【江苏专版】49 第十一章 第3节 传感器的工作原理及应用 课件《高考快车道》2026高考物理一轮总复习

(共115张PPT)
第十一章　交变电流　传感器
第3节　传感器的工作原理及应用
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一、光敏电阻、热敏电阻与金属热电阻
1．光敏电阻
(1)特点：光照越强，电阻____。
(2)原因：光敏电阻的构成物质为半导体材料，无光照时，载流子极少，导电性能__；随着光照的____，载流子增多，导电性____。
(3)作用：把________这个光学量转换为____这个电学量。
越小
差
增强
变好
光照强弱
电阻
2．热敏电阻
热敏电阻由半导体材料制成，其电阻随温度的变化明显，温度升高电阻____，如图甲所示为某一热敏电阻的温度特性曲线。
减小
3．金属热电阻
有些金属的电阻率随温度的升高而____，这样的电阻也可以制作温度传感器，称为热电阻，如图乙所示为某一金属热电阻的温度特性曲线。
注意：在工作温度范围内，电阻值随温度上升而增加的是正温度系数(PTC)热敏电阻器；电阻值随温度上升而减小的是负温度系数(NTC)热敏电阻器。
增大
二、霍尔元件
1．构造：如图所示，在一个很小的矩形半导体(例如砷化铟)薄片上，制作四个电极E、F、M、N，就成为一个霍尔元件。
2．工作原理：在E、F间通入恒定的电流I，同时外加与薄片垂直的磁场B，则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____的方向漂移，使M、N间出现了电压，称为霍尔电压UH。
3．霍尔电压：UH＝k。
(1)其中d为薄片的厚度，k为____系数，其大小与薄片的材料有关。
(2)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。
4．作用：把__________这个磁学量转换为____这个电学量。
垂直
霍尔
磁感应强度
电压
三、 传感器的应用实例
1．电阻应变片的作用：电阻应变片能够把物体____这个力学量转换为____这个电学量。
2．力传感器的应用——电子秤
(1)组成及敏感元件：由______和______组成，敏感元件是______。
(2)工作原理：
形变
电阻
金属梁
应变片
应变片
3．温度传感器的应用实例
敏感元件 工作原理
电熨斗 双金属片 温度变化时，由于双金属片上层金属与下层金属的膨胀系数不同，双金属片发生弯曲从而控制电路的通断
敏感元件 工作原理
电饭锅 感温铁氧体 (1)居里温度：感温铁氧体常温下具有铁磁性，温度上升到约103 ℃时，失去铁磁性，这一温度称为“居里温度”
(2)自动断电原理：用手按下开关通电加热，开始煮饭，当锅内加热温度达到103 ℃时，铁氧体失去磁性，与永久磁铁失去吸引力，被弹簧片弹开，从而推动杠杆使触点开关断开
4．光传感器的应用——火灾报警器
(1)组成：发光二极管LED、光电三极管和不透明的挡板。
(2)工作原理：平时光电三极管接收不到LED发出的光，呈现高电阻状态，烟雾进入罩内后对光有散射作用，使部分光线照射到光电三极管上，其电阻变小，与传感器连接的电路检测出这种变化，就会发出警报。
一、易错易误辨析(正确的打“√”，错误的打“×”)
(1)所有传感器的材料都是由半导体材料做成的。 (　　)
(2)传感器是把非电学量转换为电学量的元件。 (　　)
(3)随着光照的增强，光敏电阻的电阻值逐渐增大。 (　　)
(4)只有热敏电阻才能把温度这个热学量转换为电阻这个电学量。 (　　)
×
√
×
×
(5)传感器可以将所有感受到的信号都转换为电学量。 (　　)
(6)霍尔元件工作时，保持电流恒定，则产生的电压与外加的磁感应强度成正比。 (　　)
×
√
二、教材习题衍生
1．(传感器的原理和分类)关于下列四种传感器的说法正确的是
(　　)
甲：装有酒精气体传感器
的酒驾检测仪
乙：监测水中悬浮颗粒污
染程度的监测器
丙：自动门上的
传感器
丁：测量血压的
压力传感器
A．酒精气体传感器主要是由感应器、压力传感器、电阻、电容等组成的
B．监测水中悬浮颗粒污染程度的监测器是利用热敏电阻和压力传感器制造而成的
C．自动门上的传感器能探测到较远距离的人体发出的微弱红光
D．测量血压的压力传感器是把压力信号转化为光信号的一种装置
√
A　[酒精气体传感器主要是由感应器、压力传感器、电阻、电容等组成的，故A正确；监测水中悬浮颗粒污染程度的监测器是利用光敏电阻制造而成的，故B错误；自动门上的传感器是一种红外线传感器，能探测到较远距离的人体发出的微弱红外线，故C错误；测量血压的压力传感器是把压力信号转化为电信号的一种装置，故D错误。故选A。]
2．(传感器的应用)下列关于传感器的说法不正确的是(　　)
A．热敏电阻是由金属制成的，对温度感知灵敏
B．电子秤所使用的测力装置是力传感器，它是把力信号转化为电压信号
C．电熨斗能自动控制温度的原因是它装有双金属片，这种双金属片的作用是控制电路的通断
D．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
√
A　[热敏电阻是由半导体材料制成的，对温度感知灵敏，选项A错误；电子秤所使用的测力装置是力传感器，它是把力信号转化为电压信号，选项B正确；电熨斗能自动控制温度的原因是它装有双金属片，这种双金属片的作用是控制电路的通断，选项C正确；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，选项D正确。]
3．(电容式传感器)传感器在生活中有很多应用。电容式加速度传感器在安全气囊、手机等设备中应用广泛，其原理如图所示，质量块左、右侧分别连接电介质、轻质弹簧，弹簧与电容器固定在外框上，质量块可带动电介质相对于外框无摩擦地左右移动，但不能上下移动。下列关于该传感器的说法
