第十三章　第4課時　實驗十六：利用傳感器制作簡單的自動控制裝置-2025年高中物理大一輪復習

第4課時傳感器實驗十六：利用傳感器制作簡單的自動控制裝置目標要求1.掌握制作傳感器的常用元件：光敏電阻、熱敏電阻、金屬熱電阻、電阻應變片、霍爾元件的基本特性及工作原理。2.探究傳感器的工作原理及傳感器應用的一般模式。3.能利用傳感器制作簡單的自動控制裝置?？键c一常見的傳感器一、傳感器及其工作原理1．傳感器的工作原理：能夠感受諸如力、溫度、光、聲、化學成分等被測量，并能把它們按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換為便于傳送和處理的可用信號輸出。通常轉(zhuǎn)換成的可用信號是電壓、電流等______量，或轉(zhuǎn)換為電路的________。把非電學量轉(zhuǎn)換為電學量，可以很方便地進行測量、______、處理和________。傳感器應用的一般模式如圖所示：2．傳感器的核心元件(1)敏感元件：能直接感受或響應外界被測非電學量的部分。(2)轉(zhuǎn)換元件：能將敏感元件輸出的信號直接轉(zhuǎn)換成________________的部分。(3)信號調(diào)整與轉(zhuǎn)換電路：能把輸出的微弱的電信號放大的部分。3．傳感器的分類工作原理舉例物理傳感器利用物質(zhì)的物理特性或物理效應感知并檢測出待測對象信息力傳感器、磁傳感器、聲傳感器等化學傳感器利用電化學反應原理，把無機或有機化學物質(zhì)的成分、濃度轉(zhuǎn)換為電信號離子傳感器、氣體傳感器等生物傳感器利用生物活性物質(zhì)的選擇性來識別和測定生物化學物質(zhì)酶傳感器、微生物傳感器、細胞傳感器等二、常見敏感元件1．光敏電阻(1)特點：一般情況下，光照越強，電阻越小。(2)原因：光敏電阻的構(gòu)成物質(zhì)為半導體材料，無光照時，載流子極少，導電性能________；隨著光照的________，載流子增多，導電性________。(3)作用：把________________這個光學量轉(zhuǎn)換為________這個電學量。2．熱敏電阻和金屬熱電阻(1)熱敏電阻熱敏電阻一般由半導體材料制成，其電阻隨溫度的變化明顯，溫度升高電阻________，如圖甲所示為某一熱敏電阻的阻值隨溫度變化的特性曲線。(2)金屬熱電阻有些金屬的電阻率隨溫度的升高而________，這樣的電阻也可以制作溫度傳感器，稱為熱電阻，如圖乙所示為某金屬導線電阻的溫度特性曲線。(3)作用：熱敏電阻和金屬熱電阻都能夠把溫度這個熱學量轉(zhuǎn)換為電阻這個電學量。注意：在工作溫度范圍內(nèi)，電阻值隨溫度上升而增加的是正溫度系數(shù)(PTC)熱敏電阻器；電阻值隨溫度上升而減小的是負溫度系數(shù)(NTC)熱敏電阻器。3．電阻應變片(1)電阻應變片的作用：電阻應變片能夠把物體________這個力學量轉(zhuǎn)換為________這個電學量。(2)電子秤的組成及敏感元件：由____________和電阻____________________組成，敏感元件是________________。(3)電子秤的工作原理eq\x(\a\vs4\al\co1(金屬梁自由,端受力F))?eq\x(\a\vs4\al\co1(金屬梁發(fā),生彎曲))?eq\x(\a\vs4\al\co1(應變片的,電阻變化))?eq\x(\a\vs4\al\co1(兩應變片上電,壓的差值變化))4．霍爾元件的應用霍爾元件是根據(jù)霍爾效應原理制成的一種磁敏元件。一般用于電機中測定轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，如錄像機的磁鼓、電腦中的散熱風扇等。(1)霍爾元件的工作原理：E、F間通入恒定的電流I，同時外加與薄片垂直的磁場B，薄片中的載流子就在洛倫茲力作用下，向著與電流和磁場都垂直的方向漂移，使M、N間出現(xiàn)電壓(如圖所示)。(2)霍爾元件在電流、電壓穩(wěn)定時，載流子所受靜電力和洛倫茲力二力平衡。(3)霍爾電壓：UH＝keq\f(IB,d)(d為薄片的厚度，k為霍爾系數(shù))。其中UH與B成正比，所以霍爾元件能夠把磁感應強度這個磁學量轉(zhuǎn)換為電壓這個電學量。