2.與傳感器相關(guān)的物理知識(shí)以傳感器為橋梁可以將多方面的物理知識(shí)整合在一起,在實(shí)際問題中既可以直接考查傳感器知識(shí),也可以考查敏感元件的特性,下表是幾種傳感器及與其相聯(lián)系的物理知識(shí)。
3.傳感器問題的分析方法傳感器問題應(yīng)從如下三個(gè)方面分析。(1)感受量分析:要明確傳感器所感受的物理量;(2)信號(hào)分析:分析輸入信號(hào)及輸出信號(hào),以及輸出信號(hào)與輸入信號(hào)間的變化規(guī)律;(3)執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作分析:分析所獲得的信息控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行工作的過程。
電飯煲的工作原理如下圖所示,可分為兩部分,即控制部分,由S2、R1和黃燈組成;工作(加熱)部分,由發(fā)熱電阻R3、R2和紅燈組成,S1是一個(gè)磁鋼限溫開關(guān),手動(dòng)閉合,當(dāng)此開關(guān)的溫度達(dá)到居里點(diǎn)(103 ℃)時(shí),自動(dòng)斷開,且不能自動(dòng)復(fù)位(閉合),S2是一個(gè)雙金屬片自動(dòng)開關(guān),當(dāng)溫度達(dá)到70 ℃~80 ℃時(shí),自動(dòng)斷開,低于70 ℃時(shí),自動(dòng)閉合,紅燈、黃燈是指示燈,通過其電流必須較小,所以R1、R2起______作用,R3是發(fā)熱電阻,由于煮飯前溫度低于70 ℃,所以S2是________(填“斷開的”或“閉合的”)。
接通電源并按下S1后,黃燈熄而紅燈亮,R3發(fā)熱,當(dāng)溫度達(dá)到70 ℃~80 ℃時(shí),S2斷開,當(dāng)溫度達(dá)到103 ℃時(shí)飯熟,S1斷開,當(dāng)溫度降到70 ℃以下時(shí),S2閉合,電飯煲處于保溫狀態(tài),由以上描述可知R2____R3(填“<”“=”“>”),若用電飯煲燒水時(shí),直到水被燒干S1才會(huì)斷開,試解釋此現(xiàn)象。
思路引導(dǎo):通過紅燈、黃燈的電流必須較小,根據(jù)歐姆定律可知R1、R2起限流作用;根據(jù)電飯煲的工作原理和水的沸點(diǎn)說明用電飯煲燒水時(shí),直到水被燒干S1才會(huì)斷開的原因。
解析:R1、R2起的作用是限流,防止指示燈(氖泡)因電流過大而燒毀,S2是自動(dòng)控制溫度開關(guān),當(dāng)溫度低于70 ℃時(shí)自動(dòng)閉合,當(dāng)溫度高于70 ℃~80 ℃時(shí)又自動(dòng)斷開,使電飯煲處于保溫狀態(tài),由于R3的功率較大,因此R2>R3。由于開關(guān)S1必須當(dāng)溫度達(dá)到103 ℃時(shí)才自動(dòng)斷開,而水的沸點(diǎn)只有100 ℃,因此用電飯煲燒水時(shí),直到水被燒干后S1才會(huì)斷開。答案:由于開關(guān)S1必須當(dāng)溫度達(dá)到103 ℃時(shí)才自動(dòng)斷開,而水的沸點(diǎn)只有100 ℃,因此用電飯煲燒水時(shí),直到水被燒干后S1才會(huì)斷開。
二、自動(dòng)控制電路的設(shè)計(jì)與組裝自動(dòng)控制電路的設(shè)計(jì)及組裝為力學(xué)、電學(xué)、磁學(xué)的一個(gè)大綜合,通過傳感器把它們聯(lián)系在一起,特別是簡(jiǎn)單電路的設(shè)計(jì),不論是敏感元件的基礎(chǔ)知識(shí),還是器材的組裝、調(diào)試、器材連接、電路設(shè)計(jì),考查內(nèi)容既具體又靈活。近幾年來,高考特別重視對(duì)動(dòng)手能力的考查,而不局限于只會(huì)做題,更注重學(xué)生的研究方法和創(chuàng)新思維。
