新教材同步系列2024春高中物理第5章传感器章末综合提升教师用书粤教版选择性必修第二册

第5章传感器
主题1 传感器工作原理、常见敏感元件及其应用
1．传感器的工作原理
传感器是能够感知被测量的信息，并将其按照一定的规律转化为可用信号的器件或装置。

其组成框图如下：
被测量
→敏感元件―→转换元件―→转换电路电学量
2．光敏电阻
光敏电阻是用半导体材料制成的，其特点是在被光照射时电阻会发生变化，光照增强电阻减小，光照减弱电阻增大，其作用是把光学量转换为电学量。

3．热敏电阻和金属热电阻
金属热电阻的电阻率随温度升高而增大。

其特点是化学稳定性好，测温范围大，但灵敏度较差。

热敏电阻是由半导体材料制成的，其电阻率对温度非常敏感。

热敏电阻有正温度系数(PTC 热敏电阻)、负温度系数(NTC热敏电阻)两种。

正温度系数的热敏电阻的阻值随温度升高而
增大，负温度系数的热敏电阻的阻值随温度升高而减小。

金属热电阻和热敏电阻都能把热学量转换为电学量。

4．电容器
平行板电容器的电容大小与极板正对面积、极板间距及电介质材料有关，电容器可以感知引起电容变化的任一外界信息并将其转化为相应的电容变化。

例如，当极板受力时会改变极板间距，从而引起电容变化。

5．霍尔元件。

霍尔元件能把磁感应强度这一磁学量转换成电压这一电学量，霍尔电压U H＝k IB
d
【典例1】如图为某一热敏电阻(电阻值随温度的改变而改变，且对温度很敏感)的I-U关系曲线图。

(1)为了通过测量得到图甲所示I-U关系的完整曲线，在图乙和丙两个电路中应选择的是图_ _______；简要说明理由：_________________。

(电源电动势为9 V，内阻不计，滑动变阻器的阻值为0～100 Ω)
(2)在如图丁所示电路中，电源电压恒为9 V，内阻不计，电流表读数为70 mA，定值电阻R1＝250 Ω。

由热敏电阻的I-U关系曲线可知，热敏电阻两端的电压为________V；电阻R2的阻值为________Ω。

[解析](1)应选择题图乙，因为题图乙中电路电压可从0 V调到所需电压，电压调节范围
大。

(2)由题图丁知R2与热敏电阻串联后与R1并联接在9 V电源上，总电流I＝70 mA，R1＝250 Ω。

设通过热敏电阻的电流为I2，通过R1的电流为I1，则I＝I1＋I2，故I2＝I－I1＝(70－
9
×103)mA＝34 mA。

由图像甲查得34 mA对应的电压为5.0 V，R2两端电压U2＝9 V－5.0 V 250
Ω≈117.6 Ω。

＝4.0 V，所以R2＝ 4.0
34×10−3
[答案](1)乙因为乙电路电压可从0 V调到所需电压，电压调节范围大(2)5.0 117.6
对传感器的进一步理解
(1)不同的传感器的原理不同，但都是通过敏感元件把非电学量的变化转变为电学量的变化。

(2)传感器输出的电学量可能为电流、电压、电路通断等，不一定是电压。

(3)敏感元件只是传感器的一个关键部分，并不一定就是一个完整的传感器。

主题2 传感器在实际问题中的应用
以传感器为桥梁可以将多方面的物理知识整合在一起，在实际问题中既可以直接考查传感器知识，也可以考查敏感元件的敏感特性，几种传感器及与其相联系的物理知识，如表：传感器种类敏感元件与之相联系的物理知识
光电传感器光敏电阻直流电路动态分析
温度传感器热敏电阻直流电路问题
力传感器压敏电阻力学、运动学与直流电路
电容传感器电容器力、运动与含电容电路
【典例2】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照强度的变化而变化，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(如夜晚)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，夜晚打开。