正确的是(　　)
A．当电路中没有电流时，电容器所带电荷量一定都相等
B．当电路中没有电流时，传感器一定处于平衡状态
C．当电路中有顺时针方向的电流时，电容器电容一定减小
D．当电路中有顺时针方向的电流时，传感器可能向左运动也可能向右运动
√
D　[当电路中没有电流时，说明电容器处于稳定状态，因电容器的电压不变，根据平行板电容器的电容公式C＝，可知当电介质插入极板间深度不同时，即相对介电常数εr大小不同，则电容器电容也不同，因此电容器所带电荷量也不相等，故A错误；当传感器以恒定加速度运动时，根据牛顿第二定律可知，弹簧弹力大小不变，则电容器的电容不变，因两极板的电压不变，则电容器的电荷量不变，因此电路中没有电流，故B错误；当电路中有顺时针方向的电流时，说明电容器处于充电状态，根据Q＝CU，可知电容器的电容在增大，故C错误；当电路中有顺时针方向电流时，由C项的分析可知，电容器的电容在增大，插入极板间电介质加深，但传感器可能向左减速运动，也可能向右加速运动，故D正确。]
细研考点·突破题型
[典例1]　(传感器的原理)(2024·溧阳高级中学高三开学考试)把光敏电阻(光照越强，阻值越小)接入如图所示电路，制成光电报警装置。闭合开关，当光照达到一定强度时，
报警器的蜂鸣器发声，下列说法正确的
是(　　)
考点1　 传感器的原理和分类
A．干簧管应用了电磁感应原理
B．增大电阻箱R的阻值，报警器在光照更强时才会报警
C．增加电源B的电动势，报警器在光照更强时才会报警
D．增加电源A的电动势，报警器在光照更强时才会报警
√
B　[干簧管是通过感知磁场的变化来控制电路的通断的，没有利用电磁感应原理，故A错误；根据电路原理可知，只有当电路中电流到达一定值时，干簧管才会接通电路，所以增大电阻箱R的阻值时，相同光照下电路中电流减小，为了达到报警时的电流，应让光敏电阻的阻值更小，即光照更强，故B正确；增加电源B的电动势，由以上分析可知，光敏电阻阻值较大时即可报警，即光照较弱时就会报警，故C错误；电源A的作用是给报警器供电，所以增加电源A的电动势，对控制电路没有影响，所以报警时的光照强度没有变化，故D错误。故选B。]
[典例2]　(传感器的原理和分类)(2024·江苏南京一模)酒精测试仪用于对机动车驾驶人员是否酒后驾车及其他严禁酒后作业人员的现场检测，它利用的是一种二氧化锡半导体型酒精气体传感器。酒精气体传感器的电阻随酒精气体浓度的变化而变化，在如图所示的电路中，不同的酒精气体浓度对应着传感器的不同电阻，这样，显示仪表的指针就与酒精气体浓度有了对应关系。如果二氧化锡半导体型酒精气体传感器电阻r′的倒数与酒精气体的浓度成正比，那么，电压表示数U与酒精气体浓度c之间的对应关系是(　　)
A．U越大，表示c越大，c与U成正比
B．U越大，表示c越大，但是c与U不成正比
C．U越大，表示c越小，c与U成反比
D．U越大，表示c越小，但是c与U不成反比
√
B　[传感器电阻r′的倒数与酒精浓度c是正比关系，即＝kc，电路中的电流为I＝，电压表示数U＝IR0＝＝，可见电压与酒精浓度的关系不是正比关系，但随酒精浓度的增加而增加。故选B。]
【典例2　教用·备选题】　(传感器的原理和分类)图甲为在10 ℃左右的环境中工作的某自动恒温箱原理图，箱内的电阻R1＝2 kΩ， R2＝1.5 kΩ， R3＝4 kΩ，Rt为热敏电阻，它的电阻随温度变化的图线如图乙所示，当a、b两端电压Uab＜0时，电压鉴别器会令开关S接通，恒温箱内的电热丝发热；当Uab＞0时，电压鉴别器使S断开，停止加热。则恒温箱内的温度大约保持在(　　)
A．35 ℃ B．30 ℃ C．25 ℃ D．20 ℃
√
C　[由题意得当Uab＝0时，即φa＝φb时，恒温箱保持稳定，根据串并联电路电压与电阻的关系可知R1∶R2＝2∶1.5＝4∶3，只有R3∶Rt也为4∶3时，Uab＝0，此时电桥平衡，Rt电阻为3 kΩ，从题图乙可以看出，对应的温度为25 ℃。故选C。]
规律总结　传感器问题的分析思路
不同类型的传感器，其工作原理一般不同，但所有的传感器都是把非电学量的变化转换为电学量的变化。因此我们可以根据电学量的变化来推测相关量的变化。
比较项目 热敏电阻 金属热电阻
特点 电阻率随温度的升高而减小 电阻率随温度的升高而增大
R-T图像
制作材料 半导体 金属
导电原理 自由电子和空穴等载流子 自由电子的定向移动
优点 灵敏度较好 化学稳定性好，测温范围大
作用 将温度这个热学量转换为电阻这个电学量
[典例3]　(霍尔效应)(2024·南京模拟)如图甲所示为用金属材料制成的霍尔元件，其长、宽、高分别为a、b、d；如图乙所示是检测电流大小是否发生变化的装置。该检测电流在铁芯中产生磁场，其磁感应强度与检测电流强度成正比，现给元件通一恒定工作电流I，下列说法正确的是(　　)
考点2　 霍尔效应和电容式传感器
霍尔效应
A．M端应与电压表的负极相连
B．要提高检测灵敏度可适当减小高度d
C．如果仅将检测电流反向，电压表的正负接线柱连线位置无需改动
D．当霍尔元件尺寸一定时，电压表示数变小，说明检测电流变大
√
B　[根据右手螺旋定则判断检测电流产生的磁场从下向上穿过霍尔元件，又因为电流是电子定向运动形成的，根据左手定则可知电子在元件正面积累，故元件正面是负极，背面是正极，即M端应接电压表正极，故A错误；根据电流的微观表达式为I＝neSv，v为自由电子的速度，设检测电流产生的磁场为B，在元件中，根据电场力和洛伦兹力的等量关系可得＝qBv，联立解得U＝，故电压与工作电流有关，与检测电流有关，因为检测电流与B成正比，B与U成正比，所以电压表示数变小，说明检测电流变小；若仅d减小，增大，检测灵敏度提高，故B正确，D错误；如果仅将检测电流反向，则磁场方向会发生变化，根据左手定则，电子受力方向也会发生变化，电子将在元件背面积累，故需要改变电压表接法，故C错误。故选B。]
