高二物理傳感器問題綜合教育科學(xué)版知識(shí)精講

1、高二物理傳感器問題綜合教育科學(xué)版【本講教育信息】一、教學(xué)內(nèi)容：傳感器問題綜合二、學(xué)習(xí)目標(biāo)：1、掌握傳感器的工作原理。2、重點(diǎn)掌握傳感器的重要習(xí)題類型及解法?？键c(diǎn)地位：傳感器問題是高考考查的重點(diǎn)和熱點(diǎn)，本部分內(nèi)容重點(diǎn)體現(xiàn)物理知識(shí)與日常生活實(shí)踐的緊密結(jié)合，涉及的知識(shí)面廣，綜合性強(qiáng)，以各類傳感器為背景的考題綜合了高中力學(xué)及電學(xué)的重點(diǎn)內(nèi)容，光敏電阻、熱敏電阻、電容式傳感器可結(jié)合電路分析等熱點(diǎn)問題，考查學(xué)生的實(shí)驗(yàn)與探究能力，考題形式非常靈活，可通過選擇、實(shí)驗(yàn)、計(jì)算等多種形式進(jìn)行考查，08年重慶卷第21題、江蘇卷第2題、07年廣東卷第8題、2020年上海卷第3題均通過選擇題形式考查，08年山東理綜卷第23

2、題、05年廣東卷第12題通過實(shí)驗(yàn)題形式考查，06年江蘇卷第15題則是通過計(jì)算題形式考查。三、重難點(diǎn)解析：（一）傳感器及其工作原理1、傳感器：傳感器是指這樣一類元件：它能夠感受諸如力、溫度、光、聲、化學(xué)成分等非電學(xué)量，并能把它們按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換為電壓、電流等電學(xué)量，或轉(zhuǎn)換為電路的通斷。把非電學(xué)量轉(zhuǎn)換為電學(xué)量以后，就可以很方便地進(jìn)行測(cè)量、傳輸、處理和控制了。2、傳感器一般由敏感元件和輸出部分組成，通過敏感元件獲取外界信息并轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，通過輸出部分輸出，然后經(jīng)控制器分析處理。常見的傳感器有：力傳感器、氣敏傳感器、超聲波傳感器、磁敏傳感器3、常見傳感器元件：（1）光敏電阻：光敏電阻的材料是一種半導(dǎo)

3、體，無光照時(shí)，載流子極少，導(dǎo)電性能不好；隨著光照的增強(qiáng)，載流子增多，導(dǎo)電性能變好，光敏電阻能夠把光照強(qiáng)弱這個(gè)光學(xué)量轉(zhuǎn)換為電阻這個(gè)電學(xué)量。它就像人的眼睛，可以看到光線的強(qiáng)弱。（2）金屬熱電阻和熱敏電阻：金屬熱電阻的電阻率隨溫度的升高而增大，用金屬絲可以制作溫度傳感器，稱為熱電阻。它能夠把溫度這個(gè)熱學(xué)量轉(zhuǎn)換為電阻這個(gè)電學(xué)量。熱敏電阻的電阻率則可以隨溫度的升高而升高或降低。與熱敏電阻相比，金屬熱電阻的化學(xué)穩(wěn)定性好，測(cè)溫范圍大，但靈敏度較差。例題：當(dāng)光照射到光敏電阻上時(shí)，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.答案：變小；

4、溫度（3）電容式位移傳感器能夠把物體的位移這個(gè)力學(xué)量轉(zhuǎn)換為電容這個(gè)電學(xué)量。拓展：分析下列傳感器的工作原理： 問題1、傳感器與電路問題綜合：【例題1】如圖所示是電飯煲的電路圖，S1是一個(gè)控制開關(guān)，手動(dòng)閉合后，當(dāng)此開關(guān)溫度達(dá)到居里點(diǎn)（103）時(shí)，會(huì)自動(dòng)斷開. S2是一個(gè)自動(dòng)控溫開關(guān)，當(dāng)溫度低于70時(shí)，會(huì)自動(dòng)閉合；溫度高于80時(shí)，會(huì)自動(dòng)斷開. 紅燈是加熱時(shí)的指示燈，黃燈是保溫時(shí)的指示燈. 分流電阻R1=R2=500，加熱電阻絲R3=50，兩燈電阻不計(jì).（1）分析電飯煲的工作原理.（2）計(jì)算加熱和保溫兩種狀態(tài)下，電飯煲消耗的電功率之比.【思路點(diǎn)撥】電飯煲的原理是利用其內(nèi)部感溫磁體在居里溫度（103）前

