第1节 常见传感器的工作原理(强基课—逐点理清物理观念)
课标要求 学习目标
知道非电学量转换成电学量的技术意义。 1.认识传感器构造,知道不同敏感元件的特性。2.能发现生活中各式各样的传感器。3.能通过实验探究光敏电阻及热敏电阻的特征。4.知道传感器在生产生活中的重要作用。
逐点清(一) 初识传感器
[多维度理解]
1．定义
能够感受外界信息，并将其按照一定的规律转换成可用输出信号(主要是__________)的器件或装置。
2．作用
传感器在自动测量和自动控制系统中担负着信息采集和转化任务，把________量转化为________量。
3．传感器的工作原理
传感器主要由__________和__________组成。
(1)敏感元件：直接感受被测的量，并输出与被测的量有确定关系的信号。
(2)转换元件：将敏感元件输出的物理信号转换为便于显示、记录、处理和控制的电信号。
传感器的工作原理如图所示。
非电学量,―→电学量,
1．处理传感器问题的两点注意
(1)传感器是以一定的精度和规律把被测量转换为与之有确定关系的、便于测量的量的一种装置，在处理实际问题时注意被测量与测量量之间的关系。
(2)传感器一般是把被测量转换成电学量，因此往往与电子元件一起构成回路，应注意电路分析。
2．传感器应用的一般模式
[全方位练明]
1．判断下列说法是否正确。
(1)传感器是一种联络传递感知的设备。( )
(2)传感器是一种感知、探测物理量的工具。( )
(3)传感器是将被测量的非电学量转换成电学量的器件或装置。( )
2．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．红外线
3．(多选)关于传感器，下列说法正确的是( )
A．麦克风工作时，将感受到的声音信号转化成电信号
B．电子秤工作时，将感受到的压力信号转化为电信号
C．烟雾传感器工作时，将感受到的烟雾浓度信号转化为电能，实现自动报警
D．声控灯工作时，将感受到的声音信号转化为电能给灯泡供电逐点清(二) 敏感元件
[多维度理解]
1．光敏元件——光敏电阻
(1)特点
光照越强，电阻________。
(2)原因
无光照时，载流子极少，导电性能不好；随着光照的增强，载流子________，导电性________。
(3)作用
把光照强弱这个光学量转换为________这个电学量。
2．热敏元件——热敏电阻
(1)NTC热敏电阻：阻值随温度的升高而______。
(2)PTC热敏电阻：阻值随温度的升高而______。
3．磁敏元件——霍尔元件
(1)霍尔元件
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，它就成为一个霍尔元件。霍尔元件能够把磁感应强度这个磁学量转换为________这个电学量。
(2)霍尔电压：UH＝k，其中d为霍尔元件的厚度，k为________系数，其大小与薄片的材料有关。
(3)用途：用霍尔元件制成的磁传感器可直接测量__________________，也可以间接测量______________。
[典例] 药物生产车间需要严格控制室内温度范围，尽量保证较小的温度波动。如图是某监控温度波动的报警系统原理图，热敏电阻的阻值随温度的升高而减小，当报警器两端的电压变化量超出设定值时，报警器就会自动报警。下列说法正确的是( )
A．温度升高，报警器两端电压减小
B．温度降低，热敏电阻的热功率一定增大
C．滑动变阻器接入电路的阻值越大，报警器越容易报警
D．滑动变阻器接入电路的阻值与报警器是否容易报警无关
听课记录：
/方法技巧/
含传感器的电路动态分析的四点注意
(1)如果涉及光敏电阻，必须明确光照情况怎样变化，从而判断出其阻值的变化。
(2)如果涉及热敏电阻，必须明确是正温度系数还是负温度系数的热敏电阻及温度变化情况，从而判断其阻值的变化。
(3)如果是其他元件引起的电路变化可具体问题具体分析。
(4)结合电路结构特点及局部阻值的变化，根据闭合电路的欧姆定律等规律分析有关物理量的变化。
[全方位练明]
1．对于确定的一个霍尔元件，若保持通入的电流不变，当磁感应强度增大时，霍尔电压UH应( )
A．不变 B.减小
C．增大 D．不确定
2．某学校新装了一批节能路灯如图甲所示，该路灯通过光控开关实现自动控制：电灯的亮度可自动随周围环境的亮度改变而改变。如图乙为其内部电路简化原理图，电源电动势为E，内阻为r，R1为光敏电阻(光照强度增加时，其电阻值减小)。当随着傍晚到来光照逐渐减弱时，则下列判断正确的是( )
A．A灯变亮，B灯变暗
B．电源的效率变大
C．电源内阻消耗的功率变大
D．R1上电流的变化量等于R0上电流变化量
第1节 常见传感器的工作原理
逐点清(一)
[多维度理解]
1．电信号 2.非电学 电学 3.敏感元件 转换元件
[全方位练明]
1．(1)× (2)× (3)√
2．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，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，D正确。
