[学案+答案]人教版 选修3-2 第六章 第一节 传感器及其工作原理
文档属性
| 名称 | [学案+答案]人教版 选修3-2 第六章 第一节 传感器及其工作原理 |  | |
| 格式 | zip | ||
| 文件大小 | 246.1KB | ||
| 资源类型 | 教案 | ||
| 版本资源 | 人教版（新课程标准） | ||
| 科目 | 物理 | ||
| 更新时间 | 2015-10-30 15:29:23 | ||
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文档简介
第六章 《传感器》学案
§6.1传感器及其工作原理
●学案●
【学习目标】
1．知道什么是传感器，知道非电学量转化为电学量的技术意义；
2．了解传感器中常见的三种敏感元件光敏电阻、热敏电阻、霍尔元件的工作原理。
3．理解霍尔电压公式。
【重点难点】
1.重点：理解并掌握光敏电阻、热敏电阻、霍尔元件及各种传感器的应用原理及结构
2.难点：分析并设计传感器的应用电路。
【课前预习】
一、传感器
1．什么是传感器
能够感受诸如力、温度、光、声、化学成分等 ( http: / / www.21cnjy.com )非电学量，并能把它们按照一定的规律转换为为电压、电流等电学量，或转转换为电路的通断的这一类元件统称为传感器。传感器是将非电学量转化为电学量的元件，之后可以很方便地进行测量、传输、处理和控制。
2．传感器的工作原理
传感器主要由敏感元件和转换电路两部分组成。 ( http: / / www.21cnjy.com )传感器感受的通常是非电学量，如压力、温度、位移、浓度、速度、酸碱度等，而它输出的通常是电学量，如电压值、电流值、电荷量等，这些输出信号是非常微弱的，通常要经过电路放大后，再送给控制系统分析处理产生各种控制动作。传感流程如下图所示：
3.传感器的种类
传感器的种类繁多，按转换用途来分，常见的传 ( http: / / www.21cnjy.com )感器有：光学传感器、热学传感器、加速度传感器、力传感器、气敏传感器、超声波传感器、磁敏传感器等等。
二、常见的传感器元件
1. 干簧管
（1）材料结构：普通干簧管 ( http: / / www.21cnjy.com )有两个簧片，是用有弹性的软磁性材料制成的，它们密封在玻璃管中，成为一组常开型触点。管中充入惰性气体来防止触点被氧化。
（2）工作原理：当有磁体靠近干簧管时，两个簧片被磁化而接通；磁体离开干簧管时，两个簧片失去磁性后而断开。如图所示。
（3）功能：在电路中起到开关的作用，它是一种能够感知磁场的传感器。
2. 光敏电阻
（1）材料结构：由受光照敏感的半导体材 ( http: / / www.21cnjy.com )料制成，如硫化镉。把半导体材料硫化镉涂敷在绝缘板上，在其表面再用银浆涂敷两个互不相连的栅状电极，如图，这样就制成了一个光敏电阻。
（2）工作原理：光敏电阻在被光照射时电阻会发生变化。无光照时，导电性能不好，电阻较大；有光照时，随着光照的增强，导电性变好，电阻减小。
（3）功用：光敏电阻能够把光照强弱 ( http: / / www.21cnjy.com )这个光学量转换为电阻这个电学量。它就象人的眼睛，可以感知光线的强弱。光敏电阻对光照灵敏度高，结构稳定，不易损坏，主要应用于光控电路。
3. 热敏电阻和金属热电阻
（1）热敏电阻
①材料结构：用半导体材料制成。有一种热敏电阻是用氧化锰等金属氧化物烧结而成的，它的电阻随温度的变化非常明显。
②特点：热敏电阻的灵敏度较高。在温 ( http: / / www.21cnjy.com )度上升时，导电能力增强，其电阻随温度变化明显，温度升高，电阻减小。如右图，图线2是某一热敏电阻－温度特性曲线。
③功能：把温度这个热学量转换为电阻这个电学量。常作温控元件。
（2）金属热电阻
①材料结构：用单质金属材料制成。常用的一种热电阻是用铂制作的。
②特点：单质金属的电阻率随温度的升高而增大，金属热电阻的化学稳定性好，测温范围大，但灵敏度较差。
③功用：同样可把温度这个热学量转换为电阻这个电学量。用金属丝可以制作温度传感器（热电阻），比如：用铂制作金属温度计，其测温范围较大。
