新课标学年高考物理主题四传感器41传感器及其工作原理学案新人教版选修32.docx
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新课标学年高考物理主题四传感器41传感器及其工作原理学案新人教版选修32
4.1 传感器及其工作原理
学习目标
核心提炼
1.了解传感器的概念，知道非电学量转换成电学量的技术的意义。
1个概念——传感器
1个原理——传感器的工作原理
1个特性——敏感元件的特性
多种应用——传感器的多种应用
2.了解光敏电阻、热敏电阻、金属热电阻、霍尔元件的工作原理。
3.了解传感器的常用元件的特征。
一、什么是传感器
1.传感器的定义：
能够感受诸如力、温度、光、声、化学成分等物理量，并能把它们按照一定的规律转换为便于传送和处理的另一个物理量（通常是电压、电流等电学量），或转换为电路的通断的元件。
2.非电学量转换为电学量的意义：
把非电学量转换为电学量，可以方便地进行测量、传输、处理和控制。
思考判断
（1）传感器可以把非电学量转换为电学量。
（√）
（2）传感器可以把力学量（如形变量）转变成电学量。
（√）
（3）传感器可以把热学量转变成电学量。
（√）
（4）传感器可以把光学量转变成电学量。
（√）
（5）传感器可以把电学量转变成力学量。
（×）
二、光敏电阻
1.特点：
光照越强，电阻越小。
2.原理：
无光照时，载流子少，导电性能不好；随着光照的增强，载流子增多，导电性变好。
3.作用：
把光照强弱这个光学量转换为电阻这个电学量。
思考判断
（1）光敏电阻的阻值随光线的强弱变化，光照越强电阻越小。
（√）
（2）有光照在光敏电阻上，电阻上的自由电子会发生定向移动。
（×）
（3）光敏电阻的阻值只会随人造光的强弱而变化，不能感知自然光的变化。
（×）
三、热敏电阻和金属热电阻
1.热敏电阻：
用半导体材料制成。
可分为正温度系数的热敏电阻和负温度系数的热敏电阻。
（1）正温度系数的热敏电阻随温度升高电阻增大。
（2）负温度系数的热敏电阻（如氧化锰热敏电阻）随温度升高电阻减小。
2.金属热电阻：
金属的电阻率随温度升高而增大，利用这一特性，金属丝也可以制作成温度传感器，称为热电阻。
思考判断
（1）热敏电阻在温度升高时阻值变小。
（×）
（2）金属热电阻在温度升高时阻值变小。
（×）
（3）热敏电阻一般用半导体材料制作，导电能力随温度的升高而增强，但灵敏度低。
（×）
（4）金属热电阻随温度的升高导电能力增强，它的化学稳定性好，测量范围大。
（×）
（5）热敏电阻和金属热电阻都能把温度这个热学量转换为电阻这个电学量。
（√）
四、霍尔元件
1.霍尔电压
如图1所示，E、F间通入恒定电流I，同时外加与薄片垂直的磁场B，则M、N间出现霍尔电压UH，UH＝k
。
d为薄片厚度，k为霍尔系数。
一个霍尔元件的d、k为定值，若保持I恒定，则UH的变化就与B成正比。
图1
2.作用
把磁感应强度这个磁学量转换为电压这个电学量。
思考判断
（1）霍尔元件一共有两个电极，电压这个电学量就通过这两个电极输出。
（×）
（2）把霍尔元件放入磁场中，由于电磁感应现象，在元件的电极间产生感应电动势。
（×）
（3）霍尔电压与组成霍尔元件的材料无关。
（×）
（4）在UH＝k
中，k为霍尔系数，它的大小与薄片的材料有关。
（√）
（5）霍尔元件可以感知磁感应强度。
（√）
对传感器的理解
[要点归纳]
1.传感器的组成和工作流程
（1）传感器的组成。
①敏感元件：
相当于人的感觉器官，是传感器的核心部分，是利用材料的某种敏感效应（如热敏、光敏、压敏、力敏、湿敏等）制成的。
②转换元件：
将敏感元件输出的与被测物理量成一定关系的非电信号转换成电信号的电子元件。
③转换电路：
将转换元件输出的不易测量的电学量转换成易于测量的电学量，如电压、电流、电阻等或电路的通断。
（2）传感器的工作流程。
→
→
→
→
2.传感器的原理：
