2020版物理新增分大一轮江苏专用版讲义：第十章交变电流传感器第3讲

第3讲　电感　电容　传感器

一、电感、电容对交变电流的作用
1.电感对交变电流的阻碍作用
(1)电感对交变电流的阻碍作用与自感系数和交变电流的频率有关，自感系数、交变电流的频率越大，电感对交变电流的阻碍作用越大.
(2)扼流圈有两种：一种叫做低频扼流圈，线圈的自感系数L很大，作用是“通直流，阻交流”，另一种叫做高频扼流圈，线圈的自感系数很小，作用是“通直流、通低频，阻高频”.
2.电容对交变电流的阻碍作用
(1)电容对交变电流的阻碍作用与电容和交变电流的频率有关，电容、交变电流的频率越大，电容对交变电流的阻碍作用越小.
(2)电容在电路中表现为“通交流、隔直流、通高频、阻低频”.
二、传感器
1.传感器的一般概念
传感器是指这样一类元件，它能够感受诸如力、温度、光、声、化学成分等非电学量，并能把它们按照一定的规律转换为电压、电流等电学量，或转换为电路的通断.把非电学量转换为电学量以后，就可以很方便地进行测量、传输、处理和控制了.传感器是一种采集信息的重要器件，一般由敏感元件和输出部分组成，通过敏感元件获取外界信息并转换为电信号，通过输出部分输出，然后经控制器分析处理.常见的传感器有：热电传感器、光电传感器、声电传感器、力传感器等.
2.光敏电阻：通常是由硫化镉等半导体制成，其特点是光照变强，电阻变小.光敏电阻是把光照强度这个光学量转换为电阻这一电学量的元件.
3.金属热电阻和热敏电阻：金属热电阻是由铂、铜等金属材料制成，其特点是温度升高，电阻变大；热敏电阻是由半导体材料制成，其特点是温度升高，电阻变小.它们都能够把温度这个热学量转化为电阻这个电学量.
4.霍尔元件：通常是由半导体材料制成，其产生的霍尔电压UH＝k.霍尔元件能把磁感应强度这个磁学量转换为电压这个电学量.
5.力传感器：典型的应用是电子秤，其中的主要元件为应变片，它的作用是将物体形变这个力学量转化为电压这个电学量.
6.温度传感器：典型的应用是日光灯启动器和电熨斗，其中的主要元件为双金属片.日光灯启动器中的双金属片，其外层材料的热膨胀系数小于内层材料的热膨胀系数.电熨斗的工作原理(如图1)：

图1
双金属片上层金属的热膨胀系数大于下层金属，常温下，弹性铜片和双金属片触点是接触的，通电后，电热丝发热，当温度升高到某一值时，双金属片上层的金属受热膨胀，形变量大于下层金属，双金属片向下弯曲，使触点分离，切断电路；随着温度的降低，当降到某一温度时，双金属片收缩恢复原状，两触点又接触，接通电路.
调温旋钮下压弹性铜片，可使触点分离的温度升高；上提弹性铜片，可降低触点的分离温度，从而实现了调温控制.
7.感温铁氧体：也叫感温磁体.常温下具有铁磁性，能够被磁体吸引，当温度上升到约103 ℃时，就失去铁磁性，不能被磁体吸引了.这个温度在物理学中称为该材料的“居里温度”或“居里点”.
8.电饭锅：结构图如图2所示.

图2
其工作过程：开始煮饭时压下开关按钮，由于常温下感温磁体具有磁性，永磁体将吸引感温磁体，因此手松开后这个按钮不会恢复到图示位置，则触点接触，电路接通，这时电饭锅处于加热状态.当水沸腾时，水的温度保持沸点不变，故感温磁体仍与永磁体相吸，继续加热.当饭煮熟后，水分被大米吸收，锅底的温度上升，当温度超过103 ℃时，感温磁体失去磁性，由于弹簧的作用，按钮开关将恢复到如图所示的位置，切断电源，从而停止加热.
9.光传感器：光传感器是将光信号转化为电信号的装置，实际应用有鼠标器和火灾报警器等，如图3所示，烟雾散射式火灾报警器是利用烟雾对光的散射来工作的.罩内装有发光二极管、光电三极管和不透明挡板.平时光电三极管接收不到发光二极管发出的光，呈高电阻状态.当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.

