高考物理一輪復(fù)習(xí) 第十章 第3節(jié) 傳感器及其應(yīng)用講義（含解析）-人教版高三物理試題

傳感器及其應(yīng)用1．傳感器：有這樣一類元件，能夠感受諸如力、溫度、光、聲、化學(xué)成分等非電學(xué)量，并把它們按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)化為電壓、電流等電學(xué)量，或轉(zhuǎn)化為電路的通斷。2．光敏電阻：光敏電阻是把光照強(qiáng)弱這個光學(xué)量轉(zhuǎn)換為電阻這一電學(xué)量的元件。通常是由硫化鎘等半導(dǎo)體材料制成，其特點(diǎn)是光照變強(qiáng)，電阻變小。3．金屬熱電阻和熱敏電阻：金屬熱電阻是由鉑、銅等金屬材料制成，其特點(diǎn)是溫度升高，電阻變大；熱敏電阻是由半導(dǎo)體材料制成，其特點(diǎn)是溫度升高，電阻變小。它們都能夠把溫度這個熱學(xué)量轉(zhuǎn)化為電阻這個電學(xué)量。4．霍爾元件：通常是由半導(dǎo)體元件制成，其產(chǎn)生的霍爾電壓UH＝keq\f(IB,d)?；魻栐馨汛鸥袘?yīng)強(qiáng)度這一磁學(xué)量轉(zhuǎn)換為電壓這個電學(xué)量。5．力傳感器：典型的應(yīng)用是電子秤，其中的主要元件為應(yīng)變片，它的作用是將物體形變這一力學(xué)量轉(zhuǎn)化為電壓這一電學(xué)量。6．溫度傳感器：典型的應(yīng)用是日光燈啟動器和電熨斗，其中的主要元件為雙金屬片。日光燈啟動器中的雙金屬片，其外層材料的熱膨脹系數(shù)小于內(nèi)層材料的熱膨脹系數(shù)。電熨斗的工作原理(如圖)：雙金屬片上層金屬的熱膨脹系數(shù)大于下層，常溫下，彈性銅片和雙金屬片觸點(diǎn)是接觸的，通電后，電熱絲發(fā)熱，當(dāng)溫度升高到某一值時，雙金屬片上層的金屬受熱膨脹，形變量大于下層金屬，雙金屬片向下彎曲，使觸點(diǎn)分離，切斷電路；隨著溫度的降低，當(dāng)降到某一溫度時，雙金屬片收縮恢復(fù)原狀，兩觸點(diǎn)又接觸，接通電路。調(diào)溫旋鈕下壓彈性銅片，可使觸點(diǎn)分離的溫度升高；上提彈性銅片，可降低觸點(diǎn)的分離溫度，從而實現(xiàn)了調(diào)溫控制。7．感溫鐵氧體：也叫感溫磁體。常溫下具有鐵磁性，能夠被磁體吸引，當(dāng)溫度上升到約103℃時，就失去鐵磁性，不能被磁體吸引了。這個溫度在物理學(xué)中稱為該材料的“居里溫度”或“居里點(diǎn)”。8．電飯鍋：結(jié)構(gòu)圖如圖所示。其工作過程：開始煮飯時壓下開關(guān)按鈕，由于常溫下感溫鐵氧體具有磁性，永磁體將吸引感溫磁體，因此手松開后這個按鈕不會恢復(fù)到圖示位置，則觸點(diǎn)接觸，電路接通，這時電飯鍋處于加熱狀態(tài)。當(dāng)水沸騰時，水的溫度保持沸點(diǎn)不變，故感溫磁體仍與永磁體相吸，繼續(xù)加熱。當(dāng)飯熟后，水分被大米吸收，鍋底的溫度上升，當(dāng)溫度超過103℃時，感溫磁鐵失去鐵磁性，由于彈簧的作用，按鈕開關(guān)將恢復(fù)到如圖所示的位置，切斷電源，從而停止加熱。9.光傳感器：光傳感器是將光信號轉(zhuǎn)化為電信號的裝置，實際應(yīng)用有鼠標(biāo)器和火災(zāi)報警器等。煙霧式火災(zāi)報警器是利用煙霧對光的散射來工作的。罩內(nèi)裝有發(fā)光二極管、光電三極管和不透明的擋板。平時光電三極管收不到發(fā)光二極管發(fā)出的光，呈高電阻狀態(tài)。