高中物理沪科技版（2020）选修第二册传感器的应用优质导学案及答案

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▉题型1 常见传感器的工作原理及应用
【知识点的认识】
传感器的工作原理
1．概念：能够感受外界信息，并将其按照一定的规律转换成电信号的器件或装置，叫传感器．
2．组成：一般由敏感元件、转换器件、转换电路三个部分组成．
3．原理：通过对某一物理量敏感的元件，将感受到的物理量按一定规律转换成便于测量的量．例如，光电传感器利用光敏电阻将光信号转换成电信号；热电传感器利用热敏电阻将温度信号转换成电信号．
4．流程：
5．类别：最简单的传感器由一个敏感元件（兼转换器）组成，它感受被测量时，直接输出电学量，如热电偶．有的传感器由敏感元件和转换器件组成，设有转换电路，如光电池、光电管等；有的传感器，转换电路不止一个，要经过若干次转换．
6．传感器的分类：目前对传感器尚无一个统一的分类方法，常用的分类方法有两个：
（1）按输入量分类，如输入量分别为温度、压力、位移、速度、加速度等非电学量时，相应的传感器称为温度传感器、压力传感器、位移传感器、速度传感器、加速度传感器．
（2）按传感器的工作原理分类，可分为电阻传感器、电容传感器、电感传感器、电压传感器、霍尔传感器、光电传感器、光栅传感器等．
7．传感器的元件：制作传感器时经常使用的元件有光敏电阻、热敏电阻、金属热电阻、霍尔元件等．
1．演示位移传感器的工作原理如图所示，物体M在导轨上平移时，带动滑动变阻器的金属杆P，通过电压表显示的数据来反映物体位移的大小x。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
2．关于传感器，下列说法正确的是（ ）
A．所有传感器都是由半导体材料制成的
B．传感器一定是把非电学量转换为电学量
C．传感器把非电学量转换为电学量是为了方便地测量、传输、处理和控制
D．干簧管是通过磁铁靠近产生电磁感应实现自动控制的
3．街道旁的路灯、江海里的航标灯都要求夜晚亮、白天熄，利用半导体的电学特性制成了自动点亮、熄灭的装置，实现了自动控制，这是利用半导体的（ ）
A．压敏性B．光敏性
C．热敏性D．三特性都利用了
4．如图是一火警报警电路的示意图．其中R3为用某种材料制成的传感器，这种材料的电阻率随温度的升高而增大．值班室的显示器为电路中的电流表，电源两极之间接一报警器．当传感器R3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变小B．I变小，U变大
C．I变大，U变大D．I变小，U变小
5．如图甲（a）所示的电路中，光敏电阻R2加上图（b）所示的光照时，R2两端的电压变化规律是图乙中的（ ）
A．B．
C．D．
6．如图所示是一火警报警器的电路示意图，其中R2为用半导体热敏材料制成的传感器，这种半导体热敏材料的电阻率随温度的升高而减小．电流表为值班室的显示器，电源两极之间接一报警器，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
7．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、零刻度在中间的灵敏电流计和电源串联成闭合回路．当压力F作用于可动膜片电极上时膜片产生形变，引起电容的变化，导致灵敏电流计指针偏转．从对膜片施加压力（压力缓慢增至某一定值）开始到膜片稳定，灵敏电流计指针的偏转情况为（已知电流从电流表正接线柱流入时指针向右偏）（ ）
A．向左偏到某一刻度后回到零刻度
B．向右偏到某一刻度后回到零刻度
C．向右偏到某一刻度后不动
D．向左偏到某一刻度后不动
8．图甲为斯密特触发器，当加在它的输入端A的电压逐渐上升到某个值（1.6V）时，输出端Y会突然从高电平跳到低电平（0.25V），而当输入端A的电压下降到另一个值的时候（0.8V），Y会从低电平跳到高电平（3.4V）．图乙为一光控电路，用发光二极管LED模仿路灯，RG为光敏电阻．关于斯密特触发器和光控电路的下列说法中正确的是（ ）
A．斯密特触发器是具有特殊功能的与门电路
B．斯密特触发器的作用是将模拟信号转换为数字信号
C．调节R1和R2的阻值都不影响光线对二极管发光的控制
