第1、2节 认识传感器 常见传感器的工作原理及应用
(强基课—逐点理清物理观念)
课标要求 学习目标
1.知道非电学量转换成电学量的技术意义。2.通过实验,了解常见传感器的工作原理。3.列举传感器在生产生活中的应用。 1.知道力传感器、温度传感器、光传感器的应用。2.对传感器的应用实例理解分析。3.通过演示实验,探究电子秤、电熨斗、电饭锅、火灾报警器的工作原理。
逐点清(一) 认识传感器
[多维度理解]
1．传感器
(1)传感器的定义：能够感受诸如力、温度、光、声、化学成分等被测量，并能把它们按照一定的规律转换为便于传送和处理的可用信号输出。通常转换成的可用信号是电压、电流等________量，或转换为电路的________。
(2)把非电学量转换为电学量的意义：把非电学量转换为电学量，可以很方便地进行测量、________、处理和________。
2．传感器的组成：传感器的基本部分一般由__________、__________组成。
3．传感器应用的一般模式
[全方位练明]
1．关于传感器，下列说法正确的是( )
A．所有传感器都是由半导体材料制成的
B．金属材料也可以制成传感器
C．传感器主要是通过感知电压的变化来传递信号的
D．水银温度计是一种传感器
2．(多选)关于传感器的作用，下列说法正确的是( )
A．通常的传感器可以直接用来进行自动控制
B．传感器可以用来采集信息
C．传感器可以将感受到的一些信号转换为电学量
D．传感器可以将感受到的所有信号都转换为电学量
3.某电容式话筒的原理示意图如图所示，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向左运动的过程中( )
A．P、Q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
逐点清(二) 常见传感器的工作原理及应用
[多维度理解]
1．光敏电阻
(1)特点：光照越强，电阻________。
(2)原理：无光照时，载流子极少，导电性能________；随着光照的增强，载流子________，导电性________。
(3)作用：把________这个光学量转换为________这个电学量。
2．金属热电阻
金属的电阻率随温度的升高而增大，用金属丝可以制作______传感器，称为热电阻，如图所示为某金属导线电阻的温度特性曲线。
3．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非常______，如图所示为某一热敏电阻的电阻值随温度变化的特性曲线。
4．电阻应变片
(1)电阻应变片的工作原理
①金属的电阻应变效应：金属导体在外力作用下发生机械形变(伸长或缩短)时，其电阻随着它所受机械形变的变化而发生变化。
②半导体材料的压阻效应：当单晶半导体材料沿某一轴向受到外力作用时，其电阻率发生变化。
(2)力传感器——电子秤
①组成：由金属梁和电阻应变片组成。
②工作原理
③作用：力传感器将__________这个力学量转换为________这个电学量。
光敏电阻、金属热电阻和热敏电阻对比分析
特性 原因
光敏电阻 光照越强,电阻越小 光照增强,载流子增多,电阻减小
金属热电阻 温度越高,电阻越大 温度升高,金属电阻率增大,电阻增大
热敏电阻 负温度系数的热敏电阻 温度越高,电阻越小 温度升高,载流子增多,电阻减小
正温度系数的热敏电阻 温度越高,电阻越大 温度升高,载流子减少,电阻增大
[全方位练明]
1.(多选)有定值电阻、热敏电阻、光敏电阻三只元件，将这三只元件分别接入如图所示电路中的A、B两点后，用黑纸包住元件或者把元件置入热水中，观察电阻表的示数，下列说法中正确的是( )
A．置入热水中与不置入热水中相比，电阻表示数变化较大的一定是热敏电阻
B．置入热水中与不置入热水中相比，电阻表示数不变化的一定是定值电阻
C．用黑纸包住与不用黑纸包住相比，电阻表示数变化较大的一定是光敏电阻
D．用黑纸包住与不用黑纸包住相比，电阻表示数不变化的一定是定值电阻
2．(多选)下列关于电子秤中应变式力传感器的说法正确的是( )
A．应变片都是由半导体材料制成的
B．当应变片拉伸时，其电阻变大；反之变小
C．传感器输出的是应变片上的电压
D．外力越大，输出的电压差值也越大
3．(多选)如图所示，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( )
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
逐点清(三) 霍尔元件 电容式传感器
[多维度理解]
1．霍尔元件及工作原理
(1)霍尔元件
如图所示，在一个很小的矩形半导体(如砷化铟)薄片上，制作四个电极E、F、M、N，它就成了一个霍尔元件。
(2)工作原理
外部磁场使运动的载流子受到洛伦兹力的作用，从而在导体板的一侧聚集，以致在导体板的另一侧会出现另一种电荷，从而形成电场；横向电场对载流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，导体板左、右两侧会形成稳定的电压，设导体板左、右两侧的距离为l，导体板的厚度为d，则q＝qvB。
根据电流的微观解释I＝nqSv，得UH＝。
令k＝，因n为单位体积内载流子的个数，q为单个载流子的电荷量，它们均为常数，所以UH＝k。UH与B成正比，这就是霍尔元件能把磁学量转换成电学量的原因。
2．常见电容式传感器
名称 示意图及原理分析
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,知道电容C的变化情况,就可以知道角度θ的变化情况
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,引起正对面积变化,使电容C发生变化,知道电容C的变化情况,就可以知道液面高度h的变化情况
测定压力F的电容式传感器 待测压力F作用于可动膜片的电极上时,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的变化情况,就可以知道压力F的变化情况
