江蘇專用2025版高考物理一輪復(fù)習(xí)第11章交變電流傳感器第3節(jié)傳感器的工作原理及應(yīng)用學(xué)案

PAGE10-第3節(jié)傳感器的工作原理及應(yīng)用一、熱敏電阻與金屬熱電阻1．熱敏電阻熱敏電阻由半導(dǎo)體材料制成，其電阻隨溫度的變更明顯，溫度上升電阻減小，如圖甲所示為某一熱敏電阻的電阻隨溫度變更的特性曲線。甲乙2．金屬熱電阻有些金屬的電阻率隨溫度的上升而增大，這樣的電阻也可以制作溫度傳感器，稱為熱電阻，如圖乙所示為某金屬導(dǎo)線電阻的溫度特性曲線。3．留意：在工作溫度范圍內(nèi)，電阻值隨溫度上升而增加的是正溫度系數(shù)(PTC)熱敏電阻器；電阻值隨溫度上升而減小的是負溫度系數(shù)(NTC)熱敏電阻器。二、霍爾元件1．構(gòu)造：如圖所示，在一個很小的矩形半導(dǎo)體(例如砷化銦)薄片上，制作四個電極E、F、M、N，就成為一個霍爾元件。2．工作原理：在E、F間通入恒定的電流I,同時外加與薄片垂直的磁場B，則薄片中的載流子就在洛倫茲力的作用下，向著與電流和磁場都垂直的方向漂移，使M、N間出現(xiàn)了電壓，稱為霍爾電壓UH。3．霍爾電壓：UH＝keq\f(IB,d)。(1)其中d為薄片的厚度，k為霍爾系數(shù)，其大小與薄片的材料有關(guān)。(2)一個霍爾元件的d、k為定值，再保持I恒定，則UH的變更就與B成正比。4．作用：把磁感應(yīng)強度這個磁學(xué)量轉(zhuǎn)換為電壓這個電學(xué)量。三、傳感器的應(yīng)用實例1．力傳感器的應(yīng)用——電子秤(1)組成及敏感元件：由金屬梁和應(yīng)變片組成，敏感元件是應(yīng)變片。(2)工作原理：eq\x(\a\al(金屬梁,自由端,受力F))?eq\x(\a\al(金屬梁發(fā),生彎曲))?eq\x(\a\al(應(yīng)變片的,電阻變更))?兩應(yīng)變片上電壓的差值變更(3)作用：應(yīng)變片將物體形變這個力學(xué)量轉(zhuǎn)換為電壓這個電學(xué)量。2．溫度傳感器的應(yīng)用實例敏感元件工作原理電熨斗雙金屬片溫度變更時，由于雙金屬片上層金屬與下層金屬的膨脹系數(shù)不同，雙金屬片發(fā)生彎曲從而限制電路的通斷電飯鍋感溫鐵氧體(1)居里溫度：感溫鐵氧體常溫下具有鐵磁性，溫度上升到約103℃時，失去鐵磁性，這一溫度稱為“居里溫度”(2)自動斷電原理：用手按下開關(guān)通電加熱，起先煮飯，當(dāng)鍋內(nèi)加熱溫度達到103℃時，鐵氧體失去磁性，與永久磁鐵失去吸引力，被彈簧片彈開，從而推動杠桿使觸點開關(guān)斷開3．光傳感器的應(yīng)用——火災(zāi)報警器(1)組成：如圖所示，發(fā)光二極管LED、光電三極管和不透亮的擋板。(2)工作原理：平常間電三極管收不到LED發(fā)出的光，呈現(xiàn)高電阻狀態(tài)，煙霧進入罩內(nèi)后對光有散射作用，使部分光線照耀到光電三極管上，其電阻變小，與傳感器連接的電路檢測出這種變更，就會發(fā)出警報。1．思索辨析(正確的畫“√”，錯誤的畫“×”)(1)全部傳感器的材料都是由半導(dǎo)體材料做成的。 (×)(2)傳感器是把非電學(xué)量轉(zhuǎn)換為電學(xué)量的元件。 (√)(3)隨著光照的增加，光敏電阻的電阻值漸漸增大。 (×)(4)只有熱敏電阻才能把溫度這個熱學(xué)量轉(zhuǎn)換為電阻這個電學(xué)量。 (×)(5)傳感器可以將全部感受到的信號都轉(zhuǎn)換為電學(xué)量。 (×)(6)霍爾元件工作時，產(chǎn)生的電壓與外加的磁感應(yīng)強度成正比。 (√)2．有一電學(xué)元件，溫度上升時電阻卻大幅度地減小，則這種元件運用的材料可能是()A．金屬導(dǎo)體 B．絕緣體C．半導(dǎo)體 D．超導(dǎo)體C[金屬導(dǎo)體的電阻隨溫度的上升而增大，超導(dǎo)體的電阻幾乎為零，半導(dǎo)體(如熱敏電阻)的阻值隨溫度的上升而大幅度地減小。]3．宇宙飛船運用各類傳感器，智能化地感知各種信息。其中感知宇航員體溫變更的傳感器是()A．氣體傳感器 B．聲音傳感器C．溫度傳感器 D．壓力傳感器C[依據(jù)題意，要感知宇航員體溫變更，則須要將溫度的變更轉(zhuǎn)化為電學(xué)的物理量，所以運用的傳感器為溫度傳感器，故C項正確。]4．下列關(guān)于傳感器的說法不正確的是()A．熱敏電阻是由金屬制成的，對溫度感知靈敏B．電子秤所運用的測力裝置是力傳感器，它是把力信號轉(zhuǎn)化為電壓信號C．電熨斗能自動限制溫度的緣由是它裝有雙金屬片，這種雙金屬片的作用是限制電路的通斷D．光敏電阻能夠把光照強弱這個光學(xué)量轉(zhuǎn)換為電阻這個電學(xué)量A[熱敏電阻是由半導(dǎo)體材料制成的，對溫度感知靈敏，選項A錯誤；電子秤所運用的測力裝置是力傳感器，它是把力信號轉(zhuǎn)化為電壓信號，選項B正確；電熨斗能自動限制溫度的緣由是它裝有雙金屬片，這種雙金屬片的作用是限制電路的通斷，選項C正確；光敏電阻能夠把光照強弱這個光學(xué)量轉(zhuǎn)換為電阻這個電學(xué)量，選項D正確。]5.2007年度諾貝爾物理學(xué)獎授予了法國和德國的兩位科學(xué)家，以表彰他們發(fā)覺“巨磁電阻效應(yīng)”?；诰薮烹娮栊?yīng)開發(fā)的用于讀取硬盤數(shù)據(jù)的技術(shù)，被認為是納米技術(shù)的第一次真正應(yīng)用。在下列有關(guān)其他電阻應(yīng)用的說法中。錯誤的是()A．熱敏電阻可應(yīng)用于溫度測控裝置中B．光敏電阻是一種光電傳感器C．電阻絲可應(yīng)用于電熱設(shè)備中D．電阻在電路中主要起到通過直流、阻礙溝通的作用D[熱敏電阻對溫度很敏感，光敏電阻對光照很敏感，電阻絲可用于電加熱，這很常見，所以A、B、C正確；溝通電、直流電均可通過電阻，電阻對它們均可產(chǎn)生阻礙作用，所以D錯誤。]傳感器的原理和分類eq\o([依題組訓(xùn)練])1．電子電路中常用到一種稱為“干簧管”的元件(如圖所示)，它的結(jié)構(gòu)很簡潔，只是玻璃管內(nèi)封入的兩個軟磁性材料制成的簧片。當(dāng)磁體靠近干簧管時，兩個簧片被磁化而接通，所以干簧管能起到開關(guān)的作用，操縱開關(guān)的是磁場這只看不見的“手”。關(guān)于干簧管，下列說法正確的是()A．干簧管接入電路中相當(dāng)于電阻的作用B．干簧管是依據(jù)熱脹冷縮的原理制成的C．兩個磁性材料制成的簧片接通的緣由是被磁化后相互吸引D．