資源簡介

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第五章　傳感器
1. 認識傳感器
2. 常見傳感器的工作原理及應用
核心素養：
1. 感受傳感器，知道傳感器是把非電學量轉換成電學量的器件或裝置.（物理觀念）
2. 了解傳感器的基本組成部分和應用的一般模式.（物理觀念）
3. 利用電容器的結構改變電容的性質，設計電容式位移傳感器.（科學研究）
4. 知道傳感器在某些方面可以代替甚至超過人類對自然的感知，能夠改變人類的生 產生活方式.（科學態度與責任）
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研習任務一　對傳感器的認識
合作　討論
話筒是一種能夠將聲音信號轉換為電信號的傳感器.圖乙是電容式話筒的組成結構示意圖，話筒的振動膜片涂有薄薄的金屬層，膜后相距幾十微米有一個金屬片（固定電極），它們構成電容器的兩個極板.電容式話筒利用電容器的電容與極板間距離的關系來工作.你能根據它的工作過程說說各組成元件的作用嗎？
提示：振動膜：作為敏感元件，感受聲音信號的變化；
固定電極：與振動膜組成的電容器是轉換元件，聲波使振動膜發生振動，將聲音信號 的強弱轉換成電容器的電容變化.
電阻R：與電容器、電源組成轉換電路，由于電容器的電容不斷發生變化，電容器產 生充、放電電流，加載在電阻R兩端的電壓也隨之變化.將聲音信號經過轉換電路輸出 為便于測量和處理的電壓信號.
教材　認知
1. 神奇的傳感器
（1）傳感器：能夠感受諸如 、 、 、 、 等 被測量，并能把它們按照一定的規律轉換為便于 和 的可用信號輸出 的一類器件或裝置.
（2）意義：把非電學量轉換為 、 等電學量，或轉換為電路的 ，可以很方便地進行測量、 、處理和 .
力　
溫度　
光　
聲　
化學成分　
傳送　
處理　
電壓　
電流　
通斷
傳輸　
控制　
物理特性　
物理效應　
光　
壓力　
溫度　
電阻　
電容　
光電　
熱電
磁電　
（2）化學傳感器
利用 原理，把無機或有機化學物質的 、 等轉換為電 信號，如離子傳感器、氣體傳感器等.
（3）生物傳感器
利用 來識別和測定生物化學物質，如酶傳感器、微生物傳 感器、細胞傳感器等.
電化學反應　
成分　
濃度　
生物活性物質的選擇性　
3. 傳感器的組成與應用模式
（1）傳感器的組成：傳感器的基本部分一般由敏感元件、轉換元件組成.
①敏感元件是指能直接感受或響應外界被測 的部分，完成 的基 本功能；
②轉換元件是指能將敏感元件輸出的 直接轉換成 的部分，完 成 的基本功能.
非電學量　
檢測　
信號　
電信號　
轉換　
（2）傳感器應用的一般模式
要點　歸納
1. 傳感器的組成
（1）敏感元件：相當于人的感覺器官，是傳感器的核心部分，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物理量成一定關系的非電信 號轉換成電信號的電子元件.
（3）轉換電路：將轉換元件輸出的不易測量的電學量轉換成易于測量的電學量，如 電壓、電流、電阻等.
3. 傳感器的工作流程
非電學量→敏感元件→轉換元件→轉換電路→電學量.
2. 傳感器的工作原理
傳感器感受的通常是非電學量，如壓力、溫度、位移、濃度、速度、酸堿度等，而它 輸出的通常是電學量，如電壓、電流、電荷量等.這些輸出信號是非常微弱的，通常 要經過放大后再輸送給控制系統產生各種控制動作.
研習　經典
A. 所有傳感器都是由半導體材料做成的
B. 金屬材料也可以制成傳感器
C. 干簧管是一種能夠感知電場的傳感器
D. 傳感器一定是通過感知電壓的變化來傳遞信號的
解析：金屬材料和半導體材料都可以制成傳感器，傳感器是通過把易感受的非電學量 轉換為易處理和控制的電壓、電流或電路的通斷來傳遞信號的.干簧管是一種能感知 磁場的傳感器.故選B.