（3）热敏电阻与金属热电阻的差异
项目电阻 材料 导电原理 电阻随温度变化 优点
热敏电阻 半导体 自由电子和空穴等载流子 灵敏度较好
金属热电阻 单质金属 自由电子的定向移动 化学稳定性好，测量范围大
4.霍尔元件（又称磁敏元件）
（1）材料结构：由半导体材料制成，如砷化铟。在一个很小的矩形半导体薄片上，制作四个电极E、F、M、N，就制成为一个霍尔元件。如图所示。
（2）工作原理
①霍尔电压的形成：在如图所示的E、F间，通入 ( http: / / www.21cnjy.com )恒定的电流I，同时外加与薄片垂直的磁场B，则半导体薄片中的截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，当静电力与洛仑兹力达到平衡时，半导体板两侧M、N间会形成稳定的电压，称为霍尔电压UH。
②霍尔电压的大小： .
其中k为比例系数，称为霍尔系数，其大小与薄片的材料有关。
一个霍尔元件的厚度d、比例系数k为定值，再保持I恒定，则电压UH的变化就与磁感应强度B成正比，因此，霍尔元件又称磁敏元件。
③霍尔电压的推导：
设图中M、N方向的长度为L，在磁感应强度B的方向的半导体板的厚度为d，截流子的电荷量为q，截流子的运动速度为v. 当静电力与洛仑兹力相等时，有，
再根据电流的微观式 I＝nqv S= nqvdL 得
令 ，因为n为材料单位体积的带电粒子个数，它们均为常数，所以有：.
（3）功用：霍尔元件能够把 ( http: / / www.21cnjy.com )磁感应强度这个磁学量转换为电压这个电学量。霍尔元件体积小、精度高、寿命长，广泛应用于压力、加速度、振动、磁感应强度等方面的测量及成像电路中。
三、电容式传感器
电容器的电容决定于极板的 ( http: / / www.21cnjy.com )正对面积S、极板间距d、极板间的电介质这几个因素。如果某一物理量(如位移x，深度h、角度θ、压力F等)的变化能引起上述某个因素的变化，从而引起电容的变化，通过电容的变化就可以确定上述物理量的变化，有这种用途的电容器称电容式传感器.
1. 电容式位移传感器
(1)结构：在电容器中插入一块可移动的电介质板，电介质板与被测物体相连．如图所示。
（2）工作原理：
当被测物体在左右方向发生位移时，电介质 ( http: / / www.21cnjy.com )板随之在电容器两极板之间移动，从而导致电容器的电容发生改变。如果测出了电容的变化，就能知道物体位移的变化。
（3）功能：电容式位移传感器能够把物体位移这个力学量转换为电容这个电学量。
2. 电容式深度传感器
(1)结构：在导线芯的外面涂上一层绝缘物质，放入导电溶液中，导线芯和导电溶液构成电容的两个极，导线芯外面的绝缘物质就是电介质．如图所示。
（2）工作原理：
当液面高度h发生变化时，引起 正对面积 发生变化，使电容C发生变化。如果知道电容C的变化，就可以知道液面高度h的变化情况。
（3）功能：电容式深度传感器能够把液体深度这个物理量转换为电容这个电学量。
3. 电容式角度传感器
(1)结构： 由半圆形金属动片与半圆形金属定片相互绝缘后组成的可变电容器．如图所示。
（2）工作原理：
当动片与定片之间的角度θ发生变化时，引起极板正对面积S的变化，则电容C发生变化。知道电容C的变化，就可以知道θ的变化情况。
（3）功能：电容式角度传感器能够把物体体角度这个物理量转换为电容这个电学量。
4. 电容式压力传感器
(1)结构：由一块可微移的金属膜片组成的可动电极与固定的电极组合而成的电容器．如图所示。
（2）工作原理：
当待测压力F作用于可动膜片电极上的时候，膜片发生形变，使极板间距离d发生变化，引起电容C的变化。知道电容C的变化，就可以知道F的变化情况。
（3）功能：电容式压力传感器能够把物体的压力这个力学量转换为电容这个电学量。
【预习检测】
1. 下列传感器元件，由半导体材料制成的有（ ）
A．标准电阻 B．热敏电阻 C．光敏电阻 D．霍尔元件
答案：BCD
2.关于传感器元件功能的描述，下列说法正确的是（ ）
A．光敏电阻能够把光照强弱这个光学量转换为电阻这个电学量.
