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一、测定液面高度的电容式传感器
考查目的:电容大小的相关因素,分析电容器带电量与液面高度的关系.
例1 日本核泄漏事故发生后,福岛第一核电站将含有放射性物质的污染水倒入大海,为了测定机组内含高浓度辐射物质积水的深度,电站利用电容式传感器进行测定,如图1所示是测定液面高度h的电容式传感器示意图,E为电源,G为灵敏电流计,A为固定的导体芯,B为导体芯外面的一层绝缘物质,C为导电液体.已知灵敏电流计指针偏转方向与电流方向的关系为:电流从左边接线柱流进电流计,指针向左偏.如果在导电液体的深度h发生变化时观察到指针正向左偏转,则导体芯A所带电量在,液体的深度h在(填“增大、减小或不变”).
解析:导体芯A、导体芯外面的绝缘物质B与导电液体C组成一个电容,液体深度h的变化跟极板正对面积变化相对应,组成测定液面高度的电容式传感器.
电流计指针向左偏转,说明流过电流计G的电流由左→右,则导体芯A所带电量Q在减小.电容器的两极板与电池的两极相连,即两极板间的电压U不变,由Q=CU可知,芯A与液体形成的电容器的电容减小,则液体的深度h在减小(极板正对面积减小).
答案:减小;减小
点评:电容大小跟相对介电常数、正对面积和极板间距有关,电容式传感器利用液面高度、扭转角度、压力等改变电容大小,进而改变电容上的电压(或带电量)进行测量,求解这类问题时,应弄清液面高度、扭转角度、压力、转速等与电容大小的联系,运用公式
C=
εS4πkd和C=QU
,找出相关物理量的关系.
二、测量角度的电容式传感器
考查目的:电容大小的相关因素,动态情况下分析电容与偏转角度的关系.
例2 传感器可以将一些非电学量转化为电学物理量,便于快速测量,在机械加工时,有时需要测量角度,利用电容式传感器可以快速测量.如图2所示为利用电容C测量角度θ的电容式传感器的示意图,当动片和定片之间的角度θ发生变化时,电容C便发生变化,于是知道了电容C的变化情况,就可以知道偏转角度θ的变化情况,下图3中最能正确反应C和θ间函数关系的是( )解析:平行板电容器的电容大小跟相对介电常数成正比,跟正对面积成正比,跟极板间距离成反比,用公式表示C=εrS4πkd,正对面积
S=r22(π-θ),所以C=k(π-θ),C和θ间函数关系如图(B)所示.
保持电容器的两极板与电池的两极相连,即两极板间的电压不变,电容器的带电量
Q=CU∝(π-θ),角度θ增大,则电容器所带电荷量Q减小,进而测量角度.
点评:电容传感器的种类很多:压力传感器、温度传感器、称重传感器、流量传感器、位移传感器、转速传感器,电容传感器应用非常广泛,电容知识与生活、生产等相综合构成丰富多彩的STSE问题,应注意电容知识的运用.
三、电容式话筒
考查目的:分析电容器的电容、带电量与电势差的关系.
例3 电容式话筒已广泛运用于会议、误乐场所,某电容式话筒的原理示意图如图4所示,E为电源,R为电阻,薄片P和Q为两金属极板,对着话筒说话时,P振动而Q可视为不动,
在P、Q间距离增大过程中( )
(A) PQ构成的电容器的电容增大
(B) P上电荷量保持不变
(C) M点的电势比N点的低
(D) M点的电势比N点的高
解析:在PQ间距增大过程中,根据电容决
定式
C=εS4πkd
,在PQ间距离增大(d增大),电容减小,(A)错.电容式话筒与电源串联,电压保持不变,根据电容定义式C=QU,电容(C)减小,得电容器所带电量Q减小,(B)错.电容器的放电电流通过R的方向由M到N,所以M点的电势比N点的高,(C)错、(D)正确.本题答案为(D).
点评:在分析电容器的电容、带电量与电势差的关系中要注意两点:(1)电容器充电后,继续与电池相连,即两极板间的电压不变;(2)电容器充电后,切断与电源的连接,则所带电荷量不变.
