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第五章 傳感器——高二物理人教版（2019）期末復習知識大盤點
第一部分：單元學習目標整合
本章概述
本章講述傳感器的相關知識。傳感器的應用越來越普及，在我們的身邊使用著各種各樣的傳感器。如:電視機的遙控器、卡拉OK中的話筒、電飯鍋、電熨斗、電冰箱中都使用著各種傳感器。教材介紹的傳感器是一些工作原理和使用方法比較簡單的常見傳感器，主要目的是體會物理知識在技術中的應用。
重點 ①傳感器的基本工作原理及其應用
難點 ①麥克斯韋電磁場理論
第二部分：經典例題復盤
例1.目前，傳感器已經廣泛應用于生產、生活、科學研究等各個領域，關于傳感器的應用，下列說法中正確的是( )
A.自動洗衣機中的壓力傳感器、數字體重計所用的測力裝置都應用了力傳感器
B.走廊照明燈的聲控開關、紅外報警裝置都應用了聲音傳感器
C.發光二極管是一種常用的光傳感器，其作用是將光信號轉換為電信號
D.霍爾元件能把磁感應強度這個磁學量轉換成電阻這個電學量
答案：A
解析：自動洗衣機中的壓力傳感器、數字體重計所用的測力裝置都應用了力傳感器，A正確；天黑走廊里出現聲音時，走廊里的照明燈才亮，說明它的控制電路中既有聲音傳感器，又有光傳感器，而紅外報警裝置是應用了紅外線傳感器，B錯誤；發光二極管是將電信號轉化為光信號，不是光傳感器，C錯誤；霍爾元件能把磁感應強度這個磁學量轉換成電壓這個電學量，D錯誤.
例2.智能手機屏幕的光線過強會對眼睛有害，因此手機都有一項可以調節亮度的功能，該功能既可以自動調節，也可以手動調節.某興趣小組為了模擬該功能，設計了如圖所示的電路，已知光敏電阻在光照增強時，電阻會減小.閉合開關，下列說法正確的是( )
A.僅光照變強，小燈泡變暗 B.僅光照變弱，小燈泡變暗
C.僅將滑片向a端滑動，小燈泡變亮 D.僅將滑片向b端滑動，小燈泡變亮
答案：BC
解析：僅光照變強，則光敏電阻的阻值變小，電路總電阻變小，由閉合電路歐姆定律可知，電路中的電流增大，則小燈泡的功率變大，小燈泡變亮，故A錯誤；僅光照變弱，則光敏電阻的阻值變大，電路總電阻變大，由閉合電路歐姆定律可知，電路中的電流減小，則小燈泡的功率變小，小燈泡變暗，故B正確；僅將滑片向a端滑動，滑動變阻器接入電路的有效阻值變小，則電路總電阻變小，電流增大，小燈泡的功率變大，小燈泡變亮，故C正確；僅將滑片向b端滑動，滑動變阻器接入電路的阻值變大，則電路總電阻變大，電流減小，小燈泡的功率變小，小燈泡變暗，故D錯誤.
例3.壓敏電阻的阻值R隨所受壓力的增大而減小.某興趣小組利用壓敏電阻設計了判斷電梯運行狀態的裝置，其電路如圖甲所示，將壓敏電阻平放在電梯內，受壓面朝上，在上面放一物體A，電梯靜止時電壓表示數為，在電梯由靜止開始運行的過程中，電壓表的示數變化情況如圖乙所示.下列判斷正確的是( )
A.電梯可能勻加速下降
B.電梯可能勻加速上升
C.電梯可能下降且加速度在變大
D.電梯可能上升且加速度在變小
答案：C
解析：根據閉合電路歐姆定律得，結合題圖乙可知，電路中的電流一直減小，由可知，壓敏電阻的阻值一直增大，則A對壓敏電阻的壓力減小，A處于失重狀態，則電梯向上減速或向下加速并且加速度越來越大，故選C.
