物理第3节 大显身手的传感器随堂练习题

大显身手的传感器

(15分钟　30分)

一、选择题(本题共3小题，每题6分，共18分)

1.2020年2月新冠肺炎疫情在中国部分地区突发，许多公共场合都使用一种非接触式的仪器快速测量体温，该仪器使用的传感器是(　　)

A.压力传感器　　  B.红外线传感器

C.声音传感器   D.生物传感器

【解析】选B。红外线最显著的特性是热效应，非接触式体温测量仪工作时利用的电磁波是红外线，故为红外线传感器，故B正确，A、C、D错误。

2.类人型机器人装有作为眼睛的“传感器”，犹如大脑的“控制器”，以及可以行走的“执行器”，在它碰到障碍物前会自动避让并及时转弯。下列有关该机器人“眼睛”的说法中正确的是(　　)

A.是力传感器   B.是光传感器

C.是温度传感器   D.是声音传感器

【解析】选B。遇到障碍物会绕开，说明它是光传感器，B对，A、C、D错。

3.抗击新冠肺炎期间，由于无法外出，某同学在家利用所学物理知识设计能显示拉力大小的电子健身器材，如图所示是原理图。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。下列关于这个电路的说法正确的是(　　)

A.当拉环不受力时，闭合开关后电流表的读数为0 A

B.当拉力为400 N时，电流表指针指在0.3 A处

C.当拉力为400 N时，电流表指针指在0.5 A处

D.该健身器材能测量力的范围是0～400 N

【解题指南】力学传感器的分析方法

(1)清楚力学传感器的工作原理，明确装置是如何将力这个非电学量转化为电学量是解决该类问题的关键。

(2)涉及电路计算时，注意欧姆定律及分压原理的应用。

【解析】选B。当拉环不受力时，滑片P在a端，由欧姆定律得，I==0.1 A，故选项A错误；拉力为400 N时，由F=kΔx，则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，故选项B正确，C错误；在P点移动到b点时Δx=5 cm，由F=kΔx，拉力最大，F=500 N，故选项D错误。

二、计算题(12分)

4.如图所示，小铅球P系在细金属丝下，悬挂在O点，开始时小铅球P沿竖直方向处于静止状态，当将小铅球P放入水平流动的水中时，球向左摆动一定的角度θ，水流速度越大，θ越大。为了测定水流对小球作用力的大小，在水平方向固定一根电阻丝BC，其长为L，它与金属丝接触良好，不计摩擦和金属丝的电阻，C端在O点正下方处且OC=h。图中还有电动势为E的电源(内阻不计)和一只电压表。请你连接一个电路，使得当水速增大时，电压表示数增大。

【解析】如图所示。

设CE=x，P球平衡时，由平衡条件可得

tanθ==，F为水流对小球作用力 ①

根据闭合电路欧姆定律和部分电路的欧姆定律可得

I==，U为电压表示数， ②

根据电阻定律可得RL=ρ ③

Rx=ρ ④

由①②③④式可得U=，

因为水速越大，θ越大，则U越大。

答案：见解析

【补偿训练】

　　用如图所示的装置可以测量汽车在水平路面上做匀加速直线运动的加速度，该装置是在矩形箱子的前、后壁上各安装一个由力敏电阻组成的压力传感器。用两根相同的轻弹簧夹着一个质量为2.0 kg的滑块，滑块可无摩擦滑动，两弹簧的另一端分别压在传感器a、b上，其压力大小可直接从传感器的液晶显示屏上读出，弹簧端点始终紧密连接物体。现将装置沿运动方向固定在汽车上，传感器b在前，传感器a在后。汽车静止时，传感器a、b的示数均为10 N(取g=10 m/s2)。

(1)若传感器a的示数为14 N，传感器b的示数为6 N，求此时汽车的加速度大小和方向。

(2)当汽车以怎样的加速度运动时，传感器a的示数为零。

【解析】(1)左侧弹簧对滑块向右的推力F1=14 N，

右侧弹簧对滑块向左的推力F2=6.0 N。

滑块所受合力产生加速度a1，

根据牛顿第二定律有F1-F2=ma1，

所以a1== m/s2=4 m/s2，

a1与F1同方向，即向前(向右)。

(2)传感器a的读数恰为零，则左侧弹簧的弹力

F1′=0，因两弹簧相同，左弹簧伸长多少，右弹簧就缩短多少，所以右弹簧的弹力变为F2′=-20 N。滑块所受合力产生加速度，

由牛顿第二定律得F合=F2′=ma2，所以a2==-10 m/s2，负号表示方向向后(向左)。

答案：(1)4 m/s2　向右

(2)以大小为10 m/s2、方向向左的加速度运动

(10分钟　20分)

5.(20分)同学们在研究传感器特点时，做了如下两个实验：

(1)利用传感器和计算机可以研究快速变化力的大小，实验时，把图甲中的小球举高到绳子的悬点O处，然后让小球自由下落。用这种方法获得的弹性绳的弹力随时间变化图线如图乙所示。根据图线所提供的信息，以下判断正确的是

__________。

A.t1、t2时刻小球速度最大

B.t2、t5时刻小球的动能最小

C.t3、t4时刻小球的速度相同

D.小球在运动过程中机械能守恒

(2)温度传感器是对温度敏感的元件，它将感受到的温度信号转变成测量的量(一般是电学量)，从而直接反映出其变化。某种材料的R-t图像如图丙所示。

①它_____　(选填“能”或“不能”)作为温度传感器的感应元件。 

②把这种材料制成的电阻和一个电热器串联，如图丁，可达到何种自动控制效果？

【解析】(1)分析小球的运动可知，小球先做自由落体运动，当绳子出现弹力后，小球做加速度减小的加速运动，当重力等于弹力时，速度最大，弹力大于重力时，小球做加速度增大的减速运动，在最低点时，速度为零，小球做往复运动，最终处于静止状态，重力等于弹力。对应图乙可知，t1、t3、t4、t6时刻，弹性绳处于原长，弹力为零，t2、t5时刻，弹力最大，处于最低点，速度为零，故A选项错误，B选项正确；小球运动过程中受到重力、弹力和阻力作用，t3、t4时刻小球的速度不等，小球运动过程中机械能不守恒，C、D选项错误。

(2)①分析图丙可知，该传感器电阻随温度的变化明显，可以作为温度传感器的感应元件。

②根据温度传感器的特性可知，电阻随温度的升高而增大，根据闭合电路欧姆定律可知，温度升高后，电流减小，功率减小。温度降低时，电流增大，功率增大，可以起到保持一定温度的效果。

答案：(1)B　(2)①能　②可达到使电热器保持一定温度的效果