B
名師點評
　　此類題目屬于概念性的題目，一定要熟讀課本，知道什么是傳感器，并且知道各 種傳感器的工作原理.除此之外，物理離不了生活，生活中多觀察、多留意也會增強 對物理規律的認識和理解.
對應　訓練
A. 光傳感器和位移傳感器
B. 磁傳感器和溫度傳感器
C. 磁傳感器和聲傳感器
D. 壓力傳感器和加速度傳感器
解析：當人將手機靠近耳朵附近接聽電話時，改變了位移，并且耳朵可能擋住了光 線，所以可能用到的傳感器為光傳感器和位移傳感器，A正確；當人將手機靠近耳朵 附近接聽電話時，沒有磁場的變化，也沒有產生壓力的變化，B、C、D錯誤.
A
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研習任務二 常見傳感器的工作原理
合作　討論
如圖所示，將多用電表的選擇開關置于電阻擋，再將多用電表的兩支表筆與負溫度系 數的熱敏電阻RT（溫度升高，電阻減小）的兩端相連，這時表針恰好指在刻度盤的正 中央.若在RT上擦一些酒精，多用電表指針將如何偏轉？若用吹風機將熱風吹向熱敏 電阻，多用電表指針將如何偏轉？
提示：由于酒精揮發，熱敏電阻RT溫度降低，電阻值增大，多用電表指針將向左偏； 用吹風機將熱風吹向熱敏電阻，熱敏電阻RT溫度升高，電阻值減小，多用電表指針將 向右偏.
教材　認知
1. 光敏電阻
（1）組成：把 涂敷在絕緣板上，在其表面再用銀漿涂敷兩個互不相連的 梳狀電極，這樣就制成了一個光敏電阻.
（2）光敏電阻的特性：光敏電阻在暗環境，電阻 ；光敏電阻在強光照射 下，電阻 .
（3）光敏電阻阻值變化原因：硫化鎘是一種 材料，無光照時，載流 子 ，導電性能差； 隨著光照的增強，載流子 ，導電性變好.
（4）光敏電阻的作用：把 這個光學量轉換為 這個電學量.
硫化鎘　
很大　
很小　
半導體　
極少　
增多　
光照強弱　
電阻　
2. 金屬熱電阻和熱敏電阻
（1）常見的感知溫度的敏感元件
①熱電阻：金屬的電阻率隨溫度的升高而 ，用金屬絲可以制作溫度傳感器， 稱為熱電阻.常用的一種熱電阻是用 制作的，可用來做電阻溫度計.
②熱敏電阻：有些半導體在溫度上升時導電能力 ，可以用半導體材料制作熱 敏電阻.
③性能比較：與熱敏電阻相比，金屬熱電阻的 好， 范圍大， 但 較差.
增大　
鉑　
增強　
化學穩定性　
測溫　
靈敏度　
（2）溫度敏感元件的作用
把 這個熱學量轉換為 這個電學量.
溫度　
電阻　
機械　
電阻　
力敏　
材料　
長度 阻
橫截面積　
變大　
變小　
壓阻　
（2）電阻應變片的作用
把 這個力學量轉換為 這個電學量.
物體形變　
電阻　
4. 電容傳感器
（1）工作原理
電容器的電容 C 決定于極板的 、極板間的 以及極板間 的 這三個因素.如果某個物理量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 就可以確定這個物理量的變化， 由此可以制成電容式傳感器.
（2）電容作用
電容式位移傳感器能把物體的 等力學量轉換為 這個電學量.
正對面積S　
距離d　
電介質　
電容　
位移　
電容　
要點　歸納
1. 電阻式傳感器性能比較
2. 霍爾元件
（1）組成材料：很小的矩形半導體（如砷化銦）薄片、四個電極E、F、M、N.
研習　經典
A
A. 電流表示數大說明溫度較高
B. 電流表示數小說明溫度較高
C. 電流表示數與溫度成正比
D. 所改裝的溫度表刻度是均勻的
名師點評
　　對于含有熱敏電阻和光敏電阻的電路，首先要明確光敏電阻和熱敏電阻的特性： ①光敏電阻的阻值隨光照條件的增強而減小；②熱敏電阻分正溫度系數和負溫度系 數，正溫度系數的熱敏電阻的阻值隨溫度升高而增大；負溫度系數的熱敏電阻的阻值 隨溫度升高而減小.其次結合恒定電流中的動態電路的方法分析、處理.