當(dāng)煙霧進(jìn)入罩內(nèi)后對光有散射作用，使部分光線照射到光電三極管上，其電阻變小，與傳感器連接的電路檢測出這種變化，就會發(fā)出警報。突破點(diǎn)(一)熱敏電阻的特征熱敏電阻是用半導(dǎo)體材料制成的，一般分為正溫度系數(shù)熱敏電阻(簡稱PTC)和負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻(NTC)，區(qū)別在于正溫度系數(shù)熱敏電阻阻值隨溫度的升高而變大，負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻阻值隨溫度的升高而變小。高中重點(diǎn)掌握的是負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻，如果題目沒有特殊說明，一般認(rèn)為是負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻。其電阻隨溫度變化的曲線如圖所示。[題點(diǎn)全練]1.如圖所示，將多用電表的選擇開關(guān)置于“歐姆”擋，再將電表的兩支表筆與負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻的兩端相連，這時表針恰好指在刻度盤的正中間。若往Rt上擦一些酒精，表針將向________(填“左”或“右”)轉(zhuǎn)動；若用吹風(fēng)機(jī)向Rt吹熱風(fēng)，表針將向________(填“左”或“右”)轉(zhuǎn)動。解析：熱敏電阻為負(fù)溫度系數(shù)的特性。若往上擦一些酒精，由于酒精蒸發(fā)吸熱，熱敏電阻溫度降低，電阻值增大，所以電流減少，指針應(yīng)向左偏；用吹風(fēng)機(jī)將熱風(fēng)吹向電阻，電阻溫度升高，電阻值減小，電流增大，指針向右偏。答案：左右2．(2019·如東檢測)某溫控電路的原理如圖所示，RM是半導(dǎo)體熱敏電阻，R是滑動變阻器，某種儀器要求在15℃～27℃的環(huán)境中工作，當(dāng)環(huán)境溫度偏高或偏低時，控制器會自動啟動降溫或升溫設(shè)備。下列說法中正確的是()A．環(huán)境溫度降低，RM的阻值減小B．環(huán)境溫度升高，Uab變大C．滑片P向下移動時，Uab變大D．調(diào)節(jié)滑片P的位置能改變降溫和升溫設(shè)備啟動時的臨界溫度解析：選DRM是半導(dǎo)體熱敏電阻，環(huán)境溫度降低時，RM的阻值增大，故A錯誤；環(huán)境溫度升高時，RM的阻值減小，根據(jù)串聯(lián)電路中電壓與電阻成正比，可以知道Uab變小，故B錯誤；滑片P向下移動時，R增大，總電流減小，則Uab變小，故C錯誤；調(diào)節(jié)滑片P時，可改變Uab，從而改變升溫和降溫設(shè)備啟動時的臨界溫度，所以D選項是正確的。突破點(diǎn)(二)霍爾電壓UH的公式推導(dǎo)對高中階段而言，我們所涉及的載流子一般取自由電子分析。一個矩形半導(dǎo)體薄片，在其前、后、左、右分別引出一個電極，如圖所示。沿PQ方向通入電流，垂直于薄片加勻強(qiáng)磁場B，則在MN間會出現(xiàn)電壓。設(shè)薄片厚度為d，PQ方向長度為l，MN方向長度為a，薄片中的載流子受到磁場力發(fā)生偏轉(zhuǎn)，使M側(cè)電勢高于N側(cè)，造成半導(dǎo)體內(nèi)部出現(xiàn)電場，帶電粒子同時受到靜電力作用。