5.1 认识传感器 5.2 常见传感器的工作原理及应用（举一反三）【四大题型】-2024-2025学年高二物理举一反三系列（人教版2019选择性必修第二册）

5.1　认识传感器5.2　常见传感器的工作原理及应用【四大题型】 【人教版2019】 【题型1 传感器及其工作原理】 2 【题型2 光敏电阻】 3 【题型3 金属热电阻和热敏电阻】 5 【题型4 电阻应变片】 7 知识点1：传感器及其工作原理 1．传感器的定义：能够感受诸如力、温度、光、声、化学成分等被测量，并能把它们按照一定的规律转换为便于传送和处理的可用信号输出．通常转换成的可用信号是电压、电流等电学量，或转换为电路的通断． 2．非电学量转换为电学量的意义：把非电学量转换为电学量，可以很方便地进行测量、传输、处理和控制． 3．传感器的组成：传感器的基本部分一般由敏感元件、转换元件组成． 4．传感器应用的一般模式 知识点2：光敏电阻 光敏电阻在被光照射时电阻发生变化，光敏电阻能够把光照强弱这个光学量转换为电阻这个电学量． 知识点3：金属热电阻和热敏电阻 1．金属热电阻：金属的电阻率随温度的升高而增大，利用这一特性，金属丝可以制作温度传感器，称为热电阻． 2．热敏电阻：用半导体材料制成，氧化锰制成的热敏电阻的阻值随温度的升高而减小． 知识点4：电阻应变片 1．电阻应变效应：金属导体在外力作用下发生机械形变时，其电阻也随之变化的现象． 2．电阻应变片：电阻应变片有金属电阻应变片和半导体电阻应变片，半导体电阻应变片的工作原理是基于半导体材料的压阻效应． 3．电阻应变片能够把物体形变这个力学量转换为电阻这个电学量． 【题型1 传感器及其工作原理】 【例1】关于传感器，下列说法正确的是(　　) A．所有传感器都是由半导体材料制成的 B．金属材料也可以制成传感器 C．传感器主要是通过感知电压的变化来传递信号的 D．水银温度计是一种传感器 【答案】　B 【详解】　传感器材料分为半导体材料、陶瓷材料、金属材料和有机材料等，A错误，B正确；传感器是通过非电学量转换成电学量来传递信号的，C错误；水银温度计根据热胀冷缩来测量温度，不是传感器，D错误． 【变式1-1】传感器已广泛应用在生产、生活中，下列关于传感器的说法正确的是(　　) A．给货车称重的地磅使用了光传感器 B．酒店大厅的自动门使用了力传感器 C．空调的控温系统使用了温度传感器 D．夜间自动打开的路灯使用了红外线传感器 【答案】　C 【详解】　给货车称重的地磅使用了力传感器，上下应变片发生形变，使电阻变化，输出两个应变片电压差值来反映力的大小，故A错误；酒店大厅的自动门使用了红外线传感器，故B错误；空调的控温系统使用了温度传感器，符合客观实际，故C正确；夜间自动打开的路灯使用了光传感器，故D错误． 【变式1-2】下列关于传感器的说法，正确的是(　　) A．所有传感器都是由半导体材料制成的 B．传感器不是电视遥控接收器的主要元件 C．话筒中的传感器将电信号转换为声信号 D．传感器能将非电学量按一定规律转换为电学量或者电路的通断 【答案】　D 【详解】　传感器材料有半导体材料、陶瓷材料、金属材料和有机材料等，A错误；电视遥控接收器的主要元件是红外线传感器，B错误；话筒中的传感器是声传感器，它将声信号转换为电信号，C错误；传感器能将非电学量按一定规律转换为电学量或者电路的通断，D正确． 【变式1-3】现代生活离不开智能手机，手机有很多功能需要传感器来实现．