高考物理实验专题系列《传感器》.docx

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高考物理实验专题系列《传感器》

※概述

“传感器”作为信息采集的重要元件，在自动控制、信息处理等技术中发挥着重要的作用，是高中物理的重要章节，是电磁学的基础内容，也是高考的热点内容之一。

从近年高考命题来看，试题越来越贴近物理知识的实际应用。

而近几年关于传感器的高考题也越来越多。

这类试题一方面检测了考生联想、迁移、分析、综合等能力，另一方面也可使考生明白高新科学技术并非空中楼阁，神奇非.

※知识梳理

（一）※考纲解读

考纲内容

要求

名师解读

传感器

Ⅰ

1.考纲提示：

知道什么是传感器；知道什么是光敏电阻、热敏电阻、金属热电阻以及霍尔效应；知道传感器的工作原理。

了解传感器应用的一般模式； 会用各类传感器（力传感器、声传感器、温度传感器等）；理解应变式力传感器的应用――电子秤的工作原理。

2.本节命题的热点：

传感器的应用。

（二）基础巩固

1．传感器是把物理量（如位移、速度、压力、温度、湿度、流量、声强、光照度等）转换成易于测量、传输、处理的量（如电压、电流、电容等）或电路的通断的一种组件。

起自动控制作用。

2．力电传感器主要是利用敏感元件和变阻器把学信号（位移、速度、加速度等）转化为学信号（电压、电流等）的仪器。

3．热电传感器是利用电阻的阻值会随温度的变化而变化的原理制成的，如各种家用电器（空调、冰箱、热水器、饮水机、电饭煲等）的控制、火警报警器、恒温箱等。

4．光电传感器中的主要部件是电阻或管。

如果是光敏电阻的阻值随光照强度的变化而变化的原理制成的。

如自动冲水机、路灯的控制、光电计数器、烟雾报警器等都是利用了光电传感器的原理。

光传感器的应用——鼠标器.

5．声电传感器是指将信号转换为号的一类传感器，常见的电容式话筒和动圈式话筒都是传感器。

声传感器的应用——话筒.

（三）实验探究

 实验与探究：

某同学为了测量一物质的质量，找到一个力电转换器，该转换器的输出电压正比于受压力面的压力（比例系数为K），如图所示，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；而后在其受力面上放一物体，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：

力电转化器、质量为m0的砝码、电压表、滑动变阻器、干电池个一个、电键及导线若干、待测物体（可置于力电转换器的受力面上）．

请完成对物体质量的测量：

（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，在图所示的方框内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K，并测出待测物体的质量m．

（四）重点突破

1．直击考点：

考点1力电传感器

思路与方法：

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ABS防抱死制动系统等。

【例1】如图所示，一条形磁铁置于水平转台上随转台一起作匀变速转动，一磁传感器位于转台边缘。

从而可以获得传感器所在位置的磁感应强度随时间的变化曲线如图。

图中横坐标为时间轴，读数为3秒/每格，纵坐标为磁感应强度。

求：

（1）请类比平均速度的定义方法，定义平均角速度，并求出转台在测量期间的平均角速度；

（2）请类比加速度的定义方法，定义角加速度，并求出转台的角加速度。

考点2热电传感器

思路与方法：

热电传感器是利用热敏电阻的阻值会随温度的变化而变化的原理制成的，如各种家用电器（空调、冰箱、热水器、饮水机、电饭煲等）的温度控制、火警报警器、恒温箱等。

【例2】如图所示是一火警报警器的部分电路示意图，其中R3为用半导体热敏材料制成的传感器，值班室的显示器为电路中的电流表，a、b之间接报警器.当传感器R3所在处出现火情时，显示器的电流I、报警器两端的电压U的变化情况是（）