测定位移x的电容式传感器 随着电介质板进入极板间的长度发生变化,电容C发生变化,知道电容C的变化情况,就可以知道位移x的变化情况
[典例] 霍尔元件是实际生活中的重要元件之一，广泛应用于测量和自动化技术等领域。如图所示为一长度一定的霍尔元件，磁感应强度为B的匀强磁场垂直于霍尔元件的工作面向下，在元件中通入图示从E到F方向的电流I，元件中的载流子带负电，下列说法正确的是( )
A．该元件能把电学量转换为磁学量
B．该元件C面的电势高于D面的
C．如果用该元件测地球赤道处地磁场的磁感应强度，应保持工作面水平
D．如果流过霍尔元件的电流大小不变，则元件C、D面的电势差与磁场的磁感应强度成正比
听课记录：
[全方位练明]
1．(多选)传感器是智能设备的基础元件。如图为电容式位移传感器的示意图，观测电容C的变化即可知道物体位移x的变化，表示该传感器的灵敏度。电容器极板和电介质板长度均为L，测量范围为－≤x≤。下列说法正确的是( )
A．电容器的电容变大，物体向－x方向运动
B．电容器的电容变大，物体向＋x方向运动
C．电介质的介电常数越大，传感器灵敏度越高
D．电容器的板间电压越大，传感器灵敏度越高
2．(选自鲁科版教材课后练习)压敏电阻的阻值随所受压力的增大而减小，有位同学设计了利用压敏电阻判断升降机运动状态的装置，其工作原理如图所示。将压敏电阻固定在升降机底板上，其上放置一个物块，在升降机运动过程的某一段时间内，发现电流表的示数I不变，且I大于升降机静止时电流表的示数I0，在这段时间内( )
A．升降机可能匀速上升
B．升降机一定匀减速上升
C．升降机一定处于失重状态
D．通过压敏电阻的电流一定比电梯静止时大
第1、2节 认识传感器常见传感器的工作原理及应用
逐点清(一)
[多维度理解]
1．(1)电学 通断 (2)传输 控制 2.敏感元件 转换元件
[全方位练明]
1．选B 传感器材料分为半导体材料、陶瓷材料、金属材料和有机材料等，A错误，B正确；传感器是通过把非电学量转换成电学量来传递信号的，C错误；水银温度计不能向外输出信号，不是传感器，D错误。
2．选BC 传感器一定是通过把非电学量转换成电学量来传递信号的，不能实现自动控制，故A错误；由于传感器可将非电学量转换成电学量，因此传感器也可以用来采集信息，故B正确；传感器可以将感受到的一些信号转换为电学量，但并不是将感受到的所有信号都转换为电学量，故C正确，D错误。
3．选D 当P向左运动时，根据平行板电容器电容公式C＝知，d增加，则C变小，A错误；稳定后电容器两极板间的电压不变，则根据Q＝CU知，C减小，U不变，则Q减少，B错误；电容器两极板的电荷量减少，产生放电电流，方向从M→N，因此M点的电势比N点的电势高，D正确，C错误。
逐点清(二)
[多维度理解]
1．(1)越小 (2)差 增多 变好 (3)光照强弱 电阻 2.温度
3．明显 4.(2)②电阻 电压 ③物体形变 电压
[全方位练明]
1．选AC 热敏电阻的阻值随温度的变化而变化，定值电阻和光敏电阻的阻值不随温度发生变化，故A正确，B错误；光敏电阻的阻值随光照强度的变化而变化，而定值电阻和热敏电阻的阻值不随光照强度的变化而变化，故C正确，D错误。
2．选BD 常见的电阻应变片有金属电阻应变片和半导体电阻应变片，故A错误；当应变片拉伸时，其电阻变大，反之变小，故B正确；传感器输出的是上、下两应变片上电压的差值，并且随着外力的增大，输出的电压差值也增大，故C错误，D正确。
3．选ABC 当入射光强度增大时，R3阻值减小，外电路总电阻随R3的减小而减小，由闭合电路欧姆定律知，干路电流增大，R1两端电压增大，电压表的示数增大，同时电源内阻分压增大，故电路的路端电压减小，A正确，D错误；因电路的路端电压减小，且R1两端电压增大，故R2两端电压必减小，则R2中电流减小，B正确；因干路电流增大，且R2中电流减小，知流过小灯泡的电流必增大，故小灯泡的功率增大，C正确。
逐点清(三)
[典例] 选D 霍尔元件是能够把磁学量转换为电学量的传感器，A错误；根据左手定则可知，带负电的载流子向C面偏转，C面带负电，D面带正电，所以D面的电势高，B错误；在测定地球赤道处的地磁场的磁感应强度时，应将元件的工作面保持竖直，让磁场垂直通过元件的工作面，C错误；载流子最终在静电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、d，则有q＝qvB，电流的微观表达式为I＝nqvS＝nqvbd，所以U＝，因n、q、d均为定值，如果流过霍尔元件的电流大小不变，则元件C、D面的电势差与磁场的磁感应强度成正比，D正确。
[全方位练明]
1．选AC 根据电容决定式C＝可知，电容器的电容变大，说明电容器极板间的电介质板长度增加，则物体沿－x方向运动，A正确，B错误；电介质的介电常数εr越大，电介质板移动相同的位移，电容的变化量ΔC越大，传感器灵敏度越高，C正确；电容器的板间电压变化，电容不发生变化，则传感器灵敏度不变，D错误。
2．选C I＞I0，说明R两端分压变大，电源内阻分压变小，总电流变小，总电阻变大，则压敏电阻的阻值变大了，其所受压力减小，物块所受支持力小于重力，处于失重状态，可能加速下降或减速上升，A、B错误，C正确；由于总电流变小，电流表示数变大，则通过压敏电阻的电流比电梯静止时小，D错误。
8 / 8(共72张PPT)
认识传感器 常见传感器的工作原理及应用
(强基课—逐点理清物理观念)
第1、2节
课标要求 学习目标
1.知道非电学量转换成电学量的技术意义。 2.通过实验,了解常见传感器的工作原理。 3.列举传感器在生产生活中的应用。 1.知道力传感器、温度传感器、光传感器的应用。
2.对传感器的应用实例理解分析。
3.通过演示实验,探究电子秤、电熨斗、电饭锅、火灾报警器的工作原理。
1
逐点清(一) 认识传感器
2
逐点清(二) 常见传感器的工作
原理及应用
3
逐点清(三) 霍尔元件电容式传感器
4
课时跟踪检测
CONTENTS
目录
逐点清(一) 认识传感器
