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第1节　常见
传感器的工作原理
第5章　传感器及其应用
1.了解传感器的定义,知道传感器的组成。2.知道光敏元件、热敏元件和磁敏元件的原理及作用。
[定位·学习目标]　
探究·必备知识
「知识梳理」
知识点一　初识传感器
1.定义:能感受 信息,并将其按照一定的规律转换成可用
(主要是电信号)的器件或装置。
2.应用:传感器通常应用在自动测量和自动控制系统中,担负着信息 和
任务,通常需要把非电学量转化为电学量。
外界
输出信号
采集
转化
3.组成:主要由 元件和 元件组成。敏感元件直接感受被测的量,并输出与被测的量有确定关系的信号。转换元件将敏感元件输出的物理信号转换为便于显示、记录、处理和控制的电信号。
敏感
转换
知识点二　敏感元件
1.光敏元件
(1)原理:利用材料的 特性制成。
(2)光敏电阻:用金属硫化物等 材料制成。当光照射到这些半导体物质上时,会激发半导体内部受束缚的 ,其电阻值就会发生改变。光照越强,被激发的电子数就越多,电阻值就越 。
(3)其他光敏元件:光敏晶体管、 等。
光敏
半导体
电子
小
光电池
2.热敏元件
(1)原理:利用材料的 特性制成。
(2)热敏电阻:NTC热敏电阻的阻值随温度的升高而 ,因此又称为
热敏电阻;PTC热敏电阻的阻值随温度的升高而 ,称为 热敏电阻。
3.磁敏元件
(1) 元件是根据半导体材料的霍尔效应制成的一种磁敏元件。
热敏
减小
负温度系数
增大
正温度系数
霍尔
霍尔电压
霍尔电压
磁感应强度
电流
1.思考判断
(1)光照强度不同,光敏电阻材料中被激发的电子数目不同。(　 　)
(2)随着光照的增强,光敏电阻的电阻值逐渐增大。(　 　)
(3)只有热敏电阻才能把温度这个热学量转换为电阻这个电学量。(　 　)
(4)随着温度升高,热电阻和热敏电阻的电阻值均减小。(　 　)
(5)光敏电阻、热敏电阻、磁敏电阻等电阻式传感器的工作共性是通过测量电阻的变化来确定外界非电学量的变化。(　 　)
√
「新知检测」
×
×
×
√
2.思维探究
(1)热敏电阻和金属热电阻的特性为何不同
【答案】 (1)有些半导体材料的温度升高时,会有更多的电子获得能量成为自由电子,于是这些半导体材料制成的热敏电阻导电能力明显增强,电阻减小。对于金属热电阻,当温度升高时金属离子的振动加剧,自由电子的定向移动受到的阻碍增强,其电阻变大。
(2)如图所示为矩形金属薄片,水平放入竖直向下的磁场中,当电流的方向如图所示时,试分析N、M两侧面电势的高低。
【答案】 (2)对于金属薄片,当通入如图所示的电流时,电子沿电流的反方向移动,因此受到的洛伦兹力指向N,N侧面聚集负电荷,电势较低,M侧面带正电荷,电势较高,即 φM>φN。
突破·关键能力
要点一　对传感器的认识
「情境探究」
干簧管、色标传感器、温度传感器及力传感器等都是生活和生产中常用的传感器。请结合上述传感器思考下列问题:
(1)干簧管的工作原理及在电路中的作用是什么
【答案】 (1)干簧管可以感受外界磁场,当干簧管的两个软磁性簧片处在磁场中时,两个簧片被磁化,在磁力的作用下由原来的分离状态变成闭合状态,磁场减弱时两个簧片又分开,它在电路中的作用就是一个磁控开关。
(2)电子秤在生活中被广泛应用,你认为它是如何工作的
【答案】 (2)电子秤的敏感元件为压力传感器,可利用形变改变电阻,将压力转换为电信号,经过信号调整在数字屏上显示数值。
「要点归纳」
传感器的基本部分
(1)敏感元件:相当于人的感觉器官,直接感受或响应被测非电学量。
(2)转换元件:相当于人的大脑,将敏感元件输出的非电学量转换成电学量输出。
[例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,应用最广泛的是物理传感器,这类传感器的工作过程可能是(　　)
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
C
【解析】 物理传感器是指能够感受诸如力、温度、光、声等非电学量,并能把它们按照一定的规律转换为电压、电流等电学量,通过显示器显示有关数据或转换为控制电路的通断的一类元件,选项C正确。
·学习笔记·
传感器的分类
项目 工作原理 举例
物理 传感器 利用物质的物理特性或物理效应感知和检测出待测对象信息 力传感器、磁传感器、声传感器、温度传感器、光电传感器等
化学 传感器 利用电化学反应原理识别和检测信息 离子传感器、气体传感器等
生物 传感器 利用生物活性物质的选择性识别和检测生物化学物质 酶传感器、微生物传感器、组织传感器、细胞传感器等
[针对训练1] 下列关于传感器的说法正确的是(　　)
A.所有传感器都是由半导体材料制成的
B.传感器不是电视遥控接收器的主要元件
C.话筒中的传感器将电信号转换为声信号
D.传感器能将非电学量按一定规律转换为电学量
D
【解析】 传感器材料有半导体材料、陶瓷材料、金属材料和有机材料等,A错误;电视遥控接收器的主要元件是红外线传感器,B错误;话筒中的传感器是声传感器,它将声信号转换为电信号,C错误;传感器能将非电学量按一定规律转换为电学量,D正确。
要点二　光敏电阻、热敏电阻和金属热电阻
「情境探究」
在工厂生产车间的生产线上安装计数器后,就可以准确得知生产产品的数量,如图所示为光敏电阻自动计数器的示意图,其中R1为光敏电阻,R2为定值电阻。此光电计数器的基本工作原理是什么
【答案】 当光被产品挡住时,R1电阻增大,电路中电流减小,R2两端电压减小,信号处理系统得到低电压,每通过一个产品就获得一次低电压,并计数一次。
「要点归纳」
1.光敏电阻、热敏电阻特点对比
元件 特点 原理分析
光敏电阻 光照越强, 电阻越小 半导体材料受到的光照增强时,会有更多的电子获得能量成为自由电子,于是导电性明显地增强,电阻减小
热敏电阻 (电阻与温度 负相关类型) 温度越高, 电阻越小 当温度升高时,更多的电子获得能量成为自由电子,于是导电性明显地增强,电阻减小
2.热敏电阻与金属热电阻的区别
项目 热敏电阻 金属热电阻
特点 电阻随温度的变化 而变化且非常明显 电阻率随温度的
升高而增大
制作材料 半导体 金属导体
优点 灵敏度好 化学稳定性好,
测温范围大
作用 能够将温度这个热学量转换为电阻这个电学量
[例2] (双选)有定值电阻、热敏电阻、光敏电阻三只元件,将这三只元件分别接入如图所示电路中的A、B两点后,用黑纸包住元件或者把元件置入热水中,观察欧姆表的示数,下列说法正确的是(　 　)
A.置入热水中与不置入热水中相比,欧姆表示数变化较大的一定是热敏电阻
B.置入热水中与不置入热水中相比,欧姆表示数不变化的一定是定值电阻
C.用黑纸包住与不用黑纸包住相比,欧姆表示数变化较大的一定是光敏电阻
D.用黑纸包住与不用黑纸包住相比,欧姆表示数不变化的一定是定值电阻
AC
【解析】 热敏电阻的阻值随温度的变化而变化,定值电阻和光敏电阻的阻值不随温度发生变化,故A正确,B错误;光敏电阻的阻值随光照强度的变化而变化,而定值电阻和热敏电阻的阻值不随光照强度的变化而变化,故C正确,D错误。
[针对训练2] 如图所示,电源电动势为E,内阻为r,R1、R2为定值电阻,L为小灯泡,R3为光敏电阻,当照射光强度增大时,下列说法正确的是(　　)
A.电压表的示数减小
B.小灯泡L变暗
C.R1电流变化量比R3电流变化量小
D.R1电压变化量比R2电压变化量大
C
提升·核心素养
「模型·方法·结论·拓展」
电容式传感器
1.电容器的电容决定于极板的正对面积S、极板间距d、极板间的电介质这三个因素。如果某个物理量(如角度θ、位移s、深度h等)的变化引起上述某个因素的变化,从而引起电容的变化,通过测定电容器的电容就可以确定这个物理量的变化,这种由于某物理量的变化使电容器电容变化而导致输出电流或电压变化的电容器称为电容式传感器。
2.电容式传感器的应用
类型 图示 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,通过信号调整就可以知道θ的大小
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极,液面高度h发生变化时,引起正对面积S发生变化,使电容C发生变化,通过信号调整就可以知道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,通过信号调整就可以知道F的大小
测定位移s的电容式传感器 随着电介质板进入极板间的长度发生变化,电容C发生变化,通过信号调整就可以知道s的大小
[示例] 如图所示,是电容式话筒的示意图,它是利用电容器制成的传感器,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,从而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极间的(　　)
A.距离变化 B.正对面积变化
C.电介质变化 D.电压变化
A
【解析】 振动膜前后振动,使振动膜上的金属层与金属板间的距离发生变化,从而使电容发生变化,将声音信号转化为电信号,故选A。
「科学·技术·社会·环境」
霍尔效应
霍尔效应是美国物理学家霍尔于1879年在研究金属的导电机制时发现的。 当电流垂直于外磁场通过导体时,导体中能够自由移动的带电粒子发生偏转,垂直于电流和磁场的方向会产生一附加电场,从而在导体的两端产生电势差,这个电势差也被称为霍尔电压。
除导体外,半导体也能产生霍尔效应,而且半导体的霍尔效应要强于导体。
通过分析,霍尔电压UH与磁感应强度B有线性关系,因此利用霍尔元件可以测量磁感应强度的大小和方向。
霍尔元件能够把磁感应强度这个磁学量转换为电压这个电学量。
利用霍尔效应,结合相关技术还可以制作可以测量位置、位移、角度、角速度、转速、压力、质量、液位、流速、流量等物理量的传感器。
[示例] (双选)霍尔式位移传感器的测量原理如图所示,有个沿z轴方向均匀变化的匀强磁场,磁感应强度B=B0+kz(B0、k均为常数)。将霍尔元件固定在物体上,保持通过霍尔元件的电流I不变(方向如图所示),当物体沿z轴正方向平移时,由于位置不同,霍尔元件在y轴方向的上、下表面的电势差U也不同。则(　 　)
AB
检测·学习效果
1.嫦娥六号采用了大量的传感器。某金属热电阻和热敏电阻的阻值R随温度t变化的关系图像如图所示,下列说法正确的是(　　)
A.金属热电阻不可用来做电阻温度计
B.金属热电阻在温度上升时导电能力增强
C.热敏电阻的阻值随温度的变化不明显
D.它们都能够把温度这个热学量转换为电阻这个电学量
D
【解析】 金属热电阻的阻值随温度的升高而增大,导电能力减弱,这样的金属可以制成温度传感器,称为热电阻,可用来做电阻温度计,故A、B错误;热敏电阻的阻值随温度的升高而降低,其阻值变化明显,故C错误;金属热电阻和热敏电阻都能够把温度这个热学量转换为电阻这个电学量,故D正确。
2.霍尔元件是一种磁传感器,是实际生活中的重要元件之一。如图所示为长度一定的霍尔元件,在该元件中通有方向从E到F的恒定电流I,在空间加一竖直向下的匀强磁场,磁感应强度大小为B,霍尔元件中的载流子为负电荷。则下列说法正确的是(　　)
A.该元件能把电学量转换为磁学量
B.左表面的电势高于右表面
C.如果用该元件测赤道处的磁场,应保持元件上表面呈水平状态
D.如果霍尔元件中的电流大小不变,则左、右表面的电势差与磁场的磁感应强度成正比
D
3.压敏电阻的阻值随所受压力的增大而减小,某同学利用压敏电阻设计了判断小车运动状态的装置,其工作原理如图甲所示,将压敏电阻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,电流表示数如图乙所示,下列判断正确的是(　　)
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
D
【解析】 在0～t1内,I恒定,压敏电阻的阻值不变,压敏电阻受力不变,小车可能做匀速直线运动或匀变速直线运动;在t1～t2内,I变大,则说明阻值变小,压敏电阻所受的压力不断变大,小车做变加速直线运动,A、B错误;在t2～t3内,I达到最大值且不变,即压力达到最大值且不变,小车做匀加速直线运动,C错误,D正确。
4.(双选)用半导体材料制成热敏电阻,在温度升高时,电阻会迅速减小,如图所示,将一热敏电阻接入电路中,接通开关后,经过一段时间会观察到(　 　)
A.电流表示数减小 B.电流表示数增大
C.电压表示数减小 D.电压表示数增大
BC
【解析】 接通开关后,由于电流的热效应,热敏电阻的温度升高,电阻减小,电路中总电阻减小,I总增大,电流表示数变大,故A错误,B正确;U不变,R2支路的电流I2增大,R2两端电压U2增大,又U=U2+U热,则U热减小,电压表示数减小,故C正确,D错误。
5.利用热敏电阻在通以恒定电流(恒定电流大小为 50.0 μA)时阻值随温度的变化关系(如图甲所示)可以制作电子温度计。把恒压直流电源E、热敏电阻RT、可变电阻R1、电流表A、电压表V和开关S连成如图乙所示的电路。用热敏电阻作测温探头,把电压表的电压刻度改为相应的温度刻度,就得到了一个简易的电子温度计。下列说法正确的是(　　)
A.电压较高时表示温度也较高
B.该电子温度计表盘上温度的刻度是均匀的
C.当热敏电阻的温度升高时,应将R1的阻值调大
D.每升高相同的温度,热敏电阻的阻值变化均相等
C
【解析】 根据题意可知,电路通有恒定的电流,温度越高,由题图甲可知,RT阻值越小,由U=IRT可知,热敏电阻两端的电压越小,故A错误;由上述分析可知,电压表的示数为U=IRT,由题图甲可知,RT阻值与温度不是线性关系,每升高相同的温度,热敏电阻的阻值变化不相等,则电子温度计表盘上温度的刻度不是均匀的,故B、D错误;当热敏电阻的温度升高时,阻值减小,要保证电路中电流恒定,应增大R1,即将R1的阻值调大,故C正确。