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和触点连接。

当励磁线圈中电流大于等于50 mA时，电磁铁吸合铁片，弹簧片和触点分离，3、4断开；电流小于50 mA时，3、4接通。

励磁线圈中允许通过的最大电流为100 mA。

(1)利用以下器材设计一个自动控制路灯的电路，在下面虚线框中画出电路原理图。

光敏电阻R1，符号
灯泡L，额定功率40 W，额定电压36 V，符号L⊗
保护电阻R2，符号
电磁开关，符号
蓄电池E，电压36 V，内阻不计
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200 Ω，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任意举出一个其他的电磁铁应用的例子。

答：_______________________________________________________________。

[解析](1)电路原理如图所示。

(2)①由题意知：U＝IR＝0.1 A×200 Ω＝20 V
R2的阻值最小时流过励磁线圈的电流最大，
，解得R min＝160 Ω；
即I max＝E
R+R min
R2的阻值最大时流过励磁线圈的电流最小，
即I min＝E
，解得R max＝520 Ω。

R+R max
故保护电阻R2的阻值范围为160～520 Ω。

②把触点从弹簧片右侧移到弹簧片左侧，保证当磁铁吸合铁片时，3、4之间接通；不吸合时，3、4之间断开。

③电磁起重机(电磁打点计时器、电铃等合理答案均可)。

[答案](1)见解析(2)①20160～520 ②把触点从弹簧片右侧移到弹簧片左侧，保证当磁铁吸合铁片时，3、4之间接通；不吸合时，3、4之间断开③见解析
(1)传感器中的敏感元件用于接收非电学量，并将其转换为电学量。

(2)传感器一般用于有害于人体或人不能轻易到达的环境。

(3)在不同的仪器中所使用的传感器一般不同，其原理也不尽相同，但都是将非电学量转化为电学量。

章末综合测评(五) 传感器
一、单项选择题
1．下列说法正确的是( )
A．凡将非电学量转化为电学量的传感器都是物理传感器
B．湿敏传感器只能是物理传感器
C．物理传感器只能将采集到的信息转化为电压输出
D．物理传感器利用的是物质的物理性质和物理效应
D[除了物理传感器，还有化学、生物传感器也可将非电学量转化为电学量，故A错误；湿敏传感器也可能是化学传感器，故B错误；传感器既可将信息转化为电压输出，也可转化为电流、电阻等输出，故C错误；由物理传感器的定义知D正确。

]
2．人类发射的绕地球运转的所有航天器，在轨道上工作时都需要电能，所需要的电能都是由太阳能电池把太阳能转化为电能得到的，要求太阳能电池板总是对准太阳，为达到这一要求应利用下列哪种传感器来感知太阳方位( )
A．力传感器B．光传感器
C．温度传感器D．生物传感器
B[太阳能电池板的有效采光面积不同，所产生的电流不同，当正对太阳时电流最大，所以应用的是光传感器，选项B正确，选项A、C、D错误。

]
3．下列说法不正确的是( )
A．所有传感器都是由半导体材料制成的
B．金属热电阻的化学稳定性好，但灵敏度差
C．霍尔元件是能够把磁感应强度这个磁学量转换为电压这个电学量的传感器
D．热敏电阻可以把温度这个热学量转换为电阻这个电学量
A[传感器材料可以是半导体材料、陶瓷材料、金属材料和有机材料等，选项A错误；金属热电阻由金属材料制成，其化学稳定性好，但灵敏度差，选项B正确；霍尔元件是能够把磁感应强度这个磁学量转换为电压这个电学量的传感器，选项C正确；热敏电阻可以把温度这个热学量转换为电阻这个电学量，选项D正确。

]
4．如图是用电流传感器(相当于电流表，其电阻可以忽略不计)研究自感现象的实验电路，图中两个电阻的阻值均为R，L是一个自感系数足够大的自感线圈，其直流电阻值也为R。

下图是某同学画出的在t0时刻开关S由闭合变为断开，通过传感器的电流随时间变化的图像。

关于这些图像，下列说法中正确的是( )
A．甲图是通过传感器1的电流随时间变化的情况
B．乙图是通过传感器1的电流随时间变化的情况
C．丙图是通过传感器2的电流随时间变化的情况
D．丁图是通过传感器2的电流随时间变化的情况
C[开关S由闭合变为断开，传感器1中的电流立刻变为零，如题图丁；传感器2中的电流由于线圈的自感作用，电流反向并逐渐减小，如题图丙，故C正确，A、B、D错误。