1.传感器
(1)传感器的定义:能够感受诸如力、温度、光、声、化学成分等被测量,并能把它们按照一定的规律转换为便于传送和处理的可用信号输出。通常转换成的可用信号是电压、电流等______量,或转换为电路的_______。
多维度理解
电学
通断
(2)把非电学量转换为电学量的意义:把非电学量转换为电学量,可以很方便地进行测量、_______、处理和_______。
2.传感器的组成:传感器的基本部分一般由_________、_________组成。
3.传感器应用的一般模式
传输
控制
敏感元件
转换元件
1.关于传感器,下列说法正确的是 ( )
A.所有传感器都是由半导体材料制成的
B.金属材料也可以制成传感器
C.传感器主要是通过感知电压的变化来传递信号的
D.水银温度计是一种传感器
全方位练明
√
解析:传感器材料分为半导体材料、陶瓷材料、金属材料和有机材料等,A错误,B正确;传感器是通过把非电学量转换成电学量来传递信号的,C错误;水银温度计不能向外输出信号,不是传感器,D错误。
2.(多选)关于传感器的作用,下列说法正确的是 ( )
A.通常的传感器可以直接用来进行自动控制
B.传感器可以用来采集信息
C.传感器可以将感受到的一些信号转换为电学量
D.传感器可以将感受到的所有信号都转换为电学量
√
√
解析:传感器一定是通过把非电学量转换成电学量来传递信号的,不能实现自动控制,故A错误;由于传感器可将非电学量转换成电学量,因此传感器也可以用来采集信息,故B正确;传感器可以将感受到的一些信号转换为电学量,但并不是将感受到的所有信号都转换为电学量,故C正确,D错误。
3.某电容式话筒的原理示意图如图所示,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向左运动的过程中 ( )
A.P、Q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:当P向左运动时,根据平行板电容器电容公式C=知,d增加,则C变小,A错误;稳定后电容器两极板间的电压不变,则根据Q=CU知,C减小,U不变,则Q减少,B错误;电容器两极板的电荷量减少,产生放电电流,方向从M→N,因此M点的电势比N点的电势高,D正确,C错误。
逐点清(二) 常见传感器的
工作原理及应用
1.光敏电阻
(1)特点:光照越强,电阻______。
(2)原理:无光照时,载流子极少,导电性能_____;随着光照的增强,载流子______,导电性_____。
(3)作用:把___________这个光学量转换为_____这个电学量。
多维度理解
越小
差
增多
变好
光照强弱
电阻
2.金属热电阻
金属的电阻率随温度的升高而增大,用金属丝
可以制作______传感器,称为热电阻,如图所示为
某金属导线电阻的温度特性曲线。
温度
3.热敏电阻
热敏电阻由半导体材料制成,其电阻随温度的
变化非常______,如图所示为某一热敏电阻的电阻值
随温度变化的特性曲线。
明显
4.电阻应变片
(1)电阻应变片的工作原理
①金属的电阻应变效应:金属导体在外力作用下发生机械形变(伸长或缩短)时,其电阻随着它所受机械形变的变化而发生变化。
②半导体材料的压阻效应:当单晶半导体材料沿某一轴向受到外力作用时,其电阻率发生变化。
(2)力传感器——电子秤
①组成:由金属梁和电阻应变片组成。
②工作原理
③作用:力传感器将_________这个力学量转换为_____这个电学量。
电阻
电压
物体形变
电压
光敏电阻、金属热电阻和热敏电阻对比分析
特性 原因
光敏电阻 光照越强,电阻越小 光照增强,载流子增多,电阻减小
金属热电阻 温度越高,电阻越大 温度升高,金属电阻率增大,电阻增大
热敏电阻 负温度系数 的热敏电阻 温度越高,电阻越小 温度升高,载流子增多,电阻减小
正温度系数 的热敏电阻 温度越高,电阻越大 温度升高,载流子减少,电阻增大
续表
1.(多选)有定值电阻、热敏电阻、光敏电阻三只元件,
将这三只元件分别接入如图所示电路中的A、B两点后,用
黑纸包住元件或者把元件置入热水中,观察电阻表的示数,下列说法中正确的是 ( )
A.置入热水中与不置入热水中相比,电阻表示数变化较大的一定是热敏电阻
B.置入热水中与不置入热水中相比,电阻表示数不变化的一定是定值电阻
全方位练明
√
C.用黑纸包住与不用黑纸包住相比,电阻表示数变化较大的一定是光敏电阻
D.用黑纸包住与不用黑纸包住相比,电阻表示数不变化的一定是定值电阻
解析:热敏电阻的阻值随温度的变化而变化,定值电阻和光敏电阻的阻值不随温度发生变化,故A正确,B错误;光敏电阻的阻值随光照强度的变化而变化,而定值电阻和热敏电阻的阻值不随光照强度的变化而变化,故C正确,D错误。
√
2.(多选)下列关于电子秤中应变式力传感器的说法正确的是 ( )
A.应变片都是由半导体材料制成的
B.当应变片拉伸时,其电阻变大;反之变小
C.传感器输出的是应变片上的电压
D.外力越大,输出的电压差值也越大
√
√
解析:常见的电阻应变片有金属电阻应变片和半导体电阻应变片,故A错误;当应变片拉伸时,其电阻变大,反之变小,故B正确;传感器输出的是上、下两应变片上电压的差值,并且随着外力的增大,输出的电压差值也增大,故C错误,D正确。
3.(多选)如图所示,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 ( )
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
√
√
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解析:当入射光强度增大时,R3阻值减小,外电路总电阻随R3的减小而减小,由闭合电路欧姆定律知,干路电流增大,R1两端电压增大,电压表的示数增大,同时电源内阻分压增大,故电路的路端电压减小,A正确,D错误;因电路的路端电压减小,且R1两端电压增大,故R2两端电压必减小,则R2中电流减小,B正确;因干路电流增大,且R2中电流减小,知流过小灯泡的电流必增大,故小灯泡的功率增大,C正确。