干簧管接入電路中相當(dāng)于電容的作用C[當(dāng)磁體靠近干簧管時，兩個簧片被磁化相互吸引而接通，故選項B錯誤，選項C正確；當(dāng)磁體遠離干簧管時，軟磁性材料制成的簧片失去磁性，所以兩簧片又分開，因此干簧管在電路中相當(dāng)于開關(guān)的作用，選項A、D錯誤。]2．如圖所示，R1、R2為定值電阻，L為小燈泡，R3為光敏電阻，當(dāng)照耀光強度增大時，下列說法不正確的是()A．電壓表的示數(shù)增大B．R2中電流減小C．小燈泡的功率增大D．電路的路端電壓增大D[當(dāng)照耀光強度增大時，R3阻值減小，外電路電阻隨R3的減小而減小，R1兩端電壓因干路電流增大而增大，同時內(nèi)電壓增大，故電路路端電壓減小，而電壓表的示數(shù)增大，A項正確，D項錯誤；由路端電壓減小，而R1兩端電壓增大知，R2兩端電壓必減小，則R2中電流減小，故B項正確；結(jié)合干路電流增大知流過小燈泡的電流必增大，則小燈泡的功率增大，C項正確。]3．溫度傳感器廣泛應(yīng)用于室內(nèi)空調(diào)、電冰箱和微波爐等家用產(chǎn)品中，它是利用熱敏電阻的阻值隨溫度的變更而變更的特性工作的。如圖甲中，電源的電動勢E＝9.0V，內(nèi)電阻可忽視不計；G為靈敏電流表，內(nèi)阻Rg保持不變；R為熱敏電阻，其電阻值與溫度的變更關(guān)系如圖乙的R-t圖線所示，閉合開關(guān)，當(dāng)R的溫度等于120℃時，電流表示數(shù)I1＝3mA，求：甲乙(1)電流表G的內(nèi)阻Rg；(2)當(dāng)電流表的示數(shù)I2＝1.8mA時，熱敏電阻R的溫度。[解析](1)由題圖乙知熱敏電阻R的溫度在120℃時，電阻為2kΩ，閉合電路的電流為I1＝3mA依據(jù)閉合電路歐姆定律得：Rg＝eq\f(E,I1)－R＝eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(9,3×10－3)－2×103))Ω＝1000Ω。(2)當(dāng)電流表的示數(shù)I2＝1.8mA時R′＝eq\f(E,I2)－Rg＝eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(9,1.8×10－3)－1×103))Ω＝4000Ω由題圖乙可知當(dāng)熱敏電阻R阻值為4000Ω時的溫度為20℃。[答案](1)1000Ω(2)20℃?zhèn)鞲衅鲉栴}的分析思路不同類型的傳感器，其工作原理一般不同，但全部的傳感器都是把非電學(xué)量的變更轉(zhuǎn)換為電學(xué)量的變更。因此我們可以依據(jù)電學(xué)量的變更來推想相關(guān)量的變更。電阻項目熱敏電阻金屬熱電阻特點電阻率隨溫度的上升而減小電阻率隨溫度的上升而增大R-t圖象制作材料半導(dǎo)體金屬導(dǎo)電原理自由電子和空穴等載流子自由電子的定向移動優(yōu)點靈敏度較好化學(xué)穩(wěn)定性好，測溫范圍大，但靈敏度較差作用將溫度這個熱學(xué)量轉(zhuǎn)換為電阻這個電學(xué)量霍爾效應(yīng)和電容式傳感器[分考向訓(xùn)練]霍爾效應(yīng)1．如圖所示為某霍爾元件的工作原理示意圖，該元件中電流I由正電荷的定向運動形成。下列說法不正確的是()A．M點電勢比N點電勢高B．用霍爾元件可以測量地磁場的磁感應(yīng)強度C．用霍爾元件能夠把磁學(xué)量轉(zhuǎn)換為電學(xué)量D．