3．选AB 传感器是一种信号转换器，通常将感受到的外界信息按照一定的规律转换成可用输出信号，麦克风工作时将声音信号转化为电信号，电子秤工作时将受到的物体的压力大小的信息转化为电信号，选项A、B正确；烟雾传感器工作时将感受到的环境中的烟雾浓度信号转化为电信号，实现自动报警，并不是给报警器供电，选项C错误；声控灯工作时利用声控开关控制电路的通断，将声音信号转化为电信号，并不是给灯泡供电，选项D错误。
逐点清(二)
[多维度理解]
1．(1)越小 (2)增多 变好 (3)电阻 2.(1)减小 (2)增大 3.(1)电压 (2)霍尔 (3)磁场的磁感应强度 电流的大小
[典例] 选A 温度升高，热敏电阻的阻值减小，电路中总电阻减小，总电流增大，内电压增大，路端电压减小，则报警器两端电压减小，A正确；温度降低，热敏电阻的阻值增大，电路中总电阻增大，总电流减小，内电压减小，路端电压增大，则报警器两端电压增大，通过报警器的电流增大，通过热敏电阻的电流减小，根据热功率表达式P＝I2R，可知热敏电阻的热功率不一定增大，B错误；若滑动变阻器接入电路的阻值很大，当热敏电阻的阻值变化时，报警器两端的电压变化量不大，报警器不容易报警，因此滑动变阻器接入电路的阻值与报警器是否容易报警有关，C、D错误。
[全方位练明]
1．选C 由UH＝k可得，保持通入的电流不变，当磁感应强度B增大时，UH增大。
2．选B 光照逐渐减弱时，光敏电阻阻值增大，电路总电阻增大，总电流减小，内电压减小，外电压增大，A灯变亮；支路R0上的电流减小，R0上的电压减小，又因为外电压增大，所以B灯电压增大，所以B灯变亮，故A错误；因为外电阻变大，根据η＝＝＝1－可知，电源的效率变大，故B正确；因为内电压减小，所以电源内阻消耗的功率变小，故C错误；对于支路R0，有ΔI0＝ΔIB＋ΔI1，其中ΔI0＜0，ΔIB＞0，所以|ΔI0|＜|ΔI1|，故D错误。
4 / 5(共65张PPT)
第5章
传感器及其应用
常见传感器的工作原理
(强基课—逐点理清物理观念)
第1节
课标要求 学习目标
知道非电学量转换成电学量的技术意义。 1.认识传感器构造,知道不同敏感元件的特性。
2.能发现生活中各式各样的传感器。
3.能通过实验探究光敏电阻及热敏电阻的特征。
4.知道传感器在生产生活中的重要作用。
1
逐点清(一) 初识传感器
2
逐点清(二) 敏感元件
3
课时跟踪检测
CONTENTS
目录
逐点清(一) 初识传感器
1.定义
能够感受外界信息,并将其按照一定的规律转换成可用输出信号(主要是________)的器件或装置。
2.作用
传感器在自动测量和自动控制系统中担负着信息采集和转化任务,把_________量转化为_____量。
多维度理解
电信号
非电学
电学
3.传感器的工作原理
传感器主要由___________和__________组成。
(1)敏感元件:直接感受被测的量,并输出与被测的量有确定关系的信号。
敏感元件
转换元件
(2)转换元件:将敏感元件输出的物理信号转换为便于显示、记录、处理和控制的电信号。
传感器的工作原理如图所示。
1.处理传感器问题的两点注意
(1)传感器是以一定的精度和规律把被测量转换为与之有确定关系的、便于测量的量的一种装置,在处理实际问题时注意被测量与测量量之间的关系。
(2)传感器一般是把被测量转换成电学量,因此往往与电子元件一起构成回路,应注意电路分析。
2.传感器应用的一般模式
1.判断下列说法是否正确。
(1)传感器是一种联络传递感知的设备。 ( )
(2)传感器是一种感知、探测物理量的工具。 ( )
(3)传感器是将被测量的非电学量转换成电学量的器件或装置。 ( )
全方位练明
×
×
√
2.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.红外线
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,D正确。
√
3.(多选)关于传感器,下列说法正确的是 ( )
A.麦克风工作时,将感受到的声音信号转化成电信号
B.电子秤工作时,将感受到的压力信号转化为电信号
C.烟雾传感器工作时,将感受到的烟雾浓度信号转化为电能,实现自动报警
D.声控灯工作时,将感受到的声音信号转化为电能给灯泡供电
√
√
解析:传感器是一种信号转换器,通常将感受到的外界信息按照一定的规律转换成可用输出信号,麦克风工作时将声音信号转化为电信号,电子秤工作时将受到的物体的压力大小的信息转化为电信号,选项A、B正确;烟雾传感器工作时将感受到的环境中的烟雾浓度信号转化为电信号,实现自动报警,并不是给报警器供电,选项C错误;声控灯工作时利用声控开关控制电路的通断,将声音信号转化为电信号,并不是给灯泡供电,选项D错误。
逐点清(二) 敏感元件
1.光敏元件——光敏电阻
(1)特点
光照越强,电阻_______。
(2)原因
无光照时,载流子极少,导电性能不好;随着光照的增强,载流子_______,导电性_______。
多维度理解
越小
增多
变好
(3)作用
把光照强弱这个光学量转换为_______这个电学量。
2.热敏元件——热敏电阻
(1)NTC热敏电阻:阻值随温度的升高而______。
(2)PTC热敏电阻:阻值随温度的升高而______。
电阻
减小
增大
3.磁敏元件——霍尔元件
(1)霍尔元件
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,它就成为一个霍
尔元件。霍尔元件能够把磁感应强度这个磁学量转换
