資源簡介

課時分層作業(十八)　常見傳感器的工作原理及應用
?題組一　電阻式傳感器的應用分析
1．(多選)如圖所示，用光敏電阻LDR和燈泡制成的一種簡易水污染指示器，下列說法正確的是(　　)
A．嚴重污染時，LDR是高電阻
B．輕度污染時，LDR是高電阻
C．無論污染程度如何，LDR的電阻不變，阻值大小由材料本身因素決定
D．該儀器的使用會因為白天和晚上受到影響
2．電熨斗能自動控制溫度，在熨燙不同的織物時，設定的溫度可以不同，如圖所示為電熨斗的結構圖，電熨斗內部裝有雙金屬片，雙金屬片上層金屬的熱膨脹系數大于下層金屬，若把熨燙的棉麻衣物換成絲綢衣物，則如何調節調溫旋鈕(　　)
織物材料 尼龍 合成纖維 絲綢 羊毛 棉麻
熨燙溫度 低→高
A．向下　　　　　 B．向上
C．保持原狀 　 D．不能確定
3．如圖甲所示的電路中，光敏電阻R2加上圖乙所示的光照時，R2兩端的電壓變化規律是圖中的(　　)
A　　　　B　　　　C　　　D
4．如圖所示是觀察電阻R隨溫度變化情況的示意圖。現在把杯中的水由冷水換為熱水，關于電阻表的讀數變化情況正確的是(　　)
A．如果R為金屬熱電阻，讀數變大，且變化非常明顯
B．如果R為金屬熱電阻，讀數變小，且變化不明顯
C．如果R為熱敏電阻(用半導體材料制作)，讀數變化非常明顯
D．如果R為熱敏電阻(用半導體材料制作)，讀數變化不明顯
?題組二　電容式傳感器
5．(多選)如圖所示，電容式話筒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上金屬層的振動膜a構成一個電容器，a、b分別通過導線與恒定電源兩極相接，聲源S做位移x＝A sin 200πt的振動，則有(　　)
A．a振動過程中，a、b板之間的電場強度不變
B．a振動過程中話筒會產生電磁波
C．導線ac電流的頻率為1 000 Hz
D．a向右位移最大時，a、b板形成的電容最大
6．測定壓力的電容式傳感器如圖所示，將平行板電容器、靈敏電流表(零刻度在中間)和電源串聯成閉合回路。當壓力F作用于可動電極膜片上時，膜片發生形變，引起電容的變化，導致靈敏電流表指針偏轉。在對膜片開始施加壓力使膜片從圖中的虛線推到圖中實線位置并保持固定的過程中，靈敏電流表指針偏轉情況為(電流從電流表正接線柱流入時指針向右偏)(　　)
A．向右偏到某一刻度后回到零刻度
B．向左偏到某一刻度后回到零刻度
C．向右偏到某一刻度后不動
D．向左偏到某一刻度后不動
7．(多選)電容式傳感器的用途非常廣泛，由于電容器的電容C取決于極板正對面積S、極板間距離d以及極板間的電介質這幾個因素，當某一物理量發生變化時就能引起電容的變化，如圖所示是某種電容式傳感器的示意圖，關于這個傳感器的作用，下列說法正確的是(　　)
A．可以通過電介質的左右移動來測量位移
B．可以通過電介質的左右移動再結合時間來測量速度
C．可以通過電介質的左右移動來測量極板受到的壓力
D．可以通過電介質的左右移動結合時間來測量極板的速度
8．如圖所示是電容式話筒的示意圖，它是利用電容制成的傳感器，話筒的振動膜前面有薄薄的金屬層，膜后距膜幾十微米處有一金屬板，振動膜上的金屬層和這個金屬板構成電容器的兩極。在兩極間加一電壓U，人對著話筒說話時，振動膜前后振動，使電容發生變化，從而使聲音信號被話筒轉化為電信號，其中導致電容變化的原因是電容器兩板間的 (　　)
A．距離變化 　 B．正對面積變化
C．電介質變化 　 D．電壓變化
9．如圖所示的電路中，電源兩端的電壓恒定，L為小燈泡，R為光敏電阻，R和L之間用擋板(未畫出)隔開，LED為發光二極管(電流越大，發出的光越強)，且R與LED的間距不變。下列說法正確的是(　　)
A．當滑片P向左移動時，L消耗的功率增大
B．當滑片P向左移動時，L消耗的功率減小
C．當滑片P向右移動時，L消耗的功率不變
D．無論怎樣移動滑片P，L消耗的功率都不變
10．(多選)霍爾元件的示意圖如圖所示。一塊通電的銅板放在磁場中，銅板的前、后板面垂直于磁場，板內通有圖示方向的電流，a、b是銅板上、下邊緣的兩點，則(　　)
A．電勢φa＞φb
B．電勢φb＞φa
C．僅電流增大時，|φa－φb|增大
D．其他條件不變，將銅板改為NaCl溶液時，a、b兩點電勢高低情況仍然一樣
11．如圖甲所示是電飯鍋的電路圖，其內部結構如圖乙所示，S1是一個限溫開關，按下此開關按鈕，兩觸點閉合，當溫度達到居里點(103 ℃)時此開關會自動斷開。S2是一個自動溫控開關，當溫度低于70 ℃時會自動閉合，溫度高于80 ℃時會自動斷開，R1是限流電阻，R2是加熱電阻。下列說法正確的是(　　)
A．當感溫磁體的溫度達到居里點(103 ℃)時，由于感溫磁體失去了磁性，不能被永磁體吸引，在彈簧和磁體重力的作用下，兩觸點斷開
