1、认识传感器常见传感器的工作原理及应用(25分钟60分)一、选择题(本题共6小题,每题8分,共48分)1.如图所示,在电路中接一段铜丝,闭合开关,灯泡正常发光,当用酒精灯给铜丝加热时灯泡亮度明显变暗,根据铜丝的上述特性,可用铜丝来制作一个温度传感器,下面的说法中不正确的是()A.该传感器利用了铜丝的物理性质B.该传感器利用了铜丝电阻随温度变化而变化的特性C.该传感器能够把热学量(温度)转换为电学量(电阻)D.该传感器能够把电学量(电阻)转换为热学量(温度)【解析】选D。由题目中的实验现象可知,铜丝的电阻随温度的升高而增大,随温度的降低而减小,利用该特性可以制成温度传感器,传感器能够把温度这个热学
2、量转换为电阻这个电学量,故A、B、C正确,D错误。【补偿训练】下列关于传感器说法正确的是()A.干簧管接入电路中相当于电阻的作用B.霍尔元件能够把磁学量(如磁感应强度)转化为电学量(如电压)C.光敏电阻随光照强度增加电阻增大D.热敏电阻的阻值随温度的升高而升高【解析】选B。干簧管接入电路中相当于开关的作用,所以A错误;霍尔元件将磁学量转化为电学量,所以B正确;光敏电阻随光照强度增加电阻减小,所以C错误;热敏电阻的阻值随温度的升高而减小,所以D错误。2.某楼梯口的电灯开关装有传感器,天黑时,出现声音才能发光,而白天即使有声音,电灯也不能发光,该开关中有两种传感器,它们可能是()A.热敏电阻和光敏
3、电阻B.金属热电阻和光敏电阻C.热敏电阻和霍尔元件D.光敏电阻和驻极体话筒【解析】选D。两种传感器分别把声音信号转换为电信号、把光信号转换为电信号,所以选项D正确。3.如图是智能称重地磅,它使用方便快捷、计量精度高、反应速度灵敏、移动方便,这种地磅安装了应变式力传感器,下列关于应变式力传感器的说法不正确的是()A.应变片是由半导体材料制成B.当应变片的表面拉伸时,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】选C。应变片多用半导体材料制成,故选项A正确;当应变片拉伸时,其电阻变大,故选项B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
4、外力的增大,输出的电压差值也就越大,故C错误,D正确。本题选错误的,故选C。4.如图所示的电路中,电源两端的电压恒定,L为小灯泡,R为光敏电阻,LED为发光二极管(电流越大,发出的光越强),且R与LED间距不变,下列说法中正确的是()A.当滑动触头P向左移动时,L消耗的功率增大B.当滑动触头P向左移动时,L消耗的功率减小C.当滑动触头P向右移动时,L消耗的功率可能不变D.无论怎样移动触头P,L消耗的功率都不变【解析】选A。从图中可知,当P向左滑动时,滑动变阻器连入电路的电阻减小,由于电源两端的电压恒定,即两并联支路的电压恒定,所以有二极管支路的总电阻减小,故通过二极管的电流增加,光照强度增加,
5、从而导致光敏电阻上的光照增强,光敏电阻的阻值R减小,所以根据公式UL=RL=,灯泡两端的电压增加,故再根据公式P=可得L消耗的功率增加,A正确,B错误;当P向右滑动时,滑动变阻器连入电路的电阻增加,由于电源两端的电压恒定,即两并联支路的电压恒定,所以有二极管支路的总电阻增加,故通过二极管的电流减小,光照强度减小,从而导致光敏电阻上的光照减弱,光敏电阻的阻值R增加,所灯泡两端的电压减小,可得L消耗的功率减小,C、D错误。5.如图所示,M是一小型理想变压器,接线柱a、b接在电压u=311sin 134t(V)的正弦交流电源上,变压器右侧部分为一火警报警系统原理图,其中R2为用半导体热敏材料制成的传
6、感器,电流表A2为值班室的显示器,显示通过R1的电流,电压表V2显示加在报警器上的电压(报警器未画出),R3为一定值电阻,当传感器R2所在处出现火情时,以下说法中正确的是()A.A1的示数不变,A2的示数增大B.A1的示数增大,A2的示数增大C.V1的示数增大,V2的示数增大D.V1的示数不变,V2的示数减小【解析】选D。当传感器R2所在处出现火情时,R2的电阻减小,导致电路的总电阻减小,所以电路中的总电流将会增大,A1测量的是原线圈中的总的电流,由于副线圈的电流增大了,所以原线圈的电流A1示数也要增大;由于电源的电压不变,原副线圈的电压也不变,所以V1的示数不变,由于副线圈中电流增大,R3的
7、电压变大,所以V2的示数要减小,即R1的电压也要减小,所以A2的示数要减小,A、B、C错误,D正确。6.抗击新型冠状病毒期间,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 ,ab是一根长为5 cm的均匀电阻丝,阻值R1=25 ,电源输出电压恒为U=3 V,理想电流表的量程为00.6 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
8、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0400 N【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=kx,则x=4 cm,对应的电阻为RaP=20 ,R1接入电路的电阻RPb=5 ,由欧姆定律得,I=0.3 A,故选项B正确,C错误;在P移动到b点时x=5 cm,由F=kx,拉力最大,F=500 N,故选项D错误。【总结提升】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