D．要使二极管在天更暗时才会点亮，应该调小R1
9．图1是某同学设计的电容式速度传感器原理图，其中上板为固定极板，下板为待测物体，在两极板间电压恒定的条件下，极板上所带电量Q将随待测物体的上下运动而变化，若Q随时间t的变化关系为Q=bt+a（a、b为大于零的常数），其图象图2所示，那么图3、图4中反映极板间场强大小E和物体速率v随t变化的图线可能是（ ）
A．①和③B．①和④C．②和③D．②和④
（多选）10．如图甲是录音机的录音电路原理图，乙是研究自感现象的实验电路图，丙是光电传感的火灾报警器的部分电路图，丁是电容式话筒的电路原理图，下列说法正确的是（ ）
A．甲图中录音机录音时，线圈中变化的电流在磁头缝隙处产生变化的磁场
B．乙图电路开关断开瞬间，灯泡不会立即熄灭
C．丙图电路中，当有烟雾进入罩内时，光电三极管上就会因烟雾的散射而有光的照射，表现出电阻的变化
D．丁图电路中，声波的振动会在电路中产生恒定的电流
（多选）11．关于传感器的作用，下列说法中正确的有（ ）
A．通常的传感器可以直接用来进行自动控制
B．传感器可以用来采集信息
C．传感器可以将感受到的一些信号转换为电学量
D．传感器可以将所有感受到的信号都转换为电学量
（多选）12．工业生产中需要物料配比的地方常用“吊斗式”电子秤，图甲所示的是“吊斗式”电子秤的结构图，其中实现称质量的关键性元件是拉力传感器．拉力传感器的内部电路如图丙所示，R1、R2、R3是定值电阻，R1＝20kΩ，R2＝10kΩ，R0是对拉力敏感的应变片电阻，其电阻值随拉力变化的图象如图乙所示，已知料斗重1×103N，没装料时Uba＝0，g取10m/s2．下列说法中正确的是（ ）
A．R3阻值为40kΩ
B．装料时，R0的阻值逐渐变大，Uba的值逐渐变小
C．拉力越大应变片电阻阻值也变大，Uba传感器的示数也变大
D．应变片作用是把物体形变这个力学量转换为电压这个电学量
（多选）13．如图是温度报警器电路示意图，下列关于对此电路的分析正确的是（ ）
A．当RT的温度升高时，RT减小，A端电势降低，Y端电势升高，蜂鸣器会发出报警声
B．当RT的温度升高时，RT减小，A端电势升高，Y端电势降低，蜂鸣器会发出报警声
C．当增大R1时，A端电势升高，Y端电势降低，蜂鸣器会发出报警声
D．当增大R1时，A端电势降低，Y端电势升高，蜂鸣器会发出报警声
（多选）14．计算机光驱的主要部分是激光头，它可以发射脉冲激光信号，激光扫描光盘时，激光头利用光敏电阻自动计数器将反射回来的脉冲信号传输给信号处理系统，再通过计算机显示出相应信息．光敏电阻自动计数器的示意图如图所示，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（ ）
A．当有光照射R1时，处理系统获得低电压
B．当有光照射R1时，处理系统获得高电压
C．信号处理系统每获得一次低电压就计数一次
D．信号处理系统每获得一次高电压就计数一次
（多选）15．有一种测量人体重的电子秤，其原理如图中虚线内所示，它主要由三部分构成：踏板、压力传感器R（是一个阻值可随压力大小而变化的电阻器）、显示体重的仪表G（实质是理想电流表）．设踏板的质量可忽略不计，已知理想电流表的量程为3A，电源电动势为12V，内阻为2Ω，电阻R随压力变化的函数式为R＝30﹣0.02F（F和R的单位分别是N和Ω）．下列说法正确的是（ ）
A．该秤能测量的最大体重是1400N
B．该秤能测量的最大体重是1300N
C．该秤零刻度线（即踏板空载时的刻度线）应标在电流表G刻度盘0.400A处
D．该秤零刻度线（即踏板空载时的刻度线）应标在电流表G刻度盘0.375A处
（多选）16．如图是电饭锅的结构图，如果感温磁体的“居里温度”为103℃时，下列说法中正确的是（ ）
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，感温磁体的磁性消失，弹簧推动杠杆断开触点
C．饭熟后，水分被大米吸收，锅底的温度会超过103℃，这时开关按钮不会跳起
D．常压下只要锅内有水，锅内的温度不可能达到103℃，开关按钮就不会自动跳起
