2015届高考物理一轮复习考点解析学案：实验11传感器的简单使用（含解析）.pdf

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1、【2015考纲解读】1.能识别各类传感器2.了解传感器的工作原理【重点知识梳理】一、传感器的含义：传感器是指这样一类元件：它能够感受诸如力、温度、光、声、化学成分等非电学量，并能把它们按照一定的规律转换为电压、电流等电学量，或转换为电路的通断。把非电学量转换为电学量以后，就可以很方便地进行测量、传输、处理和控制了。传感器一般由敏感元件、转换器件、转换电路三个部分组成，通过敏感元件获取外界信息并转换成电信号，通过输出部分输出，然后经控制器分析处理。非 电 物 理 一 敏感元件 一 转换器件 一 转换电路 一 电学量常见的传感器有：光学传感器、热学传感器、加速度传感器、力传感器、气敏传感器、超声波

2、传感器、磁敏传感器等。二、常见的传感器元件：（1）光敏电阻：光敏电阻的材料是一种半导体，无光照时，载流子极少，导电性能不好；随着光照的增强，载流子增多，导电性能变好，即光敏电阻值随光照增强而减小。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。它就象人的眼睛，可以看到光线的强弱。（2）金属热电阻金属热电阻的电阻率随温度的升高而增大，用金属丝可以制作温度传感器。它能把温度这个热学量转换为电阻这个电学量。（3）热敏电阻：用半导体材料制成，其电阻随温度变化明显，温度升高电阻减小，如图一1为某一热敏电阻一温度特性曲线。热敏电阻的灵敏度较好。与热敏电阻相比，金属热电阻的化学稳定性好，测温范围大，但

3、灵敏度较差。0图一1（4）电容式位移传感器能够把物体的位移这个力学量转换为电容这个电学量。（5）霍尔元件能够把磁感强度这个磁学量转换为电压这个电学量三、传感器的简单应用1、力电传感器力电传感器主要是利用敏感元件和变阻器把力学信号（位移、速度、加速度等）转化为电学信 号（电压、电流等）的仪器。力电传感器广泛地应用于社会生产、现代科技中，如安装在导弹、飞机、潜艇和宇宙飞船上的惯性导航系统及A B S 防抱死制动系统等。2、热电传感器（温度传感器）热电传感器是利用热敏电阻的阻值会随温度的升高减小（金属热电阻的电阻率随温度的升高而增大）的原理制成的，它能用把温度这个热学量转换为电压这个电学量。如各种家

4、用电器（空调、冰箱、热水器、饮水机等）的温度控制、火警报警器、恒温箱等。3、光电传感器光电传感器中的主要部件是光敏电阻或光电管。光敏电阻：光敏电阻的材料是利半导体，无光照时，载流子极少，导电性能不好；随着光照的增强，载流子增多，导电性能变好，光敏电阻的阻值随光照强度的增大而减小的。光敏电阻能够把光强度这个光学量转换为电阻这个电学量。它就象人的眼睛，可以看到光线的强弱。自动冲水机、路灯的控制、鼠标器、光电计数器、烟雾报警器等都是利用了光电传感器的原理。4、磁电传感器霍尔元件的应用霍尔元件能够把磁感强度（磁学量）转换为电压（电学量）。霍尔元件：如图一2所示，在一个很小的矩形半导体薄片上，制作四个电

5、极C、D、E、F,就制成为一个霍尔元件。霍尔电压：UH=k 其中k为比例系数，称为霍尔系数，其大小d与薄片的材料有关。一个霍尔元件的厚度、比例系数上为定值，再保持/恒定，则电压UH的变化就与B 成正比，因此，霍尔元件又称磁敏元件。图一2霍尔效应的原理：外部磁场使运动的载流子受到洛仑兹力，在导体板的一侧聚集，在导体板的另侧会出现多余的另一种电荷，从而形成横向的电场；横向电场对电子施加与洛仑兹力相反的静电力，当静电力与洛仑兹力达到平衡时，导体板两侧会形成稳定的电压.设图中C D方向长度为人，则：q=qvB根据电流的微观解释l=nqSv,整理后，得：5=-令k=,因为 为材料单位体积的带电粒子个数，