B．霍尔元件能够把磁感应强度这个磁学量转换为电阻这个电学量.
C．热敏电阻能够将温度这个热学量转换为电压这个电学量
D．干簧管能够将磁场这个非电学量转换成电路的通断 .
答案：AD
3. 如图所示，是一个测定液面高度的传 ( http: / / www.21cnjy.com )感器，在导线芯的外面涂上一层绝缘物质，放在导电液体中，导线芯和导电液构成电容品的两极，把这两极接入外电路中，若由于电流变化显示出电容值增大时，则导电液体的深度h变化为（ ）
A．h增大 B．h减小
C．h不变 D．无法确定
答案：A
4. 如图所示，电路中R1为定值电阻，R2为热敏电阻，L为小灯泡，小灯泡正常发光。若将R2浸放入热水中，则（ ）
A．电流表的示数减小
B．R1两端的电压增大
C．小灯泡的亮度变亮
D．小灯泡的亮度变暗
答案：BD
▲堂中互动▲
【典题探究】
题型一 传感器的原理
例1 人有五大感觉器官，分别是视觉 ( http: / / www.21cnjy.com )、听觉、嗅觉、味觉和触觉，人们常将传感器的功能与人的五大感觉器官相比拟，请用合适的感觉器官名称完成下列填空。
光敏传感器 ；声敏传感器 气敏传感器 ；传感器 ；压敏、温敏、流体传感器 。
【解析】答案：视觉、听觉、嗅觉、味觉、触觉。
拓展：现代宾馆、饭店、高档写字楼、医 ( http: / / www.21cnjy.com )院等场所，大多设立自动感应门装置，该装置的前端就是一个光传感器（类似于人的眼睛，为视觉传感器），当有人进入开关感应范围时，专用红外线传感器探测到人体红外光谱的变化，门自动打开，人不离开感应范围，门将持续打开；人走出感应范围后，门自动关闭。
题型二 传感器元件的特性
例2 如图所示，将万用表的选择开关置 ( http: / / www.21cnjy.com )于“欧姆”挡，再将电表的两支表笔与一热敏电阻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。
【解析】若往Rt上擦一些酒精， ( http: / / www.21cnjy.com )由于酒精蒸发吸热，热敏电阻Rt温度降低，电阻值增大，所以电流减小，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
例3 如图所示，有电流I流过长方体金 ( http: / / www.21cnjy.com )属块，金属块宽度为d，高为b，有一磁感应强度为B的匀强磁场垂直于纸面向里，金属块单位体积内的自由电子数为n，试问：金属块上、下表面哪面电势高？电势差是多少？
【解析】当电流在导体中流动时，因为自由电荷为电子，故由左手定则可判定电子向上偏，则上表面聚集负电荷，下表面失去电子带等量的正电荷，故下表面电势高，设其稳定电压为U，即
又因为导体中的电流
故
答案：下表面电势高 电势差为
【点评】 （1）判断电势高低时注意载流子是正电荷还是负电荷．
（2）由以上计算得上、下两表面间的电压稳定时，其中n为单位体积内的自由电荷数，e为电子电荷量，对固定的材料而言为定值，若令，则，此即课本给出的霍尔电压公式。
三、电容式传感器的应用
