資源簡介

(共52張PPT)
DIWUZHANG
第五章
3　利用傳感器制作簡單的自動控制裝置
學習目標
1.進一步理解常用傳感器的工作原理及應用(重點)。
2.學會利用傳感器制作自動控制裝置(難點)。
內容索引
一、門窗防盜報警裝置
二、光控開關及其應用
課時對點練
三、熱敏電阻的應用
一
門窗防盜報警裝置
1.實驗器材和裝置
干簧管作為傳感器，用于感知磁體磁場是否存在。繼電器(虛線框部分)作為執行裝置。發光二極管LED作為電路正常工作提示，R為發光二極管的限流電阻，起保護作用。蜂鳴器H作為報警提醒。電路設計如圖。
2.電路工作原理
當門窗緊閉時，磁體M靠近干簧管SA，干簧管兩個簧片被磁化相吸，繼電器接通而工作，繼電器的動觸點c與常開觸點a接通，發光二極管LED發光，顯示電路處于正常工作狀態。當門窗開啟時，磁體離開干簧管，干簧管失磁斷開，繼電器被斷電，動觸點c與常閉觸點b接通，蜂鳴器H發聲報警。
3.實驗操作
(1)檢查干簧管。用磁體直接靠近干簧管，觀察干簧管簧片能否正常動作。
(2)連接電路。連接電路前，要檢查其他元件是否也能正常工作。
(3)接通電源后，將磁體靠近和離開干簧管，分別觀察實驗現象。
　(2022·海門市證大中學期中)如圖所示是某保密室的防盜報警電路，當有人闖入保密室時會使開關S閉合。下列說法正確的是
A.電磁繼電器與發電機工作原理相同
B.電磁鐵的磁性強弱只與電流大小有關
C.電磁鐵工作時，上端為S極
D.當有人闖入保密室時，b燈亮
例1
√
電磁繼電器是利用電流的磁效應工作的，發電機是
利用電磁感應原理制成的，選項A錯誤；
電磁鐵的磁性強弱和電流大小、線圈的匝數及有無
鐵芯有關，選項B錯誤；
由題圖可知電磁鐵工作時線圈中電流的方向，根據安培定則可知，電磁鐵工作時，上端為N極，選項C錯誤；
當有人闖入保密室時會使開關S閉合，電磁鐵有磁性，吸引銜鐵向下移動，b燈所在電路接通，b燈亮，選項D正確。
二
光控開關及其應用
1.實驗器材和裝置
光敏電阻能完成光信號向電信號的轉變。晶體三極管有電流放大作用，在控制電路中常用作電子開關。發光二極管LED模仿路燈。電路設計如圖甲。
為了能夠驅動更大功率的負載，需用繼電器來啟、閉另外的供電電路，如圖乙所示。
2.電路工作原理
(1)光較強時，光敏電阻阻值小，三極管不導通，繼電器斷路，處于常開狀態，小燈泡L不亮。
(2)光較弱時，光敏電阻阻值變大，三極管導通，產生較大的集電極電流，點亮發光二極管或驅動繼電器吸合，點亮小燈泡L。
3.實驗操作
(1)連接電路，檢查無誤后，接通電源。
(2)用光照射光敏電阻，調節R1，使發光二極管LED或小燈泡L剛好不發光。
(3)減弱光敏電阻的光照強度，當光減弱到某種程度時，發光二極管LED或小燈泡L發光。
(4)讓光照加強，當光照強到某種程度時，發光二極管LED或小燈泡L熄滅。
　光敏電阻在各種自動化裝置中有很多應用。街道路燈自動控制就是其應用之一，如圖所示電路為模擬電路，其中A為一光敏電阻，B為電磁繼電器，C為電流信號放大器，D為路燈。請連成正確的電路，達到日出路燈熄、日落路燈亮的效果。
例2
答案　見解析圖
當有光照射時，光敏電阻阻值較小，電流經過放大器輸出一個較大的電流，驅動電磁繼電器吸合，使兩個觸點斷開；當無光照時，光敏電阻阻值增大，電流減小，放大器輸出電流減小，電磁繼電器釋放銜鐵，使兩個觸點閉合，控制路燈電路接通，路燈開始工作，電路如圖所示。
三
熱敏電阻的應用
　在溫度為10 ℃左右的環境中工作的自動恒溫箱簡圖如圖甲所示，箱內電阻R1＝20 kΩ，R2＝10 kΩ，R3＝40 kΩ，Rt為熱敏電阻，它的電阻隨溫度變化的圖像如圖乙所示。當a、b端電壓Uab<0時，電壓鑒別器會令開關S接通，恒溫箱內的電熱絲發熱，使箱內溫度提高；當Uab≥0時，電壓鑒別器會令開關S斷開，停止加熱，恒溫箱內的溫度恒定在________℃。
例3
35
　(2022·宿遷市高二期中)某同學制作一個簡易的溫控裝置，實驗電路如圖甲，繼電器與熱敏電阻Rt、滑動變阻器R串聯接在電源E兩端，當繼電器的電流達到或超過30 mA時，銜鐵被吸合，加熱器停止加熱，實現溫控。繼電器的電阻約為20 Ω，熱敏電阻的阻值Rt隨溫度t變化的關系如圖乙所示：
例4
(1)提供的實驗器材有：電源E(12 V，內阻不計)、滑動變阻器R1(0～200 Ω)、滑動變阻器R2(0～4 000 Ω)、熱敏電阻Rt、繼電器、電阻箱0～999.9 Ω、開關S、導線若干。要啟動繼電器，則電路中的總電阻需滿足：R繼電器＋R＋Rt≤________ Ω。為使該裝置實現對30～80 ℃之間任一溫度的控制，滑動變阻器R應選用________(選填R1或R2)。
400
R1
當繼電器的電流達到或超過30 mA時，
才能吸合，所以
結合繼電器的電阻約為20 Ω，熱敏電阻的最大值為200 Ω，所以滑動變阻器選R1；
(2)如果要把溫控裝置設置為50 ℃，應先用電阻箱替代熱敏電阻，把電阻箱數值調至________ Ω，閉合開關，調節滑動變阻器，直至繼電器的銜鐵被吸合。然后斷開開關，再重新把熱敏電阻替換電阻箱。
80
由題圖乙看出，當溫度為50 ℃，熱敏電阻Rt＝80 Ω，用電阻箱替代熱敏電阻，所以把電阻箱數值調到80 Ω；
(3)該溫控裝置在__________(填“低溫區域”或“高溫區域”)靈敏度更高。甲、乙兩位同學就提高該溫控裝置的靈敏度方案進行了討論：甲同學認為應該換一個24 V的電源，電動勢越大越容易驅動電磁繼電器，可以提高溫控裝置的靈敏度；乙同學則認為應該換一個6 V的電源，這樣使繼電器啟動的電阻更小，熱敏電阻占總電阻的比例增大，其控制效果更好。你認為________(填甲或乙)同學的分析更有道理。
低溫區域
甲
從題圖乙看出，高溫區電阻的變化比較平緩，即較大的溫度變化才能引起一定的電阻變化，而在低溫區，較小的溫度變化就能導致較大的電阻變化，從而使得電流發生較大的變化，所以低溫區域靈敏度高；若要提高靈敏度，需要電阻變化較小時能引起較大的電流變化，所以換一個24 V的電源可達到目的，則甲同學說法正確。
四
課時對點練
考點一　門窗防盜報警裝置
