高中物理选修2步步高同步讲义 第五章 1 认识传感器 2 常见传感器的工作原理及应用

1认识传感器2常见传感器的工作原理及应用第五章传感器【学习目标】1.知道什么是传感器，了解传感器的种类.2.知道传感器的组成与应用模式.3.知道光敏电阻、金属热电阻、热敏电阻、电阻应变片的工

作原理及应用.【内容索引】梳理教材夯实基础探究重点提升素养随堂演练逐点落实课时对点练SHULIJIAOCAI

HANGSHIJICHU梳理教材夯实基础1一、传感器及其工作原理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，并能把它们按照一定的规律转换为便于传送和处理的可用信号输出.通常转换成的可用信号是电压、电流等

量，或转换为电路的

.2.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、

、处理和

.3.传感器的组成：传感器的基本部分一般由

、

组成.电学通断传输控制敏感元件转换元件4.传感器应用的一般模式二、光敏电阻光敏电阻在被光照射时

发生变化，光敏电阻能够把光照强弱这个光学量转换为

这个电学量.三、金属热电阻和热敏电阻1.金属热电阻：金属的电阻率随温度的

而增大，利用这一特性，金属丝可以制作

传感器，称为热电阻.2.热敏电阻：用

材料制成，氧化锰制成的热敏电阻的阻值随温度的升高而

.电阻电阻升高温度半导体减小四、电阻应变片1.电阻应变效应：金属导体在外力作用下发生机械形变时，其电阻也随之变化的现象.2.电阻应变片：电阻应变片有金属电阻应变片和

，半导体电阻应变片的工作原理是基于半导体材料的

.3.电阻应变片能够把物体形变这个力学量转换为

这个电学量.半导体电阻应变片压阻效应电阻判断下列说法的正误.(1)传感器可以把非电学量转化为电学量.(

)(2)光敏电阻的阻值随光照的强弱而变化，光照越强电阻越大.(

)(3)热敏电阻一般用半导体材料制作，导电能力随温度的升高而增强，但灵敏度低.(

)(4)电阻应变片能够把物体的形变情况转变为电阻的变化.(

)即学即用×√×√返回TANJIUZHONGDIAN

TISHENGSUYANG探究重点提升素养2导学探究一、传感器干簧管结构：如图1甲所示，玻璃管内封入了两个软磁性材料制成的簧片，接入图乙电路，当条形磁体靠近干簧管时：图1(1)会发生什么现象，为什么？答案

灯泡会亮，因为当条形磁体靠近干簧管时，两个簧片被磁化而接通.(2)干簧管的作用是什么？答案干簧管起到开关的作用，是一种能够感知磁场的传感器.知识深化1.传感器的核心元件(1)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：是传感器中能将敏感元件输出的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.传感器的工作原理传感器感受的通常是非电学量，如压力、温度、位移、浓度、速度、酸碱度等，而它输出的通常是电学量，如电压、电流、电荷量等.这些输出信号是非常微弱的，通常要经过放大后再输送给控制系统产生各种控制动作.传感器的工作原理如下所示：例1关于传感器，下列说法正确的是A.所有传感器都是由半导体材料制成的B.金属材料也可以制成传感器C.传感器主要是通过感知电压的变化来传递信号的D.水银温度计是一种传感器√解析传感器材料分为半导体材料、陶瓷材料、金属材料和有机材料等，A错误，B正确；传感器是通过非电学量转换成电学量来传递信号的，C错误；水银温度计根据热胀冷缩来测量温度，不是传感器，D错误.例2许多办公楼及宿舍楼的楼梯上的电灯白天不亮，到了晚上能够自动做到“人来即亮，人走即灭”，其神奇功能在于控制灯的“开关”传感器，下列有关该传感器的说法正确的是A.该传感器能够测量的物理量是位移和温度B.该传感器能够测量的物理量是位移和光强C.该传感器能够测量的物理量是光强和声音D.该传感器能够测量的物理量是压力和位移√解析楼道中安装了自动灯光控制系统，白天灯不亮与光传感器有关；晚上有人经过时，灯自动亮起来，与声音有关，是声传感器，所以该传感器能够测量的物理量是光强和声音，C正确.导学探究二、光敏电阻在工厂生产车间的生产线上安装计数器后，就可以准确得知生产产品的数量，如图2所示为光敏电阻自动计数器的示意图，其中R1为光敏电阻，R2为定值电阻.此光电计数器的基本工作原理是什么？图2答案当光被产品挡住时，R1电阻增大，电路中电流减小，R2两端电压减小，信号处理系统得到低电压，每通过一个产品就获得一次低电压，并计数一次.知识深化1.光敏电阻一般由半导体材料制成，当半导体材料受到光照时，载流子增多，导电性能明显增强，光敏电阻把光照的强弱转换为电阻的大小.2.光敏电阻的阻值随光照强度的增强而明显减小.它能够把光照强弱这个光学量转换为电阻这个电学量.例3

