高二物理传感器及其应用习题

1传感器及其应用课时安排：2课时教学目标：1．知道什么是传感器，知道传感器是由敏感元件、电子线路与控制线路等组成的2．常见的传感器工作原理及简单应用3．应用传感器知识解决一些实际问题本讲重点：常见的传感器工作原理及简单应用本讲难点：应用传感器知识解决一些实际问题考点点拨：1．热敏电阻的特性2．光敏电阻的特性3．力传感器的应用4．温度传感器的应用5．霍尔元件的应用第一课时一、考点扫描知识整合1．什么是传感器？它是怎样的一类元件？2．热敏电阻和金属热电阻是一回事吗？它们的阻值随温度分别怎样变化？3．霍尔电压UH=__________，式中各量分别表示什么？4．光敏电阻有何特性？5．传感器应用的一般模式是怎样的？请画图表示。6．常用的一种力传感器是由_________和__________组成的，________是一种敏感元件，现在多用半导体材料组成，受压时其上表面拉伸，电阻变_____，下表面压缩，电阻变_____。外力越大，这两个表面的电压差值就越_____。7．指出以下传感器应用的实例中，所应用的传感器，或主要元件。（1）电子秤：_________的应用，敏感元件是_________（2）话筒：_________的应用，分_______和_________两种。（3）电熨斗：_________的应用，敏感元件是_________，作用：控制________的通断。（4）电饭锅：_________的应用，敏感元件是_________，作用：控制________的通断。（5）测温仪：_________的应用，测温元件是________或_________、________、_________。（6）鼠标器：_________的应用，主要元件是________或_________（7）火灾报警器：_________的应用，利用烟雾对____________来工作的。2二、高考要点精析（一）热敏电阻的特性☆考点点拨热敏电阻的阻值随温度升高而减小。与金属热电阻的特性相反。【例1】如图所示，将多用表的选择开关置于“欧姆”挡，再将电表的两支表笔与负温度系数的热敏电阻Rt（负温度系数热敏电阻是指阻值随温度的升高而减小的热敏电阻）的两端相连，这时表针恰好指在刻度盘的正中间．若往Rt上擦一些酒精，表针将向________（填“左”或“右”）移动；若用吹风机将热风吹向电阻，表针将向________（填“左”或“右”）移动。分析：若往Rt上擦一些酒精，由于酒精蒸发吸热，热敏电阻Rt温度降低，电阻值增大，所以电流减少，指针应向左偏；用吹风机将热风吹向电阻，电阻Rt温度升高，电阻值减小，电流增大，指针向右偏．答案：左右点评：欧姆表的表盘刻度最右侧为0，最左侧为最大值．☆考点精炼1．如图所示，R1为定值电阻，R2为负温度系数的热敏电阻（负温度系数热敏电阻是指阻值随温度的升高而减小的热敏电阻），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（二）光敏电阻的特性☆考点点拨光敏电阻的阻值与光照强度有关。光照越强，阻值越小。【例2】如图所示，R1、R2为定值电阻，L为小灯泡，R3为光敏电阻，当照射光强度增大时，（）A．电压表的示数增大B．R2中电流减小C．小灯泡的功率增大D．电路的路端电压增大分析：当光强度增大时，R3阻值减小，外电路电阻随R3的减小而减小，R1两端电压因干路电流增大而增大，同时内电压增大，故电路路端电压减小，而电压表的示数增大，A项正确，D项错误；由路端电压减小，而R1两端电压增大知，R2两端电压必减小，则R2中电流减小，故B项正确；结合干路电流增大知流过小灯泡的电流必增大，则小灯泡的功率增大．答案：ABC3☆考点精炼2．如图所示，将多用电表的选择开关置于欧姆档，再将电表的两支表笔分别与光敏电阻Rt的两端相连，这时表针恰好指在刻度盘的正中间．