高二物理传感器知识精讲.docx

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高二物理传感器知识精讲

高二物理传感器

【本讲主要内容】

传感器

【知识掌握】

【知识点精析】

一.传感器

1.定义：

能够感受力、温度、光、声、化学成分等非电学量，并能把它们按照一定的规律转换为电压、电流等电学量进行测量、传输、处理、控制，这样的元件称为传感器。

2.工作原理

热敏电阻：

半导体材料随温度升高导电性能加强，电阻率减小，用半导体材料制成的电阻，称为热敏电阻。

热电阻：

金属电阻率随温度升高电阻率变大，用金属材料制作温度传感器，叫热电阻。

光敏电阻：

半导体材料受光照阻率减小，导电性能增加，称为光敏电阻。

电容器：

电容器s、d、

变化，改变C，可以测定角度、位移、深度等非电学量。

霍尔元件：

矩形半导体加4个电极，EF通电流I，加垂直于薄片磁场B，自由电荷向着垂直I、B方向漂移，M、N间出现电压U，可证明

，d为半导体厚度，k为霍尔系数，都为定值。

保持I恒定，B变引起U变，将磁学量转化为U这个电学量。

3.应用实例

（1）电熨斗：

温度达到一定值时不再升温，温度降低时又会自动加热。

结构图：

电熨斗的结构

工作原理：

1、2接电源、电热系加热，温度达到需要温度时，双金属片上层膨胀系数大伸长量大，双金属片向下弯曲，触点分离，电路断开，金属板不再升温，温度降低时，上层金属片收缩的快，双金属向上抬起，电路又接通。

所以使电熨斗保持一定温度。

（2）测温仪：

实体图：

电路：

原理：

热敏电阻放在热水中，电路就有电流，可在电表中显示出电流大小，对应标出相应温度值。

（3）话筒：

实体图：

动圈式话筒的构造

电路图：

电容式话筒原理

原理：

Q绝缘支架，薄金属膜M，固定电极N形成电容，被直流电源充电，声波使M振动，电容C发生变化，电路中产生变化电流，R两端产生随声音变化规律相同电压，经放大接到扬声器，扬声器又把电信号转化成声音。

（4）电子秤：

实体图：

力传感器的应用

原理图：

应变片测力原理

原理：

应变片用半导体材料制成，梁受力F弯曲时上表面伸，下表面缩，上应变片电阻变大，下应变片电阻减小，保持通过应变片电流恒定，上片两端电压升高，下片两端电压降低，输电压差值，F越大，电压差值越大。

4.火灾报警器

实体图：

原理图：

原理：

带子罩内装有发光二极管LED，光电三极管，和不透光挡板，平时光电三极管收不到LED发出的光，呈现高电阻状态，烟雾进入罩内对光有散射作用，使部分光线照射到光电三极管上，其电阻变小，传感器连接到检测电表上可检测出这个变化。

【解题方法指导】

例.如图所示是某汽车上一种自动测定油箱内油面高度装置，R为滑动变阻器，它的滑片是右杆的一端，从油量表（由电流表改装而成）指针所指示的刻度，就可以知道油箱内油面的高度，当滑动变阻器的金属滑片上移时。

A.电路中的电流减小，油箱油面降低

B.电路中的电流减小，油箱油面升高

C.电路中的电流增大，油箱油面降低

D.电路中的电流增大，油箱油面升高

解：

油面升高时，浮标上升滑片下滑，R减小，回路电流增大。

油面降低时，浮标下降，滑片上滑，R变大，回路电流减小。

∴A√，D√

【典型例题分析】

例1.传感器可将非电学量转化为电学量，起自动控制作用，如计算机鼠标中有位移传感器，电熨斗、电饭煲中有温度传感器，电视机、录像机、影碟机、空调机中有光电传感器……演示位移传感器的工作原理如图所示，物体M在导轨上平移时，带动滑动变阻器的金属滑杆P，通过电压表显示的数据来反映物体位移的大小x，假设电压表是理想的，则下列说法中正确的是（）

A.物体M运动时，电源内的电流会发生变化

B.物体M运动时，电压表的示数会发生变化

C.物体M不动时，电路中没有电流

D.物体M不动时，电压表没有示数

解：

∵

是理想电压表，RV视为无穷大，对电路中电流没有影响。

∴A×

M运动时滑线变阻器左侧电阻R1发生变化，M向右动，R1变大，右侧电阻R2减小，∴

变大，

读数变大。

可测出向右位移。

B√

M不动时，电流仍有，电压表仍有读数。

C×，D×

例2.家用电热灭蚊器中电热部分的主要部件是PTC元件，PTC元件是由酞酸钡等半导体材料制成的电阻器，其电阻率与温度的关系如图所示，由于这种特性，PTC元件具有发热、控温两重功能，对此以下说法中正确的是（）

