得分寶典之高中物理專題三第6章 傳感器 ※概述 “傳感器”作為信息采集的重要元件，在自動控制、信息處理等技術(shù)中發(fā)揮著重要的作用，是高中物理的重要章節(jié)，是電磁學(xué)的基礎(chǔ)內(nèi)容，也是高考的熱點內(nèi)容之一。從近年高考命題來看，試題越來越貼近物理知識的實際應(yīng)用。而近幾年關(guān)于傳感器的高考題也越來越多。這類試題一方面檢測了考生聯(lián)想、遷移、分析、綜合等能力，另一方面也可使考生明白高新科學(xué)技術(shù)并非空中樓閣，神奇非. ※ 知識梳理 傳感器 溫 度 傳感器 意義：傳感器是把非電學(xué)物理量（如位移、速度、壓力、溫度、濕度、流量、聲強、光照度等）轉(zhuǎn)換成易于測量、傳輸、處理的電學(xué)量（如電壓、電流、電容等）或電路的通斷的一種組件。起自動控制作用。 機械鼠標(biāo)器 火災(zāi)報警器 光控開關(guān) 光傳感器 敏感元件 光敏電阻：是一種能感知光強的傳感器，電阻隨光照的增強而減小 熱敏電阻：是一種能感知溫度的傳感器，電阻一般隨溫度升高電阻減小 金屬熱電阻：是一種能感知溫度的傳感器，溫度升高電阻增大 霍爾元件：是一種能感知磁場強弱的傳感器 電容式位移傳感器：是一種能感知位移變化的傳感器 干簧管：一種能感知磁場存在的傳感器 常見傳感器及應(yīng)用 力傳感器----電子秤：將應(yīng)變片的形變量轉(zhuǎn)化為電壓差 聲傳感器----話 筒：將聲學(xué)量轉(zhuǎn)化為電學(xué)量 電熨斗：雙金屬片溫度傳感器的作用:控制電路的通斷 電飯鍋：雙金屬片溫度傳感器的作用:控制電路的通斷 測溫儀：將溫度轉(zhuǎn)化為電學(xué)量（不同溫度發(fā)射紅外線不同） 溫度報警器： （一） ※考綱解讀 考綱內(nèi)容 要求 名師解讀 傳感器 Ⅰ 1. 考綱提示：知道什么是傳感器；知道什么是光敏電阻、熱敏電阻、金屬熱電阻以及霍爾效應(yīng)；知道傳感器的工作原理。了解傳感器應(yīng)用的一般模式； 會用各類傳感器（力傳感器、聲傳感器、溫度傳感器等）；理解應(yīng)變式力傳感器的應(yīng)用――電子秤的工作原理。 2.本節(jié)命題的熱點：傳感器的應(yīng)用。 （二）基礎(chǔ)鞏固 1．傳感器是把 物理量（如位移、速度、壓力、溫度、濕度、流量、聲強、光照度等）轉(zhuǎn)換成易于測量、傳輸、處理的 量（如電壓、電流、電容等）或電路的通斷的一種組件。起自動控制作用。 2．力電傳感器主要是利用敏感元件和變阻器把 學(xué)信號（位移、速度、加速度等）轉(zhuǎn)化為 學(xué)信號（電壓、電流等）的儀器。 3．熱電傳感器是利用 電阻的阻值會隨溫度的變化而變化的原理制成的，如各種家用電器（空調(diào)、冰箱、熱水器、飲水機、電飯煲等）的 控制、火警報警器、恒溫箱等。 4．光電傳感器中的主要部件是 電阻或 管。如果是光敏電阻的阻值隨光照強度的變化而變化的原理制成的。如自動沖水機、路燈的控制、光電計數(shù)器、煙霧報警器等都是利用了光電傳感器的原理。光傳感器的應(yīng)用——鼠標(biāo)器. 5．聲電傳感器是指將 信號轉(zhuǎn)換為 號的一類傳感器，常見的電容式話筒和動圈式話筒都是 傳感器。聲傳感器的應(yīng)用——話筒. （三）實驗探究  實驗與探究：某同學(xué)為了測量一物質(zhì)的質(zhì)量，找到一個力電轉(zhuǎn)換器，該轉(zhuǎn)換器的輸出電壓正比于受壓力面的壓力（比例系數(shù)為K），如圖所示，測量時先調(diào)節(jié)輸入端的電壓，使轉(zhuǎn)換器空載時的輸出電壓為0；而后在其受力面上放一物體，即可測得與物體的質(zhì)量成正比的輸出電壓U．現(xiàn)有下列器材：力電轉(zhuǎn)化器、質(zhì)量為m0的砝碼、電壓表、滑動變阻器、干電池個一個、電鍵及導(dǎo)線若干、待測物體（可置于力電轉(zhuǎn)換器的受力面上）． 請完成對物體質(zhì)量的測量： （1）設(shè)計一個電路，要求力電轉(zhuǎn)換器的輸入電壓可調(diào)，并且使電壓的調(diào)節(jié)范圍盡可能大，在圖所示的方框內(nèi)畫出完整的測量電路圖． （2）簡要說明測量步驟，求出比例系數(shù)K，并測出待測物體的質(zhì)量m． （四）重點突破 1．直擊考點： 考點1 力電傳感器 思路與方法：力電傳感器主要是利用敏感元件和變阻器把力學(xué)信號（位移、速度、加速度等）轉(zhuǎn)化為電學(xué)信號（電壓、電流等）的儀器。力電傳感器廣泛地應(yīng)用于社會生產(chǎn)、現(xiàn)代科技中，如安裝在導(dǎo)彈、飛機、潛艇和宇宙飛船上的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)及ABS防抱死制動系統(tǒng)等。 【例1】如圖所示，一條形磁鐵置于水平轉(zhuǎn)臺上隨轉(zhuǎn)臺一起作勻變速轉(zhuǎn)動，一磁傳感器位于轉(zhuǎn)臺邊緣。