資源簡介

第3節　大顯身手的傳感器
(分值:100分)
選擇題1~7題,每小題12分,共84分。
對點題組練
題組一　力傳感器及其應用
1.電子眼系統通過路面下埋設的感應線來感知汽車的壓力。感應線是一個壓電薄膜傳感器,壓電薄膜在受壓時兩端產生電壓,電壓隨壓力變化而變化,壓力越大電壓越大,壓力不變,電壓一定。壓電薄膜與電容器C、電阻R組成圖甲所示的回路。紅燈亮時,如果汽車的前、后輪先后經過感應線,回路中會產生兩個脈沖電流,如圖乙所示,即視為“闖紅燈”,電子眼自動拍照記錄。則紅燈亮時 (　　)
車輪停在感應線上時電阻R上有恒定電流
車輪經過感應線的過程中,電容器先放電后充電
車輪經過感應線的過程中,電阻R上的電流一直增大
汽車前輪剛越過感應線,又倒回到線內,會被電子眼拍照
2.如圖所示為一種常見的身高體重測量儀。測量儀頂部向下發射波速為v的超聲波,超聲波經反射后返回,被測量儀接收,測量儀記錄發射和接收的時間間隔。質量為M0的測重臺置于壓力傳感器上,傳感器輸出電壓與作用在其上的壓力成正比。當測重臺沒有站人時,測量儀記錄的時間間隔為t0,輸出電壓為U0,某同學站上測重臺,測量儀記錄的時間間隔為t,輸出電壓為U,則該同學身高和質量分別為 (　　)
v(t0-t),U v(t0-t),U
v(t0-t),(U-U0) v(t0-t),(U-U0)
題組二　電容式傳感器及其應用
3.如圖所示的電路可將聲音信號轉換為電信號,該電路中右側固定不動的金屬板b與能在聲波驅動下沿水平方向振動的鍍有金屬層的振動膜a構成一個電容器,a、b通過導線與輸出恒定的電源兩極相接,若聲源S發出強弱變化的聲波時,則 (　　)
a振動過程中,a、b板間的電場強度不變
a振動過程中,a、b板所帶電荷量不變
a振動過程中,靈敏電流計中始終有方向不變的電流
a向右的位移最大時,a、b板所構成的電容器的電容最大
4.圖甲為某廠商生產的電容式電子體重計,其內部電路簡化圖如圖乙所示,稱重時,人站在體重計面板上,使平行板上層膜片電極在壓力作用下向下移動,則下列說法正確的是 (　　)
上層膜片下移過程中,電流表有b到a的電流
上層膜片下移過程中,電容器的電容增大,上下極板間的電壓增大
上層膜片下移過程中,電容器的電容增大,所帶電荷量減小
上層膜片穩定后,平行板電容器上下極板均不帶電荷
題組三　傳感器與電路綜合
5.位移傳感器的工作原理如圖所示,物體M在導軌上平移時,帶動滑動變阻器的金屬滑片P移動,通過電壓表顯示的數據來反映物體M位移的大小x。假設電壓表是理想電表,物體M不動時,滑片P位于滑動變阻器正中間位置,則下列說法正確的是 (　　)
物體M運動時,電源內的電流會發生變化
物體M運動時,電壓表的示數會發生變化
物體M不動時,電路中沒有電流
物體M不動時,電壓表沒有示數
6.酒精測試儀已應用于全國各地查處司機是否酒駕的現場檢測。有一種酒精測試儀利用的是二氧化錫半導體型傳感器,若這種傳感器電阻Rc的倒數與酒精氣體的濃度成正比,那么,在如圖所示的電路圖中,正確反映電壓表示數U與酒精氣體濃度c之間對應關系的選項是 (　　)
A B
C D
7.(多選)(魯科版教材P126節練習3改編)根據光敏電阻特性設計的自動計數器的電路圖如圖所示,其中R1為光敏電阻,R2為定值電阻,電源電動勢和內阻恒定,信號處理系統會實時監測R2兩端的電壓,每獲得一次低電壓就記數一次。下列說法正確的是 (　　)
有光照射時R1的阻值比無光照射時小
有光照射時R1兩端的電壓比無光照射時大
有光照射時電源兩端的電壓比無光照射時小
有光照射時R2消耗的電功率比無光照射時小
綜合提升練
8.(6分)(2024·福建龍巖市高二統考期末)酒駕嚴重危害交通安全,喝酒不開車已經成為準則。某款酒精檢測儀如圖甲所示,核心部件為酒精氣體傳感器,其電阻R與酒精氣體濃度c的關系如圖乙所示。某同學想利用該酒精氣體傳感器設計一款酒精測量儀,除酒精氣體傳感器外,在實驗室中找到如下器材,并設計如圖丙所示的測量電路:
A.干電池組(電動勢E = 3.0 V,內阻r=1.2 Ω)
B.電流表(滿偏電流60 mA,內阻Rg=4.8 Ω)
C.電阻箱R0(最大阻值9 999.9 Ω)
D.開關及導線若干
(1)如圖丁所示,該同學想將酒精氣體濃度為零的位置標注在表頭20 mA處,則應將電阻箱R0的阻值調為　　　　(2分)Ω。
(2)完成步驟(1)后,某次在實驗室中試測酒精濃度時,表頭指針如圖丁所示。已知酒精濃度在0.2~ 0.8 mg/mL之間屬于酒駕;酒精含量達到或超過0.8 mg/mL屬于醉駕,則該次測試的酒精濃度屬于　　　　(2分)范圍(選填“酒駕”或“醉駕”)。
