【物理】2019届一轮复习人教版　传感器及其工作原理学案 14页

‎　传感器及其工作原理 ‎[考试大纲]　1.了解什么是传感器，感受传感技术在信息时代的作用与意义.2.知道将非电学量转化为电学量的意义.3.了解光敏电阻、热敏电阻、金属热电阻和霍尔元件的性能，知道其工作原理及作用.‎ 一、传感器及工作原理 ‎1.传感器的定义：能够感受诸如力、温度、光、声、化学成分等物理量，并能把它们按照一定的规律转换为便于传送和处理的另一个物理量(通常是电压、电流等电学量)，或转换为电路的通断的元件.‎ ‎2.非电学量转换为电学量的意义：把非电学量转换为电学量，可以方便地进行测量、传输、处理和控制.‎ 二、光敏电阻的特点及工作原理 ‎1.当半导体材料受到光照或者温度升高时，会有更多的电子获得能量成为自由电子，同时也形成更多的空穴，于是导电能力明显增强.‎ ‎2.光敏电阻是用半导体材料(如硫化镉)制成的.它的特点是光照越强，电阻越小.它能够把光照强弱这个光学量转换为电阻这个电学量.‎ 三、热敏电阻和金属热电阻的特点 ‎1.热敏电阻：用半导体材料制成.可分为正温度系数的热敏电阻和负温度系数的热敏电阻.‎ ‎(1)正温度系数的热敏电阻随温度升高电阻增大.‎ ‎(2)负温度系数的热敏电阻(如氧化锰热敏电阻)随温度升高电阻减小.‎ ‎2.金属热电阻：金属的电阻率随温度升高而增大，利用这一特性，金属丝也可以制作成温度传感器，称为热电阻.‎ 四、霍尔元件的特点 ‎1.霍尔元件在电流、电压稳定时，载流子所受电场力和洛伦兹力二力平衡.‎ ‎2.霍尔电压：UH＝k(d为薄片的厚度，k为霍尔系数).其中UH的变化与B成正比，所以霍尔元件能把磁感应强度这个磁学量转换成电压这个电学量.‎ ‎[即学即用]‎ ‎1.判断下列说法的正误.‎ ‎(1)传感器可以把非电学量转化为电学量.(　√　)‎ ‎(2)光敏电阻的阻值随光照的强弱而变化，光照越强电阻越大.(　×　)‎ ‎(3)热敏电阻一般用半导体材料制作，导电能力随温度的升高而增强，但灵敏度低.(　×　)‎ ‎(4)霍尔元件一共有两个电极，电压这个电学量就通过这两个电极输出.(　×　)‎ ‎2.如图1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，电流表的读数________(填“变大”或“变小”)，小灯泡的亮度________(填“变亮”或“变暗”).‎ 图1‎ 答案　变小　变亮 一、传感器 ‎[导学探究]　干簧管结构：如图2所示，它是玻璃管内封入的两个软磁性材料制成的簧片，接入图3电路，当条形磁铁靠近干簧管时：‎ 图2‎ 图3‎ ‎(1)会发生什么现象，为什么？‎ ‎(2)干簧管的作用是什么？‎ 答案　(1)灯泡会亮，因为当条形磁铁靠近干簧管时，两个簧片被磁化而接通.‎ ‎(2)干簧管起到开关的作用，是一种能够感知磁场的传感器.‎ ‎[知识深化]‎ ‎1.传感器的原理：‎ ‎2.在分析传感器时要明确：‎ ‎(1)核心元件是什么；‎ ‎(2)是怎样将非电学量转化为电学量；‎ ‎(3)是如何显示或控制开关的.‎ 例1　如图4是一种测定油箱油量多少或变化多少的装置.其中电源电压保持不变，R是滑动变阻器，它的金属滑片是金属杆的一端.在装置中使用了一只电压表(图中没有画出)，通过观察电压表示数可以了解油量情况.