图3

命题点一　电感、电容对交流电路的影响
例1　(多选)(2017·江苏单科·7)某音响电路的简化电路图如图4所示，输入信号既有高频成分，也有低频成分，则(　　)

图4
A.电感L1的作用是通高频
B.电容C2的作用是通高频
C.扬声器甲用于输出高频成分
D.扬声器乙用于输出高频成分
答案　BD
解析　在交流电路中，电感的作用是通低频、阻高频，电容的作用是通高频、阻低频，故A错误，B正确；结合电路结构分析可知，C错误，D正确.
变式1　(2018·盐城市三模)如图5甲所示，把带铁芯的线圈L与小灯泡串联起来，先把它们接到电动势为E(内阻不计)的直流电源上；再把它们接到交流电源上，如图乙所示，直流电源的电压与交流电压的有效值相等.下列叙述正确的是(　　)

图5
A.接交流电时灯泡更亮些
B.接直流电和交流电时灯泡一样亮
C.减小交流电频率时图乙中灯泡变亮
D.图甲中闭合S瞬间，通过灯泡的电流立即达到最大值
答案　C
命题点二　温度传感器的应用
例2　(2017·江苏单科·11)某同学通过实验制作一个简易的温控装置，实验原理电路图如图6所示，继电器与热敏电阻Rt、滑动变阻器R串联接在电源E两端，当继电器的电流超过15 mA 时，衔铁被吸合，加热器停止加热，实现温控.继电器的电阻约20 Ω，热敏电阻的阻值Rt与温度t的关系如下表所示.
t/℃
30.0
40.0
50.0
60.0
70.0
80.0
Rt/Ω
199.5
145.4
108.1
81.8
62.9
49.1

(1)提供的实验器材有：电源E1(3 V，内阻不计)、电源E2(6 V，内阻不计)、滑动变阻器R1(0～200 Ω)、滑动变阻器R2(0～500 Ω)、热敏电阻Rt、继电器、电阻箱(0～999.9 Ω)、开关S、导线若干.
为使该装置实现对30～80 ℃之间任一温度的控制，电源E应选用 (选填“E1”或“E2”)，滑动变阻器R应选用 (选填“R1”或“R2”).

图6
(2)实验发现电路不工作.某同学为排查电路故障，用多用电表测量各接点间的电压，则应将如图7所示的选择开关旋至 (选填“A”“B”“C”或“D”).

