高二物理传感器及其应用习题

传感器及其应用课时安排：2课时教学目标：1．知道什么是传感器，知道传感器是由敏感元件、电子线路与控制线路等组成的2．常见的传感器工作原理及简单应用3．应用传感器知识解决一些实际问题本讲重点：常见的传感器工作原理及简单应用本讲难点：应用传感器知识解决一些实际问题考点点拨：1．热敏电阻的特性2．光敏电阻的特性3．力传感器的应用4．温度传感器的应用5．霍尔元件的应用第一课时一、考点扫描知识整合1．什么是传感器？它是怎样的一类元件？2．热敏电阻和金属热电阻是一回事吗？它们的阻值随温度分别怎样变化？3．霍尔电压U H=__________，式中各量分别表示什么？4．光敏电阻有何特性？5．传感器应用的一般模式是怎样的？请画图表示。

6．常用的一种力传感器是由_________和__________组成的，________是一种敏感元件，现在多用半导体材料组成，受压时其上表面拉伸，电阻变_____，下表面压缩，电阻变_____。

外力越大，这两个表面的电压差值就越_____。

7．指出以下传感器应用的实例中，所应用的传感器，或主要元件。

（1）电子秤：_________的应用，敏感元件是_________（2）话筒：_________的应用，分_______和_________两种。

（3）电熨斗：_________的应用，敏感元件是_________，作用：控制________的通断。

（4）电饭锅：_________的应用，敏感元件是_________，作用：控制________的通断。

（5）测温仪：_________的应用，测温元件是________或_________、________、_________。

（6）鼠标器：_________的应用，主要元件是________或_________（7）火灾报警器：_________的应用，利用烟雾对____________来工作的。

二、高考要点精析（一）热敏电阻的特性☆考点点拨热敏电阻的阻值随温度升高而减小。

与金属热电阻的特性相反。

【例1】如图所示，将多用表的选择开关置于“欧姆”挡，再将电表的两支表笔与负温度系数的热敏电阻R t（负温度系数热敏电阻是指阻值随温度的升高而减小的热敏电阻）的两端相连，这时表针恰好指在刻度盘的正中间．若往R t上擦一些酒精，表针将向________（填“左”或“右”）移动；若用吹风机将热风吹向电阻，表针将向________（填“左”或“右”）移动。

分析：若往R t上擦一些酒精，由于酒精蒸发吸热，热敏电阻R t温度降低，电阻值增大，所以电流减少，指针应向左偏；用吹风机将热风吹向电阻，电阻R t温度升高，电阻值减小，电流增大，指针向右偏．答案：左右点评：欧姆表的表盘刻度最右侧为0，最左侧为最大值．☆考点精炼1．如图所示，R 1为定值电阻，R 2为负温度系数的热敏电阻（负温度系数热敏电阻是指阻值随温度的升高而减小的热敏电阻），L为小灯泡，当温度降低时（）A．R 1两端的电压增大B．电流表的示数增大C．小灯泡的亮度变强D．小灯泡的亮度变弱（二）光敏电阻的特性☆考点点拨光敏电阻的阻值与光照强度有关。

光照越强，阻值越小。

【例2】如图所示，R1、R2为定值电阻，L为小灯泡，R3为光敏电阻，当照射光强度增大时，（）A．电压表的示数增大B．R 2中电流减小C．小灯泡的功率增大D．电路的路端电压增大分析：当光强度增大时，R3阻值减小，外电路电阻随R3的减小而减小，R1两端电压因干路电流增大而增大，同时内电压增大，故电路路端电压减小，而电压表的示数增大，A项正确，D项错误；由路端电压减小，而R1两端电压增大知，R2两端电压必减小，则R2中电流减小，故B项正确；结合干路电流增大知流过小灯泡的电流必增大，则小灯泡的功率增大．答案：ABC☆考点精炼2．如图所示，将多用电表的选择开关置于欧姆档，再将电表的两支表笔分别与光敏电阻R t 的两端相连，这时表针恰好指在刻度盘的正中间．若用不透光的黑纸将R t 包裹起来，表针将向_______（填“左”或“右”）转动；若用手电筒光照射R t ，表针将向_______（填“左”或“右”）转动。

（三）力传感器的应用☆考点点拨力传感器是将力信号转化为电流信号的元件。

【例3】如图所示为某种电子秤的原理示意图，AB 为一均匀的滑线电阻，阻值为R ，长度为L ，两边分别有P 1、P 2两个滑动头，P 1可在竖直绝缘光滑的固定杆MN 上保持水平状态而上下自由滑动，弹簧处于原长时，P 1刚好指着A 端，P 1与托盘固定相连，若P 1、P 2间出现电压时，该电压经过放大，通过信号转换后在显示屏上将显示物体重力的大小．已知弹簧的劲度系数为k ，托盘自身质量为m 0，电源电动势为E ，内阻不计，当地的重力加速度为g 。