1.圖甲為一種家用門磁防盜報警器，由磁條和主機組成，門窗均可使用，乙圖為其原理示意圖，安裝時，將磁條固定在門框上，主機安裝在與其等高的門板邊緣，門關上時，兩者剛好靠在一起。當主機開關閉合時，若門被打開，磁條與主機分離，主機內的觸發器就會工作，帶動報警器發出報警聲。
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7
基礎對點練
下列說法正確的是
A.觸發器內是一個開關，當主機與磁
　條靠近時，開關是斷開的
B.觸發器可以由銅制成
C.磁條的兩極對調后，該報警器不能正常工作
D.本裝置是利用電流的磁效應工作的
1
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√
門關上時，磁條與觸發器剛好靠在
一起，此時報警器不工作，說明電
路是斷開的；當主機開關閉合時，
若門被打開，磁條與主機分離，主
機內的觸發器就會工作，帶動報警器發出報警聲，說明此時觸發器內開關是閉合的，選項A正確。
觸發器與磁條之間存在磁力的作用，因為銅沒有磁性，所以觸發器不可能是由銅制成的，選項B錯誤。
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無論磁條哪個磁極靠近觸發器，
都存在磁力作用，所以兩極對調
后，該報警器仍能正常工作，選
項C錯誤。
本裝置是利用磁體能夠吸引磁性物體的特點工作的，選項D錯誤。
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2.如圖所示是一位同學設計的防盜門報警器的簡化電路示意圖。門打開時，紅外光敏電阻R3受到紅外線照射，電阻減小；門關閉時會遮蔽紅外線源(紅外線源沒有畫出)。經實際試驗，可知燈的亮滅情況能反映門的開關狀態。門打開時兩燈的發光情況及R2兩端電壓UR2與門關閉時相比的變化情況為
A.紅燈亮，UR2變大 B.綠燈亮，UR2變大
C.綠燈亮，UR2變小 D.紅燈亮，UR2變小
√
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當門打開時，R3受紅外線照射，電阻減小，則電路中總電阻減小，總電流I增大，R2兩端電壓UR2＝E－I(R1＋r)減小，R2中電流IR2＝　 減小，所以R3中電流IR3＝I－IR2增大，電磁繼電器產生的磁場增強，把銜鐵吸下，紅燈亮，選項D正確。
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考點二　光控與溫控裝置
3.如圖所示為一溫度自動報警器的原理圖，在水銀溫度計的頂端封入一段金屬絲，下列說法正確的是
A.溫度升高至74 ℃時，燈L1亮報警
B.溫度升高至74 ℃時，燈L2亮報警
C.溫度升高至78 ℃時，燈L1亮報警
D.溫度升高至78 ℃時，燈L2亮報警
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√
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當溫度低于78 ℃時，線圈中沒有電流，此時僅燈L1亮，不報警；當溫度升高到78 ℃時，線圈中有電流，磁體吸引銜鐵，燈L2被接通，所以燈L2亮報警，故選D。
4.(2023·南通市高二校考階段練習)如圖甲所示為電磁繼電器自動雙向開關，當D、E中通過的電流較小時，電磁鐵磁性弱，A與B接線柱接通；當D、E中通過的電流增大到一定數值時，C與B接線柱接通。圖乙為應用電磁繼電器和光敏電阻實現路燈自動開、關的電路圖，虛線框內為電磁繼電器接入電路時的符號(M、N兩接線柱分別與電磁繼電器中接線柱A或C連接)。R為光敏電阻，R1為可調電阻，R0為保護電
阻。開關S閉合，在光線暗時對路燈L供
電，光線亮時對路燈L斷電并同時接通
LED。
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下列說法中正確的是
A.光敏電阻阻值隨光照強度增大而增大
B.為使電路正常工作，圖甲中電磁繼電
　器的A接線柱應與圖乙中N接線柱連接
C.為更好的節能環保，光線更暗時對路燈自動供電，可將R1的阻值調小
D.當LED出現斷路故障時，電磁繼電器將不能正常工作
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√
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光敏電阻的阻值隨光照強度減小而增大，
由題意可知，光線較暗時，光敏電阻的
阻值較大，接M接線柱，題圖甲中電磁
繼電器的A接線柱應與題圖乙中M接線
柱連接，此時A、B接通，流過D、E的電流較小，故A、B錯誤；
電磁鐵的磁性與電流的大小有關，電流小到一定值，A、B接通，光線更暗時，光敏電阻的阻值更大，根據I＝　　　　　，可知要實現光線更暗時對路燈自動供電，可將R1的阻值調小，故C正確；
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當LED出現斷路故障時，不影響電磁繼電器部分的電路，可以正常工作，故D錯誤。
5.現要組裝一個由熱敏電阻控制的報警系統，要求當熱敏電阻的溫度達到或超過60 ℃時，系統報警。提供的器材有：熱敏電阻，報警器(內阻很小，流過的電流超過Ic時就會報警)，電阻箱(最大阻值為999.9 Ω)，直流電源(輸出電壓為U，內阻不計)，滑動變阻器R1(最大阻值為1 000 Ω)，滑動變阻器R2(最大阻值為2 000 Ω)，單刀雙擲開關一個，導線若干。
在室溫下對系統進行調節，已知U約為18 V，Ic約為10 mA；流過報警器的電流超過20 mA時，報警器可能損壞；該熱敏電阻的阻值隨溫度升高而減小，在60 ℃時阻值為650.0 Ω。
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(1)在圖中完成待調節的報警系統原理電路圖的連線。