图7
(3)合上开关S，用调节好的多用电表进行排查.在图6中，若只有b、c间断路，则应发现表笔接入a、b时指针 (选填“偏转”或“不偏转”)，接入a、c时指针 (选填“偏转”或“不偏转”).
(4)排除故障后，欲使衔铁在热敏电阻为50 ℃时被吸合，下列操作步骤的正确顺序是 .(填写各步骤前的序号)
①将热敏电阻接入电路
②观察到继电器的衔铁被吸合
③断开开关，将电阻箱从电路中移除
④合上开关，调节滑动变阻器的阻值
⑤断开开关，用电阻箱替换热敏电阻，将阻值调至108.1 Ω
答案　(1)E2　R2　(2)C　(3)不偏转　偏转
(4)⑤④②③①
解析　(1)若实现对30 ℃温度的控制，继电器和Rt的电压U＝0.015×(20＋199.5) V≈3.29 V，因此符合要求的电源应选E2.若实现对80 ℃温度的控制，对全电路有6 V＝0.015 A×(20 Ω＋49.1 Ω＋R)，解得R＝330.9 Ω.因此滑动变阻器应选R2.
(2)因电路中有电源，排查电路故障应选用多用电表的直流电压挡，故选C.
(3)只有b、c间断路，表笔接入a、b间时，电表与电源之间形不成闭合电路，则电表指针不偏转，表笔接入a、c间时，能形成闭合电路，电表指针发生偏转.
(4)欲使衔铁在50 ℃被吸合，由表中数据可知，此时热敏电阻的阻值为108.1 Ω，操作步骤应是先断开开关，用电阻箱替换热敏电阻，将阻值调至108.1 Ω，闭合开关，调节滑动变阻器的阻值，观察继电器的衔铁被吸合，然后断开开关，将电阻箱从电路中移除，再将热敏电阻接入电路原位置，故步骤顺序应为⑤④②③①.
变式2　(多选)如图8所示的火警报警装置，R1为热敏电阻，若温度升高，则R1的阻值会急剧减小，从而引起电铃电压的增加.当电铃电压达到一定值时，电铃会响.下列说法中正确的是(　　)

图8
A.要使报警的临界温度升高，可以适当增大电源的电动势
B.要使报警的临界温度降低，可以适当增大电源的电动势
C.要使报警的临界温度升高，可以把R2的滑片P适当向下移
D.要使报警的临界温度降低，可以把R2的滑片P适当向下移
答案　BD
命题点三　光电传感器的应用
例3　为了节能和环保，一些公共场所使用光控开关控制照明系统.光控开关可采用光敏电阻来控制，光敏电阻是阻值随着光的照度而发生变化的元件(照度可以反映光的强弱，光越强照度越大，照度单位为lx).某光敏电阻RP在不同照度下的阻值如下表：
照度(lx)
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9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.
.
(2)如图乙所示，当1、2两端所加电压上升至2 V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，要求当天色渐暗照度降低至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RP(符号，阻值见上表)；
直流电源E(电动势3 V，内阻不计)；
定值电阻：R1＝10 kΩ，R2＝20 kΩ，R3＝40 kΩ(限选其中之一，并在图中标出)；
开关S及导线若干.

图9
答案　见解析
解析　(1)光敏电阻的阻值随照度变化的曲线如图甲所示，光敏电阻的阻值随照度的增大而减小.

(2)电源电动势E＝3 V，由题意可知，当照度降低至1.0 lx时，1、2两端电压升至2 V，由题中所给数据知，此时光敏电阻阻值RP＝20 kΩ，光敏电阻两端电压URP＝2 V，串联电阻分压UR＝1 V，由＝＝2，得R＝＝10 kΩ，故选定值电阻R1，电路原理图如图乙所示.

变式3　(多选)(2018·东台创新学校月考)如图10所示为某商厦安装的光敏电阻自动计数器的示意图.其中A为光源，B为由电动机带动匀速运行的自动扶梯，R1为光敏电阻，R2为定值电阻.每当扶梯上有顾客经过，挡住由A射向R1的光线时，计数器就计数一次.此光敏计数器的基本工作原理是(　　)

图10
A.当有光照射R1时，信号处理系统获得低电压
B.当有光照射R1时，信号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
答案　BC
解析　当光线照射R1时，R1阻值减小，R总减小，由欧姆定律I＝，且电源电压不变得，电路中的电流增大，R2是定值电阻，U2＝IR2，R2两端电压增大，信号处理系统获得高电压，A错误，B正确；当有顾客经过时计数器计数，即没有光照时信号处理系统获得一次低电压就计数一次，C正确，D错误.
命题点四　电容式传感器
例4　如图11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，下列说法不正确的是(　　)
A.图甲的传感器可以用来测量角度
B.图乙的传感器可以用来测量液面的高度
C.图丙的传感器可以用来测量压力
D.图丁的传感器可以用来测量速度