從而可以獲得傳感器所在位置的磁感應(yīng)強度隨時間的變化曲線如圖。圖中橫坐標(biāo)為時間軸，讀數(shù)為3秒/每格，縱坐標(biāo)為磁感應(yīng)強度。求：（1）請類比平均速度的定義方法，定義平均角速度，并求出轉(zhuǎn)臺在測量期間的平均角速度；（2）請類比加速度的定義方法，定義角加速度，并求出轉(zhuǎn)臺的角加速度。 考點2 熱電傳感器 思路與方法：熱電傳感器是利用熱敏電阻的阻值會隨溫度的變化而變化的原理制成的，如各種家用電器（空調(diào)、冰箱、熱水器、飲水機、電飯煲等）的溫度控制、火警報警器、恒溫箱等。 【例2】如圖所示是一火警報警器的部分電路示意圖，其中R3為用半導(dǎo)體熱敏材料制成的傳感器，值班室的顯示器為電路中的電流表，a、b之間接報警器.當(dāng)傳感器R3所在處出現(xiàn)火情時，顯示器的電流I、報警器兩端的電壓U的變化情況是（ ） A．I變大，U變大 B。I變大，U變小 C．I變小，U變小 D。I變小，U變大 考點3 光電傳感器 思路與方法：光電傳感器中的主要部件是光敏電阻或光電管。如果是光敏電阻的阻值隨光照強度的變化而變化的原理制成的。如自動沖水機、路燈的控制、光電計數(shù)器、煙霧報警器等都是利用了光電傳感器的原理。 A R1 R2 信號處理系統(tǒng) 【例3】如圖所示為光敏電阻自動計數(shù)器的示意圖，其中A是發(fā)光儀器，B是傳送帶上物品，R1為光敏電阻，R2為定值電阻，此光電計數(shù)器的基本工作原理是（ ） A.當(dāng)有光照射R1時，信號處理系統(tǒng)獲得高電壓 B.當(dāng)有光照射R1時，信號處理系統(tǒng)獲得低電壓 C.信號處理系統(tǒng)每獲得一次低電壓就記數(shù)一次 D.信號處理系統(tǒng)每獲得一次高電壓就記數(shù)一次 【解析】光敏電阻自動計數(shù)器原理圖如上，當(dāng)傳送帶上沒有物品擋住由A射出的光信號時，光敏電阻阻值變小，由分壓規(guī)律知供給信號處理系統(tǒng)的電壓變低；當(dāng)傳送帶上有物品擋住由A射出的光信號時，光敏電阻的阻值變大，供給信號系統(tǒng)的電壓變高并記數(shù)一次。這種高低交替變化的信號經(jīng)過信號處理系統(tǒng)的處理，就會自動將其轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的數(shù)字，實現(xiàn)自動計數(shù)的功能。 【答案】AD 金屬板 金屬膜 振動膜 外電路 【例4】如圖是電容式話筒的示意圖，它是利用電容制作的傳感器，話筒的振動膜前面鍍有薄薄的金屬層，膜后距膜幾十微米處有一金屬板，振動膜上的金屬層和這個金屬板構(gòu)成電容器的兩極，在兩極間加一電壓U，人對著話筒說話時，振動膜前后振動，使電容發(fā)生變化，導(dǎo)致話筒所在電路中的其它量發(fā)生變化，使聲音信號被話筒轉(zhuǎn)化為電信號，其中導(dǎo)致電容變化的原因可能是容器兩板間的（ ） A.距離變化 B.正對面積變化 C.介質(zhì)變化 D.電壓變化 【解析】由題意對著話筒說話時，振動膜前后振動，則金屬層和金屬板間距離改變，即電容器兩極板間距改變，故導(dǎo)致電容變化的原因可能是容器兩極間的距變變化，選A。 【答案】A 【點評】這個聲電傳感器又可歸到電容傳感器中。 考點5 電容式傳感器 思路與方法：電容器的電容C決定于極板的正對面積S、極板間距離d以及極板間的電介質(zhì)這幾個因素。如果某一物理量（如角度、位移、深度等）的變化能引起上述某個因素的變化，從而引起電容的變化，則通過測定電容器的電容就可以確定上述物理量的變化，起這種作用的電容器稱為電容式傳感器。 【例5】如圖所示，有的計算機鍵盤的每一個鍵下面都連一小塊金屬片，與該金屬片隔有一定空氣隙的是另一塊小的固定金屬片，這兩塊金屬片組成一個小電容器．該電容器的電容C可用公式計算，式中常量e=9×10-12 F·m-1 ，S表示金屬片的正對面積，d表示兩金屬片間的距離．當(dāng)鍵被按下時，此小電容器的電容發(fā)生變化，與之相連的電子線路就能檢測出哪個鍵被按下了，從而給出相應(yīng)的信號．設(shè)每個金屬片的正對面積為50 mm2，鍵未按下時兩金屬片的距離為0.6 mm．如果電容變化了0.25 pF，電子線路恰能檢測出必要的信號，則鍵至少要被按下 mm。 考點6 電感傳感器 思路與方法：電感式傳感器是利用線圈的自感或互感的變化來實現(xiàn)測量或控制的一種裝置，一般要利用磁場作為媒介或利用磁體的某些現(xiàn)象。 Z d I x y b c C C/ B 【例6】一塊N型半導(dǎo)體薄片（稱霍爾元件），其橫載面為矩形，體積為b×c×d，如圖所示。已知其單位體積內(nèi)的電子數(shù)為n、電阻率為ρ、電子電荷量e.將此元件放在勻強磁場中，磁場方向沿Z軸方向，并通有沿x軸方向的電流I。 (1)此元件的CC/兩個側(cè)面中，哪個面電勢高？ (2)試證明在磁感應(yīng)強度一定時，此元件的CC/ 兩個側(cè)面的電勢差與其中的電流成正比 (3)磁強計是利用霍爾效應(yīng)來測量磁感應(yīng)強度B 的儀器。