A．I变大，U变大B。

I变大，U变小

C．I变小，U变小D。

I变小，U变大

考点3光电传感器

思路与方法：

光电传感器中的主要部件是光敏电阻或光电管。

如果是光敏电阻的阻值随光照强度的变化而变化的原理制成的。

如自动冲水机、路灯的控制、光电计数器、烟雾报警器等都是利用了光电传感器的原理。

【例3】如图所示为光敏电阻自动计数器的示意图，其中A是发光仪器，B是传送带上物品，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（）

A.当有光照射R1时，信号处理系统获得高电压

B.当有光照射R1时，信号处理系统获得低电压

C.信号处理系统每获得一次低电压就记数一次

D.信号处理系统每获得一次高电压就记数一次

【解析】光敏电阻自动计数器原理图如上，当传送带上没有物品挡住由A射出的光信号时，光敏电阻阻值变小，由分压规律知供给信号处理系统的电压变低；当传送带上有物品挡住由A射出的光信号时，光敏电阻的阻值变大，供给信号系统的电压变高并记数一次。

这种高低交替变化的信号经过信号处理系统的处理，就会自动将其转化为相应的数字，实现自动计数的功能。

【答案】AD

【例4】如图是电容式话筒的示意图，它是利用电容制作的传感器，话筒的振动膜前面镀有薄薄的金属层，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，导致话筒所在电路中的其它量发生变化，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可能是容器两板间的（）

A.距离变化B.正对面积变化C.介质变化D.电压变化

【解析】由题意对着话筒说话时，振动膜前后振动，则金属层和金属板间距离改变，即电容器两极板间距改变，故导致电容变化的原因可能是容器两极间的距变变化，选A。

【答案】A

【点评】这个声电传感器又可归到电容传感器中。

考点5电容式传感器

思路与方法：

电容器的电容C决定于极板的正对面积S、极板间距离d以及极板间的电介质这几个因素。

如果某一物理量（如角度、位移、深度等）的变化能引起上述某个因素的变化，从而引起电容的变化，则通过测定电容器的电容就可以确定上述物理量的变化，起这种作用的电容器称为电容式传感器。

【例5】如图所示，有的计算机键盘的每一个键下面都连一小块金属片，与该金属片隔有一定空气隙的是另一块小的固定金属片，这两块金属片组成一个小电容器．该电容器的电容C可用公式

计算，式中常量e=9×10-12F·m-1，S表示金属片的正对面积，d表示两金属片间的距离．当键被按下时，此小电容器的电容发生变化，与之相连的电子线路就能检测出哪个键被按下了，从而给出相应的信号．设每个金属片的正对面积为50mm2，键未按下时两金属片的距离为0.6mm．如果电容变化了0.25pF，电子线路恰能检测出必要的信号，则键至少要被按下mm。

考点6电感传感器

思路与方法：

电感式传感器是利用线圈的自感或互感的变化来实现测量或控制的一种装置，一般要利用磁场作为媒介或利用磁体的某些现象。

【例6】一块N型半导体薄片（称霍尔元件），其横载面为矩形，体积为b×c×d，如图所示。

已知其单位体积内的电子数为n、电阻率为ρ、电子电荷量e.将此元件放在匀强磁场中，磁场方向沿Z轴方向，并通有沿x轴方向的电流I。

（1）此元件的CC/两个侧面中，哪个面电势高？

（2）试证明在磁感应强度一定时，此元件的CC/两个侧面的电势差与其中的电流成正比

（3）磁强计是利用霍尔效应来测量磁感应强度B的仪器。

其测量方法为：

将导体放在匀强磁场之中，用毫安表测量通以电流I，用毫伏表测量C、C/间的电压UCC’，就可测得B。

若已知其霍尔系数

。

并测得UCC’=0.6mV,I=3mA。

试求该元件所在处的磁感应强度B的大小。

2.走出误区：

误区一不知道热敏电阻的特性

例1.如图所示，将多用表的选择开关置于“欧姆”挡，再将电表的两支表笔与负温度系数的热敏电阻Rt（负温度系数热敏电阻是指阻值随温度的升高而减小的热敏电阻）的两端相连，这时表针恰好指在刻度盘的正中间．若往Rt上擦一些酒精，表针将向________（填“左”或“右”）移动；若用吹风机将热风吹向电阻，表针将向________（填“左”或“右”）移动。