例如当人将手机靠近耳朵接听电话时，手机会自动关闭屏幕从而达到防误触的目的，实现这一功能可能用到的传感器为(　　) A．光传感器和位移传感器 B．磁传感器和温度传感器 C．磁传感器和声传感器 D．压力传感器和加速度传感器 【答案】　A 【详解】　当人将手机靠近耳朵接听电话时，改变了位移，并且耳朵会挡住光线，所以可能用到的传感器为光传感器和位移传感器，A正确，B、C、D错误． 【题型2 光敏电阻】 【例2】如图所示，电源的电动势为E，内阻为r，R1为光敏电阻，光照强度增大时，其阻值减小．现增加光照强度，则下列判断正确的是(　　) A．B灯变暗，A灯变亮 B．R2两端的电压变大 C．B灯变亮，A灯变暗 D．电源的总功率变小 【答案】　B 【详解】　增加光照强度时，R1的阻值减小，电路的总电阻减小．根据闭合电路的欧姆定律可知，电路中的总电流增大，电源的总功率增大，路端电压减小，A灯变暗，A中的电流变小，则R2的电流变大，R2两端的电压变大，R1两端的电压变小，B灯变暗，选项B正确，A、C、D错误． 【变式2-1】如图是安装在潜水器上深度表的电路简图，显示器由电流表(电阻不计)改装而成，压力传感器的电阻随压力的增大而减小，电源电动势E不变，内阻为r，定值电阻阻值为R0，在潜水器下潜过程中，电路中有关物理量的变化情况是(　　) A．通过显示器的电流减小 B．R0两端的电压增大 C．传感器两端的电压增大 D．电路的总功率减小 【答案】B 【详解】在潜水器下潜过程中，压力传感器受到的压力越来越大，压力传感器的电阻随压力的增大而减小，所以电路中的总电阻减小，由闭合电路欧姆定律I＝可知电路中的总电流增大，即通过显示器的电流增大，故A错误；R0两端的电压U＝IR0，电路中的电流增大，则U增大，故B正确；传感器两端的电压U传＝E－I(R0＋r)，由于I增大，E、R0、r都不变，则传感器两端的电压减小，故C错误；由P＝EI可知，电路的总功率增大，故D错误． 【变式2-2】(多选)如图所示，R1、R2为定值电阻，L为小灯泡，R3为光敏电阻，电压表内阻不计，当入射光强度增大时(　　) A．电压表的示数增大 B．R2中电流减小 C．小灯泡的功率增大 D．电路的路端电压增大 【答案】　ABC 【详解】当入射光强度增大时，R3阻值减小，外电路总电阻随R3的减小而减小，由闭合电路欧姆定律知，干路电流增大，R1两端电压增大，电压表的示数增大，同时内电压增大，故电路的路端电压减小，A项正确，D项错误；因路端电压减小，且R1两端电压增大，故R2两端电压必减小，则R2中电流减小，B项正确；因干路电流增大，且R2中电流减小，知流过小灯泡的电流必增大，故小灯泡的功率增大，C项正确． 【变式2-3】(多)利用光敏电阻制作的光传感器，记录了传送带上工件的输送情况，如图甲所示为某工厂成品包装车间的光传感记录器，光传感器B能接收到发光元件A发出的光，每当工件挡住A发出的光时，光传感器输出一个电信号，并在屏幕上显示出电信号与时间的关系，如图乙所示．若传送带始终匀速运动，每两个工件间的距离为0.2 m，则下述说法正确的是(　　) A．传送带运动的速度是0.1 m/s B．传送带运动的速度是0.2 m/s C．该传送带每小时输送3 600个工件 D．该传送带每小时输送7 200个工件 【答案】　BC 【详解】由题图乙可知，每隔1 s记录一个工件，因此传送带运动的速度是0.2 m/s，进而可知，每小时该传送带输送3 600个工件，故选项B、C正确． 【题型3 金属热电阻和热敏电阻】 【例3】(多选)电阻R随温度T变化的图像如图所示．