传感器感受的通常是非电学量，如力、温度、位移、浓度、速度、酸碱度等，而输出的通常是电学量，如电压、电流、电荷量等。
这些输出的信号是非常微弱的，通常需要经过放大后，再传送给控制系统产生各种控制动作。
[精典示例]
[例1]如图2所示，是电容式话筒的示意图，它是利用电容制成的传感器，话筒的振动膜前面有薄薄的金属层，膜后距膜几十微米处有一金属板，振动膜上的金属层和这个金属板构成电容器的两极。
在两极间加一电压U，人对着话筒说话时，振动膜前后振动，使电容发生变化，从而使声音
信号被话筒转化为电信号，其中导致电容变化的原因是电容器两板间的（ ）
图2
A.距离变化B.正对面积变化
C.电介质变化D.电压变化
解析 振动膜前后振动，使振动膜上的金属层与金属板间的距离发生变化，从而将声音信号转化为电信号，故选项A正确。
答案 A
[针对训练1]当你走近某些宾馆、酒楼的大门时，门就会自动为你打开；当你走进门之后，门又在你身后自动关上。
你觉得这可能是将下列哪种外界信息转换为有用的信息（ ）
A.温度B.运动
C.人D.光线
解析 自动门的自动控制要求灵敏、可靠，若以温度控制，人的体温与夏季气温接近，则在夏季自动门将无法使用。
自动门实际使用的是红外线传感器，红外线属于不可见光，人在白天或黑夜均发出红外线，传感器接收到人体发出的红外线后传给自动控制装置的电动机，实现自动开、关门。
故选项D正确。
答案 D
对敏感元件的认识
[要点归纳]
光敏电阻、热敏电阻、霍尔元件特点对比
元件
特点
光敏电阻
半导体材料受到的光照增强时，会有更多的电子获得能量成为自由电子，即载流子数增多，于是导电性明显地增强，电阻减小
热敏电阻和金属热电阻
（1）热敏电阻：
指用半导体材料制成，电阻值随温度变化发生明显变化的电阻。
如图线①所示为某热敏电阻的电阻—温度特性曲线。
（2）金属热电阻：
有些金属的电阻率随温度的升高而增大，如图线②所示，这样的电阻也可以制作温度传感器。
热敏电阻或金属热电阻都能够把温度这个热学量转换为电阻这个电学量，但相比而言，金属热电阻的化学稳定性好，测温范围大，而热敏电阻的灵敏度较好。
霍尔元件
霍尔元件两极间通入恒定的电流，同时外加与薄片垂直的磁场B时，薄片中的载流子就在洛伦兹力的作用下，向着与电流和磁场都垂直的方向漂移，在两极上形成稳定的电压UH＝
。
[精典示例]
[例2]（多选）在温控电路中，通过热敏电阻阻值随温度的变化可实现对电路相关物理量的控制。
如图3所示电路，R1为定值电阻，R2为半导体热敏电阻（温度越高电阻越小），C为电容器。
当环境温度降低时（ ）
图3
A.电容器C的带电荷量增大
B.电压表的读数增大
C.电容器C两板间的电场强度减小
D.R1消耗的功率增大
解析 当环境温度降低时，R2变大，电路的总电阻变大，由I＝
知I变小，又U＝E－Ir，电压表的读数U增大，选项B正确；又由P1＝I2R1可知，R1消耗的功率P1变小，选项D错误；电容器两板间的电压U2＝U－U1，U1＝IR1，可知U1变小，U2变大，由场强公式E′＝
知E′变大，由Q＝CU2可知Q都增大，故选项A正确，C错误。
答案 AB
[例3]如图4所示，将一光敏电阻接在多用电表两表笔上，将多用电表的选择开关置于欧姆挡，用光照射光敏电阻时，表针自左向右的偏角为θ；现用手掌挡住部分光线，表针自左向右的偏角为θ′，则可判断（ ）
图4
A.θ′＝θB.θ′＜θ
C.θ′＞θD.不能确定
解析 光敏电阻的阻值随光照强度的增强而减小，用手掌挡住部分光线，阻值变大，由欧姆挡的特点知，指针左偏，故指针自左向右的偏转角度变小。
故选项B正确。
答案 B
含有热敏电阻、光敏电阻电路的动态分析步骤
（1）明确热敏电阻（或光敏电阻）的阻值随温度（或光线强弱）是增大还是减小。
（2）分析整个回路的电阻的增减，电流的增减。
（3）分析部分电路的电压、电流如何变化。