B．開始煮飯時，若不按下限溫開關S1一樣可以把水加熱到100 ℃
C．電飯鍋的飯煮熟后可以長時間保持米飯的溫度在70 ℃到103 ℃之間
D．用電飯鍋燒水，常壓下當水沸騰后限溫開關S1也會自動斷開
12．自行車速度計的工作原理主要依靠的就是安裝在前輪上的一塊磁鐵，當磁鐵運動到霍爾傳感器附近時，就產生了霍爾電壓，霍爾電壓通過導線傳入一個小型放大器中，放大器就能檢測到霍爾電壓，這樣便可測出在某段時間內的脈沖數。當自行車以某個速度勻速直線行駛時，檢測到單位時間內的脈沖數為N，已知磁鐵和霍爾傳感器到前輪輪軸的距離均為R1，前輪的半徑為R2，脈沖的寬度為Δt，峰值為Um，下列說法正確的是(　　)
A．車速越快，脈沖的峰值Um越大
B．車速越快，脈沖的寬度Δt越大
C．車速為2πNR2
D．車速為2πNR1
13．一種懸球式加速度儀如圖所示，它可用來測定沿水平軌道運動的列車的加速度。m是一個金屬球，它系在金屬絲的下端，金屬絲的上端懸掛在O點。AB是一根長為l的電阻絲，其電阻值為R，金屬絲與電阻絲接觸良好，摩擦不計。電阻絲的中點C焊接一根導線，從O點也引出一根導線，兩線之間接入一個電壓表V(金屬絲和導線電阻不計)。圖中虛線OC與AB垂直，且OC＝h，電阻絲AB接在電壓為U的直流穩壓電源上。整個裝置固定在列車中，使AB沿著前進的方向。列車靜止時金屬絲在豎直方向，當列車加速或減速前進時，金屬絲將偏離豎直方向，從電壓表的示數變化可測出加速度的大小。
(1)當列車向右勻加速運動時，試寫出加速度a與電壓表示數U′的關系式，以便重新刻制電壓表刻線，使其成為可直接讀出加速度數值的加速度計。
(2)用此裝置測得的最大加速度是多少？
(3)將C點設置在電阻絲AB的中點有什么好處？對電壓表的選擇有什么特殊要求？課時分層作業(十八)
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AD B B C BD A AB A A BC A C
1．AD　[嚴重污染時，透過污水照到LDR上的光線較少，LDR電阻較大，A正確，B錯誤；LDR由半導體材料制成，受光照影響，電阻會發生變化，C錯誤；白天和晚上自然光的強弱不同，會影響LDR的電阻，D正確。]
2．B　[由題意知，把電熨斗熨燙的棉麻衣物換成絲綢衣物，就是要求電熨斗在低溫易斷開，因雙金屬片向下彎曲，上下觸點脫離，電路斷開，因此，應向上調節調溫旋鈕，雙金屬片受熱時，易使觸點分離，故B正確。]
3．B　[光敏電阻隨光照的增強電阻減小，電路中電流增大，電阻R1兩端電壓增大，R2兩端電壓減小，但不能減小到零，故B正確。]
4．C　[若為金屬熱電阻，溫度升高后，電阻變大，但由于金屬熱電阻靈敏度較差，故電阻表讀數變大但不明顯，A、B錯誤；若為用半導體材料制作的熱敏電阻，由于熱敏電阻的靈敏度較高，讀數將明顯變化，C正確，D錯誤。]
5．BD　[由于振動膜振動，兩極板間形成變化的電場而產生電磁波，導線內形成聲音振動電流，振動膜向右位移最大時兩極板間距最小，電容最大，導線中電流的頻率等于聲源S振動的頻率f＝＝100 Hz，故B、D正確。]
6．A　[壓力F作用時，極板間距d變小，由C＝可知電容器電容C變大，根據Q＝CU可知，極板帶電荷量變大，所以電容器應充電，靈敏電流計中通過由正接線柱流入的電流，指針將右偏，當F不變時，極板保持固定后，充電結束，指針回到零刻度，故A正確，B、C、D錯誤。]
7．AB　[電容器可以由電介質的變化引起電容的變化，來測量位移x，也可以結合時間來測量位移變化的快慢，即速度，故A、B正確；電介質的運動與極板的變化都影響電容的變化，故不能通過電介質的運動來測量極板受到的壓力及極板的運動快慢，故C、D錯誤。]
8．A　[振動膜前后振動，使振動膜上的金屬層與金屬板間的距離發生變化，從而將聲音信號轉化為電信號，故A正確。]
9．A　[滑片P左移，滑動變阻器接入電路的電阻減小，且電源兩端的電壓恒定，所以流過二極管的電流增大，從而發出的光增強，使光敏電阻R減小，流過燈泡的電流增大，L消耗的功率增大，故選項A正確。]
10．BC　[銅板中的自由電荷是電子，電子定向移動的方向與電流的方向相反，由左手定則可判斷出電子因受洛倫茲力作用向a側偏轉，所以φb＞φa，B正確，A錯誤；因|φa－φb|＝k，所以電流增大時增大，C正確；若將銅板改為NaCl溶液，溶液中的正、負離子均向a側偏轉，＝0，即不產生霍爾效應，D錯誤。]
11．A　[當感溫磁體的溫度達到居里點(103 ℃)時，由于感溫磁體失去了磁性，不能被永磁體吸引，在彈簧和磁體重力的作用下，使得兩觸點斷開，故A正確；如果開始煮飯時不按下限溫開關S1，由于S2的作用，當鍋內溫度低于70 ℃時S2會自動閉合，從而對鍋加熱，但當溫度高于80 ℃時S2會自動斷開，使電飯鍋處于保溫狀態，因此鍋內的溫度會控制在70 ℃到80 ℃之間，而無法將水加熱到100 ℃，故B、C錯誤；用電飯鍋燒水，水沸騰后水的溫度會保持100 ℃不變，鍋底溫度不能達到居里點(103 ℃)，因此限溫開關S1，不會自動斷開，故D錯誤。故選A。]
