高中物理沪科版课件 选修3-2 第4章 传感器与现代社会 章末分层突破
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【答案】 BC
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3.(多选)(2016·青岛二中检测)如图 4-4 是电饭锅结构示意图，关于电饭锅下 列说法正确的是( )
图 4-4
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A.电饭锅中的传感器磁体是一种半导体材料 B.开始煮饭时，压下开关按钮的原因是克服弹簧的弹力使永磁体一端上升， 上下触点接触接通电路 C.用电饭锅煮米饭，饭熟后水分被大米吸收，锅底的温度会升高，当升高到 “居里温度”时，电饭锅会自动断电 D.用电饭锅烧水，水沸腾后也可以自动断电
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【答案】 (1)实验原理电路图见解析 (2)④电阻箱的读数 R0 ⑤仍为 I0 电阻箱的读数 R1 ⑥R0－R1＋150 Ω
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传感器在生产、生活中的应用
以传感器为桥梁可以将多方面的物理知识整合在一起，在实际问题中既可 以直接考查传感器知识，也可以考查敏感元件的敏感特性，几种传感器及与其 相联系的物理知识，如下表.
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图 4-2 (1)在图中画出连线，完成实验原理电路图.
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(2)完成下列实验步骤中的填空：
①依照实验原理电路图连线.
②调节控温容器 M 内的温度，使得 RT 的温度为 95°C.
③将电阻箱调到适当的初值，以保证仪器安全.
④闭合开关，调节电阻箱，记录电流表的示数 I0，并记录
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(2)①依照实验原理电路图连线. ②调节控温容器 M 内的温度，使得 RT 温度为 95 ℃. ③将电阻箱调到适当的初值，以保证仪器安全. ④闭合开关，调节电阻箱，记录电流表的示数 I0，并记录电阻箱的读数 R0. ⑤将 RT 的温度降为 T1(20 ℃＜T1＜95 ℃)；调节电阻箱，使得电流表的读数 仍为 I0，记录电阻箱的读数 R1. ⑥温度为 T1 时热敏电阻的电阻值 RT1＝R0－R1＋150 Ω. ⑦逐步降低 T1 的数值，直至 20 ℃为止；在每一温度下重复步骤⑤⑥.
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传感器种类 敏感元件 光电传感器 光敏电阻 温度传感器 热敏电阻
力传感器 压敏电阻等 电容传感器 电容
与之相联系的物理知识 直流电路动态分析 直流电路问题
力学、运动学与直流电路 力、运动与含容电路
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如图 4-3 所示是某种电子秤的原理示意图，AB 为一均匀的线性电 阻，阻值为 R，长度为 L，两边分别有 P1、P2 两个滑头，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 间出现电压时，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：
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【解析】 托盘的移动带动 P1 移动，使 P1、P2 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，则其电阻与长 度成正比.
(1)由力的平衡知识可得：m0g＝kx1，解得：x1＝mk0g. (2)放上重物重新平衡后，m0g＋mg＝kx2，解得：x2＝m＋km0g.
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
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【解析】 传感器是指能够感受诸如力、温度、光、声、化学成分等非电 学量，并把它们按照一定的规律转换为电压、电流等电学量的元件，发光二极 管是电学元件.是电能转换成光能的元件，不是传感器，A 错误；干电池是一种 电源，不是传感器，D 错误；热敏电阻温度变化时，其电阻会发生变化，能把温 度转换成电学量，是传感器，B 正确；霍尔元件能够把磁感应强度这个磁学量转 换成电压这个电学量，是传感器，C 正确.
.
⑤将 RT 的温度降为 T1(20°C＜T1＜95°C)；调节电阻箱，使得电流表的读
数
，记录
.
⑥温度为 T1 时热敏电阻的电阻值 RT1＝
.
⑦逐步降低 T1 的数值，直至 20°C 为止；在每一温度下重复步骤⑤⑥.
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【解析】 (1)由于本实验只有一只可以测量和观 察的直流电流表，所以应该用“替代法”，考虑到用 电流表观察而保证电路中电阻不变，因此将热敏电阻、 电阻箱和电流表串联形成测量电路，如图所示.而且热 敏电阻 RT 在 95 ℃和 20 ℃时的阻值是已知的，所以热敏电阻的初始温度为 95 ℃， 则电流表示数不变时，热敏电阻和电阻箱的阻值应保持 150 Ω 和电阻箱的初值 之和不变；如果热敏电阻的初始温度为 20 ℃，则电流表示数不变时，热敏电阻 和电阻箱的阻值应保持 550 Ω 和电阻箱的初值之和不变.因此可以测量任意温 度下的电阻.