(多选)如图3所示，R1、R2为定值电阻，L为小灯泡，R3为光敏电阻，当入射光强度增大时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√√√图3解析当入射光强度增大时，R3阻值减小，外电路总电阻随R3的减小而减小，由闭合电路欧姆定律知，干路电流增大，R1两端电压增大，电压表的示数增大，同时内电压增大，故电路的路端电压减小，A项正确，D项错误；因路端电压减小，且R1两端电压增大，故R2两端电压必减小，则R2中电流减小，B项正确；因干路电流增大，且R2中电流减小，知流过小灯泡的电流必增大，故小灯泡的功率增大，C项正确.导学探究三、金属热电阻和热敏电阻如图4所示，将多用电表的选择开关置于欧姆挡，再将多用电表的两支表笔与负温度系数的热敏电阻RT(温度升高，电阻减小)的两端相连，这时表针恰好指在刻度盘的正中央.若在RT上擦一些酒精，多用电表指针将如何偏转？若用吹风机将热风吹向热敏电阻，多用电表指针将如何偏转？图4答案由于酒精挥发，热敏电阻RT温度降低，电阻值增大，多用电表指针将向左偏；用吹风机将热风吹向热敏电阻，热敏电阻RT温度升高，电阻值减小，多用电表指针将向右偏.知识深化1.金属热电阻：金属导体的电阻随温度的升高而增大，如图5图线①所示.2.热敏电阻(1)热敏电阻指用半导体材料制成，电阻值随温度变化发生明显变化的电阻.如图5图线②所示为某热敏电阻的电阻—温度特性曲线.(2)热敏电阻分正温度系数热敏电阻和负温度系数热敏电阻两类，电阻值随温度升高而增大的是正温度系数(PTC)热敏电阻；电阻值随温度升高而减小的是负温度系数(NTC)热敏电阻.常用的是负温度系数热敏电阻.图5例4

(多选)在温控电路中，通过热敏电阻阻值随温度的变化可实现对电路相关物理量的控制.如图6所示电路，R1为定值电阻，R2为半导体热敏电阻(温度越高，电阻越小)，C为电容器.当环境温度降低时A.电容器C的带电荷量增大B.理想电压表的读数增大C.电容器C两板间的电场强度减小D.R1消耗的功率增大√√图6由P1＝I2R1可知，R1消耗的功率P1变小，D错误；导学探究四、电阻应变片如图7所示是一个应变式力传感器，弹簧钢制成的梁形元件右端固定，在梁的上下表面各贴一个应变片.结合力传感器的特点，叙述它的工作原理.图7答案在梁的自由端施力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.力F越大，弯曲形变越大，应变片的电阻变化就越大.如果让应变片中通过的电流保持恒定，那么上表面应变片两端的电压变大，下表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.力F越大，输出的电压差值也就越大.例5

有一种测量人体重的电子秤，其原理图如图8所示.它主要由三部分构成：踏板和压力杠杆ABO、压力传感器R(一个阻值可随压力大小而变化的电阻器)、显示体重的仪表

(其实质是电流表).其中AO∶BO＝5∶1.已知压力传感器的电阻与其所受压力的关系如下表所示：图8踏板的杠杆组件的质量不计，接通电源后，压力传感器两端电压恒为4.68V，则：压力F/N050100150200250300…电阻R/Ω300270240210180150120…(1)利用表中数据归纳出电阻R随压力F变化的函数关系式；压力F/N050100150200250300…电阻R/Ω300270240210180150120…答案

R＝300－0.6F

解析由表中数据可归纳得出：R＝300－0.6F.(2)该秤零刻度线(即踏板空载时的刻度线)应标在电流表刻度盘多少毫安处？压力F/N050100150200250300…电阻R/Ω300270240210180150120…答案

15.6mA

解析依题意可知，电子秤空载时压力传感器受到的压力为零，电阻R1＝300Ω，电路中的电流为I1＝

＝15.6mA，所以该秤零刻度线应标在电流表刻度盘的15.6mA处.(3)如果某人站在踏板上，电流表刻度盘示数为20mA，这个人的体重是多少？(取g＝10N/kg)压力F/N050100150200250300…电阻R/Ω300270240210180150120…答案