若将电压表分别接在b、c之间与c、d之间，当油量变化时，电压表的示数如何变化？‎ 图4‎ 答案　见解析 解析　把电压表接在b、c之间，油量增加时，R减小，电压表的示数减小；油量减少时，R增大，电压表的示数增大.把电压表接在c、d之间，油量增加时，R减小，电路中电流增大，则R′两端的电压增大，电压表的示数增大，同理，油量减少时，电压表的示数减小.‎ 二、光敏电阻 ‎[导学探究]　在工厂生产车间的生产线上安装计数器后，就可以准确得知生产产品的数量，如图5所示为光敏电阻自动计数器的示意图，其中R1为光敏电阻，R2为定值电阻.此光电计数器的基本工作原理是什么？‎ 图5‎ 答案　当光被产品挡住时，R1电阻增大，电路中电流减小，R2两端电压减小，信号处理系统得到低电压，每通过一个产品就获得一次低电压，并计数一次.‎ 例2　(多选)(2017·扬州、泰州、南通、淮安、宿迁、徐州六市3月联考)如图6所示的闭合电路中，R是半导体光敏电阻，R1为滑动变阻器.现用一束光照射光敏电阻，则(　　)‎ 图6‎ A.电流表读数变大 B.电压表读数变大 C.电源的总功率变大 D.电源内阻的功率变大 答案　ACD 解析　一束光照射光敏电阻，光敏电阻的阻值变小，根据闭合电路欧姆定律可得总电流变大，电流表读数变大，滑动变阻器R1与电源内阻分压均增大，光敏电阻两端的电压减小，电压表读数变小，A正确，B错误；电源的总功率P＝EI，电流增大，所以电源的总功率增大，C正确；电源内阻的功率Pr＝I2r，电流增大，电源内阻的功率增大，D正确.‎ 三、热敏电阻和金属热电阻 ‎[导学探究]　如图7所示，将多用电表的选择开关置于欧姆挡，再将电表的两支表笔与负温度系数的热敏电阻RT(温度升高，电阻减小)的两端相连，这时表针恰好指在刻度盘的正中央.若在RT上擦一些酒精，表针将如何偏转？若用吹风机将热风吹向热敏电阻，表针将如何偏转？‎ 图7‎ 答案　由于酒精蒸发，热敏电阻RT温度降低，电阻值增大，表针将向左偏；用吹风机将热风吹向热敏电阻，热敏电阻RT温度升高，电阻值减小，表针将向右偏.‎ 例3　(多选)在温控电路中，通过热敏电阻阻值随温度的变化可实现对电路相关物理量的控制.如图8所示电路，R1为定值电阻，R2为半导体热敏电阻(温度越高电阻越小)，C为电容器.当环境温度降低时(　　)‎ 图8‎ A.电容器C的带电荷量增大 B.电压表的读数增大 C.电容器C两板间的电场强度减小 D.R1消耗的功率增大 答案　AB 解析　当环境温度降低时，R2变大，电路的总电阻变大，由I＝知I变小，又U＝E－Ir，电压表的读数U增大，B正确；又由P1＝I2R1可知，R1消耗的功率P1变小，D错误；电容器两板间的电压U2＝U－U1，U1＝IR1，可知U1变小，U2变大，由场强E′＝，Q＝CU2可知Q、E′都增大，故A正确，C错误.‎ 含有热敏电阻、光敏电阻电路的动态分析步骤 ‎(1)明确热敏电阻(或光敏电阻)的阻值随温度(或光照强度)的变化是增大还是减小.‎ ‎(2)分析整个回路的电阻的增减、电流的增减.‎ ‎(3)分析部分电路的电压、电流如何变化.‎ 四、霍尔元件 ‎[导学探究]　如图9所示，在矩形半导体薄片E、F间通入恒定的电流I，同时外加与薄片垂直的磁场B，则M、N间会出现电压，称为霍尔电压UH.‎ 图9‎ ‎(1)分析为什么会出现电压.‎ ‎(2)试推导UH的表达式.