人教版高中物理選修3知識點及重點題型梳理傳感器(原理及典型應(yīng)用)

認(rèn)真整理認(rèn)真整理資料來源于網(wǎng)絡(luò)僅供免費溝通使用資料來源于網(wǎng)絡(luò)僅供免費溝通使用3-2學(xué)問點梳理?？紝W(xué)問點重點題型〔 〕穩(wěn)固練習(xí)?？紝W(xué)問點傳感器〔原理及典型應(yīng)用〕【學(xué)習(xí)目標(biāo)】知道什么是傳感器，常見的傳感器有哪些。了解一些傳感器的工作原理和實際應(yīng)用。了解傳感器的應(yīng)用模式，能夠運用這一模式去理解傳感器的實際運用。了解傳感器在生活、科技中的運用和發(fā)揮的巨大作用?！疽c梳理】要點一、傳感器現(xiàn)代技術(shù)中，傳感器是指這樣一類元件：它能夠感受諸如力、溫度、光、聲、化學(xué)通斷。把非電學(xué)量轉(zhuǎn)換為電學(xué)量以后，就可以很便利地進(jìn)展測量、傳輸、處理和掌握了。傳感器原理傳感器感受的通常是非電學(xué)量，如壓力、溫度、位移、濃度、速度、酸堿度等，而它輸出的通常是電學(xué)量，如電壓值、電流值、電荷量等，這些輸出信號是格外微弱的，通常要經(jīng)過放大后，再送給掌握系統(tǒng)產(chǎn)生各種掌握動作。傳感器原理如以下圖所示。傳感器的分類感器分為物理型、化學(xué)型和生物型三類。物理型傳感器是利用被測量物質(zhì)的某些物理性質(zhì)〔如電阻、電壓、電容、磁場等〕發(fā)生明顯變化的特性制成的，如光電傳感器、力學(xué)傳感器等?；瘜W(xué)型傳感器是利用能把化學(xué)物質(zhì)的成分成的。生物型傳感器是利用各種生物或生物物質(zhì)的特性做成的成分的傳感器，生物或生物物質(zhì)主要是指各種酶、微生物、抗體等，分別對應(yīng)酶傳感器、微生物傳感器、免疫傳感器等等。要點二、光敏電阻光敏電阻能夠把光照強弱這個光學(xué)量轉(zhuǎn)換為電阻大小這個電學(xué)量阻值減小。要點詮釋：光敏電阻是用半導(dǎo)體材料制成的，硫化鎘在無光時，載流子〔導(dǎo)電電荷〕極少，導(dǎo)電性能不好，隨著光照的增加，載流子增多，導(dǎo)電性能變好。要點三、熱敏電阻和金屬熱電阻熱敏電阻溫度特性曲線。要點詮釋：在工作溫度范圍內(nèi)，電阻值隨溫度上升而增加的是正溫度系數(shù)〔PTC〕熱敏電阻器；電阻值隨溫度上升而減小的是負(fù)溫度系數(shù)〔NTC〕熱敏電阻器。熱敏電阻器的應(yīng)用格外廣泛，主要應(yīng)用于：①利用電阻—溫度特性來測量溫度、掌握溫度和元件、器件、電路的溫度補償。②利用非線性特性完成穩(wěn)壓、限幅、開關(guān)、過流保護(hù)作用。③利用不同媒質(zhì)中熱耗散特性的差異測量流量、流速、液面、熱導(dǎo)、真空度等。④利用熱慣性作為時間延時器。金屬熱電阻熱電阻。要點詮釋：屬熱電阻的化學(xué)穩(wěn)定性好，測溫范圍大，而熱敏電阻的靈敏度較高。要點四、電容式傳感器霍爾元件電容式傳感器電容器的電容C打算于極板正對面積Sd以及極板間的電介質(zhì)這幾個因素，假設(shè)某一物理量〔如角度、位移x、深度h等〕的變化能引起上述某個因素的變化，從而的電容器稱為電容式傳感器。如圖甲所示是用來測定角度的電容式傳感器。當(dāng)動片和定片之間的角度發(fā)生變化時，引起極板正對面積S的變化，使電容C發(fā)生變化，知道C的變化，就可以知道的變化狀況。如圖乙所示是測定液面高度hhC發(fā)生變化。知道C的變化，就可以知道h的變化狀況。如圖丙所示是測定壓力，的電容式傳感器，待測壓力F作用于可動膜片電極上的時候，d發(fā)生變化，引起電容C的變化。知道C的變化，就可以知F的變化狀況。如圖丁所示是測定位移x的電容式傳感器。隨著電介質(zhì)進(jìn)入極板間的長度發(fā)生變化，電容C發(fā)生變化。知道Cx的變化狀況?；魻栐?．如下圖，在一個很小的矩形導(dǎo)體〔例如砷化銦〕薄片上，制作四個電極E、F、M、N，就成為一個霍爾元件?；魻栐軌虬汛鸥袘?yīng)強度這個磁學(xué)量轉(zhuǎn)換為電壓這個電學(xué)量。2U有關(guān)。

