高中物理中的傳感器習(xí)題例析

1、高中物理中的傳感器習(xí)題例析浙江諸暨中學(xué)（311800） 王曉峰教學(xué)改革要求注重對(duì)學(xué)生能力的培養(yǎng)，從近年高考命題來看，試題越來越貼近實(shí)際問題和物理知識(shí)的實(shí)際應(yīng)用。傳感器作為信息采集重要元件，在自動(dòng)控制、信息處理等技術(shù)中發(fā)揮著重要的作用，而關(guān)于傳感器的題型也越來越多。傳感器是指能將所感受到的物理量（如力、熱、光、聲等）轉(zhuǎn)換成便于測量的量（一般是電學(xué)量）的一類元件，其工作過程是通過對(duì)某一物理量敏感的元件將感受到的信號(hào)按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成便于利用的信號(hào)。傳感器可以根據(jù)其利用的元件進(jìn)行分類（如電容傳感器、電阻傳感器等），也可以按其轉(zhuǎn)換的信號(hào)來分類（如光電、熱電傳感器等），本文收集了一些與高中物理知識(shí)貼近的常

2、見傳感器的相關(guān)習(xí)題，并以后者進(jìn)行分類，供大家參考。1熱電傳感器：熱電傳感器是指將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的一類傳感器，一般有兩類：一類是隨溫度變化引起傳感器中某個(gè)組件形狀的變化（如熱脹冷縮）達(dá)到轉(zhuǎn)換信號(hào)的目的；還有一類是隨溫度變化引起電阻的變化（如半導(dǎo)體材料中熱敏電阻隨溫度升高電阻減?。┻_(dá)到轉(zhuǎn)換信號(hào)的目的。 例1：日光燈的啟動(dòng)器也可看成是一個(gè)熱敏傳感裝置，它的熱敏 功能器是雙金屬片，你能說出啟動(dòng)器的工作原理嗎？ 解析：日光燈啟動(dòng)器結(jié)構(gòu)如圖1所示，內(nèi)有一雙金屬片，熱膨脹系數(shù)不同。開關(guān)閉合后，啟動(dòng)器兩極之間有電壓使氖氣放電而發(fā)出輝光，輝光發(fā)出的熱量使U 形動(dòng)觸片受熱膨脹向外延伸，碰到靜觸片接觸，電路接

3、通；溫度降低時(shí)，U 動(dòng)觸片向里收縮，離開觸點(diǎn)，切斷電路。例2：給你如下器材：熱敏電阻、電鈴、電源繼電器，滑動(dòng)變阻器，開關(guān)和導(dǎo)線若干。試從所給器材中選用一些器材制作一個(gè)高溫自動(dòng)報(bào)警器，要求是：不必要的器材盡量不用，畫出電路圖。 解析：選擇熱敏電阻、電鈴、電源繼電器及導(dǎo)線若干，連接電路如圖2。 原理：當(dāng)溫度升高，熱敏電阻電阻減小，螺線管中電流增大，電磁鐵磁性變強(qiáng)，銜鐵被吸下，與觸頭接觸，含電鈴電路閉合，電鈴鳴響報(bào)報(bào)警。在熱電傳感器中要注意熱敏電阻的電阻值是隨溫度升高而減小，抓住這特性，再結(jié)合電學(xué)知識(shí)就能夠分析出設(shè)計(jì)原理并用以解題。2光電傳感器：光電傳感器是指將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的一類傳感器，一般以

4、光敏電阻為主要元件，因?yàn)楣饷綦娮桦娮柚惦S光照加強(qiáng)而減小，將光敏電阻連接到電路中時(shí)，光照改變就會(huì)引起電路中其它電學(xué)量的改變，從而將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。例3：如圖3所示為光敏電阻自動(dòng)計(jì)數(shù)器的示意圖，其中A 是發(fā)光儀器，B 是傳送帶上物品，R 1為光敏電阻，R 2為定值電阻，此光電計(jì)數(shù)器的基本工作原理是（ AD ）（A ）當(dāng)有光照射R 1時(shí)，信號(hào)處理系統(tǒng)獲得高電壓 （B ）當(dāng)有光照射R 1時(shí)，信號(hào)處理系統(tǒng)獲得低電壓 （C ）信號(hào)處理系統(tǒng)每獲得一次低電壓就記數(shù)一次（D ）信號(hào)處理系統(tǒng)每獲得一次高電壓就記數(shù)一次 解析：光敏電阻自動(dòng)計(jì)數(shù)器原理圖如上，當(dāng)傳送帶上沒有物品擋住由A 射出的光信號(hào)時(shí)，光敏電阻阻值

