（江苏专用版）2020版高考物理总复习 第十章 第3讲 传感器课件

第3讲传感器基础过关知识梳理1.传感器:有这样一类元件,能够感受诸如力、温度、光、声、化学成分等非电学量,并把它们按照一定的规律转化为电压、电流等①电学量,或转化为电路的②通断。2.光敏电阻:光敏电阻是把光照强弱这个光学量转换为电阻这一电学量的元件。通常是由硫化镉等③半导体材料制成,其特点是光照变强,电阻④变小。3.金属热电阻和热敏电阻:金属热电阻是由铂、铜等金属材料制成,其特点是温度升高,电阻⑤变大;热敏电阻是由半导体材料制成,其特点是温度升高,电阻⑥变小。它们都能够把温度这个热学量转化为电阻这个电学量。4.霍尔元件:通常是由半导体元件制成,其产生的霍尔电压UH=k 。霍尔元件能把⑦磁感应强度这一磁学量转换为电压这个电学量。5.力传感器:典型的应用是电子秤,其中的主要元件为⑧应变片,它的作用是将⑨物体形变这一力学量转化为⑩电压这一电学量。IBd6.温度传感器:典型的应用是日光灯启动器和电熨斗,其中的主要元件为双金属片。日光灯启动器中的 双金属片,其外层材料的热膨胀系数 小于内层材料的热膨胀系数。电熨斗的工作原理(如图): 双金属片上层金属的热膨胀系数 大于下层,常温下,弹性铜片和双金属片触点是 接触的,通电后,电热丝发热,当温度升高到某一值时,双金属片上层的金属受热膨胀,形变量大于下层金属,双金属片向下弯曲,使触点 分离,切断电路;随着温度的降低,当降到某一温度时,双金属片收缩恢复原状,两触点又 接触,接通电路。调温旋钮下压弹性铜片,可使触点分离的温度 升高;上提弹性铜片,可 降低触点的分离温度,从而实现了调温控制。7.感温铁氧体:也叫感温磁体。常温下具有 铁磁性,能够被磁体吸引,当温度上升到约103℃时,就失去铁磁性,不能被磁体吸引了。这个温度在物理学中称为该材料的“ 居里温度”或“ 居里点”。8.电饭锅:结构图如图所示。其工作过程:开始煮饭时 压下开关按钮,由于常温下感温铁氧体具有磁性,永磁体将 吸引感温磁体,因此手松开后这个按钮不会恢复到图示位置,则触点接触,电路接通,这时电饭锅处于 加热状态。当水沸腾时,水的温度保持沸点 不变,故感温磁体仍与永磁体相吸,继续加热。当饭熟后,水分被大米吸收,锅底的温度 上升,当温度超过103℃时,感温磁铁失去铁磁性,由于 弹簧的作用,按钮开关将恢复到如图所示的位置,切断电源,从而停止加热。9.光传感器:光传感器是将 光信号转化为 电信号的装置,实际应用有鼠标器和火灾报警器等。烟雾式火灾报警器是利用烟雾对光的 散射来工作的。罩内装有 发光二极管、 光电三极管和 不透明的挡板。平时光电三极管收不到发光二极管发出的光,呈 高电阻状态。当烟雾进入罩内后对光有散射作用,使部分光线照射到 光电三极管上,其电阻 变小,与传感器连接的电路检测出这种变化,就会发出警报。1.(2017泰州中学质检)关于传感器,下列说法中正确的是 (B)A.话筒是一种常用的声传感器,其作用是将电信号转换为声信号B.电熨斗能够自动控制温度的原因是它装有双金属片温度传感器,这种传感器的作用是控制电路的通断C.霍尔元件能把磁感应强度这个磁学量转换成电阻这个电学量D.光敏电阻在光照射下其电阻会显著变大基础自测解析话筒是一种常用的声传感器,其作用是将声信号转换为电信号,故A项错误;双金属片传感器在电路中相当于开关,可以控制电路的通断,故B项正确;霍尔元件能把磁感应强度这个磁学量转换为电压这个电学量,故C项错误;光敏电阻在光照射下其电阻会变小,D项错误。2.(多选)传感器已经广泛应用于我们的生活,为我们带来了方便。下列可以用来控制电路通断的温度传感器元件有 (AC)A.双金属片B.应变片C.感温铁氧体D.干簧管3.(多选)下列关于电子秤中应变式力传感器的说法正确的是 (BD)A.应变片是由导体材料制成的B.当应变片的表面拉伸时,其电阻变大,反之则变小C.传感器输出的是应变片的电压D.