高中物理第5章 传感器及其应用第1节 常见传感器的工作原理课文内容课件ppt

课后素养落实(十三)　常见传感器的工作原理

(建议用时：40分钟)

◎题组一　传感器的原理和分类

1．(多选)关于传感器的作用，下列说法正确的是(　　)

A．通常的传感器可以直接用来进行自动控制

B．传感器可以用来采集信息

C．传感器可以将感受到的一些信息转换为电学量

D．传感器可以将所有感受到的信息都转换为电学量

BC　[传感器的作用主要是用来采集信息并将采集到的信息转换成便于测量的量；但并不是将其感受到的所有信息都转换为电学量。故B、C正确。]

2．关于传感器工作的一般流程，下列说法中正确的是(　　)

A．非电学量→敏感元件→转换电路→电学量→转换元件

B．电学量→敏感元件→转换电路→转换元件→非电学量

C．非电学量→敏感元件→转换元件→转换电路→电学量

D．非电学量→转换电路→转换元件→敏感元件→电学量

C　[传感器工作的一般流程为：

非电学量敏感元件转换元件

转换电路

电学量，因此A、B、D错误，C正确。]

3．关于物理传感器，化学传感器和生物传感器的下列说法中，正确的是(　　)

A．物理传感器利用材料的某种物理性质工作，因而只能用于机械加工行业不能用于化工领域

B．化学传感器是利用某种化学反应来工作的，因而只能输出某种化学物质而不能输出电学量

C．生物传感器的适用范围广，可在任意温度条件下工作

D．生物传感器由于含有生命物质，因而对使用传感器的环境条件有一定要求

D　[不论哪种传感器都可以将非电学量转换成电学量输出，故B错误；物理传感器在化工领域也可以使用，如温度传感器等，故A错误；生物传感器能够使用的前提是传感器中的生命物质保持生物活性，故C错误，D正确。]

◎题组二　光敏电阻和热敏电阻的特性

4．关于光敏电阻和热敏电阻，下列说法中正确的是(　　)

A．光敏电阻是用半导体材料制成的，其阻值随光照增强而减小，随光照的减弱而增大

B．光敏电阻是能把光照强度这个光学量转换为电流这个电学量的传感器

C．热敏电阻是用金属铂制成的，它对温度感知很灵敏

D．热敏电阻是把热量这个热学量转换为电阻这个电学量的传感器

A　[光敏电阻是把光强转换为电阻的元件；热敏电阻是把温度转换为电阻的元件，故B、D错误；热敏电阻和光敏电阻都是半导体材料制成的，半导体具有光敏性和热敏性，金属铂与热敏电阻的阻值随温度的变化趋势相反，故C错误。]

5．如图(a)所示的电路中，光敏电阻R2加上图(b)所示的光照时，R2两端的电压变化规律是图中的(　　)

A　　　　B　　　　C　　　　D

B　[光敏电阻随光照的增强电阻减小，电路中电流增大，电阻R1两端电压增大，R2两端电压减小，但不能减小到零。故选项B正确。]

6．(多选)有定值电压、热敏电阻、光敏电阻三只元件，将这三只元件分别接入如图所示电路中的A、B两点后，用黑纸包住元件或者把元件置入热水中，观察欧姆表的示数，下列说法中正确的是(　　)

A．置入热水中与不置入热水中相比，欧姆表示数变化较大的一定是热敏电阻

B．置入热水中与不置入热水中相比，欧姆表示数不变化的一定是定值电阻

C．用黑纸包住与不用黑纸包住相比，欧姆表示数变化较大的一定是光敏电阻

D．用黑纸包住与不用黑纸包住相比，欧姆表示数相同的一定是定值电阻

AC　[热敏电阻的阻值随温度的变化而变化，定值电阻和光敏电阻的阻值不随温度发生变化，故A正确，B错误；光敏电阻的阻值随光照的变化而变化，而定值电阻和热敏电阻的阻值不随光照的变化而变化，故C正确，D错误。 ]