[例4]（多选）如图5所示是霍尔元件的示意图，一块通电的铜板放在磁场中，板面垂直于磁场，板内通有如图所示方向的电流，a、b是铜板上、下边缘的两点，则（ ）
图5
A.电势φa＞φb
B.电势φb＞φa
C.电流增大时，|φa－φb|增大
D.其他条件不变，将铜板改为NaCl溶液时，电势结果仍然一样
解析 铜板中的自由电荷是电子，电子定向移动的方向与电流的方向相反，由左手定则可判断出电子因受洛伦兹力作用而向b侧偏转，所以φa＞φb，选项A正确，B错误；因|φa－φb|＝k
，所以电流增大时，|φa－φb|增大，选项C正确；若将铜板改为NaCl溶液，溶液中的正、负离子均向b侧偏转，|φa－φb|＝0，即不产生霍尔效应，故选项D错误。
答案 AC
[针对训练2]（多选）如图6所示，R1、R2为定值电阻，L为小灯泡，R3为光敏电阻，当入射光强度增大时（ ）
图6
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
解析 当入射光强度增大时，R3阻值减小，外电路电阻随R3的减小而减小，由闭合电路欧姆定律I＝
知电路中的电流增大，R1两端电压因干路电流增大而增大，从而电压表的示数增大，同时内电压增大，故电路的路端电压减小，选项A正确，D错误；因路端电压减小，而R1两端电压增大，故R2两端电压必减小，则R2中电流减小，故选项B正确；结合干路电流增大知流过小灯泡的电流必增大，故小灯泡的功率增大，选项C正确。
答案 ABC
1.（传感器的理解）（多选）下列说法正确的是（ ）
A.传感器担负着信息采集的任务
B.干簧管是一种能够感知磁场的传感器
C.传感器不是电视遥控接收器的主要元件
D.传感器是把力、温度、光、声、化学成分转换为电信号的主要工具
解析 传感器的任务就是采集信息，选项A正确；干簧管的主要构造是由平时不接触的两个极易被磁化的软铁片组成的，它们靠近磁场时被磁化后相互吸引而接触，选项B正确；由传感器的定义知，选项D正确。
答案 ABD
2.（传感器的应用）有一些星级宾馆的洗手间装有自动干手机，洗手后将湿手靠近，机内的传感器就开通电热器加热，有热空气从机内喷出，将湿手烘干，手靠近干手机能使传感器工作，是因为（ ）
A.改变湿度B.改变温度
C.改变磁场D.改变电容
解析 根据自动干手机工作的特征，手靠近干手机电热器工作，手撤离后电热器停止工作，人是一种导体，可以与其他导体构成电容器。
手靠近时相当于连接一个电容器，可以确定干手机内设有电容式传感器，由于手的靠近改变了电容大小，故选项D正确；用湿度和温度来驱动电热器工作，理论上可行，但是假如干手机是由于温度、湿度的变化工作就成了室内烘干机。
选项A、B、C错误。
答案 D
3.（传感器的理解）（多选）美国科学家Willards·Boyle与GeorgeE·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
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，选项A错误；干电池是一种电源，不是传感器，选项D错误；热敏电阻受热时，其电阻会发生变化，能把热学量转换成电学量，是传感器，选项B正确；霍尔元件能够把磁感应强度这个非电学量转换成电压这个电学量，是传感器，选项C正确。
答案 BC
4.（热敏电阻和金属热电阻的特性）热敏电阻常用于温度控制或过热保护装置中。
如图7为某种热敏电阻和金属热电阻的阻值R随温度t变化的示意图。
由图可知，这种热敏电阻在温度上升时导电能力________（选填“增强”或“减弱”）；相对金属热电阻而言，热敏电阻对温度变化的响应更________（选填“敏感”或“不敏感”）。
图7
解析 由R－t图象可知，该热敏电阻的阻值R在温度上升时变小，因此其导电能力增强；该热敏电阻相对于金属热电阻而言，对温度变化的响应更敏感。
答案 增强 敏感
基础过关