感谢观看第1节　常见传感器的工作原理
[定位·学习目标]　1.了解传感器的定义,知道传感器的组成。2.知道光敏元件、热敏元件和磁敏元件的原理及作用。
知识梳理
知识点一　初识传感器
1.定义:能感受外界信息,并将其按照一定的规律转换成可用输出信号(主要是电信号)的器件或装置。
2.应用:传感器通常应用在自动测量和自动控制系统中,担负着信息采集和转化任务,通常需要把非电学量转化为电学量。
3.组成:主要由敏感元件和转换元件组成。敏感元件直接感受被测的量,并输出与被测的量有确定关系的信号。转换元件将敏感元件输出的物理信号转换为便于显示、记录、处理和控制的电信号。
知识点二　敏感元件
1.光敏元件
(1)原理:利用材料的光敏特性制成。
(2)光敏电阻:用金属硫化物等半导体材料制成。当光照射到这些半导体物质上时,会激发半导体内部受束缚的电子,其电阻值就会发生改变。光照越强,被激发的电子数就越多,电阻值就越小。
(3)其他光敏元件:光敏晶体管、光电池等。
2.热敏元件
(1)原理:利用材料的热敏特性制成。
(2)热敏电阻:NTC热敏电阻的阻值随温度的升高而减小,因此又称为负温度系数热敏电阻;PTC热敏电阻的阻值随温度的升高而增大,称为正温度系数热敏电阻。
3.磁敏元件
(1)霍尔元件是根据半导体材料的霍尔效应制成的一种磁敏元件。
(2)一个霍尔元件一般有四个引出端子,其中两个是霍尔元件的电流I的输入、输出端,另两个是霍尔电压的输出端。在其垂直方向施加磁感应强度为B的匀强磁场,将在垂直于电流和磁场的方向上产生电势差为UH的霍尔电压。这几个物理量的关系为UH=k。式中,d为霍尔元件厚度,k为与材料有关的霍尔系数。用霍尔元件制成的磁传感器可直接测量磁场的磁感应强度,还可通过测量电流周围的磁场间接测量电流的大小。
新知检测
1.思考判断
(1)光照强度不同,光敏电阻材料中被激发的电子数目不同。(　√　)
(2)随着光照的增强,光敏电阻的电阻值逐渐增大。(　×　)
(3)只有热敏电阻才能把温度这个热学量转换为电阻这个电学量。(　×　)
(4)随着温度升高,热电阻和热敏电阻的电阻值均减小。(　×　)
(5)光敏电阻、热敏电阻、磁敏电阻等电阻式传感器的工作共性是通过测量电阻的变化来确定外界非电学量的变化。(　√　)
2.思维探究
(1)热敏电阻和金属热电阻的特性为何不同
(2)如图所示为矩形金属薄片,水平放入竖直向下的磁场中,当电流的方向如图所示时,试分析N、M两侧面电势的高低。
【答案】 (1)有些半导体材料的温度升高时,会有更多的电子获得能量成为自由电子,于是这些半导体材料制成的热敏电阻导电能力明显增强,电阻减小。对于金属热电阻,当温度升高时金属离子的振动加剧,自由电子的定向移动受到的阻碍增强,其电阻变大。
(2)对于金属薄片,当通入如图所示的电流时,电子沿电流的反方向移动,因此受到的洛伦兹力指向N,N侧面聚集负电荷,电势较低,M侧面带正电荷,电势较高,即 φM>φN。
要点一　对传感器的认识
情境探究
　干簧管、色标传感器、温度传感器及力传感器等都是生活和生产中常用的传感器。请结合上述传感器思考下列问题:
(1)干簧管的工作原理及在电路中的作用是什么
(2)电子秤在生活中被广泛应用,你认为它是如何工作的
【答案】 (1)干簧管可以感受外界磁场,当干簧管的两个软磁性簧片处在磁场中时,两个簧片被磁化,在磁力的作用下由原来的分离状态变成闭合状态,磁场减弱时两个簧片又分开,它在电路中的作用就是一个磁控开关。
(2)电子秤的敏感元件为压力传感器,可利用形变改变电阻,将压力转换为电信号,经过信号调整在数字屏上显示数值。
要点归纳
传感器的基本部分
(1)敏感元件:相当于人的感觉器官,直接感受或响应被测非电学量。
(2)转换元件:相当于人的大脑,将敏感元件输出的非电学量转换成电学量输出。
[例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,应用最广泛的是物理传感器,这类传感器的工作过程可能是(　　)
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】 物理传感器是指能够感受诸如力、温度、光、声等非电学量,并能把它们按照一定的规律转换为电压、电流等电学量,通过显示器显示有关数据或转换为控制电路的通断的一类元件,选项C正确。
传感器的分类
项目 工作原理 举例
物理 传感器 利用物质的物理特性或物理效应感知和检测出待测对象信息 力传感器、磁传感器、声传感器、温度传感器、光电传感器等
化学 传感器 利用电化学反应原理识别和检测信息 离子传感器、气体传感器等
生物 传感器 利用生物活性物质的选择性识别和检测生物化学物质 酶传感器、微生物传感器、组织传感器、细胞传感器等
[针对训练1] 下列关于传感器的说法正确的是(　　)
A.所有传感器都是由半导体材料制成的
B.传感器不是电视遥控接收器的主要元件
C.话筒中的传感器将电信号转换为声信号
D.传感器能将非电学量按一定规律转换为电学量
【答案】 D
【解析】 传感器材料有半导体材料、陶瓷材料、金属材料和有机材料等,A错误;电视遥控接收器的主要元件是红外线传感器,B错误;话筒中的传感器是声传感器,它将声信号转换为电信号,C错误;传感器能将非电学量按一定规律转换为电学量,D正确。
要点二　光敏电阻、热敏电阻和金属热电阻
情境探究
在工厂生产车间的生产线上安装计数器后,就可以准确得知生产产品的数量,如图所示为光敏电阻自动计数器的示意图,其中R1为光敏电阻,R2为定值电阻。此光电计数器的基本工作原理是什么
【答案】 当光被产品挡住时,R1电阻增大,电路中电流减小,R2两端电压减小,信号处理系统得到低电压,每通过一个产品就获得一次低电压,并计数一次。
要点归纳
1.光敏电阻、热敏电阻特点对比
元件 特点 原理分析
光敏电阻 光照越强, 电阻越小 半导体材料受到的光照增强时,会有更多的电子获得能量成为自由电子,于是导电性明显地增强,电阻减小
热敏电阻 (电阻与温度 负相关类型) 温度越高, 电阻越小 当温度升高时,更多的电子获得能量成为自由电子,于是导电性明显地增强,电阻减小
2.热敏电阻与金属热电阻的区别
项目 热敏电阻 金属热电阻
特点 电阻随温度的变化 而变化且非常明显 电阻率随温度的 升高而增大
制作材料 半导体 金属导体
优点 灵敏度好 化学稳定性好, 测温范围大
作用 能够将温度这个热学量转换为电阻这个电学量
[例2] (双选)有定值电阻、热敏电阻、光敏电阻三只元件,将这三只元件分别接入如图所示电路中的A、B两点后,用黑纸包住元件或者把元件置入热水中,观察欧姆表的示数,下列说法正确的是(　　)
A.置入热水中与不置入热水中相比,欧姆表示数变化较大的一定是热敏电阻
B.置入热水中与不置入热水中相比,欧姆表示数不变化的一定是定值电阻
C.用黑纸包住与不用黑纸包住相比,欧姆表示数变化较大的一定是光敏电阻
D.用黑纸包住与不用黑纸包住相比,欧姆表示数不变化的一定是定值电阻
【答案】 AC
【解析】 热敏电阻的阻值随温度的变化而变化,定值电阻和光敏电阻的阻值不随温度发生变化,故A正确,B错误;光敏电阻的阻值随光照强度的变化而变化,而定值电阻和热敏电阻的阻值不随光照强度的变化而变化,故C正确,D错误。
[针对训练2] 如图所示,电源电动势为E,内阻为r,R1、R2为定值电阻,L为小灯泡,R3为光敏电阻,当照射光强度增大时,下列说法正确的是(　　)
A.电压表的示数减小
B.小灯泡L变暗
C.R1电流变化量比R3电流变化量小
D.R1电压变化量比R2电压变化量大
【答案】 C
【解析】 当照射光强度增大时,R3电阻减小,外电路总电阻减小,则干路电流增大,根据U1=IR1可知R1两端的电压增大,所以电压表的示数增大,A错误。干路电流增大,由U=E-Ir知路端电压减小,由A项分析知,R1两端电压增大,故R2两端电压减小,由IR2=得通过R2的电流减小;干路电流增大,R2的电流减小,则通过小灯泡的电流增大,故小灯泡功率增大,小灯泡L变亮,B错误。通过R2的电流减小,小灯泡支路的电流增大,而干路的电流增大,则干路电流增加量小于电阻R3电流增加量,即R1电流变化量比R3电流变化量小,C正确。干路电流增大,电源内电压增大,路端电压减小,则电阻R1电压增加量小于并联部分电压减小量,即R1电压变化量比R2电压变化量小,D错误。
模型·方法·结论·拓展
电容式传感器
1.电容器的电容决定于极板的正对面积S、极板间距d、极板间的电介质这三个因素。如果某个物理量(如角度θ、位移s、深度h等)的变化引起上述某个因素的变化,从而引起电容的变化,通过测定电容器的电容就可以确定这个物理量的变化,这种由于某物理量的变化使电容器电容变化而导致输出电流或电压变化的电容器称为电容式传感器。
2.电容式传感器的应用
类型 图示 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,通过信号调整就可以知道θ的大小
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极,液面高度h发生变化时,引起正对面积S发生变化,使电容C发生变化,通过信号调整就可以知道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,通过信号调整就可以知道F的大小
测定位移s的电容式传感器 随着电介质板进入极板间的长度发生变化,电容C发生变化,通过信号调整就可以知道s的大小
[示例] 如图所示,是电容式话筒的示意图,它是利用电容器制成的传感器,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,从而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极间的(　　)
A.距离变化 B.正对面积变化
C.电介质变化 D.电压变化
【答案】 A
【解析】 振动膜前后振动,使振动膜上的金属层与金属板间的距离发生变化,从而使电容发生变化,将声音信号转化为电信号,故选A。
科学·技术·社会·环境
霍尔效应
霍尔效应是美国物理学家霍尔于1879年在研究金属的导电机制时发现的。 当电流垂直于外磁场通过导体时,导体中能够自由移动的带电粒子发生偏转,垂直于电流和磁场的方向会产生一附加电场,从而在导体的两端产生电势差,这个电势差也被称为霍尔电压。
除导体外,半导体也能产生霍尔效应,而且半导体的霍尔效应要强于导体。
　　通过分析,霍尔电压UH与磁感应强度B有线性关系,因此利用霍尔元件可以测量磁感应强度的大小和方向。
霍尔元件能够把磁感应强度这个磁学量转换为电压这个电学量。
利用霍尔效应,结合相关技术还可以制作可以测量位置、位移、角度、角速度、转速、压力、质量、液位、流速、流量等物理量的传感器。
[示例] (双选)霍尔式位移传感器的测量原理如图所示,有个沿z轴方向均匀变化的匀强磁场,磁感应强度B=B0+kz(B0、k均为常数)。将霍尔元件固定在物体上,保持通过霍尔元件的电流I不变(方向如图所示),当物体沿z轴正方向平移时,由于位置不同,霍尔元件在y轴方向的上、下表面的电势差U也不同。则(　　)
A.磁感应强度B越大,上、下表面的电势差U越大
B.k越大,传感器灵敏度越高
C.若图中霍尔元件是电子导电,则下极板电势高
D.电流越大,上、下表面的电势差U越小
【答案】 AB
【解析】 设霍尔元件y方向上的长度为d,自由电荷移动的速度为v,则有qvB=q,解得U=dvB,所以磁感应强度B越大,上、下表面的电势差U越大,A正确;由选项A可知U=dvB=dv(B0+kz),所以有=dvk,k越大,传感器灵敏度越高,B正确;若题图中霍尔元件是电子导电,根据左手定则,电子在下极板聚集,所以下极板电势低,C错误;由选项A可知,电流越大,电荷移动得越快,上、下表面的电势差U越大,D错误。
1.嫦娥六号采用了大量的传感器。某金属热电阻和热敏电阻的阻值R随温度t变化的关系图像如图所示,下列说法正确的是(　　)
A.金属热电阻不可用来做电阻温度计
B.金属热电阻在温度上升时导电能力增强
C.热敏电阻的阻值随温度的变化不明显
D.它们都能够把温度这个热学量转换为电阻这个电学量
【答案】 D
【解析】 金属热电阻的阻值随温度的升高而增大,导电能力减弱,这样的金属可以制成温度传感器,称为热电阻,可用来做电阻温度计,故A、B错误;热敏电阻的阻值随温度的升高而降低,其阻值变化明显,故C错误;金属热电阻和热敏电阻都能够把温度这个热学量转换为电阻这个电学量,故D正确。
2.霍尔元件是一种磁传感器,是实际生活中的重要元件之一。如图所示为长度一定的霍尔元件,在该元件中通有方向从E到F的恒定电流I,在空间加一竖直向下的匀强磁场,磁感应强度大小为B,霍尔元件中的载流子为负电荷。则下列说法正确的是(　　)
A.该元件能把电学量转换为磁学量
B.左表面的电势高于右表面
C.如果用该元件测赤道处的磁场,应保持元件上表面呈水平状态
D.如果霍尔元件中的电流大小不变,则左、右表面的电势差与磁场的磁感应强度成正比
【答案】 D
【解析】 霍尔元件把磁学量转换为电学量,A错误;由于霍尔元件中的载流子为负电荷,则负电荷的运动方向由F到E,由左手定则可知负电荷向左表面偏转,则右表面的电势高,B错误;如果用该元件测赤道处的磁场,由于地磁场与水平面平行,因此如果霍尔元件的上表面保持水平,则左、右表面间无电压产生,C错误;根据qvB=q,得U=Bdv,又 I=nqSv,联立解得U=,可知保持电流不变,则左、右表面的电势差与磁感应强度成正比,D正确。