9、时,注意欧姆定律及分压原理的应用。二、非选择题(12分。要有必要的文字说明和解题步骤,有数值计算的要标明单位)7.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(g取10 m/s2)。(1)若传感器a的示数为14 N,传感器b的示
10、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
11、/s2向右(2)大小为10 m/s2,方向向左(15分钟40分)8.(8分)(多选)某仪器内部的电路如图所示,其中M是一个质量较大的金属块,左右两端分别与金属丝制作的弹簧相连,并套在光滑水平细杆上,当金属块处于平衡时两根弹簧均处于原长状态,此时两灯均不亮。若将该仪器固定在一辆汽车上,则下列说法正确的是()A.当汽车加速前进时,甲灯亮B.当汽车加速前进时,乙灯亮C.当汽车刹车时,甲灯亮D.当汽车刹车时,乙灯亮【解析】选B、C。汽车加速前进时,M与左边触点接触,乙灯亮,所以B正确;当汽车刹车时,M与右边触点接触,甲灯亮,所以C正确。9.(8分)(多选)如图甲所示是利用硫化镉制成的光敏电阻自动计数的
12、示意图,其中A是发光仪器,B是光敏电阻(光照时电阻会变小),电源的内阻较大,电压表记录数据传给控制器。成品包装车间的光传感记录器输出一个电信号,并在屏幕上显示出电信号与时间的关系,如图乙所示。若传送带始终匀速运动,每两个工件间的距离为0.2 m,则下述说法正确的是()A.传送带运动的速度是0.1 m/sB.传送带运动的速度是0.2 m/sC.该传送带每小时输送3 600个工件D.该传送带每小时输送7 200个工件【解析】选B、C。有工件通过时,挡住A射向光传感器B的光,B的电阻增大,输出一个高电压,故知两相邻工件通过时间t=1 s,传送带的速度v= m/s=0.2 m/s。每小时传送工件3 6
13、00个。10.(8分)(多选)如图所示是一种自动控制水温的装置,P、Q是加热电路的两个触头,M、N是热敏电阻的两个触头,则下列说法正确的是()A.P、Q应接在a、b之间B.P、Q应接在c、d之间C.M、N应接在e、f之间D.M、N应接在c、d之间【解析】选A、C。P、Q应该分别接在触头a、b之间,同时,M、N应该分别接e、f。其工作原理是当水温升高时,热敏电阻阻值减小,电磁铁中电流增大,吸引力增大,使衔铁被吸下,a、b断开,使加热装置停止加热;当水温降低到一定程度时,热敏电阻温度减小,电磁铁中电流减小,吸引力减小,衔铁被弹簧拉上去,使a、b之间连接,加热装置开始加热,从而实现控制水温,故A、C
14、正确。【补偿训练】(多选)如图是某电子秤的原理图,人只要站在踏板上,仪表G就能显示人的体重,踏板下面的传感器R实质是一个阻值可随压力大小而变化的电阻,显示体重的仪表G实质是理想电流表,如果不计踏板的质量,电阻R随人的体重G变化的函数关系式为R=a-kG(a、k是常量,G和R的单位分别是N和),下列说法正确的是()A.传感器R是一个力电传感器B.闭合电路测量时,电路中的电流随人的体重均匀变化C.该秤零刻度线(即踏板空载时的刻度线)应标在电流表G刻度盘的零刻度处D.如果要扩大电子秤的量程,滑动变阻器R接入电路中的电阻应调大【解析】选A、D。根据闭合电路欧姆定律列式得到电流的表达式和量程的表达式进行
15、讨论即可,R是将压力信号换成电信号的传感器,即力电传感器,故A正确;闭合电路测量时,电路中的电流:I=,显然与人的体重不成线性关系,故B错误;当重力为零时,电流最小,但不为零,故C错误;由Ig=可知,kGm=a+r+R-,因此变阻器接入电路中的电阻调大,可以测量的人的最大体重增大,故D正确。11.(16分)如图所示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,若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
16、将显示物体重力的大小。已知弹簧的劲度系数为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离A的距离x1。(2)托盘上放有质量为m的物体时,P1离A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。【解题指南】解答本题应注意两点:(1)托盘的移动带动P1移动,使P1、P2间出现电势差。(2)电势差的大小反映了托盘向下移动距离的大小,由于R为均匀的滑线电阻,则其阻值与长度成正比。【解析】 (1)由力的平衡知识知:m0g=kx1,解得x1=。(2)放上重物重新平衡后m0g+mg=kx2解得x2=。(3)由闭合电路欧姆定律知E=IR由部分电路欧姆定律:U=IR串由题图知=其中x为P1、P2间的距离,则x=x2-x1=联立解得m=U。答案:(1)(2)(3)m=U