6、q为单nqd nq个带电粒子的电荷量，它们均为常数，所以有：UH=k”d【高频考点突破】考点一、电阻传感器的应用【例1】热敏电阻是传感电路中常用的电子元件，现用伏安法研究电阻在不同温度下的伏安特性曲线，要求特性曲线尽可能完整.已知常温下待测热敏电阻的阻值约4 c5 Q将热敏电阻和温度计插入带塞的保温杯中，杯内有一定量的冷水，其他备用的仪表和器具有：盛有热水的热水瓶(图中未画出)、电源(3 V、内阻可忽略)、直流电流表(内阻约1 C)、直流电压表(内阻约5kC)、滑动变阻器(020 C)、开关、导线若干.(b)(a)(1)在图(a)中画出实验电路图.(2)根据电路图，在图(b)所示的实物图上连线

7、.(3)简要写出完成接线后的主要实验步骤.【解析】常温下待测热敏电阻的阻值 约4。：较小，应该选用安培表外接法.热敏电限的阻值随温度的升高而减小，热敷电阻两端的电压由零逐渐噌大，滑动变阻器选用分压式.实嗡电路如图所示.二根据电路图，科网连1买物图如7图所示.完成接线后的主要实嗡步骤：往保温杯里加一些林.水，待温巴计稳定时读出温度计值；调节滑动变阻器，快速测出几组电压表和电流表的值；重复和，测壁不同温度下的数据；绘出各测量温度下的热敏电阻的伏安特性曲线.考点二、力传感器的应用 例 2 某学生为了测量一物体的质量，找到一个力电转换器，该转换器的输出电压正比于受压面的压力(比例系数为k).如图所示，

8、测量时先调节输入端的电压，使转换器空载时的输出电压为0：而后在其受压面上放一物体，即可测得与物体的质量成正比的输出电压U.现有下列器材：力电转换器、质量为机 的祛码、电压表、滑动变阻器、干电池各一个，电键及导线若干，待测物体(可置于力电转换器的受压面上).受压面(1)设计一个电路，要求力电转换器的输入电压可调，并且使电压的调节范围尽可能大，画出完整的测量电路图；(2)简要说明测量步骤，求出比例系数A,并测出待测物体的质量九【解析】本题是传感器的应用问题，考查学生的实验与探究能力，完成简单的实验设计，力电转换器虽然是一个全新的仪器，但它与其他所有的法照仪器一样，有它们的共性，即需要有一个“调零”

9、的过程.仔细审题，题目中有很多重要的暗示，挖掘泞士信息即是戏，可决问题的关键.“测量时先调节输入端的电压，使转换器空载时的输出电压为备而后在其二 一欣一物体,尔可测得与物体的质量成正比的输出电压匚”、“该转换器的输出电压正比于受压面的吃力:比例系数为;0 ，所以输出电压二一;题目要求“力电转换器的输入电压可调，并且使电压的调节范围尽可能大”，这就暗示我们滑动变阻器必须使用分压式，有 设计电路才可以进行测量步骤.设计电路如图所示.；二测量步骤如下：调节滑动变阻器，使转换器&丁俞出电压为零；将质量为g 的底码放在转换器的受压面上，记下输出电压L：;将待测物体放在转换器RN压 面 上.K下输出。压

10、二；因 为1：=；M：g、=所以可求说=；.”：二1 ：.考点三、实验创新设计【例3】为了节能和环保，一些公共场所使用光控开关控制照明系统.光控开关可采用光敏电阻来控制，光敏电阻是阻值随着光的照度而发生变化的元件(照度可以反映光的强弱，光越强照度越大，照度单位为l x).某光敏电阻阵 在不同照度下的阻值如下表：照度(1 X)0.20.40.60.81.01.2电阻(k C)7 54 02823201 8(1)根据表中数据，请在下图给定的坐标系中描绘出阻值随照度变化的曲线，并说明阻值随照度变化的特点.电 阻/kQ（2）如图所示，当 1、2 两端所加电压上升至2 V 时，控制开关自动启动照明系统.

