2019-2020学年高中物理 第4章 传感器与现代社会 3 用传感器做实验 4 信息时代离不开传感器精练（含解析）沪教版选修3-2

用传感器做实验 信息时代离不开传感器1了解日常生活中常见的一些传感器及其应用2会用常见的传感器做一些简单的实验3体验科学探究的乐趣和运用所学知识分析新问题、解决新问题，感受物理与生活、生产的密切联系一、温度传感器1测温仪使用了温度传感器将温度信号转换成电信号2测温仪中的温度传感器主要采用热敏电阻、金属热电阻、热电偶等元件，也有的用红外线敏感元件等二、力传感器常见的力传感器是由金属梁和应变片组成的应变片是一种敏感元件，现在多用半导体材料制成，上下表面的应变片在压力作用下发生弯曲，上下应变片的阻值变化不一样电压也就不一样，外力越大，输出的电压差也就越大三、磁传感器1磁传感器是将磁信号转化为电信号的传感器2磁传感器的中心元件是“霍尔元件”，霍尔元件能够把磁感应强度这个磁场量转换为电压这个电学量四、随处可见的传感器1红外测温仪：是一种将红外辐射波转换成电信号的传感装置2数码相机和摄像机：敏感元件叫做电荷耦合器件(ccd)，它将光信号转换成模拟电信号，模拟电信号再通过一种(a/d)专门转换器转换成数字电信号3酒精浓度测试仪：敏感元件是酒精传感器在生活中还有煤气报警器、火警报警器、红外报警器、防盗报警器等等工业生产中有热轧生产线上的传感器，农业生产中有空气湿度传感器、土壤湿度传感器、土壤营养传感器等等五、智能传感器智能式传感器集信息检测、信息处理、信息记忆、逻辑思维和判断功能于一身，把计算机、各种用途的传感器和输入输出等制在同一芯片上，成为大规模集成电路智能传感器六、遥测与遥感遥感遥测的基本原理是通过遥感传感器对观测目标产生的电磁波、热辐射进行远距离收集、转换，用计算机处理、识别，得出结论主要应用在地球资源勘探、环境监测、气象预报、军事侦察等等力传感器及其应用1组成：如图所示，力传感器主要有金属架和应变片组成2工作原理：如图所示，用弹簧钢制成的金属架右端固定，在梁形金属架上、下表面各贴一个应变片(由半导体材料制成)，在梁的自由端施力f，则梁发生弯曲，上表面拉伸，下表面压缩，上表面应变片的电阻变大，下表面应变片的电阻变小f越大，弯曲形变越大，应变片的阻值变化就越大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外力越大，输出的电压差值也就越大3常见用途：应变式力传感器可以用来测重力、压力、拉力等各种力应变片能够把物体形变这个力学量转换为电压这个电学量传感器是把非电学量(如速度、温度、压力等)的变化转换成电学量的变化的一种元件，在自动控制中有着相当广泛的应用有一种测量人的体重的电子秤，其测量部分的原理图如图中的虚线框所示，它主要由压力传感器r(电阻值会随所受压力大小发生变化的可变电阻)、显示体重大小的仪表a(实质是理想的电流表)组成压力传感器表面能承受的最大压强为1107 pa，且已知压力传感器r的电阻与所受压力的关系如下表所示设踏板和压杆的质量可以忽略不计，接通电源后，压力传感器两端的电压恒为48 v，取g10 m/s2请回答：压力f/n02505007501 0001 2501 500电阻r/300270240210180150120(1)该秤零起点(即踏板空载时)的刻度线应标在电流表刻度盘_a处(2)如果某人站在该秤踏板上，电流表刻度盘的示数为20 ma，则这个人的体重是_ kg解题探究 (1)压敏电阻的阻值随压力如何变化？(2)电流表的示数与压力有何关系？