考查目的:电容大小的相关因素,分析电容器带电量与液面高度的关系.
例1 日本核泄漏事故发生后,福岛第一核电站将含有放射性物质的污染水倒入大海,为了测定机组内含高浓度辐射物质积水的深度,电站利用电容式传感器进行测定,如图1所示是测定液面高度h的电容式传感器示意图,E为电源,G为灵敏电流计,A为固定的导体芯,B为导体芯外面的一层绝缘物质,C为导电液体.已知灵敏电流计指针偏转方向与电流方向的关系为:电流从左边接线柱流进电流计,指针向左偏.如果在导电液体的深度h发生变化时观察到指针正向左偏转,则导体芯A所带电量在,液体的深度h在(填“增大、减小或不变”).
解析:导体芯A、导体芯外面的绝缘物质B与导电液体C组成一个电容,液体深度h的变化跟极板正对面积变化相对应,组成测定液面高度的电容式传感器.
电流计指针向左偏转,说明流过电流计G的电流由左→右,则导体芯A所带电量Q在减小.电容器的两极板与电池的两极相连,即两极板间的电压U不变,由Q=CU可知,芯A与液体形成的电容器的电容减小,则液体的深度h在减小(极板正对面积减小).
答案:减小;减小
点评:电容大小跟相对介电常数、正对面积和极板间距有关,电容式传感器利用液面高度、扭转角度、压力等改变电容大小,进而改变电容上的电压(或带电量)进行测量,求解这类问题时,应弄清液面高度、扭转角度、压力、转速等与电容大小的联系,运用公式
C=
εS4πkd和C=QU
,找出相关物理量的关系.
二、测量角度的电容式传感器
考查目的:电容大小的相关因素,动态情况下分析电容与偏转角度的关系.
例2 传感器可以将一些非电学量转化为电学物理量,便于快速测量,在机械加工时,有时需要测量角度,利用电容式传感器可以快速测量.如图2所示为利用电容C测量角度θ的电容式传感器的示意图,当动片和定片之间的角度θ发生变化时,电容C便发生变化,于是知道了电容C的变化情况,就可以知道偏转角度θ的变化情况,下图3中最能正确反应C和θ间函数关系的是( )解析:平行板电容器的电容大小跟相对介电常数成正比,跟正对面积成正比,跟极板间距离成反比,用公式表示C=εrS4πkd,正对面积
S=r22(π-θ),所以C=k(π-θ),C和θ间函数关系如图(B)所示.
保持电容器的两极板与电池的两极相连,即两极板间的电压不变,电容器的带电量
Q=CU∝(π-θ),角度θ增大,则电容器所带电荷量Q减小,进而测量角度.
点评:电容传感器的种类很多:压力传感器、温度传感器、称重传感器、流量传感器、位移传感器、转速传感器,电容传感器应用非常广泛,电容知识与生活、生产等相综合构成丰富多彩的STSE问题,应注意电容知识的运用.
三、电容式话筒
考查目的:分析电容器的电容、带电量与电势差的关系.
例3 电容式话筒已广泛运用于会议、误乐场所,某电容式话筒的原理示意图如图4所示,E为电源,R为电阻,薄片P和Q为两金属极板,对着话筒说话时,P振动而Q可视为不动,
在P、Q间距离增大过程中( )
(A) PQ构成的电容器的电容增大
(B) P上电荷量保持不变
(C) M点的电势比N点的低
(D) M点的电势比N点的高
解析:在PQ间距增大过程中,根据电容决
定式
C=εS4πkd
,在PQ间距离增大(d增大),电容减小,(A)错.电容式话筒与电源串联,电压保持不变,根据电容定义式C=QU,电容(C)减小,得电容器所带电量Q减小,(B)错.电容器的放电电流通过R的方向由M到N,所以M点的电势比N点的高,(C)错、(D)正确.本题答案为(D).
点评:在分析电容器的电容、带电量与电势差的关系中要注意两点:(1)电容器充电后,继续与电池相连,即两极板间的电压不变;(2)电容器充电后,切断与电源的连接,则所带电荷量不变.