逐点清(三) 霍尔元件
电容式传感器
1.霍尔元件及工作原理
(1)霍尔元件
如图所示,在一个很小的矩形半导体(如砷化铟)薄片上,制作四个电极E、F、M、N,它就成了一个霍尔元件。
多维度理解
(2)工作原理
外部磁场使运动的载流子受到洛伦兹力的作用,从而在导体板的一侧聚集,以致在导体板的另一侧会出现另一种电荷,从而形成电场;横向电场对载流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,导体板左、右两侧会形成稳定的电压,设导体板左、右两侧的距离为l,导体板的厚度为d,则q=qvB。
根据电流的微观解释I=nqSv,得UH=。
令k=,因n为单位体积内载流子的个数,q为单个载流子的电荷量,它们均为常数,所以UH=k。UH与B成正比,这就是霍尔元件能把磁学量转换成电学量的原因。
2.常见电容式传感器
名称 示意图及原理分析
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,知道电容C的变化情况,就可以
知道角度θ的变化情况
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,引起正对面积变化,使电容C发生变化,知道电容C的变化情况,就可以知道液面高度h的变化情况
续表
测定压力F的电容式传感器 待测压力F作用于可动膜片的电极上时,
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的变化情
况,就可以知道压力F的变化情况
续表
测定位移x的电容式传感器 随着电介质板进入极板间的长度发生
变化,电容C发生变化,知道电容C的变
化情况,就可以知道位移x的变化情况
续表
[典例] 霍尔元件是实际生活中的重要元件之一,
广泛应用于测量和自动化技术等领域。如图所示
为一长度一定的霍尔元件,磁感应强度为B的匀强磁
场垂直于霍尔元件的工作面向下,在元件中通入图示从E到F方向的电流I,元件中的载流子带负电,下列说法正确的是 ( )
A.该元件能把电学量转换为磁学量
B.该元件C面的电势高于D面的
C.如果用该元件测地球赤道处地磁场的磁感应强度,应保持工作面水平
D.如果流过霍尔元件的电流大小不变,则元件C、D面的电势差与磁场的磁感应强度成正比
√
[解析] 霍尔元件是能够把磁学量转换为电学量的传感器,A错误;根据左手定则可知,带负电的载流子向C面偏转,C面带负电,D面带正电,所以D面的电势高,B错误;在测定地球赤道处的地磁场的磁感应强度时,应将元件的工作面保持竖直,让磁场垂直通过元件的工作面,C错误;载流子最终在静电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、d,则有q=qvB,电流的微观表达式为I=nqvS=nqvbd,所以U=,因n、q、d均为定值,如果流过霍尔元件的电流大小不变,则元件C、D面的电势差与磁场的磁感应强度成正比,D正确。
1.(多选)传感器是智能设备的基础元件。如图为电容式位移传感器的示意图,观测电容C的变化即可知道物体位移x的变化,表示该传感器的灵敏度。电容器极板和电介质板长度均为L,测量范围为-≤x≤。下列说法正确的是( )
全方位练明
A.电容器的电容变大,物体向-x方向运动
B.电容器的电容变大,物体向+x方向运动
C.电介质的介电常数越大,传感器灵敏度越高
D.电容器的板间电压越大,传感器灵敏度越高
解析:根据电容决定式C=可知,电容器的电容变大,说明电容器极板间的电介质板长度增加,则物体沿-x方向运动,A正确,B错误;电介质的介电常数εr越大,电介质板移动相同的位移,电容的变化量ΔC越大,传感器灵敏度越高,C正确;电容器的板间电压变化,电容不发生变化,则传感器灵敏度不变,D错误。
√
√
2.(选自鲁科版教材课后练习)压敏电阻的阻值随所受
压力的增大而减小,有位同学设计了利用压敏电阻判断升
降机运动状态的装置,其工作原理如图所示。将压敏电阻
固定在升降机底板上,其上放置一个物块,在升降机运动过
程的某一段时间内,发现电流表的示数I不变,且I大于升降机静止时电流表的示数I0,在这段时间内 ( )
A.升降机可能匀速上升
B.升降机一定匀减速上升
C.升降机一定处于失重状态
D.通过压敏电阻的电流一定比电梯静止时大
解析:I>I0,说明R两端分压变大,电源内阻分压变小,总电流变小,总电阻变大,则压敏电阻的阻值变大了,其所受压力减小,物块所受支持力小于重力,处于失重状态,可能加速下降或减速上升,A、B错误,C正确;由于总电流变小,电流表示数变大,则通过压敏电阻的电流比电梯静止时小,D错误。
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课时跟踪检测
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A级——基础达标
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
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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,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,D正确。
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2.某楼梯口的电灯开关装有传感器,天黑时,出现声音才能发光,而白天即使有声音,电灯也不能发光,该开关中有两种传感器,它们可能是 ( )
A.热敏电阻和光敏电阻 B.金属热电阻和光敏电阻
C.热敏电阻和霍尔元件 D.光敏电阻和驻极体话筒
解析:两种传感器分别把声音信号转换为电信号、把光信号转换为电信号,D正确。