(3)使用較長時間后,干電池組電動勢降低,內阻增大,則此時所測的酒精氣體濃度與真實值相比　　　　(2分)(選填“偏大”“偏小”或“不變”)。
培優加強練
9.(10分)電子秤是人們生活中常用的一種稱量工具。某同學根據所學知識制作了一臺簡易電子秤,原理圖如圖甲所示,圖中電壓表可視為理想電壓表(量程為3 V),滑動變阻器的滑片為P,最大阻值為R=12 Ω,該同學用刻度尺測得滑動變阻器滑片能滑動范圍的長度為L=2 cm。
請回答下列問題。
(1)該同學先利用圖乙所示電路測定電子秤里兩節紐扣電池(如圖丙)的電動勢和內阻,根據多次測量得到的數據,作出的U'-I圖像如圖丁所示,可知這兩節紐扣電池串聯后的電動勢為E=　　　　(2分)V,內阻為r=　　　　(2分)Ω。
(2)該同學想得到電壓表的示數U與被測物體質量m之間的關系,設計了如下實驗:
①調節圖甲中滑片P的位置,使電壓表的示數恰好為零;
②在托盤里緩慢加入細砂,直到滑片P恰好滑到滑動變阻器的b端,然后調節電阻箱R0,直到電壓表達到滿偏,實驗過程中彈簧一直處于彈性限度內,則此時電阻箱的讀數為R1=　　　　(2分)Ω;
③已知所用的彈簧的勁度系數為k=1.96×103 N/m,重力加速度為g=9.8 m/s2,則該電子秤所能稱量的最大質量為m=　　　　(2分)kg。
(3)結合上面實驗內容,可得電壓表的示數U與被測物體質量m之間的關系式為U=　　　　　(2分)(用題目中給出的物理量符號表示)。
第3節　大顯身手的傳感器
1.D　[汽車停在感應線上時，汽車對壓電薄膜的壓力不變，電壓恒定，電路中沒有電流，A錯誤；車輪經過感應線時，電容器先充電后放電，電流不會一直增大，B、C錯誤；汽車前輪兩次經過感應線，產生兩個脈沖電流，所以會被電子眼拍照，D正確。]
2.D　[設人的身高為x，質量為m。
當測重臺沒有站人時：＝①
當人站在測重臺上時：＝②
由①②兩式得人的身高x＝v(t0－t)
當測重臺上沒站人時：M0g＝kU0③
當人站在測重臺上時：(M0＋m)g＝kU④
由③④兩式得人的質量m＝(U－U0)
可知選項D正確。]
3.D　[由于平行板電容器兩極板與電源兩極相連接，因此兩極板間的電壓U保持不變，根據場強E＝，C＝可判斷，選項A錯誤，D正確；再由Q＝CU可知，選項B錯誤；由于Q變化，使電容器出現充電、放電現象，則電流計中電流方向不斷變化，選項C錯誤。]
4.A　[根據C＝可知，上層膜片下移過程中d減小，電容C增大，由Q＝CU知電容器所帶電荷量增大，電容器充電，因此電流表有b到a的電流，電容器兩個極板與電源相連，上下極板間的電壓不變，故A正確，B、C錯誤；上層膜片穩定后，平行板電容器上下極板與電源相連，均帶電荷，故D錯誤。]
5.B　[電壓表為理想電表，則電壓表不分流，故滑片P移動時不會改變電路的電阻，也就不會改變電路中的電流，且電路中始終有電流，故A、C錯誤；電壓表測的是滑片P左側電阻分得的電壓，故示數隨物體M的運動即滑片P的移動而變化，物體M不動時，電壓表仍有讀數，故B正確，D錯誤。]
6.D　[根據閉合電路歐姆定律得，電壓表示數為U＝IR0＝＝，式中k為一常數。從表達式可以看出，U與c是非線性關系，故A、B、C錯誤，D正確。]
7.AC　[由題意可知，每當光照被擋住時，信號處理系統獲得一次低電壓就記數一次，則此時光敏電阻R1兩端電壓較大，阻值較大；故有光照射時R1的阻值比無光照射時小，有光照射時R1兩端的電壓比無光照射時小，故A正確，B錯誤；有光照射時，光敏電阻R1的阻值比無光照射時小，則外電阻總阻值比無光照射時小，電源兩端的電壓比無光照射時小，故C正確；有光照射時，光敏電阻R1的阻值比無光光照時小，則電路總電阻比無光照射時小，電路總電流比無光照射時大，定值電阻R2消耗的電功率比無光照射時大，故D錯誤。]
8.(1)64.0　(2)酒駕　(3)偏小　[(1)表頭G顯示電流為20 mA，且由題圖乙可知，當酒精氣體濃度為零時，該氣體傳感器電阻R＝80 Ω，根據閉合電路歐姆定律可得
I1＝，解得R0＝ 64.0 Ω。
(2)由題圖丁可知，表頭指針指在30 mA處，則根據閉合電路歐姆定律可得I2＝，解得R′＝30 Ω，對照題圖乙可知當R′ ＝30 Ω時酒精含量約為0.4 mg/mL，屬于酒駕范圍。
(3)使用較長時間后，干電池組電動勢降低，內阻增大，根據I＝知同一酒精濃度下，電路中的總電流將偏小，流經表頭的電流也同比偏小，故所測得的酒精濃度值偏小。]
9.(1)4.0　0.5　(2)②3.5　③4