其測量方法為：將導(dǎo)體放在勻強磁場之中，用毫安表測量通以電流I，用毫伏表測量C、C/間的電壓U CC’， 就可測得B。若已知其霍爾系數(shù)。并測得U CC’=0.6mV,I=3mA。試求該元件所在處的磁感應(yīng)強度B的大小。 2.走出誤區(qū)： 誤區(qū)一 不知道熱敏電阻的特性 例1.如圖所示，將多用表的選擇開關(guān)置于“歐姆”擋，再將電表的兩支表筆與負溫度系數(shù)的熱敏電阻 Rt（負溫度系數(shù)熱敏電阻是指阻值隨溫度的升高而減小的熱敏電阻）的兩端相連，這時表針恰好指在刻度盤的正中間．若往R t上擦一些酒精，表針將向________（填“左”或“右”）移動；若用吹風(fēng)機將熱風(fēng)吹向電阻，表針將向________（填“左”或“右”）移動。 錯解：右；左 原因：若往R t上擦一些酒精，由于酒精蒸發(fā)吸熱，熱敏電阻R t溫度降低，電阻值增大，所以電流減少，指針應(yīng)向左偏；用吹風(fēng)機將熱風(fēng)吹向電阻，電阻R t溫度升高，電阻值減小，電流增大，指針向右偏． 正解：左 右 原因：歐姆表的表盤刻度最右側(cè)為 0，最左側(cè)為最大值． 誤區(qū)二 不知道光敏電阻的特性 例2.如圖所示，R1、R2為定值電阻，L為小燈泡，R3為光敏電阻，當(dāng)照射光強度增大時，（ ） A．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 錯解：B 原因：當(dāng)光強度增大時，R3阻值減小，外電路電阻隨R3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)電壓增大，故電路路端電壓減小，而電壓表的示數(shù)增大，A項正確， D項錯誤；由路端電壓減小，而R1兩端電壓增大知，R2兩端電壓必減小，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． 正解：ABC 原因： 誤區(qū)三 不知道溫度傳感器的應(yīng)用 例3.家用電熱滅蚊器中電熱部分的主要部件是PTC元件，PTC元件是由酞酸鋇等半導(dǎo)體材料制成的電阻器，其電阻率與溫度的關(guān)系如圖所示，由于這種特性，PTC元件具有發(fā)熱、控溫兩重功能，對此以下說法中正確的是（ ） A．通電后其功率先增大后減小 B．通電后其功率先減小后增大 C．當(dāng)其產(chǎn)生的熱量與散發(fā)的熱量相等時，溫度保持在t1至t2的某一值不變 D．當(dāng)其產(chǎn)生的熱量與散發(fā)的熱量相等時，溫度保持在t1或t2不變 （五）鞏固復(fù)習(xí) 1．隨著人們生活質(zhì)量的提高，自動干手機已進入家庭洗手間，當(dāng)人將濕手靠近干手機時，機內(nèi)的傳感器便驅(qū)動電熱器加熱，于是有熱空氣從機內(nèi)噴出，將濕手烘干．手靠近干手機時能使傳感器工作，這是因為(　　) A．改變了濕度　　　　　　B．改變了溫度 C．改變了磁場 D．改變了電容 答案：D 2．關(guān)于光敏電阻，下列說法正確的是(　　) A．受到光照越強，電阻越小 B．受到光照越弱，電阻越小 C．它的電阻與光照強弱無關(guān) D．以上說法都不正確 答案：A 解析：光照增強時，光敏電阻中載流體增多，所以導(dǎo)電能力增強，電阻越小． 3．下列說法正確的是(　　) A．傳感器擔(dān)負著信息采集的任務(wù) B．干簧管是一種磁傳感器 C．傳感器不是電視遙控接收器的主要元件 D．傳感器是能夠?qū)⒘?、溫度、光、聲、化學(xué)成分轉(zhuǎn)換為電信號的主要工具 答案：ABD解析：電視遙控接收器由傳感器接收紅外線信號轉(zhuǎn)換為電信號達到控制作用，選項C錯誤． 4.如圖所示為電容式傳感器部分構(gòu)件的示意圖．當(dāng)動片(實線圖)和定片(虛線圖)之間正對扇形區(qū)的圓心角的角度θ發(fā)生變化時，電容C便發(fā)生變化，圖中能正確反映C和θ間函數(shù)關(guān)系的是(　　 答案：D解析：當(dāng)角度θ發(fā)生變化時，極板正對面積發(fā)生變化，S＝πr2＝θ，又C＝，所以C＝，故D正確． 5．電容式話筒的保真度比動圈式話筒好，其工作原理如圖所示．Q是絕緣支架，薄金屬膜M和固定電極N形成一個電容器，被直流電源充電，當(dāng)聲波使膜片振動時，電容發(fā)生變化，電路中形成變化的電流．當(dāng)膜片向右運動的過程中有(　　) A．電容變大 B．電容變小 C．導(dǎo)線AB中有向左的電流 D．導(dǎo)線AB中有向右的電流答案：AC 解析：當(dāng)膜片向右運動的過程中有電容變大, 導(dǎo)線AB中有向左的電流. 6．壓敏電阻的阻值隨所受壓力的增大而減小，有位同學(xué)利用壓敏電阻設(shè)計了判斷小車運動狀態(tài)的裝置，其工作原理如圖6－11甲所示，將壓敏電阻和一塊擋板固定在絕緣小車上，中間放置一個絕緣重球．