] 5．陶瓷气敏传感器可以用于分析气体中酒精蒸气的含量，常用于检查驾驶人员是否饮酒。

如果司机饮酒，血液中的酒精成分会扩散到呼出的气体中，呼出的气体喷向传感器，传感器的电阻将发生相应的变化，从而可以检测血液中的酒精含量。

某种陶瓷气敏传感器的电导(即电阻的倒数)与气体中酒精蒸气浓度C的关系如图甲所示。

现用其组成如图乙所示的检测电路(电源内阻为r，电流表内阻不计)。

对此，以下说法正确的是( )
A．此陶瓷气敏传感器的电阻与气体中酒精蒸气的浓度成正比
B．气体中酒精蒸气的浓度越大，则电流表指针偏转的角度越小
C．气体中酒精蒸气的浓度越大，则电池的路端电压越小，电阻R0两端的电压也越小D．电源用的时间长了，内阻变大，则会导致测得的酒精浓度偏低
D[由题图甲可知，传感器的电阻与气体中酒精蒸气的浓度成反比，故A错误；因为酒精蒸气的浓度C越大，传感器的电阻越小，电路中的电流越大，电流表指针偏转的角度越大，路端电压越小，R0两端电压越大，故B、C错误；若电源用的时间长了，内阻变大，则相同浓度时总电阻变大，电流变小，测量的酒精浓度C偏低，故D正确。

]
6．如图所示，电源两端的电压恒定，L为小灯泡，R为光敏电阻，D为发光二极管(电流越大，发光越强)，且R与D距离不变，下列说法中正确的是( )
A．当滑动触头向左移动时，L消耗的功率增大
B．当滑动触头向左移动时，L消耗的功率减小
C．当滑动触头向右移动时，L消耗的功率可能不变
D．无论怎样移动滑动触头，L消耗的功率都不变
A[电源电压恒定，也就是说，并联电路两端的电压恒定，当滑动触头向左移动时，发光二极管发光变强，光敏电阻的电阻变小，所以电流变大，则L的功率变大。

]
7．在一些学校的教室里，为了保证照明条件，采用了智能照明系统，在自然光不足时接通电源启动日光灯，而在自然光充足时，自动关闭日光灯。

其原理图如图所示，R为一光敏电阻，L为一带铁芯的螺线管。

在螺线管上方有一用细弹簧悬着的轻质衔铁，衔铁的一端用铰链固定使其可以自由转动，另一端用一绝缘棒连接两动触头。

关于该智能照明系统的工作原理，下列描述错误的是( )
A．光照较强时，光敏电阻的阻值较小，衔铁被吸引下来
B．光线不足时，光敏电阻的阻值较大，所在电路电流较小，衔铁被弹簧拉上去，日光灯接通
C．上面的两接线柱应该和日光灯电路连接
D．下面的两接线柱应该和日光灯电路连接
D[由光敏电阻的特性可知，光照强度较强时，电阻较小，电流较大，衔铁被吸引下来，日光灯电路断开；光线不足时，电阻较大，电流较小，衔铁被弹簧拉上去，日光灯电路接通。

因此，上面的两接线柱应该和日光灯电路连接。

选项A、B、C正确，故选D。

]
二、多项选择题
8．如图所示为一种自动跳闸的闸刀开关，O是转轴，A是绝缘手柄，C是闸刀卡口，M、N 接电源线，闸刀处于垂直纸面向里、磁感应强度B＝1 T的匀强磁场中，C、O间距离为10 cm。

当磁场力为0.2 N时，闸刀开关会自动跳开。

则要使闸刀开关能跳开，CO中通过的电流的大小和方向为( )
A．电流方向C→O B．电流方向O→C
C．电流大小为2 A D．电流大小为1 A
BC[只有当OC受到向左的安培力时，闸门才能自动跳开，根据左手定则知电流的方向是O→C，CO所受安培力大小为F安＝BIl＝0.2 N，从而解得I＝2 A。