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答案　見解析圖
熱敏電阻工作溫度達到60 ℃時，報警器報警，故需通過調節電阻箱使其阻值等于60 ℃時熱敏電阻的阻值，即調節到阻值650.0 Ω，使報警器能正常報警，電路圖如圖所示。
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(2)電路中應選用滑動變阻器________(填“R1”或“R2”)。
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R2
U＝18 V，通過報警器的電流10 mA≤I≤20 mA，故電路中總電阻R＝　，即900 Ω≤R≤1 800 Ω，故滑動變阻器選R2。
(3)按照下列步驟調節此報警系統：
①電路接通前，需將電阻箱調到一固定的阻值，根據實驗要求，這一阻值為_______ Ω；滑動變阻器的滑片應置于____(填“a”或“b”)端附近，不能置于另一端的原因是________________________________________
________________。
650.0
b
接通電源后，流過報警器的電流會超過20 mA，
報警器可能損壞
②將開關向________(填“c”或“d”)
端閉合，緩慢移動滑動變阻器的滑片，
直至________________。
(4)保持滑動變阻器滑片的位置不變，將開關向另一端閉合，報警系統即可正常使用。
c
報警器開始報警
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①熱敏電阻阻值為650.0 Ω時，報警
器開始報警，模擬熱敏電阻的電阻
箱的阻值也應為650.0 Ω，為防止通
過報警器電流過大，造成報警器燒
壞，應使滑動變阻器的滑片置于b端。
②實驗調試時，將開關置于c端，緩慢調節滑動變阻器，直至報警器開始報警。
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6.電飯煲的工作原理如圖所示，可分為兩部分，即控
制部分：由S1、S2、定值電阻R1和黃燈組成；工作(加
熱)部分：由發熱電阻R3、定值電阻R2和紅燈組成。S1
是一個磁鋼限溫開關，手動閉合，當此開關的溫度達到居里點(103 ℃)時，自動斷開，且不能自動復位，S2是一個金屬片自動開關，當溫度達到70～80 ℃時，自動斷開，低于70 ℃時，自動閉合，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是發熱電阻，
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能力綜合練
限流
接通電源并閉合S1后，黃燈熄而紅燈亮，R3發熱，當溫度達到70～80 ℃時，S2斷開，當溫度達到103 ℃時飯熟，S1斷開，當溫度降到70 ℃以下時，S2閉合，電飯煲處于保溫狀態，由以上描述可知R2________R3(選填“<”“＝”或“>”)，當用電飯煲燒水時，S1________(選填“會”或“不會”)自動斷開。
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>
不會
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通過紅燈、黃燈的電流必須較小，根據歐姆定律可知R1、R2起限流作用；R3是發熱電阻，要產生很大的熱量，所以電流要大一點，而通過R2的電流要小一點，且并聯電路電壓相等，根據歐姆定律可知R2>R3；當用電飯煲燒水時，溫度達不到居里點(103 ℃)，S1不會自動斷開。
7.(2020·全國卷Ⅲ)已知一熱敏電阻當溫度從10 ℃升至60 ℃時阻值從幾千歐姆降至幾百歐姆，某同學利用伏安法測量其阻值隨溫度的變化關系。所用器材：電源E、開關S、滑動變阻器R(最大阻值為20 Ω)、電壓表(可視為理想電表)和毫安表(內阻約為100 Ω)。
(1)在所給的器材符號之間畫出連線，組成測量電路圖。
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答案　見解析圖
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滑動變阻器最大阻值僅20 Ω，應采用分壓式接法，電壓表為理想電表，應采用毫安表外接法，測量電路圖如圖所示。
(2)實驗時，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，計算出相應的熱敏電阻阻值。若某次測量中電壓表和毫安表的示數分別為5.5 V和3.0 mA，則此時熱敏電阻的阻值為______ kΩ(保留2位有效數字)。實驗中得到的該熱敏電阻阻值RT隨溫度t變化的曲線如圖(a)所示。
1.8
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7
(3)將熱敏電阻從溫控室取出置于室溫下，測得達到熱平衡后熱敏電阻的阻值為2.2 kΩ。由圖(a)求得，此時室溫為________ ℃(保留3位有效數字)。
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25.5
根據RT－t圖像，RT＝2.2 kΩ時，t約為25.5 ℃。
(4)利用實驗中的熱敏電阻可以制作溫控報警器，其電路的一部分如圖(b)所示。圖中E為直流電源(電動勢為10 V，內阻可忽略)；當圖中的輸出電壓達到或超過6.0 V時，便觸發報警器(圖中未畫出)報警。若要求開始報警時環境溫度為50 ℃，則圖中________(填“R1”或“R2”)應使用熱敏電阻，另一固定電阻的阻值應為________ kΩ(保留2位有效數字)。
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R1