小車向右做直線運動過程中，電流表示數(shù)如圖6－11乙所示，下列判斷正確的是(　　) A．從t1到t2時間內(nèi)，小車做勻速直線運動 B．從t1到t2時間內(nèi)，小車做勻加速直線運動 C．從t2到t3時間內(nèi)，小車做勻速直線運動 D．從t2到t3時間內(nèi)，小車做勻加速直線運動 答案：D 解析：由小球受力可知：a∝FN，又因為壓敏電阻的阻值隨壓力增大而減小，而電流增大，則I的大小反映了a的大小，所以0～t1內(nèi)I不變，小車做勻加速運動，t1～t2內(nèi)小車加速度增大． 7.慣性制導(dǎo)系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于彈道式導(dǎo)彈工程中，這個系統(tǒng)的重要元件之一是加速度計．加速度計的構(gòu)造原理的示意圖如圖6－12所示．沿導(dǎo)彈長度方向安裝的固定光滑桿上套一質(zhì)量為m的滑塊，滑塊兩側(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．滑塊原來靜止，彈簧處于自然長度，滑塊上有指針可通過標(biāo)尺測出滑塊的位移，然后通過控制系統(tǒng)進行制導(dǎo)．設(shè)某段時間內(nèi)導(dǎo)彈沿水平方向運動，指針向左偏離O點的距離為s，則這段時間內(nèi)導(dǎo)彈的加速度(　　) A．方向向左，大小為ks/m B．方向向右，大小為ks/m C．方向向左，大小為2ks/m D．方向向右，大小為2ks/m 答案：D 解析：解析：合力向右，所以加速度也必須向右，大小為2ks/m. 8．影響物質(zhì)材料電阻率的因素很多，一般金屬材料的電阻率隨溫度的升高而增大，而半導(dǎo)體材料的電阻率則與之相反，隨溫度的升高而減小．某課題研究組在研究某種導(dǎo)電材料的用電器件Z的導(dǎo)電規(guī)律時，利用如圖甲所示的分壓電路測得其電壓與電流的關(guān)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)根據(jù)表中數(shù)據(jù)，判斷用電器件Z可能屬于上述哪類材料？______________________. (2)把用電器件Z接入圖乙所示的電路中，閉合開關(guān)電流表的讀數(shù)為1.8 A，電池的電動勢為3 V，內(nèi)阻不計，電阻R的電功率為______． 答案：(1)半導(dǎo)體　(2)3.24 W解析：(1)由表格中數(shù)據(jù)可得，電阻隨電壓的增大而減小，而電壓越大，用電器件溫度越高，所以材料為半導(dǎo)體． (2)查表I＝1.8 A時，Z的電壓為1.2 V，則UR＝E2－UZ＝3 V－1.2 V＝1.8 V， PR＝IUR＝3.24 W. （六）提高訓(xùn)練 11．熱敏電阻是阻值隨溫度的改變而變化，且對溫度很敏感的元件．某同學(xué)把一個熱敏電阻連入電路中，通過實驗他測出了一組數(shù)據(jù)，并畫出了I－U關(guān)系曲線，如圖所示：問： 實驗時應(yīng)選用的是圖中甲、乙兩電路圖中的______電路圖，理由是____________． 答案：甲　測量時電壓可從0 V調(diào)到最大值，調(diào)節(jié)范圍較大 12．如圖所示為檢測某傳感器的電路圖．傳感器上標(biāo)有“3 V,0.9 W”的字樣(傳感器可看做一個純電阻)，滑動變阻器R0上標(biāo)有“10 Ω，1 A”的字樣，電流表的量程為0.6 A，電壓表的量程為3 V．求： (1)傳感器的電阻和額定電流． (2)為了確保電路各部分的安全，在a、b之間所加的電源電壓最大值是多少？ 13．將金屬塊m用壓縮的輕彈簧卡在一個矩形的箱中，如圖所示．在箱的上頂板和下底板裝有壓力傳感器，箱可以沿豎直軌道運動，當(dāng)箱以a＝2.0 m/s2的加速度豎直向上做勻減速運動時，上頂板的壓力傳感器顯示的壓力為6.0 N，下底板的壓力傳感器顯示的壓力為10.0 N．(取g＝10 m/s2)求： (1)若上頂板壓力傳感器的示數(shù)是下底板壓力傳感器的示數(shù)的一半，試判斷箱的運動情況． (2)要使上頂板壓力傳感器的示數(shù)為零，箱沿豎直方向運動的情況可能是怎樣的？ 解析：下底板傳感器的示數(shù)等于輕彈簧的彈力F，金屬塊受力如圖所示，上頂板的壓力FN＝6.0 N，彈簧的彈力F＝10.0 N和重力mg，加速度為a，方向向下，有mg＋FN－F＝ma.求得金屬塊的質(zhì)量m＝0.5 kg. 14．一種半導(dǎo)體材料稱為“霍爾材料”，用它制成的元件稱為“霍爾元件”，這種材料有可定向移動的電荷，稱為“載流子”，每個載流子的電荷量大小為1個元電荷，即q＝1.6×10－19 C，霍爾元件在自動檢測、控制領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，如錄像機中用來測量錄像磁鼓的轉(zhuǎn)速、電梯中用來檢測電梯門是否關(guān)閉以及自動控制升降電動機的電源的通斷等．