11、请利用下列器材设计一个简单电路，给 1、2 两端提供电压，要求当天色渐喑照度降低至l.O（lx）时启动照明系统，在虚线框内完成电路原理图.（不考虑控制开关对所设计电路的影响）提供的器材如下：光敏电阻RP（符号阻值见上表）；直流电源E（电动势3 V,内阻不计）；定值电阻：品=10kC,&=2 0 k d&=4 0 g（限选其中之一并在图中标出）开关S及导线若干.【解析】：n 光敏申匕的限值竺兀照变化，曲线如图所示.特点：光敏电阻的阻色趋光照弼支的噌+N 或性激小.8070605040302010电阻/kQ学科刖（2）根据串联电阻的正比分压关系，E=：3当照工降低至L J l x 时，其电压升至2

12、 V,由图线知，此时光U.R.R.敏电阻凡=20 k Q,a=2 V,串联电阻分工u-=l v由；-c=2 得：L=1 0 k Q,故选定值电阻正，电路原理图如图所示.【当堂巩固】1.许多楼道照明灯具有这样的功能：天黑时，出现声音它就开启；而白天，即使有声音它也没有反应，它的控制电路中接入了哪些传感器（）A.温度传感器 B.光传感器C.声音传感器 D.热传感器答案：BC2.用遥控器调换电视机频道的过程，实际上就是传感器把光信号转化为电信号的过程，卜 列属于这类传感器的是（）A.红外线报警装置B.走廊照明灯的声控开关C.自动洗衣机中的压力传感器D.电饭煲中控制加热和保温的温控器解析：选 A.遥控

13、器是利用红外线传输信号的，故只有A 选项正确.3.如 图 103 11所示的电路中，当半导体材料做成的热敏电阻浸泡到热水中时，电流表示数增大，则说明（）A.热敏电阻在温度越高时,B.热敏电阻在温度越高时,C.半导体材料温度升高时,D.半导体材料温度升高时,图 10-3-11电阻越大电阻越小导电性能变差导电性能变好解析：选 BD.由于电流增大，说明热敏电阻的阻值随温度的升高而减小，即导电性能变好，故B、D 正确.4.美国科学家Willard S.Boyle与 George E.Smith因电荷耦合器件（CCD）的重要发明荣获2009年度诺贝尔物理学奖.CC D 是将光学量转变成电学量的传感器.下

14、列器件可作为传感器的有（）A.发光二极管 B.热敏电阻C.霍尔元件 D.干电池解析：选 3c.传感器是指能够感受诸如力、温度、光、声、化学成分等非电学量，并把它们按照一定的规律转换为电压、电流等电学里的元件.发光二极管是电学元件，是电能转换成光能的元件，不是传感器，A 错误；干电池是一种电源，不是传卢.3,3 错误/.轨电阻受热时，其电限会发生变化，能把热学量转换成电学量，是传感器，3 正确；霍 尔 元/N.；匚威感应强度匕个非电学量转换成电压这个电学量，是传感器，C 正确.5 如 图 103 12所示的电路中，电源两端的电压恒定，L 为小灯泡，R 为光敏电阻，LED为发光二极管（电流越大，发

15、出的光越强），且 R 与 LED间距不变，下列说法中正确的是（）A.当滑动触头尸向左移动时，L 消耗的功率增大B.当滑动触头P 向左移动时，L 消耗的功率减小C.当滑动触头P 向右移动时，L 消耗的功率可能不变D.无论怎样移动触头P,L 消耗的功率都不变解析：选 R.触 头？左移，二 三：）中电流生大，发光变强，丑的电阻变小，则二中的电流变大，功率变大，A正确，3 错误；触 头 F 右移，二 三 D 中电流叱小，发 光 空 的电限变大，则二中的电流变小，功率变小，故 C、D 错误.6.如图所示，是一个测定液面高度的传感器，在导线芯的外面涂上一层绝缘物质，放在导电液体中，导线芯和导电液体构成电容

16、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值增大时，则导电液体的深度人变化为（）A.力增大B.减小C./z不变 D.无法确定解析：导线芯与导电液构成电容器的两极 大似于产 丁板电厂餐的两极，当液面高度发生变化时相当于正对面积发生变化，会引起电容的变化，与平行板电容器类 二,口，导电液体深度；：噜大时，导线芯和导电液体正对面积增大，电容器的电容值变;、.答案：A7.如图所示的电路中，当半导体材料做成的热敏电阻浸泡到热水中时，电流表示数增大，则说A.热敏电阻在温度越高时，电阻越大B.热敏电阻在温度越高时，电阻越小C.半导体材料温度升高时，导电性能变差D.半导体材料温度升高时，导电性

