2022-2022学年高中物理第六章传感器2传感器的应用课后检测含解析新人教版选修3-2.doc

2　传感器的应用
记一记
传感器的应用知识体系
辨一辨
1.通常的传感器可以直接用来进行自动控制．(×)
2．应变片是由导体材料制成的．(×)
3．感温铁氧体的温度上升到“居里温度〞时，就会失去铁磁性．(√)
4．用电饭锅煮饭时，假设温控开关自动断电后，它不能自动复位．(√)
5．光电三极管在受到光照时呈高电阻状态．(×)
想一想
1.用电熨斗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．它是如何利用调温旋钮来实现的？
提示：通过调温旋钮调节升降螺丝的高度来实现不同温度的设定．如需设定的温度较高，那么应使升降螺丝下降；反之升高．
2．如果用电饭锅烧水会不会自动断电？
提示：如果用电饭锅烧水，在水沸腾后因为水温保持在100 ℃，故不能自动断电，只有水烧干后，温度升到103 ℃才能自动断电．
3．图中是一款鼠标及其内部的电路，传感器在实际工作过程中为什么需要放大电路？
提示：因为传感器将非电学量转换为电学量的信号往往很弱，所以一般要通过放大电路进行放大．
思考感悟：　
　练一练
1.(多项选择)以下关于传感器说法中正确的选项是(　　)
A．话筒是一种常用的声传感器，其作用是将电信号转换为声信号
B．电子秤所使用的测力装置是力传感器，它是把力信号转化为电压信号
C．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．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
解析：话筒是一种常用的声波传感器，其作用是声信号转换为电信号，故A项错误；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，应力片两端的电压差越大，将力信号变成电信号，故B项正确；电熨斗是利用双金属片温度传感器，控制电路的通断，故C项正确；光敏电阻是由半导体材料制成的，其电阻随光照强度的增大而减小，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．
答案：BCD
2．(多项选择)如图是电饭锅的结构图，如果感温磁体的“居里温度〞为103 ℃时，以下说法中正确的选项是(　　)
A．常温下感温磁体具有较强的磁性，能自动吸起永磁体，通电加热
B．当温度超过103 ℃时，感温磁体的磁性较强
C．饭熟后，水分被大米吸收，锅底的温度会超过103 ℃，这时开关按钮会跳起
D．常压下只要锅内有水，锅内的温度就不可能到达103 ℃，开关按钮就不会自动跳起
解析：煮饭时压下开关按钮，感温磁体与永磁体相互吸引结合在一起，触点相接，电路接通，开始加热，故A项错误；饭熟后，水分被大米吸收，锅底的温度会升高，当温度上升到“居里温度〞(约103 ℃)时，感温磁体失去磁性，在弹簧作用下永磁铁与之别离，开关自动断开，且不能自动复位，故B项错误，C项正确；电饭锅内有水，水沸腾后，锅内的温度保持在100 ℃不变，低于“居里温度〞103 ℃，电饭锅不能自动断电，只有水烧干后，温度升高到103 ℃才能自动断电，因此用电饭锅来烧水、煲汤不能实现自动控温，D项正确．
答案：CD
3．(多项选择)如下图是自动调温式电熨斗，以下说法正确的选项是(　　)
A．常温时上下触点是接触的
B．双金属片温度升高时，上金属片形变较大，双金属片将向下弯曲
C．原来温度控制在80 ℃断开电源，现要求60 ℃断开电源，应使调温旋钮下调一些
D．由熨烫丝绸衣物状态转变为熨烫棉麻衣物状态，应使调温旋钮下移一些
解析：常温工作时，上下触点是接通的，当温度升高时，上层金属片形变大，向下弯曲，切断电源．切断温度要升高，那么应使调温旋钮下移一些，A、B、D三项正确，C项错误．
答案：ABD
4.