错解：

右；左

原因：

若往Rt上擦一些酒精，由于酒精蒸发吸热，热敏电阻Rt温度降低，电阻值增大，所以电流减少，指针应向左偏；用吹风机将热风吹向电阻，电阻Rt温度升高，电阻值减小，电流增大，指针向右偏．

正解：

左右

原因：

欧姆表的表盘刻度最右侧为0，最左侧为最大值．

误区二不知道光敏电阻的特性

例2.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，（）

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

错解：

B

原因：

当光强度增大时，R3阻值减小，外电路电阻随R3的减小而减小，R1两端电压因干路电流增大而增大，同时内电压增大，故电路路端电压减小，而电压表的示数增大，A项正确，D项错误；由路端电压减小，而R1两端电压增大知，R2两端电压必减小，则R2中电流减小，故B项正确；结合干路电流增大知流过小灯泡的电流必增大，则小灯泡的功率增大．

正解：

ABC

原因：

误区三不知道温度传感器的应用

例3.家用电热灭蚊器中电热部分的主要部件是PTC元件，PTC元件是由酞酸钡等半导体材料制成的电阻器，其电阻率与温度的关系如图所示，由于这种特性，PTC元件具有发热、控温两重功能，对此以下说法中正确的是（）

A．通电后其功率先增大后减小

B．通电后其功率先减小后增大

C．当其产生的热量与散发的热量相等时，温度保持在t1至t2的某一值不变

D．当其产生的热量与散发的热量相等时，温度保持在t1或t2不变

（五）巩固复习

1．随着人们生活质量的提高，自动干手机已进入家庭洗手间，当人将湿手靠近干手机时，机内的传感器便驱动电热器加热，于是有热空气从机内喷出，将湿手烘干．手靠近干手机时能使传感器工作，这是因为（　　）

A．改变了湿度　　　　　　B．改变了温度

C．改变了磁场D．改变了电容

答案：

D

2．关于光敏电阻，下列说法正确的是（　　）

A．受到光照越强，电阻越小

B．受到光照越弱，电阻越小

C．它的电阻与光照强弱无关

D．以上说法都不正确

答案：

A解析：

光照增强时，光敏电阻中载流体增多，所以导电能力增强，电阻越小．

3．下列说法正确的是（　　）

A．传感器担负着信息采集的任务

B．干簧管是一种磁传感器

C．传感器不是电视遥控接收器的主要元件

D．传感器是能够将力、温度、光、声、化学成分转换为电信号的主要工具

答案：

ABD解析：

电视遥控接收器由传感器接收红外线信号转换为电信号达到控制作用，选项C错误．

4.如图所示为电容式传感器部分构件的示意图．当动片（实线图）和定片（虚线图）之间正对扇形区的圆心角的角度θ发生变化时，电容C便发生变化，图中能正确反映C和θ间函数关系的是（　　）

答案：

D解析：

当角度θ发生变化时，极板正对面积发生变化，S＝πr2

＝

θ，又C＝

，所以C＝

，故D正确．

5．电容式话筒的保真度比动圈式话筒好，其工作原理如图所示．Q是绝缘支架，薄金属膜M和固定电极N形成一个电容器，被直流电源充电，当声波使膜片振动时，电容发生变化，电路中形成变化的电流．当膜片向右运动的过程中有（　　）

A．电容变大B．电容变小

C．导线AB中有向左的电流D．导线AB中有向右的电流

答案：

AC解析：

当膜片向右运动的过程中有电容变大,导线AB中有向左的电流.

