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(fù)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(gè)很小的矩形半導(dǎo)體(例如砷化銦)薄片上，制作四個(gè)電極E、F、M、N，就成為一個(gè)霍爾元件。2．工作原理：在E、F間通入恒定的電流I,同時(shí)外加與薄片垂直的磁場(chǎng)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(chǎng)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(gè)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(qiáng)度這個(gè)磁學(xué)量轉(zhuǎn)換為電壓這個(gè)電學(xué)量。三、傳感器的應(yīng)用實(shí)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(gè)力學(xué)量轉(zhuǎn)換為電壓這個(gè)電學(xué)量。2．溫度傳感器的應(yīng)用實(shí)例敏感元件工作原理電熨斗雙金屬片溫度變更時(shí)，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(shí)，失去鐵磁性，這一溫度稱為“居里溫度”(2)自動(dòng)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(dá)到103℃時(shí)，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(dòng)杠桿使觸點(diǎn)開關(guān)斷開3．光傳感器的應(yīng)用——火災(zāi)報(bào)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(jìn)入罩內(nèi)后對(duì)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(cè)出這種變更，就會(huì)發(fā)出警報(bào)。1．思索辨析(正確的畫“√”，錯(cuò)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(gè)熱學(xué)量轉(zhuǎn)換為電阻這個(gè)電學(xué)量。 (×)(5)傳感器可以將全部感受到的信號(hào)都轉(zhuǎn)換為電學(xué)量。 (×)(6)霍爾元件工作時(shí)，產(chǎn)生的電壓與外加的磁感應(yīng)強(qiáng)度成正比。 (√)2．有一電學(xué)元件，溫度上升時(shí)電阻卻大幅度地減小，則這種元件運(yùn)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(yùn)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(yùn)用的傳感器為溫度傳感器，故C項(xiàng)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(duì)溫度感知靈敏B．電子秤所運(yùn)用的測(cè)力裝置是力傳感器，它是把力信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)C．電熨斗能自動(dòng)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(qiáng)弱這個(gè)光學(xué)量轉(zhuǎn)換為電阻這個(gè)電學(xué)量A[熱敏電阻是由半導(dǎo)體材料制成的，對(duì)溫度感知靈敏，選項(xiàng)A錯(cuò)誤；電子秤所運(yùn)用的測(cè)力裝置是力傳感器，它是把力信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，選項(xiàng)B正確；電熨斗能自動(dòng)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(xiàng)C正確；光敏電阻能夠把光照強(qiáng)弱這個(gè)光學(xué)量轉(zhuǎn)換為電阻這個(gè)電學(xué)量，選項(xiàng)D正確。]5.2007年度諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予了法國(guó)和德國(guó)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(rèn)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(cuò)誤的是()A．熱敏電阻可應(yīng)用于溫度測(cè)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(duì)溫度很敏感，光敏電阻對(duì)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(duì)它們均可產(chǎn)生阻礙作用，所以D錯(cuò)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(jiǎn)潔，只是玻璃管內(nèi)封入的兩個(gè)軟磁性材料制成的簧片。當(dāng)磁體靠近干簧管時(shí)，兩個(gè)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(chǎng)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(gè)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(shí)，兩個(gè)簧片被磁化相互吸引而接通，故選項(xiàng)B錯(cuò)誤，選項(xiàng)C正確；當(dāng)磁體遠(yuǎn)離干簧管時(shí)，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(xiàng)A、D錯(cuò)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(qiáng)度增大時(shí)，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(qiáng)度增大時(shí)，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(shí)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(xiàng)正確，D項(xiàng)錯(cuò)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(xiàng)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(xiàng)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(dòng)勢(shì)E＝9.0V，內(nèi)電阻可忽視不計(jì)；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(shí)，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(shí)，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(shí)，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(shí)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(shí)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(xiàng)目熱敏電阻金屬熱電阻特點(diǎn)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(dòng)優(yōu)點(diǎn)靈敏度較好化學(xué)穩(wěn)定性好，測(cè)溫范圍大，但靈敏度較差作用將溫度這個(gè)熱學(xué)量轉(zhuǎn)換為電阻這個(gè)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(yùn)動(dòng)形成。