A.通电后其功率先增大后减小

B.通电后其功率先减小后增大

C.当其产生的热量与散发的热量相等时，温度保持在t1至t2的某一值不变

D.当其产生的热量与散发的热量相等时，温度保持在t1或t2不变

解析：

根据PTC元件的电阻率随温度变化的曲线，可知在常温下，它的电阻是相当小的，通入电流以后，随着温度的升高，其电阻率先变小后增大，那么它的功率先变大，后变小，温度保持在t1至t2的某一值不变，这时候电路处于稳定状态，如果温度再升高，电阻率变大，导致电流变小，温度就会降下来；如果温度降低，电阻率减小，导致电流变大，温度就会升上去，所以本题正确答案为A、C。

答案：

AC

【综合测试】

1.如图所示，将多用表的选择开关置于“欧姆”挡，再将电表的两支表笔与负温度系数的热敏电阻Rt（负温度系数热敏电阻是指阻值随温度的升高而减小的热敏电阻）的两端相连，这时表针恰好指在刻度盘的正中间。

若往Rt上擦一些酒精，表针将向________（填“左”或“右”）移动；若用吹风机将热风吹向电阻，表针将向________（填“左”或“右”）移动。

2.如图所示，R1为定值电阻，R2为负温度系数的热敏电阻（负温度系数热敏电阻是指阻值随温度的升高而减小的热敏电阻），L为小灯泡，当温度降低时（）

A.R1两端的电压增大B.电流表的示数增大

C.小灯泡的亮度变强D.小灯泡的亮度变弱

3.如图所示，R1、R2为定值电阻，L为小灯泡，R3为光敏电阻，当照射光强度增大时，（）

A.电压表的示数增大B.R2中电流减小

C.小灯泡的功率增大D.电路的路端电压增大

4.如图所示，将多用电表的选择开关置于欧姆挡，再将电表的两支表笔分别与光敏电阻Rt的两端相连，这时表针恰好指在刻度盘的正中间。

若用不透光的黑纸将Rt包裹起来，表针将向_______（填“左”或“右”）转动；若用手电筒光照射Rt，表针将向_______（填“左”或“右”）转动。

5.如图所示为某种电子秤的原理示意图，AB为一均匀的滑线电阻，阻值为R，长度为L，两边分别有P1、P2两个滑动头，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：

（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xl。

（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核准零点，其方法是：

调节P2，使P2离A的距离也为xl，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。

6.磁场具有能量，磁场中单位体积所具有的能量叫做能量密度，其值为

。

式中B是磁感应强度，

是磁导率，在空气中

为一已知常数。

为了近似测得条形磁铁磁极端面附近的磁感强度B，一学生用一根端面面积为A的条形磁铁吸住一相同面积的铁片P，再用力将铁片与磁铁拉开一段微小距离

，并测出拉力F，如图所示。

因为F所做的功等于间隙中磁场的能量，所以由此可得磁感应强度B与F、A之间的关系为B=_______

7.一般的电熨斗用合金丝作发热元件，合金丝电阻随温度t变化的关系如图中实线①所示。

由于环境温度以及熨烫的衣物厚度、干湿等情况不同，熨斗的散热功率不同，因而熨斗的温度可能会在较大范围内波动，易损坏衣物。

有一种用主要成分为BaTiO3被称为“PTC”的特殊材料作发热元件的电熨斗，具有升温快、能自动控制温度的特点。

PTC材料的电阻随温度变化的关系如图中实线②所示。

试根据图线分析：

（1）为什么原处于冷态的PTC熨斗刚通电时比普遍电熨斗升温快？

（2）通电一段时间后电熨斗温度t自动地稳定在T_____

（填下标数字）

8.如图所示，厚度为h、宽为d的导体板放在垂直于它的磁感应强度为B的均匀磁场中，当电流通过导体板时，在导体板的上侧面A和下侧面A′之间会产生电势差，这种现象称为霍尔效应。

实验表明，当磁场不太强时电势差U，电流I和B的关系为U=k

 ，式中的比例系数k称为霍尔系数。

霍尔效应可解释如下：

外部磁场的洛伦兹力使运动的电子聚集在导体板的一侧，在导体板的另一侧出现多余的正电荷，从而形成横向电场，横向电场对电子施加与洛伦兹力方向相反的静电力，当静电力与洛伦兹力达到平衡时，导体板上下两侧之间就会形成稳定的电势差。