6．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6－11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6－11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

答案：

D解析：

由小球受力可知：

a∝FN，又因为压敏电阻的阻值随压力增大而减小，而电流增大，则I的大小反映了a的大小，所以0～t1内I不变，小车做匀加速运动，t1～t2内小车加速度增大．

7.惯性制导系统已广泛应用于弹道式导弹工程中，这个系统的重要元件之一是加速度计．加速度计的构造原理的示意图如图6－12所示．沿导弹长度方向安装的固定光滑杆上套一质量为m的滑块，滑块两侧分别与劲度系数均为k的弹簧相连；两弹簧的另一端与固定壁相连．滑块原来静止，弹簧处于自然长度，滑块上有指针可通过标尺测出滑块的位移，然后通过控制系统进行制导．设某段时间内导弹沿水平方向运动，指针向左偏离O点的距离为s，则这段时间内导弹的加速度（　　）

A．方向向左，大小为ks/m

B．方向向右，大小为ks/m

C．方向向左，大小为2ks/m

D．方向向右，大小为2ks/m

答案：

D解析：

解析：

合力向右，所以加速度也必须向右，大小为2ks/m.

8．影响物质材料电阻率的因素很多，一般金属材料的电阻率随温度的升高而增大，而半导体材料的电阻率则与之相反，随温度的升高而减小．某课题研究组在研究某种导电材料的用电器件Z的导电规律时，利用如图甲所示的分压电路测得其电压与电流的关系如下表所示：

U/V

0.40

0.60

0.80

1.00

1.20

1.50

1.60

I/A

0.20

0.45

0.80

1.25

1.80

2.81

3.20

（1）根据表中数据，判断用电器件Z可能属于上述哪类材料？

______________________.

（2）把用电器件Z接入图乙所示的电路中，闭合开关电流表的读数为1.8A，电池的电动势为3V，内阻不计，电阻R的电功率为______．

答案：

（1）半导体　

（2）3.24W解析：

（1）由表格中数据可得，电阻随电压的增大而减小，而电压越大，用电器件温度越高，所以材料为半导体．

（2）查表I＝1.8A时，Z的电压为1.2V，则UR＝E2－UZ＝3V－1.2V＝1.8V，PR＝IUR＝3.24W.

（六）提高训练

11．热敏电阻是阻值随温度的改变而变化，且对温度很敏感的元件．某同学把一个热敏电阻连入电路中，通过实验他测出了一组数据，并画出了I－U关系曲线，如图所示：

问：

实验时应选用的是图中甲、乙两电路图中的______电路图，理由是____________．

答案：

甲　测量时电压可从0V调到最大值，调节范围较大

12．如图所示为检测某传感器的电路图．传感器上标有“3V,0.9W”的字样（传感器可看做一个纯电阻），滑动变阻器R0上标有“10Ω，1A”的字样，电流表的量程为0.6A，电压表的量程为3V．求：

（1）传感器的电阻和额定电流．

（2）为了确保电路各部分的安全，在a、b之间所加的电源电压最大值是多少？

13．将金属块m用压缩的轻弹簧卡在一个矩形的箱中，如图所示．在箱的上顶板和下底板装有压力传感器，箱可以沿竖直轨道运动，当箱以a＝2.0m/s2的加速度竖直向上做匀减速运动时，上顶板的压力传感器显示的压力为6.0N，下底板的压力传感器显示的压力为10.0N．（取g＝10m/s2）求：

（1）若上顶板压力传感器的示数是下底板压力传感器的示数的一半，试判断箱的运动情况．

（2）要使上顶板压力传感器的示数为零，箱沿竖直方向运动的情况可能是怎样的？

解析：

下底板传感器的示数等于轻弹簧的弹力F，金属块受力如图所示，上顶板的压力FN＝6.0N，弹簧的弹力F＝10.0N和重力mg，加速度为a，方向向下，有mg＋FN－F＝ma.求得金属块的质量m＝0.5kg.

