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第五章 传感器
人教物理选择性必修第二册
第五章 传感器
5.4
复习与提高
A 组
1. 在公共场所装有自动干手机，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。你认为，手靠近干手机使传感器工作，可能的原因是什么 简述你的理由。
解：手靠近干手机能使机内传感器工作，传感器可能为电容传感器或红外线传感器，当感应到手靠近时，发送启动信号给控制芯片，控制芯片再启动电机和加热装置工作.
2. 全自动洗衣机设有多段式水位自动感应装置，该装置采用的可能是下列哪种类型的传感器 简述你的理由。
A. 温度传感器
B. 压力传感器
C. 生物传感器
D. 红外线传感器
解：B.水量变化引起水对洗衣机的压力变化，因此采用的可能是压力传感器.
3. 有一种路灯自动控制装置，用光敏电阻作为传感器，自动控制路灯的接通与断开。光敏电阻的阻值随照射光的强弱而变化，作为简化模型，可以近似认为，照射光较强 (如白天) 时电阻几乎为0；照射光较弱(如黑天)时电阻接近于无穷大。利用光敏电阻作为传感器借助电磁开关，可以实现路灯自动在白天关闭黑夜打开。电磁开关的内部结构如图5-1所示。
1、2两接线柱连接励磁线圈，3、4两接线柱相当于路灯的开关，分别与弹簧片和触点连接，当励磁线圈中电流大于某个值时，电磁铁吸合铁片，弹簧片和触点分离，3、4 断开；当励磁线圈中电流小于某个值时，3、4 接通。
现有以下器材：励磁线圈电源 E1、路灯电源 E2、路灯灯泡、励磁线圈限流保护电阻 R0、光敏电阻 R1、电磁开关、导线、开关等。
利用以上器材设计一个自动控制路灯的电路，画出电路原理图。画电路图时，光敏电阻符号是 ，电磁开关符号是 ，其他器材使用规范的电路符号。
解：如图所示.
4. 图5-2为电熨斗构造的示意图，其中温度敏感元件是双金属片，在温度升高时上层金属的膨胀大于下层金属，可造成双金属片的形变。观察电熨斗的构造，并回答下列问题：
(1) 常温下，电熨斗的上下触点应当是接触的还是分离的 当温度过高时双金属片将怎样起作用
(2) 熨烫棉麻衣物需要设定较高的温度，熨烫丝绸衣物需要设定较低的温度，这是如何利用调温旋钮来实现的
解：常温下电熨斗的上下触点是接触的，当温度过高时双金属片将向下弯曲，上下触点分离，起到一个开关的作用.
解：熨烫棉麻衣物时需要设定较高的温度，将调温旋钮旋进一些，使升降螺钉向下移动，只有当温度达到一定程度时，双金属片才会向下弯曲到足够使上下触点分离的程度.
B 组
1. 调查你家里的用电器，填写下列各用电器中可能选用的传感器 (用“ ”表示选用)，说明它们各自的作用。
电视 冰箱 洗衣机 热水器 微波炉 煤气用具 空气净化器
温度 传感器
光传 感器






电视 冰箱 洗衣机 热水器 微波炉 煤气用具 空气净化器
压力 传感器
湿度 传感器
气体 传感器










同一种名称的传感器可能有不同的结构和工作原理，不同的电器也可能包含不同的传感器，下面列出一些答案仅供参考.
温度传感器通常作温度显示器,在热水器中也作高温报警器；光传感器在电视中可以接收遥控器发出的红外线；压力传感器通常作操作按钮，在洗衣机中也作水位自动感应装置；湿度传感器在空气净化器中指示湿度；气体传感器在煤气用具中作煤气泄漏报警装置.
2. 为了节能和环保，一些公共场所用光敏电阻制作光控开关来控制照明系统。光敏电阻的阻值随着光的强弱而变化。物理学中用照度描述光的强弱，光越强照度越大，照度的单位为 lx。某光敏电阻 RG 在不同照度下的阻值如下表：
照度/1x 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2
电阻/kΩ 75 40 28 23 20 18
(1) 根据表中数据、请在图5-3甲所示的坐标系中描绘出阻值随照度变化的曲线，并说明阻值随照度变化的特点。
照度/1x 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2
电阻/kΩ 75 40 28 23 20 18
解：根据题表中的数据，在坐标系上描点连线，得到如图甲所示的变化曲线.
阻值随照度变化的特点：光敏电阻的阻值随照度的增大非线性减小.
(2) 如图5-3乙所示，当1、2两端电压上升至2V时，控制开关自动启动照明系统。请利用下列器材设计一个简单电路，给1、2两端提供电压，要求当照度降低至 1.0 lx 时启动照明系统。在虚线框内完成电路原理图(不考虑控制开关对所设计电路的影响)。提供的器材如下：
光敏电阻 RG (阻值见上表)；
直流电源 E (电动势3V，内阻不计)；
定值电阻：R1＝10kΩ，R2＝20kΩ，R3＝40kΩ (限选其中之一并在图中标出)；
开关 S 及导线若干。
解：电路原理图如图乙所示. 天色渐暗，照度降低，光敏电阻的阻值增大，两端电压升高，因此，光敏电阻应接在1、2两端之间. 要求照度降低至 1.0 lx 时启动照明系统，此时光敏电阻的阻值为 20 kΩ ，两端电压为 2V，电源电动势为 3V，故应串联一个阻值为 10 kΩ 的分压电阻，即选用 R1.