规律总结　霍尔电势高低的判断方法
由左手定则判断带电粒子的受力方向，如果带电粒子是正电荷，则拇指所指的面为高电势面，如果是负电荷，则拇指所指的面为低电势面，但无论是正电荷还是负电荷，四指指的都是电流方向，即正电荷定向移动的方向，负电荷定向移动的反方向。在判断电势高低时一定要注意载流子是正电荷还是负电荷。
【典例3　教用·备选题】(霍尔效应)如图所示为某霍尔元件的工作原理示意图，该元件中电流I由正电荷的定向移动形成。下列说法不正确的是(　　)
A．M点电势比N点电势高
B．用霍尔元件可以测量地磁场的磁感应强度
C．用霍尔元件能够把磁学量转换为电学量
D．若保持电流I恒定，则霍尔电压UH与B成正比
√
A　[当正电荷定向移动形成电流时，正电荷在洛伦兹力作用下向N极聚集，M极感应出等量的负电荷，所以M点电势比N点电势低，选项A错误；根据霍尔元件的特点可知，平衡时q＝qvB，可得B＝，即用霍尔元件可以测量地磁场的磁感应强度，能够把磁学量转换为电学量，选项B、C正确；因霍尔电压UH＝k， 保持电流I恒定时，霍尔电压UH与B成正比，选项D正确。]
1．电容器的电容决定于极板间的正对面积S、极板间距d、极板间的电介质这几个因素。如果某个物理量(如角度θ、位移x、深度H等)的变化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，这种电容器称为电容式传感器。
电容式传感器
2．常见电容式传感器
名称 传感器 原理
测定角度θ的电容式传感器 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，使电容C发生变化，知道C的变化，就可以知道θ的变化情况
名称 传感器 原理
测定液面高度h的电容式传感器 在导线芯的外面涂上一层绝缘物质，放入导电液体中，导线芯和导电液体构成电容器的两个极，导线芯外面的绝缘物质就是电介质，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，知道C的变化，就可以知道h的变化情况
名称 传感器 原理
测定压力F的电容式传感器 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C的变化，就可以知道F的变化情况
名称 传感器 原理
测定位移x的电容式传感器 随着电介质进入极板间的长度发生变化，电容C发生变化，知道C的变化，就可以知道x的变化情况
[典例4]　(电容式传感器)如图所示为测定压力的电容式传感器，将平行板电容器、灵敏电流表(零刻度在中间)和电源串联成闭合回路，当压力F作用于可动膜片电极上时，膜片发生形变，引起电容的变化，导致灵敏电流计指针偏转，在对膜片开始施加压力使膜片电极从图中的虚线推到图中实线位置并保持固定的过程中，灵敏电流表指针偏转情况为(电流从电流表正接线柱流入时指针向右偏)(　　)
A．向右偏到某一刻度后回到零刻度
B．向左偏到某一刻度后回到零刻度
C．向右偏到某一刻度后不动
D．向左偏到某一刻度后不动
√
思路点拨：根据电容的公式C＝和C＝，按以下思路进行分析。
→→→→
A　[压力F作用时，极板间距d变小，由C＝可知，电容器电容C变大，又根据Q＝CU可知，极板带电荷量变大，所以电容器应充电，灵敏电流计中产生由正接线柱流入的电流，所以指针向右偏。F不变时极板保持固定，充电结束后回路中没有电流，指针回到零刻度，故选A。]
[典例5]　(测定液面高度)传感器是将能感受的物理量(如力、热、光、声等)转换成便于测量的量(一般是电学量)的一类元件，在自动控制中有相当广泛的应用，如图所示的装置是一种测定液面高度的电容式传感器。金属芯线与导电液体构成一个电容器，从电容C大小的变化情况就能反映出液面高度h的高低情况，
则两者的关系是(　　)
①C增大表示h增大　②C增大表示h减小　③C减小表示h减小　④C减小表示h增大
A．只有①正确 B．只有①、③正确
C．只有②正确 D．只有②、④正确
B　[液面高度的变化，相当于电容器极板正对面积的变化。当h增大时，相当于正对面积增大，则电容应增大；当h减小时，相当于正对面积减小，电容C应减小，B正确。]
√
[典例6]　(测定压力传感器)(2024·江苏南通期末)目前许多国产手机都有指纹解锁功能，用的指纹识别传感器是电容式传感器，如图所示。指纹的凸起部分叫“嵴”，凹下部分叫“峪”。传感器上有大量面积相同的小极板，当手指贴在传感器上时，这些小极板和正对的皮肤表面部分形成大量的小电容器，这样在嵴处和峪处形成的电容器的电容大小不同，此时传感器给所有的电容器充电后达到某一电压值，然后，电容器放电，电容小的电容器放电较快，根据放电快慢的不同，就可以探测到嵴和峪的位置，从而形成指纹图像数据，根据文中信息，下列说法正确的是(　　)
A．用指纹的照片蒙在传感器上，也可以
实现手机解锁功能
B．手指轻按和重按均可以解锁，说明形
成的电容器的电容大小是相同的
C．潮湿的手指头不能进行指纹识别，是因为嵴和峪没有电容差别了
D．在峪处形成的电容器放电较慢
√
C　[用指纹的照片蒙在传感器上，由于没有指纹上的凸起部分“嵴”和凹下部分“峪”，故不可以实现手机解锁功能，选项A错误；手指轻压和重压，手指和小极板之间的距离不同，形成的电容器的电容大小是不同的，故B错误；潮湿的手指头是因为指纹之间被水填充，嵴和峪就不能形成电容差别了，所以不能进行指纹识别，故C正确；电容较小的电容器放电较快，在峪处形成的电容器电容较小，所以在峪处形成的电容器放电较快，故D错误。故选C。]