]
9．为了保证汽车车轮在制动时不是完全刹死滑行，而是让车轮仍有一定的滚动，我们用一个自动检测车速的传感器来控制车轮的转动，其原理如图所示(铁质齿轮P与车轮同步转动，右端是一个绕有线圈的磁体)，下列说法正确的是( )
A．M是一个电流检测器
B．M是一个定值电阻
C．该传感器是把运动情况转化为电学物理量
D．该传感器是把运动情况转化为力学物理量
AC[当车轮带动齿轮转动时，线圈中会有电流，这是由于轮齿靠近线圈时被磁化，使磁场增强，轮齿离开线圈时磁场减弱，磁通量变化使线圈中产生了感应电流。

将这个电流放大后去控制制动机构，可有效地防止车轮被制动抱死。

所以，A、C两项正确。

]
10．氧化锡传感器主要用于汽车尾气中一氧化碳浓度的检测。

它的电阻随一氧化碳浓度的变化而变化，在如图甲所示的电路中，不同的一氧化碳浓度对应着传感器的不同电阻，这样，显示仪表的指针就与一氧化碳浓度有了对应关系，观察仪表指针就能判断一氧化碳浓度是否超标。

有一种氧化锡传感器，其技术资料中给出的传感器电导(即电阻的倒数)-CO浓度关系图线如图乙所示，请判断，电压表示数U0与一氧化碳浓度c之间的对应关系不可能是图丙中的( )
A B C D
丙
ACD[当一氧化碳浓度增大时，传感器的电导增大，电阻R传减小，由闭合电路欧姆定律知，
电路中的电流I＝E
R0+R+R
传+r
增大，电压表示数U0＝IR0＝ER0
R0+R+R
传
+r
增大，故选项C、D错误；
由题图乙知，传感器的电阻R传与浓度成反比，即R传＝k
c ，则U0＝ER0
R0+R+r+k
c
，所以电压表示
数U0与一氧化碳浓度之间的关系图线并不是直线，选项A错误，B有可能，故选ACD。

] 三、非选择题
11．(2022·陕西渭南高二期末)传感器在现代生活、生产和科技中有着相当广泛的应用，如图甲是一个压力传感器设计电路，要求从表盘上直接读出压力大小，其中R1是保护电阻，R2是调零电阻(总电阻200 Ω)，理想电流表量程为10 mA，电源电动势E＝10 V(内阻不计)，压敏电阻的阻值R与所受压力大小F的对应关系如图乙所示。

(1)以下三个规格的保护电阻，R1应选择____________________。

A．8 ΩB．80 Ω
C．800 Ω
(2)正确选取、安装保护电阻R1后，要对压力传感器进行调零(要求压力为零时电流表满偏)，则调零电阻R2应调为__________Ω。

(3)接下来对表盘进行重新赋值，原5 mA刻度线应标注__________N。

[解析](1)根据闭合电路欧姆定律得10×10-3 A＝E
100 Ω+R1
解得R1＝900 Ω，C项接近这一数值，故选C。

(2)根据闭合电路欧姆定律得10×10-3 A＝E
100 Ω+800 Ω+R2
解得R2＝100 Ω。

(3)根据闭合电路欧姆定律得5×10-3 A＝E
100 Ω+800 Ω+R
解得R＝1 100 Ω，根据题图乙得
R＝F＋100(仅数值关系式)
解得F＝1 000 N。

[答案](1)C (2)100 (3)1 000
12．(2022·河北卷)某物理兴趣小组利用废弃电饭煲的部分器材自制简易电饭煲，设计电路如图甲所示。

选用的器材有：限温开关S1(手动将其按下，开始持续加热煮饭，当锅内温度高于103 ℃时自动断开，之后不能自动闭合)；保温开关S2(当锅内温度高于80 ℃时自动断开，温度低于70 ℃时自动闭合)；电饭煲的框架(结构如图乙所示)。

自备元件有：加热电阻丝R(阻值为60 Ω，用于加热煮饭)；限流电阻R1和R2(阻值均为1 kΩ)；指示灯L1和L2(2.5 V，0.6 W，当电流低于30 mA时可视为熄灭)；保险丝T。

