高二物理传感器问题综合教育科学版知识精讲 13页

高二物理传感器问题综合教育科学版 ‎【本讲教育信息】‎ 一、教学内容：‎ 传感器问题综合 二、学习目标：‎ ‎1、掌握传感器的工作原理。‎ ‎2、重点掌握传感器的重要习题类型及解法。‎ 考点地位：传感器问题是高考考查的重点和热点，本部分内容重点体现物理知识与日常生活实践的紧密结合，涉及的知识面广，综合性强，以各类传感器为背景的考题综合了高中力学及电学的重点内容，光敏电阻、热敏电阻、电容式传感器可结合电路分析等热点问题，考查学生的实验与探究能力，考题形式非常灵活，可通过选择、实验、计算等多种形式进行考查，08年重庆卷第21题、江苏卷第2题、07年广东卷第8题、2020年上海卷第3题均通过选择题形式考查，08年山东理综卷第23题、05年广东卷第12题通过实验题形式考查，06年江苏卷第15题则是通过计算题形式考查。‎ 三、重难点解析：‎ ‎（一）传感器及其工作原理 ‎1、传感器：传感器是指这样一类元件：它能够感受诸如力、温度、光、声、化学成分等非电学量，并能把它们按照一定的规律转换为电压、电流等电学量，或转换为电路的通断。把非电学量转换为电学量以后，就可以很方便地进行测量、传输、处理和控制了。‎ ‎2、传感器一般由敏感元件和输出部分组成，通过敏感元件获取外界信息并转换为电信号，通过输出部分输出，然后经控制器分析处理。‎ 常见的传感器有：力传感器、气敏传感器、超声波传感器、磁敏传感器 ‎3、常见传感器元件：‎ ‎（1）光敏电阻：光敏电阻的材料是一种半导体，无光照时，载流子极少，导电性能不好；随着光照的增强，载流子增多，导电性能变好，光敏电阻能够把光照强弱这个光学量转换为电阻这个电学量。它就像人的眼睛，可以看到光线的强弱。‎ ‎（2）金属热电阻和热敏电阻：金属热电阻的电阻率随温度的升高而增大，用金属丝可以制作温度传感器，称为热电阻。它能够把温度这个热学量转换为电阻这个电学量。‎ 热敏电阻的电阻率则可以随温度的升高而升高或降低。‎ 与热敏电阻相比，金属热电阻的化学稳定性好，测温范围大，但灵敏度较差。‎ 例题：当光照射到光敏电阻上时，光敏电阻的阻值 （填“变大”、“不变”或“变小”）. 半导体热敏电阻是利用半导体材料的电阻率随 变化而改变的特性制成的.‎ 答案：变小；温度 ‎（3）电容式位移传感器能够把物体的位移这个力学量转换为电容这个电学量。‎ 拓展：分析下列传感器的工作原理：‎ ‎ ‎ 问题1、传感器与电路问题综合：‎ ‎【例题1】如图所示是电饭煲的电路图，S1是一个控制开关，手动闭合后，当此开关温度达到居里点（‎103℃‎）时，会自动断开. S2是一个自动控温开关，当温度低于‎70℃‎时，会自动闭合；温度高于‎80℃‎时，会自动断开. 红灯是加热时的指示灯，黄灯是保温时的指示灯. 分流电阻R1=R2=500Ω，加热电阻丝R3=50Ω，两灯电阻不计.‎ ‎（1）分析电饭煲的工作原理.‎ ‎（2）计算加热和保温两种状态下，电饭煲消耗的电功率之比.‎ ‎【思路点拨】电饭煲的原理是利用其内部感温磁体在居里温度（‎103℃‎）前后磁性的有无来控制开关的闭合. 两种状态下消耗的功率之比可根据串、并联的特点结合功率计算公式求得.‎ ‎【解析】（1）电饭煲盛上食物后，接上电源，S2自动闭合，同时手动闭合S1，这时黄灯短路，红灯亮，电饭煲处于加热状态. 加热到‎80℃‎时，S2自动断开，S1仍闭合；水烧开后，温度升高到居里点‎103℃‎时，开关S1自动断开，这时饭已煮熟，黄灯亮，电饭煲处于保温状态. 由于散热，待温度降至‎70℃‎时，S2自动闭合，电饭煲重新加热，温度达到‎80℃‎时，S2又自动断开，再次处于保温状态.‎ ‎（2）加热时电饭煲消耗的电功率，保温时电饭煲消耗的电功率，两式中 从而有 变式1、‎ 温度传感器广泛应用于室内空调、电冰箱和微波炉等家电产品中，它是利用热敏电阻的阻值随温度的变化而变化的特性工作的. 