1.在街旁的路灯，江海里的航标都要求在夜晚亮，白天熄，利用半导体的电学特性制成了自动点亮、熄灭的装置，实现了自动控制，这是利用半导体的（ ）
A.压敏性B.光敏性
C.热敏性D.三种特性都利用
解析 本题中路灯的自动控制是利用了半导体的光敏性。
选项B正确。
答案 B
2.（多选）利用半导体材料可以制成（ ）
A.标准电阻B.热敏电阻
C.光敏电阻D.晶体管
解析 标准电阻是几乎不受温度影响的电阻，一般是用锰铜合金或镍铜合金制作的。
利用半导体材料可以制成热敏电阻、光敏电阻和晶体管。
选项B、C、D正确。
答案 BCD
3.（多选）如图1所示，干簧管放在磁场中时两个舌簧能被磁化。
关于干簧管，下列说法正确的是（ ）
图1
A.干簧管接入电路中相当于电阻的作用
B.干簧管是根据热胀冷缩的原理制成的
C.干簧管接入电路中相当于开关的作用
D.干簧管是作为电控元件以实现自动控制的
解析 干簧管能感知磁场，因为两个舌簧由软磁性材料制成，当周围存在磁场时，两个舌簧被磁化，就会相互吸引，所以是作开关来使用，作为控制元件以实现自动控制的。
选项C、D正确。
答案 CD
4.唱卡拉OK用的话筒，内有传感器。
其中有一种是动圈式的，它的工作原理是在弹性膜片后面粘接一个轻小的金属线圈，线圈处于永磁体的磁场中，当声波使膜片前后振动时，就将声音信号转变为电信号。
下列说法正确的是（ ）
A.该传感器是根据电流的磁效应工作的
B.该传感器是根据电磁感应原理工作的
C.膜片振动时，穿过金属线圈的磁通量不变
D.膜片振动时，金属线圈中不会产生感应电动势
解析 当声波使膜片前后振动时，线圈切割磁感线产生感应电流，将声音信号转变成电信号，是根据电磁感应原理工作的，故选项A错误，B正确；膜片随着声波而周期性振动，穿过金属线圈的磁通量也是周期性变化的，故选项C错误，膜片振动时，金属线圈切割磁感线，会产生感应电动势，故选项D错误。
答案 B
5.如图2是观察电阻值随温度变化情况的示意图。
现在把杯中的水由冷水变为热水，关于欧姆表的读数变化情况正确的是（ ）
图2
A.如果R为金属热电阻，读数变大，且变化非常明显
B.如果R为金属热电阻，读数变小，且变化不明显
C.如果R为热敏电阻（用半导体材料制作），读数变化非常明显
D.如果R为热敏电阻（用半导体材料制作），读数变化不明显
解析 若为金属热电阻，温度升高后，电阻变大，读数变化不明显，选项A、B错误；若为热敏电阻，读数将明显变化，选项C正确、D错误。
答案 C
6.如图3所示，由电源、小灯泡、电阻丝、开关组成的电路中，当闭合开关S后，小灯泡正常发光。
若用酒精灯加热电阻丝时，发现小灯泡亮度变暗，发生这一现象的主要原因是（ ）
图3
A.小灯泡的电阻发生了变化
B.小灯泡灯丝的电阻率随温度发生了变化
C.电阻丝的电阻率随温度发生了变化
D.电源的电压随温度发生了变化
解析 温度升高，金属电阻丝电阻率增大，电阻增大，电路中电流减小，灯泡亮度减弱。
故选项C正确。
答案 C
7.如图4所示，R1为定值电阻，R2为负温度系数的热敏电阻，L为小灯泡，当温度降低时（ ）
图4
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
解析 R2与灯泡L并联后再与R1串联，与电源构成闭合电路，当温度降低时，热敏电阻R2电阻值增大，外电路电阻增大，电流表读数减小，灯泡L两端的电压增大，灯泡的亮度变强，R1两端的电压减小，故只有选项C正确。
答案 C
能力提升
8.传感器是一种采集信息的重要器件，如图5为测定压力的电容式传感器。
将电容器、灵敏电流表（零刻度在中间）和电源串联成闭合电路，当压力F作用于可动膜片电极上时，膜片产生形变，引起电容的变化，导致灵敏电流表指针偏转。
在对膜片开始施加恒定压力到膜片稳定后，灵敏电流表指针的偏转情况为（电流从电流表正接线柱流入时指针向右偏）（ ）
图5
A.向右偏到某刻度后回到零刻度
B.向左偏到某刻度后回到零刻度
C.向右偏到某刻度后不动