(3)　[(1)對題圖乙所示電路，根據閉合電路歐姆定律可得E＝U′＋Ir，即U′＝E－Ir，U′I圖像與縱軸交點的縱坐標等于電源電動勢，圖線斜率的絕對值等于電源內阻，由題圖丁可知，電源電動勢為E＝4.0 V，內阻為r＝Ω＝0.5 Ω。
(2)②電壓表達到滿偏時滑動變阻器接入電路的阻值為R＝12 Ω，根據歐姆定律可得＝，解得R1＝3.5 Ω。
③滑片P滑到滑動變阻器的b端，彈簧的形變量增加了2 cm，由平衡條件有kΔx＝mg，則該電子秤所能稱量的最大質量為
m＝4 kg。
(3)根據閉合電路歐姆定律和平衡條件有
＝
解得U＝。]第3節　大顯身手的傳感器
學習目標　1.了解傳感器在洗衣機水位控制裝置、自動門、指紋識別器、機器人中的應用。2.了解傳感器應用的設計思路，能設計簡單的應用傳感器的控制電路。3.掌握力傳感器及其應用，電容式傳感器及其應用。4.能解決傳感器與電路的綜合問題。
知識點一　力傳感器及其應用
常見傳感器應用
1.自動感應門
(1)控制自動門的開關裝有一種____________傳感器。
(2)自動門系統三環節：檢測門前是否有人；判斷檢測結果，________________；執行指令。
2.洗衣機的水位控制裝置
全自動洗衣機的水位控制裝置中使用________傳感器，當筒內水位到達設定高度時，凸起的膜片控制觸點接觸，使控制電路接通，________進水電磁閥門，同時________洗滌電動機電源，開始洗滌衣物。
3.指紋識別器
指紋識別器是通過________傳感器來識別指紋。手指皮膚與電容傳感器表面構成了____________，指紋的脊和谷相對于另一極之間的距離不同，使電容陣列中不同位置的電容器的電容值不同。通過讀取這些電容的差異，就能獲取指紋信息。
4.機器人
(1)機器人由________系統、____________系統、信息處理和________系統組成。
(2)機器人傳感器分為外部傳感器和________傳感器。
(3)傳感器用途分類
①外部傳感器用于感知外部____________和外界事物對機器人的________。使機器人擁有類似人的視覺、聽覺、觸覺、嗅覺、味覺等感覺。
②內部傳感器(如角度傳感器、____________等)用于檢測機器人自身的狀態。
5.力傳感器的分析思路
力傳感器能夠把物體的形變轉換為電壓或電流的變化，外力越大，電壓或電流的變化就越大，由變化的差值大小，可以得知外力的大小。力傳感器的種類繁多，在具體應用中，應能依據其特性，綜合利用其他知識進行分析與計算。
例1 (魯科版教材P121節練習3改編)某學生為了測量一物體的質量，找到一個力電傳感器，該傳感器的輸出電壓正比于受壓面的壓力(比例系數為k)，如圖所示。測量時先調節輸入端的電壓，使傳感器空載時的輸出電壓為0；而后在其受壓面上放一物體，即可測得與物體質量成正比的輸出電壓U0，現有下列器材：
力電傳感器、質量為m0的砝碼、電壓表、滑動變阻器、干電池各一個、開關及導線若干、待測物體(可置于力電傳感器的受壓面上)。請完成對該物體質量的測量：
(1)設計一個電路，要求力電傳感器的輸入電壓可調，并且使電壓的調節范圍盡可能大，在方框中畫出完整的測量電路圖。
(2)以下為簡要的測量步驟，請將不完整處補充完整：
A.調節滑動變阻器，使傳感器的輸出電壓為零；
B.將________放在傳感器上，記下輸出電壓 U0;
C.將待測物放在傳感器上，記下輸出電壓U1。
(3)根據以上測量，可求出：比例系數k＝________，待測物體的質量m＝________。知識點二　電容式傳感器及其應用
1.電容式傳感器的工作原理
電容器的電容C取決于極板正對面積S、極板間的距離d以及極板間的電介質這幾個因素。如果某一物理量(如角度θ、位移x、深度h等)的變化能引起上述某個因素的變化，從而引起電容的變化，那么，通過測定電容器的電容就可以確定上述物理量的變化。具有這種用途的電容器稱為電容式傳感器。
2.電容式傳感器的一些常見應用
用途 圖例 原理
測定角度θ INCLUDEPICTURE"W615.TIF" INCLUDEPICTURE "E:\\2024\\同步\\高二下\\2024（春）物理 選擇性必修 第二冊 魯科版（新教材新標準）教師用書(魯瓊閩貴)\\W615.TIF" \* MERGEFORMATINET 當動片與定片之間的角度θ發生變化時，引起極板正對面積S的變化，使電容C發生變化。