7．某同学设计的散热排风控制电路如图所示，M为排风扇，R是可变电阻，R0是半导体热敏电阻，其阻值随温度升高而减小。控制开关电路具有下列特性：当A点电势φA＜φ0时，控制开关处于断路状态；当φA≥φ0时，控制开关接通电路，M开始运转。下列说法中正确的是(　　)

A．环境温度升高时，A点电势升高

B．可变电阻R阻值调大时，A点电势降低

C．可变电阻R阻值调大时，排风扇开始工作的临界温度升高

D．若用金属热电阻代替半导体热敏电阻，电路仍能正常工作

A　[当环境温度升高时，半导体热敏电阻R0的阻值随温度升高而减小，则电路中的电流增大，所以A点的电势升高，故A正确；可变电阻R阻值调大时，导致电路的电流减小，则A点电势升高，故B错误；可变电阻R阻值调大时，导致电路的电流减小，则A点电势升高，由于当A点电势φA＜φ0时，控制开关处于断路状态；当φA≥φ0时，控制开关接通电路，M开始运转，工作临界温度没变，而是提前被接通，故C错误；若用金属热电阻代替半导体热敏电阻，当温度升高时，其阻值增大，导致A点电势降低，则开关会处于断开状态，所以起不到散热排风的作用，故D错误。]

◎题组三　霍尔效应的应用

8．霍尔元件是磁传感器，是实际生活中的重要元件之一。如图所示为长度一定的霍尔元件，在该元件中通有方向从E到F的恒定电流I，现在空间加一竖直向下的匀强磁场，磁感应强度大小为B，其中元件中的载流子为带负电的电荷。则下列说法正确的是(　　)

A．该元件能把电学量转化为磁学量

B．左表面的电动势高于右表面

C．如果用该元件测赤道处的磁场，应保持平面呈水平状态

D．如果在霍尔元件中的电流大小不变，则左右表面的电势差与磁场的磁感应强度成正比

D　[霍尔元件能够把磁学量转换为电学量，A错误；由于元件中的载流子为带负电的电荷，则负电荷的运动方向由F到E，由左手定则可知负电荷向左表面偏转，则右表面的电势高，B错误；如果用该元件测赤道处的磁场，由于地磁场与水平面平行，因此如果霍尔元件的平面保持水平，则无电压产生，C错误；根据qvB＝q得，U＝Bdv，由电流的微观定义式I＝nqSv(n是单位体积内的导电粒子数，q是单个导电粒子所带的电荷量，S是导体的横截面积，v是导电粒子运动的速度)整理得v＝，联立解得U＝，可知用霍尔元件可以测量地磁场的磁感应强度，保持电流不变，则左右表面的电势差与磁感应强度成正比，D正确。]

9．一块N型半导体薄片(称霍尔元件)，其横截面为矩形，体积为b×c×d，如图所示。已知其单位体积内的电子数为n、电阻率为ρ、电子电荷量为e。将此元件放在匀强磁场中，磁场方向沿z轴正方向，并通有沿x轴正方向的电流I。

(1)此元件的C、C′两个侧面中，哪个面电势高？

(2)试证明在磁感应强度一定时，此元件的C、C′两个侧面的电势差与其中的电流成正比；

(3)磁强计是利用霍尔效应来测量磁感应强度B的仪器。其测量方法为：将导体放在匀强磁场中，用毫安表测量通过的电流I，用毫伏表测量C、C′间的电压UCC′，就可测得B。若已知其霍尔系数k＝＝10 mV/mA·T。并测量UCC′＝0.6 mV，I＝3 mA。试求该元件所在处的磁感应强度B的大小。