【典例6　教用·备选题】　(加速度传感器)如今智能手机中普遍安装了陀螺仪，它是一种加速度传感器，尺寸目前可以做到(3×3×1)mm，可集成于手机内部，用来检测手机的姿态。其工作原理如图所示，当手机运动状态改变时，固连在手机上的A部分随手机一起运动，质量块B是通过弹性物体连接手机，由于惯性，不会随手机立刻发生变化，出现运动滞后，这样电容器电容值就发生了变化，变化的电容值会通过电信号传输给处理单元，就可测量手机的姿态，铺三层这种结构，就可以测出手机的前后左右和上下以及旋转，这样就可以360°无死角检测手机运动。以下说法正确的是
(　　)
A．在外太空，完全失重的情况下，这种传感器不可以使用
B．可以测量出任意情况下手机相对地面的速度
C．这种探测器可以测量地磁场磁感应强度，进而进行GPS定位
D．改变电容的值是通过改变正对面积和板间距d来实现的
√
D　[这种传感器的使用原理是惯性，跟重力无关，所以在外太空，完全失重的情况下，这种传感器仍然可以使用，故A错误；这种探测器可以测出手机的前后左右和上下以及旋转，不可以测量出任意情况下手机相对地面的速度，也不可以测量地磁场磁感应强度，也就不能进行GPS定位，故B、C错误；由题图可知，手机上的A部分与质量块B发生相对移动时，电容的正对面积和板间距d发生变化，所以改变电容的值是通过改变正对面积和板间距d来实现的，故D正确。故选D。]
考点3　 传感器的应用
[典例7]　(光传感器)(2024·江苏苏州阶段练习)如图甲所示，条形码扫描笔的原理是扫描笔头在条形码上匀速移动时，遇到黑色线条，发光二极管发出的光线将被吸收，光敏三极管接收不到反射光，呈高阻抗；遇到白色间隔，光线被反射到光敏三极管，三极管呈低阻抗。光敏三极管将条形码变成一个个电脉冲信号，信号经信号处理系统处理，即完成对条形码信息的识别，等效电路图如图乙所示，其中R为光敏三极管的等效电阻，R0为定值电阻，下列判断正确的是(　　)
A．当扫描笔头在黑色线条上移动时，信号处理系统获得高电压
B．当扫描笔头在白色间隔上移动时，信号处理系统获得高电压
C．扫描速度对信号处理系统接收到的电压信号无影响
D．扫描笔头外壳出现破损时仍然能正常工作
√
B　[信号处理系统获得的电压是R0两端的电压，当扫描笔头在黑色线条上移动时，R相当于大电阻，根据闭合电路欧姆定律，回路电流很小，R0两端的电压很低，信号处理系统获得低电压；当扫描笔头在白色间隔上移动时，R相当于小电阻，回路电流较大，R0两端的电压较高，信号处理系统获得高电压，A错误，B正确；如果扫描速度发生变化，在信号处理系统中高低电压的时间间隔就会发生变化，从而无法正确判断黑、白条纹宽度，可能出现错误识别信息，C错误；扫描笔头外壳出现破损时，外面的光就会进入光敏三级管，从而出现错误信息，导致不能正常工作，D错误。故选B。]
【典例7　教用·备选题】　(光传感器)如图所示为火灾报警器的部分电路，下列说法正确的是(　　)
A．图中的外罩必须是密封的
B．图中的挡板必须是透明挡板
C．如有烟雾颗粒进入该装置即可能报警
D．仅使LED灯两端的电压波动，该装置将报警
√
C　[烟雾从罩外进入罩内，所以外罩不能密封，故A错误；LED灯和光电三极管用一不透明的挡板隔开，没有险情时光电三极管不能接收到LED灯发出的光，发生火灾时烟雾进入罩内，使光发生散射，部分光线照在三极管上，将光信号转换成电信号，电阻变小，与传感器相连的电路检测出这种变化，发出警报，所以该传感器是用光传感器实现报警的，所以LED灯两端的电压波动无法使该装置报警，故B、D错误，C正确。故选C。]
[典例8]　(温度传感器)(2024·宿迁中学期末考试)电饭锅的结构如图所示，电饭锅中应用了温度传感器，它的主要元件是感温铁氧体，其特点是：常温下感温铁氧体具有铁磁性，能够被永磁体吸引，但是温度上升到103 ℃时，就失去了铁磁性，不能被永磁体吸引了，这个温度在物理学中称为该材料的“居里点”。已知水沸腾时电饭锅内温度为100 ℃，下列说法正确的是(　　)
A．当温度达到“居里点”时，
感温铁氧体的磁性最强
B．如果用电饭锅烧水，在水沸腾后，电热板电源开关会自动断开
C．煮饭时水刚沸腾，锅内还有一定的水时，电热板电源开关不会自动断开
D．煮饭前是常温，感温铁氧体具有较强的磁性，永磁体被吸引，不用压下开关按钮就可以自动煮饭
√
C　[感温铁氧体在温度上升到约103 ℃时，就失去磁性，则温度达到“居里点”时，感温铁氧体的磁性最弱，故A错误；在一个标准大气压下用电饭锅烧水，只要锅内有水，锅内的温度就不可能达到103 ℃，感温铁氧体不会失去铁磁性，则开关不会自动断开，故B错误，C正确；只有按下开关才能将电路接通让电饭锅工作，故D错误。故选C。]
【典例8　教用·备选题】　(温度传感器)家用电热灭蚊器电热部分的主要部件是PTC元件，PTC元件是由钛酸钡等导体材料组成的电阻器，其电阻率ρ与温度t的关系如图所示。由于这种特性，PTC元件具有发热、控温双重功能，若电热灭蚊器环境温度低于t1，以下判断正确的是(　　)
A．通电后，其电功率一直增大
B．通电后，其电功率先减小后增大
C．当其产生的热量与散发的热量相等时，温度保持在t1或t2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～t2间的某一值不变
√
D　[从题图线上可以看出，如果通电前PTC的温度t＜t1，通电后由于发热的缘故温度升高，致使电阻率减小，发热功率将进一步增大，形成正反馈效应，致使温度大于t1，随后温度继续升高，电阻率增大，功率将减小，形成负反馈效应，发热功率的减小制约了温度的进一步升高。从以上分析可知，t＜t1时，温度会升高；t＞t2时，温度会降低。故温控点在t1～t2，即温度保持在t1～t2间的某一值。故D正确。]
题组一　传感器的原理和分类
1．(2024·江苏南通期末)如图甲所示为恒压电源给光敏电阻R供电时，流过此电阻的电流和其所受光照强度的关系图像。某同学利用此光敏电阻设计了一个台灯的自动控制电路，如图乙所示，T为一自耦式变压器，下列说法正确的是(　　)
