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第六章 2 传感器的应用 3 实验:传感器的应用

2传感器的应用

3实验:传感器的应用

[学习目标]1.了解传感器在日常生活和生产中的应用.2.了解传感器应用的一般模式.3.能设计简单的应用传感器的控制电路.

第六章 2 传感器的应用 3 实验:传感器的应用

一、力传感器的作用及工作原理

1.应变式力传感器可以用来测重力、压力、拉力等各种力.

2.应变片能够把物体形变这个力学量转换为电压这个电学量.

二、温度传感器的工作原理

1.双金属片温度传感器的工作原理:温度变化时,因双金属片上层金属与下层金属的热膨胀系数不同,双金属片发生弯曲从而控制电路的通断.

2.(1)电饭锅中温度传感器为感温铁氧体.感温铁氧体常温下具有铁磁性,温度上升到约103 ℃时,失去铁磁性,这一温度称为该材料的“居里温度”或“居里点”.

(2)用手按下开关按钮通电加热,开始煮饭,当锅内温度达到约103 ℃时,感温铁氧体失去铁磁性,与永磁体失去吸引力,被弹簧弹开,从而推动杠杆使触点开关断开.

三、光传感器的工作原理及应用

1.光传感器能把光信号转换为电信号.

2.最常见的光传感器有光敏电阻、光电管、光电二极管、光电三极管等.

3.典型的应用,如鼠标、火灾报警器、光敏自动计数器等.

四、实验:光控开关和温度报警器

1.斯密特触发器是具有特殊功能的非门,符号为.

2.当加在斯密特触发器的输入端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)时,Y会从低电平跳到高电平(3.4 V).这样它将连续变化的模拟信号转换为突变的数字信号.

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1.判断下列说法的正误.

(1)电子秤中的应变片的电阻随形变大小而变化.(√)

(2)电熨斗和电饭锅都是利用双金属片控制电路通断的.(×)

(3)火灾报警器中的光电三极管的电阻随光照的增强而变小.(√)

(4)利用红外线敏感元件可以实现无接触测温.(√)

2.电子打火机的点火原理是压电效应,压电片在受压时会在两侧形成电压且电压大小与压力近似成正比.现有一利用压电效应制造的电梯加速度传感器,如图1所示.压电片安装在电梯地板下,电压表与压电片构成闭合回路用来测量压电片两侧形成的电压.若发现电压表示数增大,则电梯加速度一定(选填“向上”或“向下”),电梯可能(选填“加速”或“减速”)下降.

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图1

答案向上减速

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一、力传感器的应用——电子秤

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如图2所示是一个应变式力传感器,弹簧钢制成的梁形元件右端固定,在梁的上下表面各贴一个应变片.结合力传感器的特点,叙述它的工作原理.

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图2

答案在梁的自由端施力F,则梁发生弯曲,上表面拉伸,下表面压缩,上表面应变片的电阻变大,下表面的电阻变小.力F越大,弯曲形变越大,应变片的电阻变化就越大.如果让应变片中通过的电流保持恒定,那么上面应变片两端的电压变大,下面应变片两端的电压变小.传感器把这两个电压的差值输出.力F越大,输出的电压差值也就越大.

例1(多选)(2019·山东肥城六中高二期末)为了锻炼身体,小明利用所学物理知识设计了一个电子拉力计,如图3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 Ω,ab是一根长为5 cm的均匀电阻丝,阻值R1=25 Ω,电源输出电压恒为U=3 V,理想电流表的量程为0~0.6 A.当拉环不受力时,滑片P处于a端.下列关于这个电路的说法正确的是()

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图3

A.小明在电路中连入R0的目的是保护电路

B.当拉环不受力时,闭合开关后电流表的读数为0.1 A

C.当拉力为400 N时,电流表指针指在0.3 A处

D.当拉力为400 N时,电流表指针指在0.5 A处

答案ABC

解析若电路无电阻R0,且金属滑片P在b端时,电路短路会损坏电源,R0可使电路不出现

=短路,故A正确;当拉环不受力时,滑片P处于a端,由闭合电路欧姆定律得I=U

R0+R1 0.1 A,即电流表的读数为0.1 A,故B正确;当拉力为400 N时,由F=kΔx知,Δx=4 cm,

对应的电阻为R aP=20 Ω,R1接入电路的电阻R Pb=5 Ω,由闭合电路欧姆定律得I′=U

R0+R Pb =0.3 A,即电流表指针指在0.3 A处,故D错误,C正确.