(1)按照兴趣小组设计的电路，下列说法正确的是__________(多选)。

A．按下S1，L1和L2均发光
B．当锅内温度高于103 ℃时，S1自动断开，L1和L2均发光
C．保温过程中，S2自动在闭合、断开状态之间交替切换
D．当锅内温度低于70 ℃时，S2自动闭合，L1发光，L2熄灭
(2)简易电饭煲制作完成后，试用时L1始终不亮，但加热和保温功能均正常。

在不增加元件的前提下，断开电源，使用多用电表判断发生故障的元件。

下列操作步骤的正确顺序是__________(填写各步骤前的字母)。

A．将选择开关旋转到“×100”位置
B．将两支表笔直接接触，调节“欧姆调零旋钮”，使指针指向欧姆零点
C．调整“指针定位螺丝”，使指针指到零刻度
D．测量指示灯L1两端的阻值
E．将选择开关置于OFF位置或交流电压最高挡
操作时，将多用电表两表笔与L1两端接触，若指针如图丙所示，可判断是__________断路损坏；若指针如图丁所示，可判断是__________断路损坏。

(用电路中的元件符号表示) [解析](1)按下S1后L2支路被短路，则L2不会发光，A错误；当锅内温度高于103 ℃时，S1断开，而要温度降到70 ℃以下时S2才会闭合，则此时L2可能发光，此时电路中R与R1和L1的串联部分并联，并联的整体再和L2、R2串联，则回路中R L2≈10.42 Ω，并联的整体电阻R并≈56.64 Ω
则回路总电阻R总＝1 067.06 Ω
则回路总电流I总＝220 V
R
总
≈0.21 A
则L2一定发光，此时并联的整体的电压为U并＝I总R并≈11.89 V
则流过L1的电流为I L1＝U 并
R L1+R1＝11．89
1 000+10.42
A≈0.012 A
则流过L1的电流小于30 mA，则L1熄灭，B错误；
由题知，S2在锅内温度高于80 ℃时自动断开，锅内温度降到70 ℃以下时自动闭合，C正确；
当锅内温度低于70 ℃时，S2自动闭合，L2支路被短路，则L2不会发光，此时电路中R与R1
和L1的串联部分并联，则此时流过L1的电流为I′L1＝E
R L1+R1＝220
1 000+10.42
A≈0.218 A
则此时流过L1的电流大于30 mA，则L1发光，D正确。

(2)多用电表的操作步骤为：调整“指针定位螺丝”，使指针指到零刻度——机械调零；将选择开关旋转到“×100”位置——选挡；将两支表笔直接接触，调节“欧姆调零旋钮”，使指针指向欧姆零点——欧姆调零；测量指示灯L1两端的阻值——测量；将选择开关置于OFF位置或交流电压最高挡——关闭多用电表。

故正确顺序为CABDE。

由于使用时L1始终不亮，但加热和保温功能均正常，则说明R、L2、R2、T均正常，如图丙可看出L1两端有1 100 Ω左右的电阻，则说明L1始终不亮的原因是L1断路损坏。

由于使用时L1始终不亮，但加热和保温功能均正常，则说明R、L2、R2、T均正常，如图丁可看出欧姆表的示数几乎为零，但由于R L1＝10.42 Ω，此时选用的是“×100”档，则说明灯泡L1正常，则说明L1始终不亮的原因是R1断路损坏。

[答案](1)CD (2)CABDE L1R1
13．如图所示是一种测量血压的压力传感器在工作时的示意图，薄金属片P固定有4个可以形变的电阻R1、R2、R3、R4，如图乙。

图甲是它的侧面图，这4个电阻连成的电路如图丙所示，试回答下列问题：
(1)开始时金属片中央O点未加任何压力，欲使电压表无示数，则4个电阻应满足怎样的关系？
(2)当O点被施加一个压力F后发生形变，这时4个电阻也随之发生形变，形变后各电阻阻值大小如何变化？
[解析](1)本题是求电路A、B两点的电压与4个电阻的关系，由于电压表的电阻可以看作无穷大，因此本电路是R1与R2串联，R3与R4串联，然后它们再并联。