若保持電流I恒定，則霍爾電壓UH與B成正比A[當(dāng)正電荷定向移動形成電流時，正電荷在洛倫茲力作用下向N極聚集，M極感應(yīng)出等量的負電荷，所以M點電勢比N點電勢低，選項A錯誤；依據(jù)霍爾元件的特點可知，選項B、C正確；因霍爾電壓UH＝keq\f(IB,d)，保持電流I恒定時，霍爾電壓UH與B成正比，選項D正確。]2．如圖所示是霍爾元件的工作原理示意圖，假如用d表示薄片的厚度，k為霍爾系數(shù)，相對于一個霍爾元件d、k為定值，假如保持電流I恒定，則可以驗證UH隨B的變更狀況。以下說法中不正確的是()A．將永磁體的一個磁極漸漸靠近霍爾元件的工作面時，UH將變大B．在測定地球兩極的磁場強弱時，霍爾元件的工作面應(yīng)保持水平C．在測定地球赤道上的磁場強弱時，霍爾元件的工作面應(yīng)保持水平D．變更磁感線與霍爾元件工作面的夾角，UH將發(fā)生變更C[一個磁極靠近霍爾元件工作面時，B增加，由UH＝keq\f(IB,d)，知UH將變大，A正確；地球兩極處磁場可看作與地面垂直，所以工作面應(yīng)保持水平，B正確；赤道處磁場可看作與地面平行，所以工作面應(yīng)保持豎直，C錯誤；若磁場與工作面夾角為θ，則應(yīng)有qvBsinθ＝qeq\f(UH,d)，可見θ變更時，UH將變更，D正確。]霍爾電勢凹凸的推斷方法由左手定則推斷帶電粒子的受力方向，假如帶電粒子是正電荷，則拇指所指的面為高電勢面，假如是負電荷，則拇指所指的面為低電勢面，但無論是正電荷還是負電荷，四指指的都是電流方向，即正電荷定向移動的方向，負電荷定向移動的反方向。在推斷電勢凹凸時肯定要留意載流子是正電荷還是負電荷。電容式傳感器1．電容器的電容確定于極板間的正對面積S、極板間距d、極板間的電介質(zhì)這幾個因素。假如某個物理量(如角度θ、位移x、深度H等)的變更引起上述某個因素的變更，從而引起電容的變更，通過電容的變更就可以確定上述物理量的變更，這種電容器稱為電容式傳感器。2．常見電容式傳感器名稱傳感器原理測定角度θ的電容式傳感器當(dāng)動片與定片之間的角度θ發(fā)生變更時，引起極板正對面積S的變更，使電容C發(fā)生變更，知道C的變更，就可以知道θ的變更狀況測定液面高度h的電容式傳感器在導(dǎo)線芯的外面涂上一層絕緣物質(zhì)，放入導(dǎo)電液體中，導(dǎo)線芯和導(dǎo)電液體構(gòu)成電容器的兩個極，導(dǎo)線芯外面的絕緣物質(zhì)就是電介質(zhì)，液面高度h發(fā)生變更時，引起正對面積發(fā)生變更，使電容C發(fā)生變更，知道C的變更，就可以知道h的變更狀況測定壓力F的電容式傳感器待測壓力F作用于可動膜片電極上的時候，膜片發(fā)生形變，使極板間距離d發(fā)生變更，引起電容C的變更，知道C的變更，就可以知道F的變更狀況測定位移x的電容式傳感器隨著電介質(zhì)進入極板間的長度發(fā)生變更，電容C發(fā)生變更，知道C的變更，就可以知道x的變更狀況[典例示法]如圖所示為測定壓力的電容式傳感器，將平行板電容器、靈敏電流表(零刻度在中間)和電源串聯(lián)成閉合回路，當(dāng)壓力F作用于可動膜片電極上時，膜片發(fā)生形變，引起電容的變更，導(dǎo)致靈敏電流計指針偏轉(zhuǎn)，在對膜片起先施加壓力使膜片電極從圖中的虛線推到圖中實線位置并保持固定的過程中，靈敏電流表指針偏轉(zhuǎn)狀況為(電流從電流表正接線柱流入時指針向右偏)()A．