在一次實驗中，一塊霍爾材料制成的薄片寬ab＝1.0×10－2m，長bc＝4.0×10－2m、厚h＝1×10－3 m．水平放置在豎直向上的磁感應(yīng)強度B＝1.5 T的勻強磁場中，bc方向通有I＝3.0 A的電流．如圖6－20所示，沿寬度產(chǎn)生1.0×10－5V的橫向電壓． (1)假定載流子是電子，a、b兩端中哪端電勢較高？ (2)薄板中形成電流I的載流子定向運動的速率多大？ 解析：(1)當(dāng)載流子是電子時，根據(jù)左手定則，電子受到洛倫茲力指向b端，a端聚集了等量的正電荷，所以a端電勢高． (2)當(dāng)洛倫茲力與電場力大小相等時，電子不再偏轉(zhuǎn)，此時電場力為： F電＝E·e＝·e，其中e＝q，洛倫茲力為：F洛＝evB，平衡時F電＝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.物理學(xué)應(yīng)用 如圖所示，“神舟”七號飛船發(fā)射升空時，火箭內(nèi)測試儀平臺上放一個壓力傳感器，傳感器上面壓一質(zhì)量為M的物體，火箭點火后從地面向上加速升空，當(dāng)升到某一高度時，加速度為a＝，壓力傳感器此時顯示出物體對平臺的壓力為點火前壓力的，已知地球的半徑為R，g為地面附近的重力加速度，試求此時火箭離地面的高度． 參考答案： 解析：設(shè)此時火箭升空高度為H，此處重力加速度為g′，則有F－Mg′＝Ma，由萬有引力定律得(R＋H)2g′＝R2g 又F＝Mg 解得H＝. 2、核心考點真題回放。 1.（2011江蘇高考）美國科學(xué)家Willard S.Boyle與George E.Snith 因電荷耦合器件(CCD)的重要發(fā)明營區(qū)2009年度諾貝爾物理學(xué)獎．CCD是將光學(xué)量轉(zhuǎn)變成電學(xué)量的傳感器．下列器件可作為傳感器的有（ ） A．發(fā)光二極管 B．熱敏電阻 C．霍爾元件 D．干電池 2.（2010福建高考）如圖甲所示，質(zhì)量不計的彈簧豎直固定在水平面上，t＝0時刻，將一金屬小球從彈簧正上方某一高度處由靜止釋放，小球落到彈簧上壓縮彈簧到最低點，然后又被彈起離開彈簧，上升到一定高度后再下落，如此反復(fù)．通過安裝在彈簧下端的壓力傳感器，測出這一過程彈簧彈力F隨時間t變化的圖象如圖乙所示，則(　　) A．t1時刻小球動能最大 B．t2時刻小球動能最大 C．t2～t3這段時間內(nèi)，小球的動能先增加后減少 D．t2～t3這段時間內(nèi)，小球增加的動能等于彈簧減少的彈性勢能 3.（2008海南高考）當(dāng)光照射到光敏電阻上時，光敏電阻的阻值________(填“變大”、“不變”或“變小”)；半導(dǎo)體熱敏電阻是利用半導(dǎo)體材料的電阻率隨________變化而改變的特性制成的． 解析：由光敏電阻和熱敏電阻的定義可解． 答案：變小　溫度 4.（2009寧夏高考）青島奧運會帆船賽場采用風(fēng)力發(fā)電給蓄電池充電，為路燈提供電能．用光敏電阻作為傳感器控制路燈電路的開關(guān)，實現(xiàn)自動控制．光敏電阻的阻值隨照射光的強弱而變化，作為簡化模型，可以近似認為，照射光較強(如白天)時電阻幾乎為0；照射光較弱(如黑天)時電阻接近于無窮大．利用光敏電阻作為傳感器，借助電磁開關(guān)，可以實現(xiàn)路燈自動在白天關(guān)閉，黑天打開．電磁開關(guān)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖所示.1、2兩接線柱之間是勵磁線圈，3、4兩接線柱分別與彈簧片觸點連接，當(dāng)勵磁線圈中的電流大于50 mA時，電磁鐵吸合鐵片，彈簧片和觸點分離，3、4斷開；電流小于50 mA時，3、4接通．勵磁線圈中允許通過的最大電流為100 mA. (1)利用以下器材設(shè)計一個自動控制路燈的電路，畫出電路原理圖． 光敏電阻R1符號　 燈泡L，額定功率40 W，額定電壓36 V，符號 保護電阻R2，符號 電磁開關(guān)，符號 蓄電池E，電壓36 V，內(nèi)阻很小，開關(guān)S，導(dǎo)線若干． (2)回答下列問題： ①如果勵磁線圈的電阻為200 Ω，勵磁線圈允許加的最大電壓為______V，保護電阻R2的阻值范圍為______Ω. ②在有些應(yīng)用電磁開關(guān)的場合，為了安全，往往需要在電磁鐵吸合鐵片時，接線柱3、4之間從斷開變?yōu)榻油ǎ疄榇?，電磁開關(guān)內(nèi)部結(jié)構(gòu)應(yīng)如何改造？請結(jié)合本題中電磁開關(guān)內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖說明．答：________________________________________. ③任意舉出一個其它應(yīng)用電磁鐵的例子．答：__________________________. 3.綜合提高 （1）考題預(yù)測 1. （2012年江蘇蘇州期末）遙控器能調(diào)換電視機頻道，利用的是光傳感器。