粤教版高中物理选修3-2第三章传感器第一节.docx

高中物理学习材料（灿若寒星**整理制作）第三章传感器第一节认识传感器1．国家标准(GB7665－87)给出的传感器定义是：能感受规定的被测量，并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置，通常由____________、____________和____________组成．2．传感器是一种________装置，能感受到被测量的________，并能将检测感受到的信息按一定规律变换成为________或其他所需形式的信息输出，以满足信息的________、处理、________、显示、记录和________等要求．3．传感器可按下列三种不同的方法进行分类：(1)按__________分类；(2)按____________分类；(3)按________________分类．4．为解决楼道的照明问题，在楼道内安装一个传感器与控制电灯的电路相接．当楼道内有走动且发出声响时，电灯即被电源接通而发光，这种传感器为________传感器，它输入的是________信号，经传感器转换后，输出的是________信号．5．(双选)下述仪器或装置用到传感器的有()A．自动报警器B．天平C．电视遥控器D．秒表6．(双选)传感器是一种采集信息的重要器件，如图1所示是一种测定压力的电容式传感器，当待测压力F作用于可动膜片电极上时，可使膜片产生形变，引起电容的变化，将电容器、灵敏电流计和电源串接成闭合电路，那么以下说法正确的是()图1A．若F向上压膜片电极时，电容将减小B．若电流计有示数，则压力F发生变化C．若电流计有向右的电流通过，则压力F在增大D．电流计有向右的电流通过，则压力F在减小7．在电梯门口放置一障碍物，会发现电梯门不停地开关，这是由于在电梯门上装有的传感器是()A．光传感器B．温度传感器C．声传感器D．压力传感器【概念规律练】知识点一电容式话筒的工作原理1．(双选)电容式话筒的保真度比动圈式话筒好，其工作原理如图2所示．Q是绝缘支架，薄金属膜M和固定电极N形成一个电容器，被直流电流充电．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．当膜片向右运动的过程中，有()图2A．电容变大B．电容变小C．导线AB中有向左的电流D．导线AB中有向右的电流2．(双选)如图3所示，电容式话筒右侧固定不动的金属板b与能在声波驱动下沿声源水平方向振动的镀有金属层的振动膜a构成一个电容器，a、b分别通过导线与恒定电源两极相接．声源S做位移为x＝A sin 2 000πt的振动，则有()图3A．a振动过程中a、b板之间的电场强度不变B．导线中的电流的频率为2 000 HzC．导线中的电流的频率为1 000 HzD．a向右位移最大时，a、b板形成的电容最大知识点二霍尔元件3．如图4所示，有电流I流过长方体金属块，金属块宽为d，高为b，有一磁感应强度为B的匀强磁场垂直于纸面向里，金属块单位体积内的自由电子数为n，问：金属块上、下表面哪面电势高？电势差是多少？图44．图5是霍尔元件的工作原理示意图，如果用d表示薄片的厚度，k为霍尔系数，对于一个霍尔元件d、k为定值，如果保持I恒定，则可以验证U H随B的变化情况．以下说法不正确的是(工作面是指较大的平面)()图5A．将永磁体的一个磁极逐渐靠近霍尔元件的工作面，U H将变大B．在测定地球两极的磁场强弱时，霍尔元件的工作面应保持水平C．在测定地球赤道上的磁场强弱时，霍尔元件的工作面应保持水平D．改变磁感线与霍尔元件工作面的夹角，U H将发生变化【方法技巧练】传感器电路的分析技巧5．动圈式话筒和磁带录音机都应用了电磁感应现象，图6甲所示是话筒原理图，图乙所示是录音机的录音、放音原理图，由图可知图6①话筒工作时磁铁不动，线圈移动而产生感应电流②录音机放音时变化的磁场在静止的线圈里产生感应电流③录音机放音时线圈中变化的电流在磁头缝隙处产生变化的磁场④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其中正确的是()A．