【答案】 ABD
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5.(2016·石家庄一中检测)如图 4-6 所示为一实验小车中利用光脉冲测量车速 和行程的装置的示意图，A 为光源，B 为光电接收器，A、B 均固定在车身上，C 为小车的车轮，D 为与 C 同轴相连的齿轮.车轮转动时，A 发出的光束通过旋转 齿轮上齿之间的间隙变成脉冲光信号，被 B 接收并转换成电信号，由电子电路 记录和显示.若实验显示单位时间内的脉冲数为 n，累计脉冲数为 N，设小车速度 为 v，行程为 x，试完成下列问题的解答：
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3.传感器的应用 传感器的应用过程包括三个环节：感、传、用 (1)“感”是指传感器的敏感元件感受信息. (2)“传”是指通过电路等将传感器敏感元件获取的信息传给执行机构. (3)“用”是指执行机构利用传感器传来的信息进行某种显示或某种动作.
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如图 4-2 所示，一热敏电阻 RT 放在控温容器 M 内； 为毫安表， 量程为 6 mA，内阻为数十欧姆；E 为直流电源，电动势约为 3 V，内阻很小；R 为电阻箱，最大电阻为 999.9Ω；S 为开关.已知 RT 在 95°C 时的阻值为 150 Ω，在 20°C 时的阻值约为 550Ω.现要求在降温过程中测量在 95°C 到 20°C 之间的多个 温度下 RT 的阻值.
【导学号：72000094】
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图 4-3
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(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较准零点，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.
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【解析】 根据电饭锅的结构及工作原理可知 B、C 正确，水的沸腾温度为 100°C，故 D 错.
【答案】 BC
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4.(多选)(2016·苏州一中检测)某同学设计的家庭电路保护装置如图 4-5 所 示，铁心左侧线圈 L1 由火线和零线并行绕成.当右侧线圈 L2 中产生电流时，电流 经放大器放大后，使电磁铁吸起铁质开关 K，从而切断家庭电路.仅考虑 L1 在铁 心中产生的磁场，下列说法正确的有( )Fra bibliotek上一页
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(3)由闭合电路欧姆定律可知 E＝IR，由部分电路欧姆定律可得：U＝IR 串，
由于RR串＝Lx，其中 x 为 P1、P2 间的距离，则 x＝x2－x1＝mkg联立以上各式解得：
m＝gkLEU. 【答案】
(1)x1＝mk0g
(2)x2＝m＋km0g
(3)m＝gkLEU
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图 4-5
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A.家庭电路正常工作时，L2 中的磁通量为零 B.家庭电路中使用的电器增多时，L2 中的磁通量不变 C.家庭电路发生短路时，开关 K 将被电磁铁吸起 D.地面上的人接触火线发生触电时，开关 K 将被电磁铁吸起
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【解析】 电路正常或短路时，火线和零线中通过的电流大小相等、方向 相反，故 L1 中火线与零线中电流产生的磁场相抵消，铁心中的磁通量为零，L2 中无感应电流产生，电磁铁中也就无电流，开关 K 不会被吸起.由上述分析可知， A、B 项正确，C 项错误；当地面上的人接触火线发生触电时，火线与零线中的 电流大小不再相等，则 L2 中产生感应电流，电磁铁也就能把开关 K 吸起，即 D 正确.
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图 4-6
(1)要测出小车的速度和行程还必须测量的物理量或数据是哪些？ (2)推导小车速度的表达式； (3)推导小车行程的表达式.
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【解析】 小车的速度等于车轮的周长与单位时间内车轮转动圈数的乘积. 设车轮的半径为 R，单位时间内车轮转动圈数为 k，则有 v＝2πRk.
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1P1、P2 的高度相同时，电压为零，显示屏的示数也为零. 2P1 沿竖直方向上、下移动并不影响电路的连接方式.