3.压敏电阻的阻值随所受压力的增大而减小,某同学利用压敏电阻设计了判断小车运动状态的装置,其工作原理如图甲所示,将压敏电阻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,电流表示数如图乙所示,下列判断正确的是(　　)
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0～t1内,I恒定,压敏电阻的阻值不变,压敏电阻受力不变,小车可能做匀速直线运动或匀变速直线运动;在t1～t2内,I变大,则说明阻值变小,压敏电阻所受的压力不断变大,小车做变加速直线运动,A、B错误;在t2～t3内,I达到最大值且不变,即压力达到最大值且不变,小车做匀加速直线运动,C错误,D正确。
4.(双选)用半导体材料制成热敏电阻,在温度升高时,电阻会迅速减小,如图所示,将一热敏电阻接入电路中,接通开关后,经过一段时间会观察到(　　)
A.电流表示数减小 B.电流表示数增大
C.电压表示数减小 D.电压表示数增大
【答案】 BC
【解析】 接通开关后,由于电流的热效应,热敏电阻的温度升高,电阻减小,电路中总电阻减小,I总增大,电流表示数变大,故A错误,B正确;U不变,R2支路的电流I2增大,R2两端电压U2增大,又U=U2+U热,则U热减小,电压表示数减小,故C正确,D错误。
5.利用热敏电阻在通以恒定电流(恒定电流大小为 50.0 μA)时阻值随温度的变化关系(如图甲所示)可以制作电子温度计。把恒压直流电源E、热敏电阻RT、可变电阻R1、电流表A、电压表V和开关S连成如图乙所示的电路。用热敏电阻作测温探头,把电压表的电压刻度改为相应的温度刻度,就得到了一个简易的电子温度计。下列说法正确的是(　　)
A.电压较高时表示温度也较高
B.该电子温度计表盘上温度的刻度是均匀的
C.当热敏电阻的温度升高时,应将R1的阻值调大
D.每升高相同的温度,热敏电阻的阻值变化均相等
【答案】 C
【解析】 根据题意可知,电路通有恒定的电流,温度越高,由题图甲可知,RT阻值越小,由U=IRT可知,热敏电阻两端的电压越小,故A错误;由上述分析可知,电压表的示数为U=IRT,由题图甲可知,RT阻值与温度不是线性关系,每升高相同的温度,热敏电阻的阻值变化不相等,则电子温度计表盘上温度的刻度不是均匀的,故B、D错误;当热敏电阻的温度升高时,阻值减小,要保证电路中电流恒定,应增大R1,即将R1的阻值调大,故C正确。
课时作业
1.关于传感器工作的一般流程,下列说法正确的是(　　)
A.非电学量→敏感元件→处理电路→电学量
B.非电学量→处理电路→敏感元件→电学量
C.电学量→敏感元件→处理电路→非电学量
D.电学量→处理电路→敏感元件→非电学量
【答案】 A
【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A正确。
2.(双选)下列有关传感器的说法正确的是(　　)
A.霍尔元件是能够把磁感应强度转换为电压的一种磁传感器
B.光电鼠标利用了位移传感器
C.电子秤称量物体质量是利用了力传感器
D.测温仪能够测量体温是利用了温度传感器
【答案】 AC
【解析】 霍尔元件是能够把磁感应强度转换为电压的一种磁传感器,故A正确;光电鼠标利用了光传感器,故B错误;电子秤称量物体质量是利用了力传感器,故C正确;测温仪是根据人体辐射的红外线来测温的,没有利用温度传感器,故D错误。
3.光照传感器在大棚种植中得到了广泛的应用,技术人员通过光敏电阻设计了如图所示的光控电路,增加植物光照时间,有效地提高了作物的产量。电阻箱阻值调整为R1,闭合开关后,秋天傍晚6点时,灯泡L两端的电压达到一定值,恰好能发光。已知光敏电阻的阻值随光照的增强而减小,电流表、电压表均为理想电表,灯泡的光对光敏电阻的影响不计,不考虑灯泡电阻的变化。下列说法正确的是(　　)
A.光照减弱的过程中,电流表示数增大
B.光照减弱的过程中,电压表和电流表示数比值不变
C.光照减弱的过程中,电压表和电流表变化量绝对值的比值变大
D.若电阻箱阻值大于R1,则秋天傍晚6点之后灯泡L才可能发光
【答案】 D
【解析】 光照减弱的过程中,光敏电阻的阻值增大,整个回路的电阻增大,电流表示数减小,故A错误;电压表和电流表示数的比值为并联部分总电阻,光照减弱的过程中,电压表和电流表示数的比值增大,故B错误;根据闭合电路欧姆定律可知电压表和电流表变化量绝对值的比值为R1+r,恒定不变,故C错误;若电阻箱阻值大于R1,则当光敏电阻阻值大于傍晚6点时的阻值时,灯泡才可能发光,故D正确。
4.(双选)如图所示,图甲为热敏电阻的阻值R随温度t的变化关系曲线,图乙为用此热敏电阻和继电器组成的一个简单恒温箱温控电路。当线圈中的电流大于或等于某一电流时,继电器的衔铁被吸合,则(　　)
A.恒温箱内的加热器接在P、Q之间
B.恒温箱内的加热器接在M、N之间
C.滑动变阻器R′的滑动触头向右移动,恒温箱内保持的温度变高
D.滑动变阻器R′的滑动触头向右移动,恒温箱内保持的温度变低
【答案】 AC
【解析】 当温度较低时,热敏电阻阻值较大,电路中的电流较小,此时继电器的衔铁与P、Q端连接,所以应把恒温箱内的加热器接在P、Q端,故A正确,B错误;当温度达到一定值时,加热电路要断开,此时继电器的衔铁要被吸合,即控制电路的电流要达到一定电流,设继电器线圈的电阻为R0,根据闭合电路欧姆定律可得I=,由以上分析可知,若使恒温箱内的温度保持在更高的数值,则电流值一定时R变小,R0不变,故可变电阻R′的值应增大,即向右移动从而实现目标,故C正确,D错误。
5.(双选)目前智能手机普遍采用了电容式触摸屏。因为工作面上接有高频信号,如图所示,当用户手指触摸电容式触摸屏时,手指和工作面形成一个电容器,控制器可精确确定手指位置。对于电容式触摸屏,下列说法正确的是(　　)
A.电容式触摸屏只需要触摸,不需要压力即能产生位置信号
B.使用绝缘笔在电容式触摸屏上也能进行触控操作
C.手指靠近触摸屏时,由于手指与屏的夹层工作面距离变小,电容变小
D.手指与屏的接触面积变大时,电容变大
【答案】 AD
【解析】 由题意可知,当用户手指触摸电容式触摸屏时,手指和工作面形成一个电容器,因为工作面上接有高频信号,电流通过这个电容器分别从屏的四个角上的电极中流出,且流经四个电极的电流与手指到四个角的距离成比例,控制器通过对四个电流比例的精密计算来确定手指位置,因此不需要手指有压力,A正确。绝缘笔与工作面不能形成电容器,所以不能在电容式触摸屏上进行触控操作,B错误。手指靠近触摸屏时,由于手指与屏的夹层工作面距离变小,根据C=可知,电容将变大,C错误。手指与屏的接触面积变大时,根据C=可知,电容变大,D正确。
6.传感器广泛应用在我们的生产生活中,常用的计算机键盘就是一种传感器。如图所示,键盘上每一个键的下面都连一小金属片,与该金属片隔有一定空气间隙的是另一小的固定金属片,这两金属片组成一个小电容器。当键被按下时,此小电容器的电容发生变化,与之相连的电子线路就能够检测出哪个键被按下,从而给出相应的信号。这种计算机键盘使用的是(　　)
A.温度传感器 B.电容传感器
C.磁传感器 D.光传感器
【答案】 B
【解析】 当键被按下时,小金属片向下移动,两个极板之间的距离改变,电容改变,所以计算机键盘使用的是电容传感器,B正确,A、C、D错误。
7.(双选)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。
8.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。
9.(双选)某磁敏电阻的阻值R随外加磁场的磁感应强度B变化图线如图甲所示。学习小组使用该磁敏电阻设计了保护负载的电路如图乙所示,U为直流电压,下列说法正确的是(　　)
A.增大电压U,负载电流不变
B.增大电压U,电路的总功率变大
C.抽去线圈铁芯,磁敏电阻的阻值变小
D.抽去线圈铁芯,负载两端电压变小
【答案】 BC
【解析】 增大电压U,为保护负载,则磁敏电阻两端需要分压,即电压增大,则磁敏电阻的阻值增大,根据题图甲可知磁感应强度增大,所以通过线圈的电流增大,即流过负载的电流增大,根据P=UI可知,电路的总功率P变大,故A错误,B正确;抽去线圈铁芯,线圈产生的磁感应强度减小,故磁敏电阻的阻值变小,则磁敏电阻两端的电压变小,而U不变,所以负载两端电压变大,故C正确,D错误。
10.(双选)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,图甲为电路原理图。图甲中,直流电源电动势为3 V,内阻可不计,R1和R2其中一个是定值电阻,另一个是光敏电阻。光敏电阻的阻值随照度变化的规律如图乙所示(照度是描述光的强弱的物理量,光越强照度越大,lx是它的单位)。控制开关两端电压高于 2 V时照明系统将自动开启。下列说法正确的是(　　)
A.R2是光敏电阻
B.若定值电阻的阻值为20 kΩ,则当照度为1.0 lx时照明系统将开启
C.若要使照明系统在照度为0.6 lx时开启,则定值电阻的阻值应为15 kΩ
D.定值电阻的阻值越大,开启照明系统时的光照越暗
【答案】 CD
【解析】 当光线较暗,照度较小时,光敏电阻阻值较大,照明系统将自动开启,此时控制开关两端电压高于2 V,R1两端的电压增大,可知R1是光敏电阻,故A错误;若定值电阻的阻值为20 kΩ,根据欧姆定律有=,其中U=2 V,可得 R1=40 kΩ,可知当照度为0.4 lx时照明系统将开启,故B错误;照度为0.6 lx时,光敏电阻的阻值为 30 kΩ,根据欧姆定律有=,可得 R2′=15 kΩ,故C正确;定值电阻的阻值越大,根据分压比可知开启照明系统时,光敏电阻的阻值越大,开启照明系统时的光照越暗,故D正确。
11.(双选)电容式话筒含有电容式传感器,如图所示。导电性振动膜片与固定电极构成一个电容器,当振动膜片在声压的作用下运动时,两个电极间的电容发生变化,电路中电流随之变化,这样声信号就转变为电信号。当振动膜片向左运动时,下列说法正确的是(　　)
A.电容器电容增大
B.电容器所带电荷量减少
C.电容器两极板间的场强增大
D.电阻R上电流方向自左向右
【答案】 BD
【解析】 当振动膜片向左运动时,电容器两极板间的距离变大,根据C=可知,电容减小,故A错误;由Q=CU可知,因U不变,则电容器带电荷量Q减少,电容器处于放电状态,R中电流方向自左向右,故B、D正确;依据E=,则知U不变,距离增大,场强减小,故C错误。
12.(双选)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,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】 电压表示数变大,而R3为定值电阻,说明流经R3的电流增大,由电路连接可知,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。
13.如图所示是某居民小区门口利用光敏电阻设计的行人监控装置,R1为光敏电阻,R2为定值电阻,A、B接监控装置,则当有人通过而遮住光线时,回路中的电流　　　,A、B之间电压　　　　;当仅　　　　R2的阻值时,可增大A、B之间的电压。
【答案】 减小　减小　增大
【解析】 R1是光敏电阻,当有人通过而遮住光线时,R1的阻值变大,回路中的电流I减小,A、B间的电压U=IR2减小;由闭合电路欧姆定律得 U=E-I(R1+r),当仅增大R2的阻值时,电路中的电流减小,A、B间的电压U增大;当仅减小R2的阻值时,电路中的电流增大,A、B间的电压U减小。
14.温度传感器广泛应用于室内空调、电冰箱和微波炉等家用电器中,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(内阻可忽略不计);G为灵敏电流计,内阻Rg保持不变;RT为热敏电阻,其电阻值与温度的变化关系如图乙的RT-t图像所示,闭合开关,当RT的温度等于120 ℃时,电流计示数I1=3 mA,求:
(1)电流计G的内阻Rg;
(2)当电流计的示数I2=1.8 mA时,热敏电阻RT的温度。
【答案】 (1)1 000 Ω　(2)20 ℃
【解析】 (1)由题图乙可知,热敏电阻RT的温度等于 120 ℃ 时,电阻为2 kΩ,闭合电路的电流为
I1=3 mA=3×10-3A,
根据闭合电路欧姆定律有I1=,
则Rg=-RT=(-2×103) Ω
=1 000 Ω。
(2)当电流计的示数I2=1.8 mA时,
设热敏电阻的阻值为RT′,则有I2=,
得RT′=-Rg=(-1×103) Ω
=4 000 Ω,
由题图乙可知,热敏电阻的阻值为4 000 Ω时对应的温度为20 ℃。(共44张PPT)
第3节　大显身手的传感器
1.了解传感器的种类及一般应用模式,感受传感器的应用技术在信息时代的作用与意义。2.能够结合已学的知识,分析传感器在实际中的应用实例。
[定位·学习目标]　
探究·必备知识
「知识梳理」
知识点一　自动感应门
1.控制自动门开关的是一种 传感器。
2.自动门工作原理
人体发出的红外线,经红外感应器入射窗的滤光片后,聚焦到感应器的热电元件上。热电元件感知温度上升后,会因为热电效应释放电荷,使电路中的电阻、电流、电压等电学量发生变化。在人进入大厅的过程中,自动感应门系统主要经历三个环节:首先,检测门前是否有人;其次,判断检测结果,发出相关指令;最后,执行指令(开、关门)。
红外线
知识点二　洗衣机水位控制
全自动洗衣机的水位控制装置中使用 传感器,当筒中水位到达设定的高度时,凸起的膜片使动触点与控制电路的静触点接触,从而接通控制电路, 进水电磁阀门,同时 洗涤电动机电源。
压力
关闭
接通
知识点三　指纹识别器