为______这个电学量。
电压
(2)霍尔电压:UH=k,其中d为霍尔元件的厚度,k为______系数,其大小与薄片的材料有关。
(3)用途:用霍尔元件制成的磁传感器可直接测量___________________,也可以间接测量_____________。
霍尔
磁场的磁感应强度
电流的大小
[典例] 药物生产车间需要严格控制室内温度范围,尽量
保证较小的温度波动。如图是某监控温度波动的报警系
统原理图,热敏电阻的阻值随温度的升高而减小,当报警器两端的电压变化量超出设定值时,报警器就会自动报警。下列说法正确的是 ( )
A.温度升高,报警器两端电压减小
B.温度降低,热敏电阻的热功率一定增大
C.滑动变阻器接入电路的阻值越大,报警器越容易报警
D.滑动变阻器接入电路的阻值与报警器是否容易报警无关
√
[解析] 温度升高,热敏电阻的阻值减小,电路中总电阻减小,总电流增大,内电压增大,路端电压减小,则报警器两端电压减小,A正确;温度降低,热敏电阻的阻值增大,电路中总电阻增大,总电流减小,内电压减小,路端电压增大,则报警器两端电压增大,通过报警器的电流增大,通过热敏电阻的电流减小,根据热功率表达式P=I2R,可知热敏电阻的热功率不一定增大,B错误;若滑动变阻器接入电路的阻值很大,当热敏电阻的阻值变化时,报警器两端的电压变化量不大,报警器不容易报警,因此滑动变阻器接入电路的阻值与报警器是否容易报警有关,C、D错误。
/方法技巧/
含传感器的电路动态分析的四点注意
(1)如果涉及光敏电阻,必须明确光照情况怎样变化,从而判断出其阻值的变化。
(2)如果涉及热敏电阻,必须明确是正温度系数还是负温度系数的热敏电阻及温度变化情况,从而判断其阻值的变化。
(3)如果是其他元件引起的电路变化可具体问题具体分析。
(4)结合电路结构特点及局部阻值的变化,根据闭合电路的欧姆定律等规律分析有关物理量的变化。
1.对于确定的一个霍尔元件,若保持通入的电流不变,当磁感应强度增大时,霍尔电压UH应 ( )
A.不变 B.减小
C.增大 D.不确定
解析:由UH=k可得,保持通入的电流不变,当磁感应强度B增大时,UH增大。
全方位练明
√
2.某学校新装了一批节能路灯如图甲所示,该路灯通过光控开关实现自动控制:电灯的亮度可自动随周围环境的亮度改变而改变。如图乙为其内部电路简化原理图,电源电动势为E,内阻为r,R1为光敏电阻(光照强度增加时,其电阻值减小)。当随着傍晚到来光照逐渐减弱时,则下列判断正确的是 ( )
A.A灯变亮,B灯变暗
B.电源的效率变大
C.电源内阻消耗的功率变大
D.R1上电流的变化量等于R0上电流变化量
√
解析:光照逐渐减弱时,光敏电阻阻值增大,电路总电阻增大,总电流减小,内电压减小,外电压增大,A灯变亮;支路R0上的电流减小,R0上的电压减小,又因为外电压增大,所以B灯电压增大,所以B灯变亮,故A错误;因为外电阻变大,根据η===1-可知,电源的效率变大,故B正确;因为内电压减小,所以电源内阻消耗的功率变小,故C错误;对于支路R0,有ΔI0=ΔIB+ΔI1,其中ΔI0<0,ΔIB>0,所以|ΔI0|<|ΔI1|,故D错误。
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A级——基础达标
1.关于传感器工作的一般流程,以下选项中正确的是( )
A.非电学量→敏感元件→转换电路→电学量→转换元件
B.电学量→敏感元件→转换电路→转换元件→非电学量
C.非电学量→敏感元件→转换元件→转换电路→电学量
D.非电学量→转换电路→转换元件→敏感元件→电学量
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解析:传感器工作的一般流程为:非电学量被敏感元件感知,然后通过转换元件转换成电信号,再通过转换电路将此信号转换成易于传输或测量的电学量。故选C。
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2.(多选)人体含水量约为70%,水中有钠离子、钾离子等离子存在,因此容易导电,脂肪则不容易导电。当人两手握住脂肪测量仪的两把手时,就可知道人体脂肪所占的比例。下列说法中正确的是 ( )
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A.脂肪测量仪的工作原理是通过人体体重不同来判断人体脂肪所占的比例
B.脂肪测量仪的工作原理是通过人体的电阻不同来判断人体脂肪所占的比例
C.脂肪测量仪的工作原理是通过测量人体的体温来判断人体脂肪所占的比例
D.激烈运动之后,脂肪测量仪显示人体脂肪所占比例的测量数据会不准确
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解析:利用脂肪几乎不含水分,其导电性和其他成分不同,可以用测量人体电阻的办法来计算人体脂肪率,故A、C错误,B正确;激烈运动之后,人体内含水量和钠、钾等无机盐会有一部分流失,人体脂肪所占比例会发生变化,即人体的电阻大小变化,所以测量数据会不准确,故D正确。
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3.金属铂的电阻值对温度的高低非常“敏感”,所以可以利用铂的电阻随温度的升高而增大的性质制成铂电阻温度计,如图所示的I-U图像中能表示金属铂的电阻情况的是 ( )