下列說法不正確的是()A．M點(diǎn)電勢(shì)比N點(diǎn)電勢(shì)高B．用霍爾元件可以測(cè)量地磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)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(dòng)形成電流時(shí)，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(fù)電荷，所以M點(diǎn)電勢(shì)比N點(diǎn)電勢(shì)低，選項(xiàng)A錯(cuò)誤；依據(jù)霍爾元件的特點(diǎn)可知，選項(xiàng)B、C正確；因霍爾電壓UH＝keq\f(IB,d)，保持電流I恒定時(shí)，霍爾電壓UH與B成正比，選項(xiàng)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(duì)于一個(gè)霍爾元件d、k為定值，假如保持電流I恒定，則可以驗(yàn)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(gè)磁極漸漸靠近霍爾元件的工作面時(shí)，UH將變大B．在測(cè)定地球兩極的磁場(chǎng)強(qiáng)弱時(shí)，霍爾元件的工作面應(yīng)保持水平C．在測(cè)定地球赤道上的磁場(chǎng)強(qiáng)弱時(shí)，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(gè)磁極靠近霍爾元件工作面時(shí)，B增加，由UH＝keq\f(IB,d)，知UH將變大，A正確；地球兩極處磁場(chǎng)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(chǎng)可看作與地面平行，所以工作面應(yīng)保持豎直，C錯(cuò)誤；若磁場(chǎng)與工作面夾角為θ，則應(yīng)有qvBsinθ＝qeq\f(UH,d)，可見θ變更時(shí)，UH將變更，D正確。]霍爾電勢(shì)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(shì)面，假如是負(fù)電荷，則拇指所指的面為低電勢(shì)面，但無論是正電荷還是負(fù)電荷，四指指的都是電流方向，即正電荷定向移動(dòng)的方向，負(fù)電荷定向移動(dòng)的反方向。在推斷電勢(shì)凹凸時(shí)肯定要留意載流子是正電荷還是負(fù)電荷。電容式傳感器1．電容器的電容確定于極板間的正對(duì)面積S、極板間距d、極板間的電介質(zhì)這幾個(gè)因素。假如某個(gè)物理量(如角度θ、位移x、深度H等)的變更引起上述某個(gè)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(cè)定角度θ的電容式傳感器當(dāng)動(dòng)片與定片之間的角度θ發(fā)生變更時(shí)，引起極板正對(duì)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(cè)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(gè)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(shí)，引起正對(duì)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(cè)定壓力F的電容式傳感器待測(cè)壓力F作用于可動(dòng)膜片電極上的時(shí)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(cè)定位移x的電容式傳感器隨著電介質(zhì)進(jìn)入極板間的長(zhǎng)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(cè)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(dòng)膜片電極上時(shí)，膜片發(fā)生形變，引起電容的變更，導(dǎo)致靈敏電流計(jì)指針偏轉(zhuǎn)，在對(duì)膜片起先施加壓力使膜片電極從圖中的虛線推到圖中實(shí)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(shí)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(dòng)D．向左偏到某一刻度后不動(dòng)思路點(diǎn)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(jìn)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(shí)，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(jì)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(shí)，極板保持固定后，充電結(jié)束，指針回到零刻度。故選A。][跟進(jìn)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(cè)量的量(一般是電學(xué)量)的一類元件，在自動(dòng)限制中有相當(dāng)廣泛的應(yīng)用，如圖所示的裝置是一種測(cè)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(gè)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?、蹸減小表示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(duì)面積的變更。當(dāng)h增大時(shí)，相當(dāng)于正對(duì)面積增大，則電容應(yīng)增大；當(dāng)h減小時(shí)，相當(dāng)于正對(duì)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(qiáng)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(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。電路中a、b構(gòu)成一個(gè)電容器，b是固定不動(dòng)的金屬板，a是能在聲波驅(qū)動(dòng)下沿水平方向振動(dòng)的鍍有金屬層的振動(dòng)膜。若聲源S發(fā)出頻率恒定的聲波使a振動(dòng)，則a在振動(dòng)過程中()A．a(chǎn)、b板之間的電場(chǎng)強(qiáng)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(shí)，電容器的電容最大D[a、b始終跟電源相連，電勢(shì)差U不變，由于a、b間距離變更，由E＝eq\f(U,d)知電場(chǎng)強(qiáng)度變更，A錯(cuò)誤；由C＝eq\f(εrS,4πkd)知d變更時(shí)C變更，a向右位移最大時(shí)，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(cuò)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(bào)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(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)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(bào)警器照樣工作B[發(fā)光二極管工作時(shí)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(bào)，和有無火災(zāi)無關(guān)。故B