12．C　[根據qvB＝q得，Um＝Bdv，由電流的微觀定義式I＝neSv，n是單位體積內的電子數，e是單個導電粒子所帶的電荷量，S是導體的橫截面積，v是導電粒子運動的速度，整理得：v＝，聯立解得Um＝，可知保持電流不變，霍爾電壓Um與車速大小無關，故A錯誤；車速越快，脈沖寬度Δt越小，故B錯誤；由題意如果在單位時間t＝1 s內測得的脈沖數為N時，則自行車的轉速為n0＝，則車速為v＝2πNR2，故C正確，D錯誤。]
13．解析：(1)對小球進行受力分析，小球受重力和繩的拉力，其合力沿水平方向。
合力大小F＝mg tan θ
根據牛頓第二定律得a＝＝g tan θ
電壓表所測的電阻絲的長度L′＝h tan θ＝
串聯電路中電流處處相等，有
解得U′＝L′＝理可得a＝(2)電壓表的最大值對應著加速度的最大值，由電路圖可知，電壓表的最大讀數為U′max＝，所以加速度的最大值為amax＝(3)C點設置在AB中間的好處是：利用這個裝置還可以測定列車做勻減速運動時的加速度，這時小球偏向OC線的右方。對電壓表的要求是，此電路中所用電壓表的零點要在中間，量程要大于。
答案：(1)a＝　(2)　(3)見解析(共74張PPT)
2．常見傳感器的工作原理及應用
第五章　傳感器
整體感知·自我新知初探
[學習任務]　任務1．知道傳感器就是把非電學量轉換為電學量的器件或裝置，其主要元件是敏感元件。
任務2．了解光敏電阻、金屬熱電阻、熱敏電阻和電阻應變片等材料的物理特性，知道利用其特性可以制作傳感器的敏感元件。
任務3．利用電容器的結構改變影響電容的性質，設計電容式位移傳感器。
[問題初探]　問題1．光敏電阻在被光照射時電阻如何變化？
問題2．金屬的電阻率隨溫度如何變化？
問題3．什么是金屬的電阻應變效應？
[自我感知]　經過你認真的預習，結合你對本節課的理解和認識，請畫出本節課的知識邏輯體系。
探究重構·關鍵能力達成
[鏈接教材]　我們知道，傳感器可以感受光強、溫度、 力、磁等非電學量，并把它們轉換為與之有確定對應關系的電學量輸出。那么，常見的傳感器是怎樣感知非電學量，并將其轉
換為電學量的呢？利用不同的敏感元件制成的
各種傳感器又有哪些應用呢？
知識點一　光敏電阻、金屬熱電阻和熱敏電阻
提示：①常見傳感器通過敏感元件電阻的變化、電容的變化及電壓的變化等感知非電學量。
②傳感器在溫度測量、光照強度測量、感知力的大小及變化、磁感應強度測量、自動化電路控制等方面有廣泛的應用。
1．光敏電阻
(1)特點：光照越強，電阻____。
(2)原因：光敏電阻的構成物質為半導體材料，無光照時，載流子極少，導電性能__；隨著光照的____，載流子增多，導電性____。
(3)作用：把________這個光學量轉換為____這個電學量。
提醒：光敏電阻阻值隨光照強度變化而變化是因為光敏電阻是半導體，光照引起載流子數變化。
越小
差
增強
變好
光照強弱
電阻
2．金屬熱電阻
有些金屬的電阻率隨溫度的升高而____，這樣的金屬絲可以用來制作溫度傳感器，稱為熱電阻，如圖甲所示為某金屬導線電阻的阻值隨溫度變化的圖線。
增大
3．熱敏電阻
熱敏電阻由半導體材料制成，其電阻隨溫度的變化明顯，溫度升高電阻____，如圖乙所示為某一熱敏電阻的阻值隨溫度變化的特性曲線。
提醒：熱敏電阻是由半導體材料制成的，其電阻值變化比較明顯。在工作溫度范圍內，電阻值隨溫度上升而增大的是正溫度系數(PTC)熱敏電阻器；電阻值隨溫度上升而減小的是負溫度系數(NTC)熱敏電阻器。
減小
觀察下面兩幅實驗圖。
問題1．圖甲中，手張開(或用黑紙)先擋住照在光敏電阻上的部分光線，后擋住照在光敏電阻上的全部光線，電阻表的示數如何變化？
提示：示數變大。
問題2．圖乙中，將負溫度系數的熱敏電阻放入裝有少量冷水并插入溫度計的燒杯中，分幾次向燒杯中注入熱水改變水的溫度，電阻表的示數如何變化？
提示：示數變小。
1．電阻式傳感器性能比較
熱敏電阻 金屬熱電阻 光敏電阻 電阻應變片
特點 正溫度系數的熱敏電阻，隨溫度升高阻值變大；負溫度系數的熱敏電阻，隨溫度升高阻值減小 電阻率隨溫度的升高而增大 在強光下電阻小，在弱光下電阻大 受到拉力時，電阻變大；受到壓力時，電阻變小
熱敏電阻 金屬熱電阻 光敏電阻 電阻應變片
敏感材料 半導體 金屬 把硫化鎘涂敷在絕緣板上，在其表面鍍銀 金屬材料
優點 靈敏度好 測溫范圍大 靈敏度好 靈敏度好
原理 溫度影響電阻率 無光照時，載流子極少，導電性能差；隨著光照的增強，載流子增多，導電性變好
應用 空調機 電飯煲 照相機 電子秤