‎ 答案　(1)薄片中的载流子在洛伦兹力的作用下，向着与电流和磁场都垂直的方向漂移，使M、N间出现了电压.‎ ‎(2)设薄片厚度为d，EF方向长度为l1，MN方向长度为l2，受力分析如图 当洛伦兹力与电场力平衡时，M、N间电势差达到稳定.‎ 即q＝qvB 再根据电流的微观表达式I＝nqvS，S＝l2d 整理得：UH＝ 令k＝，其中n为材料单位体积的载流子的个数，q为单个载流子的电荷量，它们均为常数.‎ 则有UH＝k.‎ ‎[知识深化]‎ 霍尔电势高低的判断方法：利用左手定则，即磁感线垂直穿入手心，四指指向电流方向，拇指指的方向为载流子的受力方向，若载流子是正电荷，则拇指所指的面为高电势面，若载流子是负电荷，则拇指所指的面为低电势面.‎ 例4　(2017·扬州邗江中学高二(下)期中)霍尔元件是一种应用霍尔效应的磁传感器，广泛应用于各领域，如在翻盖手机中，常用霍尔元件来控制翻盖时开启或关闭运行程序.如图10所示是一霍尔元件的示意图，通入沿x轴正向的电流I，沿y轴正向加恒定的匀强磁场B，图中 a、b是垂直于z轴方向上元件的前后两侧面，霍尔元件宽为d(a、b间距离)，ab间将出现电压Uab，则(　　)‎ 图10‎ A.a、b间电压Uab仅与磁感应强度B有关 B.若霍尔元件的载流子是自由电子，则ab两端电压Uab<0‎ C.若霍尔元件的载流子是正电荷，则ab两端电压Uab<0‎ D.若增大霍尔元件宽度d，则ab间电压Uab一定增大 答案　B 解析　霍尔元件宽为d，设霍尔元件厚度为h，则有q＝qvB，而I＝nqvdh，则U＝，故A错误；‎ 若霍尔元件的载流子是自由电子，根据左手定则，电子向a侧面偏转，a表面带负电，b表面带正电，所以b表面的电势高，则Uab<0.故B正确；‎ 若霍尔元件的载流子是正电荷，根据左手定则，正电荷向a侧面偏转，a表面带正电，b表面带负电，所以a表面的电势高，则Uab>0.故C错误；‎ 由A选项分析知，a、b间电压与霍尔元件厚度有关，与宽度无关，故D错误.‎ ‎1.(对传感器的理解)在电梯门口放置一障碍物，会发现电梯门不停地开关，这是由于在电梯门上装有的传感器是(　　)‎ A.光传感器 B.温度传感器 C.声传感器 D.磁传感器 答案　A ‎2.(光敏电阻的特性)如图11所示的电路中，电源两端的电压恒定，L为小灯泡，R为光敏电阻，R和L之间用挡板(未画出)隔开，LED为发光二极管(电流越大，发出的光越强)，且R与LED间距不变，下列说法中正确的是(　　)‎ 图11‎ 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.无论怎样移动滑动触头P，L消耗的功率都不变 答案　A 解析　滑动触头P左移，滑动变阻器接入电路的电阻减小，流过二极管的电流增大，从而发光增强，使光敏电阻R减小，最终达到增大流过灯泡的电流的效果.‎ ‎3.(热敏电阻的特性)(2018·如东中学阶段性检测)某温控电路的原理如图12所示，RM是负温度系数的热敏电阻，R是滑动变阻器，某种仪器要求在15 ℃～27 ℃的环境中工作.当环境温度偏高或偏低时，控制器会自动启动降温或升温设备.下列说法中正确的是(　　)‎ 图12‎ A.环境温度降低，RM的阻值减小 B.环境温度升高，Uab变大 C.滑片P向下移动时，Uab变大 D.