如下图是会议室和宾馆房间的天花板上装有的火灾报警器的结构原理图：罩内装有发光二极管LED、光电三极管和不透明的挡板．平时光电三极管接收不到LED发出的光，呈现高电阻状态，发生火灾时，以下说法正确的选项是(　　)
A．进入罩内的烟雾遮挡了光线，使光电三极管电阻更大，检测电路检测出变化发出警报
B．光电三极管温度升高，电阻变小，检测电路检测出变化发出警报
C．进入罩内的烟雾对光有散射作用，局部光线照到光电三极管上，电阻变小，发出警报
D．以上说法均不正确
解析：由火灾报警器的工作原理可知，发生火灾时烟雾进入罩内，使光发生散射，局部光线照到光电三极管上，电阻变小，与传感器相连的电路检测出这种变化，发出警报，C项正确．
答案：C
要点一 传感器问题的分析思路
1.以下说法错误的选项是(　　)
A．传感器担负着信息采集的任务
B．干簧管是一种磁传感器
C．传感器不是电视遥控接收器的主要元件
D．传感器是将力、温度、光、声、化学成分转换为电信号的主要工具
解析：由传感器的定义知A、D两项正确；电视遥控接收器的主要元件是红外线传感器，故C项错误；由干簧管的工作原理知干簧管是一种能够感知磁场的元件，故B项正确．
答案：C
2．(多项选择)燃气灶的点火开关有两种：一种是电脉冲点火开关，它是依靠干电池产生的电流脉冲经变压器输出非常高的电压，击穿空气后点火；另一种是电子压电点火开关，它的工作原理是压电陶瓷片受一定方向的外力作用而发生机械形变，相应地输出很高的电压，击穿空气后点火．以下关于这两种点火开关的说法中，正确的选项是(　　)
A．电脉冲点火开关是一种传感器
B．电子压电点火开关是一种传感器
C．压电陶瓷片完成的能量转化是电能转化为光能
D．压电陶瓷片完成的能量转化是机械能转化为电能
解析：传感器是将非电学量转化为电学量的装置，电脉冲点火开关实际上是自感现象的应用，电子压电点火开关是力传感器，把机械形变转化为电压，A项错误，B项正确；从能量转化角度分析压电陶瓷片是把机械能转化为电能，C项错误，D正确．
答案：BD
3．用遥控器调换电视机频道的过程，实际上是电视机中的传感器把光信号转化为电信号的过程．以下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．电饭锅中控制加热和保温的温控器
解析：遥控器发出红外线，电视中的传感器感知红外线是红外线传感器，应选A.
答案：A
要点二 生活中常见的传感器
4.(多项选择)以下关于电子秤中应变式力传感器的说法正确的选项是(　　)
A．应变片是由导体材料制成
B．当应变片的外表拉伸时，其电阻变大；反之，变小
C．传感器输出的是应变片上的电压
D．外力越大，输出的电压差值也越大
解析：应变片多用半导体材料制成，故A项错误；当应变片拉伸时，其电阻变大，故B项正确；传感器输出的是上、下两应变片上的电压差值，并且随着外力的增大，输出的电压差值也就越大，故C项错误，D项正确．
答案：BD
5．当出现某疫情时，在机场、车站等交通出入口，使用红外线热像仪，红外线热像仪通过红外线遥感，可检测出经过它时的发热病人，从而可以有效控制疫情的传播．关于红外线热像仪，以下说法正确的选项是(　　)
A．选择红外线进行检测，主要是因为红外线具有荧光效应
B．红外线热像仪通过发射红外线照射人体来检测
C．红外线热像仪同时还具有杀菌作用
D．一切物体都能发射红外线，而且物体在不同温度下发射的红外线的频率和强度不同
解析：红外线热像仪是根据物体发射的红外线的频率和强度不同而工作的，故D正确．
答案：D
6．小强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．参照以下图，以下对故障判断正确的选项是(　　)
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
解析：由恒温箱原理图可知，假设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项正确，A、B两项错误．假设加热器出现故障，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项错误．
答案：C