2．熱敏電阻和金屬熱電阻隨溫度變化的特點
(1)熱敏電阻：用半導體材料制成，電阻值隨溫度變化發生明顯變化的電阻。如圖線①所示為某熱敏電阻阻值隨溫度變化的特性曲線。
(2)金屬熱電阻：有些金屬的電阻率隨溫度的升高而增大，如圖線②所示，這樣的電阻也可以制作溫度傳感器。
【典例1】　(熱敏電阻)一火警報警器的一部分電路示意圖如圖所示，其中R2為用半導體熱敏電阻(阻值隨溫度的升高而減小)制成的傳感器，電流表為值班室的顯示器，a、b之間接報警器。當傳感器R2所在處出現火情時，顯示器的電流I、報警器兩端的電壓U的變化情況是(　　)
A．I變大、U變大　　　
B．I變小、U變小
C．I變小、U變大 　
D．I變大、U變小
√
[思路點撥]　解答本題時可按以下思路分析：
B　[當R2處出現火情時，熱敏電阻的阻值將減小，此時電路中的總電阻減小，由閉合電路歐姆定律可知，電路中的總電流增大，路端電壓將減小，所以報警器兩端的電壓U減小；由于路端電壓減小，R1兩端的電壓增大，并聯部分的電壓減小，通過R3的電流I變小，所以顯示器的電流I變小。故選B。]
解題技巧　含有熱敏電阻的電路的動態分析順序
【典例2】　(光敏電阻)在產品生產的流水線上，常需要對產品計數。如圖甲所示是利用光敏電阻自動計數的示意圖，其中A是發光儀器，B是接收光信號的儀器，B中的主要元件是由光敏電阻組成的光電傳感器。當傳送帶上沒有產品擋住由A射向B的光信號時，光敏電阻的阻值較小；有產品擋住由A射向B的光信號時，光敏電阻的阻值變大。實現自動計數功能的電路如圖乙所示，a、b之間接示波器。水平傳送帶勻速前進，產品通過時會擋住光信號。示波器顯示的電壓隨時間變化的圖像如圖丙所示。若計數電路中的電源兩端的電壓恒為6 V，光敏電阻與阻值為1 kΩ的定值電阻串聯。已知t＝0.1 s時光信號被產品擋住。下列說法正確的是(　　)
A．R1為光敏電阻
B．光信號被產品擋住時，光敏電阻的阻值為2 kΩ
C．光信號被產品擋住時，光敏電阻的阻值為0.5 kΩ
D．每分鐘通過計數裝置的產品數量為300個
√
【教用·備選例題】　(多選)如圖所示，R1、R2為定值電阻，L為小燈泡，R3為光敏電阻，當入射光強度增大時(　　)
A．電壓表的示數增大
B．R2中電流減小
C．小燈泡的功率增大
D．電路的路端電壓增大
√
√
√
ABC　[當入射光強度增大時，R3阻值減小，外電路總電阻隨R3的減小而減小，由閉合電路歐姆定律知，干路電流增大，R1兩端電壓增大，電壓表的示數增大，同時內電壓增大，電路的路端電壓減小，A項正確，D項錯誤；因路端電壓減小，而R1兩端電壓增大，故R2兩端電壓減小，則R2中電流減小，B項正確；結合干路電流增大知流過小燈泡的電流增大，小燈泡的功率增大，C項正確。]
1．力傳感器的組成及敏感元件：由______和電阻______組成，敏感元件是電阻______。
2．工作原理
3．作用：電阻應變片將物體____這個力學量轉換為____這個電學量。
知識點二　力傳感器的應用——電子秤
提醒：力傳感器不僅可以測量壓力，也可以測量拉力。

金屬梁
應變片
應變片
形變
電阻
電子秤中的力傳感器由金屬梁和電阻應變片組成，其結構如圖所示。在應用電子秤測力時：
問題1．在梁的上下表面的應變片是怎樣形變的？
提示：上表面拉伸，下表面壓縮。
問題2．它們的電阻是怎樣變化的？
提示：根據電阻定律可知，上表面應變片的電阻變大，下表面應變片的電阻變小。
問題3．電子秤是如何把物體形變這個力學量轉換為電壓這個電學量的？
提示：讓應變片中通過的電流保持不變，所以上表面應變片兩端的電壓變大，下表面應變片兩端的電壓變小，傳感器把這兩個電壓的差值輸出，這樣就把物體形變這個力學量轉換為電壓這個電學量。
力傳感器的應用——電子秤工作原理
1．壓力(兩個應變片的形變)引起電阻變化。如圖所示，金屬梁右端固定，上下表面各貼一個應變片，金屬梁自由端受力F時，金屬梁發生彎曲，上表面應變片拉伸，阻值變大，下表面應變片壓縮，阻值變小。
2．如果讓應變片中通過的電流保持恒定，則上表面應變片兩端電壓變大，下表面應變片兩端電壓變小。傳感器把這兩個電壓的差值輸出，力F越大，輸出的電壓差值也就越大，這樣就把壓力的大小轉換為電壓的大小。
【典例3】　(電子秤)如圖甲虛線框內所示是電子秤測量部分的原理圖，壓力傳感器的電阻R隨壓力F的變化如圖乙所示。開關閉合后，壓力傳感器兩端的電壓恒為6.0 V。電流表的量程為0.6 A。電表的內阻、踏板和壓桿的質量可以忽略不計。
(1)求空載時，電流表的讀數；
(2)求可以稱量物體的最大值；
(3)試寫出電流表示數I與壓力F的變化關系式。
【教用·備選例題】　力敏電阻被廣泛應用于汽車電子、醫療設備以及工業機器人等領域。為了研究一可視為純電阻的力敏電阻的電阻值隨著表面所受壓力的變化而變化的情況，
