第六章1-4节传感器原理及应用问题综合

年级 高二 学 科 物理版 本人教新课标版课程标题 第六章1-4节传感器原理及应用问题综合编稿老师 张子厚 一校 黄楠二校林卉审核王新丽一、学习目标：1、知道常见传感器的工作原理，能结合已学知识，分析传感器在生产生活中的应用实例。

2、了解传感器的应用，如温度传感器与光传感器在实际生活中的应用实例。

二、重点、难点：重点：常见传感器的工作原理及各种敏感元件的特性；难点：各种传感器与实际问题的综合，及这类问题的分析方法。

三、考点分析：内容和要求 考点细目 出题方式 传感器传感器的定义 选择题传感器的组成及原理 传感器的分类 常见传感器的工作原理 热敏电阻和金属热电阻选择题光传感器 霍尔效应与霍尔元件 电容传感器的工作原理 传感器的应用传感器工作的一般原理选择、计算题常见传感器的应用实例 温度传感器与光传感器的应用传感器的应用实验 光控开关选择题温度报警器 一些元器件的原理和使用知识点1：压力传感器的应用问题：例：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，电流表示数变化与时间t 的关系如图乙所示，下列判断正确的是（ ）A. 从1t 到2t 时间内，小车做匀速直线运动B. 从1t 到2t 时间内，小车做匀加速直线运动C. 从2t 到3t 时间内，小车做匀速直线运动D. 从2t 到3t 时间内，小车做匀加速直线运动 答案：D变式题： 如图是某同学在科技制作活动中自制的电子秤原理图。

利用电压表（内电阻很大）的示数指示物体的质量。

托盘与电阻可忽略的金属弹簧相连，托盘与弹簧的质量均不计。

滑动变阻器的滑动端与弹簧上端连接，当托盘中没有放物体时，电压表示数为零。

设变阻器总电阻为R ，总长度为L ，电源电动势为E ，内阻为r ，限流电阻阻值为0R ，弹簧劲度系数为0k 。

若不计一切摩擦和其他阻力。

（1）求出电压表示数x U 与所称物体质量m 的关系式x U =__________________；（2）由（1）的计算结果可知，电压表示数与待测物体质量不成正比，不便于制作刻度。

为使电压表示数与待测物体质量成正比，请利用原有器材进行改进，在上图的基础上完成改进后的电路原理图，并得出电压表示数x U 与待测物体质量m 的关系式为x U =____________。

答案：（1）()mgRr R kL mgER++0（2）()LkR r R ERgm++0解析：由胡克定律知kx mg =，R 连入电路中的有效电阻kL mgR x L R R x =⋅=，根据闭合电路的欧姆定律可知xR r R EI ++=0，则()mgR r R kL mgER IR U x x ++==0。

（2）改进后的电路图如图所示。

()Lk R r R ERgmkmg L R R r R E U x ++=⋅⋅++=00知识点2： 敏感元件的特性的测定实验：例：热敏电阻是传感电路中常用的电子元件，现用伏安法研究热敏电阻在不同温度下的伏安特性曲线，要求特性曲线尽可能完整。

已知常温下待测热敏电阻的阻值约4Ω~5Ω。

热敏电阻和温度计插入带塞子的保温杯中，杯内有一定量的冷水，其他备用的仪表和器具有：盛有热水的热水瓶（图中未画出）、电源（3V ，内阻可忽略）、直流电流表（内阻约1Ω）、直流电压表（内阻约为5k Ω）、滑动变阻器（0~20Ω），开关、导线若干。

（1）在方框中画出实验电路图，要求测量误差尽可能小。

（2）根据电路图，在下图中的实物图上连线。

（3）简要写出完成连线后的主要实验步骤_______________________________________ ______________________________________________________________________________。

解析：（1）如图所示。

（2）如图所示。

（3）①往保温杯中加入一些热水，待温度稳定时读出温度计的数值；②调节滑动变阻器，快速测出几组电流表和电压表的值；③重复①~②步骤，测量不同温度下的数据；④绘出各测量温度下热敏电阻的伏安特性曲线。

【母题迁移】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UI 关系曲线图。

（1）为了通过测量得到下图乙所示U I -关系的完整曲线，在图甲（a ）和（b ）两个电路图中应选择的是图____，简要说明理由__________________（电源电动势为9V ，滑动变阻器的阻值为0~100Ω）。

（2）在图乙所示电路中，电源电压恒为9V ，电流表读数为70 mA ，定值电阻Ω=2501R ，由热敏电阻的U I -关系曲线可知，热敏电阻两端的电压为__________V ，电阻2R 的阻值为_________________Ω。

（3）举出一个应用热敏电阻的例子。

答案：（1）（a ）电压可从0调到所需电压，电压调节范围大 （2）5.2 111.8（111.6~112.0均可）（3）恒温箱（自动孵化器、热敏温度计等）。

知识点3：温度传感器在实际问题中的应用：例1：如图所示，是电饭煲的电路图。

1S 是一个温控开关，手动闭合后，当此开关温度达到居里点（103℃）时，会自动断开。

2S 是一个自动温控开关，当温度低于70℃时，会自动闭合；当温度高于80℃时，会自动断开。

红灯是加热时的指示灯，黄灯是保温时的指示灯。

分流电阻Ω==50021R R ，加热电阻丝Ω=503R ，两灯电阻不计。

（1）分析电饭煲的工作原理；（2）计算在加热和保温两种状态下，电饭煲消耗的电功率之比； （3）简要回答，如果不闭合开关1S ，能将饭煮熟吗？解析：（1）电饭煲盛上待煮食物后，接上电源，2S 自动闭合，同时手动闭合1S 。

