀冷缩的原理制成的
C.两个磁性材料制成的簧片接通的原因是被磁化后相互吸引
D.干簧管接入电路中相当于开关的作用
答案:CD
解析:当磁体靠近干簧管时,两个簧片被磁化相互吸引而接通,故选项B错误,选项C正确;当磁体远离干簧管时,软磁性材料制成的簧片失去磁性,所以两簧片又分开,因此干簧管在电路中相当于开关的作用,选项A错误,选项D正确。
5.下列关于传感器的说法不正确的是(　　)
A.热敏电阻能够把温度这个热学量转换为电阻这个电学量
B.电子秤所使用的测力装置是力传感器,它是把电信号转化为力信号
C.金属的电阻率随温度的升高而增大,用金属丝可以做温度传感器
D.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
答案:B
解析:电子秤所使用的测力装置是力传感器,利用通过应变片的电流一定,压力越大,电阻越大,应变片两端的电压差越大,将力信号变成电信号,故B错误;金属电阻率随温度升高而增大,金属和热敏电阻都可做温度传感器,把温度这个热学量转换为电阻这个电学量,故A、C正确;光敏电阻是由半导体材料制成的,其电阻随光照的增强而减小,故它能够把光照强弱这个光学量转换为电阻这个电学量,故D正确。
6.办公大楼的自动门能“看到”人的到来或离去而自动开关,其中利用了下列传感器中的(　　)
A.生物传感器 B.红外线传感器
C.压力传感器 D.位移传感器
答案:B
解析:办公大楼的自动门当人到来或离去时,能自动开关,是利用了红外线传感器,因为人能辐射红外线。故B正确。
7.(多选)利用光敏电阻制作的光传感器,记录了传送带上工件的输送情况。图甲为某工厂成品包装车间的光传感记录器,光传感器B能接收到发光元件A发出的光。每当工件挡住A发出的光时,光传感器就输出一个电信号,并在屏幕上显示出电信号与时间的关系,如图中乙所示。若传送带始终匀速运动,每两个工件间的距离为0.2 m,则下述说法正确的是(　　)
A.传送带运动的速度是0.1 m/s
B.传送带运动的速度是0.2 m/s
C.该传送带每小时输送3 600个工件
D.该传送带每小时输送7 200个工件
答案:BC
解析:有工件通过时,挡住A射向光传感器B的光,传感器输出一个高电压,故知两相邻工件通过的时间t=1 s,传送带的速度v= m/s=0.2 m/s。每小时传送工件3 600个。
8.如图所示,将一光敏电阻接入多用电表两表笔之间,多用电表的选择开关置于电阻挡,用光照射光敏电阻时,表针自左向右的偏转角度为θ。现用手掌挡住部分光线,表针自左向右的偏角为θ',则可判断(　　)
A.θ'=θ B.θ'<θ
C.θ'>θ D.不能确定
答案:B
解析:光敏电阻的阻值随光照的减弱而增大,所以用手掌挡住部分光线后光敏电阻的阻值变大,多用电表的指针偏转角度变小。
9.有一些星级宾馆的洗手间装有自动干手机,洗手后将湿手靠近,机内的传感器就开通电热器加热,有热空气从机内喷出,将湿手烘干。手靠近自动干手机能使传感器工作,是因为改变了(　　)
A.湿度 B.温度
C.磁场 D.电容
答案:D
解析:根据自动干手机工作的特征,手靠近干手机时电热器工作,手撤离后电热器停止工作,人是一种导体,可以与其他导体构成电容器。手靠近时相当于连接一个电容器,可以确定干手机内设有电容式传感器,由于手的靠近改变了电容大小,故D正确;用湿度和温度来驱动电热器工作,理论上可行,但是假如干手机是由于温度、湿度的变化工作,它就成了室内烘干机。
二、能力提升
1.传感器可将非电学量转化为电学量或电路的通断,起自动控制作用,如计算机鼠标中有位移传感器,电饭煲中有温度传感器,电视机、录像机、影碟机、空调机中有光电传感器,下图是演示位移传感器的工作原理图,物体M在导轨上平移时,带动滑动变阻器的滑片滑动,通过电压表显示的数据来反映物体位移的大小。假设电压表是理想的,则下列说法正确的是(　　)