中學課外興趣小組的同學設計的實驗電路如
圖所示，已知該力敏電阻的電阻值在100 Ω～
3 000 Ω之間變化。除了力敏電阻外，興趣小
組現有的器材還有：
直流電源E(電動勢約為6 V，內阻約為1 Ω)；
電壓表V1(量程為6 V，內阻約為3 kΩ)；
電壓表V2(量程為15 V，內阻約為5 kΩ)；
電流計G(量程為3 mA，內阻為11 Ω)；
滑動變阻器R1(最大阻值為10 Ω，額定電流為3 A)；
滑動變阻器R2(最大阻值為1 kΩ，額定電流為0.5 A)；
開關及導線若干。
(1)實驗中要求盡量減小誤差，應保證電表在測量時其最大示數超過量程的一半，則滑動變阻器應選擇________(選填“R1”或“R2”)，電壓表應選擇________(選填“V1”或“V2”)。
(2)為了在實驗中使電流計符合實驗要求，需要給電流計________(選填“串”或“并”)聯一個阻值為________ Ω的定值電阻，就可以將該電流計改裝為量程36 mA的電流表。
(3)使用該電路測量時，由于電壓表不是理想電表，因此測量值________(選填“大于”或“小于”)真實值。
R1
V1
并
1
小于
(4)已知力敏電阻的電阻值隨著表面所受壓力的增大而減小。實驗中先將滑動變阻器的滑片P移至左端，再閉合開關S1，在給該力敏電阻施加較大的壓力時，開關S2需要處于________(選填“斷開”或“閉合”)狀態。移動滑片P至合適位置，若此時電壓表示數為量程的三分之二，改裝電流表示數為27 mA，則此時力敏電阻對應的阻值為________Ω(結果保留三位有效數字)。
閉合
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1．電容器的電容決定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，這種電容器稱為電容式傳感器。
知識點三　電容式傳感器
2．常見電容式傳感器
名稱 傳感器 原理
測定角度θ的電容式傳感器 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，知道C的變化，就可以知道θ的變化情況
名稱 傳感器 原理
測定液面高度h的電容式傳感器 在導電芯的外面涂上一層絕緣物質，放入導電液體中，導電芯和導電液體構成電容器的兩個極，導電芯外面的絕緣物質就是電介質，液面高度h發生變化時，引起正對面積發生變化，使電容C發生變化，知道C的變化，就可以知道h的變化情況
名稱 傳感器 原理
測定壓力F的電容式傳感器 待測壓力F作用于可動膜片電極上的時候，膜片發生形變，使極板間距離d發生變化，引起電容C的變化，知道C的變化，就可以知道F的變化情況
測定位移x的電容式傳感器 隨著電介質進入極板間的長度發生變化，電容C發生變化，知道C的變化，就可以知道x的變化情況
【典例4】　(電容式傳感器)(多選)電容式傳感器實質上是一個可變電容器，當某待測量發生變化時，能引起電容器的電容變化。如圖所示是四個電容式傳感器的示意圖。關于這四個傳感器的作用，下列說法正確的是(　　)
A．圖甲的傳感器可測量角度
B．圖乙的傳感器可測量液面的高度
C．圖丙的傳感器可測量壓力
D．圖丁的傳感器可測量速度
√
√
√
ABC　[題圖甲所示電容器為可變電容器，通過動片轉動改變正對面積，改變電容，可以用來測量角度，選項A正確；題圖乙所示電容器的一個極板是金屬芯線，另一個極板是導電液體，故是通過改變電容器兩極間正對面積而引起電容變化的，可以用來測量液面的高度，選項B正確；題圖丙是通過改變兩個電極間的距離改變電容器的，可以用來測量壓力，選項C正確；題圖丁所示是可變電容器，通過改變極板間電介質的長度來改變電容，可以用來測量位移，不能測量速度，選項D錯誤。]
應用遷移·隨堂評估自測
1．有一電學元件，溫度升高時其電阻減小，這種元件可能是(　　)
A．一般金屬導體　　　　 B．光敏電阻
C．熱敏電阻 　 D．電阻應變片
√
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題號
1
C　[金屬導體電阻值一般隨溫度升高而增大，光敏電阻電阻值是隨光照強度的增大而減小，熱敏電阻的阻值隨溫度的升高而增大或隨溫度的升高而減小，電阻應變片的阻值隨機械形變而發生變化，C正確，A、B、D錯誤。]
2．關于光敏電阻和熱敏電阻，下列說法正確的是(　　)
A．光敏電阻是用半導體材料制成的，其阻值隨光照增強而減小，隨光照的減弱而增大
B．光敏電阻是能把光照強度這個光學量轉換為電流這個電學量的傳感器
C．熱敏電阻是用金屬鉑制成的，它對溫度感知很靈敏
D．熱敏電阻是把熱量這個熱學量轉換為電阻這個電學量的傳感器
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題號