若用不透光的黑纸将Rt包裹起来，表针将向_______（填“左”或“右”）转动；若用手电筒光照射Rt，表针将向_______（填“左”或“右”）转动。（三）力传感器的应用☆考点点拨力传感器是将力信号转化为电流信号的元件。【例3】如图所示为某种电子秤的原理示意图，AB为一均匀的滑线电阻，阻值为R，长度为L，两边分别有P1、P2两个滑动头，P1可在竖直绝缘光滑的固定杆MN上保持水平状态而上下自由滑动，弹簧处于原长时，P1刚好指着A端，P1与托盘固定相连，若P1、P2间出现电压时，该电压经过放大，通过信号转换后在显示屏上将显示物体重力的大小．已知弹簧的劲度系数为k，托盘自身质量为m0，电源电动势为E，内阻不计，当地的重力加速度为g。求：（1）托盘上未放物体时，在托盘自身重力作用下，P1离A的距离xl．（2）托盘上放有质量为m的物体时，P1离A的距离x2．（3）在托盘上未放物体时通常先核准零点，其方法是：调节P2，使P2离A的距离也为xl，从而使P1、P2间的电压为零．校准零点后，将物体m放在托盘上，试推导出物体质量m与P1、P2间的电压U之间的函数关系式．分析：托盘的移动带动P1移动，使P1、P2间出现电势差，电势差的大小反映了托盘向下移动距离的大小，由于R为均匀的滑线电阻，则其阻值与长度成正比．解：（1）由力的平衡知识知：10kxgm解得kgmx01（2）放上重物重新平衡后，20)(kxgmm解得kgmmx)(01（3）由闭合电路欧姆定律知E=IR由部分电路欧姆定律：U=IRx由LxRRx，其中x为P1、P2间的距离，Rx为P1、P2间的电阻，则4kmgxxx12联立解得UgEkLm点评：在有关力电传感器的计算中，必然涉及电路计算，注意欧姆定律及分压原理的应用．☆考点精炼3．磁场具有能量，磁场中单位体积所具有的能量叫做能量密度，其值为22B．式中B是磁感应强度，是磁导率，在空气中为一已知常数．为了近似测得条形磁铁磁极端面附近的磁感强度B，一学生用一根端面面积为A的条形磁铁吸住一相同面积的铁片P，再用力将铁片与磁铁拉开一段微小距离l，并测出拉力F，如图所示．因为F所做的功等于间隙中磁场的能量，所以由此可得磁感应强度B与F、A之间的关系为B=_______第二课时（四）温度传感器的应用☆考点点拨温度传感器是将温度这个热学量转化为电流这个电学量的。【例4】家用电热灭蚊器中电热部分的主要部件是PTC元件，PTC元件是由酞酸钡等半导体材料制成的电阻器，其电阻率与温度的关系如图所示，由于这种特性，PTC元件具有发热、控温两重功能，对此以下说法中正确的是（）A．通电后其功率先增大后减小B．通电后其功率先减小后增大C．当其产生的热量与散发的热量相等时，温度保持在t1至t2的某一值不变D．当其产生的热量与散发的热量相等时，温度保持在t1或t2不变解析：根据PTC元件的电阻率随温度变化的曲线，可知在常温下，它的电阻是相当小的，通入电流以后，随着温度的升高，其电阻率先变小后增大，那么它的功率先变大，后变小，温度保持在在t1至t2的某一值不变，这时候电路处于稳定状态，如果温度再升高，电阻率变大，导致电流变小，温度就会降下来；如果温度降低，电阻率减小，导致电流变大，温度就会升上去，所以本题正确答案为A、C。5答案：AC☆考点精炼4．一般的电熨斗用合金丝作发热元件，合金丝电阻随温度t变化的关系如图中实线①所示．由于环境温度以及熨烫的衣物厚度、干湿等情况不同，熨斗的散热功率不同，因而熨斗的温度可能会在较大范围内波动，易损坏衣物．有一种用主要成分为BaTiO3被称为“PTC”的特殊材料作发热元件的电熨斗，具有升温快、能自动控制温度的特点．PTC材料的电阻随温度变化的关系如图中实线②所示．试根据图线分析：（1）为什么原处于冷态的PTC熨斗刚通电时比普遍电熨斗升温快？（2）通电一段时间后电熨斗温度t自动地稳定在T_____tT_______范围之内．（填下标数字）（五）霍尔元件的应用☆考点点拨霍尔元件是将电磁感应这个磁学量转化为电压这个电学量的元件。