kIB，其中k為比例系數(shù)，稱為霍爾系數(shù)，其大小與薄片的材料d〔3．霍爾元件的工作原理霍爾元件是利用霍爾效應(yīng)來設(shè)計的。一個矩形半導(dǎo)體薄片，在其前、后、左、右分別引出一個電極，如下圖，沿PQB，則在MN間會消滅電勢差U，設(shè)薄片厚度為dPQ方向長度為l1

，MN方向長度為l2

，薄片中的帶電粒子受到磁場力發(fā)生偏轉(zhuǎn)，使N側(cè)電勢高于M側(cè)，造成半導(dǎo)體內(nèi)部消滅電場。帶電粒子同時受到磁場力和電場力作用，當(dāng)磁場力與電場力平衡時，MN間電勢差到達(dá)恒定，此時有qUqvB。l2依據(jù)電流的微觀解釋InqSv，整理后得U IB。nqdk

1，由于nq為單個帶電粒子的電荷量，nq它們均為常數(shù)，所以UkIB。dUB成正比，這就是霍爾元件能把磁學(xué)量轉(zhuǎn)換成電學(xué)量的緣由。要點五、力傳感器應(yīng)變式力傳感器組成：由金屬梁和應(yīng)變片組成。工作原理：如下圖，彈簧鋼制成的梁形元件右端固定，在梁的上下外表各貼一個應(yīng)變片，左梁的自由端施力F，則梁發(fā)生彎曲，上外表拉伸，下外表壓縮，上外表應(yīng)變片的電阻變大，下外表電阻變小。F越大，彎曲形變越大，應(yīng)變片的阻值變化越大。假設(shè)變小。傳感器把這兩個電壓的差值輸出。外力越大，輸出的電壓差值也就越大。測定壓力的電容式傳感器如下圖，當(dāng)待測壓力F作用于可動膜片電極上時，可使膜片產(chǎn)生形變，從而引起電容的變化，假設(shè)將電容器與靈敏電流表、電源串聯(lián)，組成閉合電路，當(dāng)F向上壓膜片電極時，電容器的電容將增大，電流表有示數(shù)。要點六、聲傳感器的應(yīng)用——話筒話筒的作用把聲音信號轉(zhuǎn)換為電信號。電容式話筒Q是絕緣支架，薄金屬膜MN形成一個電容器，R兩端就輸出了與聲音變化規(guī)律一樣的電壓。優(yōu)點：保真度好。駐極體話筒極化現(xiàn)象：將電介質(zhì)放人電場中，在前后兩個外表上會分別消滅正電荷與負(fù)電荷的現(xiàn)象。駐極體：某些電介質(zhì)在電場中被極化后，去掉外加電場，仍舊會長期保持被極化的狀態(tài)，這種材料稱為駐極體。原理：同電容式話筒，只是內(nèi)部感受聲波的是駐極體塑料薄膜。特點：體積小，重量輕，價格廉價，靈敏度高，工作電壓低。要點七、溫度傳感器的應(yīng)用——電熨斗溫度傳感器：由半導(dǎo)體材料制成的熱敏電阻和金屬熱電阻均可制成溫度傳感器，它可以把熱信號轉(zhuǎn)換為電信號進(jìn)展自動掌握。電熨斗的構(gòu)造如下圖。電熨斗的自動控溫原理內(nèi)部裝有雙金屬片溫度傳感器，如下圖，其作用是掌握電路的通斷。常溫下，上、下觸頭應(yīng)是接觸的，但溫度過高時，由于雙金屬片受熱膨脹系數(shù)不同，上部金屬膨脹大，下部金屬膨脹小，雙金屬片向下彎曲，使觸點分別，從而切斷電源，停頓加熱。溫度降低后，雙金屬片恢復(fù)原狀，重接通電路加熱，這樣循環(huán)進(jìn)展，起到自動掌握溫度的作用。的。傳感器應(yīng)用的一般模式動圈式話筒的工作原理片振動時，連接在膜片上的線圈〔叫做音圈〕隨著一起振動。音圈在永磁鐵的磁場里振動，其中就產(chǎn)生感應(yīng)電流〔電信號。感應(yīng)電流的大小和方向都變化，振幅和頻率的變化由聲波打算，這個電信號經(jīng)擴(kuò)音器放大后傳給揚聲器，從揚聲器中就發(fā)出放大的聲音?！镜湫屠}】類型一、熱敏電阻的特性1R1