1
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√
A　[光敏電阻是把光強轉換為電阻的元件，熱敏電阻是把溫度轉換為電阻的元件，故B、D錯誤；熱敏電阻和光敏電阻都是半導體材料制成的，半導體具有光敏性和熱敏性，金屬鉑與熱敏電阻的阻值隨溫度的變化趨勢相反，故C錯誤，A正確。]
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題號
1
4
3．如圖所示，電容式觸摸屏的構造主要是在玻璃屏幕上鍍一層透明的薄膜導體層，再在導體層外加上一塊保護玻璃，電容式觸摸屏在觸摸屏四邊均鍍上狹長的電極，在導體層內形成一個低電壓交流電場。在觸摸屏幕時，由于人體是導體，手指與內部導體層間會形成一個特殊電容(耦合電容)，四邊電極發出的電流會流向觸點，而電流強弱與手指到電極
的距離成正比，位于觸摸屏后的控制器便會計算電流
的比例及強弱，準確算出觸摸點的位置。由以上信息
可知(　　)
A．電容式觸摸屏的兩極板分別是導體層和手指
B．當用手觸摸屏幕時，手指與屏的接觸面積變化，電容不變
C．當用手觸摸屏幕時，手指與屏的接觸面積越大，電容越小
D．如果用戴了手套的手觸摸屏幕，照樣能靈敏計算出觸摸點的位置
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題號
4
1
√
A　[電容觸摸屏在原理上把人體當作電容器元件的一個極板，把導體層當作另一個極板，A正確；手指與屏的接觸面積越大，即兩個極板的正對面積越大，電容越大，B、C錯誤；如果戴了手套或手持不導電的物體觸摸時沒有反應，這是因為手與導體層距離較大，不能靈敏引起導體層電場的變化，D錯誤。]
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題號
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1
4．(多選)一種油箱內油面高度檢測裝置的示意圖如圖所示。圖中油量表由電流表改裝而成，金屬杠桿的一端接浮標，另一端觸點O接滑動變阻器R。當油箱內油面下降時，下列分析正確的有(　　)
A．觸點O向下滑動
B．觸點O向上滑動
C．電路中的電流增大了
D．電路中的電流減小了
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題號
1
√
BD　[當油箱內油面下降時，浮標下降，由杠桿可以看出觸點O向上滑動，變阻器R的阻值變大，電流減小，所以選項A、C錯誤，B、D正確。]
√
回歸本節知識，完成以下問題：
(1)光敏電阻把什么量轉化為電阻？熱敏電阻把什么量轉化為電阻？電阻應變片把什么量轉化為電阻？
提示：光照強度；溫度；形變。
(2)電容式位移傳感器輸入是什么？輸出的是什么？
提示：位移；電容。
題號
課時分層作業(十八)　常見傳感器的工作原理及應用
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?題組一　電阻式傳感器的應用分析
1．(多選)如圖所示，用光敏電阻LDR和燈泡制成的一種簡易水污染指示器，下列說法正確的是(　　)
A．嚴重污染時，LDR是高電阻
B．輕度污染時，LDR是高電阻
C．無論污染程度如何，LDR的電阻不變，阻值大小由材料本身因素決定
D．該儀器的使用會因為白天和晚上受到影響
√
AD　[嚴重污染時，透過污水照到LDR上的光線較少，LDR電阻較大，A正確，B錯誤；LDR由半導體材料制成，受光照影響，電阻會發生變化，C錯誤；白天和晚上自然光的強弱不同，會影響LDR的電阻，D正確。]
題號
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2．電熨斗能自動控制溫度，在熨燙不同的織物時，設定的溫度可以不同，如圖所示為電熨斗的結構圖，電熨斗內部裝有雙金屬片，雙金屬片上層金屬的熱膨脹系數大于下層金屬，若把熨燙的棉麻衣物換成絲綢衣物，則如何調節調溫旋鈕(　　)
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A．向下　B．向上 C．保持原狀 　D．不能確定
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B　[由題意知，把電熨斗熨燙的棉麻衣物換成絲綢衣物，就是要求電熨斗在低溫易斷開，因雙金屬片向下彎曲，上下觸點脫離，電路斷開，因此，應向上調節調溫旋鈕，雙金屬片受熱時，易使觸點分離，故B正確。]
織物材料 尼龍 合成纖維 絲綢 羊毛 棉麻
熨燙溫度 低→高
