（一）本章知识网络
（二）本章核心素养解析
一、科学思维——传感器的工作原理
1．传感器的工作原理
传感器感受的通常是非电学量，如力、热、磁、光、声等，而它输出的通常是电学量，这些输出信号是非常微弱的，通常要经过放大后，再送给控制系统产生各种控制动作，传感器原理如框图所示：
→→→→
2．传感器的应用
传感器的应用过程包括三个环节：感、传、用
(1)“感”是指传感器的敏感元件感受信息。
(2)“传”是指通过电路等将传感器敏感元件获取的信息传给执行机构。
(3)“用”是指执行机构利用传感器传来的信息进行某种显示或某种动作。
(4)传感器应用的一般模式
【例1】美国科学家Willard S. Boyle与George E．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
【答案】BC
【例2】如图所示，导电物质为电子的霍尔元件位于两串联线圈之间，线圈中电流为I，线圈间产生匀强磁场，磁感应强度大小B与I成正比，方向垂直于霍尔元件的两侧面，此时通过霍尔元件的电流为IH，与其前后表面相连的电压表测出的霍尔电压UH满足：UH＝k，式中k为霍尔系数，d为霍尔元件两侧面间的距离。电阻R远大于RL，霍尔元件的电阻可以忽略，则 ( )
A．霍尔元件前表面的电势低于后表面
B．若电源的正负极对调，电压表将反偏
C．IH与I成正比
D．电压表的示数与RL消耗的电功率成正比
【答案】CD
【解析】电子在霍尔元件中受到向里的洛伦兹力作用，故霍尔元件前表面的电势要高于后表面的电势，选项A错误；若电源的正负极对调，则磁感应强度B的方向及霍尔元件的电流方向都将反向，电子在霍尔元件中受到的洛伦兹力仍向里，前表面的电势仍高于后表面的电势，电压表不会反偏，选项B错误；根据电路连接方式知，电流IH＝I，故电流IH与I成正比，选项C正确；因为IH和B都与I成正比，由UH＝k知，UH与I2成正比，因为电阻R?RL，故流过电阻RL的电流可认为是干路电流I，其消耗的电功率为PL＝I2RL，综上所述可得UH与PL成正比，选项D正确。
二、科学探究——常见的传感器
1．几种传感器及与其相联系的物理知识，如下表
传感器种类
敏感元件
与之相联系的物理知识
光电传感器
光敏电阻
直流电路动态分析
温度传感器
热敏电阻
直流电路问题
力传感器
压敏电阻等
力学、运动学与直流电路
电容传感器
电容
力、运动与含容电路
2.几种常见的传感器
(1)红外线传感器：常用于家电遥控器、红外测温仪、生命探测器、自动门等。
(2)压力传感器：常用于电子秤、水位控制器等装置。
(3)温度传感器：主要元件是热敏电阻或金属热电阻，常用于恒温箱、电饭锅等家用电器。
(4)光电传感器：主要元件是光敏电阻、光电管等，常用于火灾报警器、光控开关等。
(5)酒精浓度传感器：测量呼气的酒精含量就可以判断其饮酒程度，交通警察使用这样的酒精传感器就能迅速、准确地检查出机动车驾驶员是否酒后驾车。
【例3】(2014·新课标全国Ⅰ，22)某同学利用图(a)所示实验装置及数字化信息系统获得了小车加速度a与钩码的质量m的对应关系图，如图(b)所示。实验中小车(含发射器)的质量为200g，实验时选择了不可伸长的轻质细绳和轻定滑轮，小车的加速度由位移传感器及与之相连的计算机得到，回答下列问题：
(1)根据该同学的结果，小车的加速度与钩码的质量成________(填“线性”或“非线性”)关系。
(2)由图(b)可知，a－m图线不经过原点，可能的原因是________。
(3)若利用本实验装置来验证“在小车质量不变的情况下，小车的加速度与作用力成正比”的结论，并直接以钩码所受重力mg作为小车受到的合外力，则实验中应采取的改进措施是________。钩码的质量应满足的条件是________。
【答案】 (1)非线性(2)存在摩擦力(3)调节轨道的倾斜度以平衡摩擦力 远小于小车的质量
【例4】用对温度敏感的半导体材料制成的某热敏电阻RT，在给定温度范围内，其阻值随温度的变化是非线性的。某同学将RT和两个适当的固定电阻R1、R2连成图1虚线框内所示的电路，以使该电路的等效电阻RL的阻值随RT所处环境温度的变化近似为线性的，且具有合适的阻值范围。为了验证这个设计，他采用伏安法测量在不同温度下RL的阻值，测量电路如图1所示，图中的电压表内阻很大。RL的测量结果如下表所示。
回答下列问题：
(1)根据图1所示的电路，在图2所示的实物图上连线。