R2

L為小燈泡，當(dāng)溫度降低時〔 〕A．R1

兩端的電壓增大 B．電流表的示數(shù)增大C．小燈泡的亮度變強 D．小燈泡的亮度變?nèi)酢舅悸伏c撥】運用熱敏電阻特性解決問題?！敬鸢浮緾【解析】此題考察了負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻的特性以及電路的動態(tài)分析。R2

L并聯(lián)R1

串聯(lián)，與電源構(gòu)成閉合電路，當(dāng)熱敏電阻溫度降低時，電阻R2

增大，外電路電阻增大，電流表讀數(shù)變小，燈LR1

C正確，其余各項均錯。減小，正溫度系數(shù)的熱敏電阻〔PTC〕的阻值隨溫度的上升而增大。舉一反三:【傳感器〔原理及典型應(yīng)用〕例2】【變式】如圖是一火警報警的一局部電路示意圖。其中R2

為用半導(dǎo)體熱敏材料制成的a、b之間接報警器。當(dāng)傳感器R2

所在處消滅火情時，顯示器的電流I、報警器兩端的電壓U的變化狀況是〔 〕A.I變大，U變大B.I變小，U變小C.I變小，U變大D.I變大，U變小【答案】B【解析】消滅火情時溫度上升，R2

R總減小，I總增大，Uab

減小，U 減并小，I 減小，正確答案為B。A類型二、光敏電阻的特性例2RR1 2的光強度增大時〔 〕

LR3

R上3A．電壓表的示數(shù)增大 B．R2

中電流減小C．小燈泡的功率增大 D．電路的路端電壓增大【答案】ABC【解析】此題綜合考察光敏電阻的特性以及電路的動態(tài)分析。當(dāng)光強度增大時，R阻3值減小，外電路電阻隨見的減小而減小，R1

兩端電壓因干路電流增大而增大，同時內(nèi)電壓A項正確，DRR1

兩端電壓必減小，則R2

中電流減小，故B項正確；結(jié)合干路電流增大知流過小燈泡的電流必增大，則小燈泡的功率增大。【總結(jié)升華】牢記光敏電阻的阻值隨光強度的增加而減小。例3〔2022 南昌期中〕利用光敏電阻制作的光傳感器，記錄了傳送帶上工件的輸送狀況如圖甲所示為某工廠成品包裝車間的光傳感記錄器光傳感器B能接收到發(fā)光元件A發(fā)出的光，每當(dāng)工件擋住A發(fā)出的光時，光傳感器就輸出一個電信號，并在屏幕上顯示出電信號與時間的關(guān)系如圖乙所示假設(shè)傳送帶始終勻速運動每兩個工件間的距離為0.2m，則以下說法正確的選項是( )A．傳送帶運動的速度是0.1m/sB．傳送帶運動的速度是0.2m/sC3600個工件D7200個工件【答案】BC1時間內(nèi)傳送帶運動了兩個工件之間的距離，所以傳送帶運動的速度是v=0.2m/s=0.2m/s，1n s故A錯誤B＝v0.23600=L=3600個，C正確D錯誤。舉一反三:【傳感器〔原理及典型應(yīng)用〕例1】【變式〔1〕如圖是利用光敏電阻自動計數(shù)的示意圖，其中A是 ，B中的主要元件是 。(2)自動計數(shù)原理是： 。【答案】(1)發(fā)光儀器；光敏電阻(2)見解析【解析】(1)發(fā)光儀器；光敏電阻(2)AB的光信號時，光敏電阻的阻值變小，供給信號處理系統(tǒng)的電壓變低；當(dāng)傳送帶上有物品擋住由AB的光信號時，光敏電阻的阻值變自動將其轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的數(shù)字，實現(xiàn)自動計數(shù)功能．類型三、霍爾元件的特性例4．如下圖，截面為矩形的金屬導(dǎo)體，放在磁場中，當(dāng)導(dǎo)體中通有電流時，導(dǎo)體的上、下外表的電勢的關(guān)系為〔 〕A．U ＞U B．U ＝U C．U ＜U D．無法推斷M N M N M N【答案】A中受到洛倫茲力作用，做定向移動形成的，依據(jù)左手定則，電子受到向下的洛倫茲力作用，向N板運動，則M板剩下正電荷，所以U ＞U 。M N【總結(jié)升華】金屬導(dǎo)體中能自由移動的是電子，電子向NM板剩下正電荷。5．如下圖，有電流I流過長方體金屬塊，金屬塊寬度為d，高為b，有一磁感應(yīng)B的勻強磁場垂直于紙面對里，金屬塊單位體積內(nèi)的自由電子數(shù)為n，試問金屬塊上、下外表哪面電勢高？電勢差是多少？【思路點撥】當(dāng)電流在導(dǎo)體中流淌時，運動電荷在洛倫茲力作用下，分別向?qū)w上、下外表聚攏，在導(dǎo)體中形成電場，其中上外表帶負(fù)電，電勢低。隨著正、負(fù)電荷不斷向下、上轉(zhuǎn)，上、下外表間形成穩(wěn)定電壓。IB【答案】下外表電勢高電勢差為ned【解析】此題是考察霍爾效應(yīng)現(xiàn)象的計算題。當(dāng)電流在導(dǎo)體中流淌時，運動電荷在洛倫茲力作用下，分別向?qū)w上導(dǎo)體中形成電場，其中上外表帶負(fù)電，電勢低。隨著正、負(fù)電荷不斷向下、上外表積存，電場增加，當(dāng)運動電荷所受電場力與洛倫茲力平衡時，即qEqvB時，電荷將不再向上或向下偏轉(zhuǎn)，上、下外表間形成穩(wěn)定電壓。帶多余等量的正電荷，故下外表電勢高，設(shè)其穩(wěn)定電壓為U。當(dāng)運動電荷所受電場力與洛倫茲力平衡時，即qUqvB。bIneSvnevbd，故U