A.物体M运动时,电源内的电流会发生变化
B.物体M运动时,电压表的示数会发生变化
C.物体M不动时,电路中没有电流
D.物体M不动时,电压表没有示数
答案:B
解析:由于电压表是理想的,因此滑片P移动时,不改变闭合电路的电阻,电源内的电流不发生变化,即电流恒定,A、C错误;物体M运动时,电压表所测电压是变化的,M不动时,电压表示数恒定,B正确,D错误。本题主要考查传感器在自动控制装置中的应用,提高学生的理论分析能力和科学思维。
2.某力敏元件的阻值随所受压力的增大而减小,有位同学利用该力敏元件设计了判断小车运动状态的装置,其工作原理如图甲所示,将力敏元件和一块挡板固定在绝缘小车上,中间放置一个绝缘重球。小车向右做直线运动过程中,电流表示数的变化规律如图乙所示,下列判断正确的是(　　)
甲
乙
A.从t1到t2时间内,小车做匀速直线运动
B.从t1到t2时间内,小车做匀加速直线运动
C.从t2到t3时间内,小车做匀速直线运动
D.从t2到t3时间内,小车做匀加速直线运动
答案:D
解析:在t1~t2内,电流I变大,力敏元件阻值变小,压力变大,小车做变加速运动,A、B错误。在t2~t3内,电流I不变,压力恒定,小车做匀加速直线运动,C错误,D正确。
3.(多选)如图所示,用光敏电阻LDR和灯泡制成一种简易水污染指示器,下列说法正确的是(　　)
A.严重污染时,LDR是高电阻
B.轻度污染时,LDR是高电阻
C.无论污染程度如何,LDR的电阻不变,阻值大小由材料本身因素决定
D.该仪器的使用会因为白天和晚上受到影响
答案:AD
解析:严重污染时,透过污水照到LDR上的光线较少,LDR电阻较大,选项A正确,B错误;LDR由半导体材料制成,受光照影响电阻会发生变化,选项C错误;白天和晚上自然光强弱不同,或多或少会影响LDR的电阻,选项D正确。
4.如图所示,RT为负温度系数的热敏电阻,R为定值电阻,若往RT上擦些酒精,在环境温度不变的情况下,关于电压表示数的变化情况,下列说法正确的是(　　)
A.变大
B.变小
C.先变大后变小再不变
D.先变小后变大再不变
答案:D
解析:往RT上擦酒精后,酒精蒸发吸热,热敏电阻RT温度降低,电阻值增大,根据串联电路的分压特点,电压表示数变小。当酒精蒸发完毕后,RT的温度逐渐升高到环境温度后不变,所以热敏电阻的阻值逐渐变小,最后不变。故电压表的示数将逐渐变大,最后不变。所以选项D正确。本题主要考查热敏电阻的应用,提高学生的理论分析能力和科学思维。
5.(多选)如图所示,RT为正温度系数热敏电阻,R1为光敏电阻,R2和R3均为定值电阻,电源电动势为E,内阻为r,V为理想电压表。现发现电压表示数增大,可能的原因是(　　)
A.热敏电阻温度升高,其他条件不变
B.热敏电阻温度降低,其他条件不变
C.光照增强,其他条件不变
D.光照减弱,其他条件不变
答案:BD
解析:因R3为定值电阻,电压表示数变大说明流经R3的电流增大,由电路结构可知,这可能是由于RT减小或R1增大,由热敏电阻和光敏电阻特性知,可能是由于温度降低或光照减弱,故B、D正确,A、C错误。
6.小强在用恒温箱进行实验时,发现恒温箱的温度持续升高,无法自动控制。经检查,恒温箱的控制器没有故障。参照示意图,下列对故障判断正确的是(　　)
A.只可能是热敏电阻出现故障
B.只可能是温度设定装置出现故障
C.热敏电阻和温度设定装置都可能出现故障
D.可能是加热器出现故障
答案:C
解析:由题意,恒温箱内温度持续升高,说明加热器没损坏,不能选D。无法自动控制,而经检查控制器又没有故障,说明控制器没问题。热敏电阻或温度设定装置出现故障都能使温度持续升高,在没有确定条件下选C而不选A、B。