②③④B．①②③C．①②④D．①③④6．如图7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，该电压经过放大，通过信号转换后在显示屏上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：图7(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)在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m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．1．霍尔元件能转换哪个物理量()A．把温度这个热学量转换成电阻这个电学量B．把磁感应强度这个磁学量转换成电压这个电学量C．把力转换为电压这个电学量D．把光照强弱这个光学量转换为电阻这个电学量2．电子秤使用的是()A．超声波传感器B．压力传感器C．温度传感器D．红外传感器3．(双选)关于话筒，下列说法正确的是()A．无论动圈式话筒、电容式话筒，还是驻极体话筒，作用都相同，都将声波这个力学量转换成了电压或电流这个电学量B．电容式话筒和驻极体话筒的原理相同，都是声波的变化引起电容变化，进而引起输出电压的变化C．动圈式话筒利用通电线圈在磁场中受安培力振动实现声向电的转化D．因为驻极体话筒内价格便宜、灵敏度高，会场大都使用驻极体话筒4．惯性制导系统已广泛应用于弹道式导弹工程中，这个系统的重要元件之一是加速度计．加速度计构造和原理的示意图如图8所示：沿导弹长度方向安装的固定光滑杆上套一质量为m的滑块，滑块两侧分别与劲度系数均为k的弹簧相连；两弹簧的另一端与固定壁相连．滑块原来静止，弹簧处于自然长度，滑块上有指针，可通过标尺测出滑块的位移，然后通过控制系统进行制导．设某段时间内导弹沿水平方向运动，指针向左偏离O点的距离为x，则这段时间内导弹的加速度()图8A．方向向左，大小为kx/mB．方向向右，大小为kx/mC．方向向左，大小为2kx/mD．方向向右，大小为2kx/m5．利用传感器和计算机可以研究快速变化的力的大小．实验时，把图9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拉力随时间的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()图9A．t2时刻小球所处位置是运动中最高点B．t1～t2期间小球速度先增大后减小C．t3时刻小球动能最小D．t2与t5时刻小球速度大小不同6．如图10所示，两块水平放置的金属板距离为d，用导线、电键K与一个n匝的线圈连接，线圈置于方向竖直向上的变化磁场B中．两板间放一台小压力传感器，压力传感器上表面静止放置一个质量为m、电荷量为＋q的小球．K断开时传感器上有示数，K闭合时传感器上恰好无示数．则线圈中的磁场B的变化情况和磁通量变化率分别是()图10 A ．正在增加，ΔΦΔt ＝mgd qB ．正在减弱，ΔΦΔt ＝mgd nqC ．正在减弱，ΔΦΔt ＝mgd qD ．正在增加，ΔΦΔt ＝mgd nq7．(双选)传感器是把非电学物理量(如位移、速度、压力、角度等)转换成电学物理量(如电压、电流、电荷量等)的一种元件．如图11所示的甲、乙、丙、丁是四种常见的电容式传感器，下列说法正确的是( )图11A ．甲图中两极板带电荷量不变，若电压变小，可判断出h 变小B ．乙图中两极板带电荷量不变，若电压变大，可判断出θ变大C ．丙图中两极间的电压不变，若有电流流向传感器的负极，则s 变小D ．丁图中两极间的电压不变，若有电流流向传感器的正极，则F 变大8．如图12所示为测定压力的电容式传感器，将平行板电容器、灵敏电流表(零刻度在中间)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，膜片发生形变，引起电容的变化，导致灵敏电流表指针偏转，在对膜片开始施加压力使膜片电极从图中的虚线推到图中实线位置并保持固定的过程中，灵敏电流表指针偏转情况为(电流从电流表正接线柱流入时指针向右偏)( )图12A ．