解析(1)由图表知，踏板空载时，压力传感器电阻r300 ，此时a中电流i a16102 a(2)当电流i20 ma20103a时，压力传感器的电阻r 240 ，对应表格中，这个人的质量为50 kg答案(1)16102(2)50力学传感器的分析方法(1)分析清楚力传感器的工作原理，明确装置是如何将力这个非电学量转化为电学量是解决该类问题的关键(2)涉及电路计算时，注意欧姆定律及分压原理的应用 1传感器是一种采集信息的重要器件，如图所示是由电容器作为传感器来测定压力变化的电路当待测压力作用于膜片电极上时，下列说法中正确的是()若f向下压膜片电极，电路中有从a到b的电流若f向下压膜片电极，电路中有从b到a的电流若f向下压膜片电极，电路中不会有电流产生若电流表有示数，说明压力f发生变化若电流表有示数，说明压力f不会发生变化abc d解析：选a在压力f作用下，电容器两极板间的距离发生变化，引起电容的变化，在电容器两极板间电压不变的情况下，据c可知，电容器电容c的变化必然导致电容器带电量的变化，从而有电流经过电流表反之，当电流表中有电流经过时，则说明压力f一定发生了变化当压力f向下作用时，电容器极板间的距离变小，使得电容器的电容c增大，在电容器两极板间电压不变的情况下，由c可知，电容器的带电量q要增大，即电容器处于充电状态，电路中有ba的电流综上所述，选项a正确磁传感器及其应用1霍尔元件霍尔元件是利用霍尔效应来设计的一个矩形半导体薄片，在其前、后、左、右分别引出一个电极，如图所示，沿pq方向通入电流i，垂直于薄片加匀强磁场b，则在mn间会出现电势差u，设薄片厚度为d，pq方向长度为l1，mn方向长度为l2，薄片中的带电粒子受到磁场力发生偏转，使n侧电势高于m侧，导致半导体内部出现电场带电粒子同时受到磁场力和电场力作用，当磁场力与电场力平衡时，mn间电势差达到恒定qqvb根据电流的微观解释inqsv，整理后得u令k，因为n为材料单位体积内的带电粒子个数，q为单个带电粒子的电荷量，它们均为常数，所以uku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2霍尔效应原理霍尔效应的原理：外部磁场使运动的载流子受到洛伦兹力，在导体板的一侧聚集，在导体板的另一侧会出现多余的另一种电荷，从而形成横向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，导体板左右两侧就会形成稳定的电压(多选)利用霍尔效应制作的霍尔元件，广泛应用于测量和自动控制等领域如图所示是霍尔元件的工作原理示意图，磁感应强度b垂直于霍尔元件的工作面向下，通入图示方向的电流i，n、m两侧面间会形成电势差unm，下列说法中正确的是()a电势差unm仅与材料有关b若该霍尔元件的载流子是自由电子，则电势差unm0c仅增大磁感应强度b时，电势差unm变大d在测定地球赤道上方的地磁场强弱时，元件的工作面应保持水平解析n、m两侧面间形成的电势差unm称为霍尔电压，其公式为unmk，由该公式可看出电势差unm与材料以及i、b、d均有关，选项a错误，c正确；若该霍尔元件的载流子是自由电子，根据左手定则可以判断自由电子所受洛伦兹力指向n侧面，自由电子会聚集在n侧面，m侧面感应出等量的正电荷，故unmun bumuncumun，所以选项a正确4如图所示是电容式话筒的示意图，它是利用电容制作的传感器，话筒的振动膜前面有薄薄的金属层，膜后距膜几十微米处有一金属板，振动膜上的金属层和这个金属板构成电容器的两极，在两极间加一电压u，人对着话筒说话时，振动膜前后振动，使电容发生变化，使声音信号被话筒转化为电信号，其中导致电容变化的原因是电容器两板间的()a距离变化 b正对面积变化c介质变化 d电压变化解析：选a平行板电容器的电容c，本例中的介质没有变化，正对面积也没有变化，引起电容变化的因素是板间距离d故选a5汽车过桥时对不同类型的桥面压力变化不一样为进一步研究，可将一小球代替汽车放在斜面顶端对所受压力的变化进行研究，如图甲所示采用dis方法对模型进行测量，其结果如图乙中电脑屏幕所示(1)图甲中的传感器为_传感器；(2)图甲中分别为三种不同类型的桥面，对于凸形桥，其相对应的压力图线应是屏幕上的_(填“a”“b”或“c”)(3)如增大小球在斜槽上的高度，在图乙中大致画出小球通过凸形桥时的压力图线解析：(1)由于是将压力信号转化为电信号，所以是压力传感器(2)桥面如题图所示，小球在最高点的压力小于重力；桥面如题图所示，小球的压力不变，总等于重力；桥面如题图所示，小球在最低点时对桥的压力大于重力；由此可得：对应凸形桥的