专题98传感器（原卷版+解析版）-2023届高考物理一轮复习知识点精讲与最新高考题模拟题同步训练

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2023高考一轮知识点精讲和最新高考题模拟题同步训练第十六章  交变电流、传感器和电磁波专题98 传感器第一部分  知识点精讲一、传感器1. 传感器的定义：能够感受诸如力、温度、光、声、化学成分等被测量，并能够把它们按照一定的规律转换为便于传送和处理的如电压、电流等电学量，或转换为电路的通断的装置。2．传感器的种类(1)物理传感器：利用物质的物理特性或物理效应制作而成的传感器，如力传感器、磁传感器、声传感器等。(2)化学传感器：利用电化学反应原理，把无机或有机化学物质的成分、浓度等转换为电信号的传感器，如离子传感器、气体传感器等。(3)生物传感器：利用生物活性物质的选择性来识别和测定生物化学物质的传感器。如酶传感器、微生物传感器、细胞传感器等。3．传感器的组成与应用模式(1)传感器的基本组成部分①敏感元件：能直接感受或响应外界被测非电学量的部分。【特别提醒】敏感元件相当于人的感觉器官，是传感器的核心部分，是利用材料的某种敏感效应(如热敏、光敏、压敏、力敏，湿敏等)制成的。②转换元件：传感器中能将敏感元件输出且与被测物理量成一定关系的非电信号转换成电信号的电子元件。③转换电路：将转换元件输出的不易测量的电学量转换成易于测量的电学量，如电压、电流、电阻等。(2)传感器的工作流程：―→―→―→―→（3）传感器应用的一般模式4．传感器的原理传感器感受的通常是非电学量，如力、温度、位移、浓度、速度、酸碱度等，而输出的通常是电学量，如电压、电流、电荷量等。这些输出的信号是非常微弱的，通常需要经过放大后，再传送给控制系统产生各种控制动作。非电学量转换为电学量的意义：把非电学量转换为电学量，可以很方便地进行测量、传输、处理和控制。二、传感器常用元件1．光敏电阻(1)特点：光照越强，电阻越小。(2)原因：光敏电阻的构成物质硫化镉为半导体材料，无光照时，载流子极少，导电性能差；随着光照的增强，载流子增多，导电性变好。(3)作用：把光照强弱这个光学量转换为电阻这个电学量。2．金属热电阻金属的电阻率随温度的升高而增大，用金属丝可以制作温度传感器，称为热电阻，如图所示为某金属导线电阻的温度特性曲线。3．热敏电阻热敏电阻由半导体材料制成，其电阻值随温度的变化非常明显，如图所示为某一热敏电阻的电阻值随温度变化的特性曲线。
【特别提醒】．光敏电阻、金属热电阻和热敏电阻对比分析 特性原因光敏电阻光照越强，电阻越小光照增强，载流子增多，电阻减小金属热电阻温度越高，电阻越大温度升高，金属电阻率增大，电阻增大热敏电阻负温度系数的热敏电阻温度越高，电阻越小温度升高，载流子增多，电阻减小正温度系数的热敏电阻温度越高，电阻越大温度升高，载流子减少，电阻增大4．电阻应变片(1)定义：其电阻随着它所受机械形变的变化而变化的力敏元件。(2)分类：金属电阻应变片和半导体电阻应变片。5. 力传感器：由金属梁和电阻应变片组成，是电子秤中所使用的测力器件。6. 电容式传感器：通过测定电容器的电容来确定极板的正对面积、极板间的距离以及极板间的电介质中某个物理量变化的传感器。