1.設(shè)計(jì)自動(dòng)控制電路時(shí),一般按照以下的思路進(jìn)行。(1)根據(jù)題目給出的儀器和要求畫出控制電路和工作電路,控制電路由電源、開關(guān)、光敏電阻(或熱敏電阻等其他敏感元件)、電磁繼電器和導(dǎo)線等組成;工作電路由電源、用電器(燈泡、電熱絲或其他用電器)、導(dǎo)線組成。這兩個(gè)電路相互獨(dú)立,又通過繼電器相關(guān)聯(lián),繼電器實(shí)際上是工作電路的開關(guān)。
(2)分析自動(dòng)控制電路的合理性電路設(shè)計(jì)完成后,要對(duì)它的合理性進(jìn)行分析,用光照射光敏電阻或?qū)崦綦娮杓訜?,檢查工作電路的接通和斷開是否符合實(shí)際要求。比如,自控路燈電路的設(shè)計(jì)要求是白天切斷工作電路,使路燈熄滅,晚上接通工作電路,使路燈發(fā)光。
現(xiàn)有熱敏電阻、電爐絲、電源、電磁繼電器、滑動(dòng)變阻器、開關(guān)和導(dǎo)線若干。如圖所示,試設(shè)計(jì)一個(gè)溫控電路。要求溫度低于某一溫度時(shí),電爐絲自動(dòng)通電供熱,超過某一溫度時(shí),又可以自動(dòng)斷電,畫出電路圖并說明工作過程。
思路引導(dǎo):本題考查熱敏電阻與電磁繼電器,熱敏電阻RT與滑動(dòng)變阻器及電磁繼電器構(gòu)成控制電路。
解析:電路圖如圖所示。
工作過程:閉合S,當(dāng)溫度低于設(shè)定值時(shí),熱敏電阻阻值大,通過電磁繼電器的電流不能使它工作,K接通電爐絲加熱;當(dāng)溫度達(dá)到設(shè)定值時(shí),熱敏電阻的阻值減小到某值,通過電磁繼電器的電流達(dá)到工作電流,K斷開,電爐絲斷電,停止供熱;當(dāng)溫度低于設(shè)定值時(shí),又重復(fù)前述過程。
 (2020·全國卷Ⅲ,23)已知一熱敏電阻當(dāng)溫度從10 ℃升至60 ℃時(shí)阻值從幾千歐姆降至幾百歐姆,某同學(xué)利用伏安法測(cè)量其阻值隨溫度的變化關(guān)系。所用器材:電源E、開關(guān)S、滑動(dòng)變阻器R(最大阻值為20 Ω)、電壓表(可視為理想電表)和毫安表(內(nèi)阻約為100 Ω)。
(1)在所給的器材符號(hào)之間畫出連線,組成測(cè)量電路圖。
(2)實(shí)驗(yàn)時(shí),將熱敏電阻置于溫度控制室中,記錄不同溫度下電壓表和毫安表的示數(shù),計(jì)算出相應(yīng)的熱敏電阻阻值。若某次測(cè)量中電壓表和毫安表的示數(shù)分別為5.5 V和3.0 mA,則此時(shí)熱敏電阻的阻值為________kΩ(保留2位有效數(shù)字)。實(shí)驗(yàn)中得到的該熱敏電阻阻值R隨溫度t變化的曲線如圖甲所示。
(3)將熱敏電阻從溫控室取出置于室溫下,測(cè)得達(dá)到熱平衡后熱敏電阻的阻值為2.2 kΩ。由圖甲求得,此時(shí)室溫為__________℃(保留3位有效數(shù)字)。
(4)利用實(shí)驗(yàn)中的熱敏電阻可以制作溫控報(bào)警器,其電路的一部分如圖乙所示。圖中,E為直流電源(電動(dòng)勢(shì)為10 V,內(nèi)阻可忽略);當(dāng)圖中的輸出電壓達(dá)到或超過6.0 V時(shí),便觸發(fā)報(bào)警器(圖中未畫出)報(bào)警。若要求開始報(bào)警時(shí)環(huán)境溫度為50 ℃,則圖中_____(填“R1”或“R2”)應(yīng)使用熱敏電阻,另一固定電阻的阻值應(yīng)為________kΩ(保留2位有效數(shù)字)。