图11
答案　D

1.(2017·东台市5月模拟)电感对交变电流有阻碍作用，下列说法正确的是(　　)
A.线圈的自感系数越大，感抗一定越大
B.交流的频率越小，感抗一定越小
C.高频扼流圈可以用来“通低频，阻高频”
D.低频扼流圈可以用来“通交流，阻直流”
答案　C
2.(2018·南通中学模拟)下列关于几种传感器的说法错误的是(　　)
A.双金属片温度传感器是用来控制温度的，可应用于日光灯启动器
B.光敏电阻传感器是用来控制光照强度的，应用于卧室
C.烟雾传感器可应用于宾馆的天花板，防止火灾的发生
D.压力传感器可应用于电容式话筒
答案　B
3.关于传感器，下列说法中正确的是(　　)
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.电熨斗能够自动控制温度的原因是它装有双金属片温度传感器，这种传感器的作用是控制电路的通断
C.霍尔元件能把磁感应强度这个磁学量转换成电阻这个电学量
D.光敏电阻在光照射下其电阻会显著变大
答案　B
解析　话筒是一种常用的声传感器，其作用是将声信号转换为电信号，故A错误；双金属片温度传感器在电路中相当于开关，可以控制电路的通断，故B正确；霍尔元件能把磁感应强度这个磁学量转换为电压这个电学量，故C错误；光敏电阻在光照射下其电阻会变小，D错误.
4.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.在如图12所示的电路中，酒精气体的不同浓度对应着传感器的不同电阻.这样，理想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是(　　)

图12
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成反比
D.U越大，表示C越小，但是C与U不成反比
答案　B
解析　设二氧化锡半导体型酒精气体传感器的电阻为Rx，由闭合电路欧姆定律得，干路的电流I＝，电压表示数U＝IR0＝，而RxC＝k(定值)，由以上关系式可见U越大，表示C越大，但是C与U不成正比，故B正确.
5.(多选)(2018·盐城中学质检)如图13，理想变压器原、副线圈的匝数比n1∶n2＝10∶1，将原线圈接在交流电源上，副线圈上电阻R和理想交流电压表并联接入电路，已知交流电源电压u＝220sin 100πt (V)，现在A、B两点间接入不同的电子元件，下列说法正确的是( 　　)

图13
A.在A、B两点间串联一相同电阻R，电压表的示数为11 V
B.在A、B两点间接入理想二极管，电压表的读数为11 V
C.在A、B两点间接入一只电容器，只提高交流电的频率，电压表读数增大
D.在A、B两点间接入一只电感线圈，只降低交流电的频率，电阻R消耗电功率减小
答案　AC


1.(多选)传感器已经广泛应用于我们的生活，为我们带来了方便.下列可以用来控制电路通断的温度传感器元件有(　　)
A.双金属片 B.应变片
C.感温铁氧体 D.干簧管
答案　AC
2.下列哪些技术没有涉及到传感器的应用(　　)
A.宾馆的自动门
B.工厂、电站的静电除尘
C.家用电饭煲的跳闸和保温
D.声控开关
答案　B
3.在街旁的路灯，江海里的航标都要求在夜晚亮，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.三种特性都利用
答案　B
4.(多选)(2018·苏州市模拟)如图1所示的电路中，理想变压器原、副线圈的匝数比n1∶n2＝4∶1，电阻R＝25 Ω，C为电容器，原线圈接u＝200sin (100πt) V的交流电.则(　　)

图1
A.该交流电的频率为50 Hz
B.理想交流电流表的读数为0
C.电阻R的功率为200 W
D.电容器的耐压值应大于50 V
答案　AD
5.(多选)(2018·铜山中学模拟)电子眼系统通过路面下埋设的感应线来感知汽车的压力.感应线是一个压电薄膜传感器，压电薄膜在受压时两端产生电压，压力越大电压越大，压电薄膜与电容器C和电阻R组成图2甲所示的回路.红灯亮时，如果汽车的前、后轮先后经过感应线，回路中产生两个脉冲电流，如图乙所示，即视为“闯红灯”，电子眼拍照.则红灯亮时(　　)