调节滑片P的位置能改变降温和升温设备启动时的临界温度 答案　D 解析　环境温度降低时，RM变大，A错，温度升高，RM减小，Uab变小，B错.滑片向下移动，回路电流减小，Uab变小，调节滑片位置能改变临界温度，D正确.‎ ‎4.(霍尔元件的认识及应用)(多选)如图13所示是霍尔元件的示意图，一块通电的铜板放在磁场中，铜板的前、后板面垂直于磁场，板内通有如图方向的电流，a、b是铜板上、下边缘的两点，则(　　)‎ 图13‎ A.电势φa＞φb B.电势φb＞φa C.仅电流增大时，|φa－φb|增大 D.其他条件不变，将铜板改为NaCl溶液时，电势结果仍然一样 答案　BC 解析　铜板中的自由电荷是电子，电子定向移动的方向与电流的方向相反，由左手定则可判断出电子因受洛伦兹力作用向a侧偏转，所以φb＞φa，B正确，A错误；因|φa－φb|＝k，所以电流增大时，|φa－φb|增大，C正确；若将铜板改为NaCl溶液，溶液中的正、负离子均向a侧偏转，|φa－φb|＝0，即不产生霍尔效应，故D错误.‎ 考点一　传感器的理解 ‎1.(2017·溧水中学高二期末)街道旁的路灯利用半导体的电学特性制成了白天自动熄灭，夜晚自动点亮的装置，该装置的工作原理是应用了半导体的(　　)‎ A.光敏性 B.压敏性 C.热敏性 D.三个特性同时应用 答案　A 解析　灯要求夜晚亮，白天熄，白天有光，黑夜无光，则由光导致的电路电流变化，所以电路中利用光传感器导致电阻变化，实现自动控制，因此是利用半导体的光敏性，A正确；B、C、D错误.‎ ‎2.如图1所示，是电容式话筒的示意图，它是利用电容制成的传感器，话筒的振动膜前面有薄薄的金属层，膜后距膜几十微米处有一金属板，振动膜上的金属层和这个金属板构成电容器的两极.在两极间加一电压U，人对着话筒说话时，振动膜前后振动，使电容发生变化，从而使声音信号被话筒转化为电信号，其中导致电容变化的原因是电容器两板间的(　　)‎ 图1‎ A.距离变化 B.正对面积变化 C.电介质变化 D.电压变化 答案　A 解析　振动膜前后振动，使振动膜上的金属层与金属板间的距离发生变化，从而将声音信号转化为电信号，故A正确.‎ ‎3.(多选)电容式传感器是用来将非电信号转变为电信号的装置.由于电容器的电容C取决于极板正对面积S、极板间距离d以及极板间的电介质这几个因素，当某一物理量发生变化时就能引起上述某个因素的变化，从而引起电容的变化，如图2所示是四个电容式传感器的示意图，关于这四个传感器的作用，下列说法正确的是(　　)‎ 图2‎ A.甲图的传感器可以用来测量角度 B.乙图的传感器可以用来测量液面的高度 C.丙图的传感器可以用来测量压力 D.丁图的传感器只能用来测量速度 答案　ABC ‎4.(多选)压敏电阻的阻值会随所受压力的增大而减小，某位同学利用压敏电阻设计了判断电梯运动状态的装置，其装置示意图如图3所示，将压敏电阻平放在电梯内，受压面朝上，在上面放一物体m，电梯静止时电流表示数为I0，电梯在不同的运动过程中，电流表的示数分别如图4甲、乙、丙、丁所示，下列判断中正确的是(　　)‎ 图3‎ 图4‎ A.甲图表示电梯可能做匀速直线运动 B.乙图表示电梯可能做匀加速上升运动 C.丙图表示电梯可能做匀加速上升运动 D.丁图表示电梯可能做匀减速下降运动 答案　AB 解析　题图甲中电流表示数和静止时相等，故可能做匀速直线运动，A正确.