IB。ned〔1〕推斷電勢凹凸時留意載流子是正電荷還是負(fù)電荷?！?〕由以上計算得上、下兩外表間的電壓穩(wěn)定時，U

IB，其中n為單位體積內(nèi)的nedIB1IB自由電荷數(shù)，e為電子電荷量，對固定的材料而言為定值，假設(shè)令k ，則Uk ，此ne d即課本所給出的公式。類型四、電容式傳感器6．如下圖：圖甲是 的電容式傳感器，原理是 。圖乙是 的電容式傳感器，原理是 。圖丙是 的電容式傳感器，原理是 。圖丁是 的電容式傳感器，原理是 ?！敬鸢浮恳娊馕觥窘馕觥看祟}考察了幾種常見電容式傳感器的工作原理。圖甲是角度的電容式傳感器，其原理是當(dāng)動金屬片旋進(jìn)的角度不同時，電容器的正對面積不同，電容器的電容不同。圖乙是液體的電容式傳感器，其原理是導(dǎo)電液體相當(dāng)于電容器的一個極板，當(dāng)液體深度發(fā)生轉(zhuǎn)變時，相當(dāng)于兩極板的正對面積發(fā)生轉(zhuǎn)變，電容器的電容也隨之轉(zhuǎn)變。圖丙是壓力的電容式傳感器，其原理是當(dāng)作用在一個電極的壓力轉(zhuǎn)變時，金屬片的外形也發(fā)生轉(zhuǎn)變，兩極板的距離發(fā)生轉(zhuǎn)變，電容器的電容也發(fā)生轉(zhuǎn)變。圖丁是位移的電容武傳感器，其原理是和物體固定在一起的電介質(zhì)板，當(dāng)物體發(fā)生一小段位移時，插入兩極板間的電介質(zhì)發(fā)生變化，導(dǎo)致電容器的電容發(fā)生變化。【總結(jié)升華】電容式傳感器體積小、反響靈敏，是一種多功能傳感器，可用來做壓力、轉(zhuǎn)角、位移、壓強、聲音等傳感器。舉一反三:【傳感器〔原理及典型應(yīng)用〕例3】【變式】圖甲是測量 的電容式傳感器，原理是 圖乙是測量 的電容式傳感器，原理是 【答案】圖甲:角度；動片與定片間的角度發(fā)生變化時，引起正對面積S的變化，通過測出電容C的變化，測量動片與定片間的夾角。圖乙:液面高度h；hC的變化，可以測量液面高度h的變化。類型五、力傳感器的應(yīng)用例7．用如下圖的裝置可以測量汽車在水平路面上做勻加速直線運動的加速度，該裝簧夾著一個質(zhì)量為2.0kg的滑塊，滑塊可無摩擦滑動，兩彈簧的另一端分別接在傳感器a、b上，其壓力大小可直接從傳感器的液晶顯示屏上讀出，現(xiàn)將裝置沿運動方向固定在汽車上，傳感器b在前，傳感器a在后。汽車靜止時，傳感器a、b的示數(shù)均為10N〔g取10m/s〕假設(shè)傳感器a的示數(shù)為14N，b的示數(shù)為6.0N當(dāng)汽車以怎樣的加速度運動時，傳感器a的示數(shù)為零？【思路點撥】兩輕彈簧一樣，左彈簧伸長多少，右彈簧就縮短多少。傳感器上所顯示出簧對滑塊的彈力大小?！?〕4.0m/s2，方向向前〔2〕10m/s2，方向向后〔1〕如下圖，依題意，左側(cè)彈簧對滑塊向右的推力F1