7.(多选)传感器是自动控制设备中不可缺少的元件,已经渗透到宇宙开发、环境保护、交通运输乃至家庭生活等多个领域。下图为三种电容式传感器。下列说法正确的是 (　　)
甲
乙
丙
A.图甲是测定液面高度h的传感器,液面高度h发生变化时,两电极之间的距离发生变化,从而使电容发生变化
B.图乙是测定压力的传感器,压力发生变化时,两电极之间的距离发生变化,从而使电容发生变化
C.图丙是测定角度θ的传感器,角度θ发生变化时,两电极之间的正对面积发生变化,从而使电容发生变化
D.三个图中传感器都是通过改变两电极之间的正对面积来改变电容的
答案:BC
解析:题图甲中液面高度h发生变化时,两个电极间的正对面积发生了变化,从而使电容发生变化,所以选项A错误;题图乙中当待测压力作用在可动电极上且发生变化时,两电极之间的距离发生变化,从而使电容发生变化,所以选项B正确;题图丙中当角度θ发生变化时,两电极之间的正对面积发生变化,从而使电容发生变化,所以选项C正确;因为题图乙是通过改变两电极之间的距离来改变电容的,所以选项D错误。
8.在信息技术高速发展、电子计算机广泛应用的今天,担负着信息采集任务的传感器在自动控制、信息处理技术中发挥着越来越重要的作用,其中热电传感器是利用热敏电阻将热信号转换成电信号的元件。某学习小组的同学在用多用电表研究热敏特性实验中,安装好如图所示装置。向杯内加入冷水,温度计的示数为20 ℃,多用电表选择适当的倍率,读出热敏电阻的阻值R1。然后向杯内加入热水,温度计的示数为60 ℃,发现多用电表的指针偏转角度较大,则下列说法正确的是(　　)
A.应选用电流挡,温度升高换用大量程测量
B.应选用电流挡,温度升高换用小量程测量
C.应选用电阻挡,温度升高时换用倍率大的挡
D.应选用电阻挡,温度升高时换用倍率小的挡
答案:D
解析:多用电表与热敏电阻构成的回路中未接入电源,故不能选用电流挡,A、B错误;当温度升高时多用电表指针偏转角度较大,说明热敏电阻的阻值变小了,应该换用倍率小的挡,C错误,D正确。
9.温度传感器广泛应用于室内空调、电冰箱等家用电器中,它是利用热敏电阻的阻值随温度变化的特殊性来工作的。
如图甲所示,电源的电动势E=9 V,内阻不计;G为灵敏电流表,内阻保持不变;R为热敏电阻,其电阻阻值与温度的变化关系如图乙所示。闭合开关S,当R的温度等于20 ℃时,电流表示数I1=2 mA。当电流表的示数I2=3.6 mA时,热敏电阻的温度是(　　)
甲
乙
A.60 ℃
B.80 ℃
C.100 ℃
D.120 ℃
答案:D
解析:在20 ℃时,E=(RG+R1)I1,由题图乙可知R1=4 kΩ,则RG=500 Ω;当I2=3.6 mA时,E=(RG+R2)I2,即9 V=(500 Ω+R2)×3.6×10-3 A,所以R2=2 000 Ω。从题图乙中可以看出t=120 ℃,故选D。
9第五章测评
(时间:90分钟　满分:100分)
一、单项选择题(本题共8小题,每小题3分,共24分。在每小题给出的四个选项中,只有一项是符合题目要求的)
1.很多汽车的车窗有防夹手功能。车窗在关闭过程中碰到障碍时会停止并打开。实现该功能可能使用的传感器是 (　　)
A.生物传感器 B.气体传感器
C.温度传感器 D.压力传感器
答案:D
2.电磁炉里面安装了温度感应装置,可以感应器皿温度的变化,控制加热的温度,这种装置最重要的元件是热敏电阻,其特点是(　　)
A.温度变化,电阻值随之变化
B.温度变化,电阻内部会产生感应电流
C.温度变化,电阻值保持恒定
D.以上说法都不对
答案:A