14．一种半导体材料称为“霍尔材料”，用它制成的元件称为“霍尔元件”，这种材料有可定向移动的电荷，称为“载流子”，每个载流子的电荷量大小为1个元电荷，即q＝1.6×10－19C，霍尔元件在自动检测、控制领域得到广泛应用，如录像机中用来测量录像磁鼓的转速、电梯中用来检测电梯门是否关闭以及自动控制升降电动机的电源的通断等．在一次实验中，一块霍尔材料制成的薄片宽ab＝1.0×10－2m，长bc＝4.0×10－2m、厚h＝1×10－3m．水平放置在竖直向上的磁感应强度B＝1.5T的匀强磁场中，bc方向通有I＝3.0A的电流．如图6－20所示，沿宽度产生1.0×10－5V的横向电压．

（1）假定载流子是电子，a、b两端中哪端电势较高？

（2）薄板中形成电流I的载流子定向运动的速率多大？

解析：

（1）当载流子是电子时，根据左手定则，电子受到洛伦兹力指向b端，a端聚集了等量的正电荷，所以a端电势高．

（2）当洛伦兹力与电场力大小相等时，电子不再偏转，此时电场力为：

F电＝E·e＝

·e，其中e＝q，洛伦兹力为：

F洛＝evB，平衡时F电＝F洛，得v＝

＝

m/s≈6.7×10－4m/s.

答案：

（1）a端　

（2）6.7×10－4m/s

章末收尾

1.物理学应用

如图所示，“神舟”七号飞船发射升空时，火箭内测试仪平台上放一个压力传感器，传感器上面压一质量为M的物体，火箭点火后从地面向上加速升空，当升到某一高度时，加速度为a＝

，压力传感器此时显示出物体对平台的压力为点火前压力的

，已知地球的半径为R，g为地面附近的重力加速度，试求此时火箭离地面的高度．

参考答案：

解析：

设此时火箭升空高度为H，此处重力加速度为g′，则有F－Mg′＝Ma，由万有引力定律得（R＋H）2g′＝R2g又F＝

Mg解得H＝

.

2、核心考点真题回放。

1.（2011江苏高考）美国科学家WillardS.Boyle与GeorgeE.Snith因电荷耦合器件（CCD）的重要发明营区2009年度诺贝尔物理学奖．CCD是将光学量转变成电学量的传感器．下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

2.（2010福建高考）如图甲所示，质量不计的弹簧竖直固定在水平面上，t＝0时刻，将一金属小球从弹簧正上方某一高度处由静止释放，小球落到弹簧上压缩弹簧到最低点，然后又被弹起离开弹簧，上升到一定高度后再下落，如此反复．通过安装在弹簧下端的压力传感器，测出这一过程弹簧弹力F随时间t变化的图象如图乙所示，则（　　）

A．t1时刻小球动能最大

B．t2时刻小球动能最大

C．t2～t3这段时间内，小球的动能先增加后减少

D．t2～t3这段时间内，小球增加的动能等于弹簧减少的弹性势能

3.（2008海南高考）当光照射到光敏电阻上时，光敏电阻的阻值________（填“变大”、“不变”或“变小”）；半导体热敏电阻是利用半导体材料的电阻率随________变化而改变的特性制成的．

解析：

由光敏电阻和热敏电阻的定义可解．

答案：

变小　温度

4.（2009宁夏高考）青岛奥运会帆船赛场采用风力发电给蓄电池充电，为路灯提供电能．用光敏电阻作为传感器控制路灯电路的开关，实现自动控制．光敏电阻的阻值随照射光的强弱而变化，作为简化模型，可以近似认为，照射光较强（如白天）时电阻几乎为0；照射光较弱（如黑天）时电阻接近于无穷大．利用光敏电阻作为传感器，借助电磁开关，可以实现路灯自动在白天关闭，黑天打开．电磁开关的内部结构如图所示.1、2两接线柱之间是励磁线圈，3、4两接线柱分别与弹簧片触点连接，当励磁线圈中的电流大于50mA时，电磁铁吸合铁片，弹簧片和触点分离，3、4断开；电流小于50mA时，3、4接通．励磁线圈中允许通过的最大电流为100mA.

