第十二章交變電流電磁波傳感器第3講電磁振蕩電磁波傳感器(含實驗16利用傳感器制作簡單的自動控制裝置)1.了解LC振蕩電路中振蕩電流的產生過程及電磁振蕩過程中能量轉化情況。2.掌握電磁振蕩周期和頻率的表達式。3.理解麥克斯韋電磁場理論,了解電磁波的產生、發射、傳播和接收過程。1.LC振蕩電路和圖像(如圖所示)。考點1電磁振蕩電磁場和電磁波

電場4.電磁波。電磁場(電磁能量)由近及遠地向周圍傳播形成電磁波。(1)電磁波是橫波,在空間傳播_______(填“需要”或“不需要”)介質。(2)真空中電磁波的速度為_______m/s。(3)v=λf對電磁波_________。(4)電磁波能產生反射、折射?、_______和衍射等現象。(注?:電磁波由一種介質進入另一種介質時,頻率不變)不需要3.0×108

同樣適用干涉5.發射電磁波的條件。(1)要有足夠高的_________。(2)電路必須______,使振蕩電路的電場和磁場分散到盡可能大的空間。6.電磁波譜:按電磁波的波長從長到短分布是_________、紅外線、可見光、紫外線、X射線和γ射線,形成電磁波譜;遞變規律:直線傳播能力增強,衍射能力減弱。振蕩頻率開放無線電波(1)LC振蕩電路中,電容器放電完畢時,回路中電流最小()(2)LC振蕩電路中,回路中的電流最大時回路中的磁場能最大(

)(3)電磁波只能在真空中傳播,在空氣中不能傳播()(4)電磁波從一種介質進入另一種介質時,頻率不變,波長和波速會改變(

)1.麥克斯韋電磁場理論。2.電磁波與機械波的比較。名稱項目電磁波機械波研究對象電磁現象力學現象產生由周期性變化的電場、磁場產生由質點(波源)的振動產生波的特點橫波縱波或橫波波速在真空中等于光速,很大(c=3×108m/s)在空氣中不大(如聲波波速一般為340m/s)是否需要介質不需要介質(在真空中仍可傳播)必須有介質(真空中不能傳播)能量傳播電磁能機械能【典例1】如圖所示,單刀雙擲開關S先置于a端。當t=0時刻開關S置于b端,若LC振蕩電路的周期T=0.04s。下列說法正確的是(

)A.t=0.01s時回路中的電流順時針方向達到最大值B.t=0.02s時電感線圈中的自感電動勢值最小C.0.01s~0.02s時間內,電容器極板間電場方向豎直向上且逐漸增大D.0.04s~0.05s時間內,線圈中的磁場能逐漸減小解析

當開關S置于b端時,電容器開始放電,電容器上極板帶正電,當t=0.01

s時回路中的電流逆時針方向達到最大值,A項錯誤;當t=0.02

s時電流逆時針,電容器充電結束時,該時刻電流變化最快,自感電動勢最大,B項錯誤;在0.01

s~0.02

s時間內,為給電容器充電,電容器下極板帶正電,在t=0.02

s時刻充電結束,電容器帶電量最大,所以在這段時間內電容器極板間電場方向豎直向上且逐漸增大,C項正確;根據周期性可知,在0.04

s~0.05

s時間內與0~0.01

s時間內相同,為電容器放電過程,電場能逐漸減小而磁場能逐漸增大,D項錯誤。答案

C【典例2】

(多選)下列說法正確的是(

)A.在均勻變化的電場周圍一定產生均勻變化的磁場,在均勻變化的磁場周圍一定產生均勻變化的電場B.電磁場是周期性變化的電場和磁場交替產生而形成的不可分離的統一體C.在電磁波譜中,最容易發生衍射現象的是γ射線D.機械波和電磁波都可發生反射、折射、干涉和衍射現象解析