常见电容式传感器名称传感器原理测定角度θ的电容式传感器当动片与定片之间的角度θ发生变化时，引起极板正对面积S的变化，使电容C发生变化，知道C的变化，就可以知道θ的变化情况测定液面高度h的电容式传感器在导线芯的外面涂上一层绝缘物质，放入导电液体中，导线芯和导电液体构成电容器的两个极，导线芯外面的绝缘物质就是电介质，液面高度h发生变化时，引起正对面积发生变化，使电容C发生变化，知道C的变化，就可以知道h的变化情况测定压力F的电容式传感器待测压力F作用于可动膜片电极上的时候，膜片发生形变，使极板间距离d发生变化，引起电容C的变化，知道C的变化，就可以知道F的变化情况   测定位移x的电容式传感器　随着电介质板进入极板间的长度发生变化，电容C发生变化，知道C的变化，就可以知道x的变化情况 7、霍尔元件及工作原理(1)霍尔元件如图所示，在一个很小的矩形半导体(例如砷化铟)薄片上，制作四个电极E、F、M、N，它就成了一个霍尔元件。(2)工作原理外部磁场使运动的载流子受到洛伦兹力的作用，从而在导体板的一侧聚集，以致在导体板的另一侧会出现另一种电荷，从而形成电场；横向电场对载流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，导体板左、右两侧会形成稳定的电压，设导体板左、右两侧的距离为l，导体板的厚度为d，则q＝qvB。根据电流的微观解释I＝nqSv得，UH＝。令k＝，因n为单位体积内带电粒子的个数，q为单个带电粒子的电荷量，它们均为常数，所以UH＝k。UH与B成正比，这就是霍尔元件能把磁学量转换成电学量的原因。三、传感器问题的分析思路(1)明确传感器的类型，了解传感器的工作原理。(2)确定传感器中的什么量变化时可以引起电学量的变化。(3)根据电学量的变化确定相关物理量的变化。　 第二部分 最新高考题精选1. （2021重庆高考）电容式加速度传感器可以用于触发汽车安全气囊等系统。如图所示，极板M、N组成的电容器视为平行板电容器，M固定，N可左右运动，通过测量电容器极板之间电压的变化来确定汽车的加速度。当汽车减速时，极板M、N的距离减小，若极板上电荷量保持不变，则该电容器A. 电容变小B. 极板间电压变大C. 极板间电场强度不变D. 极板间电场强度变小 2．（18分）（2021新高考天津卷）霍尔元件是一种重要的磁传感器，可用在多种自动控制系统中．长方体半导体材料厚为a、宽为b、长为c，以长方体三边为坐标轴建立坐标系，如图所示．半导体中有电荷量均为e的自由电子与空穴两种载流子，空穴可看作带正电荷的自由移动粒子，单位体积内自由电子和空穴的数目分别为n和p．当半导体材料通有沿方向的恒定电流后，某时刻在半导体所在空间加一匀强磁场，磁感应强度的大小为B，沿方向，于是在z方向上很快建立稳定电场，称其为霍尔电场，已知电场强度大小为E，沿方向．（1）判断刚加磁场瞬间自由电子受到的洛伦兹力方向；（2）若自由电子定向移动在沿方向上形成的电流为，求单个自由电子由于定向移动在z方向上受到洛伦兹力和霍尔电场力的合力大小；（3）霍尔电场建立后，自由电子与空穴在z方向定向移动的速率分别为、，求时间内运动到半导体z方向的上表面的自由电子数与空穴数，并说明两种载流子在z方向上形成的电流应满足的条件．第三部分 最新模拟题精选1.. （2022湖北新高考协作体高二质检）电饭锅中应用了温度传感器，它的主要元件是感温铁氧体，其特点是：常温下感温铁氧体具有铁磁性，能够被磁体吸引，但是温度上升到约103℃时，就失去了铁磁性，不能被磁体吸引了。这个温度在物理学中称为该材料的“居里点”。电饭锅的结构如图所示，关于该电饭锅，下列说法正确的是（　　）