二、温度传感器的应用——电熨斗、电饭锅

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1.如图4所示为电熨斗的结构,其中双金属片上层金属的热膨胀系数大于下层金属.常温下,电熨斗的上、下触点应当是接触的还是分离的?当温度过高时双金属片将怎样起作用?

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图4

答案常温时,电熨斗的上、下触点接触,这样电熨斗接通电源后能进行加热.当温度过高时双金属片膨胀,因上层的金属片热膨胀系数较大,故上层金属片膨胀得厉害,双金属片向下弯曲,弯曲到一定程度后,两触点分离,电路断开,电热丝停止加热;当温度降低后,双金属片恢复原状,重新接通电路加热.

2.电饭锅的结构如图5所示.

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图5

(1)开始煮饭时为什么要压下开关按钮?手松开后这个按钮是否会恢复到图示的状态?为什么?

(2)煮饭时水沸腾后锅内是否会大致保持一定的温度?为什么?如果用电饭锅烧水,能否在水沸腾后自动断电?

(3)饭熟后,水分被大米吸收,锅底的温度会有什么变化?这时电饭锅会自动发生哪些变化?答案(1)煮饭时压下开关按钮,感温磁体与永磁体相互吸引结合在一起,触点相接,电路接通,开始加热,手松开后,由于锅内的温度低,感温磁体与永磁体相互吸引而不能使按钮恢复到图示的状态.

(2)煮饭时水沸腾后锅内的温度基本保持在水的沸点不变,因为水沸腾时,温度不变,不能自动断电.如果用电饭锅烧水,水沸腾后,锅内的温度保持在100 ℃不变,低于“居里温度”(约103 ℃),电饭锅不能自动断电,只有水烧干后,温度升高到约103 ℃才能自动断电,因此用电饭锅烧水不能实现自动控温.

(3)饭熟后,水分被大米吸收,锅底的温度会升高,当温度上升到“居里温度”(约103 ℃)时,感温磁体失去磁性,在弹簧作用下永磁体与之分离,开关自动断开,且不能自动复位.

例2如图6所示是自动调温式电熨斗,下列说法不正确的是()

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图6

A.常温时上、下触点是接触的

B.双金属片温度升高时,上层的金属片形变较大,双金属片将向下弯曲

C.原来温度控制在80 ℃断开电源,现要求60 ℃断开电源,应使调温旋钮下移一些

D.由熨烫丝绸衣物状态(温度较低)转换为熨烫棉麻衣物状态(温度较高),应使调温旋钮下移一些

答案 C

解析常温时,上、下触点是接通的;当温度升高时,上层金属片形变大,向下弯曲,切断电源;切断温度要升高则应使调温旋钮下移一些,A、B、D正确,C错误.

例3(多选)电饭锅的结构如图7所示,如果感温磁体的“居里温度”为103 ℃时,下列说法中正确的是()

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图7

A.常温下感温磁体具有较强的磁性

B.当温度超过103 ℃时,感温磁体的磁性较强

C.饭熟后,水分被大米吸收,锅底的温度会达到103 ℃,这时开关按钮会跳起

D.常压下只要锅内有水,锅内的温度就不可能达到103 ℃,开关按钮就不会自动跳起

答案ACD

三、光传感器的应用——火灾报警器

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如图8所示是火灾报警器的内部结构,它由发光二极管LED、光电三极管和不透明的挡板组成,请简述它的工作原理.

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图8

答案正常情况下,光电三极管接收不到LED发出的光,呈现高电阻状态,当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.