例4 如图所示，电脑键盘的每一个键下面都连一小块金属膜片，与该金属膜片隔有一定空隙还有另一块小的固定金属膜片，这两块金属膜片组成一个小电容器，该电容器的电容C可用公式C＝计算，式中常量ε＝9×10-12 F·m-1，S表示金属片的正对面积，d表示两金属片间的距离。当键被按下时，此小电容器的电容发生变化，与之相连的电子线路就能够检测出哪个键被按下了，从而给出相应的信号。
设每个金属片的正对面积为50 mm2，键未 ( http: / / www.21cnjy.com )被按下时两金属片间的距离为0.6 mm. 如果电容变化了0.25 pF，电子线路恰好能检测出必要的信号，则键至少要被按下多少距离？
【解析】 键盘是一个电容传感器，由题意知它是靠改变两极板间距从而改变电容，得到相应的电信号的。又因为两极板间距减小，电容变大，设原间距为d0，按下键后间距为d时，电子线路恰能检测出必要的信号，则根据C＝ε，ΔC＝εS得
m＝0.45×10-3m＝0.45 mm
所以键至少要被按下的距离为Δd=d0-d=0.6 mm－0.45 mm＝0.15 mm
【答案】0.15mm
【点评】 本题要审清题意，熟记电容器电容公式C＝，应特别注意题目中要求被按下的距离，而不是剩余的距离。
【变式训练1】 如图所示是一 ( http: / / www.21cnjy.com )种测定压力的电容式传感器。当待测压力F作用于可动膜片电极时，可使膜片产生形变，引起电容的变化，将电容器、灵敏电流计和电源串联成闭合电路，那么（ ）
A．当F向上压膜片电极时，电容将减小
B．当F向上压膜片电极时，电容将增大
C．若电流计有示数，则压力F发生变化
D．若电流计有示数，则压力F不发生变化
【解析】当F向上压膜片电极时，电容电极间距减小，电容器的电容将增大，电流计有示数，则压力F发生了变化。
答案：BC
例5 如图所示是一种通过电容器的变化 ( http: / / www.21cnjy.com )来检测容器内液面高低的仪器示意图。容器中装有导电液体，是电容器的一个电极，中间的导体芯柱是电容器的另一个电极，芯柱外面套有绝缘管作为电介质，电容器的两个电极与电感线圈组成振荡电路产生电磁振荡，根据其振荡电流频率的高低（用与该电路相连的频率计显示）就可知容器中液面位置的高低。
（1）如果频率计显示该振荡电路的振荡频率变大了，则液面是升高了还是降低了？
（2）容器内的导电液体与大地相连，若某一时刻线圈内磁场方向向右，且正在增强，则此时导体芯柱的电势是正在升高还是降低？
【解析】由题意可知，导电液体和导线芯为 ( http: / / www.21cnjy.com )两极板，绝缘管为电介质，构成一个电容器，此电容器与线圈组成一个LC振荡电路，当电容器电容变化时，便会引起振荡频率的变化，而此电容器电容的变化是由于液体和导线芯的正对面积的变化即液面的升降引起的，且随液面升高电容变大，故可以通过振荡频率的变化来探知液体深度的变化，即将液体深度的信号转换成了振荡频率信号。
（1）根据题意设电容器的电容为C，线圈的自感系数为L，则振荡频率，由题意知：
f变大，则C减小，可知液面位置降低.
（2）某一时刻线圈内磁场方向向右，根据安 ( http: / / www.21cnjy.com )培定则，电流方向应为如图所示；场强增强，可知电容器正处在放电过程，导线芯极板带正电荷，电容器两极板上电荷量减少，电压减小，又因导电液与大地相连，电势始终为零，故导体芯线电势是正在降低.
答案:（1）f变大，液面位置降低；（2）导体芯线电势是正在降低.