1.2
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BENKEJIESHU
本課結束(共22張PPT)
DIWUZHANG
第五章
章末素養提升
再現素養
知識
物理觀念 傳感器及其工作原理 1.定義：將　　　　　轉換為　　　　或控制電路的通斷的元件
2.敏感元件：
3.工作流程：非電學量→敏感元件→轉換元件→轉換電路→電學量
①熱敏電阻和金屬熱電阻——溫度傳感器，將____
轉化為電學量
②光敏電阻——光傳感器，將　　　轉化為電學量
③電阻應變片——電子秤，將　　　轉化為電學量
非電學量
電學量
熱學
量
光學量
力學量
科學思維 1.理解傳感器的原理
2.會運用傳感器和簡易自動控制裝置解決實際問題
科學探究 1.會利用干簧管設計簡單的自動控制電路——門窗防盜報警裝置
2.會利用光敏電阻設計簡單的自動控制電路——光控開關
科學態度與責任 認識傳感器對社會發展所起的重要作用；增強民族自豪感
　傳感器被廣泛應用于生產、生活中，下列關于傳感器的說法正確的是
A.冰箱控溫系統使用了溫度傳感器
B.夜間自動打開的路燈使用了溫度傳感器
C.電腦所用的光電鼠標主要是采用了聲波傳感器
D.霍爾元件把光照強弱這個光學量轉換為電阻這個電學量
例1
提能綜合
訓練
√
冰箱控溫系統利用溫度傳感器來調節冰箱內的溫度，A正確；
夜間自動打開的路燈使用了光傳感器，B錯誤；
電腦所用的光電鼠標主要是采用了光電傳感器，C錯誤；
霍爾元件把磁場變化轉換為電壓信號，D錯誤。
　在一些洗手間經常裝有自動干手機，洗手后將濕手靠近，機內的傳感器就開通電熱器加熱，有熱空氣從機內噴出，將濕手烘干。手靠近干手機能使傳感器工作，是因為
A.改變了濕度 B.改變了溫度
C.改變了磁場 D.改變了電容
例2
√
根據自動干手機工作的特征，手靠近干手機時電熱器開始工作，手撤離干手機時電熱器停止工作，人是一種導體，干手機內設有電容式傳感器，由于手的靠近改變了電容，電熱器便開始工作。用濕度和溫度來驅動電熱器工作，理論上可行，但是假如干手機是由于濕度、溫度的變化而工作就成了室內烘干機。故選D。
　如圖所示是某小區門口利用光敏電阻設計的行人監控裝置，R1為光敏電阻、R2為定值電阻，A、B接監控裝置。則
A.當有人通過而遮住光時，A、B之間電壓升高
B.當有人通過而遮住光時，A、B之間電壓不變
C.當僅增大R2的阻值時，可增大A、B之間的電壓
D.當僅減小R2的阻值時，可增大A、B之間的電壓
例3
√
R1是光敏電阻，有光照射時，電阻變小，當有人通
過而遮住光時，R1的阻值變大，回路中的電流I減
小，A、B間的電壓U＝IR2減小，故A、B項錯誤；
由閉合電路歐姆定律得：U＝E－I(R1＋r)，當僅增大R2的阻值時，電路中的電流減小，A、B間的電壓U增大，故C項正確；
當僅減小R2的阻值時，電路中的電流增大，A、B間的電壓U減小，故D項錯誤。
　(2022·揚州市高二期末)把光敏電阻(光照越強，阻值越小)接入如圖所示電路，制成光電報警裝置。閉合開關，當光照達到一定強度時，報警器的蜂鳴器發聲，下列說法正確的是
A.干簧管應用了電磁感應原理
B.增大電阻箱R的阻值，報警器在光照更強時才會報警
C.增加電源B的電動勢，報警器在光照更強時才會報警
D.增加電源A的電動勢，報警器在光照更強時才會報警
例4
√
干簧管上的線圈通電形成的磁場使簧片磁化時，簧片
的觸點部分就會被磁力吸引，當吸引力大于簧片的彈
力時，常開接點就會被吸合；當磁力減小到一定程度
時，接點被簧片的彈力打開。則干簧管是利用磁極間的相互作用來控制電路的通斷，故A錯誤；
線圈中電流不變，總電阻不變，增大電阻箱R的阻值，光敏電阻阻值更小時才會報警，即報警器在光照更強時才會報警，故B正確；
線圈中電流不變，增加電源B的電動勢，報警時，電
路中總電阻變大，光敏電阻變大，報警器在光照更弱
時就會報警，故C錯誤；
增加電源A的電動勢，不影響線圈中電流，報警器在原光照強度時會報警，故D錯誤。
　(2022·徐州市高二期中)電飯鍋的內部結構如圖所示，電飯鍋中應用了溫度傳感器，它的主要元件是感溫鐵氧體，其特點是：常溫下感溫鐵氧體具有鐵磁性，能夠被磁體吸引，但是溫度上升到103 ℃時，就失去了鐵磁性，不能被磁體吸引了，這個溫度在物理學中稱為該材料的“居里點”。已知水沸騰時電飯鍋內溫度為100 ℃，下列說法正確的是
A.當溫度達到“居里點”時，感溫鐵氧體的磁性
　最強
B.如果用電飯鍋燒水，在水沸騰后，電熱板電源
　開關會自動斷開
C.煮飯時水剛沸騰，鍋內還有一定的水時，電熱板電源開關不會自動斷開
D.煮飯前是常溫，感溫鐵氧體具有較強的磁性，永磁體被吸引，不用壓下開關
　按鈕就可以自動煮飯
例5
√
溫度上升到“居里點”時，感溫鐵氧體就
失去了鐵磁性，故A錯誤；
如果用電飯鍋燒水，在水沸騰后溫度為
100 ℃，無法達到“居里點”，電熱板電
源開關不會自動斷開，故B錯誤；
煮飯時水剛沸騰，鍋內還有一定的水時溫度為100 ℃，無法達到“居里點”，電熱板電源開關不會自動斷開，故C正確；
煮飯前是常溫，感溫鐵氧體具有較強的磁性，有彈簧在，永磁體不會被吸引，不可以自動煮飯，故D錯誤。
　(2023·江蘇省如皋中學校考階段練習)利用如圖所示的加速度計可探究彈簧振子的位移隨時間變化的關系。取滑塊從圖示的平
衡位置向右運動為零時刻，此時滑塊下方的滑片在均勻
電阻絲R的中間位置，電壓傳感器得到PQ兩端的電勢差
UPQ隨時間t變化的圖像是
例6
√
　某同學利用熱敏電阻設計了一個“過熱自動報警電路”，如圖甲所示。將熱敏電阻R安裝在需要探測溫度的地方，當環境溫度正常時，繼電器的上觸點接觸，下觸點分離，指示燈亮；當環境溫度超過某一值時，繼電器的下觸點接觸，上觸點分離，警鈴響。圖甲中繼電器的供電電壓U1＝3 V，繼電器線圈用漆包線繞成，其電阻R0為30 Ω。當線圈中的電流大于等于50 mA時，繼電器的銜鐵將被吸合，警鈴響。圖乙是熱敏電阻R的阻值隨溫度變化的圖像。
例7
(1)圖甲中警鈴的接線柱C應與接線柱______相連，指示燈的接線柱D應與接線柱________相連(均選填“A”或“B”)；