對應　訓練
BD
A. 此陶瓷氣敏傳感器的電阻與氣體中酒精蒸氣的濃度成正比
B. 氣體中酒精蒸氣的濃度越大，則電流表指針偏轉的角度越大
C. 氣體中酒精蒸氣的濃度越大，則電池的路端電壓越小，
電阻R0兩端的電壓也越小
D. 電源用的時間長了，內阻變大，則會導致測得的酒精濃度偏低
解析：由題圖甲可知，該傳感器的電導與酒精蒸氣的濃度成正比，則傳感器的電阻與 氣體中酒精蒸氣的濃度成反比，故A錯誤；因為酒精蒸氣的濃度c越大，傳感器的電 阻越小，電路中的電流越大，電流表指針偏轉的角度越大，路端電壓越小，R0兩端電 壓越大，故B正確，C錯誤；若電源用的時間長了，內阻變大，則所測酒精濃度相同 時總電阻變大，電流變小，測量的c變小，故D正確.
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研習任務三　傳感器的應用
合作　討論
有一些敏感元件是將被測的非電學量轉換為不同的電阻，然后把電阻變化轉換 為便于傳送和顯示的電壓的變化，應變式力傳感器是采用不平衡直流電橋來解 決這個問題的.
在梁形的彈性構件上下兩個表面上各粘貼兩個應變片，要將其中R1、R4兩個應變片粘 貼在梁的上表面，R2、R3兩個應變片粘貼在梁的下表面，如圖甲所示.
測量電路如圖乙所示，由這四個應變片組成電橋的四個橋臂，A、B端接入數字式電 壓表.四個應變片的電阻值相等，為了排除誤差影響，電路中接入滑動變阻器W. 請思 考一下應變式力傳感器的工作原理是怎樣的？
提示：在梁不受力時，調節W使電橋的輸出電壓UAB＝0.當梁受力F向下彎曲時，R1、 R4的阻值變大，R2、R3的阻值變小，于是電橋失去平衡，A、B端之間就輸出與所測的 力成正比的電壓.
要點　歸納
1. 光電計數的基本原理
（1）組成：A發光儀器，B接收光信號的儀器（由光敏電阻組成的光電傳感器）.
（2）原理：當傳送帶上沒有物品擋住由A射向B的光信號時，光敏電阻的阻值較小，
供給信號處理系統的電壓變低；當傳送帶上有物品擋住由A射向B的光信號時，光敏
電阻的阻值變大，供給信號處理系統的電壓變高.
（3）信號處理：高低交替變化的電壓經過處理，就會轉化為相應的數字，實現自動
計數的功能.
2. 汽車低油位報警裝置的基本原理
（1）組成：熱敏電阻、指示燈、電源.
（2）原理：給熱敏電阻通以一定的電流，熱敏電阻會發熱.當液面高于熱敏電阻的高 度時，熱敏電阻發出的熱量會被液體帶走，溫度基本不變，阻值較大，指示燈不亮 （如圖甲所示）.液體減少、熱敏電阻露出液面，發熱導致它的溫度上升、阻值較 小，指示燈亮（如圖乙所示）.
（3）信號處理：通過判斷熱敏電阻的阻值變化，就可以知道液面是否低于設定值.
3. 電子秤的基本原理
（1）組成：應變式力傳感器由金屬梁和電阻應變片組成.
（2）原理：彈簧鋼制成的梁形元件右端固定，在梁的上下表面各貼一個應變片.在梁 的自由端施力F，則梁發生彎曲，上表面拉伸，下表面壓縮，上表面應變片的電阻變 大，下表面應變片的電阻變小.應變片中通過的電流保持恒定，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.
（3）信號處理：把這上、下應變片的電壓的差值輸出，輸出的電壓差值越大， 力F越大.
研習　經典
A. 應變片常用半導體材料制成
B. 當應變片的表面拉伸時，其電阻變大；反之，變小
C. 傳感器輸出的是應變片上的電壓
D. 外力越大，輸出的電壓差值也越大
C
解析：應變片多用半導體材料制成，A正確，不符合題意；當應變片拉伸時，其電阻 變大，B正確，不符合題意；傳感器輸出的是上、下兩應變片上的電壓差值，并且隨 著外力的增大，輸出的電壓差值也就越大，C錯誤，符合題意，D正確，不符合題意.