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解析:根据电阻的定义式R=,可知,I-U图线上的点与坐标原点连线的斜率等于电阻的倒数,金属铂的电阻随温度的升高而增大,则图线上的点与坐标原点连线的斜率逐渐减小,图线是向下弯曲的曲线。故选C。
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4.有定值电阻、热敏电阻、光敏电阻三只元件分别接入
如图所示电路中A、B两点后,用黑纸包住元件置入热水中,
观察欧姆表的示数,下列说法正确的是 ( )
A.置入热水中与不置入热水中相比,欧姆表示数变化较大,这只元件一定是光敏电阻
B.置入热水中与不置入热水中相比,欧姆表示数不变化,这只元件一定是定值电阻
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C.用黑纸包住与不用黑纸包住相比,欧姆表示数变化较大,这只元件一定是光敏电阻
D.用黑纸包住与不用黑纸包住相比,欧姆表示数相同,这只元件一定是定值电阻
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解析:定值电阻阻值不随温度以及光照强度的变化而变化;热敏电阻阻值随温度的变化而变化;光敏电阻阻值随光照强度的变化而变化;置入热水中与不置入热水中相比,欧姆表示数变化较大,这只元件一定是热敏电阻,A错误;置入热水中与不置入热水中相比,欧姆表示数不变化,这只元件可能是定值电阻,也可能是光敏电阻,B错误;用黑纸包住与不用黑纸包住相比,欧姆表示数变化较大,这只元件一定是光敏电阻,C正确;用黑纸包住与不用黑纸包住相比,欧姆表示数相同,这只元件可能是定值电阻,也可能是热敏电阻,D错误。
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5.(2024·山东泰安高二检测)(多选)根据光敏电阻特性设计的自动计数器的电路图如图所示,其中R1为光敏电阻,R2为定值电阻,电源电动势和内阻恒定,信号处理系统会实时监测R2两端的电压,每获得一次低电压就记数一次。下列说法正确的是 ( )
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A.有光照射时R1的阻值比无光照射时小
B.有光照射时R1两端的电压比无光照射时大
C.有光照射时电源两端的电压比无光照射时小
D.有光照射时R2消耗的电功率比无光照射时小
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解析:由题图可知,每当光被挡住时,信号处理系统就获得一次低电压,则此时光敏电阻R1两端电压较大,阻值较大,故有光照射时R1的阻值比无光照射时小,有光照射时R1两端的电压比无光照射时小,故A正确,B错误;有光照射时,光敏电阻R1的阻值比无光照射时小,则外电路总阻值比无光照射时小,电源两端的电压比无光照射时小,故C正确;有光照射时,光敏电阻R1的阻值比无光照射时小,则电路总电阻比无光照射时小,电路总电流比无光照射时大,定值电阻R2消耗的电功率比无光照射时大,故D错误。
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6.交警使用的某型号酒精测试仪如图甲,其工作原理如图乙所示,传感器电阻R的电阻值随酒精气体浓度的增大而减小,电源的电动势为E、内阻为r,电路中的电表均为理想电表,且定值电阻R0=r。当一位酒驾驾驶员对着测试仪吹气时,下列说法中正确的是 ( )
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A.电压表的示数减小,电流表的示数减小
B.电压表的示数增大,电流表的示数增大
C.定值电阻功率增大
D.电源对外输出功率减小
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解析:当酒驾驾驶员对着测试仪吹气时,传感器电阻减小,电路中电流增大,电流表示数增大,内阻和R0的分压增大,则传感器电阻上的电压减小,电压表示数减小,故A、B错误;因电路中电流增大,故定值电阻功率增大,故C正确;当内、外电阻相等时,电源输出功率最大,当传感器电阻减小时,外电阻阻值接近内电阻,所以电源输出功率增大,故D错误。
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7.(多选)如图所示是用光敏电阻LDR和
灯泡制成的一种简易水污染指示器,下列说
法中正确的是 ( )
A.严重污染时,LDR是高电阻
B.轻度污染时,LDR是高电阻
C.无论污染程度如何,LDR的电阻不变,阻值大小由材料本身因素决定
D.该仪器的使用会因为白天和晚上受到影响
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解析:严重污染时,透过污水照到LDR上的光线较少,LDR电阻较大,A正确,B错误;LDR由半导体材料制成,受光照影响电阻会发生变化,C错误;白天和晚上自然光强弱不同,或多或少会影响LDR的电阻,D正确。