55kg由R＝300－0.6F，解得F2＝110N.再由F2·AO＝G·BO，可得G＝550N.压力F/N050100150200250300…电阻R/Ω300270240210180150120…返回SUITANGYANLIAN

ZHUDIANLUOSHI随堂演练逐点落实31.(对传感器的理解)关于传感器工作的一般流程，下列说法正确的是A.非电信息→敏感元件→处理电路→电信息B.电信息→处理电路→敏感元件→非电信息C.非电信息→敏感元件→电信息→处理电路D.非电信息→处理电路→敏感元件→电信息√12342.(光敏电阻的应用)(2020·海南海口四中高二上期中)如图9所示，电源的电动势为E，内阻为r，R1为光敏电阻，光照强度增大时，其阻值减小.现增加光照强度，则下列判断正确的是A.B灯变暗，A灯变亮

B.R2两端的电压变大C.B灯变亮，A灯变暗

D.电源的总功率变小1234√图9解析增加光照强度时，R1的阻值减小，电路的总电阻减小.根据闭合电路的欧姆定律可知，电路中的总电流增大，电源的总功率增大，路端电压减小，A灯变暗，A中的电流变小，则R2的电流变大，R2两端的电压变大，R1两端的电压变小，B灯变暗，选项B正确，A、C、D错误.12343.(热敏电阻的应用)(多选)如图10所示，R1为定值电阻，R2是正温度系数的热敏电阻(即温度越高，电阻值越大)，L为小灯泡，当温度下降时A.理想电流表的示数增大

B.R1两端的电压增大C.小灯泡变亮

D.小灯泡变暗图10√√√解析当温度下降时，R2减小，外电路的总电阻减小，总电流增大，路端电压减小，电流表测量总电流，则知其示数增大，选项A正确；总电流增大，则R1两端的电压增大，而路端电压减小，所以灯泡两端的电压减小，灯泡变暗，选项B、D正确，C错误.12344.(电阻应变片、力传感器的应用)压敏电阻的阻值随所受压力的增大而减小，有位同学设计了利用压敏电阻判断竖直升降机运动状态的装置，其工作原理图如图11甲所示，将压敏电阻固定在升降机底板上，其上放置一个物块，在升降机运动的过程中，电流表示数如图乙所示，已知升降机静止时电流表的示数为I1.下列判断正确的是A.0到t1时间内，升降机一定静止B.t1到t2时间内，升降机可能做匀

加速直线运动C.t1到t2时间内，升降机运动时的

加速度在变化D.t2到t3时间内，升降机可能向下匀速运动1234图11√返回KESHIDUIDIANLIAN课时对点练4考点一传感器及其工作原理1.(多选)下列说法正确的是A.传感器担负着信息采集的任务B.干簧管是一种能够感知磁场的传感器C.电视遥控接收器的主要元件不是传感器D.传感器是把力、温度、光、声、化学成分等被测量转换为电信号的主

要工具基础对点练12345678910111213√√√解析传感器的任务就是采集信息，选项A正确；干簧管的主要构造是由平时不接触的两个极易被磁化的软磁性材料组成的，它们靠近磁场时被磁化后相互吸引而接触，选项B正确；电视遥控接收器中使用了红外线传感器，选项C错误；由传感器的定义知，选项D正确.123456789101112132.(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号转换为电学量D.传感器可以将所有感受到的信号都转换为电学量√12345678910111213√解析通常的传感器是通过将非电学量转换成电学量来传递信号的，一般不直接用来进行自动控制，选项A错误；由于通常的传感器可将非电学量转换成电学量，因此传感器可以用来采集信息，选项B正确；传感器可以将感受到的一些信号转换为电学量，但并不是将所有感受到的信号都转换为电学量，选项C正确，D错误.12345678910111213考点二常见传感器及其应用3.如图1所示，是电容式话筒的示意图，它是利用电容制成的传感器，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，从而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.电介质变化 D.电压变化√12345678910111213图1解析振动膜前后振动，使振动膜上的金属层与金属板间的距离发生变化，从而将声音信号转化为电信号，故A正确.123456789101112134.(2020·徐州市期末)在公共场所装有自动干手机，洗手后将湿手靠近，机内的传感器就会开通电热器加热，喷出热空气将手烘干.自动干手机使用的传感器应该是A.磁传感器 B.红外线传感器C.力传感器 D.声传感器√12345678910111213解析手靠近干手机时，红外线传感器通过接收身体表面辐射出来的红外线来启动加热装置工作，属于红外线传感器，故B正确，A、C、D错误.5.(多选)电容式传感器是将非电信号转换为电信号的装置.由于电容器的电容C取决于极板正对面积S、极板间距离d以及极板间的电介质这几个因素，当某一物理量发生变化时就能引起上述某个因素的变化，从而引起电容的变化，如图2所示是四个电容式传感器的示意图，关于这四个传感器的作用，12345678910111213图2下列说法正确的是A.甲图的传感器可以用来测量角度B.乙图的传感器可以用来测量液面的高度C.丙图的传感器可以用来测量压力D.丁图的传感器只能用来测量速度12345678910111213√√√6.(多选)如图3为电阻R随温度T变化的图线.下列说法中正确的是A.图线1是热敏电阻的图线，它是用金属材料制成的B.图线2是热敏电阻的图线，它是用半导体材料制成的C.图线1对应的材料化学稳定性好、测温范围大、灵