（1）利用以下器材设计一个自动控制路灯的电路，画出电路原理图．

光敏电阻R1符号　

灯泡L，额定功率40W，额定电压36V，符号

保护电阻R2，符号

电磁开关，符号

蓄电池E，电压36V，内阻很小，开关S，导线若干．

（2）回答下列问题：

①如果励磁线圈的电阻为200Ω，励磁线圈允许加的最大电压为______V，保护电阻R2的阻值范围为______Ω.

②在有些应用电磁开关的场合，为了安全，往往需要在电磁铁吸合铁片时，接线柱3、4之间从断开变为接通．为此，电磁开关内部结构应如何改造？

请结合本题中电磁开关内部结构图说明．答：

________________________________________.

③任意举出一个其它应用电磁铁的例子．答：

__________________________.

3.综合提高

（1）考题预测

1.（2012年江苏苏州期末）遥控器能调换电视机频道，利用的是光传感器。

下列属于应用这类传感器的是（）

A．红外报警装置B．金属电阻温度计

C．电子电路中使用的“干簧管”D．霍尔元件

答案：

A

解析：

红外报警装置利用的是光传感器，选项A正确。

2．（2012年上海松江期末）某种位移传感器的工作原理如图（a）所示，物体M在导轨上平移时，带动滑动变阻器的滑片P一起平移，通过理想电压表的示数来反映物体M的位移x。

已知电源电动势为E，内阻不计，滑动变阻器的总长为L，物体M以O为平衡位置做简谐运动（取向右为正方向），振幅为

，物体经过O时P恰好位于滑动变阻器的中点。

若电压表的示数U随时间t的变化关系如图（b）所示，则在图示0—t1时间内，下列说法正确的是（）

A．物体M的速度为正方向且不断增大

B．物体M的速度为负方向且不断减小

C．物体M的加速度为正方向且不断增大

D．物体M的加速度为负方向且不断减小

答案：

A解析：

由0—t1时间内，电压表的示数U随时间t的变化关系可知，物体M的速度为正方向且不断增大，加速度为正方向且不断减小，选项A正确。

3．（2012年年2月福建晋江四校第二次联考）

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，C、D两侧面会形成电势差UCD，下列说法中正确的是（）

A．电势差UCD仅与材料有关

B．若霍尔元件的载流子是自由电子，则电势差UCD＞0

C．仅增大磁感应强度时,电势差UCD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

4．（2012年北京海淀期末）1879年美国物理学家霍尔在研究载流导体在磁场中受力情况时，发现了一种新的电磁效应：

将导体置于磁场中，并沿垂直磁场方向通入电流，则在导体中垂直于电流和磁场的方向会产生一个横向电势差，这种现象后来被称为霍尔效应，这个横向的电势差称为霍尔电势差。

（1）如图甲所示，某长方体导体abcda′b′c′d′的高度为h、宽度为l，其中的载流子为自由电子，其电荷量为e，处在与abb′a′面垂直的匀强磁场中，磁感应强度为B0。

在导体中通有垂直于bcc′b′面的电流，若测得通过导体的恒定电流为I，横向霍尔电势差为UH，求此导体中单位体积内自由电子的个数。

（2）对于某种确定的导体材料，其单位体积内的载流子数目n和载流子所带电荷量q均为定值，人们将H=

定义为该导体材料的霍尔系数。

利用霍尔系数H已知的材料可以制成测量磁感应强度的探头，有些探头的体积很小，其正对横截面（相当于图甲中的abb′a′面）的面积可以在0.1cm2以下，因此可以用来较精确的测量空间某一位置的磁感应强度。

如图乙所示为一种利用