外力越大,输出的电压差值也越大解析应变片是由半导体材料制成的。电阻R=ρ ,应变片拉伸,l变大,R变大;应变片压缩,l变小,R变小,传感器输出的是上下应变片的电压差;外力越大,输出的电压差值也越大。lS考点一热敏电阻的特征考点二霍尔电压UH的公式推导考点突破考点三电容式传感器的分类考点四应变片和双金属片的区别考点一热敏电阻的特征热敏电阻是用半导体材料制成的,一般分为正温度系数热敏电阻(简称PTC)和负温度系数热敏电阻(NTC),区别在于正温度系数热敏电阻阻值随温度的升高而变大,负温度系数热敏电阻阻值随温度的升高而变小。高中重点掌握的是负温度系数热敏电阻,如果题目没有特殊说明,一般认为是负温度系数热敏电阻。其电阻随温度变化的曲线如图所示。例1(2018连云港模拟)温度传感器广泛应用于家用电器中,它是利用热敏电阻的阻值随温度变化的特性来工作的。如图甲所示为某装置中的传感器工作原理图,已知电源的电动势E=9.0V,内阻不计;G为灵敏电流表,其内阻Rg保持不变;R为热敏电阻,其阻值随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,电流表示数I1=2mA;当电流表的示数I2=3.6mA时,热敏电阻的温度是 () A.60℃B.80℃C.100℃D.120℃答案D由题中图乙知,温度为20℃时,R的阻值R1=4kΩ。由欧姆定律知E=I1(R1+Rg),E=I2(R2+Rg),两式联立,解得R2=2kΩ,由图乙中查得此时温度为120℃,D项正确。考点二霍尔电压UH的公式推导例2(多选)(2018南京三模)如图所示,宽度为d、厚度为h的金属导体放在垂直于它的磁感应强度为B的匀强磁场中,当电流通过该导体时,在导体的上、下表面之间会产生电势差,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和磁感应强度B的关系为U= ,式中的比例系数k称为霍尔系数,设载流子的电荷量大小为q,金属导体单位体积内的自由电荷数目为n,下列说法正确的是 ()BIdA.导体上表面的电势大于下表面的电势B.霍尔系数为k= C.载流子所受静电力的大小F=q D.载流子所受洛伦兹力的大小f= 1nqUdBInhd答案BD由左手定则可知,载流子受到的洛伦兹力向上,由于载流子是自由电子,故导体上表面的电势小于下表面的电势,故A项错误;导体中的电场强度E= ,载流子所受电场力F=qE=q ,故C项错误;稳定时,电场力与洛伦兹力相等,即q =qvB,解得U=Bhv,又电流的微观表达式I=nqSv=nqhdv,解两式得U= ,则霍尔系数为k= ,式中n为单位体积内的电荷数,故B项正确;稳定时,电场力与洛伦兹力相等,载流子所受洛伦兹力的大小F洛=Bqv= ,故D项正确;故选B、D。UdUhUhIBnqd1nqBInhd考点三电容式传感器的分类电容式传感器就是把非电学量转化为电容这一电学量。由公式C= 可得电容式传感器有三类:(1)变极距式;(2)变面积式;(3)变介质式。r4εSkd例3传感器是自动控制设备中不可缺少的元件,已经渗透到宇宙开发、环境保护、交通运输以及家庭生活等各种领域。如图所示为几种电容式传感器,其中通过改变电容器两极板间距离而引起电容变化的是 (C)解析选项A是通过改变电介质来改变电容器的电容,故A错误;选项B中电容器的一个极板是金属芯线,另一个极板是导电液,故是通过改变电容器两极间正对面积而引起电容变化的,故B错误;选项C是通过改变极板间的距离,改变电容器的电容,故C正确;选项D是通过转动动片改变正对面积,改变电容器的电容,故D错误。考点四应变片和双金属片的区别例4(多选)关于电子秤中应变式力传感器,下列说法中正确的是 (BD)A.应变片是由导体材料制成的B.当应变片的表面拉伸时,其电阻变大,反之电阻变小C.传感器输出的是应变片上的电压D.