下列说法正确的是(　　) A．图线1是热敏电阻的图线，它是用金属材料制成的 B．图线2是热敏电阻的图线，它是用半导体材料制成的 C．图线1对应的材料化学稳定性好、测温范围大、灵敏度高 D．图线2对应的材料化学稳定性差、测温范围小、灵敏度高 【答案】　BD 【详解】　金属热电阻的阻值随温度升高而增大，半导体材料制成的热敏电阻的阻值随温度升高而减小，且灵敏度高，所以A错误，B正确；图线1对应的材料化学稳定性好但灵敏度差，图线2对应的材料化学稳定性差但灵敏度高，所以C错误，D正确． 【变式3-1】(多)在温控电路中，通过热敏电阻阻值随温度的变化可实现对电路相关物理量的控制．如图示电路，R1为定值电阻，R2为半导体热敏电阻(温度越高，电阻越小)，C为电容器．当环境温度降低时(　　) A．电容器C的带电荷量增大 B．理想电压表的示数增大 C．电容器C两板间的电场强度减小 D．R1消耗的功率增大 【答案】　AB 【详解】　当环境温度降低时，R2的阻值增大，电路的总电阻增大，由I＝可知I减小，又U＝E－Ir，则电压表的示数增大，B正确；由P1＝I2R1可知，R1消耗的功率P1减小，D错误；电容器C两板间的电压U2＝U－U1，U1＝IR1，可知U1减小，U2增大，由电场强度E′＝，Q＝CU2可知，Q、E′都增大，故A正确，C错误． 【变式3-2】对于常见的可燃气体浓度的检测，现在一般用催化燃烧检测器．它的原理如下：传感器的核心为一恵斯通电桥，其中一桥臂上有催化剂，当与可燃气体接触时，可燃气体在有催化剂的电桥上燃烧，该桥臂的电阻发生明显变化，其余桥臂的电阻不变化，从而引起整个电路的输出发生变化，而该变化与可燃气体的浓度成比例，从而实现对可燃气体的检测．由此可推断有催化剂的桥臂上的电阻材料为(　　) A．铜 B．合金 C．半导体 D．绝缘体 【答案】　C 【详解】　由题意可知，该电阻为热敏电阻，热敏电阻由半导体材料制成，故C正确，A、B、D错误． 【变式3-3】如图所示是一火警报警器的部分电路示意图，其中R2为用半导体热敏材料制成的传感器(温度越高，其阻值越小)，a、b之间接报警器．当传感器R2所在处出现火情时，流过显示器的电流I2、报警器两端的电压U的变化情况是(　　) A．I2变大，U变大 B．I2变小，U变小 C．I2变小，U变大 D．I2变大，U变小 【答案】　D 【详解】　当传感器R2所在处出现火情时，R2的阻值减小，则外电路总电阻减小，由闭合电路欧姆定律可知，电路中总电流将增大，由U＝E－Ir可知，路端电压减小，即报警器两端的电压U将减小；因总电流I增大，则R1两端的电压增大，并联部分的电压减小，则可知流过R3的电流I3减小，流过R2的电流I2＝I－I3变大，选项A、B、C错误，D正确． 【题型4 电阻应变片】 【例4】压敏电阻的阻值随所受压力的增大而减小，有位同学设计了利用压敏电阻判断竖直升降机运动状态的装置，其工作原理图如图甲所示，将压敏电阻固定在升降机底板上，其上放置一个物块，在升降机运动的过程中，电流表示数如图乙所示，已知升降机静止时电流表的示数为I1.下列判断正确的是(　　) A．0到t1时间内，升降机一定静止 B．t1到t2时间内，升降机可能做匀加速直线运动 C．t1到t2时间内，升降机运动时的加速度在变化 D．