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3.(多选)如图为握力器原理示意图,握力器把手上的
连杆与弹簧一起上下移动,握力的大小可通过一定的换
算关系由电流表的示数获得。当人紧握握力器时,如果握力越大,下列判断正确的有 ( )
A.电路中电阻越大 B.电路中电阻越小
C.电路中电流越小 D.电路中电流越大
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解析:由题图可知,握力越大,滑动变阻器接入电路的电阻越小,外电路的总电阻越小,根据闭合电路欧姆定律可知,电路中电流越大,B、D正确,A、C错误。
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4.(2024·陕西咸阳期中)关于传感器及其应用,下列说法中正确的是 ( )
A.传感器都是利用敏感元件的电阻变化来工作的
B.电脑所用的光电鼠标主要采用声传感器
C.霍尔元件是把磁感应强度这个磁学量转换成电压这个电学量
D.话筒是一种常用的声传感器,其作用是将电信号转换为声信号
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解析:传感器都是利用敏感元件将非电学量转化为电学量,但不一定是电阻变化,故A错误;电脑所用的光电鼠标主要采用光传感器,故B错误;霍尔元件是把磁感应强度这个磁学量转换成电压这个电学量,故C正确;话筒是一种常用的声传感器,其作用是将声信号转换为电信号,故D错误。
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5.(多选)如图所示是“电容式加速度传感器”原理
图,电容器的一个金属极板固定在绝缘底座上,另一块极
板用弹性金属片制成,当这种加速度传感器用在上下移
动的升降机中时,通过测量电容C的变化就能感知升降机加速度的变化情况。设升降机加速度为零时电容器的电容为C0,下列说法正确的是 ( )
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A.当升降机加速上升时,C>C0
B.当升降机减速上升时,C>C0
C.当升降机减速下降时,CD.当升降机加速下降时,C2
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解析:升降机加速度向上时,弹性金属片向下弯曲,升降机加速度向下时,弹性金属片向上弯曲;根据C=知,弹性金属片向下弯曲,d减小,电容变大;弹性金属片向上弯曲,d增大,电容变小。当升降机加速上升或减速下降时,加速度向上,电容变大,即C>C0,A正确,C错误;当升降机减速上升或加速下降时,加速度向下,电容变小,即C2
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6.传感器广泛应用在我们的生产生活中,常用的计算机键盘就是一种传感器。如图所示,键盘上每一个键的下面都连有一小金属片,与该金属片隔有一定空气间隙的是另一小的固定金属片,这两个金属片组成一个小电容器,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,从而给出相应的信号。这种计算机键盘使用的是 ( )
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A.温度传感器 B.压力传感器
C.磁传感器 D.光传感器
解析:由题意可知,电容器通过受压后变形从而将压力信号转换为电信号,所以计算机键盘使用的是压力传感器,B正确,A、C、D错误。
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7.(2024·新疆乌鲁木齐期中)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的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。如果将这种电热丝从汽车的进气管道中取出,放在实验室中测量,得到的伏安特性曲线正确的是 ( )
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解析: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,根据电路图可知,温度越低,这种电热丝的电阻越小;温度越高,这种电热丝的电阻越大;根据欧姆定律可得R=,则有I=U,可知I-U图像上的点与原点连线的斜率表示电阻的倒数,随着U、I的增大,温度升高,电热丝的电阻增大,则I-U图像上的点与原点连线的斜率减小。故选D。
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B级——综合应用
8.(2024·河北石家庄期末)(多选)电容式加速度传感
器是常见的手机感应装置,结构如图所示。质量块的上端
连接轻质弹簧,下端连接电介质,弹簧与电容器固定在外框
上,质量块带动电介质移动改变电容,则下列说法正确的是( )
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A.电介质插入极板越深,电容器电容越大
B.当传感器处于静止状态时,电容器不带电
C.当传感器由静止突然向前加速时,会有电流由a流向b
D.当传感器以恒定加速度向前运动,达到稳定后电流表指针不偏转
解析:电介质插入极板越深,根据电容的决定式C=可知,εr越大,电容器电容越大,A正确;
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当传感器处于静止状态时,电容器左极板带正电,右极板带负电,且两极板之间电势差大小恒等于电源电动势,B错误;当传感器由静止突然向前加速时,弹簧会伸长,电介质插入极板深度增加,根据电容的决定式C=可知,电容器电容增大,因电容器两端的电压不变,根据Q=CU可知,两极板间的电荷量增大,会有电流由b流向a,C错误;当传感器以恒定加速度向前运动,达到稳定后弹簧长度不变,电介质插入极板深度不变,则电容器电容不变,极板上电荷量也不变,故电流表中没有电流通过,指针不偏转,D正确。