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1.(2016·银川一中检测)全自动洗衣机设有多段式水位自动感应装置，该水位
自动感应装置采用的传感器是( )
A.温度传感器
B.压力传感器
C.生物传感器
【答案】 (1)车轮半径 R 和齿轮的齿数 P (2)v＝2πPRn (3)x＝2πPRN
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我还有这些不足： (1) ________________________________________________________ (2) ________________________________________________________ 我的课下提升方案： (1) ________________________________________________________ (2) ________________________________________________________
图 4-1
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2.常见的敏感元件及特性 (1)光敏电阻：光敏电阻在被光照射时电阻发生变化，光照增强电阻减小， 光照减弱电阻增大. (2)金属热电阻：金属热电阻的电阻率随温度升高而增大. (3)热敏电阻：热敏电阻有正温度系数、负温度系数两种.正温度系数的热敏 电阻的阻值随温度升高而增大，负温度系数的热敏电阻的阻值随温度升高而减 小.
若齿轮的齿数为 P，则齿轮转一圈电子电路显示的脉冲数即为 P.已知单位时 间内的脉冲数为 n，所以单位时间内齿轮转动圈数为Pn.由于齿轮与车轮同轴相连， 它们在单位时间内转动圈数相等，即 k＝n/P.
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由以上两式可得 v＝2πPRn. 同理，设车轮转动的累计圈数为 k′，则有路程 x＝2πRk′，且 k′＝N/P， 所以 x＝2πPRN. 可见，要测出小车的速度 v 和行程 x，除知道单位时间内的脉冲数 n 和累计 脉冲数 N 外，还必须测出车轮半径 R 和齿轮的齿数 P.
巩
拓
固
展
层
层
章末分层突破
章
末
提
综
升
合
层
测
评
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[自我校对]
① 非电学量 ② 电学量 ③ 热敏 ④ 光敏 ⑤ 物理 ⑥ 化学 ⑦ 生物
⑧光
⑨ 温度
⑩力
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传感器的原理及应用 1.传感器的工作原理 传感器感受的通常是非电学量，如力、热、磁、光、声等，而它输出的通 常是电学量，这些输出信号是非常微弱的，通常要经过放大后，再输送给控制 系统产生各种控制动作，传感器原理如图 4-1 所示.
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(4)电容：平行板电容器的电容与极板面积、极板间距及电介质材料有关， 电容器可以感知引起电容变化的任一外界信息，并将其转化为电容变化，例如， 当极板受力时会改变极板间距，从而引起电容变化.
(5)霍尔元件：能把磁感应强度这一磁学量转换成电压这一电学量，UH＝ IB RH d .
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D.红外线传感器
【解析】 水位不同，压力不同，压力传感器能将压力信号转换为电信号，
B 正确.
【答案】 B
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2.(多选)(2016·洛阳一中检测)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
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3.(多选)(2016·青岛二中检测)如图 4-4 是电饭锅结构示意图，关于电饭锅下 列说法正确的是( )
图 4-4
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A.电饭锅中的传感器磁体是一种半导体材料 B.开始煮饭时，压下开关按钮的原因是克服弹簧的弹力使永磁体一端上升， 上下触点接触接通电路 C.用电饭锅煮米饭，饭熟后水分被大米吸收，锅底的温度会升高，当升高到 “居里温度”时，电饭锅会自动断电 D.用电饭锅烧水，水沸腾后也可以自动断电
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【答案】 (1)实验原理电路图见解析 (2)④电阻箱的读数 R0 ⑤仍为 I0 电阻箱的读数 R1 ⑥R0－R1＋150 Ω
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传感器在生产、生活中的应用
以传感器为桥梁可以将多方面的物理知识整合在一起，在实际问题中既可 以直接考查传感器知识，也可以考查敏感元件的敏感特性，几种传感器及与其 相联系的物理知识，如下表.
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图 4-2 (1)在图中画出连线，完成实验原理电路图.
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(2)完成下列实验步骤中的填空：
①依照实验原理电路图连线.
②调节控温容器 M 内的温度，使得 RT 的温度为 95°C.
③将电阻箱调到适当的初值，以保证仪器安全.
④闭合开关，调节电阻箱，记录电流表的示数 I0，并记录
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(2)①依照实验原理电路图连线. ②调节控温容器 M 内的温度，使得 RT 温度为 95 ℃. ③将电阻箱调到适当的初值，以保证仪器安全. ④闭合开关，调节电阻箱，记录电流表的示数 I0，并记录电阻箱的读数 R0. ⑤将 RT 的温度降为 T1(20 ℃＜T1＜95 ℃)；调节电阻箱，使得电流表的读数 仍为 I0，记录电阻箱的读数 R1. ⑥温度为 T1 时热敏电阻的电阻值 RT1＝R0－R1＋150 Ω. ⑦逐步降低 T1 的数值，直至 20 ℃为止；在每一温度下重复步骤⑤⑥.