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3．如圖甲所示的電路中，光敏電阻R2加上圖乙所示的光照時，R2兩端的電壓變化規律是圖中的(　　)
A　　　B　　　C　　D
B　[光敏電阻隨光照的增強電阻減小，電路中電流增大，電阻R1兩端電壓增大，R2兩端電壓減小，但不能減小到零，故B正確。]
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4．如圖所示是觀察電阻R隨溫度變化情況的示意圖。現在把杯中的水由冷水換為熱水，關于電阻表的讀數變化情況正確的是(　　)
A．如果R為金屬熱電阻，讀數變大，且變化非常明顯
B．如果R為金屬熱電阻，讀數變小，且變化不明顯
C．如果R為熱敏電阻(用半導體材料制作)，
讀數變化非常明顯
D．如果R為熱敏電阻(用半導體材料制作)，
讀數變化不明顯
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C　[若為金屬熱電阻，溫度升高后，電阻變大，但由于金屬熱電阻靈敏度較差，故電阻表讀數變大但不明顯，A、B錯誤；若為用半導體材料制作的熱敏電阻，由于熱敏電阻的靈敏度較高，讀數將明顯變化，C正確，D錯誤。]
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?題組二　電容式傳感器
5．(多選)如圖所示，電容式話筒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上金屬層的振動膜a構成一個電容器，a、b分別通過導線與恒定電源兩極相接，聲源S做位移x＝Asin 200πt的振動，則有(　　)
A．a振動過程中，a、b板之間的電場強度不變
B．a振動過程中話筒會產生電磁波
C．導線ac電流的頻率為1 000 Hz
D．a向右位移最大時，a、b板形成的電容最大
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6．測定壓力的電容式傳感器如圖所示，將平行板電容器、靈敏電流表(零刻度在中間)和電源串聯成閉合回路。當壓力F作用于可動電極膜片上時，膜片發生形變，引起電容的變化，導致靈敏電流表指針偏轉。在對膜片開始施加壓力使膜片從圖中的虛線推到圖中實線位置并保持固定的過程中，靈敏電流表指針偏轉情況為(電流從電流表正接線柱流入時指針向右偏)(　　)
A．向右偏到某一刻度后回到零刻度
B．向左偏到某一刻度后回到零刻度
C．向右偏到某一刻度后不動
D．向左偏到某一刻度后不動
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7．(多選)電容式傳感器的用途非常廣泛，由于電容器的電容C取決于極板正對面積S、極板間距離d以及極板間的電介質這幾個因素，當某一物理量發生變化時就能引起電容的變化，如圖所示是某種電容式傳感器的示意圖，關于這個傳感器的作用，下列說法正確的是(　　)
A．可以通過電介質的左右移動來測量位移
B．可以通過電介質的左右移動再結合時間來測量速度
C．可以通過電介質的左右移動來測量極板受到的壓力
D．可以通過電介質的左右移動結合時間來測量極板的速度
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AB　[電容器可以由電介質的變化引起電容的變化，來測量位移x，也可以結合時間來測量位移變化的快慢，即速度，故A、B正確；電介質的運動與極板的變化都影響電容的變化，故不能通過電介質的運動來測量極板受到的壓力及極板的運動快慢，故C、D錯誤。]
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8．如圖所示是電容式話筒的示意圖，它是利用電容制成的傳感器，話筒的振動膜前面有薄薄的金屬層，膜后距膜幾十微米處有一金屬板，振動膜上的金屬層和這個金屬板構成電容器的兩極。在兩極間加一電壓U，人對著話筒說話時，振動膜前后振動，使電容發生變化，從而使聲音信號被話筒轉化為電信號，其中導致
電容變化的原因是電容器兩板間的 (　　)
A．距離變化 　 B．正對面積變化
C．電介質變化 　 D．電壓變化
A　[振動膜前后振動，使振動膜上的金屬層與金屬板間的距離發生變化，從而將聲音信號轉化為電信號，故A正確。]
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9．如圖所示的電路中，電源兩端的電壓恒定，L為小燈泡，R為光敏電阻，R和L之間用擋板(未畫出)隔開，LED為發光二極管(電流越大，發出的光越強)，且R與LED的間距不變。下列說法正確的是(　　)
A．當滑片P向左移動時，L消耗的功率增大