图2
A.某车轮经过感应线的过程中，电容器先充电后放电
B.某车轮经过感应线的过程中，电阻R上的电流先增大后减小
C.车轮停在感应线上时，电阻R上有恒定的电流
D.汽车前轮刚越过感应线，又倒回到线内，仍会被电子眼拍照
答案　AD
6.(2018·泰州中学等综合评估)如图3甲所示，理想变压器原、副线圈的匝数比为5∶1，、R和L分别是理想交流电压表、定值电阻和电感线圈，D1、D2均为灯泡.已知原线圈两端电压u按图乙所示正弦规律变化，下列说法正确的是(　　)

图3
A.电压表示数为62.2 V
B.电压u的表达式u＝311sin 100πt (V)
C.仅增大电压u的频率，电压表示数增大
D.仅增大电压u的频率，D1变亮
答案　B
解析　根据题图乙可知，原线圈电压的最大值为311 V，则有效值U1＝ V≈220 V，根据理想变压器电压与匝数成正比得：＝＝，解得：U2＝44 V，所以电压表示数为44 V，故A错误；原线圈电压的最大值为311 V，ω＝＝100π rad/s，则电压u的表达式u＝311sin 100πt (V)，故B正确；原线圈电压不变，线圈匝数不变，仅增大电压u的频率，电压表示数不变，则D1亮度不变；频率越大，电感线圈阻碍作用越大，所以D2变暗，故C、D错误.
7.(多选)(2018·江苏百校12月大联考)如图4所示为一水箱水量检测工作原理图.水箱内液面升、降情况可通过浮球的运动转换为改变电路中接入电阻的大小，最终由水量表来显示水箱中的储水量.控制电路中有一磁敏传感器A，当通过磁敏传感器A的磁通量高于设定的上限时触发电磁铁接通，电动机工作，对水箱进行补水(水路部分未画出)；当通过磁敏传感器A的磁通量低于设定的下限时电磁铁断开，电动机停止工作，下列对该原理图分析正确的有(　　)

图4
A.液面下降时，变阻器R接入电路的电阻变大
B.液面下降到一定高度时，通过磁敏传感器A的磁通量会增加至设定上限，触发电磁铁接通，电动机工作
C.水箱中存储的水越多，通过水量表的电流越大
D.水箱中存储的水越多，电池E的效率越高
答案　BD

8.(2018·泰州中学四模)如图5所示，理想变压器原、副线圈的匝数比n1∶n2＝2∶1，原线圈所接交变电压u＝25sin 100πt (V)，C为电容器，L为自感线圈，刚开始开关S断开，下列说法正确的是(　　)

图5
A.开关S闭合前，理想交流电压表示数为12.5 V
B.开关S闭合稳定后，灯泡比闭合前亮
C.只增加交变电流的频率，灯泡变亮
D.只增加交变电流的频率，理想交流电压表示数变大
答案　A
解析　电压表测的是电压有效值，由题意可知，原线圈两端电压有效值为U1＝25 V，根据变压器的电压与匝数关系可知，开关S闭合前，交流电压表示数即副线圈两端的电压：U2＝U1＝×25 V＝12.5 V，故A正确；开关S闭合稳定后，灯泡与电容器、电阻R并联，电路中的电流值增大，线圈对电路中电流的阻碍作用增大，则线圈上分担的电压增大，而U2不变，所以灯泡比闭合前暗，故B错误；交变电流的频率越大，自感线圈对交变电流的阻碍作用越大，故灯泡的亮度要变暗，故C错误；交变电流的频率对变压器的变压关系没有影响，电压表示数不变，故D错误.
9.(2018·如东县质量检测)有一种测量物体重力的电子秤，其电路原理图如图6虚线框中所示，主要由三部分构成：踏板、压力传感器R(实质上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(实质上是电流表).不计踏板的质量，已知电流表的量程为2 A，内阻为1 Ω，电源电动势为12 V，内阻为1 Ω，电阻R随压力F变化的函数关系式为R＝30－0.01F(F和R的单位分别是N和Ω).下列说法中正确的是(　　)