5、后磁性的有無來控制開關(guān)的閉合. 兩種狀態(tài)下消耗的功率之比可根據(jù)串、并聯(lián)的特點(diǎn)結(jié)合功率計(jì)算公式求得.【解析】（1）電飯煲盛上食物后，接上電源，S2自動(dòng)閉合，同時(shí)手動(dòng)閉合S1，這時(shí)黃燈短路，紅燈亮，電飯煲處于加熱狀態(tài). 加熱到80時(shí)，S2自動(dòng)斷開，S1仍閉合；水燒開后，溫度升高到居里點(diǎn)103時(shí)，開關(guān)S1自動(dòng)斷開，這時(shí)飯已煮熟，黃燈亮，電飯煲處于保溫狀態(tài). 由于散熱，待溫度降至70時(shí)，S2自動(dòng)閉合，電飯煲重新加熱，溫度達(dá)到80時(shí)，S2又自動(dòng)斷開，再次處于保溫狀態(tài).（2）加熱時(shí)電飯煲消耗的電功率，保溫時(shí)電飯煲消耗的電功率，兩式中從而有變式1、溫度傳感器廣泛應(yīng)用于室內(nèi)空調(diào)、電冰箱和微波爐等家電產(chǎn)品中，它

6、是利用熱敏電阻的阻值隨溫度的變化而變化的特性工作的. 如圖（甲）中，電源的電動(dòng)勢(shì)E9.0V，內(nèi)電阻可忽略不計(jì)；G為靈敏電流表，內(nèi)阻Rg保持不變；R為熱敏電阻，其電阻值與溫度的變化關(guān)系如圖（乙）的R-t圖線所示，閉合開關(guān)，當(dāng)R的溫度等于20時(shí)，電流表示數(shù)I1=2mA；當(dāng)電流表的示數(shù)I2=3.6mA時(shí)，熱敏電阻R的溫度是多少？【解析】從圖（乙）查得t=20時(shí)，R的阻值為，由得：設(shè)當(dāng)時(shí)，熱敏電阻的阻值為R，則從圖中查得此時(shí)對(duì)應(yīng)的溫度為t2=120答案：120問題2、傳感器與牛頓運(yùn)動(dòng)定律綜合類問題分析：【例題2】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(jì)了判斷小車運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的裝置，其

7、工作原理如下圖（a）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(gè)絕緣重球。小車向右做直線運(yùn)動(dòng)過程中，電流表示數(shù)如圖（b）所示，下列判斷正確的是（）A. 從t1到t2時(shí)間內(nèi)，小車做勻速直線運(yùn)動(dòng)B. 從t1到t2時(shí)間內(nèi)，小車做勻加速直線運(yùn)動(dòng)C. 從t2到t3時(shí)間內(nèi)，小車做勻速直線運(yùn)動(dòng)D. 從t2到t3時(shí)間內(nèi)，小車做勻加速直線運(yùn)動(dòng)答案：D變式2、如圖所示，小車沿水平面做直線運(yùn)動(dòng)，小車內(nèi)兩側(cè)A和B是兩個(gè)壓力傳感器，光滑底面上有一物塊和被壓縮的輕彈簧，小車向右加速運(yùn)動(dòng)，圖乙圖線P、Q是傳感器A受物塊的壓力或傳感器B受彈簧的壓力的大小隨時(shí)間變化的圖象，則下列描述正確的是（ ）A. P是傳感器A