測定液面高度h INCLUDEPICTURE"W616.TIF" INCLUDEPICTURE "E:\\2024\\同步\\高二下\\2024（春）物理 選擇性必修 第二冊 魯科版（新教材新標準）教師用書(魯瓊閩貴)\\W616.TIF" \* MERGEFORMATINET 在金屬芯線的外面涂上一層絕緣物質，放入導電液體中，金屬芯線和導電液體構成電容器的兩個極板，金屬芯線外面的絕緣物質就是電介質。當液面高度h發生變化時，引起電容器極板正對面積發生變化，使電容C發生變化。
測定壓力F INCLUDEPICTURE"W617.TIF" INCLUDEPICTURE "E:\\2024\\同步\\高二下\\2024（春）物理 選擇性必修 第二冊 魯科版（新教材新標準）教師用書(魯瓊閩貴)\\W617.TIF" \* MERGEFORMATINET 待測壓力F作用于可動電極上時，可動電極發生形變，使極板間距離d發生變化，引起電容C發生變化。
測定位移s INCLUDEPICTURE"W618.TIF" INCLUDEPICTURE "E:\\2024\\同步\\高二下\\2024（春）物理 選擇性必修 第二冊 魯科版（新教材新標準）教師用書(魯瓊閩貴)\\W618.TIF" \* MERGEFORMATINET 隨著電介質進入極板間的長度發生變化，電容C發生變化。
例2 (魯科版教材P128章末練習3改編)傳感器是把非電學物理量(如位移、速度、壓力、角度等)轉換成電學物理量(如電壓、電流、電量等)的一種元件。如圖所示中的甲、乙、丙、丁是四種常見的電容式傳感器，下列說法正確的是(　　)
A.甲圖中兩極間的電荷量不變，若電壓減小，可判斷出h變小
B.乙圖中兩極間的電荷量不變，若電壓增大，可判斷出θ變小
C.丙圖中兩極間的電壓不變，若有電流流向傳感器的負極，則插入長度s變大
D.丁圖中兩極間的電壓不變，若有電流流向傳感器的正極，則F變大
聽課筆記　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
知識點三　傳感器與電路的綜合
1.分析含傳感器的電路問題的關鍵
電路中涉及傳感器時，首先明確傳感器隨輸入信號變化的特點，然后參照動態電路問題的分析思路，由部分到整體再到部分進行分析。當涉及電路的計算問題時，要依據敏感元件變化的特性找準對應時刻、位置等，如果有圖像變化，把握圖像的信息也非常重要。
2.分析傳感器圖像問題的關鍵
物理圖像能形象地表達物理規律，直觀地展示物理過程，并能鮮明地體現物理量之間的相互關系，分析傳感器的圖像問題時要注意運用圖像進一步建立物理圖像和物理情境之間的聯系，想象圖像所呈現的物理過程、狀態、現象以及物理變化的具體情境，這些正是審題、解題的過程中所必需的，另一方面還要注意圖像和物理公式的結合，有些圖像所表示的就是一個函數關系式，重要的是要明確是哪兩個物理量之間的關系及是什么樣的函數關系。
例3 (2024·陜西漢中市高二統考期末)如圖甲是家用電子體重秤，因為輕小方便深受人們的青睞。某同學用電子體重秤上的壓敏電阻R和一個電流表測定電池的電動勢和內阻。該同學通過查閱說明書得知該壓敏電阻的阻值只和其受到的壓力N有關，R＝R0＋kN，其中R0和k為已知常數，當地重力加速度為g。
備有下列器材：待測電池、壓敏電阻、天平、電流表一只、質量不同的物體、開關一個、導線若干。主要實驗步驟如下：
①按設計電路圖乙連接好實物圖；
②用天平測量物體的質量m，將物體放在壓敏電阻上，閉合開關S，讀出對應的電流表示數I；
③更換不同質量的物體，重復②的操作記錄多組數據；
④根據所測量的數據作出圖像如圖丙所示，b為圖線在縱軸上的截距，a、c為圖線上一個點的坐標值。
回答以下問題：
(1)如圖丙所示，取為縱坐標，要符合圖中圖線特點，則橫坐標x代表的物理量為________(填“”或“m”)。
(2)若電流表的內阻可忽略，根據(1)問中選取橫坐標后的圖丙圖像可知，待測電池的電動勢E＝________，內阻r＝________(選用k、a、b、c、g、R0表示)。
隨堂對點自測
1.(電容式傳感器及其應用)如圖所示是測定液面高度h的電容式傳感器原理圖。在金屬芯線外面涂上一層電介質，放入導電液中，金屬線和導電液體構成電容的兩個極。則下列關于該電容式傳感器的分析合理的是(　　)
INCLUDEPICTURE"AB374.TIF" INCLUDEPICTURE "E:\\2024\\課件\\同步\\2025（春）物理 選擇性必修 第二冊 魯科版\\學生word文檔\\AB374.TIF" \* MERGEFORMATINET
A.液面高度h降低，該電容的電容減小
B.液面高度h降低時，該電容兩極板間的正對面積增大