1
题号
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课时分层作业(三十四)　传感器的工作原理及应用
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A．仅光照变强，R的阻值变大
B．仅光照变强，R中的电流变小
C．仅滑片P下滑，L中的电流频率变小
D．仅滑片P下滑，T的输入功率变小
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√
D　[光敏电阻两端电压恒定时，光越强，电流越大，根据欧姆定律可知，电阻越小，A、B错误；仅滑片P下滑，变压器不改变频率，所以L中的电流频率不变，C错误；仅滑片P下滑，输出电压减小，根据P＝可知，T的输入功率变小，D正确。故选D。]
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2．在产品生产的流水线上，常需要对产品计数。如图甲所示是利用光敏电阻自动计数的示意图，其中A是发光仪器，B是接收光信号的仪器，B中的主要元件是由光敏电阻组成的光电传感器。当传送带上没有产品挡住由A射向B的光信号时，光敏电阻的阻值较小；有产品挡住由A射向B的光信号时，光敏电阻的阻值变大。实现自动计数功能的电路如图乙所示，a、b之间接示波器。水平传送带匀速前进，产品通过时会挡住光信号。示波器显示的电压随时间变化的图像如图丙所示。若计数电路中的电源两端的电压恒为6 V，光敏电阻与阻值为1 kΩ的定值电阻串联。已知t＝0.1 s时光信号被产品挡住。下列说法正确的是(　　)
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A．R1为光敏电阻
B．光信号被产品挡住时，光敏电阻的阻值为2 kΩ
C．光信号被产品挡住时，光敏电阻的阻值为 0.5 kΩ
D．每分钟通过计数装置的产品数量为300个
√
B　[已知t＝0.1 s时光信号被产品挡住，此时光敏电阻的阻值较大，电路中的电流较小，则定值电阻两端的电压较小；由题图丙可知此时R1两端电压较小，故R1为定值电阻，R2为光敏电阻，故A错误；光信号被产品挡住时，a、b之间电压为2 V，则R2两端电压U2＝6 V－2 V＝4 V，根据串联电路电阻之比等于电压之比＝，光信号被产品挡住时，光敏电阻的阻值为R2＝2R1＝2 kΩ，故B正确，C错误；由题图丙可知每经过0.4 s，就有一个产品通过计数装置，则每分钟通过计数装置的产品数量n＝＝150(个)，故D错误。故选B。]
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题号
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3．如图所示为一种常见的电子台秤，质量为M0的秤盘置于压力传感器上，传感器输出电压与作用在其上的压力成正比，当秤盘没有放入物体时，传感器输出电压为U0。将某物体放置于秤盘，传感器输出电压为U，则该物体的质量为(　　)
A．U B．U0
C．(U－U0) D．(U－U0)
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题号
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√
C　[由输出电压与作用在其上的压力成正比知U0＝kM0g，U＝k(M0＋M)g，由以上两式可得M＝(U－U0)，故A、B、D错误，C正确。]
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题号
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4．物理学中用照度描述光的强弱，光越强照度越大，照度的单位为Lx。某实验室采用光敏电阻制作光控开关来控制照明系统，光敏电阻在不同照度下的阻值如表所示。控制电路原理如图甲所示，电路中的电阻R1和R2，其中一个是定值电阻，另一个是光敏电阻，已知直流电源电动势E＝3 V，内阻不计，实验室某日的光照强度随时间变化曲线如图乙所示，当控制开关两端电压U≥2 V时，控制开关自动启动照明系统。则下列说法正确的是(　　)
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题号
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照度/Lx 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2
电阻/kΩ 75 40 24 20 18 15
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题号
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A．R1为定值电阻，R2为光敏电阻
B．照度越大，该电路控制开关两端的电压越大
C．若将定值电阻的阻值变为20 kΩ，该天18：00后照明系统即可工作
D．该电路中定值电阻阻值越大，该天的照明系统工作的时间越长
√
C　[当控制开关两端电压U≥2 V时，控制开关自动启动照明系统，可知光照强度小时，控制开关两端电压大；根据题中表格数据可知光照强度小时，光敏电阻阻值大，则R1为光敏电阻，R2为定值电阻；照度越大，光敏电阻R1阻值越小，该电路控制开关两端的电压越小，故A、B错误；若将定值电阻的阻值变为20 kΩ，则控制开关自动启动照明系统时光敏电阻为 40 kΩ， 此时对应照度为0.4 Lx，根据题图乙可知该天照明系统工作时间段为0～6：00、18：00～24：00，故C正确；该电路中定值电阻阻值越大，控制开关自动启动照明系统时光敏电阻越大，此时对应照度越小，该天的照明系统工作的时间越短，故D错误。故选C。]