當(dāng)磁場力與靜電力平衡時，MN間的電壓達(dá)到恒定。設(shè)材料單位體積的載流子數(shù)目為n，載流子的電荷量為e，可以列出I＝neSv＝neadv，qvB＝qeq\f(UH,a)，求解可得UH＝eq\f(IB,ned)。取霍爾系數(shù)k＝eq\f(1,ne)，得UH＝keq\f(IB,d)。對任一霍爾元件而言，k、d為定值，如果保持I恒定。UH與B成正比，只要求出UH，就可以得出B，這就是霍爾元件能把磁感應(yīng)強(qiáng)度這一磁學(xué)量轉(zhuǎn)換成電學(xué)量的原因。[題點(diǎn)全練]1．[多選](2018·揚(yáng)州模擬)如圖所示，一絕緣容器內(nèi)部為長方體空腔，容器內(nèi)盛有NaCl的水溶液，容器上下端裝有鉑電極A和C，置于與容器表面垂直的勻強(qiáng)磁場中，開關(guān)K閉合前容器兩側(cè)P、Q兩管中液面等高，閉合開關(guān)后()A．M處鈉離子濃度大于N處鈉離子濃度B．M處氯離子濃度小于N處氯離子濃度C．M處電勢高于N處電勢D．P管中液面高于Q管中液面解析：選AD依據(jù)正離子的定向移動方向與電流方向相同，而負(fù)離子移動方向與電流方向相反，根據(jù)左手定則可知，正、負(fù)離子均向M處偏轉(zhuǎn)，因此電勢相等，故A正確，B、C錯誤；當(dāng)開關(guān)閉合時，液體中有從A到C方向的電流，根據(jù)左手定則可知，液體將受到向M的安培力作用，在液面內(nèi)部將產(chǎn)生壓強(qiáng)，因此P管中的液面將比Q管中的高，故D正確。2．電動自行車是一種應(yīng)用廣泛的交通工具，其速度控制是通過轉(zhuǎn)動右把手實現(xiàn)的，這種轉(zhuǎn)動把手稱為“霍爾轉(zhuǎn)把”，屬于傳感器非接觸控制。轉(zhuǎn)把內(nèi)部有永久磁鐵和霍爾器件等，截面如圖甲。永久磁鐵的左右兩側(cè)分別為N、S極，開啟電源時，在霍爾器件的上下面之間加一定的電壓，形成電流，如圖乙。隨著轉(zhuǎn)把的轉(zhuǎn)動，其內(nèi)部的永久磁鐵也跟著轉(zhuǎn)動，霍爾器件能輸出控制車速的霍爾電壓，已知霍爾電壓與車速關(guān)系如圖丙所示。以下關(guān)于“霍爾轉(zhuǎn)把”敘述正確的是()A．為提高控制的靈敏度，可改變永久磁鐵的上、下端分別為N、S極B．按圖甲順時針轉(zhuǎn)動電動車的右把手(手柄轉(zhuǎn)套)，車速將變慢C．圖乙中從霍爾器件的前后面輸出控制車速的霍爾電壓D．若霍爾器件的上下面之間所加電壓正負(fù)極性對調(diào)，將影響車速控制解析：選C由于在霍爾器件的上下面之間加一定的電壓，形成電流，當(dāng)永久磁鐵的上下端分別為N、S極時，磁場與電子的移動方向平行，則電子不受洛倫茲力作用，那么霍爾器件不能輸出控制車速的電勢差，故A錯誤；當(dāng)按題圖甲順時針轉(zhuǎn)動把手，導(dǎo)致霍爾器件周圍的磁場增強(qiáng)，那么霍爾器件輸出控制車速的電勢差增大，因此車速變快，故B錯誤；根據(jù)題意，結(jié)合題圖乙的示意圖，可知永久磁鐵的磁感線從霍爾器件左、右側(cè)面垂直穿過，因此從霍爾器件前后面輸出控制車速的電勢差，故C正確；當(dāng)霍爾器件的上下面之間所加電壓正負(fù)極性對調(diào)，從霍爾器件輸出控制車速的電勢差正負(fù)號相反，但由題圖丙可知，不會影響車速控制，故D錯誤。突破點(diǎn)(三)電容式傳感器的分類電容式傳感器就是把非電學(xué)量轉(zhuǎn)化為電容這一電學(xué)量。