【点评】 本题综合性较强，LC振荡电路的物理模型建立是关键，同时应对电容器电容公式C＝和电磁振荡频率公式的应用及动态分析必须熟悉掌握。
控制处理
非电学量
敏感元件
电学量
转换器件
转换电路
金属棒
电介质
导电液
电介质
h
A
R1
R2
L
E
r
Ω
欧姆表
Rt
§6.1传感器及其工作原理
●学案●
【学习目标】
1．知道什么是传感器，知道非电学量转化为电学量的技术意义；
2．了解传感器中常见的三种敏感元件光敏电阻、热敏电阻、霍尔元件的工作原理。
3．理解霍尔电压公式。
【重点难点】
1.重点：理解并掌握光敏电阻、热敏电阻、霍尔元件及各种传感器的应用原理及结构
2.难点：分析并设计传感器的应用电路。
【课前预习】
一、传感器
1．什么是传感器
能够感受诸如力、温度、光、声、化学成分等 ( http: / / www.21cnjy.com )非电学量，并能把它们按照一定的规律转换为为电压、电流等电学量，或转转换为电路的通断的这一类元件统称为传感器。传感器是将非电学量转化为电学量的元件，之后可以很方便地进行测量、传输、处理和控制。
2．传感器的工作原理
传感器主要由敏感元件和转换电路两部分组成。 ( http: / / www.21cnjy.com )传感器感受的通常是非电学量，如压力、温度、位移、浓度、速度、酸碱度等，而它输出的通常是电学量，如电压值、电流值、电荷量等，这些输出信号是非常微弱的，通常要经过电路放大后，再送给控制系统分析处理产生各种控制动作。传感流程如下图所示：
3.传感器的种类
传感器的种类繁多，按转换用途来分，常见的传 ( http: / / www.21cnjy.com )感器有：光学传感器、热学传感器、加速度传感器、力传感器、气敏传感器、超声波传感器、磁敏传感器等等。
二、常见的传感器元件
1. 干簧管
（1）材料结构：普通干簧管 ( http: / / www.21cnjy.com )有两个簧片，是用有弹性的软磁性材料制成的，它们密封在玻璃管中，成为一组常开型触点。管中充入惰性气体来防止触点被氧化。
（2）工作原理：当有磁体靠近干簧管时，两个簧片被磁化而接通；磁体离开干簧管时，两个簧片失去磁性后而断开。如图所示。
（3）功能：在电路中起到开关的作用，它是一种能够感知磁场的传感器。
2. 光敏电阻
（1）材料结构：由受光照敏感的半导体材 ( http: / / www.21cnjy.com )料制成，如硫化镉。把半导体材料硫化镉涂敷在绝缘板上，在其表面再用银浆涂敷两个互不相连的栅状电极，如图，这样就制成了一个光敏电阻。
（2）工作原理：光敏电阻在被光照射时电阻会发生变化。无光照时，导电性能不好，电阻较大；有光照时，随着光照的增强，导电性变好，电阻减小。
（3）功用：光敏电阻能够把光照强弱 ( http: / / www.21cnjy.com )这个光学量转换为电阻这个电学量。它就象人的眼睛，可以感知光线的强弱。光敏电阻对光照灵敏度高，结构稳定，不易损坏，主要应用于光控电路。
3. 热敏电阻和金属热电阻
（1）热敏电阻
①材料结构：用半导体材料制成。有一种热敏电阻是用氧化锰等金属氧化物烧结而成的，它的电阻随温度的变化非常明显。
②特点：热敏电阻的灵敏度较高。在温 ( http: / / www.21cnjy.com )度上升时，导电能力增强，其电阻随温度变化明显，温度升高，电阻减小。如右图，图线2是某一热敏电阻－温度特性曲线。
③功能：把温度这个热学量转换为电阻这个电学量。常作温控元件。
（2）金属热电阻
①材料结构：用单质金属材料制成。常用的一种热电阻是用铂制作的。
②特点：单质金属的电阻率随温度的升高而增大，金属热电阻的化学稳定性好，测温范围大，但灵敏度较差。
③功用：同样可把温度这个热学量转换为电阻这个电学量。用金属丝可以制作温度传感器（热电阻），比如：用铂制作金属温度计，其测温范围较大。
（3）热敏电阻与金属热电阻的差异
项目电阻 材料 导电原理 电阻随温度变化 优点
热敏电阻 半导体 自由电子和空穴等载流子 灵敏度较好
金属热电阻 单质金属 自由电子的定向移动 化学稳定性好，测量范围大
4.霍尔元件（又称磁敏元件）
（1）材料结构：由半导体材料制成，如砷化铟。在一个很小的矩形半导体薄片上，制作四个电极E、F、M、N，就制成为一个霍尔元件。如图所示。
（2）工作原理
①霍尔电压的形成：在如图所示的E、F间，通入 ( http: / / www.21cnjy.com )恒定的电流I，同时外加与薄片垂直的磁场B，则半导体薄片中的截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，当静电力与洛仑兹力达到平衡时，半导体板两侧M、N间会形成稳定的电压，称为霍尔电压UH。
②霍尔电压的大小： .
