高中物理利用传感器制作简单的自动控制装置计算题

如图（a）所示，“”形木块放在光滑水平地面上，木块水平表面AB粗糙，光滑表面BC与水平面夹角为θ=37°．木块右侧与竖直墙壁之间连接着一个力传感器，当力传感器受压时，其示数为正值；当力传感器被拉时，其示数为负值．一个可视为质点的滑块从C点由静止开始下滑，运动过程中，传感器记录到的力和时间的关系如图（b）所示．已知sin37°=0.6，cos37°=0.8，g取10m/s²．求：

（1）斜面BC的长度；
（2）滑块的质量；
（3）运动过程中滑块发生的位移．

图甲为竖直放置的离心轨道，其中圆轨道的半径r＝0.10 m，在轨道的最低点A和最高点B各安装了一个压力传感器(图中未画出)，小球(可视为质点)从斜轨道的不同高度由静止释放，可测出小球在轨道内侧通过这两点时对轨道的压力F_A和F_B。(g取10 m/s²) 。

（1）若不计小球所受阻力，且小球恰能过B点，求小球通过A点时速度v_A的大小。
（2）若不计小球所受阻力，小球每次都能通过B点，F_B随F_A变化的图线如图乙中的a所示，求小球的质量m。
（3）若小球所受阻力不可忽略，F_B随F_A变化的图线如图乙中的b所示，求当F_B＝6.0 N时，小球从A点运动到B点的过程中损失的机械能。

现代汽车在制动时，有一种ABS系统，它能阻止制动时车轮抱死变为纯滑动．这种滑动不但制动效果不好，而且易使车辆失去控制．为此需要一种测定车轮是否还在转动的装置．如果检测出车辆不再转动，就会自动放松制动机构，让轮子仍保持缓慢转动状态．这种检测装置称为电磁脉冲传感器，如图甲，B是一根永久磁铁，外面绕有线圈，它的左端靠近一个铁质齿轮，齿轮与转动的车轮是同步的．图乙是车轮转动时输出电流随时间变化的图象．

（1）说明为什么有电流输出？
（2）若车轮转速减慢了，图象会变成怎样？（画在图乙上）

如图所示，一质量m＝0.4 kg的滑块（可视为质点）静止于动摩擦因数μ＝0.1的水平轨道上的A点．现对滑块施加一水平外力，使其向右运动，外力的功率恒为P＝10.0 W．经过一段时间后撤去外力，滑块继续滑行至B点后水平飞出，恰好在C点沿切线方向进入固定在竖直平面内的光滑圆弧形轨道，轨道的最低点D处装有压力传感器，当滑块到达传感器上方时，传感器的示数为25.6 N．已知轨道AB的长度L＝2.0 m，半径OC和竖直方向的夹角α＝37°，圆形轨道的半径R＝0.5 m．（空气阻力可忽略，重力加速度g＝10 m/s²，sin 37°＝0.6，cos 37°＝0.8），求：

（1）滑块运动到C点时速度v_C的大小；
（2）B、C两点的高度差h及水平距离x；
（3）水平外力作用在滑块上的时间t。

在科技活动中某同学利用自制的 电子秤来称量物体的质量，其原理如图所示，托盘和弹簧的质量均不计。变阻器的滑动端与弹簧上端连接（但与弹簧间不通电），当托盘中没有放物体时，滑动变阻器的滑动触头正好在变阻器的最上端；设变阻器的总电阻为R，总长度为 L，电源电动势为E，内阻为r，限流电阻的阻值为R₀，弹簧劲度系数为k，不计一切摩擦和其他阻力，电压表为理想电压表。