D.向左偏到某刻度后不动
解析 两极板间电压不变，在压力F作用下，极板间距d减小，由C＝
知电容器电容C将增大，由Q＝CU知Q增加，电容器充电，电流从电流表正接线柱流入，指针向右偏。
当极板电荷量不变时，电路里没有电流，指针不再偏转，回到零刻度，选项A正确。
答案 A
9.温度传感器广泛应用于室内空调、电冰箱等家用电器中，它是利用热敏电阻的阻值随温度变化的特性来工作的。
如图6甲所示，电源的电动势E＝9V，内阻不计；
G为灵敏电流表，内阻Rg保持不变；R为热敏电阻，其电阻阻值与温度的变化关系如图乙所示。
闭合开关S，当R的温度等于20℃时，电流表的示数I1＝2mA；当电流表的示数I2＝3.6mA时，热敏电阻的温度是（ ）
图6
A.60℃B.80℃
C.100℃D.120℃
解析 在20℃时，R＝4kΩ，由E＝（Rg＋R1）I1，得Rg＝500Ω。
在温度为t时，E＝（Rg＋R2）I2，代入数据得R2＝2000Ω＝2kΩ，从题图乙中可以看出t＝120℃，故选项D正确。
答案 D
10.（多选）如图7所示为一种自动跳闸的闸刀开关，O是转轴，A是绝缘手柄，C是闸刀卡口，M、N接电源线，闸刀处于垂直纸面向里、磁感应强度B＝1T的匀强磁场中，C、O间距离为10cm。
当磁场力为0.2N时，闸刀开关会自动跳开。
则要使闸刀开关能跳开，CO中通过的电流的大小和方向为（ ）
图7
A.电流方向C→OB.电流方向O→C
C.电流大小为2AD.电流大小为1A
解析 只有当OC受到向左的安培力时，闸刀才能自动跳开，根据左手定则知电流的方向是O→C，CO所受安培力大小为F安＝BIL＝1×I×0.1N＝0.2N，从而解得I＝2A。
选项B、C正确。
答案 BC
11.（多选）如图8所示，电源的电动势为E，内阻为r，R1、R2、R3为定值电阻，R4为光敏电阻（光敏电阻被光照射时阻值变小），C为电容器。
闭合开关S，电路稳定后，用光照射R4，下列说法正确的是（ ）
图8
A.电压表示数增大
B.电源的效率增大
C.电容器所带电荷量增加
D.R2上消耗的功率增大
解析 因有光照射时，光敏电阻的阻值减小，故总电阻减小；由闭合电路欧姆定律可知，干路电路中电流增大，由U＝E－Ir可知路端电压减小，所以电压表示数减小，故选项A错误；电源的效率η＝
＝
＝1－
，电流增大，则电源效率减小，故选项B错误；电容器两板间的电压与R2两端的电压相等，因R4电阻变小，总电阻变小，总电流增大，外电压变小，通过R1的电流减小，则通过R2的电流增大，所以电容器两板间的电压增大，根据Q＝CU可知，电容器所带电荷量一定增加，故选项C正确；通过R2的电流增大，根据P＝I2R可知，R2上消耗的功率增大，故选项D正确。
答案 CD
12.为监测某化工厂的污水排放量，技术人员在该厂的排污管末端安装了如图9所示的流量计。
该装置由绝缘材料制成，长、宽、高分别为a、b、c，左右两端开口。
在垂直于上下底面方向加磁感应强度大小为B的匀强磁场，在前后两个内侧面分别固定有金属板作为电极。
污水充满管口从左向右流经该装置时，电压表将显示两个电极间的电压U。
若用Q表示污水流量（单位时间内排出的污水体积），下列说法中正确的是（ ）
图9
A.若污水中正离子较多，则前表面比后表面电势高
B.若污水中负离子较多，则前表面比后表面电势高
C.污水中离子浓度越高电压表的示数将越大
D.污水流量Q与U成正比，与a、b大小无关
解析 由左手定则可以判断出正离子较多时，正离子受到的洛伦兹力使其向后表面偏转聚集而导致后表面电势升高，同理负离子较多时，负离子向前表面偏转聚集而导致前表面电势低，故选项A、B错误；设前、后表面间的最高电压为U，则
＝qvB，所以U＝vBb，由此可知U与离子浓度无关，故选项C错误；因Q＝vbc，而U＝vBb，所以Q＝
，选项D正确。
答案 D
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