5、變小，形動(dòng)觸片信號(hào)處理系統(tǒng)由分壓規(guī)律知供給信號(hào)處理系統(tǒng)的電壓變低；當(dāng)傳送帶上有物品擋住由A 射出的光信號(hào)時(shí)，光敏電阻的阻值變大，供給信號(hào)系統(tǒng)的電壓變高并記數(shù)一次。這種高低交替變化的信號(hào)經(jīng)過信號(hào)處理系統(tǒng)的處理，就會(huì)自動(dòng)將其轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的數(shù)字，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)計(jì)數(shù)的功能。故上題應(yīng)選A 、D 。例4：給你光電管、電磁繼電器、直流電源、開關(guān)、照明電路、路燈及導(dǎo)線，設(shè)計(jì)一個(gè)用于街道的路燈自動(dòng)控制開關(guān)，達(dá)到日出路燈熄，日落路燈亮的效果，并說明設(shè)計(jì)原理。 解析：設(shè)計(jì)電路如圖4，當(dāng)光照加強(qiáng)時(shí)，光電管電阻變小， 通過線圈的電流變大，電磁鐵磁性變強(qiáng)，把銜鐵吸下，脫離觸點(diǎn)，照明電路斷開，燈熄滅；當(dāng)光照減弱時(shí)，光電管電阻變大，

6、電流減小，電磁鐵磁性減弱，銜鐵被彈簧彈回與觸點(diǎn)接觸，照明電路接通，燈亮。因此就可做到日出燈熄，日落燈熄。3聲電傳感器：聲電傳感器是指將聲音信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的一類傳感器，常見的電容式話筒和動(dòng)圈式話筒都是聲電傳感器。例5：如圖5是電容式話筒的示意圖，它是利用電容制作的傳感器，話筒的振動(dòng)膜前面鍍有薄薄的金屬層，膜后距膜幾十微米處有一金屬板，振動(dòng)膜上的金屬層和這個(gè)金屬板構(gòu)成電容器的兩極，在兩極間加一電壓U ，人對(duì)著話筒說話時(shí)，振動(dòng)膜前后振動(dòng)，使電容發(fā)生變化，導(dǎo)致話筒所在電路中的其它量發(fā)生變化，使聲音信號(hào)被話筒轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，其中導(dǎo)致電容變化的原因可能是容器兩板間的（ A ）（A ）距離變化 （B ）正對(duì)

7、面積變化 （C ）介質(zhì)變化 （D ）電壓變化 解析：這個(gè)聲電傳感器又可歸到電容傳感器中。由題意對(duì)著話筒說話時(shí)，振動(dòng)膜前后振動(dòng)，則金屬層和金屬板間距離改變，即電容器兩極板間距改變，故導(dǎo)致電容變化的原因可能是容器兩極間的距變變化，選A 。 例6：下面是動(dòng)圈式話筒的原理圖，請(qǐng)你根據(jù)圖6說出具體原理。解析：動(dòng)圈式話筒是利用電磁感應(yīng)現(xiàn)象象制成的。當(dāng)聲波使金屬膜片振動(dòng)時(shí)，連接在膜片上的線圈（叫音圈） 隨著一起振動(dòng)。音圈在永磁鐵的磁場中振動(dòng)，其中就產(chǎn)生感應(yīng)電流，感應(yīng)電流的大小和方向都變化，振幅和頻率的變化由聲波決定，這就將聲音信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，這個(gè)電信號(hào)經(jīng)擴(kuò)音器放大后傳給揚(yáng)聲器，從揚(yáng)聲器中就發(fā)生放大的聲音。