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8.(2024·齐齐哈尔高二检测)(多选)如图所示是霍尔元件
的工作原理示意图,磁场垂直于霍尔元件的工作面向上,通入
图示方向的电流I,C、D两侧面间会产生电势差,下列说法中正确的是 ( )
A.电势差的大小仅与磁感应强度有关
B.若霍尔元件的载流子是自由电子,则电势φC>φD
C.仅增大电流I时,电势差变大
D.在测定地球赤道上方的地磁场强弱时,霍尔元件的工作面应保持水平
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解析:CD间存在电势差,则CD之间就存在电场,载流子在电场力和洛伦兹力作用下处于平衡状态,设霍尔元件的长宽高分别为a、b、c,根据平衡条件有q=qvB,又I=nqvS=nqvbc,可得UCD=,n由材料决定,故UCD不仅与材料有关,还与厚度c成反比,同时还与磁感应强度B和电流I有关,A错误,C正确;根据左手定则,电子向D侧面偏转,D侧面带负电,C侧面带正电,所以C侧面的电势高,即有φC>φD,B正确;在测定地球赤道上方的地磁场强弱时,应将霍尔元件的工作面保持竖直,让磁场垂直通过霍尔元件,D错误。
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9.图甲是利用激光测转速的原理示意图,图中圆盘可绕固定轴转动,盘边缘侧面上有一小段涂有很薄的反光涂层。当盘转到某一位置时,接收器可以接收到反光涂层所反射的激光束,并将所接收到的光信号转变成电信号,在示波器显示屏上显示出来(如图乙所示)。若图乙中示波器显示屏横向的每大格(5小格)对应的时间为5.00×10-2 s,则圆盘的转速为________r/s。若测得圆盘直径为10.20 cm,则可求得圆盘侧面反光涂层的长度为______cm。(保留三位有效数字)
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答案:4.55 1.46
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解析:由题图乙可知一个周期对应4.4大格,所以T=4.4×5.00×10-2 s=0.22 s,故转速n=≈4.55 r/s。由题图乙可知反光时间t=0.2×5.00×10-2 s=1.00×10-2 s,由l=·t可得反光涂层长度l=×1.00×10-2 cm≈1.46 cm。
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B级——综合应用
10.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
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解析:根据qvB=q得,Um=Bdv,由电流的微观定义式I=neSv,n是单位体积内的载流子数,e是单个载流子所带的电量,S是导体的横截面积,v是载流子运动的速度,整理得v=,联立解得Um=,可知保持电流不变,霍尔电压Um与车速大小无关,故A错误;相同的路程,车速越快,所用时间越短,故B错误;由题意,如果在单位时间t=1 s内得到的脉冲数为N时,则自行车的转速为n0=,则车速为v=2πnR2==2πNR2,故C正确,D错误。
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11.(2024·湖北孝感高二检测)(多选)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,实验室某日的照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小
C.若将定值电阻的阻值变为20 kΩ,该天6:00后该系统即可工作
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短
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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阻值越小,该电路控制开关两端的电压越小,故A错误,B正确;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,该天系统工作时间段为0~6:00、18:00~24:00,故C错误;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正确。
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12.(2024·北京高二月考)(多选)某同学根据查阅到的某种热敏电阻的Rt-t特性曲线(如图1),设计了如图2所示的恒温箱温度控制电路。图2中,Rt为热敏电阻,R1为可变电阻,控制系统可视作R=200 Ω的电阻,电源的电动势E=9.0 V,内阻不计。当通过控制系统的电流小于2 mA时,加热系统将开启,为恒温箱加热;当通过控制系统的电流等于2 mA时,加热系统将关闭。下列说法正确的是 ( )