B
A
根據題意知警鈴的接線柱C應與接線柱B相連，指示燈的接線柱D應與接線柱A相連。
(2)當環境溫度升高時，熱敏電阻阻值將______，繼電器的磁性將______(均選填“增大”“減小”或“不變”)，當環境溫度達到_____℃時，警鈴報警；
減小
增大
80
由題圖乙知，當環境溫度升高時，熱敏電阻阻
值減小，由閉合電路歐姆定律知電路中電流增
大，則繼電器的磁性將增大。當線圈中的電流
等于50 mA時，繼電器的銜鐵剛好被吸合，此
時控制電路中總電阻最大值為R總＝ Ω
＝60 Ω，此時熱敏電阻阻值為R＝R總－R0＝(60－30) Ω＝30 Ω，由題圖乙知，此時環境溫度為80 ℃，所以環境溫度在達到80 ℃時，警鈴報警。
(3)如果要使報警電路在更高的溫度報警，下列方案可行的是______。
A.適當減小U1 B.適當增大U1
C.適當減小U2 D.適當增大U2
A
要使報警電路在更高的溫度報警，則線圈中的電流等于50 mA時，熱敏電阻R的阻值變小，由(2)知，熱敏電阻R＝ －R0，則可通過適當減小U1達到這個目的，故選A。
BENKEJIESHU
本課結束(共63張PPT)
DIWUZHANG
第五章
1　認識傳感器
2　常見傳感器的工作原理及應用
學習目標
1.知道什么是傳感器，了解傳感器的種類(重點)。
2.知道傳感器的組成與應用模式。
3.知道光敏電阻、金屬熱電阻、熱敏電阻、電阻應變
片、電容式傳感器的工作原理及應用(難點)。
四、電阻應變片
內容索引
一、傳感器及其工作原理
二、光敏電阻
課時對點練
三、金屬熱電阻和熱敏電阻
五、電容式傳感器
一
傳感器及其工作原理
干簧管結構：如圖甲所示，玻璃管內封入了兩個軟磁性材料制成的簧片，接入圖乙電路，當條形磁體靠近干簧管時：
(1)會發生什么現象，為什么？
答案　燈泡會亮，因為當條形磁體靠近干簧管時，兩個簧片被磁化而接通。
(2)干簧管的作用是什么？
答案　干簧管起到開關的作用，是一種能夠感知磁場的傳感器。
梳理與總結
1.傳感器
(1)定義：能夠感受諸如力、溫度、光、聲、化學成分等被測量，并能把它們按照一定的規律轉換為便于傳送和處理的　　　　　(通常是　　　、電流等電學量)輸出，或轉換為電路的　　　的器件或裝置。
(2)功能：把　　　　量轉化為　　　量，可以方便地進行測量、傳輸、處理和　　　。
2.傳感器的種類、組成與應用模式
(1)分類：按傳感器的工作原理的不同，把傳感器分為　　傳感器、____
傳感器和　　　傳感器。
可用信號
電壓
通斷
非電學
電學
控制
物理
化學
生物
(2)組成：傳感器主要由　　　　　、轉換元件組成。
①敏感元件：能直接感受或響應外界被測非電學量的部分。相當于人的感覺器官，是傳感器的核心部分，是利用材料的某種敏感效應(如熱敏、光敏、壓敏、力敏、濕敏等)制成的。
②轉換元件：將敏感元件輸出的信號直接轉換成電信號的部分。
(3)傳感器應用的一般模式：
敏感元件
　關于傳感器，下列說法正確的是
A.所有傳感器都是由半導體材料制成的
B.金屬材料也可以制成傳感器
C.傳感器主要是通過感知電壓的變化來傳遞信號的
D.水銀溫度計是一種傳感器
例1
√
傳感器材料分為半導體材料、陶瓷材料、金屬材料和有機材料等，A錯誤，B正確；
傳感器是通過把非電學量轉換成電學量來傳遞信號的，C錯誤；
水銀溫度計根據液體的熱脹冷縮來測量溫度，不是傳感器，D錯誤。
　在多種檢測三聚氰胺的方法中有一種“酶標法”檢測，這種檢測方法使用的傳感器，應為傳感器中的哪一類
A.物理傳感器 B.化學傳感器
C.生物傳感器 D.溫度傳感器
例2
酶標法的原理是利用了生物酶，故應為生物傳感器，C正確。
√
二
光敏電阻
1.特點：在被光照射時　　　發生變化，阻值隨光照強度的增強而明顯
　　　。
2.阻值發生變化的原因：光敏電阻的構成物質為半導體材料，無光照時，載流子　　　，導電性能　　；隨著光照的增強，載流子　　　，導電性　　　。
3.作用：把　　　　　這個光學量轉換為　　　這個電學量。
電阻
減小
極少
差
增多
變好
光照強弱
電阻
4.應用實例：在工廠生產車間的生產線上安裝計數器后，就可以準確得知生產產品的數量，如圖所示為光敏電阻自動計數器的示意圖，其中R1為光敏電阻，R2為定值電阻。當光被產品擋住時，R1電阻　　　(填“增大”“減小”或“不變”)，電路中電流減小，R2兩端電壓　　　(填“增大”“減小”或“不變”)，信號處理系統得到　　(填“高”或“低”)電壓，每通過一個產品就獲得一次　　(填“高”或“低”)電壓，并計數一次。
增大
減小
低
低
　(2022·江蘇省上岡高級中學期中)如圖所示，理想變壓器原、副線圈的匝數比為10∶1，電壓表和電流表均為理想交流電表，R是一個光敏電阻，其阻值隨光照強度的增大而減小。從某時刻開始在原線圈兩端加上交變電壓，其瞬時值表達式為u1＝220　 sin 100πt(V)，則
A.在天逐漸變黑的過程中，電壓表V的示數變小
B.在天逐漸變黑的過程中，電流表A2的示數變小
C.在天逐漸變黑的過程中，電流表A1的示數變大
D.在天逐漸變黑的過程中，電壓表V的示數變大
例3
√
三
金屬熱電阻和熱敏電阻
1.金屬熱電阻：金屬導體的電阻隨溫度的升高而　　　，如圖中圖線①所示。
2.熱敏電阻
(1)熱敏電阻指用半導體材料制成，電阻值隨溫度變化發生
明顯變化的電阻。如圖中圖線②所示為某熱敏電阻的電阻
—溫度特性曲線。
(2)熱敏電阻分正溫度系數熱敏電阻和負溫度系數熱敏電阻兩類，電阻值隨溫度升高而增大的是正溫度系數熱敏電阻；電阻值隨溫度升高而_____
的是負溫度系數熱敏電阻。常用的是負溫度系數熱敏電阻。
3.作用：金屬熱電阻和熱敏電阻把　　這個熱學量轉換成　　這個電學量。
增大
減小
溫度
電阻
思考與討論
將多用電表的選擇開關置于歐姆擋，再將多用電表的兩支表筆與負溫度系數的熱敏電阻RT(溫度升高時電阻減小)的兩端相連，這時表針恰好指在刻度盤的正中央。若在RT上擦一些酒精，多用電表指針將如何偏轉？若用吹風機將熱風吹向熱敏電阻，多用電表指針將如何偏轉？