C.液面高度h升高時，該電容兩極板間的距離增大
D.液面高度h升高時，該電容存儲電荷的能力減小
2.(力傳感器及其應用)如圖是測量汽車質量的地磅示意圖，地磅空載時變阻器滑片P位于A點，滿載時滑片P位于B點，彈簧始終處于彈性限度內。下列說法正確的是(　　)
INCLUDEPICTURE"AB373.TIF" INCLUDEPICTURE "E:\\2024\\課件\\同步\\2025（春）物理 選擇性必修 第二冊 魯科版\\學生word文檔\\AB373.TIF" \* MERGEFORMATINET
A.電流表的示數越大說明被測汽車質量越大
B.電流表的示數越大說明被測汽車質量越小
C.若稱量值偏小，可在R0上串聯一個電阻進行校正
D.電池長時間使用后，稱量值會偏大
第3節　大顯身手的傳感器
知識點一
1.(1)紅外線　(2)發出相關指令
2.壓力　關閉　接通
3.電容　電容陣列
4.(1)機械　傳感器　控制　(2)內部　(3)①工作環境　刺激
②關節傳感器
例1 (1)見解析圖　(2)質量為m0的砝碼　(3)　m0
[(1)根據“可測得與物體的質量成正比的輸出電壓U”可知，輸出端應接電壓表。又根據輸入電路的電壓調節范圍盡可能大可知，必須用滑動變阻器在輸入端組成分壓電路。設計的電路如圖所示。
INCLUDEPICTURE"AB369.TIF" INCLUDEPICTURE "E:\\2024\\課件\\同步\\2025（春）物理 選擇性必修 第二冊 魯科版\\學生word文檔\\AB369.TIF" \* MERGEFORMATINET
(2)測量步驟與結果：
A.調節滑動變阻器，使傳感器的輸出電壓為零；
B.將質量為m0的砝碼放在傳感器上，記下輸出電壓U0；
C.將待測物放在轉換器上，記下輸出電壓U1。
(3)由以上測量可知，U0＝km0g，U1＝kmg
可得k＝，所以m＝m0。]
知識點二
例2 D　[題圖甲中兩極間的電荷量不變，若電壓減小則由電容的定義式C＝可知，電容增大，由電容的決定式C＝可知，兩極板正對面積增大，h變大，A錯誤；題圖乙中兩極間的電荷量不變，若電壓增大，則由電容的定義式C＝可知，電容減小，由電容的決定式C＝可知，極板正對面積減小，θ變大，B錯誤；題圖丙中兩極間的電壓不變，若有電流流向傳感器的負極，說明電容器在放電，電荷量減小，由電容的定義式C＝可知，電容減小，由電容的決定式C＝可知，電介質向外移動，則插入長度s變小，C錯誤；題圖丁中兩極間的電壓不變，若有電流流向傳感器的正極，說明電容器在充電，電荷量增大，由電容的定義式C＝可知，電容增大，由電容的決定式C＝可知，極板間距離減小，則F變大，D正確。]
知識點三
例3 (1)m　(2)　－R0　[(1)根據題圖乙所示電路圖，由閉合電路歐姆定律得E＝I(R＋r)
由題意可知R＝R0＋kN，對物體，由平衡條件可得N＝mg，聯立得＝m＋，k、E、R0都是常數，則與m成線性關系，則橫坐標代表的物理量是m。
(2)由題圖丙可知，圖像縱軸截距b＝，圖像的斜率為＝，聯立可得，電動勢和內阻分別為E＝，r＝－R0。]
隨堂對點自測
1.A　[液面高度h降低時，該電容兩極板間的正對面積減小，由電容的決定式C＝知，該電容的電容減小，故B錯誤，A正確；液面高度h升高時，該電容兩極板間的距離不變，故C錯誤；液面高度h升高時，兩極板間的正對面積增大，則該電容的電容增大，那么該電容存儲電荷的能力增大，故D錯誤。]
2.A　[汽車質量越大，滑動變阻器阻值越小，則電流表示數越大，A正確，B錯誤；若稱量值偏小，則應使電流表示數變大，可在R0上并聯一個電阻進行校正，C錯誤；電池長時間使用后，內阻變大，導致電流減小，所以稱量值會偏小，D錯誤。](共55張PPT)
第3節　大顯身手的傳感器
第5章 傳感器及其應用
1.了解傳感器在洗衣機水位控制裝置、自動門、指紋識別器、機器人中的應用。2.了解傳感器應用的設計思路，能設計簡單的應用傳感器的控制電路。3.掌握力傳感器及其應用，電容式傳感器及其應用。4.能解決傳感器與電路的綜合問題。
理解
學習目標
目 錄
CONTENTS
知識點
01
隨堂對點自測
02
課后鞏固訓練
03
知識點
1
知識點二　電容式傳感器及其應用
知識點一　力傳感器及其應用
知識點三　傳感器與電路的綜合
知識點一　力傳感器及其應用
常見傳感器應用
1.自動感應門
(1)控制自動門的開關裝有一種________傳感器。
(2)自動門系統三環節：檢測門前是否有人；判斷檢測結果，______________；執行指令。