 A. 在材料的“居里点”，感温铁氧体的磁性最强B. 煮饭时按下开关，由于常温下感温铁氧体体具有较强的磁性，永磁体被吸引，手松开后开关按钮不会跳起C. 饭熟后，水分被大米吸收，锅底的温度会达到103℃，这时感温铁氧体失去铁磁性，开关按钮会跳起D. 在一个标准大气压下用电饭锅烧水，只要锅内有水，锅内的温度就不可能达到103℃，开关按钮不会跳起2. （2021浙江3月百校联考）如图是漏电保护器的部分电路图，由金属环，线圈，控制器组成，其工作原理是控制器探测到线圈中有电流时会把入户线断开，即称电路跳闸，下列有关漏电保护器的说法正确的是（　　）A. 当接负载的电线中电流均匀变化时，绕在铁芯上的线圈中有稳定的电流B. 当接负载的电线短路或电流超过额定值时，漏电保护器会发出信号使电路跳闸C. 只有当接负载的电线漏电时，绕在铁芯上的线圈中才会有电流通过D. 当接负载的电线中电流不稳定时，漏电保护器会发出信号使电路跳闸3.（2020贵州安顺市3月调研）自行车速度计利用霍尔效应传感器获知自行车的运动速率。如图甲所示，自行车前轮上安装一块磁铁，轮子每转一圈，这块磁铁就靠近传感器一次，传感器会输出一个脉冲电压。图乙为霍尔元件的工作原理图。当磁场靠近霍尔元件时，导体内定向运动的自由电荷在磁场力作用下偏转，最终使导体在与磁场、电流方向都垂直的方向上出现电势差，即为霍尔电势差。下列说法正确的是（   ）A. 根据单位时间内的脉冲数和自行车车轮的半径即可获知车速大小B. 图乙中霍尔元件的电流I一定是由正电荷定向运动形成的C. 如果长时间不更换传感器的电源，霍尔电势差将减小D. 行车的车速越大，霍尔电势差越高4.工业生产中需要物料配比的地方常用“吊斗式”电子秤，图甲所示的是“吊斗式”电子秤的结构图，其中实现称质量的关键性元件是拉力传感器．拉力传感器的内部电路如图所示，R1、R2、R3是定值电阻，R1=20kΩ，R2=10kΩ，R0是对拉力敏感的应变片电阻，其电阻值随拉力变化的图象如图乙所示，已知料斗重1×103N，没装料时Uba=0，g取10m/s2．下列说法中正确的是（　　）A．R3阻值为30kΩB．  装料时，R0的阻值逐渐变大，Uba的示数逐渐变小C．  拉力越大，应变片电阻阻值也变大，Uba的示数也变大D．  应变片作用是把物体形变（力学量）转换为电压（电学量）5．[多选]自行车速度计利用霍尔效应传感器获知自行车的运动速率。如图甲所示，自行车前轮上安装一块磁铁，轮子每转一圈，这块磁铁就靠近霍尔传感器一次，传感器会输出一个脉冲电压。图乙为霍尔元件的工作原理图，当磁场靠近霍尔元件时，导体内定向运动的自由电荷在磁场力作用下偏转，最终使导体在与磁场、电流方向都垂直的方向上出现电势差，即为霍尔电势差。下列说法正确的是(　　)A．根据单位时间内的脉冲数和自行车车轮的半径即可获知车速大小B．自行车的车速越大，霍尔电势差越高C．图乙中霍尔元件的电流I是由正电荷定向移动形成的D．如果长时间不更换传感器的电源，霍尔电势差将减小6．（2020江苏七市二模）某磁敏电阻的阻值R随外加磁场的磁感应强度B变化图线如图甲所示．学习小组使用该磁敏电阻设计了保护负载的电路如图乙所示，U为直流电压，下列说法正确的有A．增大电压U,负载电流不变B。增大电压U，电路的总功率变大C．抽去线圈铁芯，磁敏电阻的阻值变小D．抽去线圈铁芯，负载两端电压变小7. （2020江苏常州期末）光敏电阻是一种对光敏感的元件，典型的光敏电阻在没有光照射时其电阻可达100 KΩ，在有光照射时其电阻可减小到100 Ω，小明同学用这样的光敏电阻和实验室里0.6 A量程的电流表或3 V量程的电压表，定值电阻以及两节干电池，设计一个比较灵敏的光照强度测量计，下列电路可行的是(　　) 8.(2019·安徽省宿州市质检)如图为某一机器人上的电容式位移传感器工作时的简化模型图．当被测物体在左右方向发生位移时，电介质板随之在电容器两极板之间移动，连接电容器的静电计会显示电容器电压的变化，进而能测出电容的变化，最后就能探测到物体位移的变化，若静电计上的指针偏角为θ，则被测物体(　　)A．向左移动时，θ增大   B．