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题号
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5．热敏电阻包括正温度系数电阻器(PTC)和负温度系数电阻器(NTC)，正温度系数电阻器的电阻值随温度升高而增大，负温度系数电阻器的电阻值随温度升高而减小，由于热敏电阻具有这种特性，常用在控制电路中，其电学符号为 。实验室里有一只热敏电阻Rt，它在常温下阻值约为10 Ω，现要探究通过该电阻的电流与其两端电压的关系，实验室里备有下列器材：
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题号
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电流表A1，量程100 mA，内阻约为1 Ω；
电流表A2，量程1.2 A，内阻约为0.3 Ω；
电压表V1，量程3 V，内阻约为3 kΩ；
电压表V2，量程10 V，内阻约为10 kΩ；
滑动变阻器R1，最大阻值为5 Ω；
滑动变阻器R2，最大阻值为500 Ω；
电源E，电动势为12 V，内阻不计；
开关、导线若干。
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题号
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(1)实验中要求通过热敏电阻Rt的电流从0开始逐渐增大，根据所提供的器材，请你设计实验电路，并将电路图画在虚线方框内。


(2)实验时，电流表应选________，电压表应选________， 滑动变阻器应选________(选填器材代号)。
见解析图
A2
V2
R1
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题号
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(3)根据实验测得数据描绘出热敏电阻的U-I关系曲线如图所示，该热敏电阻属于________(选填“PTC”或“NTC”)热敏电阻。
NTC
[解析]　(1)要求通过热敏电阻Rt的电流从0开始逐渐增大，滑动变阻器应用分压式，由于热敏电阻的阻值较小，则电流表应用外接法，故电路图如图所示。
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题号
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(2)常温下热敏电阻的最大电流为I＝ A＝1.2 A，则电流表应选A2；
由于电源电动势为12 V，则电压表应选V2；
要求通过热敏电阻Rt的电流从0开始逐渐增大，滑动变阻器应用分压式接法，所以滑动变阻器应选总阻值较小的即为R1。
(3)由U-I图像可知，热敏电阻的阻值随电流或电压的增大而减小，即随温度的升高而减小，所以该热敏电阻属于NTC。
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题组二　霍尔效应和电容式传感器
6．(2024·江苏无锡期末)自行车速度计的工作原理主要依靠的就是安装在前轮上的一块磁铁，当磁铁运动到霍尔传感器附近时，就产生了霍尔电压，霍尔电压通过导线传入一个小型放大器中，放大器就能检测到霍尔电压，这样便可测出在某段时间内的脉冲数。当自行车以某个速度匀速直线行驶时，检测到单位时间内的脉冲数为N，已知磁铁和霍尔传感器到前轮轮轴的距离均为R1，前轮的半径为R2，脉冲的宽度为Δt，峰值为Um，下列说法正确的是(　　)
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A．车速越快，脉冲的峰值Um越大
B．车速越快，脉冲的宽度Δt越大
C．车速为2πNR2
D．车速为2πNR1
√
C　[根据qvB＝q得，Um＝Bdv，又电流的微观定义式为I＝neSv，n是单位体积内的电子数，e是单个导电粒子所带的电量，S是导体的横截面积，v是导电粒子运动的速度，整理得v＝，联立解得Um＝，可知用霍尔元件可以测量磁场的磁感应强度，保持电流不变，霍尔电压Um与车速大小无关，故A、B均错误；由题意知，如果在单位时间t＝1 s 内获得的脉冲数为N，则自行车的转速为n＝，则车速为v＝2πnR2＝＝2πNR2，故C正确，D错误。故选C。]
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题组三　传感器的应用
7．如图所示为某居民小区门口利用光敏电阻设计的行人监控装置，R1为光敏电阻，R2为定值电阻，A、B接监控装置。则(　　)
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A．当有人通过而遮蔽光线时，A、B之间电压升高
B．当有人通过而遮蔽光线时，A、B之间电压降低
C．当仅增大R1的阻值时，可增大A、B之间的电压
D．当仅减小R2的阻值时，可增大A、B之间的电压
√
B　[R1是光敏电阻，有光照射时，阻值变小，当有人通过而遮蔽光线时，R1的阻值变大，回路中的电流I减小，A、B间的电压U＝IR2减小，故A错误，B正确；当仅增大R1的阻值时，电路中的电流减小，A、B间的电压U＝IR2减小，C错误；由闭合电路欧姆定律得U＝E－I(R1＋r)，当仅减小R2的阻值时，电路中的电流增大，A、B间的电压U减小，故D错误。]
