高考物理专题综合复习19 21页

高考综合复习——传感器和简单的逻辑电路专题复习 总体感知 知识网络 ‎ ‎ 命题规律高考资源网 传感器是现行教材新课程标准新增加的内容，本专题的知识与我们的生活息息相关，传感器是自动化控制装置中不可缺少的器件，在信息技术高速发展和电子计算机广泛应用的今天，传感器发挥着越来越重要的作用，本部分知识易与实际问题相联系，具有很高的实用性，因此今后将是高考的热点之一。 传感器为力学、电学、磁学的一个大综合，通过传感器把它们联系在了一起，特别是简单电路的设计，不论是对敏感元件基础知识的检查，还是器材的组装、调试、器材连接、电路设计，考的既具体又灵活。 传感器虽是新增内容，实际上有关传感器的题目在各地高考中已多次出现，多数题是以情景题出现，考查学生的归纳理解能力。近年来高考特别重视动手能力的考查，而不局限于只会做题，更注意于考生的研究方法和创新思维。 复习策略 1．应知道求解传感器问题的思路 传感器问题具有涉及的知识点多、综合性强、能力要求高等特点，而传感器的形式又多种多样，有的原理甚至较难理解。但不管怎样，搞清传感器的工作原理及过程是求解问题的关键。因此，求解时必须结合题目提供的所有信息，认真分析传感器所在的电路结构，这样才能对题目的要求作出解释或回答。另外，平时应多注意实际生产、生活中的一些实例，多一些思考，多动一下手，多查一下资料，开阔自己的视野，丰富自己的经验，做到学以致用、活学活用的目的。 2．特别注意加速度计与加速度传感器 ‎ 加速度传感器实际上是变式加速度计，它将加速度信号转换为电压信号输出，该传感器可以制作成振动传感器（因为振动物体的加速度一般不为零），振动传感器可以广泛地应用在报警、测量等领域（如汽车、摩托车防盗报警器等）。 第一部分 传感器、简单的逻辑电路及其应用 知识要点梳理 知识点一——传感器 ▲知识梳理 1．传感器 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，把非电学量转换成电学量以后，就可以很方便地进行测量、传输、处理和控制了。 2．制作传感器的敏感元件 （1）光敏电阻 光敏电阻的材料是一种半导体，无光照时，载流子极少，导电性能不好；随着光照的增强，载流子增多，导电性变好。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。 （2）热敏电阻和金属热电阻 ①热敏电阻：指用半导体材料制成，其阻值随温度变化发生明显变化的电阻。如图为某热敏电阻的阻值——温度特性曲线。 ②金属热电阻：有些金属的电阻率随温度的升高而增加，这样的电阻也可以制作温度传感器。 热敏电阻和金属热电阻都能够把温度这个热学量转换成电学量（电阻），但热敏电阻的灵敏度较好。 特别提醒：热敏电阻的阻值随温度的升高不一定减小，对正温度系数的热敏电阻（PTC）其阻值随温度的升高而增大，而负温度系数的热敏电阻其阻值随温度的升高而减小。 （3）电容式位移传感器 能够把物体位移这个力学量转换为电容这个电学量。 （4）霍尔元件w。w-w*k&s%5￥u 把磁感应强度这个磁学量转化为电压这个电学量，产生的电压称为霍尔电压，式中的d为薄片的厚度，k为霍尔系数，与薄片的材料有关。 ▲疑难导析 1、关于传感器的分类 ‎ 序号 分类方法 传感器的种类 说明 ‎1‎ 按输入量分类 传感器以被测物理量命名 位移传感器、速度传感器、温度传感器、压力传感器等 ‎2‎ 按工作原理分类 应变式、电容式、电感式、热电式、电压式 传感器以工作原理命名 ‎3‎ 按物理现象分类 结构型传感器 传感器依赖其结构参数的变化实现信息转换 特性型传感器 传感器依赖其敏感元件物理特征的变化实现信息转换 ‎4‎ 按能量关系分类 能量转换型传感器 传感器直接将被测量的能量转换为输出的能量 能量控制型传感器 由外部供给传感器能量，而由被测量来控制输出的能量 ‎5‎ 按输出信号分类 模拟式传感器 输出为模拟量 数字式传感器 输出为数字量 ‎ 2、如何求解传感器问题 传感器问题具有涉及的知识点多、综合性强、能力要求高等特点，而传感器的形式又多种多样，有的原理甚至较难理解。