8、的壓力示數(shù)，0T時(shí)間內(nèi)物塊做勻速運(yùn)動(dòng)B. P是傳感器A的壓力示數(shù)，0T時(shí)間內(nèi)物塊做勻加速運(yùn)動(dòng)C. Q是傳感器A的壓力示數(shù)，T以后的時(shí)間內(nèi)物塊做勻加速運(yùn)動(dòng)D. Q是傳感器B的壓力示數(shù)，T以后的時(shí)間內(nèi)物塊做勻加速運(yùn)動(dòng)答案：B（二）傳感器熱敏電阻熱敏特性實(shí)驗(yàn)分析：（1）熱敏特性實(shí)驗(yàn)：如圖所示.a. 在燒杯內(nèi)倒入少量冷水，放在鐵架臺(tái)上，將懸掛在鐵架臺(tái)上的溫度計(jì)放入水中.b. 將多用電表的選擇開關(guān)置于歐姆擋，將兩表筆短接，調(diào)零后再將兩支表筆分別與熱敏電阻的兩個(gè)接出端相連.c. 將熱敏電阻放入燒杯內(nèi)的水中. 在歐姆擋上選擇合適的倍率，再調(diào)零，把兩支表筆接到熱敏電阻兩輸出端，觀察表指示的熱敏電阻的阻值，填入

9、表格內(nèi).實(shí)驗(yàn)記錄：實(shí)驗(yàn)次數(shù)123456溫度/電阻/d. 分幾次向燒杯內(nèi)倒入開水，觀察不同溫度時(shí)熱敏電阻的阻值，記錄在表格內(nèi).e. 通過比較這些測(cè)得的數(shù)據(jù)，看看熱敏電阻是怎樣隨溫度變化的.f. 將多用電表的選擇開關(guān)置于交流電壓最高擋或“OFF”擋，拆開裝置，將器材按原樣整理好.問題3、傳感器實(shí)驗(yàn)問題分析：【例題3】某實(shí)驗(yàn)小組探究一種熱敏電阻的溫度特性. 現(xiàn)有器材：直流恒流電源（在正常工作狀態(tài)下輸出的電流恒定）、電壓表，待測(cè)熱敏電阻、保溫容器、溫度計(jì)、開關(guān)和導(dǎo)線等.（1）若用上述器材測(cè)量熱敏電阻的阻值隨溫度變化的特性，請(qǐng)你在左圖的實(shí)物圖上連線.（2）實(shí)驗(yàn)的主要步驟：正確連接電路，在保溫容器中注入適

10、量冷水，接通電源，調(diào)節(jié)并記錄電源輸出的電流值；在保溫容器中添加少量熱水，待溫度穩(wěn)定后，閉合開關(guān)， ，斷開開關(guān)；重復(fù)第步操作若干次，測(cè)得多組數(shù)據(jù).（3）實(shí)驗(yàn)小組算得該熱敏電阻在不同溫度下的阻值，并據(jù)此繪得上圖的R-t關(guān)系圖線，請(qǐng)根據(jù)圖線寫出該熱敏電阻的R-t關(guān)系式：R= + t（）（保留3位有效數(shù)字）答案：（1）（2）讀取溫度計(jì)示數(shù)，讀取電壓表示數(shù)（3）100 0.400變式3、熱敏電阻是傳感電路中常用的電子元件?，F(xiàn)用伏安法研究熱敏電阻在不同溫度下的伏安特性曲線，要求特性曲線盡可能完整。已知常溫下待測(cè)熱敏電阻的阻值約45。熱敏電阻和溫度計(jì)插入帶塞的保溫杯中，杯內(nèi)有一定量的冷水，其它備用的儀表和器

11、具有：盛有熱水的熱水杯（圖中未畫出）. 電源（3V. 內(nèi)阻可忽略）. 直流電流表（內(nèi)阻約1）. 直流電壓表（內(nèi)阻約5k）. 滑動(dòng)變阻器（020）. 開關(guān). 導(dǎo)線若干。（1）畫出實(shí)驗(yàn)電路圖，要求測(cè)量誤差盡可能小。（2）根據(jù)電路圖，在下圖的實(shí)物圖上連線。（3）簡(jiǎn)要寫出完成接線后的主要實(shí)驗(yàn)步驟_。答案：（1）如圖所示（2）如圖所示（3）往保溫杯中加入一些熱水，待溫度穩(wěn)定時(shí)讀出溫度計(jì)的值；調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器，快速測(cè)出幾組電流表和電壓表的值；重復(fù)，測(cè)量不同溫度下的數(shù)據(jù)；繪出各測(cè)量溫度下熱敏電阻的伏安特性曲線?？偨Y(jié)本節(jié)內(nèi)容?！灸M試題】*1、下列器件不是應(yīng)用溫度傳感器的是（ ）A、電熨斗 B、話筒 C、電飯鍋