下列屬于應(yīng)用這類傳感器的是（ ） A．紅外報警裝置 B．金屬電阻溫度計 C．電子電路中使用的“干簧管” D．霍爾元件 答案：A 解析：紅外報警裝置利用的是光傳感器，選項A正確。 2．（2012年上海松江期末）某種位移傳感器的工作原理如圖(a)所示，物體M在導(dǎo)軌上平移時，帶動滑動變阻器的滑片P一起平移，通過理想電壓表的示數(shù)來反映物體M的位移x。已知電源電動勢為E，內(nèi)阻不計，滑動變阻器的總長為L，物體M以O(shè)為平衡位置做簡諧運動（取向右為正方向），振幅為，物體經(jīng)過O時P恰好位于滑動變阻器的中點。若電壓表的示數(shù)U隨時間t的變化關(guān)系如圖(b)所示，則在圖示0—t1時間內(nèi)，下列說法正確的是（ ） M O x P V (a) (b) U 0 E t t1 A．物體M的速度為正方向且不斷增大 B．物體M的速度為負方向且不斷減小 C．物體M的加速度為正方向且不斷增大 D．物體M的加速度為負方向且不斷減小 答案：A解析：由0—t1時間內(nèi)，電壓表的示數(shù)U隨時間t的變化關(guān)系可知，物體M的速度為正方向且不斷增大，加速度為正方向且不斷減小，選項A正確。 3．（2012年年2月福建晉江四校第二次聯(lián)考）利用霍爾效應(yīng)制作的霍爾元件，廣泛應(yīng)用于測量和自動控制等領(lǐng)域。如圖是霍爾元件的工作原理示意圖,磁感應(yīng)強度B垂直于霍爾元件的工作面向下，通入圖示方向的電流I， C、D兩側(cè)面會形成電勢差UCD，下列說法中正確的是( ) A．電勢差UCD僅與材料有關(guān) B．若霍爾元件的載流子是自由電子，則電勢差UCD＞0 C．僅增大磁感應(yīng)強度時,電勢差UCD變大 D．在測定地球赤道上方的地磁場強弱時,元件的工作面應(yīng)保持水平 4．（2012年北京海淀期末）1879年美國物理學(xué)家霍爾在研究載流導(dǎo)體在磁場中受力情況時，發(fā)現(xiàn)了一種新的電磁效應(yīng)：將導(dǎo)體置于磁場中，并沿垂直磁場方向通入電流，則在導(dǎo)體中垂直于電流和磁場的方向會產(chǎn)生一個橫向電勢差，這種現(xiàn)象后來被稱為霍爾效應(yīng)，這個橫向的電勢差稱為霍爾電勢差。 （1）如圖甲所示，某長方體導(dǎo)體abcda′b′c′d′的高度為h、寬度為l，其中的載流子為自由電子，其電荷量為e，處在與ab b′a′面垂直的勻強磁場中，磁感應(yīng)強度為B0。在導(dǎo)體中通有垂直于bcc′b′面的電流，若測得通過導(dǎo)體的恒定電流為I，橫向霍爾電勢差為UH，求此導(dǎo)體中單位體積內(nèi)自由電子的個數(shù)。 （2）對于某種確定的導(dǎo)體材料，其單位體積內(nèi)的載流子數(shù)目n和載流子所帶電荷量q均為定值，人們將H=定義為該導(dǎo)體材料的霍爾系數(shù)。利用霍爾系數(shù)H已知的材料可以制成測量磁感應(yīng)強度的探頭，有些探頭的體積很小，其正對橫截面（相當(dāng)于圖甲中的ab b′a′面）的面積可以在0.1cm2以下，因此可以用來較精確的測量空間某一位置的磁感應(yīng)強度。如圖乙所示為一種利用霍爾效應(yīng)測磁感應(yīng)強度的儀器，其中的探頭裝在探桿的前端，且使探頭的正對橫截面與探桿垂直。這種儀器既可以控制通過探頭的恒定電流的大小I，又可以監(jiān)測出探頭所產(chǎn)生的霍爾電勢差UH，并自動計算出探頭所測位置磁場的磁感應(yīng)強度的大小，且顯示在儀器的顯示窗內(nèi)。 ①在利用上述儀器測量磁感應(yīng)強度的過程中，對探桿的放置方位有何要求； ②要計算出所測位置磁場的磁感應(yīng)強度，除了要知道H、I、UH外，還需要知道哪個物理量，并用字母表示。推導(dǎo)出用上述這些物理量表示所測位置磁感應(yīng)強度大小的表達式。 （2）過關(guān)強化訓(xùn)練試卷 一、選擇題（本題共12小題，每小題4分，共48分.在每小題給出的四個選項中，有的只有一個選項正確。，有的有多個選項正確，全部選對的得4分，選對但不全的得2分，有選錯的得0分） 1. 街道旁的路燈、江海里的航標(biāo)燈都要求夜晚亮、白天熄，利用半導(dǎo)體的電學(xué)特性制成了自動點亮、熄滅的裝置，實現(xiàn)了自動控制，這是利用半導(dǎo)體的（ ） A.壓敏性 B.光敏性 C.熱敏性 D.三特性都利用了 答案：B 提示：這是利用半導(dǎo)體的光敏性。 2.下列電子元件中，由半導(dǎo)體材料制成的是（ ） A.電容器 B.鎮(zhèn)流器 C.光控開關(guān) D.滑動變阻器 答案：C提示：由半導(dǎo)體材料制成的是光控開關(guān). 3.如圖所示是一火警器的一部分電路示意圖，其中R2為半導(dǎo)體熱敏材料制成的傳感器，電流表為值班室的顯示器，a、b之間接報警器.