向右偏到某一刻度后回到零刻度B ．向左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9．传感器是把非电学物理量(如位移、压力、流量、声强等)转换成电学量的一种元件．如图13所示为一种电容式传感器，电路可将声音信号转化为电信号．电路中a、b构成一个电容器，b是固定不动的金属板，a是能在声波驱动下沿水平方向振动的镀有金属层的振动膜．若声源S发出频率恒定的声波使a振动，则a在振动过程中(图13A．a、b板之间的电场强度不变B．a、b板所带的电荷量不变C．电路中始终有方向不变的电流D．向右位移最大时，电容器的电容量最大10．有一些星级宾馆的洗手间装有自动干手机，洗手后将湿手靠近，机内的传感器就开通电热器加热，有热空气从机内喷出，将湿手烘干，手靠近干手机能使传感器工作，是因为()A．改变湿度B．改变温度C．改变磁场D．改变电容题号12345678910 答案11．动圈式话筒的构造如图14所示，请说明它的工作原理．图14第三章 传感器第一节 认识传感器课前预习练1．敏感元件 转换元件 转换电路2．检测 信息 电信号 传输 存储 控制3．被测量 工作原理 能量传递方式4．声电 声 电5．AC 6.BC7．D [当电梯门碰到人或其他障碍物时立即停止关门以防挤伤人，故为压力传感器．] 课堂探究练1．AC [由电容器的电容公式C ＝εr S 4πkd可知，当膜片向右运动时，相当于电容器两极间的距离变小，电容变大，电源对电容器充电，电流的方向由电源的正极流向负极，故导线AB 中有向左的电流．]2．CD [a 振动过程中，a 、b 间距变化，由平行板电容器公式可知电容C 变化，且a 向右位移最大时，a 、b 板电容最大，则A 错，D 对；振动过程中，电容器不断地充放电，导线中电流频率与a 的振动频率一致，C 正确，B 错．]点评 电容式话筒的薄金属膜和固定电极形成一个电容器，被充电后，声波使膜振动，电容变化，形成变化的电流．3．下表面电势高 IB ned解析 因为自由电荷为电子，故由左手定则可判定向上偏，则上表面聚集负电荷，下表面带多余等量的正电荷，故下表面电势高，设其稳定电压为U.当运动电荷所受电场力与洛伦兹力平衡时，有e U b ＝evB ，又因为导体中的电流I ＝neSv ＝nev·bd ，故U ＝IB ned. 点评 当电流在导体中流动时，运动电荷在洛伦兹力作用下，分别向导体上、下表面聚集，在导体中形成电场，其中上表面带负电，电势低，随着正、负电荷不断向下、上表面积累，电场增强，当运动电荷(Q)所受电场力与洛伦兹力平衡时，即QE ＝QvB 时，电荷将不再向上或向下偏转，上、下表面间形成稳定电压．4．C [根据公式U H ＝k IB d可以看出，当磁极靠近霍尔元件的工作面时，B 增大，U H 将变大，选项A 正确；在地球两极附近，可以认为地磁场与水平面垂直，霍尔元件的工作面保持水平，选项B 正确；而在赤道上，地磁场与水平面平行．若霍尔元件的工作面保持水平，则无电压产生，选项C 不正确；改变磁感线与霍尔元件工作面的夹角，相当于改变了霍尔系数k ，U H 将发生变化，选项D 正确；故选C .]点评 霍尔元件把磁感应强度这个磁学量转换为电压这个电学量，电压与磁感应强度的关系式为U H ＝k IB d. 5．C [话筒的工作原理是，声波迫使金属线圈在磁铁产生的磁场中振动产生感应电流，①正确；录音时，话筒产生的感应电流经放大电路放大后在录音机磁头缝隙处产生变化的磁场，④正确；磁带在放音时通过变化的磁场使放音头产生感应电流，经放大电路后再送到扬声器中，②正确．]6．(1)m 0g k (2)(m ＋m 0)g k (3)m ＝kL gEU 解析 托盘的移动带动P 1移动，使P 1、P 2间出现电势差，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．