求：（1）托盘上未放物体时，在托盘自身重力作用下，P 1离A 的距离x l ．（2）托盘上放有质量为m 的物体时，P 1离A 的距离x 2．（3）在托盘上未放物体时通常先核准零点，其方法是：调节P 2，使P 2离A 的距离也为x l ，从而使P 1、P 2间的电压为零．校准零点后，将物体m 放在托盘上，试推导出物体质量m 与P 1、P 2间的电压U 之间的函数关系式．分析：托盘的移动带动P 1移动，使P 1、P 2间出现电势差，电势差的大小反映了托盘向下移动距离的大小，由于R 为均匀的滑线电阻，则其阻值与长度成正比．解：（1）由力的平衡知识知：10kx g m = 解得k g m x 01=（2）放上重物重新平衡后，20)(kx g m m =+ 解得k g m m x )(01+= （3）由闭合电路欧姆定律知E=IR由部分电路欧姆定律：U=IR x由Lx R R x =，其中x 为P 1、P 2间的距离，R x 为P 1、P 2间的电阻，则k mg x x x =-=12 联立解得 U gE kL m = 点评：在有关力电传感器的计算中，必然涉及电路计算，注意欧姆定律及分压原理的应用． ☆考点精炼3．磁场具有能量，磁场中单位体积所具有的能量叫做能量密度，其值为μ22B ．式中B 是磁感应强度，μ是磁导率，在空气中μ为一已知常数．为了近似测得条形磁铁磁极端面附近的磁感强度B ，一学生用一根端面面积为A 的条形磁铁吸住一相同面积的铁片P ，再用力将铁片与磁铁拉开一段微小距离l ∆，并测出拉力F ，如图所示．因为F 所做的功等于间隙中磁场的能量，所以由此可得磁感应强度B 与F 、A 之间的关系为B=_______第二课时（四）温度传感器的应用☆考点点拨温度传感器是将温度这个热学量转化为电流这个电学量的。

【例4】家用电热灭蚊器中电热部分的主要部件是PTC 元件，PTC元件是由酞酸钡等半导体材料制成的电阻器，其电阻率与温度的关系如图所示，由于这种特性，PTC 元件具有发热、控温两重功能，对此以下说法中正确的是（ ）A ．通电后其功率先增大后减小B ．通电后其功率先减小后增大C ．当其产生的热量与散发的热量相等时，温度保持在t 1至t 2的某一值不变D ．当其产生的热量与散发的热量相等时，温度保持在t 1或t 2不变解析：根据PTC 元件的电阻率随温度变化的曲线，可知在常温下，它的电阻是相当小的，通入电流以后，随着温度的升高，其电阻率先变小后增大，那么它的功率先变大，后变小，温度保持在在t 1至t 2的某一值不变，这时候电路处于稳定状态，如果温度再升高，电阻率变大，导致电流变小，温度就会降下来；如果温度降低，电阻率减小，导致电流变大，温度就会升上去，所以本题正确答案为A 、C 。

答案：AC☆考点精炼4．一般的电熨斗用合金丝作发热元件，合金丝电阻随温度t 变化的关系如图中实线①所示．由于环境温度以及熨烫的衣物厚度、干湿等情况不同，熨斗的散热功率不同，因而熨斗的温度可能会在较大范围内波动，易损坏衣物．有一种用主要成分为BaTiO 3被称为“PTC ”的特殊材料作发热元件的电熨斗，具有升温快、能自动控制温度的特点．PTC 材料的电阻随温度变化的关系如图中实线②所示．试根据图线分析：（1）为什么原处于冷态的PTC 熨斗刚通电时比普遍电熨斗升温快？（2）通电一段时间后电熨斗温度t 自动地稳定在T _____<t<T_______范围之内．（填下标数字）（五）霍尔元件的应用☆考点点拨霍尔元件是将电磁感应这个磁学量转化为电压这个电学量的元件。

【例5】 如图所示，厚度为h 、宽为d 的导体板放在垂直于它的磁感应强度为B 的均匀磁场中，当电流通过导体板时，在导体板的上侧面A 和下侧面A ′之间会产生电势差，这种现象称为霍尔效应。

实验表明，当磁场不太强时电势差U ，电流I 和B 的关系为U =k ，式中的比例系数k 称为霍尔系数。

霍尔效应可解释如下：外部磁场的洛伦兹力使运动的电子聚集在导体板的一侧，在导体板的另一侧出现多余的正电荷，从而形成横向电场，横向电场对电子施加与洛伦兹力方向相反的静电力，当静电力与洛伦兹力达到平衡时，导体板上下两侧之间就会形成稳定的电势差。

设电流I 是由电子定向流动形成的，电子的平均定向速度为v ，电量为e ，回答下列问题：（1）达到稳定状态时，导体板上侧面A 的电势 下侧面Ａ的电势（填高于、低于或等于）。

（2）电子所受的洛伦兹力的大小为 。

（3）当导体板上下两侧之间的电势差为U 时，电子所受的静电力的大小为 ．（4）由静电力和洛伦兹力平衡的条件，证明霍尔系数k =neI ，其中n 代表导体板单位体积中电子的个数。

解析：霍尔效应对学生来说是课本里没有出现过的一个新知识，但试题给出了霍尔效应的解释，要求学生在理解的基础上，调动所学知识解决问题，这实际上是对学生学习潜能的测试，具有较好的信度和效度。

（1）首先分析电流通过导体板时的微观物理过程。

由于导体板放在垂直于它的磁感应强度为B 的匀强磁场中，电流是电子的定向运动形成的，电流方向从左到右，电子运动的方向从右到左。

根据左手定则可判断电子受到的洛仑兹力的方向向上，电子向A 板聚集，A ¹板出现多余的正电荷，所以A 板电势低于A ¹板电势，应填“低于”。

（2）电子所受洛仑兹力的大小为evB f =（3）横向电场可认为是匀强电场，电场强度h U E = ，电子所受电场力的大小为 h U e eE F == （4）电子受到横向静电力与洛伦兹力的作用，由两力平衡有e ＝evB 可得Ｕ＝h v B通过导体的电流强度微观表达式为 nevdh I =由题目给出的霍尔效应公式 dIB K U =，有 d nevdhB K hvB =得neK 1= 点评：①该题是带电粒子在复合场中的运动，但原先只有磁场，电场是在通电后自行形成的，在分析其他问题时，要注意这类情况的出现。