例4如图9所示是会议室和宾馆房间的天花板上装有的火灾报警器的结构原理图,罩内装有发光二极管LED、光电三极管和不透明的挡板.平时光电三极管接收不到LED发出的光,呈现高电阻状态.发生火灾时,下列说法正确的是()

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图9

A.进入罩内的烟雾遮挡了光线,使光电三极管电阻更大,检测电路检测出变化发出警报B.光电三极管温度升高,电阻变小,检测电路检测出变化发出警报

C.进入罩内的烟雾对光有散射作用,部分光线照到光电三极管上,电阻变小,检测电路检测出变化发出警报

D.以上说法均不正确

答案 C

解析由火灾报警器的原理可知,发生火灾时烟雾进入罩内,使光发生散射,部分光线照到光电三极管上,电阻变小,与传感器相连的电路检测出这种变化发出警报,C正确.

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1.(光传感器的应用)(多选)(2019·济宁市高二检测)如图10所示为某商厦安装的光敏电阻自动计数器的示意图.其中A为光源,B为由电动机带动的匀速运行的自动扶梯,R1为光敏电阻,R2为定值电阻.每当扶梯上有顾客经过,挡住由A射向R1的光线时,计数器就计数一次.此光计数器的基本工作原理是()

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图10

A.当有光照射R1时,信号处理系统获得低电压

B.当有光照射R1时,信号处理系统获得高电压

C.信号处理系统每获得一次低电压就计数一次

D.信号处理系统每获得一次高电压就计数一次

答案BC

解析当有光照射R1时,R1阻值减小,R总减小,电源电压不变,故电路中的电流增大,R2为定值电阻,由U2=IR2,则R2两端电压增大,信号处理系统获得高电压,A错误,B正确;当挡住由A射向R1的光线时,R1的阻值变大,则R2两端的电压变小,信号处理系统每获得一次低电压就计数一次,C正确,D错误.

2.(力传感器的应用)压敏电阻的阻值随所受压力的增大而减小,有位同学设计了利用压敏电阻判断竖直升降机运动状态的装置,其工作原理图如图11甲所示,将压敏电阻固定在升降机底板上,其上放置一个物块,在升降机运动的过程中,电流表示数如图乙所示,已知升降机静止时电流表的示数为I1.下列判断正确的是()

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图11

A.0到t1时间内,升降机一定静止

B.t1到t2时间内,升降机可能做匀加速直线运动

C.t1到t2时间内,升降机运动时的加速度在变化

D.t2到t3时间内,升降机可能向下匀加速运动

答案 C

3.(温度传感器的应用)传感器担负着信息采集的任务,在自动控制中发挥着重要作用,传感器能够将感受到的物理量(如温度、光、声等)转换成便于测量的量(电学量),例如热敏传感器.某热敏电阻R T阻值随温度变化的图线如图12甲所示,图乙是由该热敏电阻R T作为传感器制作的简单自动报警器线路图.问:

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图12

(1)为了使温度过高时报警器响铃,c应接在(选填“a”或“b”)处.

(2)若要使启动报警的温度提高些,应将滑动变阻器的滑片P向移动(选填“左”或“右”).

(3)如果在调试报警器达到最低报警温度时,无论如何调节滑动变阻器的滑片P都不能使报警器工作,且电路连接完好,各电路元件都能处于工作状态,则造成工作电路不能正常工作的原因可能是.答案(1)a(2)左(3)电源提供电压太小以至于电磁铁磁性太弱或弹簧劲度系数太大,电磁铁的吸引力小于弹力

解析(1)由题图甲可知,热敏电阻R T在温度升高时阻值变小,电路中电流变大,电磁铁磁性增强,把右侧衔铁吸引过来,与a接触,故c应接在a处.

(2)若要使启动报警的温度提高,则应使电路中电阻更大,滑动变阻器的滑片P向左移动.