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9.(多选)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,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通过弹性物体连接手机,由于惯性,运动状态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、上下以及旋转的加速度,这样就可以360°无死角检测手机运动。以下说法中正确的是 ( )
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A.在外太空完全失重的情况下,这种传感器仍然可以使用
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强度,进而进行卫星定位
D.改变电容值是通过改变正对面积和板间距d来实现的
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解析: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正确;这种探测器可以测出手机的前后、左右、上下以及旋转的加速度,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强度,进行卫星定位,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,电容器的正对面积和板间距d发生变化,所以改变电容值是通过改变正对面积和板间距d来实现的,故D正确。
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10.(2024·广东广州期中)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,使照度小时照明系统可以自动启动,光敏电阻在不同照度下的阻值如下表。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,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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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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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.该电路中定值电阻的阻值越大,该天的照明系统工作的时间越长
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解析: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,可知照度小时,控制开关两端电压大,根据表格数据可知,照度小时,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的阻值越小,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时光敏电阻的阻值为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;该电路中定值电阻的阻值越大,控制开关自动启动时光敏电阻的阻值越大,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。
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11.(2024·江西宜春期中)按照新国标的规定,电动自行车总重量(含电池)不得超过55公斤。某地交警在部分路口设置了称重点,对过往的可疑车辆进行称重,一款电子秤的工作原理如图所示。电子秤空载时变阻器滑片P位于A点,电子秤满载时滑片P位于B点,电压表为理想电压表,弹簧始终处于弹性限度内,下列说法正确的是 ( )
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A.电动自行车的质量越大,电压表的示数越小
B.若称量值比实际值偏大,可将R0的滑片向右滑动少许
C.将一电阻与电压表串联,称量值会变小
D.电子秤的电池长时间使用后,内阻增大,称量值会偏大
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解析:电动自行车的质量越大,则滑片P的位置越偏向下,则电压表的示数越大,A错误;若称量值比实际值偏大,说明电压表读数偏大,电路中电流偏大,可将R0的滑片向右滑动少许,从而减小电流,B正确;将一电阻与电压表串联,电压表读数不变,则称量值不变,C错误;电子秤的电池长时间使用后,内阻增大,则回路电流会减小,则电压表读数减小,则称量值会偏小,D错误。
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12.(2024·北京昌平期末)利用热敏电阻作为感温元件可以制作简易温度计,电路图如图甲所示。用热敏电阻RT作为测温探头,把电流表的电流刻度改为相应的温度刻度,可以直接读出温度值。已知电源电动势E为6.0 V、内阻不计;电流表量程为300 mA、内阻为10 Ω;保护电阻R0为5 Ω;热敏电阻RT的阻值随温度t变化的关系如图乙所示。下列说法正确的是 ( )