（1）为使电压表中的电压读数与盘中物体的重力成正比，请你在图中完成电压表的连接。
（2）所选用电压表的量程。
（3）写出物体质量与电压表读数之间的关系式。

传感器是把非电学量(如速度、温度、压力等)的变化转换成电学量的变化的一种元件，在自动控制中有着相当广泛的应用．有一种测量人的体重的电子秤，其测量部分的原理图如图中的虚线框所示，它主要由压力传感器R(电阻值会随所受压力大小发生变化的可变电阻)、显示体重大小的仪表A(实质是理想的电流表)组成．压力传感器表面能承受的最大压强为1×10⁷Pa，且已知压力传感器R的电阻与所受压力的关系如下表所示．设踏板和压杆的质量可以忽略不计，接通电源后，压力传感器两端的电压恒为4.8 V，取g＝10 m/s².请回答：

压力F/N	0	250	500	750	1000	1250	1500	……
电阻R/Ω	300	270	240	210	180	150	120	……

 

(1)该秤零起点(即踏板空载时)的刻度线应标在电流表刻度盘_______A处．
(2)如果某人站在该秤踏板上，电流表刻度盘的示数为20 mA，则这个人的体重是_    _ kg.

温度传感器广泛应用于室内空调、电冰箱和微波炉等家用电器中，它是利用热敏电阻的阻值随温度变化而变化的特性工作的．在图甲中，电源的电动势E＝9.0 V，电源内电阻可忽略不计；G为小量程的电流表，电流表内阻R_G保持不变；R为热敏电阻，其电阻值与温度的变化关系如图乙的R—t图线所示．闭合开关S，

（1）当R的温度等于40℃时，电流表示数I₁＝2.25 mA，求电流表内阻R_G
（2）则当电流表的示数I₂＝4.5 mA时，求热敏电阻R的温度T

如图所示为一种加速度仪的示意图。质量为m的振子两端连有劲度系数均为k的轻弹簧，电源的电动势为E，不计内阻，滑动变阻器的总阻值为R，有效长度为L，系统静止时滑动触头位于滑动变阻器正中，这时电压表指针恰好在刻度盘正中。

求：⑴系统的加速度a（以向右为正）和电压表读数U的函数关系式。
⑵将电压表刻度改为加速度刻度后，其刻度是均匀的还是不均匀的？为什么？
⑶若电压表指针指在满刻度的3/4位置，此时系统的加速度大小和方向如何？

某学生为了测量一物体的质量，找到了一个力电转换器，该转换器的输出电压正比于受压面的压力（比例系数为k），如图所示。测量时先调节输入端的电压，使转换器空载时的输出电压为0；而后在其受压面上放一物体，即可测得与物体的质量成正比的输出电压U，现有下列器材：力电转换器、质量为m₀的砝码、电压表、滑动变阻器、干电池各一个、电键及导线若干、待测物体（可置于力电转换器的受压面上）。请完成对该物体质量的测量。

（1）设计一个电路，要求力电转换器的输入电压可调，并且使电压的调节范围尽可能大，在方框中画出完整的电路图。
（2）简要说明测量步骤，求出比例系数k，并测出待测物体的质量m。
（3）请设想实验中可能出现的一些问题。

某学生为了测量一物体的质量，找到了一个力电转换器，该转换器的输出电压正比于受压面的压力（比例系数为k），如图所示。测量时先调节输入端的电压，使转换器空载时的输出电压为0；而后在其受压面上放一物体，即可测得与物体的质量成正比的输出电压U，现有下列器材：力电转换器、质量为m₀的砝码、电压表、滑动变阻器、干电池各一个、电键及导线若干、待测物体（可置于力电转换器的受压面上）。请完成对该物体质量的测量。

（1）设计一个电路，要求力电转换器的输入电压可调，并且使电压的调节范围尽可能大，在方框中画出完整的电路图。
（2）简要说明测量步骤，求出比例系数k，并测出待测物体的质量m。
（3）请设想实验中可能出现的一些问题。

温度传感器广泛应用于室内空调、电冰箱和微波炉等家用电器产品中，它是利用热敏电阻的阻值随温度而变化的特性工作的。在右图中已知电源的电动势为，内电阻可以忽略不计；G为灵敏电流表，内阻保持不变，R为热敏电阻，其电阻值与温度的变化关系如右图中图线所示。闭合开关，当R的温度等于20℃时，电流表示数mA，当电流表的示数=3.6mA时，热敏电阻R的温度是多少℃？