1．傳感器是把非電學量轉(zhuǎn)換為電學量的元件。()2．傳感器只能感受溫度和光兩個物理量。()3．隨著光照的增強，光敏電阻的電阻值一定逐漸增大。()4．電子秤所使用的測力裝置是力傳感器，它是把力信號轉(zhuǎn)換為電壓信號。()例1(多選)(2023·浙江1月選考·14)下列說法正確的是()A．利用電容傳感器可制成麥克風B．物體受合外力越大，則動量變化越快C．利用紅外傳感器可制成商場的自動門D．牛頓運動定律不適用，則動量守恒定律也不適用例2(2022·北京卷·13)某同學利用壓力傳感器設計水庫水位預警系統(tǒng)。如圖所示，電路中的R1和R2，其中一個是定值電阻，另一個是壓力傳感器(可等效為可變電阻)。水位越高，對壓力傳感器的壓力越大，壓力傳感器的電阻值越小。當a、b兩端的電壓大于U1時，控制開關(guān)自動開啟低水位預警；當a、b兩端的電壓小于U2(U1、U2為定值)時，控制開關(guān)自動開啟高水位預警。下列說法正確的是()A．U1<U2B．R2為壓力傳感器C．若定值電阻的阻值越大，開啟高水位預警時的水位越低D．若定值電阻的阻值越大，開啟低水位預警時的水位越高考點二實驗：利用傳感器制作簡單的自動控制裝置例3(2023·四川內(nèi)江市模擬)純電動汽車的蓄電池的安全性，主要體現(xiàn)在對其溫度的控制上，當電池溫度過高時，必須立即啟動制冷系統(tǒng)進行降溫。圖甲是小明設計的模擬控溫裝置示意圖，電磁繼電器與熱敏電阻Rt、滑動變阻器RP串聯(lián)接在電壓為5V的電源(不計內(nèi)阻)兩端。當電磁鐵線圈(電阻不計)中的電流I大于或等于20mA時，銜鐵被吸合，熱敏電阻置于溫度監(jiān)測區(qū)域，其阻值Rt與溫度t的關(guān)系如圖乙所示，滑動變阻器的最大阻值為200Ω。則：(1)圖甲中應將b端與________(選填“a”或“c”)端相連；(2)若設置電池溫度為50℃時啟動制冷系統(tǒng)，則滑動變阻器阻值應為________Ω；(3)該電路可設置啟動制冷系統(tǒng)的最高溫度是________℃。考點三含傳感器的電學實驗例4(2022·重慶卷·11)某興趣小組研究熱敏電阻在通以恒定電流時，其阻值隨溫度的變化關(guān)系。實驗電路如圖所示，實驗設定恒定電流為50.0μA，主要實驗器材有：恒壓直流電源E、加熱器、測溫儀、熱敏電阻RT、可變電阻R1、電流表A、電壓表V。(1)用加熱器調(diào)節(jié)RT的溫度后，為使電流表的示數(shù)仍為50.0μA，須調(diào)節(jié)________________(選填一種給定的實驗器材)。當RT兩端未連接電壓表時，電流表示數(shù)為50.0μA；連接電壓表后，電流表示數(shù)顯著增大，須將原電壓表更換為內(nèi)阻____________(選填“遠大于”“接近”或“遠小于”)RT阻值的電壓表。(2)測得RT兩端的電壓隨溫度的變化如圖所示，由圖可得溫度從35.0℃變化到40.0℃的過程中，RT的阻值隨溫度的平均變化率是____________kΩ·℃－1(保留2位有效數(shù)字)。例5(2023·湖南卷·12)某探究小組利用半導體薄膜壓力傳感器等元件設計了一個測量微小壓力的裝置，其電路如圖(a)所示，R1、R2、R3為電阻箱，RF為半導體薄膜壓力傳感器，C、D間連接電壓傳感器(內(nèi)阻無窮大)。(1)先用歐姆表“×100”擋粗測RF的阻值，示數(shù)如圖(b)所示，對應的讀數(shù)是________Ω；(2)適當調(diào)節(jié)R1、R2、R3，使電壓傳感器示數(shù)為0，此時，RF的阻值為________(用R1、R2、R3表示)；(3)依次將0.5g的標準砝碼加載到壓力傳感器上(壓力傳感器上所受壓力大小等于砝碼重力大小)，讀出電壓傳感器示數(shù)U，所測數(shù)據(jù)如下表所示：次數(shù)123456砝碼質(zhì)量m/g0.00.51.01.52.02.5電壓U/mV057115168220280根據(jù)表中數(shù)據(jù)在圖(c)上描點，繪制U－m關(guān)系圖線；(4)完成前面三步的實驗工作后，該測量微小壓力的裝置即可投入使用。在半導體薄