由公式C＝eq\f(εrS,4πkd)可得電容式傳感器有三類：(1)變極距式；(2)變面積式；(3)變介質(zhì)式。[題點(diǎn)全練]1．[多選]傳感器是一種采集信息的重要器件，如圖所示是一測定壓力的電容式傳感器，當(dāng)待測壓力F作用于可動膜片電極上時，可使膜片產(chǎn)生形變，引起電容的變化。將電容器、靈敏電流計和電源串接成閉合電路，那么()A．當(dāng)F向上壓膜片電極時，電容將減小B．當(dāng)F向上壓膜片電極時，電容將增大C．若電流計有示數(shù)，則壓力F發(fā)生變化D．若電流計有示數(shù)，則壓力F不發(fā)生變化解析：選BC當(dāng)F向上壓膜片電極時，電容器兩極板間距離減小，由電容的決定式C＝eq\f(εrS,4πkd)得到，電容器的電容將增大，故A錯誤，B正確；當(dāng)F變化時，電容變化，而極板間電壓不變，由Q＝CU，可知帶電荷量Q發(fā)生變化，電容器將發(fā)生充、放電現(xiàn)象，回路中有電流，電流計有示數(shù)，反之，電流計有示數(shù)時，壓力F必發(fā)生變化。故C正確，D錯誤。2．傳感器是自動控制設(shè)備中不可缺少的元件，已經(jīng)滲透到宇宙開發(fā)、環(huán)境保護(hù)、交通運(yùn)輸以及家庭生活等各種領(lǐng)域。如下圖所示為幾種電容式傳感器，其中通過改變電容器兩極板間距離而引起電容變化的是()解析：選C選項A是通過改變電介質(zhì)，來改變電容器的電容，故A錯誤；選項B中電容器的一個極板是金屬芯線，另一個極板是導(dǎo)電液，故是通過改變電容器兩極間正對面積而引起電容變化的，故B錯誤；選項C是通過改變極板間的距離，改變電容器的電容，故C正確；選項D是通過轉(zhuǎn)動動片改變正對面積，改變電容器的電容，故D錯誤。突破點(diǎn)(四)應(yīng)變片和雙金屬片的區(qū)別應(yīng)變片多用半導(dǎo)體材料制成的，當(dāng)外力越大時，彎曲形變越大，上下表面的阻值變化就越大，如果保證通過應(yīng)變片的電流恒定，那么上下表面的電壓差就越大，傳感器輸出的就是電壓差。雙金屬片應(yīng)用的是不同金屬的受熱膨脹系數(shù)不同，從而達(dá)到控制電路通斷的目的。[題點(diǎn)全練]1．[多選]關(guān)于電子秤中應(yīng)變式力傳感器，下列說法中正確的是()A．應(yīng)變片是由導(dǎo)體材料制成的B．當(dāng)應(yīng)變片的表面拉伸時，其電阻變大；反之電阻變小C．傳感器輸出的是應(yīng)變片上的電壓D．外力越大，輸出的電壓差值也越大解析：選BD電子秤中的應(yīng)變片是一種敏感元件，現(xiàn)在多用半導(dǎo)體材料制成，故A錯誤；當(dāng)應(yīng)變片的表面拉伸時，電阻變大，故B正確；如果讓應(yīng)變片中通過的電流保持恒定，那么上面應(yīng)變片兩端的電壓變大，下面應(yīng)變片兩端的電壓變小，傳感器把這兩個電壓的差值輸出，故C錯誤；力F越大，輸出的電壓差值也就越大，故D正確。2．[多選](2018·南通模擬)如圖是某電子秤的原理圖，人只要站在踏板上，儀表G就能顯示人的體重，踏板下面的傳感器R實質(zhì)是一個阻值可隨壓力大小而變化的電阻，顯示體重的儀表G實質(zhì)是理想電流表，如果不計踏板的質(zhì)量，電阻R隨人的體重G變化的函數(shù)關(guān)系式為R＝a－kG(a、k是常量，G和R的單位分別是N和Ω)。下列說法正確的是()A．傳感器R是一個力電傳感器B．閉合電路測量時，電路中的電流隨人的體重均勻變化C．該秤零刻度線(即踏板空載時的刻度線)應(yīng)標(biāo)在電流