江苏版高考物理一轮复习第11章第3节传感器的工作原理及应用课件

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一、热敏电阻与金属热电阻1．热敏电阻热敏电阻由半导体材料制成，其电阻随温度的变化明显，温度升高电阻______，如图甲所示为某一热敏电阻的电阻随温度变化的特性曲线。甲　　　　　　　　乙
2．金属热电阻有些金属的电阻率随温度的升高而______，这样的电阻也可以制作温度传感器，称为热电阻，如图乙所示为某金属导线电阻的温度特性曲线。3．注意：在工作温度范围内，电阻值随温度上升而增加的是正温度系数(PTC)热敏电阻器；电阻值随温度上升而减小的是负温度系数(NTC)热敏电阻器。
二、霍尔元件1.构造：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，就成为一个霍尔元件。
2．工作原理：在E、F间通入恒定的电流I, 同时外加与薄片垂直的磁场B，则薄片中的载流子就在洛伦兹力的作用下，向着与电流和磁场都______的方向漂移，使M、N间出现了电压，称为霍尔电压UH。
(1)其中d为薄片的厚度，k为______系数，其大小与薄片的材料有关。(2)一个霍尔元件的d、k为定值，再保持I恒定，则UH的变化就与B成正比。4．作用：把_____________这个磁学量转换为______这个电学量。
三、 传感器的应用实例1．力传感器的应用——电子秤(1)组成及敏感元件：由_________和_________组成，敏感元件是_________。(2)工作原理：
(3)作用：应变片将物体_____这个力学量转换为____这个电学量。
2．温度传感器的应用实例
3.光传感器的应用——火灾报警器(1)组成：如图所示，发光二极管LED、光电三极管和不透明的挡板。
(2)工作原理：平时光电三极管收不到LED发出的光，呈现高电阻状态，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。
一、易错易误辨析(正确的打“√”，错误的打“×”)(1)所有传感器的材料都是由半导体材料做成的。(　　)(2)传感器是把非电学量转换为电学量的元件。(　　)(3)随着光照的增强，光敏电阻的电阻值逐渐增大。(　　)(4)只有热敏电阻才能把温度这个热学量转换为电阻这个电学量。(　　)
(5)传感器可以将所有感受到的信号都转换为电学量。(　　)(6)霍尔元件工作时，产生的电压与外加的磁感应强度成正比。(　　)
二、教材习题衍生1．(传感器的原理和分类)宇宙飞船使用各类传感器，智能化地感知各种信息。其中感知航天员体温变化的传感器是(　　)A．气体传感器 B．声音传感器C．温度传感器 D．压力传感器C　[根据题意，要感知航天员体温变化，则需要将温度的变化转化为电学的物理量，所以使用的传感器为温度传感器，故C项正确。]
2．(传感器的应用)下列关于传感器的说法不正确的是(　　)A．热敏电阻是由金属制成的，对温度感知灵敏B．电子秤所使用的测力装置是力传感器，它是把力信号转化为电压信号C．电熨斗能自动控制温度的原因是它装有双金属片，这种双金属片的作用是控制电路的通断D．光敏电阻能够把光照强弱这个光学量转换为电阻这个电学量
A　[热敏电阻是由半导体材料制成的，对温度感知灵敏，选项A错误；电子秤所使用的测力装置是力传感器，它是把力信号转化为电压信号，选项B正确；电熨斗能自动控制温度的原因是它装有双金属片，这种双金属片的作用是控制电路的通断，选项C正确；光敏电阻能够把光照强弱这个光学量转换为电阻这个电学量，选项D正确。]
3．(电容式传感器)传感器在生活中有很多应用。电容式加速度传感器在安全气囊、手机等设备中应用广泛，其原理如图所示，质量块左、右侧分别连接电介质、轻质弹簧，弹簧与电容器固定在外框上，质量块可带动电介质相对于外框无摩擦地左右移动，但不能上下移动。下列关于该传感器的说法正确的是(　　)
A．当电路中没有电流时，电容器所带电荷量一定都相等B．当电路中没有电流时，传感器一定处于平衡状态C．当电路中有顺时针方向的电流时，电容器电容一定减小D．当电路中有顺时针方向的电流时，传感器可能向左也可能向右运动