设上面部分电流为I上，下面部分电流为I下，要使A点电势等于B点电势，则应有电阻R1上的电压等于R3上的电压，电阻R2上的电压等于电阻R4上的电压，即I上R1＝I下R3①，I上R2＝I下R4②，联立①②式得
到R1
R2＝R3
R4。

(2)当在O点施加垂直于金属片的压力后，金属片发生形变，由于电阻是固定在金属片上的，因此R1、R4被拉长，R2、R3被拉宽，即R1、R4增大，R2、R3减小，这时A、B两点电势不再相等。

[答案](1)R1
R2＝R3
R4
(2)R1、R4增大R2、R3减小
14．某课外小组设计了一种测定风速的装置，其原理如图所示，一个劲度系数k＝120 N/m、自然长度L0＝1 m 的弹簧一端固定在墙上的M点，另一端N与导电的迎风板相连，弹簧穿在光滑水平放置的电阻率较大的金属杆上，弹簧是不导电材料制成的。

迎风板面积S＝0.5 m2，工作时总是正对着风吹来的方向。

电路的一端与迎风板相连，另一端在M点与金属杆相连。

迎风板可在金属杆上滑动，且与金属杆接触良好。

定值电阻R＝1.0 Ω，电源的电动势E＝12 V，内阻r＝0.5 Ω。

闭合开关，没有风吹时，弹簧处于原长，电压表的示数U1＝9.0 V，某时刻由于风吹迎风板，电压表的示数变为U2＝6.0 V。

(电压表可看成理想电表)试求：
(1)金属杆单位长度的电阻；
(2)此时作用在迎风板上的风力。

[解析]设无风时金属杆接入电路的电阻为R1，风吹时接入电路的电阻为R2，由题意得
(1)无风时：由U1＝E
R1+R+r
R1得R1＝4.5 Ω
所以金属杆单位长度的电阻
r0＝R1
L0＝4.5
1
Ω/m＝4.5 Ω/m。

(2)有风时：由U2＝E
R2+R+r
R2得R2＝1.5 Ω
此时，弹簧长度L＝R2
r0＝1
3
m
压缩量x＝L0－L＝(1−1
3) m＝2
3
m
由平衡条件得此时风力：F＝kx＝120×2
3
N＝80 N。

[答案](1)4.5 Ω/m(2)80 N
15．有一种测量人体重的电子秤，其原理图如图中的虚线框内所示，它主要由三部分构成：踏板和压力杠杆ABO、压力传感器R(一个阻值可随压力大小而变化的电阻器)、显示体重的仪表A(其实质是电流表)。

其中AO∶BO＝5∶1。

已知压力传感器的电阻与其所受压力的关系
如下表所示：
压力F/N 050100150200250300…
电阻R/Ω300270240210180150120…设踏板和杠杆组件的质量不计，接通电源后，压力传感器两端的电压恒为4.68 V，则：
(1)利用表中数据归纳出电阻R随压力F变化的函数关系式。

(2)该秤零刻度线(即踏板空载时的刻度线)应标在电流表刻度盘多少毫安处？
(3)如果某人站在踏板上，电流表刻度盘示数为20 mA，这个人的体重是多少。

[解析](1)由表中数据可归纳得出R＝300－0.6F(Ω)。

(2)依题意可知，电子秤空载时压力传感器受到的压力为0，由表可知，此时压力传感器的
电阻R1＝300 Ω，电路中的电流为I1＝U
R1＝4.68
300
A＝15.6 mA，所以该秤零刻度线应标在电流
表刻度盘的15.6 mA处。

(3)当电流表刻度盘的示数为I2＝20 mA时，压力传感器的电阻R2＝U
I2＝4.68
0.02
Ω＝234 Ω，
由R＝300－0.6F(Ω)得F2＝110 N，再由F2·AO＝G·BO得G＝550 N。

[答案](1)R＝300－0.6F(Ω)(2)15.6 mA (3)550 N。