3.右图是观察电阻值随温度变化情况的示意图。设水对电阻阻值的影响不计,现把杯中的水由冷水变为热水,关于多用电表(选用电阻挡)的读数变化情况正确的是(　　)
A.如果R为金属热电阻,那么读数变大,且变化非常明显
B.如果R为金属热电阻,那么读数变小,且变化不明显
C.如果R为用半导体材料制成的热敏电阻,那么读数变化非常明显
D.如果R为用半导体材料制成的热敏电阻,那么读数变化不明显
答案:C
解析:金属热电阻的阻值随温度的升高而增大,但灵敏度较差;热敏电阻随温度的升高电阻发生变化,且灵敏度高,故选项C正确。
4.电熨斗能自动控制温度,在熨烫不同的织物时,设定的温度可以不同,下图为电熨斗的结构图。电熨斗内部装有双金属片,双金属片上层金属的膨胀系数大于下层金属,若把熨烫的棉麻衣物换成丝绸衣物,则如何调节调温旋钮(　　)
织物材料 尼龙 合成纤维 丝绸 羊毛 麻
熨烫温度 低→高
A.向下 B.向上
C.保持原状 D.不能确定
答案:B
解析:常温下,上下触点是接触的,这样插上电源时,电熨斗开始加温,当温度升高时,双金属片上层形变大,双金属片向下弯曲,触点分离,停止加热。现把棉麻衣物换成丝绸衣物,熨烫温度变低,要使温度低时就断开,应把调温旋钮向上旋转,这样在金属形变较小时就能断开电路。选项B正确。
5.右图是电容式话筒的示意图,它是利用电容制作的传感器,话筒的振动膜前面有薄薄的金属层,膜后距膜几十微米处有一金属板,振动膜上的金属层和这个金属板构成电容器的两极,在两极间加一电压U,人对着话筒说话时,振动膜前后振动,使电容发生变化,使声音信号被话筒转化为电信号。其中导致电容变化的原因是电容器两板间的(　　)
A.距离变化 B.正对面积变化
C.介质变化 D.电压变化
答案:A
解析:平行板电容器的电容C∝,本题中的介质没有变化,正对面积也没有变化,引起电容变化的因素是板间距离d,故选A。本题主要考查电容式传感器的应用,提高学生的理论分析能力和科学思维。
6.下图是一火警报警器的部分电路示意图。其中R2为用半导体负温度系数热敏材料制成的传感器,电流表为值班室的显示器,a、b之间接报警器。当传感器R2所在处出现火情时,显示器的电流I、报警器两端的电压U的变化情况是(　　)
A.I变大,U变大 B.I变大,U变小
C.I变小,U变大 D.I变小,U变小
答案:D
解析:R2所在处出现火情时,温度升高,则R2的阻值减小。R2减小→R总减小→I干增大→U1和Ur增大→U3减小→I减小,故显示器的电流I变小,由U=E-I干r,I干变大,知U变小,故选项D正确。
7.氧化锡传感器主要用于汽车尾气中一氧化碳浓度的检测。它的电阻随一氧化碳浓度的变化而变化。在如图甲所示的电路中,不同的一氧化碳浓度对应着传感器的不同电阻,这样,显示仪表的指针就与一氧化碳浓度有了对应关系,观察仪表指针就能判断一氧化碳浓度是否超标。有一种氧化锡传感器,其技术资料中给出的是电导(即电阻的倒数)—浓度曲线如图甲,请判断,电压表示数U0与一氧化碳浓度c之间的对应关系可能正确的是(　　)
甲
乙
答案:B
解析:当一氧化碳浓度增大时,传感器的导电能力增大,电阻R传减小,由闭合电路欧姆定律知,电路中的电流I=增大,电压表的示数U0=IR0=增大,故C、D错误;由题图知,传感器的电导与浓度成正比,传感器的电阻R传与浓度成反比,但电压表的示数U0与传感器的电阻R传并不成反比关系,所以,电压表示数U0与一氧化碳浓度c之间的关系图线并不是直线,A错误,正确选项为B。
8.为了保证汽车刹车时车轮不被抱死,使车轮仍有一定的滚动而不是纯滑动,为此需要一种测定车轮是否还在转动的装置,这样既可以提高刹车效果,又不使车轮失去控制。这种检测装置称为电磁脉冲传感器。如果该装置检测出车轮不再转动,它就会自动放松刹车机构,让车轮仍保持转动状态,这就是ABS防抱死系统。下图是电磁脉冲传感器示意图,B是一根永久磁体,外面绕有线圈,它们的左端靠近一个铁质齿轮A。齿轮与转动的车轮是同步的,则以下说法正确的是(　　)