名師點評
　　傳感器的問題看起來是高科技的問題，但實際考查的是恒定電流的簡單應用，因 此除了熟悉各種傳感器的工作原理之外，還要熟練掌握電路的相關知識.
對應　訓練
BC
A. 傳送帶運動的速度是0.1 m/s
B. 傳送帶運動的速度是0.2 m/s
C. 該傳送帶每小時輸送3 600個工件
D. 該傳送帶每小時輸送7 200個工件
知識　構建
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課后提素養 深刻剖析 提升能力
基礎　題組
1. 判斷正誤.
√
×
×
√
A. 傳感器擔負著信息采集的任務
B. 干簧管是一種能夠感知磁場的傳感器
C. 電視遙控接收器的主要元件不是傳感器
D. 傳感器是把力、溫度、光、聲、化學成分等被測量轉換為電信號的主要工具
解析：傳感器的任務就是采集信息，選項A正確；干簧管的主要構造是由平時不接觸 的兩個極易被磁化的軟磁性材料組成的，它們靠近磁場時被磁化后相互吸引而接觸， 選項B正確；電視遙控接收器中使用了紅外線傳感器，選項C錯誤；由傳感器的定義 知，選項D正確.
ABD
A. 干簧管是將非電學量轉換成電學量的裝置
B. 干簧管是根據熱脹冷縮的原理制成的
C. 干簧管接入電路中相當于開關
D. 于簧管是一種能感知磁場的傳感器
解析：將兩個軟磁性材料制成的簧片密封于玻璃管中，簧片端面互疊，但留有空隙， 當干簧管處在磁場中時，兩個簧片被磁化而接通，以實現自動控制，所以干簧管接入 電路中相當于開關，是一種能夠感知磁場的傳感器，所以B錯誤.
B
中檔　題組
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
D
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，電路中也有電流
D. 物體M不動時，電壓表沒有示數
BC
解析：物體M運動時，電路中電阻沒有變化，根據閉合電路歐姆定律可知，電源內的 電流不會發生變化，A錯誤；電壓表測量滑動變阻器的金屬滑桿P左側的電壓，物體 M運動時，左側電阻會變化，則電壓表的示數會發生變化，B正確；物體M不動時， 電路中仍有電流，而且電流不變，C正確；只有當金屬滑桿P停在變阻器最左端，物 體M不動時，電壓表才沒有示數，當金屬滑桿P在其他位置時，電壓表均有示數，D 錯誤.
A. 原處于冷態的PTC電熨斗比普通電熨斗升溫快
B. PTC電熨斗能自動控制溫度，溫度穩定在t0～t6之間
C. PTC電熨斗能自動控制溫度，溫度穩定在t6～t7之間
D. PTC電熨斗不能自動控制溫度
AC
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課時作業（十七）
[基礎訓練]
A. 電子秤所使用的測力裝置是力傳感器，它將壓力大小轉化為可變電阻，進而轉化 為電壓信號
B. 話筒是一種常用的聲傳感器，其作用是將電信號轉換為聲信號
C. 電熨斗能自動控制溫度的原因是它裝有雙金屬片，這種雙金屬片的作用是控制電 路的通斷
D. 光敏電阻能夠把光照強度這個光學量轉換為電阻這個電學量
B
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解析：電子秤所使用的測力裝置是力傳感器，它是把力信號轉化為電壓差信號，故A 正確；話筒是一種常用的聲波傳感器，其作用是聲信號轉換為電信號，故B錯誤；電 熨斗能夠自動控制溫度的原因是它裝有雙金屬片溫度傳感器，這種傳感器的作用是控 制電路的通斷，故C正確；光敏電阻的工作原理實際上是傳感器，把光信號轉換成電 信號，故D正確.故選B.
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A. 位移傳感器 B. 速度傳感器
C. 時間傳感器 D. 光電門傳感器
解析：DIS由傳感器、數據采集器和計算機組成.圖中①所示的器材為光電門傳感器， 選項D正確.