均勻變化的電場周圍產生穩定的磁場,均勻變化的磁場周圍產生穩定的電場,A項錯誤;根據麥克斯韋理論,電磁場是周期性變化的電場和磁場交替產生而形成的不可分離的統一體,B項正確;在電磁波譜中,無線電波的波長最長,最容易發生衍射現象的是無線電波,C項錯誤;反射、折射、干涉和衍射是所有波的特性,機械波和電磁波都可發生反射、折射、干涉和衍射現象,D項正確。答案

BD1.傳感器是這樣一類元件或裝置:它能夠感受諸如力、______、_____、_____、化學成分等_______,并能把它們按照一定的規律轉換為便于傳送和處理的可用信號輸出。通常轉換成的可用信號是______、_____等電學量,或轉化為電路的_______。考點2傳感器及其工作原理溫度光聲被測量電壓電流通斷2.工作原理。3.常用傳感器的工作原理及應用。(1)光敏電阻。①特點:電阻值隨光照增強而_______。②原理:光敏電阻由半導體材料制成,無光照時,載流子極少,導電性能_______;隨著光照的增強,載流子_______,導電性_______。③作用:光敏電阻能夠把__________這個光學量轉換為_____這個電學量。減小不好增多變好光照強弱電阻

氧化錳熱敏電阻金屬熱電阻特點電阻率隨溫度的升高而_______電阻率隨溫度的升高而_______制作材料半導體金屬優點靈敏度好化學穩定性好,測溫_______作用將_______這個熱學量轉換為_______這個電學量(2)熱敏電阻和金屬熱電阻。減小增大范圍大溫度電阻(3)電阻應變片。①特點:金屬電阻應變片的特點是金屬導體在拉力(或壓力)作用下伸長(或縮短)時,其電阻_______(或_______)。②原理:金屬電阻應變片的工作原理是金屬的_______效應,半導體電阻應變片的工作原理是半導體材料的_______效應。③作用:電阻應變片能夠把__________這個力學量轉換為_______這個電學量。變大減小應變壓阻物體形變電阻(1)傳感器是一類把力、光、聲、溫度等信號轉化為電信號的元件或裝置(

)(2)光敏電阻的阻值隨光照強度的增大而增大()(3)熱敏電阻的阻值隨溫度的升高而減小

(

)1.傳感器的組成和應用模式。(1)一般模式。(2)敏感元件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。(3)轉換元件是傳感器中能將敏感元件輸出的,與被測物理量成一定關系的非電信號轉換成電信號的電子元件。(4)轉換電路是將轉換元件輸出的不易測量的電學量轉換成易于測量的電學量,如電壓、電流、電阻等。2.常見傳感器。(1)光敏電阻。①光敏電阻在被光照射時電阻發生變化,這樣光敏電阻可以把光照強弱轉換為電阻大小這個電學量。②光敏電阻的阻值隨光照的增強而減小。③光敏電阻一般由半導體材料做成,當半導體材料受到光照時,會有更多的電子獲得能量成為自由電子,同時也形成更多的空穴,于是導電性能明顯增強。(2)熱敏電阻和金屬熱電阻。①熱敏電阻:用半導體材料制成,其電阻值隨溫度變化明顯。熱敏電阻的用途:利用溫度特性來測量溫度、控制溫度和元件、器件、電路的溫度補償;利用非線性特性完成穩壓、限幅、開關、過流保護作用;利用不同媒質中熱耗散特性的差異測量流量、流速、液面等。②金屬熱電阻:有些金屬的電阻率隨溫度的升高而增大,這樣的電阻也可以制作溫度傳感器,稱為金屬熱電阻。相比而言,金屬熱電阻化學穩定性好,測溫范圍大,而熱敏電阻的靈敏度較好。

(4)電阻應變片。電阻應變片是一種力敏元件,能把物體的形變這一力學量轉換為電阻這一電學量,常用的力傳感器是由金屬梁和電阻應變片組成的,稱為應變式力傳感器。(5)電容器。①原理:電容器的電容C決定于極板正對面積S、極板間距離d及極板間電介質這幾個因素,如果某一物理量(如角度θ、位移x、深度h等)的變化能引起上述某一因素的變化,從而引起電容的變化,那么測定電容器的電容就可以確定上述物理量的變化。②用途。例如:圖甲是用來測定角度θ的電容式傳感器,圖乙是測定液面高度h的電容式傳感器,圖丙是測定壓力F的電容式傳感器,圖丁是測定位移x的電容式傳感器。考向1