(2)为了检验RL与温度t之间近似为线性关系，在坐标纸上作RL－t关系图线。
(3)在某一温度下，电路中的电流表、电压表的示数如图3、4所示。电流表的读数为________，电压表的读数为________。此时等效电阻RL的阻值为________；热敏电阻所处环境的温度约为________。
【答案】(1)(2)见解析(3)115mA 5.00V 43.5Ω 64.0℃
【解析】(1)根据电路图连接实物图；
(2)根据数据描出点，作出直线；
第Ⅰ部分 选择题
一、选择题：本题共10小题。将正确答案填写在题干后面的括号里。
1．关于传感器及其作用，下列说法正确的是( )
A．传感器一定是把非电学量转换为电学量
B．传感器一定是把非电学量转换为电路的通断
C．传感器把非电学量转换为电学量是为了方便地进行测量、传输、处理和控制
D．电磁感应是把磁学的量转换为电学的量，所以电磁感应也是传感器
【答案】C
2．下列说法正确的是 ( )
A．电饭锅中的温度传感器的主要元件是氧化铁
B．氧化铁在常温下具有铁磁性，温度很高时失去铁磁性
C．用电饭锅烧水，水开时能自动断电
D．用电饭锅煮饭时，若温控开关自动断电后，它不能自动复位
【答案】D
【解析】电饭锅的主要元件为感温铁氧体，它在103℃时失去铁磁性。选项A、B均错；用电饭锅烧水时，在标准大气压下，水温最高为100℃，电饭锅不会自动弹开，若无人控制，则会直到水全部蒸发后才会断开，选项C错；电饭锅开关自动断电后只能手动复位，选项D正确。
3．用遥控器调换电视频道的过程，实际上就是传感器把光信号转化为电信号的过程。下列利用这类传感器的是( )
A．红外报警装置
B．走廊照明灯的声控开关
C．自动洗衣机中的压力传感装置
D．电饭煲中控制加热和保温的温控器
【答案】A
【解析】A项为光电传感器，B项为声电传感器，C项为力电传感器，D项为热电传感器，选项A正确。
4．下列关于传感器的说法中正确的是( )
A．霍尔元件能够把电学量转换为磁学量
B．干簧管是一种能够感知电场的传感器
C．电子秤应用的是光传感器
D．电饭锅通过温度传感器实现温度的自动控制
【答案】D
【解析】霍尔元件能够把磁感应强度这个磁学量转换为电压这个电学量，A错误；干簧管是一种能够感知磁场的传感器，能起到开关作用，B错误；电子秤应用的是力传感器，C错误；D正确。
5．如图所示的实验电路中，电源两端的电压恒定，L为小灯泡，R为光敏电阻，D为发光二极管(电流越大，发出的光越强)，且R与D相距很近，下列说法正确的是( )
A．当滑动触头P向左移动时，L消耗的功率增大
B．当滑动触头P向左移动时，L消耗的功率减小
C．当滑动触头P向右移动时，L消耗的功率可能不变
D．无论怎样移动触头P，L消耗的功率都不变
【答案】A
6．如图所示为一测定液面高低的传感器示意图，A为固定的导体芯，B为导体芯外面的一层绝缘物质，C为导电液体，把传感器接到图示电路中，已知灵敏电流表指针偏转方向与电流方向相同。如果发现指针正向右偏转，则导电液体深度h的变化为( )
A．正在增大 B．正在减小
C．不变 D．无法确定
【答案】B
【解析】由电源极性及电流方向可知，A、B构成的电容器上的电荷量减小，据C＝，电容C在减小，可推知正对面积S减小，即h在减小，选项B正确。
7．为了保证行车安全和乘客身体健康，动车上装有烟雾报警装置，其原理如图所示，M为烟雾传感器，其阻值RM随着烟雾浓度的改变而变化，电阻R为可变电阻，车厢内有人抽烟时，烟雾浓度增大，导致S两端的电压增大，装置发出警报。下列说法正确的是( )
图6213
A．RM随烟雾浓度的增大而增大
B．RM随烟雾浓度的增大而减小
C．若要提高报警灵敏度可增大R
D．若要提高报警灵敏度可减小R
【答案】BC
8．如图所示，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( )
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
【答案】C
【解析】R2与灯L并联后与R1串联，与电流表构成闭合电路，当热敏电阻温度降低时，电阻R2增大，外电路电阻增大，电流表读数减小，灯L电压增大，灯泡亮度变强，R1两端电压减小，故C正确。
9．如图所示是模拟路灯的光控电路，RG为光敏电阻，LED为发光二极管，为实现LED天暗时发光、天亮时熄灭，下列说法中正确的是( )
A．虚线框内的元件是“与”门
B．虚线框内的元件是“或”门