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传感器种类 敏感元件 光电传感器 光敏电阻 温度传感器 热敏电阻
力传感器 压敏电阻等 电容传感器 电容
与之相联系的物理知识 直流电路动态分析 直流电路问题
力学、运动学与直流电路 力、运动与含容电路
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如图 4-3 所示是某种电子秤的原理示意图，AB 为一均匀的线性电 阻，阻值为 R，长度为 L，两边分别有 P1、P2 两个滑头，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 间出现电压时，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：
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【解析】 托盘的移动带动 P1 移动，使 P1、P2 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，则其电阻与长 度成正比.
(1)由力的平衡知识可得：m0g＝kx1，解得：x1＝mk0g. (2)放上重物重新平衡后，m0g＋mg＝kx2，解得：x2＝m＋km0g.
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
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【解析】 传感器是指能够感受诸如力、温度、光、声、化学成分等非电 学量，并把它们按照一定的规律转换为电压、电流等电学量的元件，发光二极 管是电学元件.是电能转换成光能的元件，不是传感器，A 错误；干电池是一种 电源，不是传感器，D 错误；热敏电阻温度变化时，其电阻会发生变化，能把温 度转换成电学量，是传感器，B 正确；霍尔元件能够把磁感应强度这个磁学量转 换成电压这个电学量，是传感器，C 正确.
.
⑤将 RT 的温度降为 T1(20°C＜T1＜95°C)；调节电阻箱，使得电流表的读
数
，记录
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⑥温度为 T1 时热敏电阻的电阻值 RT1＝
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⑦逐步降低 T1 的数值，直至 20°C 为止；在每一温度下重复步骤⑤⑥.
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【解析】 (1)由于本实验只有一只可以测量和观 察的直流电流表，所以应该用“替代法”，考虑到用 电流表观察而保证电路中电阻不变，因此将热敏电阻、 电阻箱和电流表串联形成测量电路，如图所示.而且热 敏电阻 RT 在 95 ℃和 20 ℃时的阻值是已知的，所以热敏电阻的初始温度为 95 ℃， 则电流表示数不变时，热敏电阻和电阻箱的阻值应保持 150 Ω 和电阻箱的初值 之和不变；如果热敏电阻的初始温度为 20 ℃，则电流表示数不变时，热敏电阻 和电阻箱的阻值应保持 550 Ω 和电阻箱的初值之和不变.因此可以测量任意温 度下的电阻.
【答案】 ABD
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5.(2016·石家庄一中检测)如图 4-6 所示为一实验小车中利用光脉冲测量车速 和行程的装置的示意图，A 为光源，B 为光电接收器，A、B 均固定在车身上，C 为小车的车轮，D 为与 C 同轴相连的齿轮.车轮转动时，A 发出的光束通过旋转 齿轮上齿之间的间隙变成脉冲光信号，被 B 接收并转换成电信号，由电子电路 记录和显示.若实验显示单位时间内的脉冲数为 n，累计脉冲数为 N，设小车速度 为 v，行程为 x，试完成下列问题的解答：
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3.传感器的应用 传感器的应用过程包括三个环节：感、传、用 (1)“感”是指传感器的敏感元件感受信息. (2)“传”是指通过电路等将传感器敏感元件获取的信息传给执行机构. (3)“用”是指执行机构利用传感器传来的信息进行某种显示或某种动作.
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如图 4-2 所示，一热敏电阻 RT 放在控温容器 M 内； 为毫安表， 量程为 6 mA，内阻为数十欧姆；E 为直流电源，电动势约为 3 V，内阻很小；R 为电阻箱，最大电阻为 999.9Ω；S 为开关.已知 RT 在 95°C 时的阻值为 150 Ω，在 20°C 时的阻值约为 550Ω.现要求在降温过程中测量在 95°C 到 20°C 之间的多个 温度下 RT 的阻值.
【导学号：72000094】
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(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较准零点，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.
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【解析】 根据电饭锅的结构及工作原理可知 B、C 正确，水的沸腾温度为 100°C，故 D 错.