17、能变好解析：电流表的示数增大，说明电路中对电流增大，电阻减小，所以这个热敏电阻的电阻率是随温度的升高而减小的；电阻率减小，电阻值在其他2 4不变时减.各电性能变好，故选项3、。正确.答案：3D8.一台臭氧发生器P的电阻为10 kQ,当供电电压等于24 V时能正常工作，否则不产生臭氧.现要用这种臭氧发生器制成自动消毒装置，要求它在有光照时能产生臭氧，在黑暗时不产生臭氧，拟用一个光敏电阻4对它进行控制，R的阻值在有光照时为100。、黑暗时为1 000 C、允许通过的最大电流为3 mA；电源E的电压为36 V、内阻不计；另有一个滑动变阻器R?，阻值为0 C100。、允许通过的最大电流为0.4 A；一

18、个开关S和导线若干.臭氧发生器P和光敏电阻R的符号如图所示.Ri设计个满足上述要求的电路图，图中各元件要标上字母代号，其中滑动变阻器两固定接线柱端分别标上字母A、8（电路图画在方框内）.解析：为了能控制臭氧发生器，应该使用力切变阴尹1 的分压式正接，有光照时?能正常工作，无光照时?不工作.电路如下：I0-1-1_L,_ 二一|i-1E答案：见解析图9.如图所示，一热敏电阻刈 放在控温容器M 内：0为毫安表，量程6 mA,内阻为数十欧姆：E为直流电源，电动势约为3 V,内阻很小；R为电阻箱，最大阻值为999.9。；S为开关.已知 心 在 95 C 时的阻值为1 5 0 C,在 2 0 C 时的阻

19、值约为5 5 0 Q 现要求在降温过程中测量在95 2 0 之间的多个温度下即 的阻值.(1)在图中画出连线，完成实验原理电路图.(2)完成下列实验步骤中的填空：依照实验原理电路图连线.调节控温容器M内的温度，使得R1的温度为9 5 .将电阻箱调到适当的初值，以保证仪器安全.闭合开关，调节电阻箱，记 录 电 流 表 的 示 数 并 记 录.将 心 的温度降为TK 20 7,Q+三：*）改变处的温度为7,调节电阻箱，使得电流表的读数仍为J；,记录电阻箱的读数.?；,则 三=：;立+五+，】解得三二=J?：-?+l W Q.答案：实嗡原理电路图如图所示.匚，电阻箱的读数为 仍为上电阻茨二J 读数了

20、+15 0 Q10.温度传感器广泛应用于室内空调、电冰箱等家用电器中，它是利用热敏电阻的阻值随温度变化的特性工作的.如图甲所示，电源的电动势E=9.0 V,内电阻不计；G为灵敏电流计,内阻隼保持不变；R 为热敏电阻，其电阻值与温度的变化关系如图乙所示.闭合开关S,当R的温度等于20 时，电流表示数八=2 mA时，当电流表的示数/2=3.6 mA时，热敏电阻的温度是.甲解析：从图乙查得：h.：）c时，二的阻便工4 g由 三=:：i-?+2）得：&=一 三=各 k Q-4=：i.?kQ当 I：=3.6 m A 时，位热敏电跃,力直为.3贝 IJN =g-n i l=2 kQli s 工 6从图乙查

21、得此时而泣的温度：_=1少C.答案：12011.如图所示，图甲为热敏电阻的R-f 图象，图乙为用此热敏电阻R 和继电器组成的一个简单恒温箱温控电路，继电器的电阻为100 Q 当线圈的电流大于或等于20 mA时，继电器的衔铁被吸合.为继电器线圈供电的电池的电动势E=9.0 V,内阻可以不计.图乙中的“电源”是恒温箱加热器的电源.问:(1)应 该 把 恒 温 箱 内 的 加 热 器 接 在(填“4、8端”或“C、。端”).(2)如果要使恒温箱内的温度保持在50 ,可变电阻的阻值应调节为 Q解析：恒温箱内的加热器应接在.八3端.当线圈中的电流较小叱，继电器的衔铁在上方，恒温箱的加热器处于工作状态，恒