因此电路中没有电流，故B错误；当电路中有顺时针方向的电流时，说明电容器处于充电状态，根据Q＝CU，可知电容器的电容在增大，故C错误；当电路中有顺时针方向电流时，由C项的分析可知，电容器的电容在增大，插入极板间电介质加深，但传感器可能向左减速运动，也可能向右加速运动，故D正确。
1．(传感器的原理)(2023·溧阳高级中学高三开学考试)把光敏电阻(光照越强，阻值越小)接入如图所示电路，制成光电报警装置。闭合开关，当光照达到一定强度时，报警器的蜂鸣器发声，下列说法正确的是(　　)
考点1　传感器的原理和分类
A．干簧管应用了电磁感应原理B．增大电阻箱R的阻值，报警器在光照更强时才会报警C．增加电源B的电动势，报警器在光照更强时才会报警D．增加电源A的电动势，报警器在光照更强时才会报警
B　[干簧管是通过感知磁场的变化来控制电路的通断的，没有利用电磁感应原理，故A错误；根据电路原理可知，只有当电路中电流达一定值时，干簧管才会接通电路，所以增大电阻箱R的阻值时，相同光照下电路中电流减小，为了达到报警时的电流，应让光敏电阻的阻值更小，即光照更强，故B正确；增加电源B的电动势，由以上分析可知，光敏电阻阻值较大时即可报警，即光照较弱时就会报警，故C错误；电源A是给报警器供电，所以增加电源A的电动势，对控制电路没有影响，所以报警时的光照强度没有变化，故D错误。故选B。]
2．(传感器的原理和分类)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，下列说法不正确的是(　　)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
D　[当照射光强度增大时，光敏电阻R3阻值减小，外电路电阻随R3的减小而减小，由闭合电路欧姆定律可得，电路中电流增大，故R1两端电压增大，A正确；因电路中电流增大，故电源内电压增大，路端电压减小，同时R1两端电压增大，故并联电路部分电压减小，则流过R2的电流减小，故B正确，D错误；由干路电流增大可知，流过小灯泡的电流必增大，则小灯泡的功率增大，C正确。]
3．(传感器的原理和分类)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为灵敏电流表，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R-T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)电流表G的内阻Rg；(2)当电流表的示数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
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 ℃
不同类型的传感器，其工作原理一般不同，但所有的传感器都是把非电学量的变化转换为电学量的变化。因此我们可以根据电学量的变化来推测相关量的变化。
1.如图所示为某霍尔元件的工作原理示意图，该元件中电流I由正电荷的定向运动形成。下列说法不正确的是(　　)
考点2　霍尔效应和电容式传感器
A．M点电势比N点电势高B．用霍尔元件可以测量地磁场的磁感应强度C．用霍尔元件能够把磁学量转换为电学量D．若保持电流I恒定，则霍尔电压UH与B成正比
2．(2023·南京模拟)如图甲为用金属材料制成的霍尔元件，其长、宽、高分别为a、b、d；如图乙是检测电流大小是否发生变化的装置。该检测电流在铁芯中产生磁场其磁感应强度与检测电流强度成正比，现给元件通一恒定工作电流I，下列说法正确的是(　　)甲　　　　　　　　乙　　　
A．M端应与电压表的负极相连B．要提高检测灵敏度可适当减小高度dC．如果仅将检测电流反向，电压表的正负接线柱连线位置无需改动D．当霍尔元件尺寸一定时，电压表示数变小，说明检测电流变大
因为检测电流会影响磁场，B与I成正比，同时d减小，U增大，可提高检测灵敏度，故B正确，D错误；如果仅将检测电流反向，则磁场方向会发生变化，根据左手定则，电子受力方向也会发生变化，电子将在元件背面积累，故需要改变电压表接法，故C错误；故选B。]
由左手定则判断带电粒子的受力方向，如果带电粒子是正电荷，则拇指所指的面为高电势面，如果是负电荷，则拇指所指的面为低电势面，但无论是正电荷还是负电荷，四指指的都是电流方向，即正电荷定向移动的方向，负电荷定向移动的反方向。在判断电势高低时一定要注意载流子是正电荷还是负电荷。