外力越大,输出的电压差值也越大解析电子秤中的应变片是一种敏感元件,现在多用半导体材料制成,故A项错误;当应变片的表面拉伸时,电阻变大,故B项正确;如果让应变片中通过的电流保持恒定,那么上面应变片两端的电压变大,下面应变片两端的电压变小,传感器把这两个电压的差值输出,故C项错误;力F越大,输出的电压差值也就越大,故D项正确。传感器的应用例5(2019盐城中学月考)如图所示装置可以用来测量硬弹簧(即劲度系数较大的弹簧)的劲度系数k;电源的电动势为E,内阻可忽略不计,滑动变阻器全长为L,重力加速度为g, 为理想电压表,当木板(不计重力)上没有放重物时,滑动变阻器的触头位于图中a点,此时电压表示数为零。在木板上放置质量为m的重物,滑动变阻器的触头随木板一起下移,由电压表的示数U及其他给定条件,可计算出弹簧的劲度系数k。加油小站 (1)写出m、U与k之间所满足的关系式。(2)已知E=1.50V,L=12.0cm,g取9.80m/s2。测量结果如下表:m/kg1.001.503.004.506.007.50U/V0.1080.1540.2900.4460.6080.740①在图中给出的坐标纸上利用表中数据描出m-U直线。 ②m-U直线的斜率为kg/V(结果保留三位有效数字)。③弹簧的劲度系数k=N/m(结果保留三位有效数字)。解析(1)m= U(2)①见解析图②10.0③1.23×103LkEg解析(1)设放置质量为m的重物时弹簧的压缩量为x,则有mg=kx,又U= E,解得m= U(2)①用描点法作图,作出的图像如图所示xLLkEg ②选取图线上(0,0)、(0.80,8)两点,则斜率为 = kg/V=10.0kg/VmU800.800③因m= U故 = ,k= · =10.0× N/m≈1.23×103N/mLkEgLkEgmUmUEgL1.509.800.120随堂巩固1.(多选)美国科学家WillardS.Boyle与GeorgeE.Smith因电荷耦合器件(CCD)的重要发明荣获2009年度诺贝尔物理学奖。CCD是将光学量转变成电学量的传感器。下列器件可作为传感器的有 (BC)A.发光二极管B.热敏电阻C.霍尔元件D.干电池解析发光二极管有单向导电性,A项错误;热敏电阻和霍尔元件都可作为传感器,B、C项正确;干电池是电源,D项错误。2.将阻值随温度升高而减小的热敏电阻Ⅰ和Ⅱ串联,接在不计内阻的稳压电源两端。开始时Ⅰ和Ⅱ阻值相等,保持Ⅰ温度不变,冷却或加热Ⅱ,则Ⅱ的电功率在 (C)A.加热时变大,冷却时变小B.加热时变小,冷却时变大C.加热或冷却时都变小D.加热或冷却时都变大解析将温度不变的热敏电阻等效成电源的内阻,初始时两者阻值相同,所以此时“电源”的输出功率最大,即热敏电阻Ⅱ的电功率最大,无论将其冷却还是加热,其消耗的电功率均减小,C项正确。3.(2018杭州期末)利用霍尔效应制作的霍尔元件,被广泛应用于测量和自动控制等领域。霍尔元件一般由半导体材料做成,有的半导体中的载流子(即自由电荷)是电子,有的半导体中的载流子是空穴(相当于正电荷)。如图所示,将扁平长方体形状的霍尔元件水平放置接入电路,匀强磁场垂直于霍尔元件的水平面竖直向下,闭合开关,让电流从霍尔元件的左侧流向右侧,则其前后两表面会形成电势差。现有载流子是电子的霍尔元件1和载流子是空穴的霍尔元件2,两元件均按图示方式接入电路(闭合开关),则关于前后两表面电势高低的判断,下列说法中正确的是 (A) A.接入元件1时,前表面电势高;接入元件2时,前表面电势低B.接入元件1时,前表面电势低;接入元件2时,前表面电势高C.不论接入哪个元件,都是前表面电势高D.不论接入哪个元件,都是前表面电势低解析元件的载流子是自由电子,由左手定则可知,电子受到的洛伦兹力方向向后表面偏,则前表面的电势高于后表面的电势;若载流子为空穴(相当于正电荷),根据左手定则,空穴在洛伦兹力的作用下也是向后表面聚集,则前表面的电势低于后表面的电势;综上所述,故A正确,B、C、D错误。