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题号
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8．(2024·江苏镇江期末)温度传感器广泛应用于家用电器中，它是利用金属热电阻的阻值随温度变化的特性来工作的。图甲所示为某装置中传感器的工作原理图，已知电源的电动势E＝3.0 V，内电阻不计，G为灵敏电流表，其内阻Rg保持不变；R为金属热电阻，其阻值随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，电流表示数I1＝2 mA； 当电流表的示数I2＝1 mA时，金属热电阻的温度是(　　)
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题号
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A．40 ℃ B．60 ℃ C．80 ℃ D．100 ℃
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√
C　[由题图乙可知，当温度为20 ℃时，热敏电阻的阻值为1 000 Ω，由欧姆定律可得E＝1 000 Ω·I1＋I1Rg，当电流示数为I2时，由欧姆定律有E＝I2R＋I2Rg，代入数据联立解得R＝2 500 Ω，由题图乙可知2 500 Ω对应的温度是80 ℃。故选C。]
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题号
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9．霍尔式位移传感器的测量原理如图所示，有一个沿z轴方向均匀变化的匀强磁场，磁感应强度B＝B0＋kz(B0、k均为常数)。将霍尔元件固定在物体上，保持通过霍尔元件的电流I不变(方向如图所示)，当物体沿z轴正方向平移时，由于位置不同，霍尔元件在y轴方向的上、下表面的电势差U也不同。
则下列说法正确的是(　　)
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题号
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A．磁感应强度B越大，上、下表面的电势差U越大
B．k越大，传感器灵敏度越低
C．若图中霍尔元件是电子导电，则下板电势高
D．电流越大，上、下表面的电势差U越小
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题号
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√
A　[霍尔元件中移动的是自由电子，自由电子受到洛伦兹力发生偏转，根据左手定则可判断上、下两表面分别带上正、负电荷，故下板电势低，C错误；最终电子在电场力和洛伦兹力的作用下处于平衡状态，设霍尔元件的长、宽、高分别为a、b、c，有 q＝qvB，电流的微观表达式为I＝nvSq＝nvbcq，代入得U＝，所以B越大，上、下表面的电势差U越大；电流越大，上、下表面的电势差U越大，A正确，D错误；根据B＝B0＋kz可得，k越大，B随z的变化越明显，根据U＝知，U随z的变化越明显，传感器灵敏度越高，B错误。]
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题号
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10．为了保证汽车刹车时车轮不被抱死，使车轮仍有一定的滚动而不是纯滑动，这样既可以提高刹车效果，又不使车轮失去控制。为此需要一种测定车轮是否还在转动的装置，这种检测装置称为电磁脉冲传感器，如果该装置检测出车轮不再转动，它就会自动放松刹车机构，让车轮仍保持转动状态，这就是ABS防抱死系统。如图所示是电磁脉冲传感器示意图，B是一根永久磁体，外面绕有线圈，它们的左端靠近一个铁质齿轮A。齿轮与转动的车轮是同步的，则以下说法正确的是(　　)
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题号
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A．车轮转动时，由于齿轮在永久
磁体的磁场中切割磁感线，产生感应电流
B．车轮转动时，由于齿轮被磁化使线圈中的磁场发生变化，产生感应电流
C．车轮转速减慢时，输出电流的周期变小，电流强度也变小
D．车轮转速减慢时，输出电流的周期变大，电流强度也变大
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题号
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√
B　[此传感器是利用线圈中磁通量的变化产生感应电流的原理来实现检测的，当车轮转动时，带动齿轮转动，由于齿轮被磁化使线圈中的磁场发生变化，产生感应电流，故选项A错误，B正确；当车轮转速减慢时，线圈中磁通量的变化减慢，产生的感应电流的周期变大，由E＝可知，电流强度变小，故选项C、D错误。]
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题号