【答案】 BC
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4.(多选)(2016·苏州一中检测)某同学设计的家庭电路保护装置如图 4-5 所 示，铁心左侧线圈 L1 由火线和零线并行绕成.当右侧线圈 L2 中产生电流时，电流 经放大器放大后，使电磁铁吸起铁质开关 K，从而切断家庭电路.仅考虑 L1 在铁 心中产生的磁场，下列说法正确的有( )Fra bibliotek上一页
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(3)由闭合电路欧姆定律可知 E＝IR，由部分电路欧姆定律可得：U＝IR 串，
由于RR串＝Lx，其中 x 为 P1、P2 间的距离，则 x＝x2－x1＝mkg联立以上各式解得：
m＝gkLEU. 【答案】
(1)x1＝mk0g
(2)x2＝m＋km0g
(3)m＝gkLEU
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A.家庭电路正常工作时，L2 中的磁通量为零 B.家庭电路中使用的电器增多时，L2 中的磁通量不变 C.家庭电路发生短路时，开关 K 将被电磁铁吸起 D.地面上的人接触火线发生触电时，开关 K 将被电磁铁吸起
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【解析】 电路正常或短路时，火线和零线中通过的电流大小相等、方向 相反，故 L1 中火线与零线中电流产生的磁场相抵消，铁心中的磁通量为零，L2 中无感应电流产生，电磁铁中也就无电流，开关 K 不会被吸起.由上述分析可知， A、B 项正确，C 项错误；当地面上的人接触火线发生触电时，火线与零线中的 电流大小不再相等，则 L2 中产生感应电流，电磁铁也就能把开关 K 吸起，即 D 正确.
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(1)要测出小车的速度和行程还必须测量的物理量或数据是哪些？ (2)推导小车速度的表达式； (3)推导小车行程的表达式.
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【解析】 小车的速度等于车轮的周长与单位时间内车轮转动圈数的乘积. 设车轮的半径为 R，单位时间内车轮转动圈数为 k，则有 v＝2πRk.
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1P1、P2 的高度相同时，电压为零，显示屏的示数也为零. 2P1 沿竖直方向上、下移动并不影响电路的连接方式.
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1.(2016·银川一中检测)全自动洗衣机设有多段式水位自动感应装置，该水位
自动感应装置采用的传感器是( )
A.温度传感器
B.压力传感器
C.生物传感器
【答案】 (1)车轮半径 R 和齿轮的齿数 P (2)v＝2πPRn (3)x＝2πPRN
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2.常见的敏感元件及特性 (1)光敏电阻：光敏电阻在被光照射时电阻发生变化，光照增强电阻减小， 光照减弱电阻增大. (2)金属热电阻：金属热电阻的电阻率随温度升高而增大. (3)热敏电阻：热敏电阻有正温度系数、负温度系数两种.正温度系数的热敏 电阻的阻值随温度升高而增大，负温度系数的热敏电阻的阻值随温度升高而减 小.
若齿轮的齿数为 P，则齿轮转一圈电子电路显示的脉冲数即为 P.已知单位时 间内的脉冲数为 n，所以单位时间内齿轮转动圈数为Pn.由于齿轮与车轮同轴相连， 它们在单位时间内转动圈数相等，即 k＝n/P.
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由以上两式可得 v＝2πPRn. 同理，设车轮转动的累计圈数为 k′，则有路程 x＝2πRk′，且 k′＝N/P， 所以 x＝2πPRN. 可见，要测出小车的速度 v 和行程 x，除知道单位时间内的脉冲数 n 和累计 脉冲数 N 外，还必须测出车轮半径 R 和齿轮的齿数 P.
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① 非电学量 ② 电学量 ③ 热敏 ④ 光敏 ⑤ 物理 ⑥ 化学 ⑦ 生物
⑧光
⑨ 温度
⑩力
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传感器的原理及应用 1.传感器的工作原理 传感器感受的通常是非电学量，如力、热、磁、光、声等，而它输出的通 常是电学量，这些输出信号是非常微弱的，通常要经过放大后，再输送给控制 系统产生各种控制动作，传感器原理如图 4-1 所示.
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(4)电容：平行板电容器的电容与极板面积、极板间距及电介质材料有关， 电容器可以感知引起电容变化的任一外界信息，并将其转化为电容变化，例如， 当极板受力时会改变极板间距，从而引起电容变化.
(5)霍尔元件：能把磁感应强度这一磁学量转换成电压这一电学量，UH＝ IB RH d .
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D.红外线传感器
【解析】 水位不同，压力不同，压力传感器能将压力信号转换为电信号，
B 正确.
【答案】 B
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2.(多选)(2016·洛阳一中检测)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