图6
A.该秤能测量的最大体重是2 500 N
B.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0.375 A处
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0.400 A处
D.该秤可以通过电路规律转换成F＝3 200＋关系进行刻度转换
答案　B
解析　由闭合电路欧姆定律得E＝I(r＋rg＋R)，最大电流2 A，则R最小为4 Ω，F最大为2 600 N，故A错误；F＝0时，电路总电阻为32 Ω，则此时I0＝＝ A＝0.375 A，B正确，C错误；将R＝30－0.01F代入E＝I(r＋rg＋R)，整理得F＝3 200－，D错误.
10.(2017·盐城市第三次模拟)如图7所示是“二分频”音箱内部电路，来自前级电路的电信号，被电容和电感组成的分频电路分成高频成分和低频成分，分别送到高、低音扬声器，下列说法正确的是(　　)

图7
A.C1让低频成分通过
B.L2让高频成分通过
C.扬声器BL1是低音扬声器
D.扬声器BL2是低音扬声器
答案　D
11.现要组装一个由热敏电阻控制的报警系统，要求当热敏电阻的温度达到或超过60 ℃时，系统报警.提供的器材有：热敏电阻，报警器(内阻很小，流过的电流超过Ic时就会报警)，电阻箱(最大阻值为999.9 Ω)，直流电源(输出电压为U，内阻不计)，滑动变阻器R1(最大阻值为1 000 Ω)，滑动变阻器R2(最大阻值为2 000 Ω)，单刀双掷开关一个，导线若干.
在室温下对系统进行调节.已知U约为18 V，Ic约为10 mA；流过报警器的电流超过20 mA时，报警器可能损坏；该热敏电阻的阻值随温度升高而减小，在60 ℃时阻值为650.0 Ω.
(1)在图8中完成待调节的报警系统原理电路图的连线.

图8
(2)电路中应选用滑动变阻器 (填“R1”或“R2”).
(3)按照下列步骤调节此报警系统：
①电路接通前，需将电阻箱调到一固定的阻值，根据实验要求，这一阻值为 Ω；滑动变阻器的滑片置于 (填“a”或“b”)端附近，不能置于另一端的原因是 .
②将开关向 (填“c”或“d”)端闭合，缓慢移动滑动变阻器的滑片，直至 .
(4)保持滑动变阻器滑片的位置不变，将开关向另一端闭合，报警系统即可正常使用.
答案　(1)见解析图　(2)R2
(3)①650.0　b　接通电源后，流过报警器的电流会超过20 mA，报警器可能损坏　②c　报警器开始报警
解析　(1)先用电阻箱替代热敏电阻，连接成闭合回路进行调试.电路图连接如图所示.

(2)当电路中电流Ic＝10 mA时，根据闭合电路欧姆定律有Ic＝，解得R总＝1 800 Ω，此时热敏电阻的阻值为650.0 Ω，则滑动变阻器的阻值为1 150 Ω，所以滑动变阻器选R2.
(3)①当热敏电阻阻值小于或等于650.0 Ω时，报警器就会报警，用电阻箱替代热敏电阻进行调节，应把电阻箱的阻值调到650.0 Ω.若接通电源后电路中的电流过大(超过20 mA)，报警器就会损坏，电流越小越安全，所以为了电路安全，闭合开关前滑片应置于b端.
②用电阻箱替代热敏电阻进行调试，应将开关向c端闭合，开关闭合后要减小电路中的电阻，直至报警器报警.