但不管怎样，搞清传感器的工作原理及过程是求解问题的关键。因此，求解时必须结合题目提供的所有信息，认真分析传感器所在的电路结构，这样才能对题目的要求作出解释或回答。另外，平时多应注意实际生产、生活中的一些实例，多一些思考，多动一下手，多查一下资料，开阔自己的视野，丰富自己的经验，做到学以致用、活学活用的目的。 3、传感器的一般应用模式 传感器是将所感受到的物理量（如力、热、光等）转换成便于测量的量（一般是电学量）的一类元件。其工作过程是：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，一般由敏感元件、转换器件、转换电路三个部分组成，如图所示。 例如，许多食品加工设备（如电烤箱）都要控制在一定的温度范围内工作，可使食品味道鲜美且不失养分，如图所示的控制电路，开始工作时，温度较低，阻值较小，继电器吸合，A与C接通，电热丝L通电加热，达到一定温度时，电阻增大，继电器放开，A与B接通，灯亮铃响，停止加热，温度降低到某一值时，继电器又吸合，A与C接通，又开始加热……如此反复，维持在一定的温度范围（～）内。 空调、电冰箱就是利用这一原理维持在一定温度范围内的。 再例如，如图所示是利用光敏电阻自动计数的示意图，其中A是发光仪器，B是接收光信号的仪器，B中的主要元件是光电传感器——光敏电阻。 当传送带上没有物品挡住由A射向B的光信号时，光敏电阻的阻值变小，供给信号处理系统的电压变低；当传送带上有物品挡住由A射向B的信号时，光敏电阻的电阻变大，供给信号处理系统的电压变高。这种高低交替变化的信号经过信号处理系统的处理，就会自动将其转化为相应的数字，实现自动计数的功能。 ：有定值电阻、热敏电阻、光敏电阻三只元件，将这三只元件分别接入如图所示电路中的A、B两点后，用黑纸包住元件或者把元件置入热水中，观察欧姆表的示数，下列说法中正确的是（ ） A．置入热水中与不置入热水中相比，欧姆表示数变化较大，这只元件一定是热敏电阻 B ‎．置入热水中与不置入热水中相比，欧姆表示数不变化，这只元件一定是定值电阻 C．用黑纸包住元件与不用黑纸包住元件相比，欧姆表示数变化较大，这只元件一定是光敏电阻 D．用黑纸包住元件与不用黑纸包住元件相比，欧姆表示数相同，这只元件一定是定值电阻 答案：AC 解析：热敏电阻的阻值随温度变化而变化，定值电阻和光敏电阻不随温度变化；光敏电阻的阻值随光照变化而变化，定值电阻和热敏电阻不随之变化。 知识点二——传感器的应用 ▲知识梳理 1．力传感器的应用——电子秤 （1）力传感器 我们经常见到的电子秤所使用的测力装置是力传感器，常用的一种力传感器是由金属架和应变片组成的，应变片是一种敏感元件，现在大多用半导体材料制成。 （2）工作原理 如图所示，弹性钢制成的梁形元件上、下表面各贴一个应变片，在梁的自由端施加F，则梁发生弯曲，上表面拉伸而使电阻增大，下表面压缩而使电阻减小，如果让应变片中通过的电流保持恒定，那么上、下应变片两端产生了一个电压差，传感器把这个电压差值输出，外力越大，输出的电压差值也就越大。 2．声传感器的应用――话筒 （1）话筒 话筒是一种常用的声传感器，类型虽多，但其作用都是将声信号转换为电信号。常见类型有：动圈式话筒、电容式话筒、驻极体话筒。 （2）电容式话筒的工作原理 如图所示，金属膜片M和固定电极N形成一个电容器，被直流电源充电，当声波使膜片振动时，电容发生变化，电路中形成变化的电流。于是电阻R两端就输出了与声音变化规律相同的电压。 （3）动圈式话筒的工作原理 如 图所示是动圈式话筒的构造原理图，它是利用电磁感应现象制成的。当声波使金属膜片振动时，连接在膜片上的线圈（叫做音圈）随着一起振动。音圈在永磁铁的磁场里振动，其中就产生感应电流（电信号）。