(3)电源提供电压太小以至于电磁铁磁性太弱或弹簧劲度系数太大,电磁铁的吸引力小于弹力.4.(光传感器的应用)为了节能和环保,一些公共场所使用光控开关控制照明系统.光控开关可采用光敏电阻来控制,光敏电阻是阻值随着光的照度而发生变化的元件(照度可以反映光的

强弱,光越强照度越大,照度单位为lx).某光敏电阻R G在不同照度下的阻值如表所示:照度(lx)0.20.40.60.8 1.0 1.2

电阻(kΩ)754028232018

(1)根据表中的数据,请在图13给定的坐标系中描绘出阻值随照度变化的曲线,并说明阻值随照度变化的特点;

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图13

(2)如图14所示,当1、2两端所加电压上升至2 V时,控制开关自动启动照明系统.请利用下列器材设计一个简单电路,给1、2两端提供电压,要求当天色渐暗照度降低至1.0 lx时启动照明系统,在虚线框内完成电路原理图(不考虑控制开关对所设计电路的影响).

提供的器材如下:

光敏电阻R G(符号,阻值见表);

直流电源E(电动势3 V,内阻不计);

定值电阻:R1=10 kΩ,R2=20 kΩ,R3=40 kΩ(限选其中之一并在图中标出);

开关S及导线若干.

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图14

答案(1)如图甲所示光敏电阻的阻值随光的照度的增大而非线性减小(2)如图乙所示

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解析(2)原理:利用串联电路的分压规律设计电路.当照度降低至1.0 lx时,光敏电阻为R G

=20 kΩ,由题中信息可知U12=2 V,E=3 V,U12

R G =

E-U12

R

所以R=10 kΩ,定值电阻应选R1.

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1.下列装置中利用了光电传感器的是()

A.电熨斗B.电饭锅

C.电子秤D.火灾报警器

答案 D

2.(多选)美国科学家Willard S. Boyle与George E. Smith因电荷耦合器件(CCD)的重要发明荣获2009年度诺贝尔物理学奖.CCD是将光学量转变成电学量的传感器.下列器件可作为传感器的有()

A.发光二极管B.热敏电阻

C.霍尔元件D.干电池

答案BC

解析发光二极管不可作为传感器,A错;热敏电阻和霍尔元件都可作为传感器,B、C对;干电池是电源,D错.

3.(多选)下列关于电子秤中应变式力传感器的说法正确的是()

A.应变片多是由导体材料制成

B.当应变片的表面拉伸时,其电阻变大

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错误;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,并且随着外力的增大,输出的电压差值也越大,故选项C错误,D正确.

4.下列说法正确的是()

A.电饭锅中的温度传感器的主要元件是氧化铁

B.氧化铁在常温下具有铁磁性,温度很高时失去铁磁性

C.用电饭锅烧水,水开时能自动断电

D.用电饭锅煮饭时,若温控开关自动断电后,它不能自动复位

答案 D

解析电饭锅中的温度传感器的主要元件为感温铁氧体,它在约103 ℃时失去铁磁性,选项A、B错误;用电饭锅烧水时,在标准大气压下,水温最高为100 ℃,电饭锅不会自动断电,若无人控制,则会直到水全部蒸发后才会断电,选项C错误;电饭锅开关自动断电后只能手动复位,选项D正确.

5.如图1所示是一火灾报警器的一部分电路示意图,其中R2为用NTC半导体热敏材料制成的传感器(温度越高,电阻越小),电流表为值班室的显示器,a、b之间接报警器,当传感器R2所在处出现火情时,显示器的电流I、报警器两端的电压U的变化情况是()

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图1

A.I变大,U变大B.I变小,U变小

C.I变小,U变大D.I变大,U变小

答案 B

解析当R2所在处出现火情时,NTC半导体热敏材料制成的传感器的电阻将减小,则此时电路中的总电阻减小,由闭合电路欧姆定律可知:外电路电压将减小,U减小;电路中的总电流增大,所以R1上的电压增大,显示器两端的电压将减小,电流I减小,B正确.

6.在探究超重和失重规律时,某重力为G的同学站在一压力传感器上完成一次下蹲动作.传感器和计算机相连,经计算机处理后得到压力F随时间t变化的图象,则下列图象可能正确的是()

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答案 D

解析对人的运动过程分析可知,人在加速下蹲的过程中,有向下的加速度,处于失重状态,此时人对传感器的压力小于人的重力;在减速下蹲的过程中,加速度方向向上,处于超重状态,此时人对传感器的压力大于人的重力,所以D正确.