熱敏電阻【典例3】溫度傳感器廣泛應用于室內空調、電冰箱和微波爐等家電產品中,它是利用熱敏電阻的阻值隨溫度的變化而變化的特性工作的。如圖甲中,電源的電動勢E=9.0V,內電阻可忽略不計;G為靈敏電流表,內阻Rg保持不變;R為熱敏電阻,其電阻值與溫度的變化關系如圖乙的R-t圖線所示,閉合開關,當R的溫度等于120℃時,電流表示數I1=3mA,求:(1)電流表G的內阻Rg;(2)當電流表的示數I2=1.8mA時,熱敏電阻R的溫度。

答案

(1)1000Ω

(2)20℃考向2

金屬熱電阻【典例4】如圖,在電路中接一段鎢絲(從舊白熾燈中取出),閉合開關,燈泡正常發光,當用打火機給鎢絲加熱時燈泡亮度明顯變暗,根據鎢絲的上述特性,可用鎢絲來制作一個溫度傳感器,下面的說法中正確的是(

)A.該傳感器利用了鎢絲的化學性質B.該傳感器的原理是把電學量(電阻)轉換為熱學量(溫度)C.該傳感器的敏感元件是鎢絲,轉換元件是燈泡D.該傳感器利用了鎢絲電阻隨溫度變化而變化的特性解析

該傳感器利用了鎢絲的物理性質,敏感元件和轉換元件都是鎢絲,故A、C兩項錯誤;由題可知,鎢絲的電阻隨溫度的升高而增大,利用該特性制作的溫度傳感器,能夠把溫度這個熱學量轉換為電阻這個電學量,故B項錯誤,D項正確。答案

D考向3

光敏電阻【典例5】

(多選)如圖所示為某商廈安裝的光敏電阻自動計數器的示意圖。其中A為光源,B為由電動機帶動勻速運行的自動扶梯,R1為光敏電阻,R2為定值電阻。每當扶梯上有顧客經過擋住由A射向R1的光線時,計數器就計數一次。下列說法正確的是(

)A.當有光照射R1時,信號處理系統獲得低電壓B.當有光照射R1時,信號處理系統獲得高電壓C.信號處理系統每獲得一次低電壓就計數一次D.信號處理系統每獲得一次高電壓就計數一次

答案

BC考向4

電容傳感器【典例6】如圖甲所示為一種電容式位移傳感器的原理圖,當被測物體在左右方向發生位移時,電介質板隨之在電容器兩極板之間移動,已知電容器的電容與電介質板進入電容器的長度x之間的關系如圖乙所示,其中C0為電介質沒有插入電容器時的電容,為判斷被測物體是否發生微小移動,將該電容式位移傳感器與電源、電流表、開關組成串聯回路(圖中未畫出),被測物體的初始位置如圖甲所示,電路閉合一段時間后,下列說法正確的是(

)A.若電源為直流電源且直流電流表示數不為零,說明物體一定在發生移動B.若電源為交流電源且交流電流表示數不為零,說明物體一定在發生移動C.若電源為直流電源且直流電流表示數變大,說明物體一定在向右發生移動D.若電源為交流電源且交流電流表示數變大,說明物體一定在向右發生移動

為交流電源且交流電流表示數變大,可能是電路中的電動勢發生了變化,物體不一定在向右發生移動,D項錯誤。答案

A考向5

壓力傳感器【典例7】某興趣小組利用壓敏電阻制作一臺電子秤,其內部電路如圖所示,R1是保護電阻,R2是調零電阻,壓敏電阻值R隨壓力F變化規律為R=kF+C(k、C為常量,k>0)。現對電流表的刻度盤進行改裝,使得電流表滿偏時對應的物體質量為零,則(