感应电流的大小和方向都变化，振幅和频率的变化由声波决定。这个信号电流经扩音器放大后传给扬声器，从扬声器中就发出放大的声音。 特别提醒：动圈式话筒和电容式话筒的工作原理不同，要搞清它们的区别和联系。 3．温度传感器的应用 温度传感器一般由半导体材料制成的热敏电阻和金属热电阻制成。它可以把热信号转换为电信号进行自动控制。 （1）电熨斗 如图所示，内部装有双金属片温度传感器，双金属片的上部金属膨胀系数大，下部金属膨胀系数小，则双金属片受热向下弯曲，使触点分离，从而切断电源停止加热，温度降低后，双金属片恢复原状，重新接通电路加热，这样循环进行，起到自动控制温度的作用。 特别提醒：熨烫棉麻衣物和熨烫丝绸衣物需要设定不同的温度，此时可通过调温旋钮调节升降螺丝，升降螺丝带动弹性铜片升降，从而改变触点接触的难易，达到控制在不同温度的目的。 （2）电饭锅 主要元件是感温铁氧体，常温下具有铁磁性，能够被磁体吸引，接通电源，但是当上升到约‎103℃‎的“居里温度”时，就失去了铁磁性，不能被磁体吸引了，在弹簧作用下，永磁体被弹开，触点分离，切断电源从而停止加热。 特别提醒：如果用电饭锅烧水，在水沸腾后因水温保持在‎100℃‎，故不能自动断电，只有水烧干后，温度升高到‎103℃‎才能自动断电。 （3）测温仪 测温仪可以把温度转换成电信号，由指针式仪表或数字式仪表显示出来，由于电信号可以由测温地点传输到其他地方，所以应用温度传感器可以远距离读取温度的数值。 测温元件可以是热敏电阻、金属热电阻、热电偶、红外线、敏感元件等。 4．光传感器的应用 （1）机械式鼠标 鼠 标器移动时，滚球运动通过滚轴带动两个码盘转动，红外接收管就收到断续的红外线脉冲，输出相应的电脉冲信号，计算机分别统计x、y两个方向的脉冲信号，处理后就使屏幕上的光标产生相应的位移。 （2）火灾报警器 如图为利用烟雾对光的散射来工作的一种火灾报警器，其工作原理是：带孔的罩子内装有发光二极管LED，光电三极管和不透明的挡板，平时，光电三极管收不到LED发出的光，呈现高电阻状态，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。 ▲疑难导析 霍尔效应与霍尔元件 如图所示，厚度为h，宽度为d的导体放在与电流垂直、磁感应强度为B的均匀磁场中。当电流通过导体时，在导体的上侧面A和下侧面之间会产生电势差。由于这种现象是1879年美国物理学家E·H·霍尔观察到的，所以这种现象被称为霍尔效应。 实验表明， 当磁场不太强时，电势差U、电流I和磁感应强度B的关系式，式中的比例系数称为霍尔系数。 霍尔效应可解释如下：外部磁场的洛仑兹力使运动的电子聚集在导体板的一侧，在导体板的另一侧会出现多余的正电荷，从而形成横向电场。横向电场对电子施加与洛仑兹力方向相反的静电力。当静电力与洛仑兹力达到平衡时，导体板上下两侧面之间会形成稳定的电势差。 霍尔电压关系式的导出过程如下： 又根据电流强度的微观表达式 故， 其中为单位体积内的自由电荷数，为载流子电量，对于固定的材料而言为定值， 若令，则。 霍尔效应广泛应用于半导体的测试中。例如用霍尔效应来确定一种半导体的材料是电子型还是空穴型。半导体内载流子的浓度受温度、杂质以及其他因素的影响很大，因此霍尔效应为研究导体载流子浓度的变化提供了重要的方法。 利 用霍尔效应做成的霍尔元件有很多方面的用途：例如测量磁场；测量直流和交流电路中的电流强度和功率；转换信号，如把直流电流转换成交流电流并对它进行调制，放大直流或交流信号等。 ：关于电子秤中应变式力传感器的说法正确的是（ ） A．应变片是由导体材料制成的 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 答案：BD 解析：应变片多用半导体材料制成，故选项A错、B对。传感器输出的是上、下两应变片上的电压差，并且随着外力的增大，输出的电压差值也就越大，故C错，D对。 