（江蘇專版）2022年高考物理一輪復習 第十章 第3節(jié) 傳感器及其應用講義（含解析）

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1、（江蘇專版）2022年高考物理一輪復習 第十章 第3節(jié) 傳感器及其應用講義（含解析） 1．傳感器：有這樣一類元件，能夠感受諸如力、溫度、光、聲、化學成分等非電學量，并把它們按照一定的規(guī)律轉化為電壓、電流等電學量，或轉化為電路的通斷。 2．光敏電阻：光敏電阻是把光照強弱這個光學量轉換為電阻這一電學量的元件。通常是由硫化鎘等半導體材料制成，其特點是光照變強，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，其特點是溫度升高，電阻變大；熱敏電阻是由半導體材料制成，其特點是溫度升高，電阻變小。它們都能夠把溫度這個熱學量轉化為電阻這個電學量。 4．霍爾元件：通常是由半

2、導體元件制成，其產生的霍爾電壓UH＝k?；魻栐馨汛鸥袘獜姸冗@一磁學量轉換為電壓這個電學量。 5．力傳感器：典型的應用是電子秤，其中的主要元件為應變片，它的作用是將物體形變這一力學量轉化為電壓這一電學量。 6．溫度傳感器：典型的應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小于內層材料的熱膨脹系數。電熨斗的工作原理(如圖)： 雙金屬片上層金屬的熱膨脹系數大于下層，常溫下，彈性銅片和雙金屬片觸點是接觸的，通電后，電熱絲發(fā)熱，當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，使觸點分離，切斷電

3、路；隨著溫度的降低，當降到某一溫度時，雙金屬片收縮恢復原狀，兩觸點又接觸，接通電路。 調溫旋鈕下壓彈性銅片，可使觸點分離的溫度升高；上提彈性銅片，可降低觸點的分離溫度，從而實現(xiàn)了調溫控制。 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。這個溫度在物理學中稱為該材料的“居里溫度”或“居里點”。 8．電飯鍋：結構圖如圖所示。 其工作過程：開始煮飯時壓下開關按鈕，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到圖示位置，則觸點接觸，電路接通，這時電飯鍋處于加熱狀態(tài)。當水沸騰時，

4、水的溫度保持沸點不變，故感溫磁體仍與永磁體相吸，繼續(xù)加熱。當飯熟后，水分被大米吸收，鍋底的溫度上升，當溫度超過103 ℃時，感溫磁鐵失去鐵磁性，由于彈簧的作用，按鈕開關將恢復到如圖所示的位置，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化為電信號的裝置，實際應用有鼠標器和火災報警器等。煙霧式火災報警器是利用煙霧對光的散射來工作的。罩內裝有發(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)。當煙霧進入罩內后對光有散射作用，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(一)　熱敏電

5、阻的特征 熱敏電阻是用半導體材料制成的，一般分為正溫度系數熱敏電阻(簡稱PTC)和負溫度系數熱敏電阻(NTC)，區(qū)別在于正溫度系數熱敏電阻阻值隨溫度的升高而變大，負溫度系數熱敏電阻阻值隨溫度的升高而變小。高中重點掌握的是負溫度系數熱敏電阻，如果題目沒有特殊說明，一般認為是負溫度系數熱敏電阻。其電阻隨溫度變化的曲線如圖所示。 [題點全練] 1.如圖所示，將多用電表的選擇開關置于“歐姆”擋，再將電表的兩支表筆與負溫度系數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”)轉動；若用吹風機向Rt吹熱風，表針將向________

6、(填“左”或“右”)轉動。 解析：熱敏電阻為負溫度系數的特性。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，指針應向左偏；用吹風機將熱風吹向電阻，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．調節(jié)滑片P的位置能改

7、變降溫和升溫設備啟動時的臨界溫度 解析：選D　RM是半導體熱敏電阻，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；調節(jié)滑片P時，可改變Uab，從而改變升溫和降溫設備啟動時的臨界溫度，所以D選項是正確的。 突破點(二)　霍爾電壓UH的公式推導 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，垂直于薄片加勻強磁場B，則在MN間會出現(xiàn)電壓。設薄片厚度為d