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11．在电喷汽车的进气管道中，广泛地使用着一种叫“电热丝式”空气流量传感器的部件，其核心部分是一种用特殊合金材料制作的电热丝。如图所示，当进气管道中的冷空气流速越大时，电阻R两端的电压U0就变得越高；反之，电压U0就越低。这样，管道内空气的流量就转变成了可以测量的电压信号，便于汽车内的电脑系统实现自动控制。如果将这种电热丝放在实验室中测量，得到的伏安特性曲线可能是(　　)
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A　　　　　　B
C　　　　　D
√
C　[由题意知，电热丝是热敏电阻，温度越低，电阻越小，则知温度越高，电阻越大，而U-I图线上任意一点与原点连线的斜率数值上等于电阻，电压和电流增大时，电阻的温度升高，电阻增大，图线上的点与原点连线的斜率越大。故选C。]
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12．传感器担负着采集信息的任务，在自动控制中发挥着重要作用，传感器能够将感受到的物理量(如温度、光、声等)转换成便于测量的量(通常是电学量)。例如热敏传感器，主要是应用了半导体材料制成的热敏电阻。热敏电阻的阻值随温度变化的图线如图甲所示，图乙是由热敏电阻Rt作为传感器制作的简单自动报警器的线路图。则下列说法正确的是(　　)
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A．为了使温度过高时报警器响铃，c应接在a处
B．为了使温度过高时报警器响铃，c应接在b处
C．若使启动报警的温度提高些，应将滑动变阻器的滑片P向右移动
D．如果在调试报警器达到最低报警温度时，无论如何调节滑动变阻器的滑片P都不能使报警器工作，且电路连接完好，各电路元件都能处于工作状态，则造成工作电路不能正常工作的原因可能是乙图中左边电源电压太高
√
A　[由热敏电阻的阻值随温度变化的图线可知，温度升高，电阻减小，电流增大，电磁铁的引力增加，吸引簧片向a运动，A正确，B错误；若使启动报警的温度提高些，即热敏电阻阻值再小些，则滑动变阻器的阻值应再大些，滑片P应向左移动，C错误；造成工作电路不能正常工作的原因可能是题图乙中左边电源电压太低，或者线圈的匝数太少，或者弹簧的劲度系数太大等，D错误。]
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13．(2024·江苏南京期末)如图甲所示是家用燃气报警器的部分电路示意图，其中控制电路中的R1是由气敏电阻制成的传感器，R1的阻值与燃气浓度的关系如图乙所示。出厂预设当燃气浓度达到6%时报警。闭合开关S1、S2，下列说法正确的是(　　)
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A．电磁铁的上端是S极
B．燃气浓度升高时，电磁铁磁性减弱
C．按出厂预设，当燃气浓度达到6%时报警，此时工作电路的灯L1亮
D．将R2的滑片下移，可以使工作电路在燃气浓度值比出厂预设值低一些时报警
√
D　[由题图甲可知电流从电磁铁的下端流入，根据右手螺旋定则可知电磁铁的上端是N极，选项A错误；由题图乙可知燃气浓度升高时，R1的阻值减小，通过电磁铁的电流增大，电磁铁磁性增强，选项B错误；报警器报警时，电磁铁恰好能将衔铁吸下，由电路图可知，L2灯亮，选项C错误；将R2的滑片下移，R2的电阻降低，而工作电路不变，报警时需要的电流不变，则报警时气敏电阻的阻值增大，由题图乙可知燃气浓度将降低，即工作电路会在燃气浓度值比出厂预设值低一些时报警，选项D正确。故选D。]
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14．如图甲所示是一种自动测定油箱内油面高度的装置。其中R是滑动变阻器，阻值范围是0～100 Ω，它的金属滑片是杠杆的一端，油量表是由电流表改装而成的，实际是量程为0～0.6 A的电流表，从指针所指的刻度可知油箱内油面的高度；R′为校准电阻。已知电源电压为 12 V，油箱空和油箱满时金属滑片恰在滑动变阻器的两端点a、b处。
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(1)当油箱满时，电流表示数恰好为满偏刻度0.6 A，求校准电阻R′的阻值和油箱空时电流表的示数；
(2)若将电流表改换为电压表，用电压表的指针指示的刻度显示油箱内油面的高度，要求油面上升时电压表的读数增大，请将电压表
画在图乙中，并标明电压表的“＋”“－”接线柱。若改装后电路中校准电阻的阻值不变，求电压表示数的变化范围。
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[解析]　(1)当电流表示数为满偏刻度0.6 A时，金属滑片在b处，此时滑动变阻器连入电路的电阻R＝0，校准电阻R′＝＝ Ω＝20 Ω
油箱空时，滑动变阻器连入电路的电阻R＝100 Ω，
则电流表的示数为
I1＝＝ A＝0.1 A。
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(2)为符合油面上升时，电压表读数增大的要求，应使电压表与校准电阻R′并联，如图所示
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电压表示数变化的范围，由滑片在a、b两处时校准电阻R′两端的电压决定。
滑片在a处时有U1＝＝2 V，滑片在b处时有U2＝12 V，故电压表示数的变化范围为2 ～12 V。
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[答案]　(1)20 Ω　0.1 A　(2)见解析图
2～12 V
谢 谢 ！