题图乙中电流表示数为2I0，且保持不变，故压敏电阻所受压力增大且恒定，电阻变小，物体超重，电梯可能匀加速上升，B正确.题图丙、丁中电流表的示数随时间变化，故电梯的加速度是变化的，不可能是匀加速或匀减速，C、D错误.‎ 考点二　光敏电阻、热敏电阻的认识及应用 ‎5.如图5所示，将多用电表的选择开关置于欧姆挡，将一光敏电阻接入多用电表两表笔上，用光照射光敏电阻时，表针的偏转角为θ；现用手掌挡住部分光线，表针的偏转角为θ′，则可判断(　　)‎ 图5‎ A.θ′＝θ B.θ′＜θ C.θ′＞θ D.不能确定 答案　B ‎6.(多选)如图6为电阻R随温度T变化的图线.下列说法中正确的是(　　)‎ 图6‎ A.图线1是热敏电阻的图线，它是用金属材料制成的 B.图线2是热敏电阻的图线，它是用半导体材料制成的 C.图线1对应的材料化学稳定性好、测温范围大、灵敏度高 D.图线2对应的材料化学稳定性差、测温范围小、灵敏度高 答案　BD 解析　金属热电阻的阻值随温度升高而增大，半导体材料的热敏电阻的阻值随温度升高而减小，所以A错，B对；图线1对应的材料化学稳定性好但灵敏度低，图线2对应的材料化学稳定性差但灵敏度高，所以C错，D对.‎ ‎7.(多选)计算机光驱的主要部分是激光头，它可以发射脉冲激光信号，激光扫描光盘信息时，‎ 激光头利用光敏自动计数器将反射回来的脉冲信号传输给信号处理系统，再通过计算机显示出相应信息.光敏电阻自动计数器的示意图如图7所示，其中R1为光敏电阻，R2为定值电阻，此光电计数器的基本工作原理是(　　)‎ 图7‎ A.当有光照射R1时，处理系统获得高电压 B.当有光照射R1时，处理系统获得低电压 C.信号处理系统每获得一次低电压就计数一次 D.信号处理系统每获得一次高电压就计数一次 答案　AD 解析　当有光照射R1时，电阻减小，处理系统获得高电压；信号处理系统每获得一次高电压就计数一次.‎ ‎8.如图8所示，R3是光敏电阻(光照增强时电阻变小)，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(　　)‎ 图8‎ A.a点电势高于b点电势 B.a点电势低于b点电势 C.a点电势等于b点电势 D.a点电势和b点电势的大小无法比较 答案　A 解析　R3是光敏电阻，当有光照射时电阻变小，R3两端电压减小，故a点电势升高，因其他电阻的阻值不变，所以a点电势高于b点电势，故A正确.‎ ‎9.(2017·扬州市邗江中学高二(下)期中)如图9所示为某传感装置内部部分电路图，RT为正温度系数热敏电阻，其特性为随着温度的升高阻值增大；R1为光敏电阻，其特性为随着光照强度的增强阻值减小；R2和R3均为定值电阻，电源电动势为E，内阻为r，V为理想电压表.若发现电压表示数增大，可能的原因是(　　)‎ 图9‎ ‎①热敏电阻温度降低，其他条件不变 ‎②热敏电阻温度升高，其他条件不变 ‎③光照减弱，其他条件不变 ‎④光照增强，其他条件不变 A.①③ B.①④ C.②③ D.②④‎ 答案　A 解析　①热敏电阻温度降低时，其阻值减小，外电路总电阻减小，总电流增大，路端电压随之减小，通过光敏电阻的电流减小，通过R3的电流增大，电压表的读数增大，符合题意，故①正确.‎ ‎②同理可得热敏电阻温度升高，其他条件不变，电压表的示数减小，不符合题意，故②错误.