其中k为比例系数，称为霍尔系数，其大小与薄片的材料有关。
一个霍尔元件的厚度d、比例系数k为定值，再保持I恒定，则电压UH的变化就与磁感应强度B成正比，因此，霍尔元件又称磁敏元件。
③霍尔电压的推导：
设图中M、N方向的长度为L，在磁感应强度B的方向的半导体板的厚度为d，截流子的电荷量为q，截流子的运动速度为v. 当静电力与洛仑兹力相等时，有，
再根据电流的微观式 I＝nqv S= nqvdL 得
令 ，因为n为材料单位体积的带电粒子个数，它们均为常数，所以有：.
（3）功用：霍尔元件能够把 ( http: / / www.21cnjy.com )磁感应强度这个磁学量转换为电压这个电学量。霍尔元件体积小、精度高、寿命长，广泛应用于压力、加速度、振动、磁感应强度等方面的测量及成像电路中。
三、电容式传感器
电容器的电容决定于极板的 ( http: / / www.21cnjy.com )正对面积S、极板间距d、极板间的电介质这几个因素。如果某一物理量(如位移x，深度h、角度θ、压力F等)的变化能引起上述某个因素的变化，从而引起电容的变化，通过电容的变化就可以确定上述物理量的变化，有这种用途的电容器称电容式传感器.
1. 电容式位移传感器
(1)结构：在电容器中插入一块可移动的电介质板，电介质板与被测物体相连．如图所示。
（2）工作原理：
当被测物体在左右方向发生位移时，电介质 ( http: / / www.21cnjy.com )板随之在电容器两极板之间移动，从而导致电容器的电容发生改变。如果测出了电容的变化，就能知道物体位移的变化。
（3）功能：电容式位移传感器能够把物体位移这个力学量转换为电容这个电学量。
2. 电容式深度传感器
(1)结构：在导线芯的外面涂上一层绝缘物质，放入导电溶液中，导线芯和导电溶液构成电容的两个极，导线芯外面的绝缘物质就是电介质．如图所示。
（2）工作原理：
当液面高度h发生变化时，引起 正对面积 发生变化，使电容C发生变化。如果知道电容C的变化，就可以知道液面高度h的变化情况。
（3）功能：电容式深度传感器能够把液体深度这个物理量转换为电容这个电学量。
3. 电容式角度传感器
(1)结构： 由半圆形金属动片与半圆形金属定片相互绝缘后组成的可变电容器．如图所示。
（2）工作原理：
当动片与定片之间的角度θ发生变化时，引起极板正对面积S的变化，则电容C发生变化。知道电容C的变化，就可以知道θ的变化情况。
（3）功能：电容式角度传感器能够把物体体角度这个物理量转换为电容这个电学量。
4. 电容式压力传感器
(1)结构：由一块可微移的金属膜片组成的可动电极与固定的电极组合而成的电容器．如图所示。
（2）工作原理：
当待测压力F作用于可动膜片电极上的时候，膜片发生形变，使极板间距离d发生变化，引起电容C的变化。知道电容C的变化，就可以知道F的变化情况。
（3）功能：电容式压力传感器能够把物体的压力这个力学量转换为电容这个电学量。
【预习检测】
1. 下列传感器元件，由半导体材料制成的有（ ）
A．标准电阻 B．热敏电阻 C．光敏电阻 D．霍尔元件
答案：BCD
2.关于传感器元件功能的描述，下列说法正确的是（ ）
A．光敏电阻能够把光照强弱这个光学量转换为电阻这个电学量.