指纹识别器是通过 传感器来识别指纹的。手指皮肤与电容传感器绝缘表面组成了电容阵列,由于指纹的脊和谷相对绝缘表面之间的距离不同导致不同位置的电容器的 不同。
电容
电容值
知识点四　机器人
1.机器人传感器的分类
机器人传感器系统分为外部传感器和 传感器。
2.机器人传感器用途
(1)外部传感器用于感知外部 和外界事物对机器人的 ,使机器人拥有类似人的视觉、听觉、触觉、嗅觉、味觉等感觉,从而使机器人具有拟人化的特点。
(2)内部传感器(如角度传感器、 等)用于检测机器人自身的状态。
内部
工作环境
刺激
关节传感器
1.思考判断
(1)自动门安装的红外线传感器是通过获取人体的影像而自动开、关门的。
(　 　)
(2)非接触式体温仪将人体辐射的红外能量转换为温度值通过数字屏显示
出来。(　 　)
(3)洗衣机的自动控制装置利用了压力传感器。(　 　)
(4)自动门利用了红外线传感器。(　 　)
(5)指纹识别器利用了压力传感器。(　 　)
√
「新知检测」
×
√
√
×
2.思维探究
(1)生活中需要进行温度控制的家用电器有很多,试举例说明。
【答案】 (1)电饭煲、电冰箱、电冰柜、微波炉、空调、热水器、消毒
柜等。
(2)压力传感器在洗衣机中实现了怎样的信号转换 其作用是什么
【答案】 (2)传感器的膜盒中的膜片受力大小不同,膜片凸起情况不同,当水位到达设定高度,即压力达到一定程度时凸起的膜片使动触点与控制电路的静触点接触,从而接通控制电路。压力传感器将压力这个力学量转换成电路的通断,相当于电路中的开关。
突破·关键能力
要点一　压力传感器的应用
「情境探究」
如图,观察自动洗衣机水位控制原理。
1是洗衣机的外筒,2是洗衣机的内筒,3是气室,4是传感器的膜盒。
(1)自动洗衣机水位控制系统感受的是哪种非电学量
【答案】 (1)压力的大小。
(2)自动洗衣机还有哪些传感器
【答案】 (2)温度传感器、湿度传感器等。
「要点归纳」
处理含压力传感器电路的思路
首先,审清题意,明确题干中力、电的转换方式;其次,理清电路结构,灵活利用闭合电路欧姆定律列式;最后,充分利用数学知识分析物理问题。
[例1] (双选)压敏电阻的阻值会随所受压力的增大而减小。某位同学利用压敏电阻设计了一个判断电梯运动状态的装置,其装置示意图如图所示。将压敏电阻平放在电梯内,受压面朝上,在上面放一物体m,电梯静止时电流表示数为I0。电梯在不同的运动过程中,电流表的示数分别如图甲、乙、丙、丁所示,则下列判断正确的是(　 　)
A.图甲表示电梯可能做匀速直线运动
B.图乙表示电梯可能做匀加速上升运动
C.图丙表示电梯可能做匀加速下降运动
D.图丁表示电梯可能做变减速下降运动
AD
【解析】 题图甲中,电流恒为I0,压力等于重力,故电梯处于平衡状态,可能做匀速直线运动,选项A正确;题图乙中,电流从I0逐渐变大到2I0,电阻逐渐变小,则压力逐渐变大,且大于重力,所以加速度向上逐渐变大,电梯可能变加速上升,也可能变减速下降,选项B错误;题图丙中,电流保持2I0不变,电阻比原来小且保持不变,则压力不变且大于重力,所以加速度向上且保持不变,电梯可能匀加速上升,也可能匀减速下降,选项C错误;题图丁中,电流从2I0逐渐减小,则电阻逐渐变大,压力逐渐减小,则向上的加速度逐渐减小,则电梯可能变减速下降或变加速上升,选项D正确。
[针对训练1] 图甲虚线框内所示是电子秤测量部分的原理图,压力传感器的电阻R随压力F的变化如图乙所示。开关闭合后,压力传感器两端的电压恒为6.0 V。电流表的量程为0～0.6 A。电流表的内阻、踏板和压杆的质量可以忽略不计。则电子秤(　　)
A.最大称量值为1 500 N
B.压力传感器的电阻最小为0
C.空载时,电流表的读数为20 mA
D.称重为900 N时,电阻R为110 Ω
C
要点二　电容传感器的应用
「情境探究」
如图,观察电容式话筒。
【答案】 (1)电容式话筒感受的是声音信号的强弱。
(1)电容式话筒感受的是哪种非电学量
【答案】 (2)声波使振动膜片发生振动,进而改变了振动膜片和固定电极的间距,从而改变电容器电容的大小使电路中产生充、放电电流,其电流变化与声波变化相对应,从而在电阻两端产生随声波变化的电压信号并输出。
(2)声波是怎样通过电容式话筒发出信号的
「要点归纳」
1.电容传感器的工作原理
电容传感器感受的通常是非电学量,如压力、温度、位移、浓度、速度、酸碱度等,而它输出的通常是电学量,如电压、电流、电荷量等,这些输出信号是非常微弱的,通常要经过放大后通过显示器显示或输送给控制系统产生各种控制动作。
2.电容传感器的工作流程
[例2] 传感器是把非电学量(如位移、压力、流量等)转换成电学量的一种元件。如图所示为一种电容传感器,电路可将声音信号转化为电信号。电路中a、b构成一个电容器,b是固定不动的金属板,a是能在声波驱动下沿水平方向振动的镀有金属层的振动膜片。若声源S发出频率恒定的声波使a振动,则a在振动过程中(　　)
A.a、b板之间的电场强度不变
B.a、b板所带的电荷量不变
C.电路中始终有方向不变的电流
D.向右位移最大时,电容器的电容最大
D
·学习笔记·
传感器问题的分析思路
不同类型的传感器,其工作原理一般不同,但绝大多数的传感器都是把待检测的非电学量转换为电学量。因此我们可以结合电路知识,根据电学量的变化来确定相关量或相关量的变化。
[针对训练2] 某电容式话筒的原理示意图如图所示,E为电源,R为电阻,薄片P和Q为两金属极板,对着话筒说话时,P振动而Q可视为不动。在P、Q间距增大过程中,P、Q构成的电容器的电容　　　　　,P上电荷量　　　　,M点的电势比N点的　　　　。
减小
减少
高
提升·核心素养
「模型·方法·结论·拓展」
传感器的功能与人类感觉的对应关系
人们为了从外界获取信息,必须借助于感觉器官。而在研究自然现象和规律以及生产活动中就需要大量的传感器。因此可以说,传感器是人类五官的延伸,又称之为电五官。
传感器的功能可与人类五大感觉相比拟:
光敏传感器——视觉
声敏传感器——听觉
气敏传感器——嗅觉
化学传感器——味觉
温度或压力传感器——触觉
传感器具有“超人”的本领,有些传感器不仅可应用于人类不方便接触的高温、高压、辐射等恶劣环境,还可检测出诸如磁、电、离子和射线等人类感官不能感知的信息。
[示例] 机器人通过哪种传感器感知周围环境,从而避开障碍物(　　)
A.温度传感器
B.压力传感器
C.味觉传感器
D.视觉传感器
D
【解析】 机器人通过“眼睛”(摄像机),即视觉传感器感知周围环境,从而避开障碍物,故D正确。
「科学·技术·社会·环境」
汽车上的传感器
现在的汽车越来越智能化,汽车上的很多功能都由电脑来控制完成,比如说发动机系统、变速箱系统、悬架系统、制动系统、空调系统、车身控制系统等等。电脑要控制这些系统,必须要得到正确的信息来确认系统的状态,然后发出正确的指令来控制系统动作,从而执行驾驶员的意图,正确地控制汽车。这些反映系统状态的信息是由传感器来转换并传达的,即使是一辆很普通的汽车,上面的传感器也多达几十个,高档车更是高达上百个。
汽车在运行中,各系统会处于不同的工作状态,比如水温、油温、进气压力、车速、节气门位置、挡位等等,汽车的电脑是无法直接读取这些信息的,必须转换为电脑能够识别的电信号。汽车传感器就是执行这样的任务,它把汽车运行中的光、电、温度、压力、时间等信息转换成电信号,然后输入车载电脑系统,然后由电脑内部预先存储的程序进行计算分析,从而判断汽车的运行状态。
[示例] 如图甲所示,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合金材料制作的电热丝。如图乙所示,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U,便于汽车内的电脑系统实现自动控制。如果将这种电热丝放在实验室中测量,得到的U-I曲线可能是(　　)
C
检测·学习效果
1.如图所示,商店里使用的电子计价秤可将货物的质量、单价和金额清楚地显示在面板上,既方便了工作人员,又方便了顾客。电子计价秤使用的传感器是(　　)
A.红外线传感器
B.压力传感器
C.超声波传感器
D.温度传感器
B
【解析】 传感器将温度、力、光、声音等非电学量转换为电学量,此处电子计价秤使用的传感器是压力传感器,将力学量转换成电学量,故B正确,A、C、D错误。
2.人类发射的绕地球运转的航天器,所需要的电能主要通过太阳能电池板由太阳能转化而来,因此要求太阳能电池板总是对准太阳,为达到这一要求应利用下列哪种传感器来感知太阳的方位(　　)
A.温度传感器 B.力传感器
C.生物传感器 D.光传感器
D
【解析】 太阳能电池板是通过光电转换装置把太阳能直接转化为电能供航天器使用的,因此需要使用光传感器,来感知太阳方位。故选D。
3.传感器是一种采集信息的重要器件,如图所示为测定压力的电容式传感器,将电容器、灵敏电流计、电源连接。施加力的作用使电极发生形变,引起电容的变化,导致灵敏电流计指针偏转。在对可动膜片电极开始施加恒定的压力到膜片电极稳定,灵敏电流计指针的偏转情况为(电流从电流计正接线柱流入时指针向右偏)(　　)
A.向右偏到某一刻度后不动
B.向左偏到某一刻度后不动
C.向右偏到某一刻度后回到零刻度
D.向左偏到某一刻度后回到零刻度
C
4.传感器已广泛应用于生产和生活中,下列关于传感器的说法正确的是
(　　)
A.给货车称重的地磅使用了光传感器
B.夜间自动打开的路灯使用了红外线传感器
C.话筒是一种常用的声波传感器,其作用是将电信号转换为声信号
D.电熨斗能自动控制温度的原因是它装有双金属片,这种双金属片的作用是控制电路的通断
D
【解析】 给货车称重的地磅是利用了压力传感器,A错误;灯要求夜晚亮、白天熄,因白天有光,黑夜没有光,则是由光引起电路的电流变化,所以电路中由光传感器引起电流变化,实现自动控制,即使用的是光传感器,B错误;话筒是一种常用的声波传感器,其作用是将声信号转换为电信号,C错误;电熨斗通过双金属片上下层膨胀系数不同,在同一温度下的伸缩不一,从而实现温度的自动控制,从而实现控制电路的通断,D正确。
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第2节　科学制作:简单的自动控制装置
探究·必备知识
一、实验目的
1.设计并制作光报警装置。
2.设计并制作温度报警装置。
3.了解制作的报警装置的工作原理。
二、实验器材
光敏电阻、热敏电阻、温度计、干电池、手电筒、蜂鸣器、开关、导线、变阻器。
三、实验原理与设计
如图所示分别是光报警装置和温度报警装置的电路图。
四、实验步骤
根据实验原理图组装电路,要求光报警器在一定亮度下报警,温度报警器在一定温度下报警。
1.光报警器
(1)按图连好电路。
(2)用光对光敏电阻进行照射,且光照强度逐渐减弱,观察蜂鸣器的情况。
(3)改变滑动变阻器的滑片位置,重复第(2)步。
2.温度报警器
(1)按图连好电路。
(2)接通电源,调节电阻R,使蜂鸣器常温下不发声。
(3)用热水使负温度系数热敏电阻的温度升高,注意蜂鸣器是否发声。
(4)将热敏电阻从热水中取出,注意蜂鸣器是否发声。
(5)改变滑动变阻器的滑片位置,分析滑动变阻器的阻值大小和报警与否的关系。
五、数据分析
将测量的数据记入设计的表格中,并分析数据,形成结论。
六、实验结论
1.光报警器:随滑动变阻器阻值的增加,蜂鸣器报警时光照强度变大。
2.温度报警器:随滑动变阻器阻值的增加,蜂鸣器报警时温度升高。
七、注意事项
1.在做温度报警器实验时,加热水后要等一会儿再观察现象,以使电阻温度与水的温度相同,同时读出水温。
2.光报警器实验中,若效果不明显,可将电阻部分放入带盖的纸盒中,并通过盖上小孔改变照射到光敏电阻上的光照强度。
3.实验中,手电筒不能对着人的眼睛直射;要避免被热水烫伤。
突破·关键能力
类型一　实验原理分析
[例1] 某同学为定性探究光敏电阻阻值随光照强度变化的关系,设计了如图甲所示的电路。所用器材有:置于暗箱(图中虚线区域)中的光敏电阻RG、小灯泡和刻度尺;阻值为R的定值电阻;理想电压表V;电动势为E、内阻为r的电源;开关S;导线若干。
实验时,先按图甲连接好电路,然后改变暗箱中光源到光敏电阻的距离d,记录电压表的示数U,获得多组数据如下表。
d/cm 8.50 10.00 12.00 13.50 15.00 17.00
U/mV 271.0 220.0 180.0 156.7 144.9 114.0
d/cm 18.50 20.00 22.00 23.50 25.00
U/mV 94.8 89.5 78.6 72.5 65.0
回答下列问题:
(1)光敏电阻阻值RG与电压表示数U的关系式为RG=　　　　　(用E、r、R、U表示)。
(2)在图乙的坐标纸上补齐数据表中所给的第二组数据点,并作出U-d的非线性曲线。
【答案及解析】(2)描出第二组数据点,用平滑的曲线连起来,如图所示。
(3)依据实验结果可推断:光敏电阻的阻值随着光照强度的减小而
　　　　　(选填“增大”或“减小”)。
增大
(4)该同学注意到智能手机有自动调节屏幕亮度的功能,光照强度大时屏幕会自动变亮,反之变暗。他想利用光敏电阻的特性,实现“有光照射光敏电阻时,小灯泡变亮,反之变暗”的功能,设计了如图丙所示电路,则电路中
　　　　(选填“R1”或“R2”)为光敏电阻,另一个为定值电阻。
R2
【解析】(4)若R1为光敏电阻,因为光照强度变大,R1电阻减小,由“串反并同”可知灯泡变暗;若R2为光敏电阻,光照强度变大,R2电阻减小,通过灯泡的电流增大,灯泡变亮,故R2为光敏电阻。
类型二　创新实验
[例2] 酒驾严重危害公共交通安全,打击酒驾现象已成为日常。如图甲所示为交警使用的某种酒精检测仪,核心部件为酒精气体传感器,其电阻R1与酒精气体浓度x的关系如图乙所示。