8、，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，使M側電勢高于N側，造成半導體內部出現(xiàn)電場，帶電粒子同時受到靜電力作用。當磁場力與靜電力平衡時，MN間的電壓達到恒定。 設材料單位體積的載流子數目為n，載流子的電荷量為e，可以列出 I＝neSv＝neadv，qvB＝q，求解可得UH＝。 取霍爾系數k＝，得UH＝k。 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強度這一磁學量轉換成電學量的原因。 [題點全練] 1．[多選](2018·揚州模擬)如圖所示，一絕緣容器內部為長方體空腔，容器內盛

9、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磁場中，開關K閉合前容器兩側P、Q兩管中液面等高，閉合開關后(　　) 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　依據正離子的定向移動方向與電流方向相同，而負離子移動方向與電流方向相反，根據左手定則可知，正、負離子均向M處偏轉，因此電勢相等，故A正確，B、 C錯誤；當開關閉合時，液體中有從A到C方向的電流，根據左手定則可知，液體將受到向M的安培力作用，在液面內部將產生壓強，因此P管中的液面將比Q管中的高，故

10、D正確。 2．電動自行車是一種應用廣泛的交通工具，其速度控制是通過轉動右把手實現(xiàn)的，這種轉動把手稱為“霍爾轉把”，屬于傳感器非接觸控制。轉把內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。隨著轉把的轉動，其內部的永久磁鐵也跟著轉動，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系如圖丙所示。以下關于“霍爾轉把”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．按圖甲順時針轉動電動車的右把手(手柄轉套)，車速將變慢 C．圖乙中從霍爾器件的前后面輸

11、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極性對調，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；當按題圖甲順時針轉動把手，導致霍爾器件周圍的磁場增強，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；根據題意，結合題圖乙的示意圖，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；當霍爾器件的上下面之間所加電壓正負極性對調，從霍爾器件輸出控制車速

12、的電勢差正負號相反，但由題圖丙可知，不會影響車速控制，故D錯誤。 突破點(三)　電容式傳感器的分類 電容式傳感器就是把非電學量轉化為電容這一電學量。由公式C＝可得電容式傳感器有三類：(1)變極距式；(2)變面積式；(3)變介質式。 [題點全練] 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，當待測壓力F作用于可動膜片電極上時，可使膜片產生形變，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F向上壓膜片電極時，電容將減小 B．當F向上壓膜片電極時，電容將增大 C．若電流計有示數，則壓力F發(fā)生變化 D．若電流計有示數

13、，則壓力F不發(fā)生變化 解析：選BC　當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＝得到，電容器的電容將增大，故A錯誤，B正確；當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，反之，電流計有示數時，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備中不可缺少的元件，已經滲透到宇宙開發(fā)、環(huán)境保護、交通運輸以及家庭生活等各種領域。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，來改變電容器的電容，故A錯誤

14、；選項B中電容器的一個極板是金屬芯線，另一個極板是導電液，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是通過轉動動片改變正對面積，改變電容器的電容，故D錯誤。 突破點(四)　應變片和雙金屬片的區(qū)別 應變片多用半導體材料制成的，當外力越大時，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。雙金屬片應用的是不同金屬的受熱膨脹系數不同，從而達到控制電路通斷的目的。 [題點全練] 1．[多選]關于電子秤中應變式力傳感器，下列說法中正確的是(　

15、　) A．應變片是由導體材料制成的 B．當應變片的表面拉伸時，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　電子秤中的應變片是一種敏感元件，現(xiàn)在多用半導體材料制成，故A錯誤；當應變片的表面拉伸時，電阻變大，故B正確；如果讓應變片中通過的電流保持恒定，那么上面應變片兩端的電壓變大，下面應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實質是一個阻值

16、可隨壓力大小而變化的電阻，顯示體重的儀表G實質是理想電流表，如果不計踏板的質量，電阻R隨人的體重G變化的函數關系式為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)應標在電流表G刻度盤的零刻度處 D．如果要擴大電子秤的量程，滑動變阻器R′接入電路中的電阻應調大 解析：選AD　R是將壓力信號轉換成電信號的傳感器，即力電傳感器，故A正確；閉合電路測量時，電路中的電流：I＝，顯然與人的體重不成線性關系，故B錯誤；當重力為零時，電流最小，但不為零，故C錯誤；由Ig＝可知，kGm＝a＋r＋R′－，因此變阻器接入電路中的電阻調大，可以測量的人的最大體重增大，故D正確。