B．霍尔元件能够把磁感应强度这个磁学量转换为电阻这个电学量.
C．热敏电阻能够将温度这个热学量转换为电压这个电学量
D．干簧管能够将磁场这个非电学量转换成电路的通断 .
答案：AD
3. 如图所示，是一个测定液面高度的传 ( http: / / www.21cnjy.com )感器，在导线芯的外面涂上一层绝缘物质，放在导电液体中，导线芯和导电液构成电容品的两极，把这两极接入外电路中，若由于电流变化显示出电容值增大时，则导电液体的深度h变化为（ ）
A．h增大 B．h减小
C．h不变 D．无法确定
答案：A
4. 如图所示，电路中R1为定值电阻，R2为热敏电阻，L为小灯泡，小灯泡正常发光。若将R2浸放入热水中，则（ ）
A．电流表的示数减小
B．R1两端的电压增大
C．小灯泡的亮度变亮
D．小灯泡的亮度变暗
答案：BD
▲堂中互动▲
【典题探究】
题型一 传感器的原理
例1 人有五大感觉器官，分别是视觉 ( http: / / www.21cnjy.com )、听觉、嗅觉、味觉和触觉，人们常将传感器的功能与人的五大感觉器官相比拟，请用合适的感觉器官名称完成下列填空。
光敏传感器 ；声敏传感器 气敏传感器 ；传感器 ；压敏、温敏、流体传感器 。
【解析】答案：视觉、听觉、嗅觉、味觉、触觉。
拓展：现代宾馆、饭店、高档写字楼、医 ( http: / / www.21cnjy.com )院等场所，大多设立自动感应门装置，该装置的前端就是一个光传感器（类似于人的眼睛，为视觉传感器），当有人进入开关感应范围时，专用红外线传感器探测到人体红外光谱的变化，门自动打开，人不离开感应范围，门将持续打开；人走出感应范围后，门自动关闭。
题型二 传感器元件的特性
例2 如图所示，将万用表的选择开关置 ( http: / / www.21cnjy.com )于“欧姆”挡，再将电表的两支表笔与一热敏电阻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。
【解析】若往Rt上擦一些酒精， ( http: / / www.21cnjy.com )由于酒精蒸发吸热，热敏电阻Rt温度降低，电阻值增大，所以电流减小，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
例3 如图所示，有电流I流过长方体金 ( http: / / www.21cnjy.com )属块，金属块宽度为d，高为b，有一磁感应强度为B的匀强磁场垂直于纸面向里，金属块单位体积内的自由电子数为n，试问：金属块上、下表面哪面电势高？电势差是多少？
【解析】当电流在导体中流动时，因为自由电荷为电子，故由左手定则可判定电子向上偏，则上表面聚集负电荷，下表面失去电子带等量的正电荷，故下表面电势高，设其稳定电压为U，即
又因为导体中的电流
故
答案：下表面电势高 电势差为
【点评】 （1）判断电势高低时注意载流子是正电荷还是负电荷．
（2）由以上计算得上、下两表面间的电压稳定时，其中n为单位体积内的自由电荷数，e为电子电荷量，对固定的材料而言为定值，若令，则，此即课本给出的霍尔电压公式。
三、电容式传感器的应用
例4 如图所示，电脑键盘的每一个键下面都连一小块金属膜片，与该金属膜片隔有一定空隙还有另一块小的固定金属膜片，这两块金属膜片组成一个小电容器，该电容器的电容C可用公式C＝计算，式中常量ε＝9×10-12 F·m-1，S表示金属片的正对面积，d表示两金属片间的距离。当键被按下时，此小电容器的电容发生变化，与之相连的电子线路就能够检测出哪个键被按下了，从而给出相应的信号。