答案　由于酒精揮發，熱敏電阻RT溫度降低，電阻值增大，多用電表指針將向左偏；用吹風機將熱風吹向熱敏電阻，熱敏電阻RT溫度升高，電阻值減小，多用電表指針將向右偏。
　電阻R隨溫度T變化的圖像如圖所示。下列說法正確的是
A.圖線1是熱敏電阻的圖線，它是用半導體材料制成的
B.圖線2是熱敏電阻的圖線，它是用金屬材料制成的
C.圖線1對應的材料化學穩定性好、測溫范圍大、靈敏度高
D.圖線2對應的材料化學穩定性差、測溫范圍小、靈敏度高
例4
金屬熱電阻的阻值隨溫度升高而增大，半導體材料制成的熱敏電阻的阻值隨溫度升高而減小，所以A、B錯誤；
圖線1對應的材料化學穩定性好，但靈敏度差，圖線2對應的材料化學穩定性差，但靈敏度高，所以C錯誤，D正確。
√
　(2022·連云港市高二校聯考階段練習)如圖所示是一火災報警器的電路示意圖，其中R2為用半導體熱敏材料制成的傳感器，這種半導體熱敏材料的電阻率隨溫度的升高而減小。電流表為值班室的顯示器，電源兩極之間接一報警器，當傳感器R2所在處出現火情時，顯示器的電流I、報警器兩端的電壓U的變化情況是
A.I變大，U變大 B.I變大，U變小
C.I變小，U變大 D.I變小，U變小
例5
√
當傳感器R2所在處出現火情時，R2阻值變小，R2與R3的
并聯總電阻減小，外電路的總電阻R減小，由閉合電路
歐姆定律可知電路的總電流增大，電源的內電壓變大，
由U＝E－I總r，可知路端電壓減小，即報警器兩端電壓U減小，電路中并聯部分的電壓U并＝E－I總(R1＋r)，由于I總變大，則可知U并變小，則根據部分電路的歐姆定律可知通過顯示器的電流I變小。故選D。
四
電阻應變片
1.電阻應變效應：金屬導體在外力作用下發生機械形變(伸長或縮短)時，其電阻也隨之變化的現象。
2.電阻應變片：電阻應變片有金屬電阻應變片和　　　　　　　　　，后者的工作原理是基于半導體材料的　　　　　。
3.電阻應變片能夠把物體形變這個力學量轉換為　　　這個電學量。
半導體電阻應變片
壓阻效應
電阻
4.應用實例：如圖所示是一個應變式力傳感器，彈簧鋼制成的梁形元件右端固定，在梁的上、下表面各貼一個應變片。在梁的自由端施加力F，則梁發生彎曲，上表面拉伸，下表面壓縮，上表面應變片的電阻變　 (填“大”或“小”)，下表面應變片的電阻變 　(填“大”或“小”)。力F越大，彎曲形變越大，應變片的電阻變化就越大。如果讓應變片中通過的電流保持恒定，那么上表面應變片兩端的電壓變　 (填“大”或“小”)，下表面應變片兩端的電壓變 　(填“大”或“小”)。傳感器把這兩個電壓的差值輸出。力F越大，輸出的電壓差值也就越　 (填“大”或“小”)。
大
小
大
小
大
　壓敏電阻的阻值隨所受壓力的增大而減小，有位同學設計了利用壓敏電阻判斷豎直升降機運動狀態的裝置，其工作原理圖如圖甲所示，將壓敏電阻固定在升降機底板上，其上放置一個物塊，在升降機運動的過程中，電流表示數如圖乙所示，已知升降機靜止時電流表的示數為I1。下列判斷正確的是
A.0到t1時間內，升降機一定靜止
B.t1到t2時間內，升降機可能做勻加速直線運動
C.t1到t2時間內，升降機運動時的加速度在變化
D.t2到t3時間內，升降機可能向下勻速運動
例6
√
從0～t1時間內，電流不變，根據閉合電路
的歐姆定律可知電路中的總阻值不變，升
降機可能靜止也可能勻速運動，故A錯誤；
t1～t2時間內，電流增大，則電阻減小，因為壓敏電阻的阻值隨所受壓力的增大而減小，所以壓力增大，由牛頓第三定律得物塊受到的支持力逐漸增大，根據牛頓第二定律有FN－mg＝ma，合力向上，加速度向上且逐漸增大，故B錯誤，C正確；
t2～t3時間內電流不變，電阻不變，壓力不
變，電流大于靜止時的電流，壓力大于靜
止時的壓力，物塊受重力和支持力，根據
牛頓第二定律有FN′－mg＝ma′，合力向上，加速度向上且大小不變，所以t2～t3時間內升降機勻加速上升或勻減速下降，故D錯誤。
五
電容式傳感器
電容式傳感器：電容器的電容C取決于極板的正對面積S、極板間距d以及極板間的電介質這三個因素。如果某個物理量(如角度θ、位移x、深度h等)的變化引起上述某個因素的變化，從而引起電容的變化，通過電容的變化就可以確定上述物理量的變化，那么這種電容器就被稱為電容式傳感器。
如圖是電容式話筒的原理圖，話筒的振動膜片上涂有薄薄的金屬層，膜后相距幾十微米有一個金屬片，他們構成電容器的兩個極板。電容式話筒利用電容器的電容與極板間距離關系來工作，試分析它的工作原理。
思考與討論
答案　電容式話筒利用振動膜片接收空氣振動信號，振動膜片與固定電極之間形成一個電容，兩者之間的距離變化會導致其電容的變化。在電容器兩端施加恒定的電壓，通過電容器的電流就會變化。將這個電流信號進行轉換，即可輸出音頻信號。
　如圖所示為某汽車的加速度傳感器的俯視圖。金屬塊左、右側分別連接電介質、輕質彈簧，彈簧與電容器固定在外框上，金屬塊可帶動電介質相對于外框左右移動(不能上下移動)，電容器與電源連接，并串聯計算機的信號采集器。關于該傳感器的說法正確的是
A.汽車保持靜止時，電容器不帶電
B.汽車靜止時與做直線運動時，電容器的
　電容可能相同
C.汽車由靜止突然向右加速，電路中有逆
　時針方向的電流
D.汽車向右做勻加速運動過程中，電路中始終有順時針方向的電流
例7
√
汽車保持靜止時，Q＝CU，電容器帶電，故A錯誤；
汽車靜止時與做勻速直線運動時，彈簧長度相同，電容器的電容相同，故B正確；
當汽車向右加速運動時，電容器電介質相對于電容器向左運動，由C＝　　可知電容變大，因兩極板間的電壓不變，則電容器所帶的電荷量增加，電路中有順時針方向的電流，故C錯誤；
汽車向右做勻加速運動過程中，加速度不變，彈簧伸長量不變，電容器充電完成后，不再有電流，故D錯誤。
六
課時對點練
考點一　傳感器及其工作原理
1.(2022·徐州市高二期中)下列說法正確的是
A.干簧管是一種由電場控制的開關
B.光敏電阻能夠把電信號轉換成光信號
C.用半導體材料做成的熱敏電阻在溫度升高時電阻減小
D.可燃性氣體報警器利用壓力傳感器制成