知识点三——简单的逻辑电路 ▲知识梳理 一、简单的逻辑电路 1．“与”门电路 （1）“与”逻辑关系：有两个（或多个）控制条件作用会产生一个结果，当两个（或多个）条件都满足时，结果才会成立，这种关系称为“与”逻辑关系。 （2）“与”门电路：满足“与”逻辑关系的电路称为“与”门电路。 （3）“与”门的逻辑符号：见图。 （4）“与”门反映的逻辑关系：Y=A×B。“与”门的真值表可由此关系填写。 （5）“与”门电路的特点：当输入都为“‎0”‎时，输出为“‎0”‎；当一个输入为“‎0”‎，另一个输入为“‎1”‎时，输出为“‎0”‎；当输入都为“‎1”‎时，输出为“‎1”‎。 2．“或”门电路 （1）“或”逻辑关系：在几个控制条件中，只要有一个条件得到满足，结果就会发生这种关系称为“或”逻辑关系。 （2）“或”门电路：满足“或”逻辑关系的电路称为“或”门电路。 （3）“或”门的逻辑符号：见图。 （4）“或”门反映的逻辑关系：Y=A＋B。“或”门的真值表可由此关系填写。 （5）“或”门电路的特点：当输入都为“‎0”‎时，输出为“‎0”‎；当一个输入为“‎0”‎，另一个输入为“‎1”‎时，输出为“‎1”‎；当输入都为“‎1”‎时，输出为“‎1”‎。 3．“非”门电路 （1）“非”逻辑关系：输出状态和输入状态成相反的逻辑关系，叫做“非”逻辑。 （2）“非”门电路：满足“非”逻辑关系的电路称为“非”门电路。 ‎ ‎ （3）“非”门的逻辑符号：见图。 （4）“非”门反映的逻辑关系：，表示Y与A状态相反．“非”门真值表可由此关系填写。 （5）“非”门电路的特点：当输入为“‎0”‎时，输出为“‎1”‎；当输入为“‎1”‎时，输出为“‎0”‎；“非”门的逻辑符号的“o”表示反相（又叫反相圈）。 二、斯密特触发器 如图所示，这种“非”门由于性能特别，称为斯密特触发器．当加在它的输入端A的电压逐渐上升到某个值（1.6 V）时，输出端Y会突然从高电平跳到低电平（0.25 V），而当输入端A的电压下降到另一个值（0.8 V）的时候，Y会从低电平跳到高电平（3.4 V）。斯密特触发器可以将连续变化的模拟信号转换为突变的数字信号，而这正是进行光控所需要的。 特别提醒： （1）斯密特触发器是一种“非”门，当输入端电压上升（下降）到某值时，输出端电压会从高电平跳到低电平（低电平跳到高电平）。 （2）斯密特触发器一般应用于光控开关或温度报警器，电路中有一光敏电阻或热敏电阻用于改变输入端电压。 ▲疑难导析 一、对逻辑关系的理解 1．对“与”逻辑关系的理解 （1）生活中的“与”逻辑关系：某单位财务室为了安全，规定不准一个人（甲或乙）单独进入。为此，在门上安装了两把锁。只有甲与乙两个人同时打开各自的锁时，门才打开。它体现了“与”逻辑关系。 （2）“与”逻辑电路 （3）“与”门的真值表 2．对“或”逻辑关系的理解 ‎ （1）生活中的“或”逻辑关系：某寝室的4名同学每人都配了一把门钥匙，各人都可以用自己的钥匙单独开门，它体现了“或”逻辑关系。 （2）“或”逻辑电路 （3）“或”门的真值表 3．对“非”逻辑关系的理解 （1）“非”逻辑电路 （2）“非”门的真值表 二、逻辑电路与传感器的应用举例 1．光控开关 如图是光控电路的工作原理示意图。白天，光照强度较大，光敏电阻 电阻值较小，加在斯密特触发器A端的电压较低，则输出端Y输出高电平，发光二极管LED不导通，当天色暗到一定程度时， 的阻值增大到一定值，斯密特触发器的输入端A的电压上升到某个值 （1.6 V)，输出端 Y 突然从高电平跳到低电平 （0.25 V），则发光二极管LED 导通发光（相当于路灯亮了），这样就达到了使路灯天明熄灭，天暗自动开启的目的。 特别提醒：要想在天更暗时路灯才会亮，应该把的阻值调大些，这样要使斯密特触发器的输入端A电压达到某个值（如1.6V），就需要 的阻值达到更大，即天色更暗。 2．