(1)某同学自行设计了简易酒精检测仪,如图丙所示,用到的器材有酒精气体传感器R1、电源(电动势为9.0 V,内阻未知)、电流表(满偏电流为100 mA,内阻为9.5 Ω),闭合开关,周围无酒精气体,发现电流表刚好满偏,则电源内阻为
　　　　 Ω;用该仪器　　　　(选填“能”或“不能”)检测酒驾。
驾驶员状态 非酒驾 酒驾
酒精气体浓度标 准/(mg·mL-1) 小于0.2 大于或者
等于0.2
检测器状态 只有绿灯亮 绿灯红灯都亮
0.5
不能
(2)另一名同学查阅酒精检测仪说明书时看到题表,他根据自己的理解将酒精检测仪的内部电路简化为图丁。只有绿灯亮表示被测试者非酒驾,红绿灯一起亮表示被测试者酒驾。图丁中电源电动势为9.0 V,内阻不计,R2为定值电阻,R1为酒精气体传感器,L1、L2是彩色小灯泡,颜色一红一绿,小灯泡电压达到0.7 V才会发光,则红灯为　　　　(选填“L1”或“L2”),当红灯刚亮时通过其的电流为　　　　 A(结果保留两位有效数字)。
L1
0.28
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一、实验目的
1.设计并制作光报警装置。
2.设计并制作温度报警装置。
3.了解制作的报警装置的工作原理。
二、实验器材
光敏电阻、热敏电阻、温度计、干电池、手电筒、蜂鸣器、开关、导线、变阻器。
三、实验原理与设计
如图所示分别是光报警装置和温度报警装置的电路图。
四、实验步骤
根据实验原理图组装电路,要求光报警器在一定亮度下报警,温度报警器在一定温度下报警。
1.光报警器
(1)按图连好电路。
(2)用光对光敏电阻进行照射,且光照强度逐渐减弱,观察蜂鸣器的情况。
(3)改变滑动变阻器的滑片位置,重复第(2)步。
2.温度报警器
(1)按图连好电路。
(2)接通电源,调节电阻R,使蜂鸣器常温下不发声。
(3)用热水使负温度系数热敏电阻的温度升高,注意蜂鸣器是否发声。
(4)将热敏电阻从热水中取出,注意蜂鸣器是否发声。
(5)改变滑动变阻器的滑片位置,分析滑动变阻器的阻值大小和报警与否的关系。
五、数据分析
将测量的数据记入设计的表格中,并分析数据,形成结论。
六、实验结论
1.光报警器:随滑动变阻器阻值的增加,蜂鸣器报警时光照强度变大。
2.温度报警器:随滑动变阻器阻值的增加,蜂鸣器报警时温度升高。
七、注意事项
1.在做温度报警器实验时,加热水后要等一会儿再观察现象,以使电阻温度与水的温度相同,同时读出水温。
2.光报警器实验中,若效果不明显,可将电阻部分放入带盖的纸盒中,并通过盖上小孔改变照射到光敏电阻上的光照强度。
3.实验中,手电筒不能对着人的眼睛直射;要避免被热水烫伤。
类型一　实验原理分析
[例1] 某同学为定性探究光敏电阻阻值随光照强度变化的关系,设计了如图甲所示的电路。所用器材有:置于暗箱(图中虚线区域)中的光敏电阻RG、小灯泡和刻度尺;阻值为R的定值电阻;理想电压表V;电动势为E、内阻为r的电源;开关S;导线若干。
实验时,先按图甲连接好电路,然后改变暗箱中光源到光敏电阻的距离d,记录电压表的示数U,获得多组数据如下表。
d/cm 8.50 10.00 12.00 13.50 15.00 17.00
U/mV 271.0 220.0 180.0 156.7 144.9 114.0
d/cm 18.50 20.00 22.00 23.50 25.00
U/mV 94.8 89.5 78.6 72.5 65.0
回答下列问题:
(1)光敏电阻阻值RG与电压表示数U的关系式为RG=　　　　　(用E、r、R、U表示)。
(2)在图乙的坐标纸上补齐数据表中所给的第二组数据点,并作出U-d的非线性曲线。
(3)依据实验结果可推断:光敏电阻的阻值随着光照强度的减小而　　　　　(选填“增大”或“减小”)。
(4)该同学注意到智能手机有自动调节屏幕亮度的功能,光照强度大时屏幕会自动变亮,反之变暗。他想利用光敏电阻的特性,实现“有光照射光敏电阻时,小灯泡变亮,反之变暗”的功能,设计了如图丙所示电路,则电路中　　　　(选填“R1”或“R2”)为光敏电阻,另一个为定值电阻。
【答案】 (1)R-R-r　(2)图见解析
(3)增大　(4)R2
【解析】 (1)由闭合电路欧姆定律得E=(R+r+RG),解得RG=R-R-r。
(2)描出第二组数据点,用平滑的曲线连起来,如图所示。
(3)由题知,当d增大,光照强度减小,U减小,由RG=R-R-r,可得RG增大。
(4)若R1为光敏电阻,因为光照强度变大,R1电阻减小,由“串反并同”可知灯泡变暗;若R2为光敏电阻,光照强度变大,R2电阻减小,通过灯泡的电流增大,灯泡变亮,故R2为光敏电阻。
类型二　创新实验
[例2] 酒驾严重危害公共交通安全,打击酒驾现象已成为日常。如图甲所示为交警使用的某种酒精检测仪,核心部件为酒精气体传感器,其电阻R1与酒精气体浓度x的关系如图乙所示。
(1)某同学自行设计了简易酒精检测仪,如图丙所示,用到的器材有酒精气体传感器R1、电源(电动势为9.0 V,内阻未知)、电流表(满偏电流为100 mA,内阻为9.5 Ω),闭合开关,周围无酒精气体,发现电流表刚好满偏,则电源内阻为　　　　 Ω;用该仪器　　　　(选填“能”或“不能”)检测酒驾。
驾驶员状态 非酒驾 酒驾
酒精气体浓度标 准/(mg·mL-1) 小于0.2 大于或者 等于0.2
检测器状态 只有绿灯亮 绿灯红灯都亮
(2)另一名同学查阅酒精检测仪说明书时看到题表,他根据自己的理解将酒精检测仪的内部电路简化为图丁。只有绿灯亮表示被测试者非酒驾,红绿灯一起亮表示被测试者酒驾。图丁中电源电动势为9.0 V,内阻不计,R2为定值电阻,R1为酒精气体传感器,L1、L2是彩色小灯泡,颜色一红一绿,小灯泡电压达到0.7 V才会发光,则红灯为　　　　(选填“L1”或“L2”),当红灯刚亮时通过其的电流为　　　　 A(结果保留两位有效数字)。
【答案】 (1)0.5　不能　(2)L1　0.28
【解析】 (1)当酒精浓度为零时,R1为80 Ω,电流表刚好满偏,则根据闭合电路欧姆定律,电源内阻为r=-R1-RA=0.5 Ω,当酒精浓度增大时,总电阻减小,电流超过满偏值,说明该仪器不能检测酒驾。
(2)当酒精浓度增大时,R1减小,根据“串反并同”,灯泡L1电压增大,达到0.7 V会发光,说明L1是红灯;当红灯刚亮时,小灯泡电压达到 0.7 V,R1两端电压为 8.3 V,由表格数据和题图乙可知此时R1阻值为30 Ω,则红灯电流为I= A≈0.28 A。
课时作业
1.夜间,居民楼的楼道里只是偶尔有人经过,“长明灯”会造成浪费。科研人员利用“光敏” 材料制成“光控开关”——天黑时自动闭合,天亮时自动断开;利用“声敏”材料制成“声控开关”——当有人走动发出声音时自动闭合,无人走动时自动断开。若将这两种开关配合使用,就可以使楼道里的灯变得“聪明”。这种“聪明”的电路是图中的(　　)
A B
C D
【答案】 D
【解析】 在白天时,一般不需要灯照明;天黑以后,特别是夜深人静时,一般也不需要灯照明,也就是说天黑且人在楼道里走动时需要灯照明。“光控开关”与“声控开关”同时闭合时,灯才亮,所以D正确。
2.(双选)某一热敏电阻的阻值随温度的变化关系如图甲所示,利用此热敏电阻制作温控报警器,其电路的一部分如图乙所示,E为直流电源(电动势为9 V,内阻可忽略),当输出电压达到或超过6.0 V时,便触发报警器(图中未画出)报警。若要求开始报警时环境温度为50 ℃,则下列说法正确的是(　　)
A.R1应使用热敏电阻
B.R2应使用热敏电阻
C.R1为定值电阻,阻值为0.4 kΩ
D.R2为定值电阻,阻值为1.6 kΩ
【答案】 AD
【解析】 温度升高时,该热敏电阻阻值减小,分得电压减小。而温度高时要求输出电压升高,以触发报警,所以R1为热敏电阻,R2为定值电阻,由R-t图线可知,温度为 50 ℃ 时,R1=0.8 kΩ,由欧姆定律可得E=I(R1+R2),U=IR2,代入数据解得R2=1.6 kΩ,故A、D正确,B、C 错误。
3.(双选)如图所示,电源电动势为E,内阻为r,R1是定值电阻,R2是光敏电阻且其阻值随着光强的增强而减小,电表均为理想电表。闭合开关S,光强变化时,电源输出功率P出以及电压表示数U随电流表示数I变化的关系图像可能正确的是(　　)
A B
C D
【答案】 BD
【解析】 若光照减弱,光敏电阻的阻值增大,由闭合电路欧姆定律可知电路中的电流减小,电源输出功率P出=I2R外=I2(-r)=-rI2+EI,可知P出-I图像是开口向下的抛物线,故A错误,B正确;由 E=U+I(R1+r)得U=-(R1+r)I+E,可知 U-I图像是倾斜向下的直线,故C错误,D正确。
4.根据光敏电阻特性设计的自动计数器的电路图如图所示,其中R1为光敏电阻,R2为定值电阻,电源电动势和内阻恒定,信号处理系统会实时监测R2两端的电压,每获得一次低电压就记数一次,下列说法正确的是(　　)
A.有光照射时R1的阻值比无光照射时大
B.有光照射时R1两端的电压比无光照射时大
C.有光照射时电源两端的电压比无光照射时小
D.有光照射时R2消耗的电功率比无光照射时小
【答案】 C
【解析】 由题图可知,每当光照被挡住时,信号处理系统获得一次低电压就记数一次,即电路中电流较小,则此时光敏电阻R1阻值较大,故有光照射时R1的阻值比无光照射时小,有光照射时R1两端的电压U=E-I(R2+r),比无光照射时小,故A、B错误;有光照射时,光敏电阻R1的阻值比无光照射时小,则外电阻总阻值比无光照射时小,电源两端的电压比无光照射时小,故C正确;有光照射时,光敏电阻R1的阻值比无光照射时小,则电路总电阻比无光照射时小,电路总电流比无光照射时大,定值电阻R2消耗的电功率比无光照射时大,故D错误。
5.如图所示为温度自动报警器的工作原理图,图中1是电磁铁,2是衔铁,5是水银温度计(水银可导电)。常温下3触点处于断开状态,4触点处于闭合状态,则下列说法正确的是(　　)
A.当温度低于警戒温度时电磁铁磁性增强,3触点闭合,4触点断开
B.此装置为低温报警装置,温度低于警戒温度时,电铃报警
C.此装置为高温报警装置,温度高于警戒温度时,指示灯亮
D.要提高报警时的警戒温度应使导线AB短些
【答案】 D
【解析】 此装置为高温报警装置,温度高于警戒温度时,水银液柱上升,电磁铁通电产生磁性,3触点闭合,4触点断开,电铃报警,指示灯熄灭,温度低于警戒温度时,电磁铁未通电,无磁性,3触点断开,4触点闭合,指示灯亮,电铃不响,故A、B、C错误;要提高报警时的警戒温度,应使导线AB短些,这样当温度升得更高时,控制电路才能接通,电磁铁才有磁性,电铃报警,故D正确。
6.如图所示是监控汽车安全带使用情况的一种简化报警电路。汽车启动时,开关S1闭合;驾驶员系好安全带时,开关S2将断开。L是报警指示灯,P是蜂鸣报警器,RN为安装在座垫下方的压敏元件(电阻值与所受压力大小成反比),M是一种触发开关(当A、B两端电压升高时,C、D两个端口间将像普通开关一样直接接通,从而连通L、P所在支路),则(　　)
A.当驾驶员坐在座位上启动汽车但未系安全带时,RN电阻变大,A、B两端电压升高,指示灯点亮,蜂鸣器报警
B.当驾驶员坐在座位上启动汽车未系安全带时,RN电阻变大,C、D两端口间接通
C.当驾驶员坐在座位上启动汽车并系上安全带时,A、B两端电压降低,指示灯熄灭
D.当驾驶员坐在座位上启动汽车并系上安全带时,C、D两端口间接通,指示灯熄灭
【答案】 D
【解析】 当驾驶员坐在座位上启动汽车但未系安全带时,开关S2闭合;驾驶员对座位的压力增大,则RN电阻变小,根据欧姆定律可得通过R的电流增大,则A、B两端电压升高,C、D两个端口直接接通,连通L、P所在支路,指示灯点亮,蜂鸣器报警,故A、B错误。当驾驶员坐在座位上启动汽车并系上安全带时,开关S2断开;驾驶员对座位的压力增大,则RN电阻变小,根据欧姆定律可得通过R的电流增大,则A、B两端电压升高,C、D两个端口直接接通,但由于S2断开,指示灯熄灭,蜂鸣器不会报警,故C错误,D正确。
7.某同学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。如图所示,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】 由题图可知,若热敏电阻出现故障或温度设定装置出现故障都会向控制器传递错误信息,导致控制器发出错误指令,故C正确,A、B错误;若加热器出现故障,只有一种可能,即不能加热,而题中加热器一直加热才会使温度持续升高,故D错误。
8.图甲为一种家用门磁防盗报警器,由磁条和主机组成。图乙为其简化示意图,安装时,将磁条固定在门框上,主机安装在与其等高的门板边缘,门关上时,二者刚好靠在一起。当主机开关闭合时,若门被打开,磁条与主机分离,主机内的触发器就会工作,带动报警器发出报警声。下列有关说法正确的是(　　)
A.触发器内是一个开关,当主机与磁条靠近时,开关是断开的
B.触发器可以由铜制成
C.磁条的两极对调后,该报警器不能正常工作
D.本装置是利用电流的磁效应工作的
【答案】 A
【解析】 门关上时,磁条与主机刚好靠在一起,此时报警器不报警,说明电路是断开的,若门被打开,磁条与主机分离,主机内的触发器就会工作,带动报警器发出报警声,说明此时触发器内开关是闭合的,选项A正确;触发器与磁条之间存在磁力的作用,所以触发器不可能是铜制成的,因为铜没有磁性,选项B错误;无论磁条哪个磁极靠近触发器,都存在磁力作用,所以两极对调后,该报警器仍能正常工作,选项C错误;本装置是利用磁体能够吸引磁性物体的特点工作的,选项D错误。
9.某同学利用热敏电阻设计了一个“过热自动报警电路”,如图甲所示。将热敏电阻RT安装在需要探测温度的地方,当环境温度正常时,继电器的上触点接触,下触点分离,指示灯亮;当环境温度超过某一值时,继电器的下触点接触,上触点分离,警铃响。图甲中继电器的供电电压U1=3 V,继电器线圈用漆包线绕成,其电阻R0为30 Ω。当线圈中的电流大于或等于50 mA时,继电器的衔铁将被吸合,警铃响。图乙是热敏电阻的阻值随温度变化的图像。