C．要求在天更暗时路灯才亮，应该将R的阻值调大些
D．要求在天更暗时路灯才亮，应该将R的阻值调小些
【答案】BC
10．如图所示是家用电冰箱的压缩启动装置的电路。其中的运行绕组是电冰箱在工作时的电动机定子，由于家用交流电是单相的，启动时必须依靠启动绕组的帮助才能产生旋转磁场。在启动绕组的支路中串联有一个PTC元件，这是一种以钛酸钡为主要材料的热敏电阻器。电流流过PTC元件，元件发热，它的电阻率随温度升高而发生显著变化，当电动机转动起来正常以后，PTC元件温度较高，电阻很大，启动绕组电流很小。则以下判断正确的是( )
①电冰箱的电动机启动时比正常工作时耗电少
②电冰箱的电动机正常工作时比启动时耗电少
③电冰箱启动后，启动绕组功率不变，运行绕组功率是变化的
④电冰箱启动后，启动绕组功率是变化的，运行绕组功率不变
A．①③ B．②④ C．①④ D．②③
【答案】B
【解析】启动时，由于PTC元件温度低电阻小，故耗电多，②正确；启动后，随PTC元件温度升高，PTC元件电阻增大，通过启动绕组的电流减小，故启动绕组功率是变化的，而运行绕组电压不变，故功率不变，则④正确，应该选B选项。
第Ⅱ部分 非选择题
二、非选择题：本题4个小题。将符合题意的内容填写在题目中的横线上，或按题目要求作答。解答应写出必要的文字说明、方程式和重要的演算步骤，只写出最后答案的不能得分；有数值计算的题，答案中必须明确写出数值和单位。
11．如图所示，两块水平放置的金属板距离为d，用导线、开关K与一个n匝的线圈连接，线圈置于方向竖直向上的变化磁场B中。两板间放一台小压力传感器，压力传感器上表面静止放置一个质量为m、电荷量为＋q的小球。K断开时传感器上有示数，K闭合时传感器上恰好无示数。则线圈中的磁场B的变化情况为________，磁通量变化率＝________ 。
【答案】正在增加，
12．如图甲所示，为热敏电阻的R-t图象，图乙为用此热敏电阻R和继电器组成的一个简单恒温箱温控电路，继电器的电阻为100 Ω。当线圈的电流大于或等于20 mA时，继电器的衔铁被吸合。为继电器线圈供电的电池的电动势E＝9.0 V，内阻可以不计。图中的“电源”是恒温箱加热器的电源。则
(1)应该把恒温箱内的加热器接在________(填“A、B端”或“C、D端”)。
(2)如果要使恒温箱内的温度保持50℃，可变电阻R′的阻值应调节为________ Ω。
【答案】(1)A、B端 (2)260
【解析】(1)恒温箱内的加热器应接在A、B端。当线圈中的电流较小时，继电器的衔铁在上方，恒温箱的加热器处于工作状态，恒温箱内温度升高。
随着恒温箱内温度升高，热敏电阻R的阻值变小，则线圈中的电流变大，当线圈中的电流大于或等于20 mA时，继电器的衔铁被吸到下方来，则恒温箱加热器与电源断开，加热器停止工作，恒温箱内温度降低。
随着恒温箱内温度降低，热敏电阻R的阻值变大，则线圈中的电流变小，当线圈的电流小于20 mA时，继电器的衔铁又被释放到上方，则恒温箱加热器又开始工作，这样就可以使恒温箱内保持在某一温度。
(2)要使恒温箱内的温度保持50℃，即50℃时线圈内的电流为20 mA。由闭合电路欧姆定律I＝，r为继电器的电阻。由图甲可知，50℃时热敏电阻的阻值为90 Ω，所以R′＝－R－r＝260 Ω。
13．如图所示，有电流I流过长方体金属块，金属块宽度为d，高为b，有一磁感应强度为B的匀强磁场垂直于金属块前表面向里，金属块单位体积内的自由电子数为n，试问金属块上、下表面电势差是多少？
【答案】
14．如图所示是一种悬球式加速度仪，它可以用来测定沿水平轨道运动的列车的加速度，m是一个金属球，它系在金属丝的下端，金属丝的上端悬挂在O点，AB是一根长为l的电阻丝，其阻值为R。金属丝与电阻丝接触良好，摩擦不计，电阻丝的中点C焊接一根导线，从O点也引出一根导线，两线之间接入一个电压表 V(金属丝和导线电阻不计)，图中虚线OC与AB相垂直，且OC＝h，电阻丝AB接在电压为U的直流稳压电源上，整个装置固定在列车中使AB沿着车前进的方向，列车静止时金属丝呈竖直状态，当列车加速或减速前进时，金属线将偏离竖直方向，从电压表的读数变化可以测出加速度的大小。
(1)当列车向右做匀加速运动时，试写出加速度a与电压表读数U′的对应关系，以便重新刻制到电压表表面使它成为直读加速度数值的加速度计；
(2)这个装置测得的最大加速度a为多少？
【答案】(1)a＝U′ (2)
(2)加速度最大时D移到A点，U′＝，所以amax＝