14N，右側(cè)彈簧對滑塊向F2

6.0N。a

F－F

ma FF

1146.0

1 2 1a 11

22.0

m/s24.0m/s2。aF1

同方向，即向前〔向右?！?〕a傳感器的讀數(shù)恰為零，即左側(cè)彈簧的彈力0，因兩彈簧一樣，左彈簧伸長1多少，右彈簧就縮短多少，所以右彈簧的彈力變?yōu)镕20N，滑塊所受合力產(chǎn)生加速度，2由牛頓其次定律得F Fma。合 2 2解得F”a 210m/s2。2 m負(fù)號表示方向向后〔向左。【總結(jié)升華】兩輕彈簧一樣，左彈簧伸長多少，右彈簧就縮短多少，彈簧上彈力變化大小相等。舉一反三:【傳感器〔原理及典型應(yīng)用〕例5】速度計的構(gòu)造和原理的示意圖如圖示，沿長度方向按裝的固定光滑桿上套一個質(zhì)量為m的滑塊，滑塊的兩側(cè)分別與勁度系數(shù)均為k的彈簧相連，兩彈簧的另一端與固定壁相連。掌握系統(tǒng)進(jìn)展制導(dǎo)。設(shè)某段時間內(nèi)沿水平方向運動，指針向左偏離O點的距離為S，則這段時間內(nèi)的加速度 〔 〕方向向左，大小為kS/m方向向右，大小為kS/m方向向左，大小為2kS/m方向向右，大小為2kS/m假設(shè)電位器〔可變電阻〕總長度為L，其電阻均勻，兩端接在穩(wěn)壓電源U 上，當(dāng)0a沿水平方向運動時，與滑塊連接的滑動片P產(chǎn)生位移，此時可輸出一個電信號UU與a的函數(shù)關(guān)系式。mU【答案〔1〕D 〔2〕 0a2kL〔1〕略〔2〕a=2kS/mSma/2k，所以UUR0 X

/RU

S/L0maU /2kL0mU= 0aa．2kL類型六、聲傳感器的應(yīng)用例圖乙所示是磁帶錄音機(jī)的錄音、放音原理圖，由圖可知：①話筒工作時磁鐵不動，線圈振動而產(chǎn)生感應(yīng)電流②錄音機(jī)放音時變化的磁場在靜止的線圈里產(chǎn)生感應(yīng)電流③錄音機(jī)放音時線圈中變化了的電流在磁頭縫隙處產(chǎn)生變化的磁場④錄音機(jī)錄音時線圈中變化的電流在磁頭縫隙處產(chǎn)生變化的磁場其中正確的選項是〔 〕A．②③④ B．①②③ C．①②④ D．①③④【答案】C【解析】此題考察了動圈式話筒和磁帶錄音機(jī)錄放音的工作原理。話筒的工作原理是變化的磁場使放音頭產(chǎn)生感應(yīng)電流，經(jīng)放大電路后再送到揚聲器中，②正確。【總結(jié)升華】清楚聲傳感器的原理是解題關(guān)鍵。舉一反三:【傳感器〔原理及典型應(yīng)用〕例4】【變式】唱卡拉OK用的話筒，內(nèi)有傳感器。其中有一種是動圈式的它的工作原理是在彈性膜片后面粘接一個輕小的金屬線圈線圈處于永磁體的磁場中當(dāng)聲波使膜片前后振動時，就將聲音信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?。以下說法正確的選項是 ( ).該傳感器是依據(jù)電流的磁效應(yīng)工作的.該傳感器是依據(jù)電磁感應(yīng)原理工作的C.膜片振動時，穿過金屬線圈的磁通量不變D.膜片振動時，金屬線圈中不會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢【答案】B類型七、溫度傳感器的應(yīng)用例9．在家用電熱滅蚊器中，電熱局部主要元件是PTCPTC元件是由鈦酸鋇等隨溫度t的變化關(guān)系如圖所示，由于這種特性，PT