例4.如圖所示是電飯鍋的結構示意圖.電飯鍋中的感溫鐵氧體在常溫下具有鐵磁性，能被永磁體吸引，當溫度上升到約103 ℃（稱為感溫鐵氧體的“居里點”）時，就會失去鐵磁性，不能被永磁體吸引.在電飯鍋工作過程中，下列說法錯誤的是( )
A.煮飯時手壓開關按鈕，永磁體與感溫鐵氧體相吸同時接通電路
B.當鍋底水分剛好被大米全部吸收時，電飯鍋立即自動斷電
C.當感溫鐵氧體的溫度達到“居里點”時，電飯鍋自動斷電
D.若用電飯鍋燒水至沸騰時，感溫鐵氧體與永磁體仍吸在一起
答案：B
解析：煮飯時手壓開關按鈕，永磁體與感溫鐵氧體相吸，同時接通電路，A正確；在1個標準大氣壓下水的沸點是100 ℃，即水在沸騰后的溫度為100 ℃，則當鍋底水分剛好被大米全部吸收時溫度還是100 ℃，沒有達到感溫鐵氧體的“居里點”，感溫鐵氧體不會失去鐵磁性，則感溫鐵氧體與永磁體仍吸在一起，電飯鍋不會立即自動斷電，B錯誤，D正確；當感溫鐵氧體的溫度達到“居里點”時，感溫鐵氧體失去鐵磁性，則彈簧將感溫鐵氧體與永磁體彈開，電飯鍋立即自動斷電，C正確.
例5.小明利用熱敏電阻設計了一個“過熱自動報警電路”，如圖甲所示.將熱敏電阻安裝在需要探測溫度的地方，當環境溫度正常時，繼電器與上觸點接觸，與下觸點分離，指示燈亮；當環境溫度超過某一值時，繼電器與下觸點接觸，與上觸點分離，警鈴響.圖甲中繼電器的供電電壓，繼電器線圈用漆包線繞成，其電阻為30 Ω.當線圈中的電流大于等于50 mA時，繼電器的銜鐵被吸合，警鈴響.圖乙是熱敏電阻的阻值隨溫度變化的圖像.
（1）由圖乙可知，當環境溫度升高時，熱敏電阻阻值將，繼電器的磁性將______.（均填“增大”“減小”或“不變”）
（2）圖甲中警鈴的接線柱C應與接線柱______（填“A”或“B”）相連.
（3）由已知條件可得，環境溫度大于或等于______℃時，警鈴報警.
答案：（1）減小；增大
（2）B
（3）80
解析：（1）根據題圖乙可知，溫度升高時，熱敏電阻阻值減小.根據閉合電路歐姆定律可知，熱敏電阻阻值減小，電路中電流增大，繼電器的磁性就會增大.
（2）因當環境溫度超過某一值時，繼電器與下觸點接觸，與上觸點分離，警鈴響，所以警鈴的接線柱C應與接線柱B相連.
（3）當線圈中的電流時，繼電器的銜鐵被吸合，警鈴報警，控制電路的總電阻，熱敏電阻，由題圖乙可知，此時，所以當溫度t大于或等于80 ℃時，警鈴報警.
第三部分：重難知識易混易錯
一、傳感器的工作原理
1.傳感器的組成和工作流程
（1）傳感器的組成
①敏感元件：相當于人的感覺器官，是指能直接感受或響應外界被測量（非電學量）的部分，是利用材料的某種敏感效應（如熱敏、光敏、壓敏、力敏、濕敏等）制成的。
②轉換元件：是傳感器中能將敏感元件輸出的與被測量成一定關系的非電學量信號轉換成電信號的部分。
③轉換電路：將轉換元件輸出的不易測量的電學量（微弱的電信號）轉換成易于測量的電學量（放大和傳送電信號）。
（2）傳感器的工作流程
2.傳感器的原理
傳感器感受的通常是非電學量，如力、溫度、位移、濃度、速度、酸堿度等，而輸出的通常是電學量，如電壓、電流、電荷量等。這些輸出的信號是非常微弱的，通常需要經過放大后，再傳送給控制系統產生各種控制動作。
二、電容式傳感器
（1）原理：電容器的電容取決于極板間的正對面積S、極板間距d、極板間的電介質這幾個因素。如果某個物理量（如角度θ、位移x、深度H等）的變化引起上述某個因素的變化，從而引起電容的變化，通過電容的變化就可以確定上述物理量的變化，這種傳感器稱為電容式傳感器。
（2）常見的電容式傳感器
三、熱敏電阻與金屬熱電阻的區別
四、光敏電阻、熱敏電阻、霍爾元件的特性對比
五、利用霍爾效應的四種器件
易錯題：
一、不清楚傳感器的工作原理
1.如圖所示，為定值電阻，為負溫度系數的熱敏電阻（阻值隨溫度的升高而減小的熱敏電阻），L為小燈泡。當溫度降低時( )
A.兩端的電壓增大 B.理想電流表的示數增大
C.小燈泡變亮 D.電源的輸出功率一定變大