向右偏到某一刻度后回到零刻度B．向左偏到某一刻度后回到零刻度C．向右偏到某一刻度后不動D．向左偏到某一刻度后不動思路點撥：依據(jù)電容的公式C＝eq\f(εrS,4πkd)和C＝eq\f(Q,U)，按以下思路進行分析。eq\x(\a\al(壓力F,作用下))→eq\x(d變更)→eq\x(C變更)→eq\x(Q變更)→回路中產(chǎn)生電流A[壓力F作用時，極板間距d變小，由C＝eq\f(εrS,4πkd)，電容器電容C變大，又依據(jù)Q＝CU，極板帶電荷量變大，所以電容器應(yīng)充電，靈敏電流計中產(chǎn)生由正接線柱流入的電流，所以指針將右偏。F不變時，極板保持固定后，充電結(jié)束，指針回到零刻度。故選A。][跟進訓(xùn)練]1．傳感器是將能感受的物理量(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，在自動限制中有相當(dāng)廣泛的應(yīng)用，如圖所示的裝置是一種測定液面高度的電容式傳感器。金屬芯線與導(dǎo)電液體構(gòu)成一個電容器，從電容C大小的變更狀況就能反映出液面高度h的凹凸?fàn)顩r，則兩者的關(guān)系是()①C增大表示h增大②C增大表示h減?、跜減小表示h減小④C減小表示h增大A．只有①正確 B．只有①、③正確C．只有②正確 D．只有②、④正確B[液面高度的變更，相當(dāng)于電容器極板正對面積的變更。當(dāng)h增大時，相當(dāng)于正對面積增大，則電容應(yīng)增大；當(dāng)h減小時，相當(dāng)于正對面積減小，電容C應(yīng)減小，B正確。]2．傳感器是把非電學(xué)量(如位移、壓力、流量、聲強等)轉(zhuǎn)換成電學(xué)量的一種元件。如圖所示為一種電容式傳感器，電路可將聲音信號轉(zhuǎn)化為電信號。電路中a、b構(gòu)成一個電容器，b是固定不動的金屬板，a是能在聲波驅(qū)動下沿水平方向振動的鍍有金屬層的振動膜。若聲源S發(fā)出頻率恒定的聲波使a振動，則a在振動過程中()A．a(chǎn)、b板之間的電場強度不變B．a(chǎn)、b板所帶的電荷量不變C．電路中始終有方向不變的電流D．向右位移最大時，電容器的電容最大D[a、b始終跟電源相連，電勢差U不變，由于a、b間距離變更，由E＝eq\f(U,d)知電場強度變更，A錯誤；由C＝eq\f(εrS,4πkd)知d變更時C變更，a向右位移最大時，電容最大，D正確；由Q＝CU知a、b所帶電荷量變更，電路中電流方向變更，B、C錯誤。]傳感器的應(yīng)用eq\o([依題組訓(xùn)練])[題組訓(xùn)練]1．下列關(guān)于光傳感火災(zāi)報警器的說法中正確的是()A．發(fā)光二極管是由半導(dǎo)體材料制成的，光電三極管是由導(dǎo)體材料制成的B．光電三極管與光敏電阻一樣都是光敏感元件，都是將光信號轉(zhuǎn)換為電信號C．發(fā)光二極管發(fā)出的是脈沖微光D．假如把擋板撤去，火災(zāi)報警器照樣工作B[發(fā)光二極管工作時是持續(xù)發(fā)光的，擋板撤去，光始終照到光電三極管上，始終發(fā)出警報，和有無火災(zāi)無關(guān)。故B