如图所示，在动摩擦因数μ=0.2的水平面AB上，水平恒力F (F大小未知)推动质量为m=1kg的物体从A点由静止开始作匀加速直线运动，物体到达B点时撤去F，接着又冲上光滑斜面（设经过B点前后速度大小不变），最高能到达C点。用速度传感器测量物体的瞬时速度，并在表格中记录了部分测量数据（g取10m/s²）。

t/s	0.0	0.2	0.4	…	2.2	2.4	2.6	…
v/(m/s)	0.0	0.4	0.8	…	3.0	2.0	1.0	…

 
求出物体到达B点时的速度和时间；
若撤去推力F，在A处给物体一个水平向左的初速度v₀，恰能使物体运动到C点，求此初速度v₀的大小。

有一种测量压力的电子秤，其原理图如图所示。E是内阻不计、电动势为6V的电源。R₀是一个阻值为400Ω的限流电阻。G是由理想电流表改装成的指针式测力显示器。R是一个压敏电阻，其阻值可随压力大小变化而改变，其关系如下表所示。C是一个用来保护显示器的电容器。秤台的重力忽略不计。试分析：

压力F/N	0	50	100	150	200	250	300
电阻R/Ω	300	280	260	240	220	200	180

（1）利用表中的数据归纳出电阻R随压力F变化的函数式
（2）若电容器的耐压值为5V，该电子秤的最大称量值为多少牛顿？
（3）通过寻求压力与电流表中电流的关系，说明该测力显示器的刻度是否均匀？

有一种测量人体重的电子秤，其原理图如图中的虚线所示，它主要由三部分构成：踏板和压力杠杆AOB、压力传感器R（一个阻值可随压力大小而变化的电阻器）、显示体重的仪表G（其实质是电流表）。其中AO︰BO=4︰1。已知压力传感器的电阻与其所受压力的关系如下表所示：

压力F/N	0	50	100	150	200	250	300	……
电阻R/	300	270	240	210	180	150	120	……

设踏板和杠杆组件的质量不计，接通电源后，压力传感器两端的电压恒为4.5V，则：
（1）利用表中数据归纳出电阻R随压力F变化的函数关系式；
（2）该电子秤零刻度线（即踏板空载时的刻度线）应标在电流表刻度盘多少毫安处？
（3）如果某人站在踏板上，电流表刻度盘示数为20mA，这个人的体重是多少？

利用霍尔效应制作的霍尔元件以及传感器，广泛应用于测量和自动控制等领域。
如图1，将一金属或半导体薄片垂直置于磁场中，在薄片的两个侧面间通以电流I时，另外两侧间产生电势差，这一现象称为霍尔效应。其原因是薄片中的移动电荷受洛伦兹力的作用向一侧偏转和积累，于是间建立起电场，同时产生霍尔电势差。当电荷所受的电场力与洛伦兹力处处相等时，和达到稳定值，的大小与和以及霍尔元件厚度之间满足关系式＝，其中比例系数称为霍尔系数，仅与材料性质有关。

（1）设半导体薄片的宽度（间距）为，请写出和的关系式;若半导体材料是电子导电的，请判断图1中哪端的电势高;[
（2）已知半导体薄片内单位体积中导电的电子数为，电子的电荷量为，请导出霍尔系数的表达式。（通过横截面积的电流，其中是导电电子定向移动的平均速率）;
（3）图2是霍尔测速仪的示意图，将非磁性圆盘固定在转轴上，圆盘的周边等距离地嵌装着个永磁体，相邻永磁体的极性相反。霍尔元件置于被测圆盘的边缘附近。当圆盘匀速转动时，霍尔元件输出的电压脉冲信号图像如图3所示。
a.若在时间内，霍尔元件输出的脉冲数目为，请导出圆盘转速N的表达式。
b.利用霍尔测速仪可以测量汽车行驶的里程。除此之外，请你展开"智慧的翅膀"，提出另一个实例或设想。