温度报警器 电路原理图如图所示，常温下，调整的阻值使斯密特触发器的输入端A处于低电平，则输出端Y处于高电平，无电流通过蜂鸣器，蜂鸣器不发声。当温度升高时热敏电阻阻值减小，斯密特触发器输入端A电势升高，达到某一值（高电平），其输出端由高电平跳到低电平，蜂鸣器通电，从而发出报警声。的阻值不同，则报警温度不同。 特别提醒：要使热敏电阻在感测到更高的温度时才报警，应减小的阻值，阻值越小，要使斯密特触发器输入端达到高电平，则热敏电阻阻值要求越小，即温度越高。 ：楼梯过道中的电灯往往是楼上楼下两个开关都能控制，试设计出这种电路图。设高电压为“‎1”‎，低电压“‎0”‎试讨论灯泡的亮暗情况，并列出真值表。 解析：控制电路如图所示，输出Y定义为：“‎1”‎代表灯亮，“‎0”‎代表灯暗．真值表如表所示。 典型例题透析 题型一——敏感元件的特性 金属电阻的阻值随温度的升高而增大，也叫正温度系数热敏电阻；半导体材料做成的热敏电阻的阻值随温度的升高而减小，也叫负温度系数热敏电阻。 光敏电阻的阻值随光强的增大而减小。 1、如图所示，将多用电表的选择开关置于“欧姆”挡，再将电表的两支表笔与负温度系数的热敏电阻（负温度系数热敏电阻是指阻值随温度的升高而减小的热敏电阻）的两端相连，这时表针恰好指在刻度盘的正中间。若往上擦一些酒精，表针将向______（填“左”或“右”）移动；若用吹风机将热风吹向电阻，表针将向______（填“左”或“右”）移动。 思路点拨：负温度系数的热敏电阻其阻值随温度的升高而减小，往上擦酒精或吹热风会引起温度变化，从而使其阻值发生变化，引起多用电表指针的移动。 解析：若往上擦一些酒精，由于酒精蒸发吸热，热敏电阻 温度降低，电阻值增大，所以电流减小，指针应向左偏；用吹风机将热风吹向电阻，电阻温度升高，电阻值减小，电流增大，指针向右偏。 答案：左；右 总结升华：理解负温度系数热敏电阻的阻值随温度的升高而减小是解决问题的关键。 举一反三 【变式】如图所示，将多用电表的选择开关置于“欧姆”挡，再将电表的两支表笔分别与光敏电阻R的两端相连，这时表针恰好指在刻度盘的正中间。若用不透光的黑纸将R包裹起来，表针将向_____（填“左”或“右”）转动；若用手电筒光照射R，表针将向______（填“左”或“右”）转动。 答案：左；右高考资源网 解析：用不透光的黑纸将光敏电阻R包裹起来，电阻值增大，所以电流减小，指针应向左偏；用手电筒光照射R，电阻值减小，电流增大，指针向右偏。 题型二——逻辑电路 掌握门电路的逻辑关系，要立足于门电路的类比实例，使抽象的逻辑关系建立在客观事实上，反之逻辑关系又是通过真值表判断电路种类的依据。 2、一个微弱的磁场变化可以在巨磁电阻系统中产生很大的电阻变化，物理探究小组利用“巨磁电阻”效应制作了一个磁报警器，电路如图所示，其中门电路为非门元件。 （1）简述该磁场报警器实验原理； （2）怎样能够使磁敏电阻在检测到更强的磁场时才报警? 思路点拨：本题以磁报警器为背景命题，考查考生的探究和应用能力。 解析： （1）是—个磁敏电阻，磁场强时, 电阻值很小，这时输入端A为高电平，接入非门元件后，输出端Y应为低电平，电铃两端有电势差，被接通报警。 （2）磁敏电阻在更强的磁场时，的阻值很小，调节的阻值较小，即可使输入端A为较低电平，输出端Y为高电平，电铃不通。 总结升华：‎ 在平时学习中，要有意识地进行这一类高新科技新信息的探究训练，提高自己的探究能力和自身的科学素养。 举一反三 【变式】如图所示，试判断这是一个什么逻辑门电路。A、B、C闭合时记“‎1”‎，断开时记“‎0”‎；P灯亮记“‎1”‎不亮记“‎0”‎。试完成如下真值表。 ‎ 输入 输出 A B C ‎　‎ ‎0‎ ‎0‎ ‎0‎ ‎　‎ ‎0‎ ‎0‎ ‎1‎ ‎　‎ ‎0‎ ‎1‎ ‎0‎ ‎　‎ ‎0‎ ‎1‎ ‎1‎ ‎　‎ ‎1‎ ‎0‎ ‎1‎ ‎　‎ ‎1‎ ‎1‎ ‎0‎ ‎　‎ ‎1‎ ‎1‎ ‎1‎ ‎　‎ ‎ 解析：由图可知，开关A、B、C只要有一个闭合时，灯泡便亮．