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基礎對點練
√
干簧管是在玻璃管內封入了兩個軟磁性材料制成的簧片，當磁場靠近時，兩個磁片被磁化而接通，所以干簧管是由磁場控制的開關，故A錯誤；
光敏電阻是用電阻率與光照強度有關的材料制成的，當光照射時，電阻發生變化，是把光信號轉化成電信號，故B錯誤；
熱敏電阻是用電阻率與溫度有關的材料制成的，用半導體做成的熱敏電阻在溫度升高時，電阻減小，故C正確；
可燃性氣體傳感器利用電化學氣體傳感器制成，故D錯誤。
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2.(2023·徐州市高二期中)2022年政府“惠民工程”為每個老小區居民樓免費安裝了樓道照明燈，白天不論有沒有聲音燈都不亮，晚上有聲音時燈才亮。該開關中有哪兩種傳感器？①聲傳感器，②壓力傳感器，③環境光線傳感器，④溫度傳感器
A.①② B.①③
C.①④ D.②④
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白天不論有沒有聲音燈都不亮，晚上有聲音時燈才亮，由此可知該開關中有聲傳感器和環境光線傳感器，故選B。
考點二　常見傳感器及其應用
3.對于常見的可燃氣體濃度的檢測，現在一般用催化燃燒檢測器。它的原理如下：傳感器的核心為一惠斯通電橋，其中一橋臂上有催化劑，當與可燃氣體接觸時，可燃氣體在有催化劑的電橋上燃燒，該橋臂的電阻發生明顯變化，其余橋臂的電阻不發生變化，從而引起整個電路的輸出發生變化，而該變化與可燃氣體的濃度成比例，從而實現對可燃氣體的檢測。由此可推斷有催化劑的橋臂上的電阻材料為
A.銅 B.合金
C.半導體 D.絕緣體
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由題意可知，該電阻為熱敏電阻，熱敏電阻由半導體材料制成，故C正確，A、B、D錯誤。
4.位移傳感器的工作原理如圖所示，物體M在導軌上平移時，帶動滑動變阻器的金屬滑片P移動，通過電壓表顯示的數據來反映物體M位移的大小x。假設電壓表是理想電表，物體M不動時，滑片P位于滑動變阻器正中間位置，則下列說法正確的是
A.物體M運動時，電源內的電流會發生變化
B.物體M運動時，電壓表的示數會發生變化
C.物體M不動時，電路中沒有電流
D.物體M不動時，電壓表沒有示數
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電壓表為理想電表，則電壓表不分流，故滑片P移動時
不會改變電路的電阻，也就不會改變電路中的電流，且
電路中始終有電流，故A、C錯誤；
電壓表測的是滑片P左側電阻分得的電壓，故示數隨物
體M的運動即滑片P的移動而變化，物體M不動時，電壓表仍有讀數，故B正確，D錯誤。
5.傳感器是把非電學物理量(如位移、速度、壓力、角度等)轉換成電學物理量(如電壓、電流、電荷量等)的一種元件。如圖中的甲、乙、丙、丁是四種常見的電容式傳感器，下列說法正確的是
A.圖甲中兩極板所帶電荷量不變，若電壓減小，可
　判斷出h變小
B.圖乙中兩極板所帶電荷量不變，若電壓增大，可
　判斷出θ變小
C.圖丙中兩極間的電壓不變，若有電流流向傳感器
　的負極，則x變小
D.圖丁中兩極間的電壓不變，若有電流流向傳感器的正極，則F變大
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題圖乙中兩極板所帶電荷量不變，若電壓增大，則電容減小，極板正對面積減小，θ變大，B錯誤；
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題圖丙中兩極間的電壓不變，若有電流流向傳感器的負極，說明電容器在放電，電荷量減小，電容減小，電介質向外移動，則x變大，C錯誤；
題圖丁中兩極間的電壓不變，若電流流向傳感器的正極，說明電容器在充電，電荷量增加，電容增大，兩電極間距離減小，則F變大，D正確。
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6.在溫控電路中，通過熱敏電阻阻值隨溫度的變化可實現對電路相關物理量的控制。如圖所示電路，R1為定值電阻，R2為半導體熱敏電阻(溫度越高，電阻越小)，C為電容器。當環境溫度降低時
A.電容器C的帶電荷量增大
B.理想電壓表的示數減小
C.電容器C兩板間的電場強度減小
D.R1消耗的功率增大
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由P1＝I2R1可知，R1消耗的功率P1減小，D錯誤；
7.(2022·揚州市高二期中)測量人體重的電子秤，其原理如圖中的虛線所示，它的主要部件壓力傳感器是一個阻值隨壓力增大而減小的電阻器，下列說法正確的是
A.稱重計在電路中相當于一個電壓表
B.電路中的R′沒有作用
C.人體越重，流過稱重計的電流越大
D.人體越重，流過稱重計的電流越小
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稱重表串聯在電路中，相當于電流表，A錯誤；
當人體很重時，壓力傳感器阻值很小，如果沒有R′，
電路中電流過大，會損壞電表，所以電路中的R′是
起保護電路作用，B錯誤；
當人體越重時，壓力傳感器阻值越小，電路中電阻越小，電流越大，C正確，D錯誤。
8.如圖所示為一種呼氣酒精測試儀的原理圖，其中酒精氣體傳感器的電阻值r′的倒數與接觸到酒精氣體的濃度c成正比。則下列說法正確的是
A.電壓表的示數無法表示濃度c的變化
B.電壓表的示數越大，表示濃度c越小
C.酒精氣體傳感器把電信號轉化成非電信號
D.當醉酒人員對傳感器呼氣時，電壓表示數變大
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酒精氣體傳感器和定值電阻R、R0串聯在電路中，電
壓表測R0兩端的電壓，酒精氣體傳感器的電阻的倒