A.车轮转动时,由于齿轮在永久磁体的磁场中切割磁感线,产生感应电流
B.车轮转动时,由于齿轮被磁化使线圈中的磁场发生变化,产生感应电流
C.车轮转速减慢时,输出电流的周期变小,电流也变小
D.车轮转速减慢时,输出电流的周期变大,电流也变大
答案:B
解析:此传感器是利用线圈中磁通量的变化产生感应电流的原理来实现检测的。当车轮转动时,带动齿轮转动。相当于将铁块插入和拔出线圈,从而使线圈中磁通量发生变化而产生感应电流,故选项A错误,B正确。当车轮转速减慢时,线圈中磁通量的变化减慢,产生的感应电流的周期变大,由E=可知,电流变小,故选项C、D错误。
二、多项选择题(本题共4小题,每小题4分,共16分。在每小题给出的四个选项中,有多项符合题目要求,全部选对的得4分,选对但不全的得2分,有选错的得0分)
9.下图为烟雾散射或火灾报警器的结构和原理图,下列关于该火灾报警器的说法正确的是(　　)
A.发光二极管、光电三极管都是由半导体材料制成的
B.光电三极管与光敏电阻一样,都是光敏感元件,都是将光信号转换为电信号
C.发光二极管发出的是脉冲微光
D.如果把挡板撤去,火灾报警器照样工作
答案:AB
解析:发光二极管工作时是持续发光的,挡板撤去,光始终照到光电三极管上,始终发出警报,和有无火灾无关。
10.下图是测试热敏电阻RT的实验电路图,滑动变阻器已调节到某一适当的值。实验中观察到当温度升高时灯更亮。对于实验现象分析正确的有(　　)
A.温度升高,电路中的电流减小
B.温度升高,电路中的电流增大
C.温度升高,热敏电阻的阻值增大
D.温度升高,热敏电阻的阻值减小
答案:BD
解析:当温度升高时灯更亮,则电路中的电流增大,由闭合电路欧姆定律可知,电路中的热敏电阻的阻值减小,故B、D正确,A、C错误。
11.下图是一位同学设计的防盗门报警器的简化电路示意图。门打开时,红外光敏电阻R3受到红外线照射,电阻减小;门关闭会遮蔽红外线源(红外线源没有画出)。经实际试验,灯的亮灭能反映门的开、关状态。门打开时两灯的发光情况以及R2两端电压UR2与门关闭时相比(　　)
A.红灯亮,UR2变大 B.绿灯亮,UR2变大
C.绿灯灭,UR2变小 D.红灯亮,UR2变小
答案:CD
解析:门打开时R3减小,导致R总减小和I总增大,Ur和UR1变大,UR2=E-(UR1+Ur)减小,=I总-增大,电磁继电器磁性增强,把衔铁拉下,红灯亮,绿灯灭,选项A、B错误,选项C、D正确。本题主要考查防盗门报警器的原理,提高学生的理论分析能力和科学思维。
12.某同学设计的家庭电路保护装置如图所示,铁芯左侧线圈L1由火线和零线并行绕成。当右侧线圈L2中产生电流时,电流经放大器放大后,使电磁铁吸起铁质开关S,从而切断家庭电路。仅考虑L1在铁芯中产生的磁场,下列说法正确的有(　　)
A.家庭电路正常工作时,L2中的磁通量为零
B.家庭电路中使用的电器增多时,L2中的磁通量不变
C.家庭电路发生短路时,开关S将被电磁铁吸起
D.地面上的人接触火线发生触电时,开关S将被电磁铁吸起
答案:ABD
解析:由于线圈L1用零线和火线双线绕制而成,正常情况下零线和火线中的电流等大反向,线圈L1内产生的磁场相互抵消,线圈L2中磁通量为零,选项A正确;当家用电器增多时,通过零线和火线的电流同时增大,合磁场仍为零,即线圈L2中磁通量不变,仍为零,选项B正确;家庭电路发生短路时造成通过零线和火线的电流同时增大,线圈L2中磁通量不变,不会产生感应电流,开关S也不会被电磁铁吸起,选项C错误;地面上的人接触火线时,火线和大地构成闭合回路,零线中电流小于火线,此时线圈L1产生变化的磁场,引起线圈L2中磁通量变化产生感应电流,电磁铁线圈有电流通过,产生磁性,将开关S吸起,选项D正确。