)A.刻度盤標注的質量刻度均勻B.若使用前質量示數大于零,應將R2的滑片向右滑動C.電子秤的示數越大,電源的總功率越大D.若電池的內阻增大,但仍能調零,則稱量值仍準確

答案

D考點3實驗:利用傳感器制作簡單的自動控制裝置

實驗1門窗防盜報警裝置實驗2光控開關原理裝置圖干簧管在電路中起_______和控制開關的作用光照強度變化,光敏電阻的阻值變化,控制三極管導通或不導通,則發光二極管發光或不發光傳感器操作要求1.連接電路前,要先判斷干簧管是否可以正常工作。2.確定各元件可以正常工作后,按照如圖所示連接電路。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。1.按照圖連接電路,檢查無誤后接通電源。2.讓光敏電阻RG受到白天較強的自然光照射,調節電阻R1使發光二極管或小燈泡剛好不發光。3.遮擋RG,當光照減弱到某種程度時,就會看到發光二極管或小燈泡發光。4.讓光照加強,當光照強到某種程度時,則發光二極管或小燈泡熄滅。考向1

教材常規實驗【典例8】傳感器擔負著信息的采集任務,在自動控制中發揮著重要作用,傳感器能夠將感受到的物理量(如溫度、光、聲等)轉換成便于測量的量(通常是電學量)。例如,熱敏傳感器主要是應用了半導體材料制成的熱敏電阻,其阻值隨溫度變化的圖線如圖甲所示,圖乙是由熱敏電阻Rt作為傳感器制作的簡單自動報警器的線路圖,問:(1)為了使溫度過高時報警鈴響,c應接在________(填“a”或“b”)點。(2)若使啟動報警的溫度提高些,應將滑動變阻器滑片P向________(填“左”或“右”)移動。(3)如果在調試報警器達到最低報警溫度時,無論如何調節滑動變阻器滑片P都不能使報警器工作,且電路連接完好,各電路元件都能處于工作狀態,則造成工作電路實際不能工作的原因可能是_______________________________________________________________________________。解析

(1)由題圖甲可知當溫度升高時Rt的阻值減小,通過線圈的電流變大,對銜鐵的引力變大,可與a點接觸,欲使報警器報警,c應接在a點。(2)若使啟動報警的溫度提高些,可使電路的相對電流減小一些,以使得熱敏電阻Rt的阻值減小得更大一些,所以將滑動變阻器滑片P向左移動,增大滑動變阻器接入電路的阻值。(3)在調試報警器達最低報警溫度時,無論如何調節滑動變阻器滑片P都不能使報警器工作,可能是通過線圈的電流太小(E1電壓太低)或線圈匝數太少,對銜鐵的引力較小,也可能是彈簧的彈力較大,線圈的磁力不能將銜鐵吸引到和a接觸的狀態。答案

(1)a

(2)左(3)可能是乙圖中的電源E1電壓太低或繼電器線圈匝數太少或彈簧勁度系數太大考向2

實驗的遷移、拓展和創新【典例9】某實驗小組利用如圖甲所示的電路探究在25~80℃范圍內某熱敏電阻的溫度特性,所用器材有:置于溫控室(圖中虛線區域)中的熱敏電阻RT,其標稱值(25℃時的阻值)為900.0Ω;電源E(6V,內阻可忽略);電壓表V(量程150mV);定值電阻R0(阻值20.0Ω),滑動變阻器R1(最大阻值為1000Ω);電阻箱R2(阻值范圍0~999.9Ω);單刀單擲開關S1,單刀雙擲開關S2。實驗時,先按圖甲連接好電路,再將溫控室的溫度t升至80.0℃,將S2與1端接通,閉合S1,調節R1的滑片位置,使電壓表讀數為某一值U0;保持R1的滑片位置不變,將R2置于最大值,將S2與2端接通,調節R2,使電壓表讀數仍為U0;斷開S1,記下此時R2的讀數,逐步降低溫控室的溫度t,得到相應溫度下R2的阻值,直至溫度降到25.0℃,實驗得到的R2-t數