（多选）17．电容式传感器是用来将各种非电信号转变为电信号的装置．由于电容器的电容C取决于极板正对面积S、极板间距离d以及极板间的电介质这几个因素，当某一物理量发生变化时就能引起上述某个因素的变化，从而又可推出另一个物理量的值的变化，如图所示是四种电容式传感器的示意图，关于这四个传感器的作用下列说法正确的是（ ）
A．甲图的传感器可以用来测量角度
B．乙图的传感器可以用来测量液面的高度
C．丙图的传感器可以用来测量压力
D．丁图的传感器可以用来测量速度
18．一般的电熨斗用合金丝作发热元件，合金丝电阻随温度t变化的关系如图实线①所示．由于环境温度以及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实线②所示．
根据图线分析：通电一段时间后电熨斗温度t自动地稳定在 ＜t＜ 范围之内．（填下标数字）
▉题型2 利用传感器制作简单的自动控制装置
【知识点的认识】
本知识点考查的是传感器的一些应用实验，如门窗防盗报警装置，光控开关等。
19．传感器担负着信息的采集任务，在自动控制中发挥着重要作用，传感器能够将感受到的物理量（如温度、光、声等）转换成便于测量的量（通常是电学量），例如热敏传感器，主要是应用了半导体材料制成的热敏电阻，热敏电阻阻值随温度变化的图线如图甲所示，图乙是由热敏电阻R1作为传感器制作的简单自动报警器的线路图．
（1）为了使温度过高时报警器响铃，c应接在 处（填a或b）．
（2）若使启动报警的温度提高些，应将滑动变阻器滑片P向 移动（填左或右）．
（3）如果在调试报警器达最低报警温度时，无论如何调节滑动变阻器滑片P都不能使报警器工作，且电路连接完好，各电路元件都能处于工作状态，则造成工作电路不能正常工作的原因可能是 ．（填字母）
A．左边电源电压太高；B．线圈匝数太少；C．弹簧劲度系数太大．
20．小明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R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＝3V，继电器线圈用漆包线绕成，其电阻R0为30Ω．当线圈中的电流大于等于50mA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象。
（1）由图乙可知，当环境温度为40℃时，热敏电阻阻值为 Ω。
（2）由图乙可知，当环境温度升高时，热敏电阻阻值将 ，继电器的磁性将 （均选填“增大”、“减小”或“不变”）。
（3）图甲中警铃的接线柱C应与接线柱 相连。（均选填“A”或“B”）。
（4）图甲中线圈下端P的磁极是 极（选填“N”或“S”）。
（5）请计算说明，环境温度在 范围内时，警铃报警。
21．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R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＝3V，继电器线圈用漆包线绕成，其电阻R0为30Ω．当线圈中的电流大于等于50mA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象。
（1）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”）。
（2）当环境温度升高时，热敏电阻阻值将 ，继电器的磁性将 （均选填“增大”、“减小”或“不变”），当环境温度达到 ℃时，警铃报警。
22．传感器是把非电学量（如速度、温度、压力等）的变化转换成电学量的变化的一种元件，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1×107Pa，且已知压力传感器R的电阻与所受压力的关系如表所示。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4.8V，取g＝10m/s2．请回答：
（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20mA，则此人的体重是 kg。
题型1 常见传感器的工作原理及应用
题型2 利用传感器制作简单的自动控制装置
压力F/N
0
250
500
750
1000
1250
1500
…
电阻R/Ω
300
270
240
210
180
150
120
…