2.洗衣機的水位控制裝置
全自動洗衣機的水位控制裝置中使用______傳感器，當筒內水位到達設定高度時，凸起的膜片控制觸點接觸，使控制電路接通，______進水電磁閥門，同時______洗滌電動機電源，開始洗滌衣物。
紅外線
發出相關指令
壓力
關閉
接通
3.指紋識別器
指紋識別器是通過______傳感器來識別指紋。手指皮膚與電容傳感器表面構成了__________，指紋的脊和谷相對于另一極之間的距離不同，使電容陣列中不同位置的電容器的電容值不同。通過讀取這些電容的差異，就能獲取指紋信息。
電容
電容陣列
4.機器人
(1)機器人由______系統、________系統、信息處理和______系統組成。
(2)機器人傳感器分為外部傳感器和______傳感器。
(3)傳感器用途分類
①外部傳感器用于感知外部__________和外界事物對機器人的______。使機器人擁有類似人的視覺、聽覺、觸覺、嗅覺、味覺等感覺。
②內部傳感器(如角度傳感器、____________等)用于檢測機器人自身的狀態。
機械
傳感器
控制
內部
工作環境
刺激
關節傳感器
5.力傳感器的分析思路
力傳感器能夠把物體的形變轉換為電壓或電流的變化，外力越大，電壓或電流的變化就越大，由變化的差值大小，可以得知外力的大小。力傳感器的種類繁多，在具體應用中，應能依據其特性，綜合利用其他知識進行分析與計算。
例1 (魯科版教材P121節練習3改編)某學生為了測量一物體的質量，找到一個力電傳感器，該傳感器的輸出電壓正比于受壓面的壓力(比例系數為k)，如圖所示。測量時先調節輸入端的電壓，使傳感器空載時的輸出電壓為0；而后在其受壓面上放一物體，即可測得與物體質量成正比的輸出電壓U0，現有下列器材：
力電傳感器、質量為m0的砝碼、電壓表、滑動變阻器、干電池各一個、開關及導線若干、待測物體(可置于力電傳感器的受壓面上)。請完成對該物體質量的測量：
(1)設計一個電路，要求力電傳感器的輸入電壓可調，并且使電壓的調節范圍盡可能大，在方框中畫出完整的測量電路圖。
(2)以下為簡要的測量步驟，請將不完整處補充完整：
A.調節滑動變阻器，使傳感器的輸出電壓為零；
B.將________放在傳感器上，記下輸出電壓 U0;
C.將待測物放在傳感器上，記下輸出電壓U1。
(3)根據以上測量，可求出：比例系數k＝________，待測物體的質量m＝________。
解析　(1)根據“可測得與物體的質量成正比的輸出電壓U”可知，輸出端應接電壓表。又根據輸入電路的電壓調節范圍盡可能大可知，必須用滑動變阻器在輸入端組成分壓電路。設計的電路如圖所示。
(2)測量步驟與結果：
A.調節滑動變阻器，使傳感器的輸出電壓為零；
B.將質量為m0的砝碼放在傳感器上，記下輸出電壓U0；
C.將待測物放在轉換器上，記下輸出電壓U1。
(3)由以上測量可知，U0＝km0g，U1＝kmg
知識點二　電容式傳感器及其應用
1.電容式傳感器的工作原理
電容器的電容C取決于極板正對面積S、極板間的距離d以及極板間的電介質這幾個因素。如果某一物理量(如角度θ、位移x、深度h等)的變化能引起上述某個因素的變化，從而引起電容的變化，那么，通過測定電容器的電容就可以確定上述物理量的變化。具有這種用途的電容器稱為電容式傳感器。
2.電容式傳感器的一些常見應用
用途 圖例 原理
測定角度θ 當動片與定片之間的角度θ發生變化時，引起極板正對面積S的變化，使電容C發生變化。
測定液面高度h 在金屬芯線的外面涂上一層絕緣物質，放入導電液體中，金屬芯線和導電液體構成電容器的兩個極板，金屬芯線外面的絕緣物質就是電介質。當液面高度h發生變化時，引起電容器極板正對面積發生變化，使電容C發生變化。
測定壓力F 待測壓力F作用于可動電極上時，可動電極發生形變，使極板間距離d發生變化，引起電容C發生變化。
測定位移s 隨著電介質進入極板間的長度發生變化，電容C發生變化。
例2 (魯科版教材P128章末練習3改編)傳感器是把非電學物理量(如位移、速度、壓力、角度等)轉換成電學物理量(如電壓、電流、電量等)的一種元件。如圖所示中的甲、乙、丙、丁是四種常見的電容式傳感器，下列說法正確的是(　　)
A.甲圖中兩極間的電荷量不變，若電壓減小，可判斷出h變小
B.乙圖中兩極間的電荷量不變，若電壓增大，可判斷出θ變小
C.丙圖中兩極間的電壓不變，若有電流流向傳感器的負極，則插入長度s變大
D.丁圖中兩極間的電壓不變，若有電流流向傳感器的正極，則F變大
知識點三　傳感器與電路的綜合
1.分析含傳感器的電路問題的關鍵