三、非选择题(本题共6小题,共60分)
13.(6分)霍尔效应是电磁基本现象之一。如图所示,在一矩形半导体薄片的P、Q间通入电流I,同时外加与薄片垂直的磁场B,在M、N间出现电压UH,这个现象称为霍尔效应,UH称为霍尔电压,且满足UH=k,式中d为薄片的厚度,k为霍尔系数。某同学通过实验来测定该半导体薄片的霍尔系数。
(1)若该半导体材料是空穴(可视为带正电粒子)导电,电流与磁场方向如上图所示,该同学用电压表测量UH时,应将电压表的“+”接线柱与　　　　(选填“M”或“N”)端通过导线相连。
(2)已知薄片厚度d=0.40 mm,该同学保持磁感应强度B=0.10 T不变,改变电流I的大小,测量相应的UH值,记录数据如下表所示。
I/(10-3 A) 3.0 6.0 9.0 12.0 15.0 18.0
UH/(10-3 V) 1.1 1.9 3.4 4.5 6.2 6.8
根据表中数据画出UH-I图线,利用图线求出该材料的霍尔系数为　　　　×10-3 V·m·A-1·T-1(保留两位有效数字)。
答案:(1)M　(2)如图所示　1.5
解析:(1)通过矩形半导体薄片中的电流由P向Q,根据左手定则可知带正电粒子受到的洛伦兹力由N端指向M端,即带正电粒子向M端偏转,所以M端聚集正电荷,M端电势高于N端,故电压表的“+”接线柱应接M端。(2)由UH=k可得霍尔系数k=,由图线可得斜率k'==0.38 V/A,故k= V·m·A-1·T-1=1.5×10-3 V·m·A-1·T-1。
14.(8分)某同学利用定值电阻R0、电阻箱R1等实验器材测量电池a的电动势和内阻,实验装置如图甲所示,实验时多次改变电阻箱的阻值,记录外电路的总电阻阻值R,用电压传感器测得路端电压U,并在计算机上显示出如图乙所示的关系图线a。重复上述实验方法测量电池b的电动势和内阻,得到图乙中的图线b。
(1)由图线a可知电池a的电动势Ea=　　 V,内阻ra=　　　　 Ω。
(2)若用同一个电阻R先后与电池a及电池b连接,则两电池的输出功率Pa　　　　Pb,两电池的效率ηaηb。(均选填“大于”“等于”或“小于”)
答案:(1)2　0.5
(2)小于　大于
解析:(1)由闭合电路欧姆定律得,E=U+·r,整理得
将题图乙中的数据代入上式可得
Ea=2 V,ra=0.5 Ω。
(2)由题图乙中的两图线可知,当R相同时,,即Ua电池的效率η=×100%=×100%=×100%,
由题图乙可知,raηb。
15.(8分)图甲为半导体材料做成的热敏电阻的阻值随温度变化的曲线,图乙为用此热敏电阻RT和继电器设计的温控电路。设继电器的线圈电阻为Rx=50 Ω,当继电器线圈中的电流Ic大于或等于20 mA时,继电器的衔铁被吸合。左侧电源电动势为6 V,内阻可不计,温度满足什么条件时,电路右侧的小灯泡会发光
甲
乙
答案:温度不小于50 ℃时,电路右侧的小灯泡会发光
解析:热敏电阻与继电器串联,若使电流不小于Ic=20 mA,则总电阻不大于R总==300 Ω
由于R总=RT+Rx,则RT不大于250 Ω。
由题图甲可看出,当RT=250 Ω时,温度t=50 ℃,即温度不小于50 ℃。
16.(10分)如图所示,将质量为m的金属块用压缩的轻弹簧卡在一矩形的箱中。在箱的上顶板和下底板装有压力传感器,箱可以沿竖直轨道运动。当箱以a=2.0 m/s2的加速度竖直向上做匀减速运动时,上顶板的压力传感器显示的压力为6.0 N,下底板的压力传感器显示的压力为10.0 N。g取10 m/s2。