所以这个电路满足“或”门电路逻辑。即当几个条件中只要有一个或一个以上具备就能出现某一结果，所以这是一个“或”门电路。其真值表如下表所示：‎ 输入 输出 A B C P ‎0‎ ‎0‎ ‎0‎ ‎0‎ ‎0‎ ‎0‎ ‎1‎ ‎1‎ ‎0‎ ‎1‎ ‎0‎ ‎1‎ ‎0‎ ‎1‎ ‎1‎ ‎1‎ ‎1‎ ‎0‎ ‎1‎ ‎1‎ ‎1‎ ‎1‎ ‎0‎ ‎1‎ ‎1‎ ‎1‎ ‎1‎ ‎1‎ ‎ 题型三——温度传感器的应用 温 度传感器一般由半导体材料制成的热敏电阻和金属热电阻制成。它可以把热信号转换为电信号进行自动控制。 3、如图是电饭煲的电路图，是一个控温开关，手动闭合后，当此开关温度达到居里点（‎103℃‎）时，会自动断开．是一个自动控温开关，当温度低于‎70℃‎时，会自动闭合；温度高于‎80℃‎时，会自动断开。红灯是加热时的指示灯，黄灯是保温时的指示灯，分流电阻500Ω，加热电阻丝50Ω，两灯电阻不计。 （1）分析电饭煲的工作原理。 （2）计算加热和保温两种状态下，电饭煲消耗的电功率之比。 思路点拨：电饭煲的原理是利用其内部感温磁体在居里温度（‎103℃‎）前后磁性的有无来控制开关的闭合。两种状态下消耗的功率之比可根据串、并联的特点结合功率计算公式求得。 解析： （1）电饭煲盛上食物后，接上电源，自动闭合，同时手动闭合，这时黄灯短路，红灯亮，电饭煲处于加热状态；加热到‎80℃‎时，自动断开，仍闭合；水烧开后，温度升高到‎103℃‎时，开关自动断开，这时饭已煮熟，黄灯亮，电饭煲处于保温状态。由于散热，待温度降至‎70℃‎时，自动闭合，电饭煲重新加热，温度达到‎80℃‎时，又自动断开，再次处于保温状态。 （2）加热电饭煲消耗的电功率，保温时电饭煲消耗的电功率， 两式中Ω 从而有 拓展：如果不闭合开关，能将饭煮熟吗？（如果不闭合开关，开始总是闭合的，被短路，功率为，当温度上升到‎80℃‎时，自动断开，功率降为，温度降低到‎70℃‎，自动闭合…温度只能在‎70℃‎～‎80℃‎之间变化，不能把水烧开，不能煮熟饭。） 举一反三 【变式】温度传感器广泛应用于室内空调、电冰箱和微波炉等家电产品中，它是利用热敏电阻的阻值随温度而变化的特性工作的．在图甲中，电源的电动势E=9.0 V，内电阻可忽略不计；G为灵敏电流表，内阻保持不变；R为热敏电阻，其电阻值与温度的变化关系如图乙的R－t图线所示，闭合开关，当R的温度等于‎20℃‎时，电流表示数= 2‎ ‎ mA；当电流表的示数=3.6mA时，热敏电阻R的温度是多少_________℃？ 解析： 从图乙查得t=‎20℃‎时，R的阻值为4 kΩ 由，得0. 5 kΩ 当时，热敏电阻的阻值为， 则2. 0 kΩ 从图中查得此时对应的温度为=‎120℃‎。 题型四——力传感器的应用 应变式力传感器，是根据应变片受力弯曲后，应变片拉伸和挤压的两个面电阻分别增大和减小，通过恒定电流时，相应电压分别变大和变小，这两个电压的差值随外力的增大而增大。从原理上讲，能将受力情况转化为电信号的装置均可看作力传感器。 4、如图是某同学在科技制作活动中自制的电子秤原理图。利用电压表（内电阻很大）的示数来指示物体的质量。托盘与电阻可忽略的弹簧相连，托盘与弹簧的质量均不计。滑动变阻器的滑动端与弹簧上端连接，当托盘中没有放物体时，电压表的示数为零。设变阻器的总电阻为R，总长度为L，电源电动势为E，内阻为r，限流电阻为，弹簧的劲度系数为k。若不计一切摩擦和其他阻力。求出电压表示数与所称物体质量m的关系式。 思路点拨：物体质量的变化会引起弹簧形变量的改变，从而使R接入电路中的阻值发生变化，引起电路中的电流发生改变，从而使电压表的读数发生变化。所以与m的关系式可由胡克定律，全电路及部分电路欧姆定律求解。 解析：由胡克定律知，R连入电路中的有效电阻， 根据闭合电路的欧姆定律可知， 则 ‎。 