t2到t3时间内，升降机可能向下匀速运动 【答案】　C 【详解】　从0～t1时间内，电流不变，根据闭合电路的欧姆定律可知电路中的总阻值不变，升降机可能静止也可能匀速运动，故A错误；t1～t2时间内，电流增大，则电阻减小，因为压敏电阻的阻值随所受压力的增大而减小，所以压力增大，由牛顿第三定律得物块受到的支持力逐渐增大，根据牛顿第二定律有FN－mg＝ma，合力向上，加速度向上，逐渐增大，故B错误，C正确；t2～t3时间内电流不变，电阻不变，压力不变，电流大于静止时的电流，压力大于静止时的压力，物块受重力和支持力，根据牛顿第二定律有FN′－mg＝ma′，合力向上，加速度向上，大小不变，所以t2～t3时间内升降机匀加速上升或匀减速下降，故D错误． 【变式4-1】霍尔元件是一种磁传感器，是实际生活中的重要元件之一．如图所示为长度一定的霍尔元件，在该元件中通有方向从E到F的恒定电流I，在空间加一竖直向下的匀强磁场，磁感应强度大小为B，霍尔元件中的载流子为负电荷．则下列说法正确的是(　　) A．该元件能把电学量转换为磁学量 B．左表面的电势高于右表面 C．如果用该元件测赤道处的磁场，应保持元件上表面呈水平状态 D．如果霍尔元件中的电流大小不变，则左、右表面的电势差与磁场的磁感应强度成正比 【答案】　D 【详解】　霍尔元件把磁学量转换为电学量，A错误；由于霍尔元件中的载流子为负电荷，则负电荷的运动方向由F到E，由左手定则可知负电荷向左表面偏转，则右表面的电势高，B错误；如果用该元件测赤道处的磁场，由于地磁场与水平面平行，因此如果霍尔元件的上表面保持水平，则左右表面间无电压产生，C错误；根据qvB＝q得，U＝Bdv，又I＝nqSv，联立解得U＝，可知保持电流不变，则左、右表面的电势差与磁感应强度成正比，D正确． 【变式4-2】(多)如图所示，理想变压器的原线圈与定值电阻r串联，副线圈接热敏电阻RT(温度升高，阻值减小)，在正弦式交流电源的电压U0不变的情况下，下列说法正确的是(　　) A．当RT的温度升高时，原线圈两端的电压一定减小 B．当RT的温度升高时，原线圈中的电流一定减小 C．当RT的温度降低时，r消耗的功率一定减小 D．当RT的温度降低时，r消耗的功率一定增大 【答案】　AC 【详解】　设变压器原线圈的匝数为n1，副线圈的匝数为n2，当RT的温度升高时，其阻值减小，副线圈的电流I2增大，根据＝，可知原线圈的电流I1增大，根据U0＝I1r＋U1，可知原线圈两端的电压U1减小，故A正确，B错误；同理，当RT的温度降低时，其阻值增大，副线圈的电流I2减小，根据＝，可知原线圈的电流I1减小，根据P＝I12r，可知r消耗的功率一定减小，故C正确，D错误． 【变式4-3】有一种测量人体重的电子秤，其原理图如图所示．它主要由三部分构成：踏板和压力杠杆ABO、压力传感器R(一个阻值可随压力大小而变化的电阻)、显示体重的仪表(其实质是电流表)．其中AO∶BO＝5∶1.已知压力传感器的电阻与其所受压力的关系如下表所示： 压力F/N 0 50 100 150 200 250 300 … 电阻R/Ω 300 270 240 210 180 150 120 … 踏板的杠杆组件的质量不计，接通电源后，压力传感器两端电压恒为4.68 V，则： (1)利用表中数据归纳出电阻R随压力F变化的函数关系式； (2)该秤零刻度线(即踏板空载时的刻度线)应标在电流表刻度盘多少毫安处？ (3)如果某人站在踏板上，电流表刻度盘示数为20 mA，这个人的体重是多少？