D
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A. 當拉環不受力時，閉合開關后電流表的讀數為0
B. 當拉力為400 N時，電流表指針指在0.3 A處
C. 當拉力為400 N時，電流表指針指在0.5 A處
D. 該健身器材能測量力的范圍是0～400 N
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A. U越大，表示c越大，c與U成正比
B. U越大，表示c越大，但是c與U不成正比
C. U越大，表示c越小，c與U成反比
D. U越大，表示c越小，但是c與U不成反比
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A. 從b向a，A、B、C構成的電容器放電
B. 從a向b，A、B、C構成的電容器放電
C. 從b向a，A、B、C構成的電容器充電
D. 從a向b，A、B、C構成的電容器充電
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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消耗的功率可能不變
D. 無論怎樣移動滑片P，L消耗的功率都不變
解析：當滑片P向左移動時，使其接入電路的電阻減小，則流過二極管的電流增大， 從而發光增強，使光敏電阻R的阻值減小，通過燈泡L的電流增大，則L消耗的功率增 大，A正確，B、D錯誤；當滑片P向右移動時，可分析出L消耗的功率變小，C錯誤.
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A. 脂肪測量儀的工作原理是通過人體電阻不同來判斷人體脂肪所占的 比例
B. 脂肪測量儀的工作原理是通過人體體重不同來判斷人體脂肪所占的 比例
C. 激烈運動之后，脂肪測量儀顯示人體脂肪所占比例的測量數據會不 準確
D. 人在沐浴之后，脂肪測量儀顯示人體脂肪所占比例的測量數據會不 準確
B
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解析：利用脂肪幾乎不含水分，其導電性和其他成分不同，可以用測量人體電阻的辦 法來計算人體脂肪率，B錯誤，A正確；激烈運動之后和人在沐浴之后，人體內含水 量發生變化，人體脂肪所占比例發生變化，即人體的電阻大小發生變化，所以測量數 據會不準確，C、D正確.故選B.
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[能力提升]
A. 圖線1是熱敏電阻的圖線，它是用金屬材料制成的
B. 圖線2是熱敏電阻的圖線，它是用半導體材料制成的
C. 圖線1對應的材料化學穩定性好、測溫范圍大、靈敏度高
D. 圖線2對應的材料化學穩定性差、測溫范圍小、靈敏度高
解析：金屬熱電阻的阻值隨溫度升高而增大，半導體材料的熱敏電阻的阻值隨溫度升 高而減小，A項錯誤，B項正確；圖線1對應的材料化學穩定性好，但靈敏度低，圖線 2對應的材料化學穩定性差，但靈敏度高，C項錯誤，D項正確.
BD
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霍爾效應可解釋如下：外部磁場的洛倫茲力使運動的電子聚集在導體板的一側，在導 體板的另一側出現多余的正電荷，從而形成橫向電場，橫向電場對電子施加與洛倫茲 力方向相反的靜電力，當靜電力與洛倫茲力達到平衡時，導體板上下兩側之間就會形 成穩定的電勢差.
設電流I是電子定向運動形成的，電子的平均定向速度為v，電荷量為e，回答下 列問題：
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解析：（1）首先分析電流通過導體板時的微觀物理過程，由于導體板放在垂直于它 的磁感應強度為B的勻強磁場中，電流是電子的定向運動形成的，電流方向從左到 右，根據左手定則可判斷電子受到的洛倫茲力的方向向上，電子向A板聚集，A板出 現多余的負電荷，下側面感應出正電荷，所以上側面A的電勢低于下側面A'的電勢.
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解析：（2）由洛倫茲力公式可得電子所受洛倫茲力的大小為F1＝evB.

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（1）根據特性曲線，該熱敏電阻在0 ℃、50 ℃、100 ℃時，阻值分別為多大？
答案：（1）500 Ω　150 Ω　100 Ω　
解析：（1）由圖甲所示特性曲線可知，該熱敏電阻在0 ℃、50 ℃、100 ℃時，阻值 分別為500 Ω、150 Ω和100 Ω.
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（2）通過計算說明，當水溫是0 ℃時、100 ℃時，電壓表的指針分別指示是多少？
答案：（2）1 V　3 V
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