7.温度传感器广泛应用于家用电器中,它是利用热敏电阻的阻值随温度变化的特性来工作的.如图2甲所示为某装置中的传感器工作原理图,已知电源的电动势E=9.0 V,内电阻不计;G为灵敏电流表,其电阻R g保持不变,R为热敏电阻,其阻值随温度的变化关系如图乙所示.闭合开关S,当R的温度等于20 ℃时,电流表示数I1=2 mA;当电流表的示数I2=3.6 mA时,热敏电阻的温度是()

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图2

A.60 ℃B.80 ℃

C.100 ℃D.120 ℃

答案 D

解析由题图乙可知,当R的温度等于20 ℃时,热敏电阻的阻值R1=4 kΩ,则由I1=E

R1+R g 可得R g=0.5 kΩ,当电流I2=3.6 mA时,由I2=E

R2+R g

可得R2=2 kΩ,由题图乙可知,此时热敏电阻的温度为120 ℃,故选D.

8.(2019·龙岩市漳平一中月考)如图3是安装在潜水器上深度表的电路简图,显示器由电流表(电阻不计)改装而成,压力传感器的电阻随压力的增大而减小,电源电动势不变,内阻为r,定值电阻阻值为R0,在潜水器下潜过程中,电路中有关物理量的变化情况是()

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图3

A.通过显示器的电流减小

B.R0两端的电压增大

C.传感器两端的电压增大

D.电路的总功率减小

答案 B

解析在潜水器下潜过程中,压力传感器受到的压力越来越大,压力传感器的电阻随压力的增大而减小,所以电路中的总电阻减小,由闭合电路欧姆定律I=E

可知电路中的总

R传+R0+r

电流增大,即通过显示器的电流增大,故A错误;R0两端的电压U=IR0,电路中的电流增大,则U增大,故B正确;传感器两端的电压U传=E-I(R0+r),由于I增大,E、R0、r都不变,则传感器两端的电压减小,故C错误;由P=EI可知,电路的总功率增大,故D错误.

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9.(多选)(2019·大庆市实验中学月考)如图4所示的火灾报警装置,R1为热敏电阻,若温度升高,则R1的阻值会急剧减小,从而引起电铃两端电压增加,当电铃两端电压达到一定值时,电铃会响.下列说法正确的是()

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图4

A.要使报警的临界温度升高,可以适当增大电源的电动势

B.要使报警的临界温度升高,可以把R2的滑片P适当向下移

C.要使报警的临界温度降低,可以适当增大电源的电动势

D.要使报警的临界温度降低,可以把R2的滑片P适当向下移

答案CD

解析要使报警的临界温度升高,R1对应的阻值减小,电路中电流会增大,电铃两端的电压会增大,而当电铃两端电压达到一定值时,电铃会响,要使电铃的电压仍为原来的值,可以

适当减小电源的电动势,相反,要使报警的临界温度降低,可以适当增大电源的电动势,故A 错误,C 正确;要使报警的临界温度升高,根据串联电路的特点可知,可以把R 2的滑片P 适当向上移,以减小R 2接入电路的阻值,相反,要使报警的临界温度降低,可以把R 2的滑片P 适当向下移,故B 错误,D 正确.

10.(2016·浙江理综)如图5所示为一种常见的身高体重测量仪.测量仪顶部向下发射波速为v 的超声波,超声波经反射后返回,被测量仪接收,测量仪记录发射和接收的时间间隔.质量为M 0的测重台置于压力传感器上,传感器输出电压与作用在其上的压力成正比.当测重台没有站人时,测量仪记录的时间间隔为t 0,输出电压为U 0,某同学站上测重台,测量仪记录的时间间隔为t ,输出电压为U ,则该同学的身高和质量分别为( )

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图5

A .v (t 0-t ),M 0U 0

U B.12v (t 0-t ),M 0U 0U C .v (t 0-t ),M 0U 0

(U -U 0) D. 12v (t 0-t ),M 0U 0(U -U 0) 答案 D

解析 当测重台没有站人时,2x =v t 0,当测重台站人时,2(x -h )=v t ,联立可得h =12

v (t 0-t );当测重台没有站人时,U 0=kM 0g ;当测重台站人时,U =k (M 0g +mg ),联立可得m =M 0U 0

(U -U 0),故选项D 正确.