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A.若要使恒温箱内温度保持20 ℃,应将R1调为500 Ω
B.若要使恒温箱内温度升高,应将R1增大
C.若恒温箱内温度降低,通过控制系统的电流将减小
D.保持R1不变,通过控制系统的电流大小随恒温箱内的温度均匀变化
解析:通过控制系统的电流等于2 mA时,电路中的总电阻R总= Ω=
4 500 Ω,由题图甲可知,20 ℃时,热敏电阻的阻值为Rt1=4 000 Ω,若要使恒温箱内温度保持20 ℃,应将R1调为4 500 Ω-4 000 Ω-200 Ω=300 Ω,故A错误;
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由于加热系统关闭的电流临界值2 mA一定,即加热系统关闭的电路中临界的总电阻始终为4 500 Ω,可知若要使恒温箱内保持的温度值升高,即热敏电阻的阻值减小,则必须使R1增大,故B正确;若恒温箱内温度降低,热敏电阻阻值增大,通过控制系统的电流减小,故C正确;根据题图1可知,恒温箱内的温度与热敏电阻的阻值成线性关系,通过控制系统的电流I=,可知,通过控制系统的电流大小与热敏电阻的阻值不是线性关系,即保持R1不变,通过控制系统的电流大小随恒温箱内的温度不是均匀变化,故D错误。
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13.(2024·连云港高二调研)现代生物医学研究使用的细菌培养箱内的温度需要精确测控,测控的方法之一是用热敏电阻来探测温度。如图甲所示的电路,将热敏电阻R0置于细菌培养箱内(如图中虚线),其余元件都置于箱外,这样可以通过理想电流表、电压表的示数来表示箱内温度。已知随着箱内温度的改变,电压表和电流表示数如图乙所示,电源的电动势恒定、内阻忽略不计。热敏电阻随温度的变化图像如图丙所示,求:
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(1)电阻R的阻值;
答案:600 Ω
解析:根据题意,由题图乙可知,当I=0时U=16 V
则电源的电动势为E=16 V
当I=20 mA=0.02 A时,电阻R0两端的电压为U=4 V
由闭合回路欧姆定律有U=E-IR
解得R=600 Ω。
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(2)当培养箱内的温度为40 ℃时,电流表的示数;
答案:16 mA
解析:由题图丙可知,当培养箱内的温度为40 ℃时,热敏电阻的阻值为R0=400 Ω
由闭合回路欧姆定律有I1==0.016 A=16 mA。
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(3)已知电流表的量程是0~20 mA,电压表的量程是0~16 V,则此电路能够测量的最高温度约是多少 此时热敏电阻R0消耗的电功率是多大
答案:70 ℃ 0.08 W
解析:由题图丙可知,温度越高,R0阻值越小,则温度最高时,电路中电流最大,即电流表满偏,则有E=Ig(R0m+R)
代入数据解得R0m=200 Ω
由题图丙可知,此时温度为70 ℃,热敏电阻R0两端的电压为U1=IgR0m=4 V
则此时热敏电阻消耗的电功率为P=IgU1=0.08 W。
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4课时跟踪检测(十九) 常见传感器的工作原理
A级——基础达标
1．关于传感器工作的一般流程，以下选项中正确的是( )
A．非电学量→敏感元件→转换电路→电学量→转换元件
B．电学量→敏感元件→转换电路→转换元件→非电学量
C．非电学量→敏感元件→转换元件→转换电路→电学量
D．非电学量→转换电路→转换元件→敏感元件→电学量
2．(多选)人体含水量约为70%，水中有钠离子、钾离子等离子存在，因此容易导电，脂肪则不容易导电。当人两手握住脂肪测量仪的两把手时，就可知道人体脂肪所占的比例。下列说法中正确的是( )
A．脂肪测量仪的工作原理是通过人体体重不同来判断人体脂肪所占的比例
B．脂肪测量仪的工作原理是通过人体的电阻不同来判断人体脂肪所占的比例
C．脂肪测量仪的工作原理是通过测量人体的体温来判断人体脂肪所占的比例
D．激烈运动之后，脂肪测量仪显示人体脂肪所占比例的测量数据会不准确
3．金属铂的电阻值对温度的高低非常“敏感”，所以可以利用铂的电阻随温度的升高而增大的性质制成铂电阻温度计，如图所示的I U图像中能表示金属铂的电阻情况的是( )
4.有定值电阻、热敏电阻、光敏电阻三只元件分别接入如图所示电路中A、B两点后，用黑纸包住元件置入热水中，观察欧姆表的示数，下列说法正确的是( )
A．置入热水中与不置入热水中相比，欧姆表示数变化较大，这只元件一定是光敏电阻
B．置入热水中与不置入热水中相比，欧姆表示数不变化，这只元件一定是定值电阻
C．用黑纸包住与不用黑纸包住相比，欧姆表示数变化较大，这只元件一定是光敏电阻
D．用黑纸包住与不用黑纸包住相比，欧姆表示数相同，这只元件一定是定值电阻
5．(2024·山东泰安高二检测)(多选)根据光敏电阻特性设计的自动计数器的电路图如图所示，其中R1为光敏电阻，R2为定值电阻，电源电动势和内阻恒定，信号处理系统会实时监测R2两端的电压，每获得一次低电压就记数一次。下列说法正确的是( )