向右移动时，θ增大C．向左移动时，θ减小   D．向右移动时，θ减小9　(2020·广东佛山市模拟)电容器是一种常用的电学元件，在电工、电子技术中有着广泛的应用。以下有关电容式传感器在生活中应用说法正确的是(　　)A．甲图中，手指作为电容器一电极，如果改用绝缘笔在电容式触摸屏上仍能正常操作B．乙图中，力F增大过程中，电流计中的电流从a流向bC．丙图中，油箱液位上升时，电容变小D．丁图中，当传感器由静止突然向左加速，电容器处于充电状态10．[多选]如图所示，电容式触摸屏的构造主要是在玻璃屏幕上镀一层透明的薄膜导体层，再在导体层外加上一块保护玻璃，电容式触摸屏在触摸屏四边均镀上狭长的电极，在导体层内形成一个低电压交流电场。在触摸屏幕时，由于人体是导体，手指与内部导体层间会形成一个特殊电容(耦合电容)，电流由四边电极流向触点，而电流强弱与手指到电极的距离成正比，位于触摸屏后的控制器便会计算电流的比例及强弱，准确算出触摸点的位置。由以上信息可知(　　)A．电容式触摸屏的两极板分别是导体层和手指B．当用手触摸屏幕时，手指与屏的接触面积越大，电容越大C．当用手触摸屏幕时，手指与屏的接触面积越大，电容越小D．如果用戴了较厚手套的手触摸屏幕，照样能引起触摸屏动作　11（2022山东省烟台重点高中期末）许多手机都有指纹解锁功能，常用的指纹识别传感器是电容式传感器，如图所示。指纹的凸起部分叫做“嵴”，凹下部分叫做“峪”，传感器上有大量面积相同的小极板， 当手指贴在传感器上时，这些小极板和与之正对的皮肤表面就形成了大量的小电容器，由于距离不同，所以这些小电容器的电容不同。此时传感器给所有的电容器充电达到同一电压值，然后开始放电，其中电容值较小的电容器放电较快，于是根据放电快慢的不同，就可以探测到嵴和峪的位置，从而形成指纹的图像数据。根据以上信息，下列说法中正确的是A．电容器在充电过程中是把电能转化成化学能B．在嵴处形成的电容器放电较快C．在峪处形成的电容器充电后带电量较小D．潮湿的手指对指纹识别没有任何影响12. （2021湖南张家界期末）如图甲是录音机的录音电路原理图，乙是研究自感现象的实验电路图，丙是光电传感的火灾报警器的部分电路图，丁是电容式话筒的电路原理图，下列说法正确的是（　　）A．甲图中录音机录音时，线圈中恒定的电流在磁头缝隙处产生变化的磁场B．乙图电路开关断开瞬间，灯泡会立即熄灭C．丙图电路中，当有烟雾进入罩内时，光电三极管上就会因烟雾的散射而有光的照射，表现出电阻的变化D．丁图电路中，声波的振动会在电路中产生恒定的电流13．(2020·北京朝阳区模拟)如图是磁电式转速传感器的结构简图。该装置主要由测量齿轮、T形软铁、永久磁铁、线圈等元件组成。测量齿轮为磁性材料，N个齿等距离地安装在被测旋转体的一个圆周上(圆心在旋转体的轴线上)，齿轮转动过程中，当齿靠近T形软铁时，由于磁化作用，软铁中的磁场增强，相反，远离时磁场减弱。现测得线圈中感应电流的变化频率为f，旋转体角速度为ω。则(　　)A．f＝B．当齿距离T形软铁最近的时候，线圈中电流最大C．线圈中的感应电流方向不变，只是大小发生周期性变化D．随着旋转体转速的增加，线圈中的电流的有效值也随之增大　 14(2020高考二轮复习测试)在电喷汽车的进气管道中，广泛地使用着一种叫“电热丝式空气流量传感器”的部件，其核心部分是一种用特殊的合金材料制作的电热丝。如图所示，当进气管道中的冷空气流速越大时，电阻R两端的电压U0就变得越高，反之，电压U0就越低。这样管道内空气的流量就转变成了可以测量的电压信号，便于汽车内的电脑系统实现自动控制。如果将这种电热丝从汽车的进气管道中取出，放在实验室中测量这种电热丝，得到的伏安特性曲线正确的是 (　　)