如图（甲）中，电源的电动势E＝9.0V，内电阻可忽略不计；G为灵敏电流表，内阻Rg保持不变；R为热敏电阻，其电阻值与温度的变化关系如图（乙）的R-t图线所示，闭合开关，当R的温度等于‎20℃‎时，电流表示数I1=2mA；当电流表的示数I2=3.6mA时，热敏电阻R的温度是多少？‎ ‎【解析】从图（乙）查得t=‎20℃‎时，R的阻值为，‎ 由得：‎ 设当时，热敏电阻的阻值为R＇，则 从图中查得此时对应的温度为t2=‎‎120℃‎ 答案：‎‎120℃‎ 问题2、传感器与牛顿运动定律综合类问题分析：‎ ‎【例题2】压敏电阻的阻值随所受压力的增大而减小，有位同学利用压敏电阻设计了判断小车运动状态的装置，其工作原理如下图（a）所示，将压敏电阻和一块挡板固定在绝缘小车上，中间放置一个绝缘重球。小车向右做直线运动过程中，电流表示数如图（b）所示，下列判断正确的是（　　　）‎ A. 从t1到t2时间内，小车做匀速直线运动 B. 从t1到t2时间内，小车做匀加速直线运动 C. 从t2到t3时间内，小车做匀速直线运动 D. 从t2到t3时间内，小车做匀加速直线运动 答案：D 变式2、‎ 如图所示，小车沿水平面做直线运动，小车内两侧A和B是两个压力传感器，光滑底面上有一物块和被压缩的轻弹簧，小车向右加速运动，图乙图线P、Q是传感器A受物块的压力或传感器B受弹簧的压力的大小随时间变化的图象，则下列描述正确的是（ ）‎ A. P是传感器A的压力示数，0~T时间内物块做匀速运动 B. P是传感器A的压力示数，0~T时间内物块做匀加速运动 C. Q是传感器A的压力示数，T以后的时间内物块做匀加速运动 D. Q是传感器B的压力示数，T以后的时间内物块做匀加速运动 答案：B ‎（二）传感器热敏电阻热敏特性实验分析：‎ ‎（1）热敏特性实验：如图所示.‎ a. 在烧杯内倒入少量冷水，放在铁架台上，将悬挂在铁架台上的温度计放入水中.‎ b. 将多用电表的选择开关置于欧姆挡，将两表笔短接，调零后再将两支表笔分别与热敏电阻的两个接出端相连.‎ c. 将热敏电阻放入烧杯内的水中. 在欧姆挡上选择合适的倍率，再调零，把两支表笔接到热敏电阻两输出端，观察表指示的热敏电阻的阻值，填入表格内.‎ 实验记录：‎ 实验次数 ‎1‎ ‎2‎ ‎3‎ ‎4‎ ‎5‎ ‎6‎ 温度/℃‎ 电阻/Ω d. 分几次向烧杯内倒入开水，观察不同温度时热敏电阻的阻值，记录在表格内.‎ e. 通过比较这些测得的数据，看看热敏电阻是怎样随温度变化的.‎ f. 将多用电表的选择开关置于交流电压最高挡或“OFF”挡，拆开装置，将器材按原样整理好.‎ 问题3、传感器实验问题分析：‎ ‎【例题3】某实验小组探究一种热敏电阻的温度特性. 现有器材：直流恒流电源（在正常工作状态下输出的电流恒定）、电压表，待测热敏电阻、保温容器、温度计、开关和导线等.‎ ‎（1）若用上述器材测量热敏电阻的阻值随温度变化的特性，请你在左图的实物图上连线.‎ ‎（2）实验的主要步骤：‎ ‎①正确连接电路，在保温容器中注入适量冷水，接通电源，调节并记录电源输出的电流值；②在保温容器中添加少量热水，待温度稳定后，闭合开关， ，‎ ‎，断开开关；‎ ‎③重复第②步操作若干次，测得多组数据.‎ ‎（3）实验小组算得该热敏电阻在不同温度下的阻值，并据此绘得上图的R-t关系图线，请根据图线写出该热敏电阻的R-t关系式：R= + t（Ω）（保留3位有效数字）‎ 答案：（1）‎ ‎（2）读取温度计示数，读取电压表示数 ‎（3）100 0.400‎ 变式3、‎ 热敏电阻是传感电路中常用的电子元件。现用伏安法研究热敏电阻在不同温度下的伏安特性曲线，要求特性曲线尽可能完整。已知常温下待测热敏电阻的阻值约4~5Ω。热敏电阻和温度计插入带塞的保温杯中，杯内有一定量的冷水，其它备用的仪表和器具有：盛有热水的热水杯（图中未画出）. 电源（3V. 内阻可忽略）. 直流电流表（内阻约1Ω）. 直流电压表（内阻约5kΩ）. 