當(dāng)傳感器R2所在處出現(xiàn)火情時，顯示器的電流I、報警器兩端的電壓U的變化情況是（ ） 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 提示：顯示器的電流I、報警器兩端的電壓U的變化情況是I變小，U變小. 4.如圖所示，R1、R2為定值電阻，L為小燈泡，R3為光敏電阻，當(dāng)光照強度增大時（ ） A.電壓表的示數(shù)減小 B.R2中的電流增大 C.小燈泡的功率增大 D.電源路端電壓降低 答案： CD提示：當(dāng)光照強度增大時小燈泡的功率增大；電源路端電壓降低。 5. 霍爾元件能轉(zhuǎn)換哪兩個量（ ） A.把溫度這個熱學(xué)量轉(zhuǎn)換為電阻這個電學(xué)量 B.把磁感應(yīng)強度這個磁學(xué)量轉(zhuǎn)換為電壓這個電學(xué)量 C.把力轉(zhuǎn)換為電壓這個電學(xué)量 D.把光照強弱這個光學(xué)量轉(zhuǎn)換為電阻這個電學(xué)量 答案：B 提示：霍爾元件能把磁感應(yīng)強度這個磁學(xué)量轉(zhuǎn)換為電壓這個電學(xué)量 6. 下列說法正確的是（ ） A.話筒是一種常用的聲傳感器，其作用是將電信號轉(zhuǎn)換為聲信號 B.電熨斗能夠自動控制溫度的原因是它裝有雙金屬片溫度傳感器，這種傳感器作用是控制電路的通斷 C.電子秤所使用的測力裝置是力傳感器 D.熱敏電阻能夠把溫度這個熱學(xué)量轉(zhuǎn)換為電阻這個電學(xué)量 答案：BCD 提示：話筒是一種常用的聲傳感器，其作用是將聲信號轉(zhuǎn)換為電信號。 7. 在一些星級賓館的洗手間經(jīng)常裝有自動干手機，洗手后將濕手靠近，機內(nèi)的傳感器就開通電熱器加熱，有熱空氣從機內(nèi)噴出，將濕手烘干.手靠近干手機能使傳感器工作，是因為（ ） A.改變溫度 B.改變濕度 C.改變磁場 D.改變電容 答案：D提示：手靠近干手機能使傳感器工作，是因為改變電容。 9．如圖所示，R1、R2、R3是固定電阻，R4是光敏電阻，當(dāng)開頭S閉合后在沒有光照射時，a、b兩點等電勢，當(dāng)用光照射R4時 （ ） A． R4的阻值變小，a點電勢高于b點電勢 B．R4的阻值變小，a點電勢低于b點電勢 C．R4的阻值變大，a點電勢高于b點電勢 D．R4的阻值變大，a點電勢低于b點電勢 答案：B提示：R4的阻值變小，a點電勢低于b點電勢。 10．有一熱敏電阻的電阻值隨溫度變化的R-t圖像如圖所示，現(xiàn)將該熱敏電阻接在歐姆表的兩表筆上，做成一個電子溫度計，為了便于讀數(shù)，再把歐姆表上的電阻值轉(zhuǎn)換成溫度值．現(xiàn)想使該溫度計對溫度的變化反應(yīng)較為靈敏，那么該溫度計測量哪段范圍內(nèi)的溫度較為適宜（設(shè)在溫度范圍內(nèi)，歐姆表的倍率不變） （ ） A．t1～t2段 B．t2～t3段 C．t3～t4段 D．t1～t4段 答案：B 提示：該溫度計測量t2~t3段范圍內(nèi)的溫度較為適宜。 11．霍爾元件是應(yīng)用霍爾效應(yīng)的半導(dǎo)體。一般用于電機中測定轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速,如錄象機的磁鼓,電腦中的散熱風(fēng)扇等;是一種基于霍爾效應(yīng)的磁傳感器,已發(fā)展成一個品種多樣的磁傳感器產(chǎn)品族，并已得到廣泛的應(yīng)用.霍爾元件能轉(zhuǎn)換哪兩個物理量 （ ） A．把溫度這個熱學(xué)量轉(zhuǎn)換成電阻這個電學(xué)量 B．把磁感應(yīng)強度這個磁學(xué)量轉(zhuǎn)換成電壓這個電學(xué)量 C．把力這個力學(xué)量轉(zhuǎn)換成電壓這個電學(xué)量 D．把光照強弱這個光學(xué)量轉(zhuǎn)換成電阻這個電學(xué)量 答案：B 提示：把磁感應(yīng)強度這個磁學(xué)量轉(zhuǎn)換成電壓這個電學(xué)量 磁鐵 音圈 金屬膜片 聲波 12．2011年6月25日晚， “2011全委華人歌曲大賽”在瓦蘭西亞華戀社中華會館圓滿落幕。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)殡娦盘枺鐖D8所示，下列說法正確的是（　?。? A．該傳感器是根據(jù)電流的磁效應(yīng)工作的 B．該傳感器是根據(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 提示： 由題述傳感器的結(jié)構(gòu)和工作機理,聯(lián)系有關(guān)的知識可推出. 二、填空題：本大題共3小題，每小題4分，共12分 13．傳感器是自動控制設(shè)備中不可缺少的元件，已知滲透到宇宙開發(fā)、環(huán)境保護、交通運輸以至家庭生活等多種領(lǐng)域。圖9所示為三種電容式傳感器，圖甲是測定液面高度h的傳感器，液面高度h發(fā)生變化時將引起電容C的變化；圖乙是測定壓力F的傳感器，壓力F發(fā)生變化時將引起電容C的變化；圖丙是測定角度θ的傳感器，角度θ發(fā)生變化時將引起電容C的變化。