12、 D、測(cè)溫儀*2、如圖所示，R1為定值電阻，R2為熱敏電阻，L為小燈泡，當(dāng)溫度降低時(shí)（ ）A、R1兩端的電壓增大B、電流表的示數(shù)增大C、小燈泡的亮度變強(qiáng)D、小燈泡的亮度變?nèi)?3、如圖所示，R3是光敏電阻，當(dāng)開關(guān)閉合后在沒有光照射時(shí)，a、b兩點(diǎn)等電勢(shì)，當(dāng)用光照射電阻R3時(shí)，則（ ）、R3的電阻變小，a點(diǎn)電勢(shì)高于b點(diǎn)電勢(shì)、R3的電阻變小，a點(diǎn)電勢(shì)低于b點(diǎn)電勢(shì)、R3的電阻變小，a點(diǎn)電勢(shì)等于b點(diǎn)電勢(shì)、R3的電阻變大，a點(diǎn)電勢(shì)低于b點(diǎn)電勢(shì)*4、下圖是霍爾元件的工作原理示意圖，用d表示薄片的厚度，k為霍爾系數(shù)，對(duì)于一個(gè)霍爾元件d、k為定值，如果保持I恒定，則可以驗(yàn)證UH隨B的變化情況。以下說法中正確的是（

13、 ）A、將永磁體的一個(gè)磁極逐漸靠近霍爾元件的工作面，UH將變大B、在測(cè)定地球兩極的磁場(chǎng)強(qiáng)弱時(shí)，霍爾元件的工作面應(yīng)保持水平C、在測(cè)定地球赤道上的磁場(chǎng)強(qiáng)弱時(shí)，霍爾元件的工作面應(yīng)保持水平D、改變磁感線與霍爾元件工作面的夾角，UH將發(fā)生變化*5、關(guān)于電子秤中應(yīng)變式力傳感器的說法正確的是（ ）A、應(yīng)變片由導(dǎo)體材料制成B、當(dāng)應(yīng)變片的表面拉伸時(shí)，其電阻變大，反之變小C、傳感器輸出的是應(yīng)變片上的電壓D、外力越大，輸出的電壓差值也越大*6、電容式話筒的保真度比動(dòng)圈式話筒好， 其工作原理如圖所示， Q是絕緣支架，M是薄金屬膜和固定電極N形成一個(gè)電容器，被直流電源充電，當(dāng)聲波使膜片振動(dòng)時(shí)，電容發(fā)生變化，電路中形成變

14、化的電流，當(dāng)膜片向右運(yùn)動(dòng)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*7、在家用電熱滅蚊器中，電熱部分主要元件是PTC元件，PTC元件是由鈦酸鈉等半導(dǎo)體材料制成的電阻器，其電阻率隨溫度t的變化關(guān)系如圖所示，由于這種特性，PTC元件具有發(fā)熱、保溫雙重功能，對(duì)此，以下判斷正確的是（ ）通電后，其電功率先增大，后減小 通電后，其電功率先減小，后增大當(dāng)其產(chǎn)生的熱量與散發(fā)的熱量相等時(shí)，溫度保持在t1不變當(dāng)其產(chǎn)生的熱量與散發(fā)的熱量相等時(shí)，溫度保持在t1和t2之間的某一值不變A、 B、 C、 D、*8、唱卡拉OK用的話筒，內(nèi)有傳感器，其中有一種是動(dòng)圈式的，它的工作原理是在彈性膜片后面粘接一個(gè)輕小的金屬線圈，線圈處于永磁體的磁場(chǎng)中，當(dāng)聲波使膜片前后振動(dòng)時(shí)，就將聲音信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào).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(dòng)時(shí)，穿過金屬線圈的磁通量不變D、膜片振動(dòng)時(shí)，金屬線圈中不會(huì)產(chǎn)