敏度高D.图线2对应的材料化学稳定性差、测温范围小、灵

敏度高12345678910111213图3√√12345678910111213解析金属热电阻的阻值随温度升高而增大，负温度系数半导体材料制成的热敏电阻的阻值随温度升高而减小，故A错误，B正确；图线1对应的材料化学稳定性好、测温范围大，但灵敏度低，图线2对应的材料化学稳定性差、测温范围小，但灵敏度高，故C错误，D正确.7.如图4所示是一火警报警器的部分电路示意图，其中R2为用半导体热敏材料制成的传感器(温度越高，其阻值越小)，电流表为值班室内的显示器，a、b之间接报警器.当传感器R2所在处出现火情时，流过显示器的电流I2、报警器两端的电压U的变化情况是A.I2变大，U变大

B.I2变小，U变小C.I2变小，U变大

D.I2变大，U变小√12345678910111213图4解析当传感器R2所在处出现火情时，R2的阻值减小，则外电路总电阻减小，由闭合电路欧姆定律可知，电路中总电流将增大，由U＝E－Ir可知，路端电压减小，即报警器两端的电压U将减小；12345678910111213因总电流I增大，则R1两端的电压增大，并联部分的电压减小，则可知流过R3的电流I3减小，流过R2的电流I2＝I－I3变大，选项A、B、C错误，D正确.8.(2021·龙岩市漳平一中月考)如图5是安装在潜水器上深度表的电路简图，显示器由电流表(电阻不计)改装而成，压力传感器的电阻随压力的增大而减小，电源电动势不变，内阻为r，定值电阻阻值为R0，在潜水器下潜过程中，电路中有关物理量的变化情况是A.通过显示器的电流减小B.R0两端的电压增大C.传感器两端的电压增大D.电路的总功率减小√12345678910111213图512345678910111213R0两端的电压U＝IR0，电路中的电流增大，则U增大，故B正确；传感器两端的电压U传＝E－I(R0＋r)，由于I增大，E、R0、r都不变，则传感器两端的电压减小，故C错误；由P＝EI可知，电路的总功率增大，故D错误.9.(多选)利用光敏电阻制作的光传感器，记录了传送带上工件的输送情况，如图6甲所示为某工厂成品包装车间的光传感记录器，光传感器B能接收到发光元件A发出的光，每当工件挡住A发出的光时，光传感器输出一个电信号，并在屏幕上显示出电信号与时间的关系，如图乙所示.若传送带始终匀速运动，每两个工件间的距离为0.2m，图6能力综合练12345678910111213则下述说法正确的是A.传送带运动的速度是0.1m/sB.传送带运动的速度是0.2m/sC.该传送带每小时输送3600个工件D.该传送带每小时输送7200个工件12345678910111213√√解析由题图乙可知，每隔1s记录一个工件，因此传送带运动的速度是0.2m/s，进而可知，每小时该传送带输送3600个工件，故选项B、C正确.1234567891011121310.压敏电阻的阻值随所受压力的增大而减小.有一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7甲所示.将压敏电阻和一块挡板固定在水平光滑绝缘小车上，中间放置一个绝缘重球.小车在水平面内向右做直线运动的过程中，电流表示数如图乙所示，0～t1时间内小车向右做匀速直线运动，12345678910111213图7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12345678910111213√12345678910111213解析分析题图乙中电流随时间的变化关系可以得出，在t1～t2时间内，电流增大，表明题图甲中压敏电阻的阻值逐渐减小，即压敏电阻受到的压力逐渐增大，所以可判断小车在向右做加速度逐渐增大的加速运动；在t2～t3时间内，电流在较大数值上保持恒定，说明电阻保持一个较小值，即受到的压力保持恒定，说明小车在向右做匀加速直线运动，故选项D正确.

11.(2020·重庆市育才中学期中)霍尔元件是一种磁传感器，是实际生活中的重要元件之一.如图8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，在空间加一竖直向