(1)由力的平衡知识知m 0g ＝kx 1，解得x 1＝m 0g k(2)放上重物重新平衡后m 0g ＋mg ＝kx 2解得x 2＝(m ＋m 0)g k(3)由闭合电路欧姆定律知E ＝IR ，由部分电路欧姆定律知U ＝IR 串，由R 串R ＝x L ，其中x 为P 1、P 2间的距离，则x ＝x 2－x 1＝mg k联立解得m ＝kL gEU 方法总结 分析传感器问题要注意四点(1)感受量分析要明确传感器所感受的物理量，如力、热、光、磁、声等．(2)输出信号分析明确传感器的敏感元件，分析它的输入信号及输出信号，以及输入信号与输出信号间的变化规律．(3)电路结构分析认真分析传感器所在的电路结构，在熟悉常用电子元件工作特点的基础上，分析电路输出信号与输入信号间的规律．(4)执行机构工作分析传感器的应用，不仅包含非电学量如何向电学量转化的过程，还包含根据所获得的信息控制执行机构进行工作的过程．课后巩固练1．B [根据霍尔元件工作原理，载流子在洛伦兹力作用下漂移，形成霍尔电压，U H ＝k IB d，所以，它将磁感应强度这个磁学量转换成电压这个电学量，故B 正确．] 2．B3．AB [用金属薄膜的振动带线圈在磁场中运动，从而产生感应电流，故选项C 错误．虽然驻极体话筒价格便宜、灵敏度高，但是驻极体话筒的功率太小，而且保真度较差，所以会场一般不使用驻极体话筒，选项D 错误．]4．D [滑块随导弹一起做加速运动，向左偏离O 点的距离为x ，使左侧弹簧被压缩，右侧弹簧被拉长，则滑块所受合力为2kx ，方向向右，故加速度方向向右．由牛顿第二定律得：2kx ＝ma ，滑块加速度大小为：a ＝2kx/m ，故选D .]5．B [小球下落的轨迹如右图所示，B 处为绳子原长处，C 处为小球重力与绳上拉力相等处，D 处为小球下落的最低点，在F －t 图中，0～t 1小球在OB 间下落，t 1～t 2小球在BD 间下落，t 2～t 3小球由D 回到B 处，t 3～t 4小球在BO 间上升，而后下落至B 点．由F －t 图知，小球在t 2时刻下落到最大距离，以后的最大距离在逐渐减小，由以上分析知，小球的最大速度出现在C 点，对应于t 1～t 2之间，A 错，B 对；小球动能最小出现在t 2时刻或t 3～t 4间某时刻，C 错误；t 2和t 5分别对应小球先后两次下落过程中经过最低点的时刻，速度大小为零，D 错误；正确选项为B .]6．D [K 闭合时传感器上恰好无示数，说明小球受竖直向上的电场力，且电场力大小等于重力．由楞次定律可判断磁场B 正在增强，根据法拉第电磁感应定律E ＝n ΔΦΔt＝U ，又U d q ＝mg 得ΔΦΔt ＝mgd nq，故D 正确．] 7．BD [A 选项若Q 不变，由C ＝Q U知U 变小，C 变大，可知h 变大；A 错．B 选项若Q 不变，由C ＝Q U知U 变大，C 变小，可知θ变大，B 对；C 中若U 不变，电流流向负极表示正在放电，Q 减小，可知C 减小，s 变大，C 错；D 中若U 不变，电流流向正极表示在充电，Q 增加，可知C 增大，d 减小，F 增大，D 对．]8．A [压力F 作用时，极板间距d 变小，由C ＝εr S 4πkd，电容器电容C 变大，又根据Q ＝CU ，极板带电荷量变大，所以电容器应充电，灵敏电流计中产生由正接线柱流入的电流，所以指针将右偏，极板保持固定后，充电结束，指针回到零刻度．]9．D [a 、b 始终跟电源相连，电势差U 不变，由于a 、b 间距离变化，由E ＝U d知场强变化，A 错误；由C ＝εr S 4πkd知d 变化时C 变化，a 向右位移最大时，电容最大，D 正确；由Q ＝CU 知a 、b 所带电荷量变化，电路中电流方向改变，B 、C 错误．]10．D [根据自动干手机工作的特征，手靠近干手机电热器工作，手撤离后电热器停止工作，人是一种导体，可以与其他导体构成电容器．手靠近时相当于连接一个电容器，可以确定干手机内设有电容式传感器，由于手的靠近改变了电容大小，故D 正确；用湿度和温度来驱动电热器工作，理论上可行，但是假如干手机是由于温度、湿度的变化工作就成了室内烘干机．]11．见解析解析 线圈固定在膜片上，当膜片受到声波的作用而振动时，线圈与膜片保持振动一致，金属线圈在永久磁铁产生的磁场中振动时产生感应电流，这样就把声音信号转化为了电信号．。