A．有光照射时R1的阻值比无光照射时小
B．有光照射时R1两端的电压比无光照射时大
C．有光照射时电源两端的电压比无光照射时小
D．有光照射时R2消耗的电功率比无光照射时小
6．交警使用的某型号酒精测试仪如图甲，其工作原理如图乙所示，传感器电阻R的电阻值随酒精气体浓度的增大而减小，电源的电动势为E、内阻为r，电路中的电表均为理想电表，且定值电阻R0＝r。当一位酒驾驾驶员对着测试仪吹气时，下列说法中正确的是( )
A．电压表的示数减小，电流表的示数减小
B．电压表的示数增大，电流表的示数增大
C．定值电阻功率增大
D．电源对外输出功率减小
7．(多选)如图所示是用光敏电阻LDR和灯泡制成的一种简易水污染指示器，下列说法中正确的是( )
A．严重污染时，LDR是高电阻
B．轻度污染时，LDR是高电阻
C．无论污染程度如何，LDR的电阻不变，阻值大小由材料本身因素决定
D．该仪器的使用会因为白天和晚上受到影响
8．(2024·齐齐哈尔高二检测)(多选)如图所示是霍尔元件的工作原理示意图，磁场垂直于霍尔元件的工作面向上，通入图示方向的电流I，C、D两侧面间会产生电势差，下列说法中正确的是( )
A．电势差的大小仅与磁感应强度有关
B．若霍尔元件的载流子是自由电子，则电势φC＞φD
C．仅增大电流I时，电势差变大
D．在测定地球赤道上方的地磁场强弱时，霍尔元件的工作面应保持水平
9．图甲是利用激光测转速的原理示意图，图中圆盘可绕固定轴转动，盘边缘侧面上有一小段涂有很薄的反光涂层。当盘转到某一位置时，接收器可以接收到反光涂层所反射的激光束，并将所接收到的光信号转变成电信号，在示波器显示屏上显示出来(如图乙所示)。若图乙中示波器显示屏横向的每大格(5小格)对应的时间为5.00×10－2 s，则圆盘的转速为______r/s。若测得圆盘直径为10.20 cm，则可求得圆盘侧面反光涂层的长度为________cm。(保留三位有效数字)
B级——综合应用
10．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( )
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
11．(2024·湖北孝感高二检测)(多选)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，实验室某日的照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小
C．若将定值电阻的阻值变为20 kΩ，该天6：00后该系统即可工作
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短
12．(2024·北京高二月考)(多选)某同学根据查阅到的某种热敏电阻的Rt t特性曲线(如图1)，设计了如图2所示的恒温箱温度控制电路。图2中，Rt为热敏电阻，R1为可变电阻，控制系统可视作R＝200 Ω的电阻，电源的电动势E＝9.0 V，内阻不计。当通过控制系统的电流小于2 mA时，加热系统将开启，为恒温箱加热；当通过控制系统的电流等于2 mA时，加热系统将关闭。下列说法正确的是( )
A．若要使恒温箱内温度保持20 ℃，应将R1调为500 Ω
B．若要使恒温箱内温度升高，应将R1增大
C．若恒温箱内温度降低，通过控制系统的电流将减小
D．保持R1不变，通过控制系统的电流大小随恒温箱内的温度均匀变化
13．(2024·连云港高二调研)现代生物医学研究使用的细菌培养箱内的温度需要精确测控，测控的方法之一是用热敏电阻来探测温度。如图甲所示的电路，将热敏电阻R0置于细菌培养箱内(如图中虚线)，其余元件都置于箱外，这样可以通过理想电流表、电压表的示数来表示箱内温度。已知随着箱内温度的改变，电压表和电流表示数如图乙所示，电源的电动势恒定、内阻忽略不计。热敏电阻随温度的变化图像如图丙所示，求：
(1)电阻R的阻值；
(2)当培养箱内的温度为40 ℃时，电流表的示数；
(3)已知电流表的量程是0～20 mA，电压表的量程是0～16 V，则此电路能够测量的最高温度约是多少？此时热敏电阻R0消耗的电功率是多大？
课时跟踪检测(十九)
1．选C 传感器工作的一般流程为：非电学量被敏感元件感知，然后通过转换元件转换成电信号，再通过转换电路将此信号转换成易于传输或测量的电学量。故选C。
2．选BD 利用脂肪几乎不含水分，其导电性和其他成分不同，可以用测量人体电阻的办法来计算人体脂肪率，故A、C错误，B正确；激烈运动之后，人体内含水量和钠、钾等无机盐会有一部分流失，人体脂肪所占比例会发生变化，即人体的电阻大小变化，所以测量数据会不准确，故D正确。
3．选C 根据电阻的定义式R＝，可知，I U图线上的点与坐标原点连线的斜率等于电阻的倒数，金属铂的电阻随温度的升高而增大，则图线上的点与坐标原点连线的斜率逐渐减小，图线是向下弯曲的曲线。故选C。
4．选C 定值电阻阻值不随温度以及光照强度的变化而变化；热敏电阻阻值随温度的变化而变化；光敏电阻阻值随光照强度的变化而变化；置入热水中与不置入热水中相比，欧姆表示数变化较大，这只元件一定是热敏电阻，A错误；置入热水中与不置入热水中相比，欧姆表示数不变化，这只元件可能是定值电阻，也可能是光敏电阻，B错误；用黑纸包住与不用黑纸包住相比，欧姆表示数变化较大，这只元件一定是光敏电阻，C正确；用黑纸包住与不用黑纸包住相比，欧姆表示数相同，这只元件可能是定值电阻，也可能是热敏电阻，D错误。