電路中涉及傳感器時，首先明確傳感器隨輸入信號變化的特點，然后參照動態電路問題的分析思路，由部分到整體再到部分進行分析。當涉及電路的計算問題時，要依據敏感元件變化的特性找準對應時刻、位置等，如果有圖像變化，把握圖像的信息也非常重要。
2.分析傳感器圖像問題的關鍵
物理圖像能形象地表達物理規律，直觀地展示物理過程，并能鮮明地體現物理量之間的相互關系，分析傳感器的圖像問題時要注意運用圖像進一步建立物理圖像和物理情境之間的聯系，想象圖像所呈現的物理過程、狀態、現象以及物理變化的具體情境，這些正是審題、解題的過程中所必需的，另一方面還要注意圖像和物理公式的結合，有些圖像所表示的就是一個函數關系式，重要的是要明確是哪兩個物理量之間的關系及是什么樣的函數關系。
例3 (2024·陜西漢中市高二統考期末)如圖甲是家用電子體重秤，因為輕小方便深受人們的青睞。某同學用電子體重秤上的壓敏電阻R和一個電流表測定電池的電動勢和內阻。該同學通過查閱說明書得知該壓敏電阻的阻值只和其受到的壓力N有關，R＝R0＋kN，其中R0和k為已知常數，當地重力加速度為g。
備有下列器材：待測電池、壓敏電阻、天平、電流表一只、質量不同的物體、開關一個、導線若干。主要實驗步驟如下：
①按設計電路圖乙連接好實物圖；
②用天平測量物體的質量m，將物體放在壓敏電阻上，閉合開關S，讀出對應的電流表示數I；
③更換不同質量的物體，重復②的操作記錄多組數據；
④根據所測量的數據作出圖像如圖丙所示，b為圖線在縱軸上的截距，a、c為圖線上一個點的坐標值。
隨堂對點自測
2
A
1.(電容式傳感器及其應用)如圖所示是測定液面高度h的電容式傳感器原理圖。在金屬芯線外面涂上一層電介質，放入導電液中，金屬線和導電液體構成電容的兩個極。則下列關于該電容式傳感器的分析合理的是(　　)
A.液面高度h降低，該電容的電容減小
B.液面高度h降低時，該電容兩極板間的正對面積增大
C.液面高度h升高時，該電容兩極板間的距離增大
D.液面高度h升高時，該電容存儲電荷的能力減小
A
2.(力傳感器及其應用)如圖是測量汽車質量的地磅示意圖，地磅空載時變阻器滑片P位于A點，滿載時滑片P位于B點，彈簧始終處于彈性限度內。下列說法正確的是(　　)
A.電流表的示數越大說明被測汽車質量越大
B.電流表的示數越大說明被測汽車質量越小
C.若稱量值偏小，可在R0上串聯一個電阻進行校正
D.電池長時間使用后，稱量值會偏大
課后鞏固訓練
3
題組一　力傳感器及其應用
1.電子眼系統通過路面下埋設的感應線來感知汽車的壓力。感應線是一個壓電薄膜傳感器，壓電薄膜在受壓時兩端產生電壓，電壓隨壓力變化而變化，壓力越大電壓越大，壓力不變，電壓一定。壓電薄膜與電容器C、電阻R組成圖甲所示的回路。紅燈亮時，如果汽車的前、后輪先后經過感應線，回路中會產生兩個脈沖電流，如圖乙所示，即視為“闖紅燈”，電子眼自動拍照記錄。則紅燈亮時(　　)
對點題組練
A.車輪停在感應線上時電阻R上有恒定電流
B.車輪經過感應線的過程中，電容器先放電后充電
C.車輪經過感應線的過程中，電阻R上的電流一直
增大
D.汽車前輪剛越過感應線，又倒回到線內，會被電子眼拍照
解析　汽車停在感應線上時，汽車對壓電薄膜的壓力不變，電壓恒定，電路中沒有電流，A錯誤；車輪經過感應線時，電容器先充電后放電，電流不會一直增大，B、C錯誤；汽車前輪兩次經過感應線，產生兩個脈沖電流，所以會被電子眼拍照，D正確。
D
2.如圖所示為一種常見的身高體重測量儀。測量儀頂部向下發射波速為v的超聲波，超聲波經反射后返回，被測量儀接收，測量儀記錄發射和接收的時間間隔。質量為M0的測重臺置于壓力傳感器上，傳感器輸出電壓與作用在其上的壓力成正比。當測重臺沒有站人時，測量儀記錄的時間間隔為t0，輸出電壓為U0，某同學站上測重臺，測量儀記錄的時間間隔為t，輸出電壓為U，則該同學身高和質量分別為(　　)
D
題組二　電容式傳感器及其應用
3.如圖所示的電路可將聲音信號轉換為電信號，該電路中右側固定不動的金屬板b與能在聲波驅動下沿水平方向振動的鍍有金屬層的振動膜a構成一個電容器，a、b通過導線與輸出恒定的電源兩極相接，若聲源S發出強弱變化的聲波時，則(　　)
A.a振動過程中，a、b板間的電場強度不變
B.a振動過程中，a、b板所帶電荷量不變
C.a振動過程中，靈敏電流計中始終有方向不變的電流
D.a向右的位移最大時，a、b板所構成的電容器的電容最大
A
4.圖甲為某廠商生產的電容式電子體重計，其內部電路簡化圖如圖乙所示，稱重時，人站在體重計面板上，使平行板上層膜片電極在壓力作用下向下移動，則下列說法正確的是(　　)