(1)由图乙可知,当环境温度为40 ℃时,热敏电阻阻值为　　　　Ω。当环境温度升高时,热敏电阻阻值将　　　　,继电器的磁性将　　　　。(后两空均选填“增大”“减小”或“不变”)
(2)图甲中警铃的接线柱C应与接线柱　　　　相连,指示灯的接线柱D应与接线柱　　　　相连。(均选填“A”或“B”)。
(3)环境温度达到　　　　℃时,警铃报警,若要使报警电路在更高的温度下报警,下列方案可行的是　　　　。
A.适当减小U1 B.适当增大U1
C.适当减小U2 D.适当增大U2
【答案】 (1)70　减小　增大　(2)B　A　
(3)80　A
【解析】 (1)根据题图乙,当环境温度为40 ℃时,热敏电阻阻值为70 Ω。温度升高时,热敏电阻阻值减小。根据欧姆定律,热敏电阻阻值减小,电路中电流就会增大,继电器的磁性就会增大。
(2)因当环境温度超过某一值时,继电器的下触点接触,上触点分离,警铃响,所以,警铃的接线柱C应与接线柱B相连,指示灯的接线柱D应与接线柱A相连。
(3)当线圈中的电流I=50 mA=0.05 A时,继电器的衔铁将被吸合,警铃报警。由闭合电路欧姆定律可知,U1=I(RT+R0),当I=0.05 A时,解得RT=30 Ω。由题图乙可知,此时t=80 ℃,所以,当温度达到 80 ℃ 时,警铃报警。若要使报警电路在更高的温度下报警,则可以适当减小U1达到目的,故A正确。
10.城市街道的路灯用光敏电阻作为传感器控制路灯电路的开关,实现自动控制。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(如夜晚)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,在夜晚打开。电磁开关的内部结构如图所示。1、2两接线柱之间是励磁线圈,3、4两接线柱分别与弹簧片和触点连接。当励磁线圈中电流大于50 mA时,电磁铁吸合铁片,弹簧片和触点分离,3、4断开;电流小于 50 mA 时,3、4接通。励磁线圈中允许通过的最大电流为100 mA。
(1)利用以下器材设计一个自动控制路灯的电路,在虚线框中画出电路原理图。
光敏电阻R1,符号为;
灯泡L,额定功率40 W,额定电压36 V,符号为;
保护电阻R2,符号为;
电磁开关,符号为;
蓄电池E,电压36 V,内阻很小;开关S,导线若干。
(2)回答下列问题:
①如果励磁线圈的电阻为200 Ω,励磁线圈允许加的最大电压为　　　　 V,保护电阻R2的阻值范围是　　　　 Ω;
②在有些应用电磁开关的场合,为了安全,往往需要在电磁铁吸合铁片时,接线柱3、4之间从断开变为接通。为此,电磁开关内部结构应如何改造 请结合本题中电磁开关内部结构图说明　。
【答案】 (1)图见解析　
(2)①20　160～520　②见解析
【解析】 (1)要使光敏电阻能够对电路进行控制,且有光照时灯泡熄灭,则光敏电阻应与1、2串联,灯泡与3、4串联,电路图如图所示。
(2)①由题意知,最大电流为100 mA,励磁线圈电阻为200 Ω,则有Umax=ImaxR=100×10-3×200 V=20 V,允许通过励磁线圈的电流最大值为100 mA,允许通过的电流最小值为50 mA,则有R2min=-R=160 Ω,R2max=-R=520 Ω,则阻值范围应为160～520 Ω。
②把触点从弹簧片右侧移到弹簧片左侧,保证当电磁铁吸合铁片时,3、4之间接通;不吸合时,3、4之间断开。第3节　大显身手的传感器
[定位·学习目标]　1.了解传感器的种类及一般应用模式,感受传感器的应用技术在信息时代的作用与意义。2.能够结合已学的知识,分析传感器在实际中的应用实例。
知识梳理
知识点一　自动感应门
1.控制自动门开关的是一种红外线传感器。
2.自动门工作原理
人体发出的红外线,经红外感应器入射窗的滤光片后,聚焦到感应器的热电元件上。热电元件感知温度上升后,会因为热电效应释放电荷,使电路中的电阻、电流、电压等电学量发生变化。在人进入大厅的过程中,自动感应门系统主要经历三个环节:首先,检测门前是否有人;其次,判断检测结果,发出相关指令;最后,执行指令(开、关门)。
知识点二　洗衣机水位控制
全自动洗衣机的水位控制装置中使用压力传感器,当筒中水位到达设定的高度时,凸起的膜片使动触点与控制电路的静触点接触,从而接通控制电路,关闭进水电磁阀门,同时接通洗涤电动机电源。
知识点三　指纹识别器
指纹识别器是通过电容传感器来识别指纹的。手指皮肤与电容传感器绝缘表面组成了电容阵列,由于指纹的脊和谷相对绝缘表面之间的距离不同导致不同位置的电容器的电容值不同。
知识点四　机器人
1.机器人传感器的分类
机器人传感器系统分为外部传感器和内部传感器。
2.机器人传感器用途
(1)外部传感器用于感知外部工作环境和外界事物对机器人的刺激,使机器人拥有类似人的视觉、听觉、触觉、嗅觉、味觉等感觉,从而使机器人具有拟人化的特点。
(2)内部传感器(如角度传感器、关节传感器等)用于检测机器人自身的状态。
新知检测
1.思考判断
(1)自动门安装的红外线传感器是通过获取人体的影像而自动开、关门的。(　×　)
(2)非接触式体温仪将人体辐射的红外能量转换为温度值通过数字屏显示出来。(　√　)
(3)洗衣机的自动控制装置利用了压力传感器。(　√　)
(4)自动门利用了红外线传感器。(　√　)
(5)指纹识别器利用了压力传感器。(　×　)
2.思维探究
(1)生活中需要进行温度控制的家用电器有很多,试举例说明。
(2)压力传感器在洗衣机中实现了怎样的信号转换 其作用是什么
【答案】 (1)电饭煲、电冰箱、电冰柜、微波炉、空调、热水器、消毒柜等。
(2)传感器的膜盒中的膜片受力大小不同,膜片凸起情况不同,当水位到达设定高度,即压力达到一定程度时凸起的膜片使动触点与控制电路的静触点接触,从而接通控制电路。压力传感器将压力这个力学量转换成电路的通断,相当于电路中的开关。
要点一　压力传感器的应用
情境探究
如图,观察自动洗衣机水位控制原理。
1是洗衣机的外筒,2是洗衣机的内筒,3是气室,4是传感器的膜盒。
(1)自动洗衣机水位控制系统感受的是哪种非电学量
(2)自动洗衣机还有哪些传感器
【答案】 (1)压力的大小。
(2)温度传感器、湿度传感器等。
要点归纳
　处理含压力传感器电路的思路
首先,审清题意,明确题干中力、电的转换方式;其次,理清电路结构,灵活利用闭合电路欧姆定律列式;最后,充分利用数学知识分析物理问题。
[例1] (双选)压敏电阻的阻值会随所受压力的增大而减小。某位同学利用压敏电阻设计了一个判断电梯运动状态的装置,其装置示意图如图所示。将压敏电阻平放在电梯内,受压面朝上,在上面放一物体m,电梯静止时电流表示数为I0。电梯在不同的运动过程中,电流表的示数分别如图甲、乙、丙、丁所示,则下列判断正确的是(　　)
A.图甲表示电梯可能做匀速直线运动
B.图乙表示电梯可能做匀加速上升运动
C.图丙表示电梯可能做匀加速下降运动
D.图丁表示电梯可能做变减速下降运动
【答案】 AD
【解析】 题图甲中,电流恒为I0,压力等于重力,故电梯处于平衡状态,可能做匀速直线运动,选项A正确;题图乙中,电流从I0逐渐变大到2I0,电阻逐渐变小,则压力逐渐变大,且大于重力,所以加速度向上逐渐变大,电梯可能变加速上升,也可能变减速下降,选项B错误;题图丙中,电流保持2I0不变,电阻比原来小且保持不变,则压力不变且大于重力,所以加速度向上且保持不变,电梯可能匀加速上升,也可能匀减速下降,选项C错误;题图丁中,电流从2I0逐渐减小,则电阻逐渐变大,压力逐渐减小,则向上的加速度逐渐减小,则电梯可能变减速下降或变加速上升,选项D正确。
[针对训练1] 图甲虚线框内所示是电子秤测量部分的原理图,压力传感器的电阻R随压力F的变化如图乙所示。开关闭合后,压力传感器两端的电压恒为6.0 V。电流表的量程为0～0.6 A。电流表的内阻、踏板和压杆的质量可以忽略不计。则电子秤(　　)
A.最大称量值为1 500 N
B.压力传感器的电阻最小为0
C.空载时,电流表的读数为20 mA
D.称重为900 N时,电阻R为110 Ω
【答案】 C
【解析】 由题图乙得到R=300-0.2F(Ω),当电阻R=0时,压力Fmax=1 500 N,但回路中的电阻不可能为0,则压力最大值不可能为1 500 N,故A错误;压力传感器的电阻为0时,电源短路,则压力传感器的电阻最小不可能为0,故B错误;空载时,F=0,此时R=300 Ω,I== A=20 mA,故C正确;当F=900 N,由R=300-0.2F(Ω),可得R=120 Ω,故D错误。
要点二　电容传感器的应用
情境探究
　如图,观察电容式话筒。
(1)电容式话筒感受的是哪种非电学量
(2)声波是怎样通过电容式话筒发出信号的
【答案】 (1)电容式话筒感受的是声音信号的强弱。
(2)声波使振动膜片发生振动,进而改变了振动膜片和固定电极的间距,从而改变电容器电容的大小使电路中产生充、放电电流,其电流变化与声波变化相对应,从而在电阻两端产生随声波变化的电压信号并输出。
要点归纳
1.电容传感器的工作原理
电容传感器感受的通常是非电学量,如压力、温度、位移、浓度、速度、酸碱度等,而它输出的通常是电学量,如电压、电流、电荷量等,这些输出信号是非常微弱的,通常要经过放大后通过显示器显示或输送给控制系统产生各种控制动作。
2.电容传感器的工作流程
[例2] 传感器是把非电学量(如位移、压力、流量等)转换成电学量的一种元件。如图所示为一种电容传感器,电路可将声音信号转化为电信号。电路中a、b构成一个电容器,b是固定不动的金属板,a是能在声波驱动下沿水平方向振动的镀有金属层的振动膜片。若声源S发出频率恒定的声波使a振动,则a在振动过程中(　　)
A.a、b板之间的电场强度不变
B.a、b板所带的电荷量不变
C.电路中始终有方向不变的电流
D.向右位移最大时,电容器的电容最大
【答案】 D
【解析】 a、b始终跟电源相连,电势差U不变,由于a、b间距离变化,由E=知电场强度变化,A错误;由C=知d变化时C变化,a向右位移最大时,电容最大,D正确;由Q=CU知,a、b所带电荷量变化,则充、放电交替产生,电路中电流方向改变,B、C错误。
传感器问题的分析思路
不同类型的传感器,其工作原理一般不同,但绝大多数的传感器都是把待检测的非电学量转换为电学量。因此我们可以结合电路知识,根据电学量的变化来确定相关量或相关量的变化。
[针对训练2] 某电容式话筒的原理示意图如图所示,E为电源,R为电阻,薄片P和Q为两金属极板,对着话筒说话时,P振动而Q可视为不动。在P、Q间距增大过程中,P、Q构成的电容器的电容　　　　　,P上电荷量　　　　,M点的电势比N点的　　　　。
【答案】 减小　减少　高
【解析】 由平行板电容器的电容C=可知,当P、Q之间的距离d增大时,电容器的电容C减小,而电容器两极板之间的电势差不变,根据Q=CU可知,电容器两极板上的电荷量减少,此时电容器对外放电,故M点的电势高于N点的电势。
模型·方法·结论·拓展
传感器的功能与人类感觉的对应关系
人们为了从外界获取信息,必须借助于感觉器官。而在研究自然现象和规律以及生产活动中就需要大量的传感器。因此可以说,传感器是人类五官的延伸,又称之为电五官。传感器的功能可与人类五大感觉相比拟:
光敏传感器——视觉
声敏传感器——听觉
气敏传感器——嗅觉
化学传感器——味觉
温度或压力传感器——触觉
传感器具有“超人”的本领,有些传感器不仅可应用于人类不方便接触的高温、高压、辐射等恶劣环境,还可检测出诸如磁、电、离子和射线等人类感官不能感知的信息。
[示例] 机器人通过哪种传感器感知周围环境,从而避开障碍物(　　)
A.温度传感器 B.压力传感器
C.味觉传感器 D.视觉传感器
【答案】 D
【解析】 机器人通过“眼睛”(摄像机),即视觉传感器感知周围环境,从而避开障碍物,故D正确。
科学·技术·社会·环境
汽车上的传感器
　　现在的汽车越来越智能化,汽车上的很多功能都由电脑来控制完成,比如说发动机系统、变速箱系统、悬架系统、制动系统、空调系统、车身控制系统等等。电脑要控制这些系统,必须要得到正确的信息来确认系统的状态,然后发出正确的指令来控制系统动作,从而执行驾驶员的意图,正确地控制汽车。这些反映系统状态的信息是由传感器来转换并传达的,即使是一辆很普通的汽车,上面的传感器也多达几十个,高档车更是高达上百个。
汽车在运行中,各系统会处于不同的工作状态,比如水温、油温、进气压力、车速、节气门位置、挡位等等,汽车的电脑是无法直接读取这些信息的,必须转换为电脑能够识别的电信号。汽车传感器就是执行这样的任务,它把汽车运行中的光、电、温度、压力、时间等信息转换成电信号,然后输入车载电脑系统,然后由电脑内部预先存储的程序进行计算分析,从而判断汽车的运行状态。
[示例] 如图甲所示,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合金材料制作的电热丝。如图乙所示,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U,便于汽车内的电脑系统实现自动控制。如果将这种电热丝放在实验室中测量,得到的U-I曲线可能是(　　)
A　 B 　C 　D
【答案】 C
【解析】 由闭合电路欧姆定律得U0=×R,可知Rt越小,U0越大,则电流越大,即将该电热丝放在实验室中加一电压,电压变大时电流变大且阻值变小,由欧姆定律可知,其U-I图像斜率变大,选项C可能正确。
1.如图所示,商店里使用的电子计价秤可将货物的质量、单价和金额清楚地显示在面板上,既方便了工作人员,又方便了顾客。电子计价秤使用的传感器是(　　)