(取g＝10 N/kg) 【答案】　(1)R＝300－0.6F　(2)15.6 mA　(3)55 kg 【详解】　(1)由表中数据可归纳得出：R＝300－0.6F. (2)依题意可知，电子秤空载时压力传感器受到的压力为零，电阻R1＝300 Ω，电路中的电流为I1＝＝ A＝15.6 mA，所以该秤零刻度线应标在电流表刻度盘的15.6 mA处． (3)当电流表刻度盘的读数为I2＝20 mA时，压力传感器的电阻R2＝＝ Ω＝234 Ω，由R＝300－0.6F，解得F2＝110 N．再由F2·AO＝G·BO，可得G＝550 N．故人的体重为m＝＝55 kg. 原创精品资源学科网独家享有版权，侵权必究！ 学科网（北京）股份有限公司 $$ 5.1　认识传感器5.2　常见传感器的工作原理及应用【四大题型】 【人教版2019】 【题型1 传感器及其工作原理】 2 【题型2 光敏电阻】 3 【题型3 金属热电阻和热敏电阻】 5 【题型4 电阻应变片】 7 知识点1：传感器及其工作原理 1．传感器的定义：能够感受诸如力、温度、光、声、化学成分等被测量，并能把它们按照一定的规律转换为便于传送和处理的可用信号输出．通常转换成的可用信号是电压、电流等电学量，或转换为电路的通断． 2．非电学量转换为电学量的意义：把非电学量转换为电学量，可以很方便地进行测量、传输、处理和控制． 3．传感器的组成：传感器的基本部分一般由敏感元件、转换元件组成． 4．传感器应用的一般模式 知识点2：光敏电阻 光敏电阻在被光照射时电阻发生变化，光敏电阻能够把光照强弱这个光学量转换为电阻这个电学量． 知识点3：金属热电阻和热敏电阻 1．金属热电阻：金属的电阻率随温度的升高而增大，利用这一特性，金属丝可以制作温度传感器，称为热电阻． 2．热敏电阻：用半导体材料制成，氧化锰制成的热敏电阻的阻值随温度的升高而减小． 知识点4：电阻应变片 1．电阻应变效应：金属导体在外力作用下发生机械形变时，其电阻也随之变化的现象． 2．电阻应变片：电阻应变片有金属电阻应变片和半导体电阻应变片，半导体电阻应变片的工作原理是基于半导体材料的压阻效应． 3．电阻应变片能够把物体形变这个力学量转换为电阻这个电学量． 【题型1 传感器及其工作原理】 【例1】关于传感器，下列说法正确的是(　　) A．所有传感器都是由半导体材料制成的 B．金属材料也可以制成传感器 C．传感器主要是通过感知电压的变化来传递信号的 D．水银温度计是一种传感器 【变式1-1】传感器已广泛应用在生产、生活中，下列关于传感器的说法正确的是(　　) A．给货车称重的地磅使用了光传感器 B．酒店大厅的自动门使用了力传感器 C．空调的控温系统使用了温度传感器 D．夜间自动打开的路灯使用了红外线传感器 【变式1-2】下列关于传感器的说法，正确的是(　　) A．所有传感器都是由半导体材料制成的 B．传感器不是电视遥控接收器的主要元件 C．话筒中的传感器将电信号转换为声信号 D．传感器能将非电学量按一定规律转换为电学量或者电路的通断 【变式1-3】现代生活离不开智能手机，手机有很多功能需要传感器来实现．例如当人将手机靠近耳朵接听电话时，手机会自动关闭屏幕从而达到防误触的目的，实现这一功能可能用到的传感器为(　　) A．光传感器和位移传感器 B．磁传感器和温度传感器 C．磁传感器和声传感器 D．压力传感器和加速度传感器 【题型2 光敏电阻】 【例2】如图所示，电源的电动势为E，内阻为r，R1为光敏电阻，光照强度增大时，其阻值减小．现增加光照强度，则下列判断正确的是(　　) A．B灯变暗，A灯变亮 B．R2两端的电压变大 C．B灯变亮，A灯变暗 D．