答案：C
解析：當溫度降低時，電阻變大，則電路總電阻變大，電流減小，理想電流表示數減小，兩端電壓變小，燈泡兩端電壓變大，燈泡變亮，故選項C正確，AB錯誤；由于外電路電阻與內阻的關系不能確定，所以不能確定電源的輸出功率如何變化，故選項D錯誤。
二、識別電路導致的錯誤
2.圖是一種自動控制水溫的裝置，加熱電路的兩個端點應棒在觸頭間之間還是之間__________。熱敏電阻兩端應接在哪兩個觸頭之間_______。
答案：之間；之間
解析：應該分別接在觸頭之間，同時，應該分別讀在觸頭之間，其工作原理是：加熱裝置開始加熱，當水溫升高時，熱敏電阻的阻值減小，電磁鐵中的電流增大，吸引力增大，銜鐵被吸下,之間斷開，使加熱裝置停止加熱；當水溫降低到一定程度時，熱敏電阻的阻值增大，電磁鐵中的電流減小，吸引力減小，銜鐵被彈簧拉上去，之間連接，加熱裝置開始加熱，從而實現對水溫的控制。
第四部分：核心素養對接高考
①物理觀念：能了解常見傳感器的工作原理，知道非電學量轉換成電學量的技術意義；能解釋傳感器在生產生活中的應用。具有與傳感器相關的運動與相互作用觀念。
②科學思維：能嘗試將實際問題中的對象與過程轉換成物理模型；能分析傳感器中非電學量轉換成電學量的原理；能用證據說明光敏元件、熱敏元件和霍爾元件的作用；能對一些傳感器提出改進措施。
③科學探究：能完成“利用傳感器制作簡單的自動控制裝置”的物理實驗。能針對真實情境提出與實驗有關的物理問題，能對一些傳感器設計提出質疑；能闡述實驗原理，設計實驗方案和實驗步驟，能動手制作簡單的自動控制裝置；能用證據說明自制自動控制裝置的優勢與問題。
④科學態度與責任：能體會傳感技術的應用給人類社會帶來的挑戰；有較強的將所學內容應用于日常生活實際的熱情；認同物理的技術應用應考慮道德與規范的要求，能認識傳感技術應用與人類社會發展的關系。
對接高考
已知一熱敏電阻當溫度從10 ℃升至60 ℃時阻值從幾千歐姆降至幾百歐姆，某同學利用伏安法測量其阻值隨溫度的變化關系。所用器材：電源E、開關S、滑動變阻器R（最大阻值為20 Ω）、電壓表（可視為理想電表）和毫安表（內阻約為100 Ω）。
（1）在答題卡上所給的器材符號之間畫出連線，組成測量電路圖。
（2）實驗時，將熱敏電阻置于溫度控制室中，記錄不同溫度下電壓表和毫安表的示數，計算出相應的熱敏電阻阻值。若某次測量中電壓表和毫安表的示數分別為5.5 V和3.0 mA，則此時熱敏電阻的阻值為________kΩ（保留2位有效數字）。實驗中得到的該熱敏電阻阻值R隨溫度t變化的曲線如圖（a）所示。
（3）將熱敏電阻從溫控室取出置于室溫下，測得達到熱平衡后熱敏電阻的阻值為2.2kΩ。由圖（a）求得，此時室溫為_______℃（保留3位有效數字）。
（4）利用實驗中的熱敏電阻可以制作溫控報警器，其電路的一部分如圖（b）所示。圖中，E為直流電源（電動勢為10 V，內阻可忽略）；當圖中的輸出電壓達到或超過6.0 V時，便觸發報警器（圖中未畫出）報警。若要求開始報警時環境溫度為50 ℃，則圖中_____（填“R1”或“R2”）應使用熱敏電阻，另一固定電阻的阻值應為_____kΩ（保留2位有效數字）。
答案：（1）如圖所示。 （2）1.8 （3）25.5 （4）R1 1.2
解析：（1）由于滑動變阻器的最大阻值比待測電阻的阻值小得多，因此滑動變阻器應用分壓式接法，由于電壓表可視為理想電表，則電流表應用外接法，電路圖如答圖所示。（2）由歐姆定律得（或）。（3）由題圖（a）可直接讀出熱敏電阻的阻值為時，室溫為25.5 ℃。（4）由題意可知隨溫度的升高兩端的輸出電壓應增大，又由串聯電路的特點可知，的阻值應減小或的阻值應增大，而熱敏電阻的阻值隨溫度的升高而減小，因此應為熱敏電阻；當環境溫度為50 ℃時，熱敏電阻的阻值為，則由串聯電路的特點有，解得。

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