A.红外线传感器 B.压力传感器
C.超声波传感器 D.温度传感器
【答案】 B
【解析】 传感器将温度、力、光、声音等非电学量转换为电学量,此处电子计价秤使用的传感器是压力传感器,将力学量转换成电学量,故B正确,A、C、D错误。
2.人类发射的绕地球运转的航天器,所需要的电能主要通过太阳能电池板由太阳能转化而来,因此要求太阳能电池板总是对准太阳,为达到这一要求应利用下列哪种传感器来感知太阳的方位(　　)
A.温度传感器 B.力传感器
C.生物传感器 D.光传感器
【答案】 D
【解析】 太阳能电池板是通过光电转换装置把太阳能直接转化为电能供航天器使用的,因此需要使用光传感器,来感知太阳方位。故选D。
3.传感器是一种采集信息的重要器件,如图所示为测定压力的电容式传感器,将电容器、灵敏电流计、电源连接。施加力的作用使电极发生形变,引起电容的变化,导致灵敏电流计指针偏转。在对可动膜片电极开始施加恒定的压力到膜片电极稳定,灵敏电流计指针的偏转情况为(电流从电流计正接线柱流入时指针向右偏)(　　)
A.向右偏到某一刻度后不动
B.向左偏到某一刻度后不动
C.向右偏到某一刻度后回到零刻度
D.向左偏到某一刻度后回到零刻度
【答案】 C
【解析】 当F向上压膜片电极时,板间距离减小,由电容的决定式C=可知,电容器的电容将增大,又根据电容的定义式C=,电容器两极板的电压U不变,故Q将增大,即电容器充电,所以电流将从电流计正接线柱流入,电流计指针向右偏。当充电完毕后,电路中没有电流,电流计的指针回到零刻度。故C正确。
4.传感器已广泛应用于生产和生活中,下列关于传感器的说法正确的是(　　)
A.给货车称重的地磅使用了光传感器
B.夜间自动打开的路灯使用了红外线传感器
C.话筒是一种常用的声波传感器,其作用是将电信号转换为声信号
D.电熨斗能自动控制温度的原因是它装有双金属片,这种双金属片的作用是控制电路的通断
【答案】 D
【解析】 给货车称重的地磅是利用了压力传感器,A错误;灯要求夜晚亮、白天熄,因白天有光,黑夜没有光,则是由光引起电路的电流变化,所以电路中由光传感器引起电流变化,实现自动控制,即使用的是光传感器,B错误;话筒是一种常用的声波传感器,其作用是将声信号转换为电信号,C错误;电熨斗通过双金属片上下层膨胀系数不同,在同一温度下的伸缩不一,从而实现温度的自动控制,从而实现控制电路的通断,D正确。
课时作业
1.某同学拟设计一个汽车超载自动报警装置,以更好地保障道路交通安全。该同学可能选择的传感器是(　　)
A.湿度传感器 B.压力传感器
C.声音传感器 D.气体传感器
【答案】 B
【解析】 汽车超载自动报警装置类似于电子秤的工作原理,当传感器受到压力的作用时,会显示相应的压力值大小,当示数超过规定的压力值时,会触发报警装置报警,所以应用的是压力传感器,故选B。
2.当你走近某些写字楼、机场、宾馆等大厅的入口时,大门会自动打开,进入大厅后,门又会自动关闭,关于这种自动门的说法正确的是(　　)
A.控制这种自动门开关的是一种红外线传感器
B.控制这种自动门开关的是一种普通光电传感器,能使自动门“见光开”
C.大人走近门会自动打开,小孩走近门,门不会自动打开
D.男孩走近门会自动打开,女孩走近门,门可能不会开
【答案】 A
【解析】 控制自动门开关的传感器是红外线传感器,A正确,B错误;尽管不同的人(包括大人、小孩、男孩、女孩)、不同的体温发出的红外线波长不同,但在设置这个传感器范围时已经充分考虑到个体的差异及人体体温的变化范围,大人、小孩、男孩、女孩靠近,门都会自动打开,C、D错误。
3.(双选)下列情况可能是由于水位控制装置损坏引起的是(　　)
A.洗衣机不加水
B.洗衣机加水不能自动停止
C.洗衣机不排水
D.洗衣机洗衣不能自动停止
【答案】 AB
【解析】 洗衣机水位控制装置正常,才能正常加水,且加到合适的水位便自动停止,若损坏可能导致不加水或一直不停地加水,所以A、B可能。
4.有这样一只音乐茶杯,茶杯平放桌上时,无声无息,提起茶杯,茶杯边播放悦耳的音乐,边闪烁着五彩的光芒,当用书挡住底部时(不与底部接触),音乐停止,音乐茶杯中所用的元件属于哪类传感器(　　)
A.超声波传感器 B.温度传感器
C.压力传感器 D.光电传感器
【答案】 D
【解析】 茶杯平放在桌上时和提起后用书挡住底部(不与底部接触)时底部都没有光照,说明音乐茶杯中所用的传感器与光照有关,而与声音、温度、压力无关,所以音乐茶杯中所用的元件属于光电传感器,故A、B、C错误,D正确。
5.现代生活离不开智能手机,手机中有很多特殊功能需要传感器来实现。例如,当人将手机靠近耳朵附近接听电话时,手机会自动关闭屏幕从而达到省电的目的,实现这一功能可能用到的传感器为(　　)
A.光传感器和位移传感器
B.磁传感器和温度传感器
C.磁传感器和声传感器
D.压力传感器和加速度传感器
【答案】 A
【解析】 当人将手机靠近耳朵附近接听电话时,改变了位移,并且耳朵可能挡住了光线,所以可能用到的传感器为光传感器和位移传感器,A正确;当人将手机靠近耳朵附近接听电话时,没有磁场的变化,也没有产生特别的压力,B、C、D错误。
6.(双选)传感器的使用使我们的生活更加方便、安全和舒适,下列应用了力传感器的是(　　)
A.无人管理自动灌溉系统
B.商场使用的电子秤
C.酒店大厅的自动门
D.给货车称重的地磅
【答案】 BD
【解析】 无人管理自动灌溉系统应用了湿度传感器,故A错误;商场使用的电子秤应用了力传感器,故B正确;酒店大厅的自动门应用了红外线传感器,故C错误;给货车称重的地磅应用了力传感器,故D正确。
7.(双选)如图所示是一种常见的身高体重测量仪。测量仪顶部向下发射波速为v的超声波,超声波遇障碍物经反射后返回,被测量仪接收,测量仪记录发射和接收相隔的时间。测量仪底部有一质量为M0的测重面板置于压力传感器上,传感器输出电压与作用在其上的压力成正比。当测重台没有站人时,测量仪记录的时间为t0,此时输出电压为U0=kM0g(g是重力加速度,k是比例常数)。当某同学站上测重台时,测量仪记录的时间为t,输出电压为U,则(　　)
A.该同学的身高为v(t0-t)
B.该同学的身高为 v(t0-t)
C.该同学的质量为
D.该同学的质量为 (U-U0)
【答案】 BD
【解析】 由题意,当测重台没有站人时,有2s=vt0,站人时,有 2(s-h)=vt,解得该同学的身高h=v(t0-t),故A错误,B正确;无人站立时U0=kM0g,有人时U=k(M0g+mg),解得m=(U-U0),故C错误,D正确。
8.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。
9.利用如图所示的实验装置可以测量磁感应强度,其中2为力传感器,3为数字电压表,5为底部长为L的线框。数字电压表上的读数U与传感器所受的力F成正比,即U=kF,式中k为比例系数。用绝缘悬丝把线框固定在力传感器的挂钩上,并用软细铜丝连接线框与电源,当线框中电流为零时,输出电压为U0;当线框中电流为I时,输出电压为U。则线框受到的安培力为　　　　,磁感应强度的大小为　　　　　　,线框的质量为　　　　　　。
【答案】 　　
【解析】 由于数字电压表上的读数U与传感器所受的力成正比,即U=kF,式中k为比例系数,当通上电流后,设安培力为F安,有|U-U0|=kF安,即F安=,由安培力公式,代入上式可得kBIL=|U-U0|,解得B=。当线框中电流为0时,传感器所受力的大小等于线框重力,即U0=kF=kmg,解得m=。
10.传感器在自动控制中有着相当广泛的应用。有一种测量人的体重的电子秤,其测量部分的原理图如图中的虚线框内所示,它主要由压力传感器R(电阻值会随所受压力大小发生变化的可变电阻)、显示体重大小的仪表A(实质是理想的电流表)组成。压力传感器表面能承受的最大压强为1×107 Pa,且已知压力传感器R的电阻与所受压力的关系如下表所示。设踏板和压杆的质量可以忽略不计,接通电源后,压力传感器两端的电压恒为4.8 V,g取10 m/s2。请回答:
压力F/N 0 250 500 750 1 000 1 250 1 500 …
电阻R/Ω 300 270 240 210 180 150 120 …
(1)该秤零起点(即踏板空载时)的刻度线应标在电流表刻度盘　　　　A处。
(2)如果某人站在该秤踏板上,电流表刻度盘的示数为20 mA,则这个人的体重是　　　　 kg。
【答案】 (1)1.6×10-2　(2)50
【解析】 (1)由题知,踏板空载时,压力传感器电阻R=300 Ω,由欧姆定律可得此时电流I== A=1.6×10-2 A。
(2)当电流I=20 mA=20×10-3 A时,压力传感器的电阻R== Ω=240 Ω,对应表格可知,人对压力传感器的压力为500 N,则这个人的体重为50 kg。
11.如图所示为大型电子地磅电路图,电源电动势为E,内阻不计,不称物体时,滑片P在A端,滑动变阻器R接入电路中的有效电阻最大,电流较小;称重物时,在压力作用下滑片P下移,滑动变阻器接入电路中的有效电阻变小,电流变大。把电流对应的货物重力值刻在刻度盘上,这样就可以读出被称物体的质量。若滑动变阻器上A、B间长度为l,最大阻值为R0,定值电阻阻值为R0,已知两弹簧的总弹力与形变量成正比,比例系数为k,试推导所称重物重力G与电路中电流I的函数关系。
【答案】 G=2kl-
【解析】 设所称重物重力为G时弹簧的压缩量为x,由题意得 G=kx,此时,滑片P距B端距离为l-x,
滑动变阻器的有效电阻为R0-R0,
由闭合电路欧姆定律得I=,
联立解得G=2kl-。
模块检测试题
一、单项选择题: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,只有一项是符合题目要求的。
1.在匀强磁场中,一矩形金属线框绕与磁感线垂直的转轴匀速转动,如图甲所示。产生的交变电动势随时间变化的规律如图乙所示。则下列说法正确的是(　　)
A.t=0.01 s时矩形金属线框平面与磁感线平行
B.该交变电流的电动势的有效值为22 V
C.该交变电流的电动势的瞬时值表达式为e=22cos 100πt V
D.电动势瞬时值为22 V时,矩形金属线框平面与中性面的夹角为45°
【答案】 D
【解析】 当t=0.01 s时感应电动势等于零,穿过线框回路的磁通量最大,线框平面与中性面重合,矩形金属线框平面与磁感线垂直,故A错误;由题图乙可知,交流电的电动势的最大值为Em=22 V,该交流电的电动势的有效值为E== V=22 V,故B错误;由题图乙可知,周期为T=0.02 s,角速度为ω== rad/s=100π rad/s,则该交流电的电动势的瞬时表达式为e=22sin 100πt V,故C错误;电动势瞬时值为22 V时,则有22=22sin θ,解得θ=45°,所以矩形金属线框平面与中性面的夹角为45°,故D正确。
2.如图所示,紫铜做的圆盘水平放置在竖直向下的匀强磁场中,圆盘圆心处固定有一个摇柄,边缘和圆心处各与一个黄铜电刷紧贴,用导线将电刷与电流表连接起来形成回路。已知圆盘直径为L,转动摇柄,使圆盘以角速度ω沿逆时针方向匀速转动,下列说法正确的是(　　)
A.回路中不会产生感应电流
B.回路中会产生大小不变、方向变化的感应电流
C.回路中电流的大小和方向都做周期性变化,周期为
D.回路中电流方向不变,从b导线流进电流表
【答案】 D
【解析】 铜盘转动产生的感应电动势E=,B、L、ω不变,E不变,感应电流I==,大小不变,由右手定则可知,回路中电流方向不变,从b导线流进电流表,故A、B、C错误,D正确。
3.如图所示的电路中,三个灯泡L1、L2、L3的电阻关系为R1A.L1逐渐变暗,L2、L3均先变亮,然后逐渐变暗
B.L1逐渐变暗,L2立即熄灭,L3先变亮,然后逐渐变暗
C.L2立即熄灭,L1、L3均逐渐变暗
D.L1、L2、L3均先变亮,然后逐渐变暗
【答案】 B
【解析】 开关S从闭合状态突然断开时,L中产生方向向右的自感电动势,L1逐渐变暗,理想二极管单向导电,L2立即熄灭,因R14.如图所示,虚线的上方存在垂直于纸面向外的匀强磁场。将一粗细均匀的电阻丝折成的正五边形导体框abcde置于磁场中(ab边水平),用导线将恒压电源U连接在导体框的a、b两点。下列说法正确的是(　　)
A.ab边所受的安培力方向竖直向上
B.bcdea部分与ab边所受的安培力大小之比为 1∶4
C.ab边与bc边所受的安培力大小相等
D.导体框所受的安培力为0
【答案】 B
【解析】 由电路可知,流过ab边的电流方向为由b向a,由左手定则可知ab边所受的安培力方向竖直向下,A错误;设导体框的边长为l,单位长度的电阻为R0,由欧姆定律可得ab边的电流为I1=,流过bcdea边的电流为I2=,又bcdea边与ab边在磁场中的有效长度相等,由公式F=IlB可得,bcdea部分与ab边所受的安培力大小之比为F2∶F1=I2∶I1=1∶4,同理ab边与bc边所受的安培力大小之比为4∶1,B正确,C错误;整个导体框所受的安培力大小为F=(I1+I2)lB=,由左手定则可知安培力的方向竖直向下,D错误。
二、双项选择题:本题共4小题,每小题6分,共 24分。每小题有两项符合题目要求,全部选对的得6分,选对但不全的得3分,有选错的得0分。
5.如图所示,T为理想变压器,原、副线圈匝数比为 5∶1。A1、A2为理想交流电流表,V1、V2为理想交流电压表,R1、R2为定值电阻,R3为光敏电阻(阻值随光照强度的增大而减小),原线圈两端电压u=220sin 314t V,以下说法正确的是(　　)
A.当光照增强时,电压表V1示数为44 V且保持不变
B.当光照增强时,电压表V2示数增大
C.通过电流表A1的电流方向每秒变化100次
