(讲义)第5章 传感器 章末综合提升-【提分教练】2023-2024学年新教材高中物理选择性必修第二册(粤教版2019)

主题1　传感器工作原理、常见敏感元件及其应用

1．传感器的工作原理

传感器是能够感知被测量的信息，并将其按照一定的规律转化为可用信号的器件或装置。

其组成框图如下：

―→―→

2．光敏电阻

光敏电阻是用半导体材料制成的，其特点是在被光照射时电阻会发生变化，光照增强电阻减小，光照减弱电阻增大，其作用是把光学量转换为电学量。

3．热敏电阻和金属热电阻

金属热电阻的电阻率随温度升高而增大。其特点是化学稳定性好，测温范围大，但灵敏度较差。

热敏电阻是由半导体材料制成的，其电阻率对温度非常敏感。热敏电阻有正温

度系数(PTC热敏电阻)、负温度系数(NTC热敏电阻)两种。正温度系数的热敏电阻的阻值随温度升高而增大，负温度系数的热敏电阻的阻值随温度升高而减小。金属热电阻和热敏电阻都能把热学量转换为电学量。

4．电容器

平行板电容器的电容大小与极板正对面积、极板间距及电介质材料有关，电容器可以感知引起电容变化的任一外界信息并将其转化为相应的电容变化。例如，当极板受力时会改变极板间距，从而引起电容变化。

5．霍尔元件

霍尔元件能把磁感应强度这一磁学量转换成电压这一电学量，霍尔电压UH＝k。

【典例1】　如图为某一热敏电阻(电阻值随温度的改变而改变，且对温度很敏感)的I-U关系曲线图。

(1)为了通过测量得到图甲所示I-U关系的完整曲线，在图乙和丙两个电路中应选择的是图________；简要说明理由：_________________。(电源电动势为9 V，内阻不计，滑动变阻器的阻值为0～100 Ω)

(2)在如图丁所示电路中，电源电压恒为9 V，内阻不计，电流表读数为70 mA，定值电阻R1＝250 Ω。由热敏电阻的I-U关系曲线可知，热敏电阻两端的电压为________V；电阻R2的阻值为________Ω。

[解析]　(1)应选择题图乙，因为题图乙中电路电压可从0 V调到所需电压，电压调节范围大。

(2)由题图丁知R2与热敏电阻串联后与R1并联接在9 V电源上，总电流I＝70 mA，R1＝250 Ω。设通过热敏电阻的电流为I2，通过R1的电流为I1，则I＝I1＋I2，故I2＝I－I1＝(70－×103)mA＝34 mA。由图像甲查得34 mA对应的电压为5.0 V，R2两端电压U2＝9 V－5.0 V＝4.0 V，所以R2＝ Ω≈117.6 Ω。

[答案]　(1)乙　因为乙电路电压可从0 V调到所需电压，电压调节范围大　(2)5.0　117.6

对传感器的进一步理解

(1)不同的传感器的原理不同，但都是通过敏感元件把非电学量的变化转变为电学量的变化。

(2)传感器输出的电学量可能为电流、电压、电路通断等，不一定是电压。

(3)敏感元件只是传感器的一个关键部分，并不一定就是一个完整的传感器。

主题2　传感器在实际问题中的应用

以传感器为桥梁可以将多方面的物理知识整合在一起，在实际问题中既可以直接考查传感器知识，也可以考查敏感元件的敏感特性，几种传感器及与其相联系的物理知识，如表：

【典例2】　青岛奥运会帆船赛场采用风力发电给蓄电池充电，为路灯提供电能。