压力图线是电脑屏幕上的c(3)若增大小球在斜槽上的高度，小球通过凸形桥时的压力图线将向下凹，即如图所示答案：(1)压力(2)c(3)见解析图课时作业一、单项选择题1有一种在光照或温度升高时排气扇都能启动的自动控制装置，下列说法正确的是()a两个传感器都是光电传感器b两个传感器分别是光电传感器和温度传感器c两个传感器可能分别是温度传感器、电容式传感器d只有光照和温度都适合时排气扇才能工作解析：选b题中提到有光照或温度升高时排气扇都能自动控制，由此可见两个传感器一个是光电传感器，一个是温度传感器，而且排气扇自动工作只需光照或温度一个条件满足即可，a、c、d错，b对2传感器可将非电学量转化为电学量，起自动控制作用，如计算机鼠标中有位移传感器，电熨斗、电饭锅中有温度传感器，电视机、录像机、影碟机、空调机中有光电传感器用遥控器调换电视频道的过程，实际上就是传感器把光信号转化为电信号的过程下列属于这类传感器的是()a红外线报警器b走廊照明灯的声控开关c自动洗衣机中的压力传感装置d电饭锅中控制加热和保温的温控器解析：选a红外线报警器的工作原理是如果有人通过，红外线达到传感器可以觉察到的范围，那么红外线传感器就会发出信号，并与触点接通，使灯点亮且发出警报因此，红外线报警器的工作过程是将光信号转化为电信号，a选项正确而b选项是将声音信号转换为电信号，c选项是利用压力来传递信息的，d选项是通过温度来控制的，所以选项b、c、d错误3在一些学校教室为了保证照明条件，采用智能照明系统，在自然光不足时接通电源启动日光灯，而在自然光充足时，自动关闭日光灯，其原理图如图所示r为一光敏电阻，l为一带铁心的螺线管，在螺线管上方有一用细弹簧系着的轻质衔铁，一端用铰链固定在墙上可以自由转动，另一端用一绝缘棒链接两动触头有关这套智能照明系统工作原理描述正确的是()a光照越强，光敏电阻阻值越大，衔铁被吸引下来b在光线不足时，光敏电阻阻值变小，衔铁被弹簧拉上去c上面两接线柱应该和日光灯电路连接d下面两接线柱应该和日光灯电路连接解析：选c光照越强，光敏电阻阻值越小，电流越大，故衔铁被吸引下来，选项a错误；在光线不足时，光敏电阻阻值变大，电流减小，故衔铁被弹簧拉上去，点亮照明灯，故上面两接线柱应该和日光灯电路连接，选项c正确，b、d错误4红外遥感卫星通过接收地面物体发出的红外辐射来探测地面物体的状况地球大气中的水汽(h2o)、二氧化碳(co2)能强烈吸收某些波长范围的红外辐射，即地面物体发出的某些波长的电磁波，只有一部分能够通过大气层被遥感卫星接收下图为水和二氧化碳对某一波段不同波长电磁波的吸收情况，由图可知，在该波段红外遥感大致能够接收到的波长范围是()a2535 m b445 mc57 m d813 m解析：选d从两幅图中可以看出，水和二氧化碳对2535 m范围内的波吸收都很强烈，二氧化碳对445 m范围内的波吸收比较强烈，水对57 m范围内的波吸收比较强烈，只有813 m范围内的波、水和二氧化碳对它基本都不吸收，故这部分波长的电磁波能够被遥感探测到5如图所示是一个测定液面高度的传感器，在导线心的外面涂上一层绝缘物质，放在导电液体中，导电心和导电液构成电容器的两极，把这两极接入外电路，当外电路中的电流变化说明电容器值增大时，导电液体的深度h是怎样变化的()a深度h变大 b深度h变小c深度h不变 d无法确定解析：选a电容器的电容与三个因素有关，分别是正对面积、极板间距离和介质的介电常数，在这个传感器中，介质不变化，绝缘层厚度不变化，相当于极板间距离不变化，唯一改变的是正对面积由题意，电容变大就是电容器的正对面积增大了，也就是深度h变大了，选a6为监测某化工厂的污水排放量，技术人员在该厂的排污管末端安装了如图所示的流量计该装置由绝缘材料制成，长、宽、高分别为a、b、c左右两端开口在垂直于上下底面方向加磁感应强度大小为b的匀强磁场，在前后两个内侧面分别固定有金属板作为电极污水充满管口从左向右流经该装置时，电压表将显示两个电极间的电压u若用q表示污水流量(单位时间内排出的污水体积)，下列说法中正确的是()a若污水中正离子较多，则前表面比