7．一般的电熨斗用合金丝作发热元件，合金丝电阻随温度t变化的关系如图中实线①所示，由于环境温度以及熨烫的衣物厚度、干湿等情况不同，熨斗的散热功率不同，因而熨斗的温度可能会在较大范围内波动，易损坏衣物．有一种用主要成分为BaTiO3(被称为“PTC〞)的特殊材料作发热元件的电熨斗，具有升温快、能自动控制温度的特点，PTC材料的电阻随温度变化的关系如图中实线②所示，根据图线分析：
(1)为什么原处于冷态的PTC熨斗刚通电时比普通电熨斗升温快？
(2)通电一段时间后电熨斗温度t自动地稳定在T________＜t＜T________范围之内．(填下标数字)
解析：(1)由于冷态时PTC材料电阻较小，故由P＝知，其发热功率较大，所以升温快．
(2)从题图上看出，温度较低时，电阻较小，热功率较大，所以生热快于散热，温度升高，电阻值迅速增大，相应生热功率减小，当生热功率小于散热功率时，电阻温度降低，电阻值减小，生热功率会相应增大，故当生热功率等于散热功率时，温度会稳定在图中T6～T7之间．
答案：(1)见解析　(2)6　7
根底达标
1.以下器件是应用力传感器的是 (　　)
A．鼠标器 B．火灾报警器
C．测温仪 D．电子秤
解析：鼠标器中的传感器是光传感器；火灾报警器中的传感器是光传感器；测温仪用的是温度传感器；电子秤的敏感元件是应变片，是力传感器，选项D正确．
答案：D
2．以下说法中正确的选项是(　　)
A．电饭锅中的敏感元件是光敏电阻
B．测温仪中测温元件可以是热敏电阻
C．机械式鼠标中的传感器接收到连续的红外线，输出不连续的电脉冲
D．火灾报警器中的光传感器在没有烟雾时呈现低电阻状态，有烟雾时呈现高电阻状态
解析：电饭锅中的敏感元件是感温铁氧体，A项错误；机械式鼠标中的传感器接收断续的红外线脉冲，输出相应的电脉冲信号，C项错误；火灾报警器中的光传感器在没有烟雾时呈现高电阻状态，有烟雾时呈现低电阻状态，D项错误；B项正确．
答案：B
3．(多项选择)以下关于光传感火灾报警器的说法中正确的选项是(　　)
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
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．
答案：AB
4.
电子打火机的点火原理是压电效应，压电片在受压时会在两侧形成电压且电压大小与压力近似成正比．现有一利用压电效应制造的电梯加速度传感器，如下图．压电片安装在电梯地板下，电压表与压电片构成闭合回路用来测量压电片两侧形成的电压．假设发现电压表示数增大，以下说法正确的选项是(　　)
A．电梯一定加速上升 B．电梯一定减速下降
C．电梯加速度一定向上 D．电梯加速度一定向下
解析：电压表示数增大说明人对地板的压力变大，对人受力分析知地板对人的支持力大于人所受重力，即人的加速度一定向上，所以电梯可能向上加速，也可能向下减速．
答案：C
5．如图为一种温度自动报警器的原理图，在水银温度计的顶端封入一段金属丝，以下说法正确的选项是(　　)
A．温度升高至74 ℃时，L1灯亮，报警
B．温度升高至74 ℃时，L2灯亮，报警
C．温度升高至78 ℃时，L1灯亮，报警
D．温度升高至78 ℃时，L2灯亮，报警
解析：当温度低于78 ℃时，继电器线圈中没有电流，此时灯L1亮，但不报警；当温度升高到78 ℃时，继电器线圈有电流，磁铁吸下衔铁，灯L2被接通，所以灯L2亮且报警，温度升高至74 ℃时，只是灯L1亮，不会报警，故A、B、C选项错误，D选项正确．
答案：D
6．(多项选择)
家用电热灭蚊器电热局部的主要部件是PTC元件，PTC元件是由钛酸钡等导体材料制成的电阻器，其电阻率ρ与温度t的关系如下图．由于这种特性，PTC元件具有发热、控温双重功能，假设电热灭蚊器环境温度低于t1，以下判断正确的选项是(　　)
A．通电后，其电功率先增大后减小
B．通电后，其电功率先减小后增大
C．当其产生的热量与散发的热量相等时，温度保持在t1或t2不变
D．当其产生的热量与散发的热量相等时，温度保持在t1～t2间的某一值不变
解析：从图线上可以看出，如果通电前PTC的温度t<t1，通电后由于发热的缘故，温度升高致使电阻率减小，发热功率将进一步增大，形成正反响效应，致使温度大于t1，随着温度的升高，电阻率也增大，功率将减小，形成负反响效应，发热功率的减小制约了温度的进一步升高．从以上分析可知，t<t1时，温度会升高；t>t2时，温度会降低．故温控点在t1～t2，即温度保持在t1～t2间的某一值．综上分析可知，此题的正确选项是A、D，即温度控制点在图象的两个极值点之间．
答案：AD
7.