思路引導(dǎo):第(1)問要求考生了解滑動(dòng)變阻器的限流式與分壓式、電流表的內(nèi)接法與外接法;第(2)問直接利用歐姆定律求出該狀態(tài)下的電阻值即可;第(3)問通過解讀R-t圖像可直接讀出2.2 kΩ時(shí)環(huán)境的溫度;第(4)問主要是對(duì)電路的動(dòng)態(tài)分析,通過R2兩端輸出電壓的變化,確定熱敏電阻,再根據(jù)串聯(lián)電路的特點(diǎn)求出固定電阻的阻值。
解析:(1)滑動(dòng)變阻器用分壓式,電壓表可視為理想表,所以用電流表外接,連線如圖所示。
(4)溫度升高時(shí),該熱敏電阻阻值減小,分得電壓減少。而溫度高時(shí)要求輸出電壓升高,以觸發(fā)報(bào)警,所以R1為熱敏電阻。由圖線可知,溫度為50 ℃時(shí),R1=0.8 kΩ,由歐姆定律可得E=I(R1+R2),U=IR2,代入數(shù)據(jù)解得R2=1.2 kΩ。
二、臨場(chǎng)真題練兵1.(2019·天津卷,4)筆記本電腦機(jī)身和顯示屏對(duì)應(yīng)部位分別有磁體和霍爾元件。當(dāng)顯示屏開啟時(shí)磁體遠(yuǎn)離霍爾元件,電腦正常工作;當(dāng)顯示屏閉合時(shí)磁體靠近霍爾元件,屏幕熄滅,電腦進(jìn)入休眠狀態(tài)。如圖所示,一塊寬為a、長(zhǎng)為c的矩形半導(dǎo)體霍爾元件,元件內(nèi)的導(dǎo)電粒子是電荷量為e的自由電子,通入方向向右的電流時(shí),電子的定向移動(dòng)速度為v。當(dāng)顯示屏閉合時(shí)元件處于垂直于上表面、方向向下的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中,于是元件的前、后表面間出現(xiàn)電壓U,以此控制屏幕的熄滅。則元件的(  )
2.(2021·廣東卷,12)某小組研究熱敏電阻阻值隨溫度的變化規(guī)律。根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要已選用了規(guī)格和量程合適的器材。(1)先用多用電表預(yù)判熱敏電阻阻值隨溫度的變化趨勢(shì)。選擇適當(dāng)倍率的歐姆擋,將兩表筆______,調(diào)節(jié)歐姆調(diào)零旋鈕,使指針指向右邊“0 Ω”處。測(cè)量時(shí)觀察到熱敏電阻溫度越高,相同倍率下多用電表指針向右偏轉(zhuǎn)角度越大,由此可判斷熱敏電阻阻值隨溫度的升高而______。
(2)再按圖連接好電路進(jìn)行測(cè)量。
①閉合開關(guān)S前,將滑動(dòng)變阻器R1的滑片滑到___端(選填“a”或“b”)。將溫控室的溫度設(shè)置為T,電阻箱R0調(diào)為某一阻值R01。閉合開關(guān)S,調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器R1,使電壓表和電流表的指針偏轉(zhuǎn)到某一位置。記錄此時(shí)電壓表和電流表的示數(shù)、T和R01。斷開開關(guān)S。再將電壓表與熱敏電阻C端間的導(dǎo)線改接到D端,閉合開關(guān)S。反復(fù)調(diào)節(jié)R0和R1,使電壓表和電流表的示數(shù)與上述記錄的示數(shù)相同。記錄此時(shí)電阻箱的阻值R02。斷開開關(guān)S。②實(shí)驗(yàn)中記錄的阻值R01______R02(選填“大于”“小于”或“等于”)。此時(shí)熱敏電阻阻值RT=______________。

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