[解析]　(1)因电子的运动方向与电流的方向相反，再由左手定则可知，电子向C面偏移，所以C′面电势较高。

(2)假设定向移动速度为v，由I＝，q＝nebdvt

可得：I＝nebdv

稳定时有：Bev＝

可得：UCC′＝I，中各量均为定值，

所以侧面的电势差与其中的电流成正比。

(3)由(2)可知B＝，代入得：B＝0.02 T。

[答案]　(1)C′面较高　(2)见解析　(3)0.02 T

1．如图所示是一火警报警器的一部分电路示意图，其中R2为用NTC半导体热敏材料制成的传感器，电流表为值班室的显示器，a、b之间接报警器，当传感器R2所在处出现火情时，显示器的电流I、报警器两端的电压U的变化情况是(　　)

A．I变大，U变大   B．I变小，U变小

C．I变小，U变大   D．I变大，U变小

B　[当R2处出现火情时，NTC热敏材料制成的传感器的电阻将减小，则此时电路中的总电阻减小，由闭合电路欧姆定律可知：外电路电压将减小，U减小；电路中的总电流增大，所以R1上的电压增大，显示器两端的电压将减小，电流I减小，B正确。]

2．(多选)如图所示电路中，电源电动势为E，内阻为r，RT为负温度系数热敏电阻，R为光敏电阻，闭合开关后，小灯泡L正常发光，由于环境条件改变(光照或温度)，发现小灯泡亮度变暗，则引起小灯泡变暗的原因可能是(　　)

A．温度不变，光照增强

B．温度升高，光照不变

C．温度降低，光照增强

D．温度升高，光照减弱

AC　[由题图可知，当光敏电阻阻值减小或热敏电阻阻值增大时，小灯泡L都会变暗，结合光敏电阻特性可知，A正确，B错误；若光敏电阻阻值减小的同时，热敏电阻的阻值增大，小灯泡L变暗，C正确；若热敏电阻减小，光敏电阻增大，则小灯泡变亮，D错误。]

3．温度传感器广泛应用于室内空调、电冰箱和微波炉等家用产品中，它是利用热敏电阻的阻值随温度的变化而变化的特性工作的。如图甲中，电源的电动势E＝9.0 V，内电阻可忽略不计；G为灵敏电流计，内阻Rg保持不变；R为热敏电阻，其电阻值与温度的变化关系如图乙的R­t图线所示，闭合开关，当R的温度等于120 ℃时，电流表示数I1＝3 mA，求：

甲　　　　　　　　　　　　乙

(1)电流计G的内阻Rg；

(2)当电流计的示数I2＝1.8 mA时，热敏电阻R的温度。

[解析]　(1)由题图乙知热敏电阻R的温度在120 ℃时，电阻为2 kΩ，闭合电路的电流为I1＝3 mA

根据闭合电路欧姆定律得：

Rg＝－R＝ Ω＝1 000 Ω。

(2)当电流计的示数I2＝1.8 mA时

R＝－Rg＝ Ω＝4 000 Ω

由题图乙可知当热敏电阻R阻值为4 000 Ω时的温度为20 ℃。

[答案]　(1)1 000 Ω　(2)20 ℃

4．如图所示为一种加速度仪的示意图。质量为m的振子两端连有劲度系数均为k的轻弹簧，电源的电动势为E，不计内阻，滑动变阻器的总阻值为R，有效长度为L，系统静止时滑动触头位于滑动变阻器正中间，这时电压表指针恰好在刻度盘正中间。求：

(1)系统的加速度a(以向右为正)和电压表读数U的函数关系式；

(2)将电压表刻度改为加速度刻度后，其刻度是均匀的还是不均匀的？为什么？

(3)若电压表指针指在满刻度的位置，此时系统的加速度大小和方向如何？

[解析]　(1)当振子向左偏离中间位置x距离时，由牛顿第二定律得2kx＝ma　 ①

电压表的示数为U＝E　 ②

由以上两式解得a＝(E－2U)。　 ③

(2)均匀，因为加速度a与电压表示数U是一次函数(线性)关系。

(3)当滑动触头滑到最右端时，电压表最大示数Um＝E，电压表指针指在满刻度的位置时，U＝E，代入③式解得a＝－，方向向左。

[答案]　(1)a＝(E－2U)　(2)见解析　(3)　方向向左