5．选AC 由题图可知，每当光被挡住时，信号处理系统就获得一次低电压，则此时光敏电阻R1两端电压较大，阻值较大，故有光照射时R1的阻值比无光照射时小，有光照射时R1两端的电压比无光照射时小，故A正确，B错误；有光照射时，光敏电阻R1的阻值比无光照射时小，则外电路总阻值比无光照射时小，电源两端的电压比无光照射时小，故C正确；有光照射时，光敏电阻R1的阻值比无光照射时小，则电路总电阻比无光照射时小，电路总电流比无光照射时大，定值电阻R2消耗的电功率比无光照射时大，故D错误。
6．选C 当酒驾驾驶员对着测试仪吹气时，传感器电阻减小，电路中电流增大，电流表示数增大，内阻和R0的分压增大，则传感器电阻上的电压减小，电压表示数减小，故A、B错误；因电路中电流增大，故定值电阻功率增大，故C正确；当内、外电阻相等时，电源输出功率最大，当传感器电阻减小时，外电阻阻值接近内电阻，所以电源输出功率增大，故D错误。
7．选AD 严重污染时，透过污水照到LDR上的光线较少，LDR电阻较大，A正确，B错误；LDR由半导体材料制成，受光照影响电阻会发生变化，C错误；白天和晚上自然光强弱不同，或多或少会影响LDR的电阻，D正确。
8．选BC CD间存在电势差，则CD之间就存在电场，载流子在电场力和洛伦兹力作用下处于平衡状态，设霍尔元件的长宽高分别为a、b、c，根据平衡条件有q＝qvB，又I＝nqvS＝nqvbc，可得UCD＝，n由材料决定，故UCD不仅与材料有关，还与厚度c成反比，同时还与磁感应强度B和电流I有关，A错误，C正确；根据左手定则，电子向D侧面偏转，D侧面带负电，C侧面带正电，所以C侧面的电势高，即有φC＞φD，B正确；在测定地球赤道上方的地磁场强弱时，应将霍尔元件的工作面保持竖直，让磁场垂直通过霍尔元件，D错误。
9．解析：由题图乙可知一个周期对应4.4大格，所以T＝4.4×5.00×10－2 s＝0.22 s，故转速n＝≈4.55 r/s。由题图乙可知反光时间t＝0.2×5.00×10－2 s＝1.00×10－2 s，由l＝·t可得反光涂层长度l＝×1.00×10－2 cm≈1.46 cm。
答案：4.55 1.46
10．选C 根据qvB＝q得，Um＝Bdv，由电流的微观定义式I＝neSv，n是单位体积内的载流子数，e是单个载流子所带的电量，S是导体的横截面积，v是载流子运动的速度，整理得v＝，联立解得Um＝，可知保持电流不变，霍尔电压Um与车速大小无关，故A错误；相同的路程，车速越快，所用时间越短，故B错误；由题意，如果在单位时间t＝1 s内得到的脉冲数为N时，则自行车的转速为n0＝，则车速为v＝2πnR2＝＝2πNR2，故C正确，D错误。
11．选BD 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阻值越小，该电路控制开关两端的电压越小，故A错误，B正确；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，该天系统工作时间段为0～6：00、18：00～24：00，故C错误；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正确。
12．选BC 通过控制系统的电流等于2 mA时，电路中的总电阻R总＝ Ω＝4 500 Ω，由题图甲可知，20 ℃时，热敏电阻的阻值为Rt1＝4 000 Ω，若要使恒温箱内温度保持20 ℃，应将R1调为4 500 Ω－4 000 Ω－200 Ω＝300 Ω，故A错误；由于加热系统关闭的电流临界值2 mA一定，即加热系统关闭的电路中临界的总电阻始终为4 500 Ω，可知若要使恒温箱内保持的温度值升高，即热敏电阻的阻值减小，则必须使R1增大，故B正确；若恒温箱内温度降低，热敏电阻阻值增大，通过控制系统的电流减小，故C正确；根据题图1可知，恒温箱内的温度与热敏电阻的阻值成线性关系，通过控制系统的电流I＝，可知，通过控制系统的电流大小与热敏电阻的阻值不是线性关系，即保持R1不变，通过控制系统的电流大小随恒温箱内的温度不是均匀变化，故D错误。
13．解析：(1)根据题意，由题图乙可知，当I＝0时U＝16 V
则电源的电动势为E＝16 V
当I＝20 mA＝0.02 A时，电阻R0两端的电压为U＝4 V
由闭合回路欧姆定律有U＝E－IR
解得R＝600 Ω。
(2)由题图丙可知，当培养箱内的温度为40 ℃时，热敏电阻的阻值为R0＝400 Ω
由闭合回路欧姆定律有I1＝＝0.016 A＝16 mA。
(3)由题图丙可知，温度越高，R0阻值越小，则温度最高时，电路中电流最大，即电流表满偏，则有E＝Ig(R0m＋R)
代入数据解得R0m＝200 Ω
由题图丙可知，此时温度为70 ℃，热敏电阻R0两端的电压为U1＝IgR0m＝4 V
则此时热敏电阻消耗的电功率为P＝IgU1＝0.08 W。
答案：(1)600 Ω (2)16 mA (3)70 ℃ 0.08 W
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