其中，圖 （填“甲”、“乙”或“丙”）所示的傳感器是通過改變電容器兩極間的距離d而引起電容C變化的。 答案：乙 提示：圖乙所示的傳感器是通過改變電容器兩極間的距離d而引起電容C變化的。 14.如圖甲為在10℃左右的環(huán)境中工作的某自動恒溫箱原理圖，箱內(nèi)的電阻R1=2kΩ，R2=1.5kΩ，R3=4kΩ，Rt為熱敏電阻，它的電阻隨溫度變化的圖線如圖乙所示，當(dāng)a、b端電壓Uab<0時，電壓鑒別器會令開關(guān)S接通，恒溫箱內(nèi)的電熱絲發(fā)熱，使箱內(nèi)溫度提高；當(dāng)Uab>0時，電壓鑒別器使S斷開，停止加熱。則恒溫箱內(nèi)的溫度大約恒定在 ℃。 15. 傳感器是自動控制設(shè)備中不可缺少的元件，為解決樓道照明，在樓道內(nèi)安裝一個傳感器與電燈控制電路相接。當(dāng)樓道內(nèi)有人走動而發(fā)出聲響時，電燈即被接通電源而發(fā)光，這種傳感器為 傳感器，它輸入的是 信號，經(jīng)傳感器轉(zhuǎn)換后，輸出的是 信號。 答案：聲電，聲音，電 三、簡答與計算題：本大題共4小題，16題、17題14分，18、19題16分，共60分.解答應(yīng)寫出文字說明，證明過程或演算步驟. 16.如圖11為半導(dǎo)體材料做成的熱敏電阻隨溫度變化的曲線，用熱敏電阻和繼電器做成溫控電路． （1）簡要分析溫控電路的工作過程. (2)設(shè)繼電器的線圈電阻為50Ω，繼電器線圈中的電流大于或等于20mA時，繼電器的銜鐵被吸合，左側(cè)電源的電動勢為6V，內(nèi)阻可以不計，試問溫度滿足什么條件時，右側(cè)的小燈泡會發(fā)光？ 解析：（1）溫度升高，熱敏電阻的阻值變小，繼電器線圈中的電流增加。溫度升高到一臨界值t0時，繼電器線圈中的電流將達到或超過繼電器的動作電流時，繼電器將吸合，右側(cè)電路接通，小燈泡發(fā)光，當(dāng)溫度低于t0時，繼電器線圈中的電流小于動作電流，右側(cè)電路斷開，小燈泡不亮。（2）當(dāng)t≥t0=500時，右側(cè)小燈泡發(fā)光。 17. 單位時間內(nèi)通過管道截面的液體的體積稱為流量，用Q表示，其單位為m3/s。如圖6-1-9為電磁流量計的示意圖，在非磁性材料制成的圓柱形管道外加一勻強磁場區(qū)域，磁感應(yīng)強度大小為B，方向垂直紙面向里，當(dāng)管中導(dǎo)電液（含有正、負離子）流過此區(qū)域時，可測得管壁上a、b兩點間的電勢差U，根據(jù)計算可以求出流量Q。 （1）電磁流量計為一個傳感器，它可以將流速信號轉(zhuǎn)化為電信號，試判斷a、b兩點電勢的高低。 （2）設(shè)管道的直徑為d，試用學(xué)過的知識推導(dǎo)流量Q的表達式。 18．如圖所示為一種懸球式加速儀，它可以用來測定沿水平軌道運動的列車的加速度，金屬球的質(zhì)量為m，它系在金屬絲的下端，金屬絲的上端懸掛在O點，AB是一根長為L的均勻電阻絲，其阻值為R，金屬絲與電阻絲接觸良好，摩擦不計。電阻絲的中心C焊接一根導(dǎo)線，從O點也引出一根導(dǎo)線，兩線之間接入一個電壓表V，圖中虛線OC與AB垂直，且OC=h，電阻絲AB接在電壓為U的直流穩(wěn)壓電源上，整個裝置固定在列車中使AB沿前進的方向。列車靜止時金屬絲處于豎直狀態(tài)，當(dāng)加速或減速時，金屬絲將偏離豎直方向，從電壓表V的讀數(shù)變化可以測出加速度的大小，則： ⑴當(dāng)列車向右勻加速直線運動時，試導(dǎo)出加速度a與電壓表讀數(shù)U＇的關(guān)系式； ⑵用導(dǎo)出的關(guān)系式說明表盤上a的刻度是否均勻； ⑶C點設(shè)置在電阻絲AB中點的原因是什么？對電壓表的選擇有什么特殊要求嗎？ 解析：(1) 19. 如圖所示，圖甲是我市某中學(xué)在研究性學(xué)習(xí)活動中，吳麗同學(xué)自制的電子秤原理示意圖．目的是利用理想電壓表的示數(shù)指示物體的質(zhì)量．托盤與電阻可忽略的金屬彈簧相連，托盤與彈簧的質(zhì)量均不計．滑動變阻器的滑動端與彈簧上端連接，當(dāng)托盤中沒有放物體時，刀片恰好指在變阻器R的最上端，此時電壓表示數(shù)為零。設(shè)變阻器總電阻為R，總長度為L，電源電動勢為E，內(nèi)阻為r，限流電阻阻值為R0，彈簧勁度系數(shù)為k，不計一切摩擦和其他阻力． （1）推出電壓表示數(shù)U與所稱物體質(zhì)量m的關(guān)系式； （2）為使電壓表示數(shù)與待測物體質(zhì)量成正比，請利用原有器材進行改進，在乙圖的基礎(chǔ)上完成改進后的電路原理圖，并求出電壓表示數(shù)U與所稱物體質(zhì)量m的關(guān)系式． 解：（1）當(dāng)在托盤中放質(zhì)量為m的物體后，彈簧被壓縮x，則有mg=kx 電壓表的示數(shù)U為 U=IR1 由以上各式解得 （2）如圖（2分），設(shè)電流為， 電壓表的示數(shù)為， （2分）聯(lián)立解得 27 用心 愛心 專心