數與接觸到酒精氣體的濃度成正比，接觸到的酒精氣體濃度越大則酒精氣體傳感器的電阻的倒數越大，即傳感器的電阻越小，根據歐姆定律可知電路中電流越大，R0兩端的電壓越大，所以U越大，表示濃度c越大，A、B錯誤，D正確；
酒精氣體傳感器把非電信號(酒精氣體濃度)轉化成電信號(電壓)，C錯誤。
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9.(2023·江蘇省丹陽高級中學校考期末)利用霍爾效應制作的霍爾元件，廣泛應用于測量和自動控制等領域，如圖是霍爾元件的工作原理示意圖，磁感應強度B垂直于霍爾元件的工作面向下，通入圖示方向的電流I，C、D兩側面會形成電勢差U，下列說法中正確的是
A.電勢差U僅與材料有關
B.若霍爾元件的載流子是自由電子，則電勢差UCD<0
C.僅增大磁感應強度時，電勢差U變小
D.在測定地球赤道上方的地磁場強弱時，元件的工作面應保持水平
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能力綜合練
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電勢差U不僅與材料有關，還與磁感強度大小、電流
大小有關，A錯誤；
若霍爾元件的載流子是自由電子，根據左手定則，電
子受洛倫茲力向C端移動，因此電勢差UCD<0，B正確；
根據Eq＝Bqv，而U＝Ed＝Bvd，因此僅增大磁感應強度時，電勢差U變大，C錯誤；
在測定地球赤道上方的地磁場強弱時，元件的工作面應保持豎直，讓磁感線穿過工作面，D錯誤。
10.如圖所示，電路由電源(電動勢為E，內阻為r)，開關S，定值電阻R1、R2，光敏電阻R3(光照越強，電阻越小)和兩平行板水平放置的電容器連接而成。開關S閉合，穩定后電容器兩板間的M點有一帶電液滴恰好靜止。當用強光照射R3時
A.液滴向下運動
B.電容器所帶電荷量增加
C.電源的輸出功率減小
D.M點的電勢不變
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電路穩定時電容器兩板間的電壓等于R1兩端的電壓，當用強光照射光敏電阻R3時，光敏電阻的阻值減小，電路中電流增大，R1兩端的電壓增大，電容器兩板間的電壓增大，板間電場強度增大，液滴所受的靜電力增大，液滴向上運動，故A錯誤；
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電容器兩板間的電壓增大，電容不變，由Q＝CU知，電容器所帶電荷量增加，故B正確；
由于內、外電阻的關系未知，所以無法確定電源的輸出功率如何變化，故C錯誤；
電容器兩板間電場強度增大，M點與下極板間的電勢差增大，而M點的電勢比下極板的電勢高，所以M點的電勢升高，故D錯誤。
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11.(2022·江蘇省蘇州實驗中學校考期中)利用某半導體的電阻隨溫度升高而減小的特征可以制作電子溫度計。圖甲表示該半導體的電阻R隨溫度t變化的情況。把該半導體與電動勢為E、內阻為r的電源，理想電壓表和保護電阻R0連成如圖乙所示的電路。用該半導體作為測溫探頭，把電壓表的電壓刻度改為相應的溫度刻度，就得到了一個簡易的電子溫度計。下列說法正確的是
A.溫度升高后，電源的效率將升高
B.該電子溫度計表盤上溫度的刻度是均勻的
C.tA和tB相比，tA應標在電壓較小的刻度上
D.若電池用久后內阻r變大，用該溫度計測量的溫度要比真實值偏高
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12.(2023·連云港市高二期中)現代生物醫學研究使用的細菌培養箱內的溫度需要精確測控，測控的方法之一是用熱敏電阻來探測溫度。如圖甲所示的電路，將熱敏電阻R0置于細菌培養箱內(如圖中虛線)，其余都置于箱外。這樣可以通過理想電流表、電壓表的示數來表示箱內溫度。已知隨著箱內溫度的改變，電壓表和電流表示數如圖乙，電源的電動勢恒定、內阻忽略不計。熱敏電阻隨溫度的變化圖像如圖丙所示，求：
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(1)電阻R的阻值；
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答案　600 Ω
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根據題意，由題圖乙可知，當I＝0時
U＝16 V
則電源的電動勢為E＝16 V
當I＝20 mA＝0.02 A時，電阻R0兩端的電壓為U＝4 V
由閉合電路歐姆定律有U＝E－IR
解得R＝600 Ω
(2)當培養箱內的溫度為40 ℃時，電流表的示數；
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答案　16 mA
由題圖丙可知，當培養箱內的溫度為40 ℃時，R0的阻值為R0＝400 Ω
由閉合電路歐姆定律有
(3)已知電流表的量程是0～20 mA，電壓表的量程是0～16 V，則此電路能夠測量的最高溫度約是多少？此時熱敏電阻R0消耗的電功率是多大？
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答案　70 ℃　0.08 W
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根據題意，由題圖丙可知，溫度越高，R0阻值越小，則溫度最高時，電路中電流最大，即電流表滿偏，則有
E＝Ig(R0＋R)
解得，此時R0的阻值為
R0＝200 Ω
由題圖丙可知，此時溫度為70 ℃，熱敏電阻R0兩端的電壓為
U1＝IgR0＝4 V
則消耗的電功率為
P＝IgU1＝0.08 W。
BENKEJIESHU
本課結束

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