设电流I是由电子定向流动形成的，电子的平均定向速度为v，电量为e，回答下列问题：

（1）达到稳定状态时，导体板上侧面A的电势下侧面Ａ的电势（填高于、低于或等于）。

（2）电子所受的洛伦兹力的大小为。

（3）当导体板上下两侧之间的电势差为U时，电子所受的静电力的大小为。

（4）由静电力和洛伦兹力平衡的条件，证明霍尔系数k=

，其中n代表导体板单位体积中电子的个数。

9.电磁流量计广泛应用于测量可导电流体（如污水）在管中的流量（在单位时间内通过管内横截面的流体的体积）。

为了简化，假设流量计是如图所示的横截面为长方形的一段管道，其中空部分的长、宽、高分别为图中的a、b、c，流量计的两端与输送液体的管道相连接（图中虚线）。

图中流量计的上下两面是金属材料，前后两面是绝缘材料，现于流量计所在处加磁感应强度为B的匀强磁场，磁场方向垂直于前后两面。

当导电液体稳定地流经流量计时，在管外将流量计上、下两表面分别与一串接了电阻R的电流表的两端连接，I表示测得的电流值。

已知流体的电阻率为

，不计电流表的内阻，则可求得流量为（）

A.

B.

C.

D.

综合测试答案

1.分析：

若往Rt上擦一些酒精，由于酒精蒸发吸热，热敏电阻Rt温度降低，电阻值增大，所以电流减少，指针应向左偏；用吹风机将热风吹向电阻，电阻Rt温度升高，电阻值减小，电流增大，指针向右偏。

答案：

左右

点评：

欧姆表的表盘刻度最右侧为0，最左侧为最大值。

2.分析：

R2与灯L并联后与R1串联，与电源构成闭合电路，当热敏电阻温度降低时，电阻R2增大，外电路电阻增大，电流表读数减小，灯L电压增大，灯泡亮度变强，R1两端电压减小，故C正确，其余各项均错。

答案：

C

3.分析：

当光强度增大时，R3阻值减小，外电路电阻随R3的减小而减小，R1两端电压因干路电流增大而增大，同时内电压增大，故电路路端电压减小，而电压表的示数增大，A项正确，D项错误；由路端电压减小，而R1两端电压增大知，R2两端电压必减小，则R2中电流减小，故B项正确；结合干路电流增大知流过小灯泡的电流必增大，则小灯泡的功率增大。

答案：

ABC

4.简析：

光敏电阻受光照越强，电阻越小，电流越大，所以将Rt包裹起来电阻增大，电流减小，指针向左偏，反之向右偏。

答案：

左右

5.分析：

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，则其阻值与长度成正比。

解：

（1）由力的平衡知识知：

解得

（2）放上重物重新平衡后，

解得

（3）由闭合电路欧姆定律知E=IR

由部分电路欧姆定律：

U=IRx

由

，其中x为P1、P2间的距离，Rx为P1、P2间的电阻，则

联立解得

点评：

在有关力电传感器的计算中，必然涉及电路计算，注意欧姆定律及分压原理的应用。

6.简析：

在用力将铁片与磁铁拉开一段微小距离

的过程中，拉力F可认为不变，因此，F所做的功

。

以w表示间隙中磁场的能量密度，则间隙中磁场的能量

。

由题给条件得

。

故

因为F所做的功等于间隙中磁场的能量，即W=E，故有

解得

7.答案：

（1）冷态时PTC电阻很小，电功率很大，所以升温很快

（2）67

8.解析：

霍尔效应对学生来说是课本里没有出现过的一个新知识，但试题给出了霍尔效应的解释，要求学生在理解的基础上，调动所学知识解决问题，这实际上是对学生学习潜能的测试，具有较好的信度和效度。

（1）首先分析电流通过导体板时的微观物理过程。

由于导体板放在垂直于它的磁感应强度为B的匀强磁场中，电流是电子的定向运动形成的，电流方向从左到右，电子运动的方向从右到左。

根据左手定则可判断电子受到的洛仑兹力的方向向上，电子向A面聚集，A’面出现多余的正电荷，所以A面电势低于A’面电势，应填“低于”。

（2）电子所受洛仑兹力的大小为

（3）横向电场可认为是匀强电场，电场强度

，电子所受电场力的大小为

（4）电子受到横向静电力与洛伦兹力的作用，由两力平衡有

e

＝evB可得Ｕ＝hvB

通过导体的电流强度微观表达式为

由题目给出的霍尔效应公式

，有

得

点评：

①该题是带电粒子在复合场中的运动，但原先只有磁场，电场是在通电后自行形成的，在分析其他问题时，要注意这类情况的出现。

②联系宏观量I和微观量的电流表达式

是一个很有用的公式。

9.答案：

A