(1)若上顶板压力传感器的示数是下底板压力传感器示数的一半,试判断箱的运动情况。
(2)要使上顶板压力传感器的示数为零,箱沿竖直方向运动的情况可能是怎样的
答案:(1)匀速直线运动
(2)做向上匀加速或向下匀减速直线运动,加速度为10 m/s2
解析:设上顶板压力传感器的示数为F1,下底板压力传感器的示数为F2,对物体应用牛顿第二定律有
F1+mg-F2=ma,代入数据得m=0.5 kg。
(1)由于弹簧长度不改变,所以下底板的示数不变,F2=2F1',根据牛顿第二定律得
F1'+mg-F2=ma1,代入数据得a1=0,物体做匀速直线运动。
(2)当上顶板压力传感器示数为零时,下底板压力传感器示数还是不变,由牛顿第二定律得F2-mg=ma2,解得a2=10 m/s2。加速度方向向上,物体可以向上做匀加速运动,也可以向下做匀减速运动。
17.(12分)下图是一种测量血压的压力传感器工作时的示意图。薄金属片P固定有4个可以形变的电阻R1、R2、R3、R4,如图乙。图甲是它的侧面图,这4个电阻连成的电路如图丙所示。试回答下列问题:
甲
乙
丙
(1)开始时金属片中央O点未加任何压力,欲使电压表无示数,则4个电阻应满足怎样的关系
(2)当O点加一个压力F后金属片P发生形变,这时4个电阻也随之发生形变,形变后各电阻阻值大小如何变化
答案:(1)
(2)R1、R4增大,R2、R3减小
解析:本题主要考查压力传感器的工作原理,提高学生的理论分析能力和科学思维。
(1)本问题是求电路A、B两点的电压与4个电阻的关系。由于电压表的电阻可以看作无穷大,因此本电路是R1与R2串联,R3与R4串联,然后它们再并联。设上面部分电流为I上,下面部分电流为I下,要使A点电势等于B点电势,则应有电阻R1上的电压等于R3上的电压,电阻R2上的电压等于电阻R4上的电压,即
I上R1=I下R3 ①
I上R2=I下R4 ②
联立①②式得。
(2)当O点加垂直于金属片的压力后,金属片发生形变,由于电阻是固定在金属片上的,因此R1、R4被拉长,R2、R3被拉宽,即R1、R4增大,R2、R3减小,这时A、B两点电势不再相等。
18.(16分)下图是电饭煲的电路图,S1是一个限温开关,手动闭合后,当此开关温度达到居里点(103 ℃)时,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。红灯是加热时的指示灯,黄灯是保温时的指示灯,分流电阻R1=R2=500 Ω,加热电阻R3=50 Ω,两灯电阻不计。
(1)分析电饭煲的工作原理。
(2)计算加热和保温两种状态下,电饭煲消耗的电功率之比。
(3)简要回答:如果不闭合开关S1,能将饭煮熟吗
答案:(1)见解析　(2)12∶1　(3)不能
解析:(1)电饭煲盛上食物后,接通电源,S2自动闭合,同时手动闭合S1,这时R1与黄灯被短路,红灯亮,电饭煲处于加热状态;加热到80 ℃时,S2自动断开,S1仍闭合;水烧开后,至饭煮熟温度升高到103 ℃时,开关S1自动断开,黄灯亮,电饭煲处于保温状态。由于散热,待温度降至70 ℃时,S2又自动闭合,电饭煲重新加热;温度达到80 ℃时,S2又自动断开,再次处于保温状态。
(2)加热时电饭煲消耗的电功率P1=,保温时电饭煲消耗的电功率P2=,两式中R并= Ω,从而有 = 。
(3)如果不闭合开关S1,开始S2还是闭合的,R1与黄灯被短路,功率为P1。当温度上升到80 ℃时,S2自动断开,功率降为P2,温度降到70 ℃时,S2又自动闭合,如此反复,温度只能在70~80 ℃之间变化,不能把水烧开,故不能将饭煮熟。
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