B．當滑片P向左移動時，L消耗的功率減小
C．當滑片P向右移動時，L消耗的功率不變
D．無論怎樣移動滑片P，L消耗的功率都不變
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A　[滑片P左移，滑動變阻器接入電路的電阻減小，且電源兩端的電壓恒定，所以流過二極管的電流增大，從而發出的光增強，使光敏電阻R減小，流過燈泡的電流增大，L消耗的功率增大，故選項A正確。]
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10．(多選)霍爾元件的示意圖如圖所示。一塊通電的銅板放在磁場中，銅板的前、后板面垂直于磁場，板內通有圖示方向的電流，a、b是銅板上、下邊緣的兩點，則(　　)
A．電勢φa＞φb
B．電勢φb＞φa
C．僅電流增大時，|φa－φb|增大
D．其他條件不變，將銅板改為NaCl溶液時，a、b兩點電勢高低情況仍然一樣
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11．如圖甲所示是電飯鍋的電路圖，其內部結構如圖乙所示，S1是一個限溫開關，按下此開關按鈕，兩觸點閉合，當溫度達到居里點(103 ℃)時此開關會自動斷開。S2是一個自動溫控開關，當溫度低于70 ℃時會自動閉合，溫度高于80 ℃時會自動斷開，R1是限流電阻，R2是加熱電阻。下列說法正確的是(　　)
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A．當感溫磁體的溫度達到居里點(103 ℃)時，由于感溫磁體失去了磁性，不能被永磁體吸引，在彈簧和磁體重力的作用下，兩觸點斷開
B．開始煮飯時，若不按下限溫開關S1一樣可以把水加熱到100 ℃
C．電飯鍋的飯煮熟后可以長時間保持米飯的溫度在70 ℃到103 ℃之間
D．用電飯鍋燒水，常壓下當水沸騰后限溫開關S1也會自動斷開
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A　[當感溫磁體的溫度達到居里點(103 ℃)時，由于感溫磁體失去了磁性，不能被永磁體吸引，在彈簧和磁體重力的作用下，使得兩觸點斷開，故A正確；如果開始煮飯時不按下限溫開關S1，由于S2的作用，當鍋內溫度低于70 ℃時S2會自動閉合，從而對鍋加熱，但當溫度高于80 ℃時S2會自動斷開，使電飯鍋處于保溫狀態，因此鍋內的溫度會控制在70 ℃到80 ℃之間，而無法將水加熱到100 ℃，故B、C錯誤；用電飯鍋燒水，水沸騰后水的溫度會保持100 ℃不變，鍋底溫度不能達到居里點(103 ℃)，因此限溫開關S1，不會自動斷開，故D錯誤。故選A。]
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12．自行車速度計的工作原理主要依靠的就是安裝在前輪上的一塊磁鐵，當磁鐵運動到霍爾傳感器附近時，就產生了霍爾電壓，霍爾電壓通過導線傳入一個小型放大器中，放大器就能檢測到霍爾電壓，這樣便可測出在某段時間內的脈沖數。當自行車以某個速度勻速直線行駛時，檢測到單位時間內的脈沖數為N，已知磁鐵和霍爾傳感器到前輪輪軸的距離均為R1，前輪的半徑為R2，脈沖的寬度為Δt，峰值為Um，下列說法正確的是(　　)
A．車速越快，脈沖的峰值Um越大
B．車速越快，脈沖的寬度Δt越大
C．車速為2πNR2
D．車速為2πNR1
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13．一種懸球式加速度儀如圖所示，它可用來測定沿水平軌道運動的列車的加速度。m是一個金屬球，它系在金屬絲的下端，金屬絲的上端懸掛在O點。AB是一根長為l的電阻絲，其電阻值為R，金屬絲與電阻絲接觸良好，摩擦不計。電阻絲的中點C焊接一根導線，從O點也引出一根導線，兩線之間接入一個電壓表V(金屬絲和導線電阻不計)。圖中虛線OC與AB垂直，且OC＝h，電阻絲AB接在電壓為U的直流穩壓電源上。整個裝置固定在列車中，使AB沿著前進的方向。列車靜止
時金屬絲在豎直方向，當列車加速或減速前進時，金
屬絲將偏離豎直方向，從電壓表的示數變化可測出加
速度的大小。
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(1)當列車向右勻加速運動時，試寫出加速度a與電壓表示數U′的關系式，以便重新刻制電壓表刻線，使其成為可直接讀出加速度數值的加速度計。
(2)用此裝置測得的最大加速度是多少？
(3)將C點設置在電阻絲AB的中點有什么好處？對電壓表的選擇有什么特殊要求？
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