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A.电流表示数越大,对应温度越低
B.该温度计测量的最高温度为50 ℃
C.电流表零刻度线处对应温度为0 ℃
D.该温度计表盘上温度的刻度是均匀的
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解析:由闭合回路欧姆定律有I=,可知电流表示数越大,RT越小,由题图乙可知,RT越小,对应温度越高,故A错误;根据以上分析可知,当电流表满偏时,RT最小,此时温度最高,则有RTmin=-=5 Ω,由题图乙可知,此时的温度为50 ℃,故B正确;由题图乙可知,当温度为0 ℃时,RT1=28 Ω,此时电流表的示数为I1=≈0.14 A,故C错误;由上述分析可知,电流表示数与RT的关系为I=,由题图乙可知,RT与温度不成线性关系,则该温度计表盘上温度的刻度是不均匀的,故D错误。
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4课时跟踪检测(二十三) 认识传感器 常见传感器
的工作原理及应用
A级——基础达标
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 ．运动
C．人 D．光线
2．某楼梯口的电灯开关装有传感器，天黑时，出现声音才能发光，而白天即使有声音，电灯也不能发光，该开关中有两种传感器，它们可能是( )
A．热敏电阻和光敏电阻
B．金属热电阻和光敏电阻
C．热敏电阻和霍尔元件
D．光敏电阻和驻极体话筒
3.(多选)如图为握力器原理示意图，握力器把手上的连杆与弹簧一起上下移动，握力的大小可通过一定的换算关系由电流表的示数获得。当人紧握握力器时，如果握力越大，下列判断正确的有( )
A．电路中电阻越大 B．电路中电阻越小
C．电路中电流越小 D．电路中电流越大
4．(2024·陕西咸阳期中)关于传感器及其应用，下列说法中正确的是( )
A．传感器都是利用敏感元件的电阻变化来工作的
B．电脑所用的光电鼠标主要采用声传感器
C．霍尔元件是把磁感应强度这个磁学量转换成电压这个电学量
D．话筒是一种常用的声传感器，其作用是将电信号转换为声信号
5.(多选)如图所示是“电容式加速度传感器”原理图，电容器的一个金属极板固定在绝缘底座上，另一块极板用弹性金属片制成，当这种加速度传感器用在上下移动的升降机中时，通过测量电容C的变化就能感知升降机加速度的变化情况。设升降机加速度为零时电容器的电容为C0，下列说法正确的是( )
A．当升降机加速上升时，C＞C0
B．当升降机减速上升时，C＞C0
C．当升降机减速下降时，C＜C0
D．当升降机加速下降时，C＜C0
6．传感器广泛应用在我们的生产生活中，常用的计算机键盘就是一种传感器。如图所示，键盘上每一个键的下面都连有一小金属片，与该金属片隔有一定空气间隙的是另一小的固定金属片，这两个金属片组成一个小电容器，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，从而给出相应的信号。这种计算机键盘使用的是( )
A．温度传感器 B．压力传感器
C．磁传感器 D．光传感器
7．(2024·新疆乌鲁木齐期中)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的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。如果将这种电热丝从汽车的进气管道中取出，放在实验室中测量，得到的伏安特性曲线正确的是( )
B级——综合应用
8.(2024·河北石家庄期末)(多选)电容式加速度传感器是常见的手机感应装置，结构如图所示。质量块的上端连接轻质弹簧，下端连接电介质，弹簧与电容器固定在外框上，质量块带动电介质移动改变电容，则下列说法正确的是( )
A．电介质插入极板越深，电容器电容越大
B．当传感器处于静止状态时，电容器不带电
C．当传感器由静止突然向前加速时，会有电流由a流向b
D．当传感器以恒定加速度向前运动，达到稳定后电流表指针不偏转
9．(多选)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，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通过弹性物体连接手机，由于惯性，运动状态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、上下以及旋转的加速度，这样就可以360°无死角检测手机运动。以下说法中正确的是( )
A．在外太空完全失重的情况下，这种传感器仍然可以使用
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强度，进而进行卫星定位
D．改变电容值是通过改变正对面积和板间距d来实现的
10．(2024·广东广州期中)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，使照度小时照明系统可以自动启动，光敏电阻在不同照度下的阻值如下表。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，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( )
照度/lx 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2
电阻/kΩ 75 40 24 20 18 15
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．该电路中定值电阻的阻值越大，该天的照明系统工作的时间越长
11．(2024·江西宜春期中)按照新国标的规定，电动自行车总重量(含电池)不得超过55公斤。某地交警