‎ ‎③光照减弱，光敏电阻的阻值增大，外电路总电阻增大，路端电压增大，则电压表的示数增大，故③正确.‎ ‎④光照增强，光敏电阻的阻值减小，外电路总电阻减小，路端电压减小，则电压表的示数减小，故④错误.本题选A.‎ ‎10.(多选)如图10所示，电源的电动势为E，内阻为r，R1、R2、R3为定值电阻，R4为光敏电阻(光敏电阻被光照射时阻值变小)，C为电容器.闭合开关S，电路稳定后，用光照射R4，下列说法正确的是(　　)‎ 图10‎ A.电压表示数增大 B.电源的效率增大 C.电容器所带电荷量增加 D.R2上消耗的功率增大 答案　CD 解析　‎ 因有光照射时，光敏电阻的阻值减小，故总电阻减小；由闭合电路的欧姆定律可知，干路电流增大，由U＝E－Ir可知路端电压减小，所以电压表示数减小，故A错误；电源的效率η＝＝＝1－，电流增大，则电源效率减小，故B错误；电容器的电压与R2两端的电压相等，因R4电阻变小，总电阻变小，总电流增大，外电压变小，通过R1的电流减小，则通过R2的电流增大，所以电容器的电压增大，根据Q＝CU可知，电容器所带电荷量一定增加，故C正确；通过R2的电流增大，根据P＝I22R可知，R2上消耗的功率增大，故D正确.‎ ‎11.温度传感器广泛应用于室内空调、电冰箱等家用电器中，它是利用热敏电阻的阻值随温度变化而变化的特性来工作的.如图11甲所示，电源的电动势E＝9 V，内阻不计；G为灵敏电流表，内阻Rg保持不变；R为热敏电阻，其电阻阻值与温度的变化关系如图乙所示.闭合开关S，当R的温度等于20 ℃时，电流表的示数I1＝2 mA；当电流表的示数I2＝3.6 mA时，热敏电阻的温度是(　　)‎ 图11‎ A.60 ℃ B.80 ℃‎ C.100 ℃ D.120 ℃‎ 答案　D 解析　在20 ℃时，E＝(Rg＋R1)I1，得Rg＝500 Ω，在温度为t时，E＝(Rg＋R2)I2，代入数据得R2＝2 000 Ω，从题图乙中可以看出t＝120 ℃，故选D.‎ 考点三　霍尔元件的认识及应用 ‎12.霍尔元件能(　　)‎ A.把温度这个热学量转换成电阻这个电学量 B.把磁感应强度这个磁学量转换成电压这个电学量 C.把力这个力学量转换成电压这个电学量 D.把光照强弱这个光学量转换成电阻这个电学量 答案　B 解析　根据霍尔元件的工作原理，载流子在洛伦兹力作用下偏转，形成霍尔电压UH＝k，所以它将磁感应强度这个磁学量转换成电压这个电学量，故B正确.‎ 图12‎ ‎13.如图12所示，一段长方体导电材料，左右两端面的边长都为a和b，内有带电荷量为q的某种自由运动电荷.导电材料置于方向垂直于其前表面向里的匀强磁场中，内部磁感应强度大小为B.当通以从左到右的稳恒电流I时，测得导电材料上、下表面之间的电压为U，且上表面的电势比下表面的低.由此可得该导电材料单位体积内自由运动电荷数及自由运动电荷的正负分别为(　　)‎ A.，负 B.，正 C.，负 D.，正 答案　C 解析　导电材料上表面的电势比下表面的低，故导电材料内部的电场方向为竖直向上.由于电流方向为水平向右，假设自由运动电荷为正电荷，则由左手定则可知电荷受到的洛伦兹力竖直向上，而自由运动电荷受到的电场力也竖直向上，不能平衡，所以自由运动电荷一定是负电荷.根据自由电荷水平通过导电材料时受力平衡可知：|q|E＝|q|vB，而E＝得v＝ 再由电流的微观表达式I＝n|q|v·ab得：n＝，C对.‎