设每个金属片的正对面积为50 mm2，键未 ( http: / / www.21cnjy.com )被按下时两金属片间的距离为0.6 mm. 如果电容变化了0.25 pF，电子线路恰好能检测出必要的信号，则键至少要被按下多少距离？
【解析】 键盘是一个电容传感器，由题意知它是靠改变两极板间距从而改变电容，得到相应的电信号的。又因为两极板间距减小，电容变大，设原间距为d0，按下键后间距为d时，电子线路恰能检测出必要的信号，则根据C＝ε，ΔC＝εS得
m＝0.45×10-3m＝0.45 mm
所以键至少要被按下的距离为Δd=d0-d=0.6 mm－0.45 mm＝0.15 mm
【答案】0.15mm
【点评】 本题要审清题意，熟记电容器电容公式C＝，应特别注意题目中要求被按下的距离，而不是剩余的距离。
【变式训练1】 如图所示是一 ( http: / / www.21cnjy.com )种测定压力的电容式传感器。当待测压力F作用于可动膜片电极时，可使膜片产生形变，引起电容的变化，将电容器、灵敏电流计和电源串联成闭合电路，那么（ ）
A．当F向上压膜片电极时，电容将减小
B．当F向上压膜片电极时，电容将增大
C．若电流计有示数，则压力F发生变化
D．若电流计有示数，则压力F不发生变化
【解析】当F向上压膜片电极时，电容电极间距减小，电容器的电容将增大，电流计有示数，则压力F发生了变化。
答案：BC
例5 如图所示是一种通过电容器的变化 ( http: / / www.21cnjy.com )来检测容器内液面高低的仪器示意图。容器中装有导电液体，是电容器的一个电极，中间的导体芯柱是电容器的另一个电极，芯柱外面套有绝缘管作为电介质，电容器的两个电极与电感线圈组成振荡电路产生电磁振荡，根据其振荡电流频率的高低（用与该电路相连的频率计显示）就可知容器中液面位置的高低。
（1）如果频率计显示该振荡电路的振荡频率变大了，则液面是升高了还是降低了？
（2）容器内的导电液体与大地相连，若某一时刻线圈内磁场方向向右，且正在增强，则此时导体芯柱的电势是正在升高还是降低？
【解析】由题意可知，导电液体和导线芯为 ( http: / / www.21cnjy.com )两极板，绝缘管为电介质，构成一个电容器，此电容器与线圈组成一个LC振荡电路，当电容器电容变化时，便会引起振荡频率的变化，而此电容器电容的变化是由于液体和导线芯的正对面积的变化即液面的升降引起的，且随液面升高电容变大，故可以通过振荡频率的变化来探知液体深度的变化，即将液体深度的信号转换成了振荡频率信号。
（1）根据题意设电容器的电容为C，线圈的自感系数为L，则振荡频率，由题意知：
f变大，则C减小，可知液面位置降低.
（2）某一时刻线圈内磁场方向向右，根据安 ( http: / / www.21cnjy.com )培定则，电流方向应为如图所示；场强增强，可知电容器正处在放电过程，导线芯极板带正电荷，电容器两极板上电荷量减少，电压减小，又因导电液与大地相连，电势始终为零，故导体芯线电势是正在降低.
答案:（1）f变大，液面位置降低；（2）导体芯线电势是正在降低.
【点评】 本题综合性较强，LC振荡电路的物理模型建立是关键，同时应对电容器电容公式C＝和电磁振荡频率公式的应用及动态分析必须熟悉掌握。
控制处理
非电学量
敏感元件
电学量
转换器件
转换电路
金属棒
电介质
导电液
电介质
h
A
R1
R2
L
E
r
Ω
欧姆表
Rt