8、4力電傳感器：力電傳感器是將力信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的一類傳感器，如下面兩例：例7：某學(xué)生為了測量一個(gè)物體的質(zhì)量，找到一個(gè)力電轉(zhuǎn)換器，該轉(zhuǎn)換器的輸出電壓正比于受壓面受到的壓力（比例系數(shù)為k ）如 圖7所示，測量時(shí)先調(diào)節(jié)輸入端的電壓，使轉(zhuǎn)換器空載時(shí)的輸出電壓為0；而后在其受壓面上放上物體，即可測得與物體的質(zhì)量成正比的輸出電壓U ?，F(xiàn)有下列器材：力電轉(zhuǎn)換器、質(zhì)量為m 0的砝碼、電壓表、滑動(dòng)變阻器、干電池一個(gè)、電鍵及導(dǎo)線若干、待測物體（可置于力電轉(zhuǎn)換器的受壓面上）。請(qǐng)完成對(duì)該物體的測量m 。（1）設(shè)計(jì)一個(gè)電路，要求力轉(zhuǎn)換器的輸入電壓可調(diào)，并且使電壓的調(diào)節(jié)范圍盡可能··聲波 圖7大，在方

9、框中畫出完整的測量電路圖。（2）簡要說明測量步驟，求出比例系數(shù)k ，并測出待測物體的質(zhì)量m 。（3）請(qǐng)?jiān)O(shè)想實(shí)驗(yàn)中可能會(huì)出現(xiàn)的一個(gè)問題。解析：（1）設(shè)計(jì)的電路圖如圖8所示，輸入電壓采用分壓接法目的是讓電壓可調(diào)范圍盡可能大。 （2）測量步驟：調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器，使轉(zhuǎn)換器的輸出電壓為零。 將質(zhì)量為m 0的砝碼放在轉(zhuǎn)換器上，記下輸出電壓U 0。將待測物體放在轉(zhuǎn)換器上，記下輸出電壓U 1，由U 0=km 0g 得k=U0/m0g ，測得U 1=kmg，所以m=m0U 1/U0。（3）可能出現(xiàn)的問題（注：本題屬開放性問題答案不唯一）：因電源電壓不夠而輸出電壓調(diào)不到零。待測物體質(zhì)量超出轉(zhuǎn)換器量程。例8：如圖9所

10、示是一種測量血壓的壓力傳感器在工作時(shí)的示意圖。薄金屬片P 固定有4個(gè)電阻R 1、R 2、R 3、R 4（如圖10所示），左邊是它的側(cè)面圖這四個(gè)電阻連接成電路如圖11所示，試回答下列問題：（1）開始時(shí)金屬片中央O 點(diǎn)未加任何壓力，欲使電壓表無示數(shù)，則4個(gè)電阻應(yīng)滿足怎樣的關(guān)系？（2）當(dāng)O 點(diǎn)加一個(gè)壓力F 后發(fā)生形變，這時(shí)4個(gè)電阻也隨之發(fā)生形變，形變后各電阻大小如何變化？（3）電阻變化后，電阻的A 、B 兩點(diǎn)哪點(diǎn)電壓高？它為什么能測量電壓？ 解析：（1）本題是電路中A 、B 兩點(diǎn)間電壓與4個(gè)電阻的關(guān)系，由于電壓表的電阻可看作無窮大，因此本電路是R 1、R 2的串聯(lián)電路與R 3、R 4的串聯(lián)電路并聯(lián)，

11、伏特表電路相當(dāng)于一根電橋，要使伏特表無讀數(shù)，即A 、B 兩點(diǎn)電勢相等則有：R 1/R 2= R 3/R 4或R 1R 4= R 2R 3。（2）當(dāng)O 點(diǎn)加垂直于金屬片的壓力后，金屬片發(fā)生形變，由于電阻是固定在金屬片上的（由上圖），因此R 1、R 4被拉長，R 2、R 3被拉寬，根據(jù)電阻定率，則R 1、R 4增大，R 2、R 3減小，顯然，這時(shí)A 、B 兩點(diǎn)電壓不再相等。（3）電阻增大，電壓降增大，電阻減小，電壓降減小，故在R 1、R 2的串聯(lián)電路上R 1上的電壓降增大，R 3、R 4串聯(lián)電路上R 3電壓降減小，所以A 點(diǎn)電壓高于B 點(diǎn)電壓。測量血壓時(shí)，血壓越高，壓力F 越大，金屬片形變?cè)斤@著，