酒精测试仪用于机动车驾驶人员是否酗酒及其他严禁酒后作业人员的现场检测．它利用的是一种二氧化锡半导体型酒精气体传感器，酒精气体传感器的电阻随酒精气体浓度的变化而变化．在如下图的电路中，不同的酒精气体浓度对应着传感器的不同电阻．这样，电压表的指针就与酒精气体浓度有了对应关系．如果二氧化锡半导体型酒精气体传感器电阻r′的倒数与酒精气体的浓度成正比，那么，电压表示数U与酒精气体浓度C之间的对应关系正确的选项是(　　)
A．U越大，表示C越大，C与U成正比
B．U越大，表示C越大，但是C与U不成正比
C．U越大，表示C越小，C与U成正比
D．U越大，表示C越小，但是C与U不成反比
解析：传感器电阻r′的倒数与浓度C成正比关系，即＝kC，电路中的电流为I＝，电压表示数U＝IR0＝＝，可见电压与浓度的关系不是正比关系，但随浓度的增加而增加，故B项正确．
答案：B
8.
(多项选择)如图为握力器原理示意图，握力器把手上的连杆与弹簧一起上下移动，握力的大小可通过一定的换算关系由电流表的示数获得．当人紧握握力器时，如果握力越大，以下判断正确的有(　　)
A．电路中电阻越大
B．电路中电阻越小
C．电路中电流越小
D．电路中电流越大
解析：由图看出，握力越大，变阻器接入电路的电阻越小，外电路的总电阻越小，故B项正确，A项错误；根据闭合电路欧姆定律可知，电路中电流越大，故D项正确，C项错误．
答案：BD
9.
(多项选择)为锻炼身体，小明利用所学物理知识设计了一个电子拉力计，如下图是原理图．轻质弹簧右端和金属滑片P固定在一起(弹簧的电阻不计，P与R1间的摩擦不计)，弹簧劲度系数为100 N/cm.定值电阻R0＝5 Ω，ab是一根长为5 cm的均匀电阻丝，阻值R1＝25 Ω，电源输出电压恒为U＝3 V，理想电流表的量程为0～0.6 A．当拉环不受力时，滑片P位于a端．以下关于这个电路的说法正确的选项是(不计电源内阻)(　　)
A．小明在电路中连入R0的目的是保护电路
B．当拉环不受力时，闭合开关后电流表的读数为0.1 A
C．当拉力为400 N时，电流表指针指在0.3 A处
D．当拉力为400 N时，电流表指针指在0.5 A处
解析：假设电路无电阻R0且金属滑片P在b端时，回路短路损坏电源，R0的存在使电路不出现短路，因此A项正确；当拉环不受力时，滑片P在a端，由欧姆定律得，I＝＝0.1 A，故B项正确；拉力为400 N时，由F＝kΔx，那么Δx＝4 cm，对应的电阻为RaP＝20 Ω，R1接入电路的电阻RPb＝5 Ω，由欧姆定律得，I′＝＝0.3 A，故D项错误，C项正确．
答案：ABC
能力达标
10.如下图，甲为在温度为10 ℃左右的环境中工作的某自动恒温箱原理简图，箱内的电阻R1＝20 kΩ、R2＝10 kΩ、R3＝40 kΩ，RT为热敏电阻，它的电阻随温度变化的图线如图乙所示，a、b端电压Uab≤0时，电压鉴别器会令开关S接触，恒温箱内的电热丝发热，使箱内温度升高；当a、b端电压Uab＞0时，电压鉴别器会令开关S断开，停止加热，那么恒温箱内的温度可保持在(　　)
A．10 ℃ B．20 ℃
C．30 ℃ D．45 ℃