11.(2019·聊城市高二下学期期末)用压敏电阻可制成压力传感器,它受到的压力越大,输出的电压就越大,用它可以对汽车称重.经实测,某压力传感器输出电压与压力的关系如下表: 压力/(×105 N)

0 1.2 2.4 3.6 4.8 6.0 输出电压/V

0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0

将该压力传感器水平放置,并和电阻箱R ′(最大电阻999.9 Ω)及部分其他器材组成了如图6甲所示的电路,闭合开关S ,当线圈中的电流I ≥20 mA 时,电磁继电器的衔铁被吸合.已知继电器线圈的电阻为25 Ω,继电器控制电路的电压由传感器的输出电压U 提供.(假设U 不

受继电器电路影响)

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图6

(1)根据表格中数据,请在图乙给定的坐标系中描绘出压力传感器的输出电压随压力变化的图象;

(2)当压力增大到一定程度时,电铃报警,说明汽车超载,则图甲中电铃应接在(选填“A、B”或“C、D”)两端;

(3)为使车重G≥3.0×105 N时启动报警系统,则电阻箱R′的电阻应调节到Ω;

(4)通过调整电阻箱R′的阻值,可以调整报警车重,能使该装置报警的最小车重为N. 答案(1)见解析图(2)C、D(3)100(4)6.0×104

解析(1)横坐标表示压力,纵坐标表示输出电压,根据表中数据,所作图象如图所示

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(2)当压力增大到一定程度时,压力传感器输出电压达到一定数值,线圈中电流大于或等于20 mA时,电磁继电器的衔铁被吸合,C、D间的电路就会被接通,因此电铃应接在C、D 之间;

(3)由图可知当F N=3.0×105 N时U=2.5 V,而使电磁继电器的衔铁被吸合的最小电流为

0.02 A,故电路总电阻R总=2.5

0.02Ω=125 Ω,所以电阻箱接入电路的阻值R′=R总

-R线=

125 Ω-25 Ω=100 Ω;

(4)因为使电磁继电器衔铁吸合的最小电流I=20 mA=0.02 A,继电器线圈的电阻R线=25 Ω,所以要能使该装置报警,压力传感器输出的电压最小值为U最小=IR线=0.02 A×25 Ω=0.5 V,由图象可知,输出电压为0.5 V时,对应的压力为6.0×104 N,即该装置报警的最小车重.12.(2020·梅河口市第五中学高二月考)电饭煲的工作原理如图7所示,可分为两部分,即控制部分:由S1、S2、定值电阻R1和黄灯组成;工作(加热)部分:由发热电阻R3、定值电阻R2和红灯组成.S1是一个磁钢限温开关,手动闭合,当此开关的温度达到居里点(103 ℃)时,自动断开,且不能自动复位,S2是一个金属片自动开关,当温度达到70 ℃~80 ℃时,自动断开,低于70 ℃时,自动闭合,红灯、黄灯是指示灯,通过其电流必须较小,所以R1、R2起作用,R3是发热电阻.接通电源并闭合S1后,黄灯熄而红灯亮,R3发热,当温度达到70 ℃~80 ℃时,S2断开,当温度达到103 ℃时饭熟,S1断开,当温度降到70 ℃以下时,S2闭合,电饭煲处于保温状态,由以上描述可知R2R3(选填“<”“=”或“>”),若用电饭煲烧水时,S1(选填“会”或“不会”)自动断开.

第六章 2 传感器的应用 3 实验:传感器的应用

图7

答案限流>不会

解析通过红灯、黄灯的电流必须较小,根据欧姆定律可知R1、R2起限流作用;R3是发热电阻,要产生很大的热量,所以电流要大一点,而通过R2的电流要小一点,且并联电路电压相等,根据欧姆定律可知R2>R3;若用电饭煲烧水时,温度达不到居里点(103 ℃),S1不会自动断开.

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