在部分路口设置了称重点，对过往的可疑车辆进行称重，一款电子秤的工作原理如图所示。电子秤空载时变阻器滑片P位于A点，电子秤满载时滑片P位于B点，电压表为理想电压表，弹簧始终处于弹性限度内，下列说法正确的是( )
A．电动自行车的质量越大，电压表的示数越小
B．若称量值比实际值偏大，可将R0的滑片向右滑动少许
C．将一电阻与电压表串联，称量值会变小
D．电子秤的电池长时间使用后，内阻增大，称量值会偏大
12．(2024·北京昌平期末)利用热敏电阻作为感温元件可以制作简易温度计，电路图如图甲所示。用热敏电阻RT作为测温探头，把电流表的电流刻度改为相应的温度刻度，可以直接读出温度值。已知电源电动势E为6.0 V、内阻不计；电流表量程为300 mA、内阻为10 Ω；保护电阻R0为5 Ω；热敏电阻RT的阻值随温度t变化的关系如图乙所示。下列说法正确的是( )
A．电流表示数越大，对应温度越低
B．该温度计测量的最高温度为50 ℃
C．电流表零刻度线处对应温度为0 ℃
D．该温度计表盘上温度的刻度是均匀的
课时跟踪检测(二十三)
1．选D 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，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，D正确。
2．选D 两种传感器分别把声音信号转换为电信号、把光信号转换为电信号，D正确。
3．选BD 由题图可知，握力越大，滑动变阻器接入电路的电阻越小，外电路的总电阻越小，根据闭合电路欧姆定律可知，电路中电流越大，B、D正确，A、C错误。
4．选C 传感器都是利用敏感元件将非电学量转化为电学量，但不一定是电阻变化，故A错误；电脑所用的光电鼠标主要采用光传感器，故B错误；霍尔元件是把磁感应强度这个磁学量转换成电压这个电学量，故C正确；话筒是一种常用的声传感器，其作用是将声信号转换为电信号，故D错误。
5．选AD 升降机加速度向上时，弹性金属片向下弯曲，升降机加速度向下时，弹性金属片向上弯曲；根据C＝知，弹性金属片向下弯曲，d减小，电容变大；弹性金属片向上弯曲，d增大，电容变小。当升降机加速上升或减速下降时，加速度向上，电容变大，即C＞C0，A正确，C错误；当升降机减速上升或加速下降时，加速度向下，电容变小，即C＜C0，B错误，D正确。
6．选B 由题意可知，电容器通过受压后变形从而将压力信号转换为电信号，所以计算机键盘使用的是压力传感器，B正确，A、C、D错误。
7．选D 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，根据电路图可知，温度越低，这种电热丝的电阻越小；温度越高，这种电热丝的电阻越大；根据欧姆定律可得R＝，则有I＝U，可知I U图像上的点与原点连线的斜率表示电阻的倒数，随着U、I的增大，温度升高，电热丝的电阻增大，则I U图像上的点与原点连线的斜率减小。故选D。
8．选AD 电介质插入极板越深，根据电容的决定式C＝可知，εr越大，电容器电容越大，A正确；当传感器处于静止状态时，电容器左极板带正电，右极板带负电，且两极板之间电势差大小恒等于电源电动势，B错误；当传感器由静止突然向前加速时，弹簧会伸长，电介质插入极板深度增加，根据电容的决定式C＝可知，电容器电容增大，因电容器两端的电压不变，根据Q＝CU可知，两极板间的电荷量增大，会有电流由b流向a，C错误；当传感器以恒定加速度向前运动，达到稳定后弹簧长度不变，电介质插入极板深度不变，则电容器电容不变，极板上电荷量也不变，故电流表中没有电流通过，指针不偏转，D正确。
9．选AD 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正确；这种探测器可以测出手机的前后、左右、上下以及旋转的加速度，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强度，进行卫星定位，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，电容器的正对面积和板间距d发生变化，所以改变电容值是通过改变正对面积和板间距d来实现的，故D正确。
10．选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，可知照度小时，控制开关两端电压大，根据表格数据可知，照度小时，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的阻值越小，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时光敏电阻的阻值为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；该电路中定值电阻的阻值越大，控制开关自动启动时光敏电阻的阻值越大，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。
11．选B 电动自行车的质量越大，则滑片P的位置越偏向下，则电压表的示数越大，A错误；若称量值比实际值偏大，说明电压表读数偏大，电路中电流偏大，可将R0的滑片向右滑动少许，从而减小电流，B正确；将一电阻与电压表串联，电压表读数不变，则称量值不变，C错误；电子秤的电池长时间使用后，内阻增大，则回路电流会减小，则电压表读数减小，则称量值会偏小，D错误。
12．选B 由闭合回路欧姆定律有I＝，可知电流表示数越大，RT越小，由题图乙可知，RT越小，对应温度越高，故A错误；根据以上分析可知，当电流表满偏时，RT最小，此时温度最高，则有RTmin＝－＝5 Ω，由题图乙可知，此时的温度为50 ℃，故B正确；由题图乙可知，当温度为0 ℃时，RT1＝28 Ω，此时电流表的示数为I1＝≈0.14 A，故C错误；由上述分析可知，电流表示数与RT的关系为I＝，由题图乙可知，RT与温度不成线性关系，则该温度计表盘上温度的刻度是不均匀的，故D错误。
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