D.当光照增强时,电流表A1、A2示数同时变大
【答案】 CD
【解析】 原线圈两端电压有效值为220 V,原、副线圈匝数比为5∶1,所以副线圈两端电压有效值为44 V,电压表V1示数为44 V保持不变,与电阻的变化无关,A错误;当光照增强时,R3的电阻减小,副线圈电路总电阻减小,电路的总电流变大,R1两端的电压变大,副线圈两端的总电压不变,所以电压表V2示数变小,B错误;交变电流的周期为T== s= s,所以通过电流表A1的电流方向每秒变化 100次,C正确;当光照增强时,R3的电阻减小,副线圈电路总电阻减小,所以电路的总电流要变大,因此A1、A2的示数都要变大,D正确。
6.如图所示,ab上方存在垂直于纸面向里的匀强磁场,两比荷之比为 k1∶k2=1∶3的带正电粒子A、B均由ab边上的O点以与ab边成α(α<90°)角斜向右上方射入磁场,经过一段时间,两粒子分别从ab边上的c、d两点射出。已知两粒子射入磁场的速度大小相等,dO>cO,忽略粒子所受的重力以及粒子间的相互作用,则下列说法正确的是(　　)
A.粒子A从c点射出
B.粒子A、B在磁场中运动的半径之比为3∶1
C.粒子A、B在磁场中运动的速度偏转角之比为 1∶1
D.粒子A、B在磁场中运动的时间之比为1∶1
【答案】 BC
【解析】
作出粒子A、B在磁场中运动的轨迹,如图所示,根据qvB=m,解得粒子在磁场中运动的半径r==,由k1∶k2=1∶3,可知粒子A、B的轨迹半径之比为3∶1,则粒子A从d点射出,故A错误,B正确;由几何知识可知,粒子A、B在磁场中运动的速度偏转角均为θ=2π-2α,故C正确;根据T=,可知T==,可知粒子A、B在磁场中运动的周期之比为 3∶1,由t=T=T,可知粒子A、B在磁场中运动的时间之比为3∶1,故D错误。
7.如图所示,铝环A用轻线静止悬挂于长直螺线管左侧,且与长直螺线管共轴。下列说法正确的是(　　)
A.闭合开关S瞬间,铝环A将向左摆动
B.闭合开关S稳定后,断开开关S瞬间,铝环A的面积有收缩的趋势
C.保持开关S闭合,将滑动变阻器的滑片迅速向右滑,从左往右看铝环A中将产生逆时针方向的感应电流
D.保持开关S闭合,将滑动变阻器的滑片迅速向左滑,铝环A将向左摆动
【答案】 AD
【解析】 闭合开关S瞬间,穿过铝环A的磁通量突然增加,根据“增离减靠”的结论可得铝环A将向左摆动,A正确;闭合开关S稳定后,断开开关S瞬间,穿过铝环A的磁通量减小,根据“增缩减扩”的结论,铝环A的面积有扩张的趋势,B错误;保持开关S闭合,将滑动变阻器的滑片迅速向右滑,总电阻变大,螺线管中的电流减小,铝环A中将产生与螺线管上同方向的感应电流,则从左往右看铝环A中将产生顺时针方向的感应电流,C错误;保持开关S闭合,将滑动变阻器的滑片迅速向左滑,电路中电流变大,穿过铝环A的磁通量突然增加,根据“增离减靠”的结论,铝环A将向左摆动,D正确。
8.如图所示,电阻不计的平行光滑金属导轨由同一水平面的直窄轨AB、CD以及宽轨EF、GH组合而成,直宽轨间距为L,窄轨间距为,窄轨和宽轨之间均有竖直向上的磁感应强度为B的匀强磁场。由同种材料制成的相同金属直棒a、b始终与导轨垂直且接触良好,棒长为L、质量为m、电阻为R。初始时a棒静止,b棒以初速度v0向右运动,且a棒距窄轨右端足够远,宽轨EF、GH足够长。下列判断正确的是(　　)
A.b棒刚开始运动时,a棒的加速度大小为
B.经过足够长的时间,a棒的速度为
C.整个过程中通过回路的电荷量为
D.整个过程中a棒产生的焦耳热为
【答案】 BD
【解析】 b棒刚开始运动时,感应电动势E=BLv0,由闭合电路欧姆定律得回路中的电流I==,对a棒,由牛顿第二定律得=ma,解得a=,故A错误;经过足够长的时间,a、b棒产生的感应电动势相等时做匀速直线运动,则有BLva=BLvb,对b棒,由动量定理得-BLΔt=mvb-mv0,对a棒,由动量定理得BΔt=mva,联立解得va=v0,vb=,故B正确;对a棒q=·Δt,又BΔt=mva,联立解得q=,故C错误;由能量守恒定律得,整个回路产生的焦耳热Q=m-m-m,a棒产生的焦耳热Qa=Q=,故D正确。
三、非选择题:共60分。
9.(6分)如图所示,真空中,在两个同心圆所夹的环状区域存在(含边界)垂直于纸面向里、磁感应强度为B的匀强磁场,两圆的半径分别为R和3R,圆心为O。质量为m、电荷量为q(q>0)的带电粒子从大圆边缘的P点沿半径PO方向以不同的速度垂直射入磁场,粒子重力不计;
(1)若粒子在磁场中运动轨迹所对的圆心角为120°,则粒子在磁场中的运动速度为v1=　　　,运动的时间t1=　　　　。
(2)若粒子能进入小圆内部区域,粒子在磁场中运动的速度v′>　　　　。
【答案】 (1)　　(2)
【解析】 (1)由几何关系,粒子做圆周运动的半径 r1=3Rtan 30°=R,由牛顿第二定律,有qv1B=m,解得 v1=,带电粒子在磁场中运动的周期为T=,若粒子在磁场中运动轨迹所对的圆心角为120°,则粒子在磁场中运动的时间为t1=T=。
(2)设带电粒子进入小圆内部区域的最小速度为v,对应半径为r,如图所示,由几何关系有(3R)2+r2=(r+R)2,解得r=4R,由牛顿第二定律有qvB=,解得v=,所以要使粒子能进入小圆内部区域,有v′>。
10.(6分)如图所示,导体杆OP在作用于OP中点且垂直于OP的力作用下,绕过圆心O且垂直纸面的轴,沿半径为r的光滑半圆形框架,在匀强磁场中以一定的角速度ω转动,磁场的磁感应强度为B,方向垂直于纸面向里,A、O间接有电阻R,杆和框架电阻不计,则O、P两点中电势较高的点为　　　　(选填“O”或“P”)点,OP两端电压大小为　　　,外力的功率为　　　　。
【答案】 P　　
【解析】 根据右手定则可知OP中的电流方向为O→P,由于OP为电源,在电源内部电流由低电势流向高电势,故P点电势较高。由于杆OP上的电阻不计,故OP两端的电压等于OP杆转动产生的感应电动势,由感应电动势的公式可得 E=BL=Br,可得U=。根据杆匀速转动可知,外力的功率等于电功率,杆在转动过程中产生感应电动势为E=,由闭合电路欧姆定律知,回路中的电流大小为I=,根据电功率的计算公式P=I2R,联立解得P=。
11.(6分)如图为“研究电磁感应现象”实验中所用器材的示意图。试回答下列问题。
(1)在该实验中电流计G的作用是检测感应电流的　　　　和　　　　。
(2)请按实验要求在实物上连线。
(3)在实验出现的电磁感应现象中,A、B线圈哪个相当于电源 　　　(选填“A”或“B”)。
【答案】 (1)大小　方向　(2)图见解析　(3)B
【解析】 (1)电流计G的零刻度在表盘中央,电流流过时,指针偏转,既显示了电流的大小,也显示了电流的方向。
(2)电源、开关、滑动变阻器和小线圈构成一闭合回路;大线圈和电流计构成另一闭合电路。实物连线如图所示。
(3)B线圈与电流计相连,显示回路感应电流,即B线圈相当于电源。
12.(6分)在“探究变压器电压与线圈匝数的关系”实验中,实验室采用了如图所示的可拆式变压器进行研究。
(1)为了完成该实验,已选用多用电表,还需选择的器材有　　　　。(多选)
A.有闭合铁芯的原、副线圈
B.无铁芯的原、副线圈
C.交流电源
D.直流电源
(2)对于实验过程,下列说法正确的是　　　。
A.变压器原线圈可接入220 V的家庭电路
B.变压器副线圈不接负载时,副线圈两端仍有电压
C.实验中测电压的仪器是多用电表,且选择开关置于直流电压挡
(3)已知该变压器两个线圈的匝数分别为 Na=400和Nb=800,有关测量数据如下表:
Ua/V 1.80 2.80 3.80 4.90
Ub/V 4.00 6.01 8.02 9.98
根据表中数据可得到的实验结论是: 　 。
【答案】 (1)AC　(2)B　(3) 在误差允许的范围内,变压器原、副线圈的电压之比等于匝数比
【解析】 (1)为了尽量减少漏磁,变压器的原、副线圈需要绕在闭合铁芯上,故A正确,B错误;变压器正常工作需要连接交流电源,故C正确,D错误。
(2)为了确保安全,变压器原线圈应接在低压交流电源上,故A错误;根据电压匝数关系可知,变压器副线圈不接负载时,副线圈两端仍有电压,由于负载电路断开,负载电路中没有电流,故B正确;实验中测交流电压的仪器是多用电表,但应将选择开关置于交流电压挡,故C错误。
(3)根据表格中的数据有≈=,可知在误差允许的范围内,变压器原、副线圈的电压之比等于匝数比。
13.(7分)某同学尝试把一个小量程电流表改装成温度表,他所选用的器材有:小量程电流表(待改装),学生电源(电动势为E,内阻不计),滑动变阻器,单刀双掷开关,导线若干,导热性能良好的防水材料,标准温度计,热敏电阻Rt(阻值与摄氏温度t的关系为Rt=a+kt,a>0,k>0)。设计电路图如图所示,并按如下步骤进行操作。
(1)按电路图连接好实验器材。
(2)将滑动变阻器滑片P滑到　　　(选填“a”或“b”)端,单刀双掷开关S掷于　　　(选填“c”或“d”)端,调节滑片P使电流表　　　,并在以后的操作中保持滑片P位置不动,设此时电路总电阻为R,断开电路。
(3)将开关S掷于d。容器中倒入适量开水,观察标准温度计,每当标准温度计示数下降5 ℃时,记录温度t和对应的电流表的示数I,然后断开开关。请写出电流与温度的关系式I=　　　　　(用题目中给定的符号表示)。
(4)根据对应温度记录的电流表示数,重新刻制电流表的表盘,改装成温度表。根据改装原理,此温度表表盘刻度线的低温刻度在　　　(选填“左”或“右”)侧,刻度线分布是否均匀 　　　(选填“是”或“否”)。
【答案】 (2)a　c　满偏　(3)　(4)右　否
【解析】 (2)电路中滑动变阻器为限流式接法,所以闭合开关前,使它接入电路的阻值处于最大状态,即将滑片P滑到a端。为了设计表盘刻度,应使开关掷于c端,调节滑片,使电流表满偏。
(3)把开关置于d端,根据闭合电路欧姆定律得I=,又Rt=a+kt,联立得出电流与温度的关系式为I=。
(4)因为Rt=a+kt(且a>0,k>0),所以温度越低,电阻越小,回路中I越大,所以低温刻度在右侧,由于电流与温度不是线性关系,所以刻度线分布不均匀。
14.(8分)如图所示,线圈abcd的面积是0.05 m2,共100匝,线圈电阻r=1 Ω,外接电阻 R=9 Ω,匀强磁场的磁感应强度为 T,电路中电表为理想电表。当线圈以角速度为10π rad/s绕垂直磁场的轴匀速转动时,求:
(1)线圈转动产生的电动势的最大值;
(2)电路中交流电流表的示数;
(3)线圈从图示位置转过90°的过程中通过电阻R的电荷量。
【答案】 (1)50 V　(2)3.54 A　(3)0.16 C
【解析】 (1)线圈在转动过程中产生的感应电动势的最大值为
Em=nBSω=100××0.05×10π V=50 V。
(2)交流电流表的示数是有效值,线圈产生正弦式交变电流,则电动势有效值为
E==25 V,
根据闭合电路欧姆定律可知,电流表示数为
I=≈3.54 A。
(3)线圈从中性面开始转过90°角的过程中,磁通量变化量为ΔΦ=BS,产生的平均电动势为
=n=,
平均电流为==,
通过电阻R的电荷量为
q=·Δt=≈0.16 C。
15.(8分)如图甲所示,在一个正方形金属线圈区域内,存在着磁感应强度B随时间变化的匀强磁场,磁场的方向与线圈平面垂直。金属线圈所围的面积S=100 cm2,匝数n=1 000,线圈电阻r=2.0 Ω,线圈与电阻R构成闭合回路,电阻R=8.0 Ω,匀强磁场的磁感应强度随时间变化的情况如图乙所示,求:
(1)0～4.0 s内通过电阻R的感应电流大小;
(2)0～6.0 s内整个闭合电路中产生的热量。
【答案】 (1)0.05 A　(2)0.9 J
【解析】 (1)根据法拉第电磁感应定律,0～4.0 s内线圈中磁通量均匀变化,产生恒定的感应电动势E1=n=n=0.5 V,
根据闭合电路欧姆定律,闭合电路中的感应电流
I1==0.05 A。
(2)根据焦耳定律,0～4.0 s内闭合电路中产生的热量
Q1=(R+r)Δt1=0.1 J;
由题图乙可知,在4.0～6.0 s内,线圈中产生的感应电动势E2=n=n=2 V,
根据闭合电路欧姆定律可知闭合电路中的感应电流I2==0.2 A,
闭合电路中产生的热量
Q2=(R+r)Δt2=0.8 J,
故0～6.0 s内整个闭合电路中产生的热量
Q=Q1+Q2=0.9 J。
16.(13分)有一种“双聚焦分析器”质谱仪,工作原理如图所示,电场分析器中有指向圆心O的辐射状电场,磁场分析器中有垂直于纸面向外的匀强磁场(图中未画出)。离子源发出的初速度均为零的氕核H和氘核H经加速电压U加速后,均沿圆弧MN运动(圆弧MN为电场分析器的中心线),再垂直进入四分之一圆形磁场区域,后从磁场下边界射出。已知氕核H在磁场区域运动t时间后恰好垂直于磁场下边界从Q点射出,MO=R,PO1=d,氕核H的电荷量为e,忽略离子间的相互作用。求:
(1)电场分析器中心线上电场强度的大小;
(2)氘核H在磁场区域的运动半径;
(3)氘核H的质量。
【答案】 (1)　(2)d　(3)
【解析】 (1)设氕核H的质量为m,氕核H经加速电压U加速后,则有
Ue=m,
氕核H在辐射状电场中做圆周运动,静电力提供向心力,可得eE=m,
解得E=。
(2)在磁场中,设匀强磁场的磁感应强度为B,对氕核H分析,由洛伦兹力提供向心力,可得
ev1B=m,
解得d=,
设氘核的质量为M,且M=2m,对氘核H分析,由洛伦兹力提供向心力,
可得ev2B=M,
解得r=,
即氘核H做圆周运动的半径r=d。
(3)设氕核H与氘核H在磁场中做圆周运动的周期分别为T1和T2,
则有T1==4t,T2==8t,
对氘核H,r=d=,
联立解得M=。

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