滑动变阻器（0~20Ω）. 开关. 导线若干。‎ ‎（1）画出实验电路图，要求测量误差尽可能小。‎ ‎（2）根据电路图，在下图的实物图上连线。‎ ‎（3）简要写出完成接线后的主要实验步骤　______________________。‎ 答案：（1）如图所示 ‎（2）如图所示 ‎（3）①往保温杯中加入一些热水，待温度稳定时读出温度计的值；‎ ‎②调节滑动变阻器，快速测出几组电流表和电压表的值；‎ ‎③重复①~②，测量不同温度下的数据；‎ ‎④绘出各测量温度下热敏电阻的伏安特性曲线。‎ 总结本节内容。‎ ‎【模拟试题】‎ ‎*1、下列器件不是应用温度传感器的是（ ）‎ A、电熨斗 B、话筒 C、电饭锅 D、测温仪 ‎*2、如图所示，R1为定值电阻，R2为热敏电阻，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 ‎**3、如图所示，R3是光敏电阻，当开关Ｓ闭合后在没有光照射时，a、b两点等电势，当用光照射电阻R3时，则（ ）‎ Ａ、R3的电阻变小，a点电势高于b点电势 Ｂ、R3的电阻变小，a点电势低于b点电势 Ｃ、R3的电阻变小，a点电势等于b点电势 Ｄ、R3的电阻变大，a点电势低于b点电势 ‎***4、下图是霍尔元件的工作原理示意图，用d表示薄片的厚度，k为霍尔系数，对于一个霍尔元件d、k为定值，如果保持I恒定，则可以验证UH随B的变化情况。以下说法中正确的是（ ）‎ A、将永磁体的一个磁极逐渐靠近霍尔元件的工作面，UH将变大 B、在测定地球两极的磁场强弱时，霍尔元件的工作面应保持水平 C、在测定地球赤道上的磁场强弱时，霍尔元件的工作面应保持水平 D、改变磁感线与霍尔元件工作面的夹角，UH将发生变化 ‎**5、关于电子秤中应变式力传感器的说法正确的是（ ）‎ A、应变片由导体材料制成 B、当应变片的表面拉伸时，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 ‎**6、电容式话筒的保真度比动圈式话筒好， 其工作原理如图所示，‎ ‎ Q是绝缘支架，M是薄金属膜和固定电极N形成一个电容器，被直流电源充电，当声波使膜片振动时，电容发生变化，电路中形成变化的电流，当膜片向右运动的过程中有（ ）‎ A、电容变大 B、电容变小 C、导线AB中有向左的电流 D、导线AB中有向右的电流 ‎**7、在家用电热灭蚊器中，电热部分主要元件是PTC元件，PTC元件是由钛酸钠等半导体材料制成的电阻器，其电阻率ρ随温度t的变化关系如图所示，由于这种特性，PTC元件具有发热、保温双重功能，对此，以下判断正确的是（ ）‎ ‎①通电后，其电功率先增大，后减小 ②通电后，其电功率先减小，后增大 ‎③当其产生的热量与散发的热量相等时，温度保持在t1不变 ‎④当其产生的热量与散发的热量相等时，温度保持在t1和t2之间的某一值不变 A、①③ B、②③ C、②④ D、①④‎ ‎*8、唱卡拉OK用的话筒，内有传感器，其中有一种是动圈式的，它的工作原理是在弹性膜片后面粘接一个轻小的金属线圈，线圈处于永磁体的磁场中，当声波使膜片前后振动时，就将声音信号转变为电信号.下列说法正确的是（ ）‎ A、该传感器是根据电流的磁效应工作的 B、该传感器是根据电磁感应原理工作的 C、膜片振动时，穿过金属线圈的磁通量不变 D、膜片振动时，金属线圈中不会产生感应电动势 ‎*9、图中电容式话筒右侧固定不动的金属板b与能在声波驱动下沿水平方向振动的镀上金属层的振动膜a构成一个电容器，a、 b分别通过导线与恒定电源两极相接。声源s做位移X=Asin（200πt）的振动，则有（ ）‎ A、a振动过程中a、 b板之间的电场强度不变 B、a振动过程中话筒会产生电磁波 Ｃ、导线ac的电流的频率为1000Hz Ｄ、a向右位移最大时a 、b板形成的电流最大 试题答案 ‎1、B 2、C 3、A 4、BD 5、BD 6、AC 7、D 8、B 9、BD ‎