拓展： （1）上题中电压与被测物体的质量m是否成正比，是否有利于制作刻度？ （2）为有利于制作刻度，如何通过改造电路使与m成正比。 分析： （1）不成正比，不利于制作刻度。 （2）改进后的电路如图所示。 。 举一反三 【变式】杂技演员在进行“顶杆”表演时，用的是一根质量可忽略不计的长竹竿，质量为‎30kg的演员自杆顶由静止开始下滑，滑到杆底时速度正好为零。已知竹竿底部与下面顶杆人肩部之间有一传感器，传感器显示顶杆人肩部的受力情况如图所示，取g= 10。求： （1）杆上的人下滑过程中的最大速度； （2）竹竿的长度。 解析： （1）以人为研究对象，人加速下滑过程中受重力mg和杆对人的作用力， 由题图可知，人加速下滑过程中杆对人的作用力为180 N。 由牛顿第二定律得mg－=ma，则a=4 1s末人的速度达到最大，则v= a=‎4 m/s （2）加速下降时位移为：=‎2 m 减速下降时，由动能定理得 代入数据解得。 第二部分 实验：传感器的简单应用 知识要点梳理 实验目的 1．了解传感器的工作原理； ‎ ‎ 2．能够进行简单应用。 实验器材 热敏电阻、多用电表、温度计、水杯、铁架台、光敏电阻、光电计数器、导线若干 实验原理 传感器是能将所感受到的物理量（如力、热、光、声等等）转换成便于测量的量（一般是电学量）的一类元件。其工作过程是通过对某一物理量敏感的元件将感受到的信号按一定规律转换成便于利用的信号。如热电传感器是利用热敏电阻将热信号转换成电信号。转换后的信号经过相应的仪器进行处理，就可以达到自动控制等各种目的。 实验步骤 1．研究热敏电阻的热敏特性 （1）按图实所示连接好电路，将热敏电阻绝缘处理。 （2）把多用电表置于“欧姆挡”，并选择适当的量程测出烧杯中没有热水时热敏电阻的阻值，并记下温度计的示数。 （3）向烧杯中注入少量的冷水，使热敏电阻浸没在冷水中，记下温度，计的示数和多用电表测量的热敏电阻的阻值。 （4）将热水分几次注入烧杯中，测出不同温度下热敏电阻的阻值，并记录。 （5）根据记录数据，把测量到的温度、电阻值填入下表中，分析热敏电阻的特性。 （6）在图中坐标系中，粗略画出热敏电阻的阻值随温度变化的图线。 （7）根据实验数据和图线，得出结论：热敏电阻的阻值随温度的升高而减小，随温度的降低而增大。 2．研究光敏电阻的光敏特性 （1）将光电传感器、多用电表、灯泡、滑动变阻器如图所示电路连接好，其中多用电表置于“× ‎100”‎挡； （2）先测出在室内自然光的照射下光敏电阻的阻值，并记录数据。 （3）打开电源，让小电珠发光，调节小电珠的亮度使之逐渐变亮，观察表盘指针显示电阻阻值的情况，并记录。 （4）用手掌（或黑纸）遮光时电阻值又是多少？并记录。 （5）把记录的结果填入下表中，根据记录数据分析光敏电阻的特性。 结论：光敏电阻的阻值被光照射时发生变化，光照增强电阻变小，光照减弱电阻变大。 注意事项 1．烧杯中倒入开水后，等温度稳定后再读数。高考资源网 ‎ 2．欧姆表每次换挡后都要重新调零。 3．热敏电阻、烧杯、温度计易破损，实验时务必小心。 4．温度自动报警器、光电计数器、小灯泡所需电压都很小（小于6 V)，均勿超电压使用。 典型例题透析 题型一——电路设计性问题 高中阶段所进行的自动控制电路设计，一般是用光敏电阻、热敏电阻等原件通过继电器实现自动控制。设计电路时，应注意继电器的联接，是利用常开触头还是常闭触头。控制电路与工作电路分开设计，各自形成不同的回路。 1、现有热敏电阻、电炉丝、电源、电磁继电器、滑动变阻器、开关和导线若干，如图所示，试设计一个温控电路．要求温度低于某一温度时，电炉丝自动通电供热，超过某一温度时；又可以自动断电，画出电路图说明工作过程。 思路点拨：热敏电阻与滑动变阻器及电磁继电器构成低压控制电路。 解析： （1）电路图如图所示 （2）工作过程：闭合S，当温度低于设计值时，热敏电阻阻值大，通过电磁继电器电流不能使它工作，K接通电炉丝加热。