1．电容器的电容决定于极板间的正对面积S、极板间距d、极板间的电介质这几个因素。如果某个物理量(如角度θ、位移x、深度H等)的变化引起上述某个因素的变化，从而引起电容的变化，通过电容的变化就可以确定上述物理量的变化，这种电容器称为电容式传感器。
[典例]　如图所示为测定压力的电容式传感器，将平行板电容器、灵敏电流表(零刻度在中间)和电源串联成闭合回路，当压力F作用于可动膜片电极上时，膜片发生形变，引起电容的变化，导致灵敏电流计指针偏转，在对膜片开始施加压力使膜片电极从图中的虚线推到图中实线位置并保持固定的过程中，灵敏电流表指针偏转情况为(电流从电流表正接线柱流入时指针向右偏)(　　)
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动D．向左偏到某一刻度后不动
[跟进训练]1．(测定液面高度)传感器是将能感受的物理量(如力、热、光、声等)转换成便于测量的量(一般是电学量)的一类元件，在自动控制中有相当广泛的应用，如图所示的装置是一种测定液面高度的电容式传感器。金属芯线与导电液体构成一个电容器，从电容C大小的变化情况就能反映出液面高度h的高低情况，则两者的关系是(　　)①C增大表示h增大　②C增大表示h减小③C减小表示h减小　④C减小表示h增大
A．只有①正确 B．只有①、③正确C．只有②正确 D．只有②、④正确B　[液面高度的变化，相当于电容器极板正对面积的变化。当h增大时，相当于正对面积增大，则电容应增大；当h减小时，相当于正对面积减小，电容C应减小，B正确。]
2．(测定压力传感器)传感器是把非电学量(如位移、压力、流量、声强等)转换成电学量的一种元件。如图所示为一种电容式传感器，电路可将声音信号转化为电信号。电路中a、b构成一个电容器，b是固定不动的金属板，a是能在声波驱动下沿水平方向振动的镀有金属层的振动膜。若声源S发出频率恒定的声波使a振动，则a在振动过程中(　　)A．a、b板之间的电场强度不变B．a、b板所带的电荷量不变C．电路中始终有方向不变的电流D．向右位移最大时，电容器的电容最大
[题组训练]1．(光传感器)下列关于光传感火灾报警器的说法中正确的是(　　)A．发光二极管是由半导体材料制成的，光电三极管是由导体材料制成的B．光电三极管与光敏电阻一样都是光敏感元件，都是将光信号转换为电信号C．发光二极管发出的是脉冲微光D．如果把挡板撤去，火灾报警器照样工作
B　[发光二极管工作时是持续发光的，挡板撤去，光始终照到光电三极管上，始终发出警报，和有无火灾无关。故B正确，A、C、D错误。]
2．(传感器的应用)(2023·宿迁中学期末考试)电饭锅的结构如图所示，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，能够被磁铁吸引，但是温度上升到103 ℃时，就失去了铁磁性，不能被磁铁吸引了，这个温度在物理学中称为该材料的“居里点”。已知水沸腾时电饭锅内温度为100 ℃，下列说法正确的是(　　)
A．当温度达到“居里点”时，感温铁氧体的磁性最强B．如果用电饭锅烧水，在水沸腾后，电热板电源开关会自动断开C．煮饭时水刚沸腾，锅内还有一定的水时，电热板电源开关不会自动断开D．煮饭前是常温，感温铁氧体具有较强的磁性，永磁体被吸引，不用压下开关按钮就可以自动煮饭
C　[铁氧体在温度上升到约103 ℃时，就失去磁性，则在材料的“居里点”，感温铁氧体的磁性最弱，故A错误；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 ℃，感温铁氧体不会失去铁磁性，则开关不会自动断开，故B错误，C正确；只有按下开关才能将电路接通让电饭锅工作，故D错误。故选C。]
3．(温度传感器)家用电热灭蚊器电热部分的主要部件是PTC元件，PTC元件是由钛酸钡等导体材料组成的电阻器，其电阻率ρ与温度t的关系如图所示。由于这种特性，PTC元件具有发热、控温双重功能，若电热灭蚊器环境温度低于t1，以下判断正确的是(　　)
A．通电后，其电功率一直增大B．通电后，其电功率先减小后增大C．当其产生的热量与散发的热量相等时，温度保持在t1或t2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～t2间的某一值不变