12、電阻變化越大，因而電壓表示數(shù)越大，于是就能根據(jù)電壓表示數(shù)的大小來測量血壓的高低了。當(dāng)然在實(shí)際上由于金屬片形變較小，所以電阻變化也較小，A 、B 兩點(diǎn)間電壓還要經(jīng)過放大才能通過電表指示出來，有的還可以轉(zhuǎn)換成數(shù)字顯示出來。5其它傳感器：除以上這些傳感器外，還有將除力、熱、光、聲外信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的傳感器，如下面兩例：O圖圖11例9：如圖12所示的是通過電容器的變化來檢測容器內(nèi)液面高低的儀器示意圖，容器中裝有導(dǎo)電液體，是電容器的一個(gè)電極，中間的導(dǎo)體芯柱是電容器的另一個(gè)電極，芯柱外面套有絕緣管作為電介質(zhì)，電容器的這 兩個(gè)電極分別用振蕩電路產(chǎn)生電磁振蕩，根據(jù)其振蕩頻率的高低（用與該電路相連的頻率計(jì)顯示）

13、就可知容器中液面位置的高低。（1）如果頻率計(jì)顯示該振蕩電路的振蕩頻率變大了，則液面是升高了還是降低了？（2）容器內(nèi)的導(dǎo)電液體與大地相連，若某一時(shí)刻線圈內(nèi)磁場方向向右，且正在增強(qiáng)，則此時(shí)導(dǎo)體芯柱的電勢是正在升高還是降低？解析：由題意可知導(dǎo)電液體和導(dǎo)線芯為兩極板絕緣管為電介質(zhì)構(gòu)成一個(gè)電容器，此電容器與線圈組成一個(gè)LC 振蕩電路，當(dāng)電容器電容變化時(shí)，便會(huì)引起振蕩頻率的變化，而此電容器電容的變化是由于液體和導(dǎo)線芯的正對(duì)面積的變化即液面的升降引起的，且隨液面升高電容變大，故可以通過振蕩頻率的變化來探知液體深度的變化，即將液體深度的信號(hào)轉(zhuǎn)換成了振蕩頻率信號(hào)。（1）根據(jù)題意設(shè)電容器的電容為C ，線圈的自感系

14、數(shù)為L ，則振蕩頻率LC f 21=，由題意知f 變大，則C 減小，可知液面位置降低。（2）某一時(shí)刻線圈內(nèi)磁場方向向右，根據(jù)右手定則，電流方向應(yīng)如圖所示，可知電容容器正處在放電過程，電容器兩極板上電量減少，電壓減小，又因?qū)щ娨号c大地相連電勢始終為零，故導(dǎo)體芯線電勢是正在降低。例10如圖14所示，有的計(jì)算機(jī)鍵盤的每一個(gè)鍵下面都連一小塊金屬片，與該金屬片隔有一定空氣隙的是另一塊小的固定金屬片，這兩塊金屬片組成一個(gè)小電容器該電容器的電容C 可用公式dS e C =計(jì)算，式中常量e =9×10-12 F ·m -1 ，S 表示金屬片的正對(duì)面積，d 表示兩金屬片間的距離當(dāng)鍵被按下時(shí)，

15、 此小電容器的電容發(fā)生變化，與之相連的電子線路就能檢測出哪個(gè)鍵被按下了，從而給出相應(yīng)的信號(hào)設(shè)每個(gè)金屬片的正對(duì)面積為50 mm2，鍵未按下時(shí)兩金屬片的距離為0.6 mm 如果電容變化了0.25 pF ，電子線路恰能檢測出必要的信號(hào)，則鍵至少要被按下 0.15 mm 。解析：計(jì)算機(jī)鍵盤是一個(gè)電容傳感器，由題意知是改變兩極板間距改變電容，得到相應(yīng)的電信號(hào)。又因兩極板間距減小，電容變大，設(shè)原間距為d 0，至少要按下距離為d ，電子線路恰能檢測出必要的信號(hào)，則根據(jù)d S e C =， 11(0d d eS C -=，得m m eS d C eSd d 36123123612001015. 01050109106. 01025. 0106. 01050109-=+=+=，即d =0.15mm。以上所舉的傳感器例子雖然各不雷同且在傳感