A.上層膜片下移過程中，電流表有b到a的
電流
B.上層膜片下移過程中，電容器的電容增
大，上下極板間的電壓增大
C.上層膜片下移過程中，電容器的電容增大，所帶電荷量減小
D.上層膜片穩定后，平行板電容器上下極板均不帶電荷
B
5.位移傳感器的工作原理如圖所示，物體M在導軌上平移時，帶動滑動變阻器的金屬滑片P移動，通過電壓表顯示的數據來反映物體M位移的大小x。假設電壓表是理想電表，物體M不動時，滑片P位于滑動變阻器正中間位置，則下列說法正確的是(　　)
A.物體M運動時，電源內的電流會發生變化
B.物體M運動時，電壓表的示數會發生變化
C.物體M不動時，電路中沒有電流
D.物體M不動時，電壓表沒有示數
D
6.酒精測試儀已應用于全國各地查處司機是否酒駕的現場檢測。有一種酒精測試儀利用的是二氧化錫半導體型傳感器，若這種傳感器電阻Rc的倒數與酒精氣體的濃度成正比，那么，在如圖所示的電路圖中，正確反映電壓表示數U與酒精氣體濃度c之間對應關系的選項是(　　)
AC
7.(多選)(魯科版教材P126節練習3改編)根據光敏電阻特性設計的自動計數器的電路圖如圖所示，其中R1為光敏電阻，R2為定值電阻，電源電動勢和內阻恒定，信號處理系統會實時監測R2兩端的電壓，每獲得一次低電壓就記數一次。下列說法正確的是(　　)
A.有光照射時R1的阻值比無光照射時小
B.有光照射時R1兩端的電壓比無光照射時大
C.有光照射時電源兩端的電壓比無光照射時小
D.有光照射時R2消耗的電功率比無光照射時小
8.(2024·福建龍巖市高二統考期末)酒駕嚴重危害交通安全，喝酒不開車已經成為準則。某款酒精檢測儀如圖甲所示，核心部件為酒精氣體傳感器，其電阻R與酒精氣體濃度c的關系如圖乙所示。某同學想利用該酒精氣體傳感器設計一款酒精測量儀，除酒精氣體傳感器外，在實驗室中找到如下器材，并設計如圖丙所示的測量電路：
綜合提升練
A.干電池組(電動勢E ＝ 3.0 V，內阻r＝1.2 Ω)
B.電流表(滿偏電流60 mA，內阻Rg＝4.8 Ω)
C.電阻箱R0(最大阻值9 999.9 Ω)
D.開關及導線若干
(1)如圖丁所示，該同學想將酒精氣體濃度為零的位置標注在表頭20 mA處，則應將電阻箱R0的阻值調為________Ω。
(2)完成步驟(1)后，某次在實驗室中試測酒精濃度時，表頭指針如圖丁所示。已知酒精濃度在0.2～ 0.8 mg/mL之間屬于酒駕；酒精含量達到或超過0.8 mg/mL屬于醉駕，則該次測試的酒精濃度屬于________范圍(選填“酒駕”或“醉駕”)。
(3)使用較長時間后，干電池組電動勢降低，內阻增大，則此時所測的酒精氣體濃度與真實值相比________(選填“偏大”“偏小”或“不變”)。
答案　(1)64.0　(2)酒駕　(3)偏小
解析　(1)表頭G顯示電流為20 mA，且由題圖乙可知，當酒精氣體濃度為零時，該氣體傳感器電阻R＝80 Ω，根據閉合電路歐姆定律可得
9.電子秤是人們生活中常用的一種稱量工具。某同學根據所學知識制作了一臺簡易電子秤，原理圖如圖甲所示，圖中電壓表可視為理想電壓表(量程為3 V)，滑動變阻器的滑片為P，最大阻值為R＝12 Ω，該同學用刻度尺測得滑動變阻器滑片能滑動范圍的長度為L＝2 cm。
培優加強練
請回答下列問題。
(1)該同學先利用圖乙所示電路測定電子秤里兩節紐扣電池(如圖丙)的電動勢和內阻，根據多次測量得到的數據，作出的U′－I圖像如圖丁所示，可知這兩節紐扣電池串聯后的電動勢為E＝________V，內阻為r＝________Ω。
(2)該同學想得到電壓表的示數U與被測物體質量m之間的關系，設計了如下實驗：
①調節圖甲中滑片P的位置，使電壓表的示數恰好為零；
②在托盤里緩慢加入細砂，直到滑片P恰好滑到滑動變阻器的b端，然后調節電阻箱R0，直到電壓表達到滿偏，實驗過程中彈簧一直處于彈性限度內，則此時電阻箱的讀數為R1＝________Ω；
③已知所用的彈簧的勁度系數為k＝1.96×103 N/m，重力加速度為g＝9.8 m/s2，則該電子秤所能稱量的最大質量為m＝________kg。
(3)結合上面實驗內容，可得電壓表的示數U與被測物體質量m之間的關系式為U＝__________(用題目中給出的物理量符號表示)。
③滑片P滑到滑動變阻器的b端，彈簧的形變量增加了2 cm，由平衡條件有kΔx＝mg，則該電子秤所能稱量的最大質量為m＝4 kg。

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