22、温箱内温度升高.随着恒温箱内温度升高，热敏电阻,?的限值变小，则线圈中的电流变大，当线圈的电流大于或等于MmA时 沦器的衔铁被吸到下方来，则恒温箱加热器与电源断开,加热器停止工作，恒温箱内温度降低.随着B温箱内 三度降fR蛆敏电阻R的阻值变大，则线圈中的电流变小，当线圈的电流小于二口 mA时，继电器的衔铁又被释旃门上方，则恒温箱加热器又开始工作，这样就可以使恒温箱内保持在某一温度.要使仁向箱内的泪可分在50 C,即53 C时线圈内的电流为20 t r由闭合电路欧姆定律：=5一 为继电器白,出.由题图甲可知，w c时热敏电阻的限值为篁他 所以R=W-j?6：g答案：.、3端.2)26012.一台

23、臭氧发生器P的电阻为10 kQ,当供电电压等于24 V时能正常工作，否则不产生臭氧.现要用这种臭氧发生器制成自动消毒装置，要求它在有光照时能产生臭氧，在黑暗时不产生臭氧，拟用一个光敏电阻/?1对它进行控制，品 的阻值在有光照时为100。、黑暗时为1000。、允许通过的最大电流为3 mA；电源E的电压为36 V、内阻不计；另有一个滑动变阻器必，阻值为。100。、允许通过的最大电流为0.4 A；一个开关S和导线若干.-Ri图 10-3-13臭氧发生器尸和光敏电阻用的符号如图103 13所示.设计一个满足上述要求的电路图，图中各元件要标上字母代号，其中滑动变阻器两固定接线柱端分别标上字母A、B(电路

24、图画在方框内).解析：为了能控制臭氧发生器，应该使田二动变阻力的分压匕庄接，有光照时F 能正常工作，无光照时F不工作，电路如下：L 一S E答案：见解析图13.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10314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IxlO7 P a,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

25、通电源后，压力传感器两端的电压恒为4.8 V,g 取 10 Ms?.请回答：压力传肆号.压杆踏板图 1 0-3-1 4（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 m A,这个人的体重是 kg.压力F/N0250500750100012501500电阻R/C300270240210180150120解析：由图表知，踏板空载时，压力传感器电阻K=3 0 0 Q,此时A 中电流/=与=磊 A=1.6X10-2A.(2)当电流/=20迪=2010 3人时，压力传感器的电阻/2UX1U 1=240 C,对应表格中，这个人的质

26、量为50 kg.答案：1.6xl0(2)5014.m 1 0-3-1 5,一热敏电阻心 放在控温容器用 内；A 为毫安表，量程6 m A,内阻为数卜欧姆；E 为直流电源，电动势约为3 V,内阻很小；R 为电阻箱，最大阻值为999.9。：S 为开 关.已 知RT在95 时的阻值为150 C,在 20 时的阻值约为550 Q 现要求在降温过程中测量在95 20 之间的多个温度下段的阻值.图 1 0-3-1 5(1)在图中画出连线，完成实验原理电路图.(2)完成下列实验步骤中的填空：依照实验原理电路图连线.调节控温容器M内的温度，使得%的温度为95.将电阻箱调到适当的初值，以保证仪器安全.闭合开关，

27、调节电阻箱，记录电流表的示数/。，并记录.将RT的温度降为八(20 T,95 C)；调节电阻箱，使 得 电 流 表 的 读 数,记录温度为A 时热敏电阻的电阻值RT产逐步降低4 的数值，直至20 C 为止；在每一温度下重复步骤.解析：1 1 实验原理电路图，如图所示.二要求出在不同温度下上的限值，在闭合申路中读出电衿三J示数，然后记录电阻箱的读数三:，由闭合电路欧姆定律有：学科掰E f 氏+R：+r）f（13。+元+凶）改变方的温度为二，调节电阻箱，使得叱血表的读的洸为：:，巨泉电阻箱的读数3,则有:三=1：三二+2+，】解得殳二=五一2+1礼 Q.答案：（D见 解 析（2）电阻箱的读数而 仍为/。电阻箱的读数而 用+1 5 0。