3. 许多会议室和宾馆房间的天花板上都装有火灾报警器。有一种火灾报警器是利用烟雾对光的散射来工作的。如图 5-4 所示，带孔的罩子内装有发光二极管 LED、光电三极管(也是一种晶体管，有三个电极，当光照强弱变化时，电极间的电阻随之变化)和不透明的挡板。平时，光电三极管接收不到 LED 发出的光，呈现高电阻状态。烟雾进入罩内后对光有散射作用，使部分光线照射到光电三极管上，其电阻变小。与传感器连接的电路检测出这种变化，就会发出警报。
你能说说类似这种光电式传感器还能在哪些场合应用吗
解：节能灯，当环境光的光强达到一定强度后，光电传感器使灯熄灭以节约能源.
4. 某同学在研究性学习活动中自制电子秤，原理示意图如图5-5所示。用理想电压表的示数指示物体的质量，托盘与电阻可忽略的金属弹簧相连，托盘与弹簧的质量均不计，滑动变阻器 R 的滑动端与弹簧上端连接。当托盘中没有放物体时，滑片恰好指在变阻器的最上端，此时电压表示数为 0。
设变阻器总电阻为 R ，总长度为 l，电源电动势为 E，内阻为 r，限流电阻阻值为 R0，弹簧劲度系数为 k，不计一切摩擦和其他阻力。试推导出电压表示数 U 与所称物体质量 m 的关系式。
解：当托盘中没有放物体时，电压表示数为零，设当物体质量为 m 时，托盘下降 x，设滑动变阻器接入电路中的阻值为 Rx，根据平衡条件有 mg＝kx，由闭合电路欧姆定律有 I＝，
故电压表读数为 U＝I·Rx＝，
根据电阻定律有 Rx＝·R，
联立以上各式解得 U＝.
5. 如图5-6所示，一定厚度和宽度的导体板放在匀强磁场中，当导体板通过一定电流，且电流与磁场方向垂直时，在导体板的上侧面 A 和下侧面 A′ 之间会产生一定的电势差 UH，这就是前面介绍过的霍尔效应。
(1)若图中的电流 I 是电子的定向运动产生的，则导体板上、下两个侧面中，哪个电势高
解：电流方向向右，故电子定向移动的方向为向左，根据左手定则判断电子在 A 面聚集，A′ 面感应出等量正电荷，故 A 面电势更高.
(2)设该导体板单位体积中自由电子的个数为 n，导体板的宽度为 d，通过导体板的电流为 I，磁感应强度为 B，电子电荷量为 e。试证明：发生霍尔效应时，导体板上、下侧面间的电势差 U＝。
解：在上、下侧面的带电粒子稳定后形成的电场的电场强度 E＝，
当电场力与洛伦兹力平衡时，有 Ee＝Bvee
由电流微观表达式有 I＝nvehde.
联立有 UH＝ .
(3)由上问的结论可知，在 I、n、e、d 都相同的情况下，UH 与 B 成正比，由 UH 的数值可以比较 B 的大小，因此可以把这种导体板做成磁敏元件。试问：用这种磁敏元件探测某空间的磁场时，磁敏元件摆放的方向对UH 是否有影响 如果把这种导体板上、下侧面间的电压进行线性放大显示，用它做成的磁传感器的示数是否跟被测磁感应强度有线性关系
解：有影响. 磁敏元件摆放的方向即电流方向与磁场方向夹角的余弦值越大时，φA－φA′ 越大，当电流方向与磁场方向平行时，导体板上下侧面不会产生电势差，则无法探测.
由(2)可知 UH＝ ，即 UH 与 B 是线性关系，则磁传感器示数也跟磁感应强度有线性关系.
6. 当前大量使用的磁敏器件是霍尔元件与集成电路制作在一起的磁传感器，它有以下两种。
(1) 一种是“线性”的。它是将霍尔元件和放大器集成在一个芯片内，其输出的电压与感受到的磁感应强度成正比地连续变化。请你提出一种方案，利用它来测量电流的大小。
解：由题5知， UH＝ ，可知当磁感应强度 B 一定时，UH 与 I 成正比，可以将此类似传感器直接接在电路中，根据 UH 判断电流大小.
(2) 另一种叫作“开关型”的。当磁场增强到一定程度时它才会输出高电势，而在磁场弱到一定程度时输出低电势，它只能像开关一样在高、低电势之间跃变。请你提出一种方案，利用它来测量物体的转速。
解：设计方案如图所示.
转动物体1的边缘上嵌入一个小永磁体2，霍尔传感器3固定在近旁，并与计数器4相连.物体每转动一周，传感器就输出一个电压脉冲，计数器显示的数字就增加1，测出物体在时间 t 内转动的周数 n，就可以计算出转速.
结束
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