当温度达到设计值时，热敏电阻减小到某值，通过电磁继电器的电流达到工作电流，K断开，电炉丝断电，停止供热。当温度低于设计值，又重复前述过程。 总结升华：传感器一般是把被测量转换成电学量，因此往往与敏感元件构成电路，在设计电路时应充分考虑被测物理量与敏感元件的特性，把敏感元件接入电路中，在被测物理量发生变化时敏感元件随之发生变化，从而使电路中电流或电压发生变化，最后读出被测量或对下一级电路进行控制。 举一反三 【变式】如图甲所示为一测量硫化镉光敏电阻特性的实验电路，电源电压恒定。电流表内阻不计，开关闭合后，调节滑动变阻器滑片，使小灯泡发光逐渐增强，测得流过电阻的电流和光强的关系曲线如图乙所示，试根据这一特性由图中给定的器材设计一个自动光控电路。 ‎ ‎ 解析：由光敏电阻的特性曲线可以看出，当入射光增强时，光敏电阻的阻值减小，流过光敏电阻的电流增大。 根据题意设计一个路灯自动控制电阻如图所示。 控制过程是：当有光照时，光电流经过放大器输出一个较大的电流，驱动电磁继电器吸合使两上常闭触点断开，当无光照时，光电流减小，放大器输出电流减小，电磁继电器释放衔铁，使两个常闭触点闭合，控制路灯电路接通，路灯开始工作。 题型二——结合传感器的综合试题 这类题目并不涉及传感器的技术细节，在考查知识的同时，更多考查同学们对所学知识的理解能力、对实际问题的分析和判断能力、对图象信息的提取和加工能力。同样是知识的考查，但经过命题者的匠心组合，题目的内容更加新颖、形式更加灵活，这是现今高考的热点趋势。有的同学因读不透材料、看不性图象、得不到信息而坠入云里雾中。但若设置成直接考查圆周运动、直线运动等知识的题目，又显得索然寡味。将基本知识、基本规律融入新的情境中，正是命题专家绞尽脑汁、苦心经营的结果。w。w-w*k&s%5￥u 2、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‎2.0kg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。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10N。（取g＝10） （1）若传感器a的示数为14N、b的示数为6.0N，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。 思路点拨：传感器上所显示出力的大小，即弹簧对传感器的压力，据牛顿第三定律知，此即为弹簧上的弹力大小，亦即该弹簧对滑块的弹力大小。 解析： （1）依题意：左侧弹簧对滑块向右的推力＝14N 右侧弹簧对滑块向左的推力 滑块所受合力产生加速度， 根据牛顿第二定律有 ‎ ‎ 得： 与相同，即向前（向右） （2）a传感器的读数恰为零，即左侧弹簧的弹力＝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＝20N 滑块所受合力产生加速度， 由牛顿第二定律得 得： 负号表示方向向后（向左）。 总结升华：常用的一种力传感器是由金属架和应变片组成的，应变片是一种敏感元件，现在大多用半导体材料制成。 举一反三 【变式】如图所示的装置可以测量飞行器在竖直方向上做匀加速直线运动的加速度．该装置是在矩形箱子的上、下壁上各安装一个可以测力的传感器，分别连接两根劲度系数相同（可拉伸可压缩）的轻弹簧的一端，弹簧的另一端都固定在一个滑块上，滑块套在光滑竖直杆上。现将该装置固定在一飞行器上，传感器P在上，传感器Q在下。飞行器在地面静止时，传感器P、Q显示的弹力大小均为10 N。求： （1）滑块的质量。（地面处的g=10) （2）当飞行器竖直向上飞到离地面处，此处的重力加速度为多大？(R是地球的半径） （3）若在此高度处传感器P显示的弹力大小为=20 N，此时飞行器的加速度是多大？ w。w-w*k&s%5￥u 解析： （1） （2） 解之得 ‎ ‎ （3）由牛顿第二定律，得， 所以