这时黄灯短路，红灯亮，电饭煲处于加热状态。

加热到80℃时，2S 自动断开，1S 仍闭合；温度升高到103℃时，开关1S 自动断开，这时饭已煮熟，黄灯亮，电饭煲处于保温状态。

由于散热，等温度降至70℃时，2S 自动闭合，电饭煲进入加热状态，温度达到80℃时，2S 又自动断开，电饭煲再次处于保温状态。

（2）加热时电饭煲消耗的电功率并R U P 21=，保温时电饭煲消耗的电功率122R R U P +=并，Ω=+⋅=115003232R R R R R 并。

从而有=+=+=11/50011/500500121并并R R R P P1:12。

（3）如果不闭合开关1S ，开始2S 是闭合的，1R 被短路，当温度上升到80℃时，2S 自动断开。

温度降低到70℃时，2S 自动闭合……温度只能在70℃~80℃之间变化，不能把水烧开，故不能将饭煮熟。

变式题：图甲为在温度为10℃左右的环境中工作的某自动恒温箱原理简图，箱内的电阻Ω=k 201R ，Ω=k 102R ，Ω=k 403R ，t R 为热敏电阻值，它的电阻随温度变化的图线如图乙所示。

当a 、b 端电压0<ab U 时，电压鉴别器会令开关S 接通，恒温箱内的电热丝发热，使箱内温度升高；当0>ab U 时，电压鉴别器会令开关S 断开，停止加热，恒温箱内的温度恒定在________℃。

解析：本题考查了自动恒温箱的工作原理，应抓住0=ab U 的临界状态进行研究。

设电路路端电压为U ，当0=ab U 时，有3321R R R UR R R U tt ⋅+=+，解得Ω=k 20t R 。

由图乙可知，当Ω=k 201R 时，35=t ℃。

答案：35℃传感器在测量、自动控制等技术上有很重要的应用，与现代生产和生活息息相关，同学们在学习中要熟记各种敏感元件的特性，同时要结合具体的实例去体会传感器在实际问题当中的应用，通过了解电饭锅的工作原理，进一步认识传感器的应用。

传感器的问题涉及的知识面广，综合性强，可与力学、电学等内容综合在一起，突出考查学生对于实际物理模型的理解与抽象想象能力，弄清传感器的工作原理及对物理模型的过程分析是解决该类问题的关键。

一、预习新知期中复习二、预习点拨探究任务一：电磁感应问题：【反思】（1）感应电动势大小的计算有哪些重要方法？（2）解决电磁感应与电路、图象、能量等综合问题的分析方法是什么？探究任务二：交流电知识回顾：【反思】（1）理想变压器的重要规律有哪些？（2）处理远距离输电问题的方法是什么？（答题时间：45分钟）1. 如图所示是会议室和宾馆房间的天花板上装有的火灾报警器的结构原理图：罩内装有发光二极管LED、光电三极管和不透明的挡板。

平时光电三极管接收不到LED发出的光，呈现高电阻状态。

发生火灾时，下列说法正确的是（）。

A. 进入罩内的烟雾遮挡了光线，使光电三极管电阻增大，检测电路检测出变化发出警报B. 光电三极管温度升高，电阻变小，检测电路检测出变化发出警报C. 进入罩内的烟雾对光有散射作用，部分光线照到光电三极管上，电阻变小，发出警报D. 以上说法均不正确2. 在信息技术高速发展、电子计算机广泛应用的今天，担负着信息采集任务的传感器在自动控制、信息处理技术中发挥着越来越重要的作用，其中热电传感器是利用热敏电阻将热信号转换成电信号的元件。

某学习小组的同学在用多用电表研究热敏电阻特性实验中，安装好如图所示装置。

向杯内加入冷水，温度计的示数为20℃，多用电表选择适当的倍率，读R，然后向杯内加入热水，温度计的示数为60℃，发现多用电表的指针出热敏电阻的阻值1偏转角度较大，则下列说法正确的是（）。

A. 应选用电流挡，温度升高换用大量程测量B. 应选用电流挡，温度升高换用小量程测量C. 应选用电阻挡，温度升高时换用倍率大的挡D. 应选用电阻挡，温度升高时换用倍率小的挡3. 如图是电饭锅结构示意图，关于电饭锅下列说法正确的是（ ）。

A. 电饭锅中的传感器磁体是一种半导体材料B. 开始煮饭时，压下开关按钮的原因是克服弹簧的弹力使永磁体一端上升，上下触点接触接通电路C. 用电饭锅煮米饭，饭熟后水分被大米吸收，锅底的温度会升高，当升高到“居里温度”时，电饭锅会自动断电D. 用电饭锅烧水，水沸腾后也可以自动断电4. 如图所示，21R R 、为定值电阻，L 为小灯泡，3R 为光敏电阻，当照射光强度增大时（ ）。

A. 电压表的示数增大B. 2R 中电流减小C. 小灯泡的功率增大D. 电路的路端电压降低5. 如图所示为一实验小车中利用光电脉冲测量车速和行程的装置示意图，A 为光源，B 为光电接收器，B A 、均固定在车身上，C 为小车的车轮，D 为与C 同轴相连的齿轮。

车轮转动时，A 发出的光束通过旋转齿轮上齿的间隙后变成脉冲光信号，被B 接收并转换成电信号，由电子电路记录和显示。