后表面电势高b若污水中负离子较多，则前表面比后表面电势高c污水中离子浓度越高，电压表的示数将越大d污水流量q与u成正比，与a、b无关解析：选d与霍尔元件工作原理相似，等效为金属杆切割类的问题，根据ubbv，v为污水的流速，b为等效切割的长度，一定要注意这个等效关系，否则就会得出错误的结论根据右手定则可以判断出，无论污水中正离子较多还是污水中负离子较多，总是后表面比前表面电势高，电压表的示数不仅仅与污水中离子浓度有关，还与流速等因素有关由ubbv和qbcv可知qcu/b，污水流量q与u成正比，与a、b无关7压敏电阻的阻值随所受压力的增大而减小，有位同学利用压敏电阻设计了判断小车运动状态的装置，其工作原理如图甲所示，将压敏电阻和一块挡板固定在绝缘小车上，中间放置一个绝缘重球小车向右做直线运动过程中，电流表示数如图乙所示，下列判断正确的是()a从t1到t2时间内，小车做匀速直线运动b从t1到t2时间内，小车做匀加速直线运动c从t2到t3时间内，小车做匀速直线运动d从t2到t3时间内，小车做匀加速直线运动解析：选d当小车有向右的恒定加速度时，球对压敏电阻的压力是恒力，压敏电阻的阻值就保持不变，电路中有恒定的电流，故从乙图可看出，从0到t1，压敏电阻受的压力为恒力(可能为零)，小车可能做匀速运动，也可能做匀加速运动，而从t1到t2时间内，压敏电阻所受压力大于从0到t1时的压力，且越来越大，t2到t3时间内，压敏电阻受恒力且大于从0到t1时的压力，故从t1到t2时间内，小车做加速度越来越大的运动，从t2到t3时间内，小车做匀加速直线运动二、多项选择题8下列关于力传感器的说法正确的是()a力传感器是通过弹簧测力的b力传感器是通过弹簧将力转换为电学量c力传感器是通过电阻应变片测力的d力传感器是通过悬臂梁将力的变化转换为金属应变片的形变并进一步转换成电学量解析：选cd力传感器结构里没有弹簧，它是通过悬臂梁这样一种弹性元件将微小的形变传递到金属应变片这种电阻应变片上，从而将悬臂梁上的应变转换为电阻的变化，这样就把感知的力学量转换成易测易算的电学量9有一种测量人体重的电子秤，其原理图如图中的虚线所示，它主要由三部分构成：踏板、压力传感器r(是一个阻值可随压力大小而变化的电阻器)、显示体重的仪表g(实质是理想电流表)设踏板的质量可忽略不计，已知理想电流表的量程为3 a，电源电动势为12 v，内阻为2 ，电阻r随压力变化的函数式为r30002f(f和r的单位分别是n和)下列说法正确的是()a该秤能测量的最大体重是1 400 nb该秤能测量的最大体重是1 300 nc该秤零刻度线(即踏板空载时的刻度线)应标在电流表g刻度盘0375 a处d该秤零刻度线(即踏板空载时的刻度线)应标在电流表g刻度盘0400 a处解析：选ac当电流表满偏时，电阻rr2 2 由r30002f，代入rmin2 ，得fm1 400 n，即该秤能测量的最大体重是1 400 n当f0时，r30 ，则i a0375 a，所以a、c正确10如图是电饭锅的结构图，如果感温磁体的“居里温度”为103 时，下列说法中正确的是()a常温下感温磁体具有较强的磁性，能自动吸起永磁体，通电加热b当温度超过103 时，感温磁体的磁性较强c饭熟后，水分被大米吸收，锅底的温度会超过103 ，这时开关按钮会跳起d常压下只要锅内有水，锅内的温度就不可能达到103 ，开关按钮就不会自动跳起解析：选cd煮饭时压下开关按钮，感温磁体与永磁体相互吸引结合在一起，触点相接，电路接通，开始加热，故a错误；饭熟后，水分被大米吸收，锅底的温度会升高，当温度上升到“居里温度”(约103 )时，感温磁体失去磁性，在弹簧作用下永磁铁与之分离，开关自动断开，且不能自动复位，故b错误、c正确；电饭锅内有水，水沸腾后，锅内的温度保持在100 不变，低于“居里温度”103 ，电饭锅不能自动断电，只有水烧干后，温度升高到103 才能自动断电，因此用电饭锅来烧水、煲汤不能实现自动控温，d正确三、非选择题11一块n型半导体薄片(称霍尔元件)，其横截面为矩形，体积为bcd，如图所示已知其单位体积内的电子数为n、