解析：由题意可知Uab＝0是一个电压的临界点，对应着开关S的动作，而开关的动作对应着温度的上升或下降．由电路图可知，在R1、R2、R3给定的条件下，热敏电阻RT的阻值决定了Uab的正负．设电源负极的电势为零，那么φa＝U，φb＝U，其中U为电源的路端电压，令φa＝φb，即Uab＝0，那么可得＝，代入数据得RT＝20 kΩ，查图得对应的温度为30 ℃，C项正确．
答案：C
11．车床在工作时是不允许将手随便接近飞转的工件的，为了防止万一，设计了下面的光电自动控制平安电路，只要人手不小心靠近了工件，机器就自动停转．图中的A为车床上的电动机；B为随电动机高速转动的工件；C为光源，它发出的光照在光敏电阻D上；E为电磁铁；F为衔铁；G为电源；H为弹簧．请简述其工作原理：当手在C、D间靠近工件时，遮挡住射向光敏电阻的光，光敏电阻的阻值________，电路中的电流________，使电磁铁磁性________从而放开衔铁，造成电动机断路，使工件停转以保证平安．
解析：当手在C、D间靠近工件时，遮挡住光线，光敏电阻阻值增大，电路中的电流减小，使电磁铁的磁性减弱，从而放开衔铁，使电路自动断开．
答案：增大　减小　减弱
12．气体传感器利用物质的化学反响将某种气体的浓度转换成电信号输出，如下图，B为将可燃气体或有毒气体(CO，CH4)浓度转换成电信号的传感器，简称电子鼻．根据如下图的材料，电源电压U＝220 V、排风扇M、继电器G、电池组A、控制开关S，请设计一个家用自动排烟电路，并在图中完成连线．
解析：电磁继电器起开关作用，所以电池组A、开关S、电子鼻B和电磁继电器(电磁铁局部)应组成一个电路，另一个是由排风扇和高压电源组成的电路．
答案：如下图
13．如下图为某种电子秤的原理示意图，AB为一均匀的滑线电阻，阻值为R，长度为L，两边分别有P1、P2两个滑动头，P1可在竖直绝缘光滑的固定杆MN上保持水平状态而上下自由滑动，弹簧处于原长时，P1刚好指着A端，P1与托盘固定相连．假设P1、P2间出现电压时，该电压经过放大，通过信号转换后在显示屏上将显示物体重力的大小．弹簧的劲度系数为k，托盘自身质量为m0，电源电动势为E，内阻不计，当地的重力加速度为g.求：
(1)托盘上未放物体时，在托盘自身重力作用下，P1与A端的距离x1；
(2)托盘上放有质量为m的物体时，P1与A端的距离x2；
(3)托盘上未放物体时通常先校准零点，其方法是：调节P2，使P2离A端的距离也为x1，从而使P1、P2间的电压为零．校准零点后，将物体m放在托盘上，试推导出物体质量m与P1、P2间的电压U之间的函数关系式．
解析：托盘的移动带动P1移动，使P1、P2间出现电势差，电势差的大小反映了托盘向下移动距离的大小，由于R为均匀滑线电阻，那么其阻值与长度成正比．
(1)由力的平衡知识有：m0g＝kx1，解得x1＝.
(2)放上物体m重新平衡后：m0g＋mg＝kx2
解得x2＝.
(3)由闭合电路欧姆定律知：E＝IR，由局部电路欧姆定律知：U＝IR串(R串为P1、P2间电阻)
由＝，其中x为P1、P2间的距离，那么
x＝x2－x1＝，
联立解得：m＝.
答案：(1)　(2)　(3)m＝