【例5】如图所示，厚度为h、宽为d的导体板放在垂直于它的磁感应强度为B的均匀磁场中，当电流通过导体板时，在导体板的上侧面A和下侧面A′之间会产生电势差，这种现象称为霍尔效应。实验表明，当磁场不太强时电势差U，电流I和B的关系为U=k，式中的比例系数k称为霍尔系数。霍尔效应可解释如下：外部磁场的洛伦兹力使运动的电子聚集在导体板的一侧，在导体板的另一侧出现多余的正电荷，从而形成横向电场，横向电场对电子施加与洛伦兹力方向相反的静电力，当静电力与洛伦兹力达到平衡时，导体板上下两侧之间就会形成稳定的电势差。设电流I是由电子定向流动形成的，电子的平均定向速度为v，电量为e，回答下列问题：（1）达到稳定状态时，导体板上侧面A的电势下侧面Ａ的电势（填高于、低于或等于）。（2）电子所受的洛伦兹力的大小为。（3）当导体板上下两侧之间的电势差为U时，电子所受的静电力的大小为．（4）由静电力和洛伦兹力平衡的条件，证明霍尔系数k=neI，其中n代表导体板单位体积中电子的个数。解析：霍尔效应对学生来说是课本里没有出现过的一个新知识，但试题给出了霍尔效应的6解释，要求学生在理解的基础上，调动所学知识解决问题，这实际上是对学生学习潜能的测试，具有较好的信度和效度。（1）首先分析电流通过导体板时的微观物理过程。由于导体板放在垂直于它的磁感应强度为B的匀强磁场中，电流是电子的定向运动形成的，电流方向从左到右，电子运动的方向从右到左。根据左手定则可判断电子受到的洛仑兹力的方向向上，电子向A板聚集，A¹板出现多余的正电荷，所以A板电势低于A¹板电势，应填“低于”。（2）电子所受洛仑兹力的大小为evBf（3）横向电场可认为是匀强电场，电场强度hUE，电子所受电场力的大小为hUeeEF（4）电子受到横向静电力与洛伦兹力的作用，由两力平衡有e＝evB可得Ｕ＝hvB通过导体的电流强度微观表达式为nevdhI由题目给出的霍尔效应公式dIBKU，有dnevdhBKhvB得neK1点评：①该题是带电粒子在复合场中的运动，但原先只有磁场，电场是在通电后自行形成的，在分析其他问题时，要注意这类情况的出现。②联系宏观量I和微观量的电流表达式nevdhI是一个很有用的公式。☆考点精炼5．电磁流量计广泛应用于测量可导电流体（如污水）在管中的流量（在单位时间内通过管内横截面的流体的体积）。为了简化，假设流量计是如图7所示的横截面为长方形的一段管道，其中空部分的长、宽、高分别为图中的a、b、c，流量计的两端与输送液体的管道相连接（图中虚线）。图中流量计的上下两面是金属材料，前后两面是绝缘材料，现于流量计所在处加磁感应强度为B的匀强磁场，磁场方向垂直于前后两面。当导电液体稳定地流经流量计时，在管外将流量计上、下两表面分别与一串接了电阻R的电流表的两端连接，I表示测得的电流值。已知流体的电阻率为ρ，不计电流表的内阻，则可求得流量为A．)(acbRBIB．)(cbaRBIC．)(bacRBID．)(abcRBI7考点精炼参考答案1．分析：R2与灯L并联后与R1串联，与电源构成闭合电路，当热敏电阻温度降低时，电阻R2增大，外电路电阻增大，电流表读数减小，灯L电压增大，灯泡亮度变强，R1两端电压减小，故C正确，其余各项均错．答案：C2．简析：光敏电阻受光照越强，电阻越小，电流越大，所以将Rt包裹起来电阻增大，电流减小，指针向左偏，反之向右偏．答案：左右3．简析：在用力将铁片与磁铁拉开一段微小距离l的过程中，拉力F可认为不变，因此，F所做的功lFW．以w表示间隙中磁场的能量密度，则间隙中磁场的能量lwAE．由题给条件得22Bw．故lABE22因为F所做的功等于间隙中磁场的能量，即W=E，故有lFlAB22解得AFB24．答案：（1）冷态时PTC电阻很小，电功率很大，所以升温很快（2）675．答案：A三、考点落实训练1．利用半导体材料可以制成（）A．标准电阻B．热敏电阻C．光敏电阻D．晶体管2．下列方法有