电源的总功率变小 【变式2-1】如图是安装在潜水器上深度表的电路简图，显示器由电流表(电阻不计)改装而成，压力传感器的电阻随压力的增大而减小，电源电动势E不变，内阻为r，定值电阻阻值为R0，在潜水器下潜过程中，电路中有关物理量的变化情况是(　　) A．通过显示器的电流减小 B．R0两端的电压增大 C．传感器两端的电压增大 D．电路的总功率减小 【变式2-2】(多选)如图所示，R1、R2为定值电阻，L为小灯泡，R3为光敏电阻，电压表内阻不计，当入射光强度增大时(　　) A．电压表的示数增大 B．R2中电流减小 C．小灯泡的功率增大 D．电路的路端电压增大 【变式2-3】(多)利用光敏电阻制作的光传感器，记录了传送带上工件的输送情况，如图甲所示为某工厂成品包装车间的光传感记录器，光传感器B能接收到发光元件A发出的光，每当工件挡住A发出的光时，光传感器输出一个电信号，并在屏幕上显示出电信号与时间的关系，如图乙所示．若传送带始终匀速运动，每两个工件间的距离为0.2 m，则下述说法正确的是(　　) A．传送带运动的速度是0.1 m/s B．传送带运动的速度是0.2 m/s C．该传送带每小时输送3 600个工件 D．该传送带每小时输送7 200个工件 【题型3 金属热电阻和热敏电阻】 【例3】(多选)电阻R随温度T变化的图像如图所示．下列说法正确的是(　　) A．图线1是热敏电阻的图线，它是用金属材料制成的 B．图线2是热敏电阻的图线，它是用半导体材料制成的 C．图线1对应的材料化学稳定性好、测温范围大、灵敏度高 D．图线2对应的材料化学稳定性差、测温范围小、灵敏度高 【变式3-1】(多)在温控电路中，通过热敏电阻阻值随温度的变化可实现对电路相关物理量的控制．如图示电路，R1为定值电阻，R2为半导体热敏电阻(温度越高，电阻越小)，C为电容器．当环境温度降低时(　　) A．电容器C的带电荷量增大 B．理想电压表的示数增大 C．电容器C两板间的电场强度减小 D．R1消耗的功率增大 【变式3-2】对于常见的可燃气体浓度的检测，现在一般用催化燃烧检测器．它的原理如下：传感器的核心为一恵斯通电桥，其中一桥臂上有催化剂，当与可燃气体接触时，可燃气体在有催化剂的电桥上燃烧，该桥臂的电阻发生明显变化，其余桥臂的电阻不变化，从而引起整个电路的输出发生变化，而该变化与可燃气体的浓度成比例，从而实现对可燃气体的检测．由此可推断有催化剂的桥臂上的电阻材料为(　　) A．铜 B．合金 C．半导体 D．绝缘体 【变式3-3】如图所示是一火警报警器的部分电路示意图，其中R2为用半导体热敏材料制成的传感器(温度越高，其阻值越小)，a、b之间接报警器．当传感器R2所在处出现火情时，流过显示器的电流I2、报警器两端的电压U的变化情况是(　　) A．I2变大，U变大 B．I2变小，U变小 C．I2变小，U变大 D．I2变大，U变小 【题型4 电阻应变片】 【例4】压敏电阻的阻值随所受压力的增大而减小，有位同学设计了利用压敏电阻判断竖直升降机运动状态的装置，其工作原理图如图甲所示，将压敏电阻固定在升降机底板上，其上放置一个物块，在升降机运动的过程中，电流表示数如图乙所示，已知升降机静止时电流表的示数为I1.下列判断正确的是(　　) A．0到t1时间内，升降机一定静止 B．t1到t2时间内，升降机可能做匀加速直线运动 C．t1到t2时间内，升降机运动时的加速度在变化 D．t2到t3时间内，升降机可能向下匀速运动 【变式4-1】霍尔元件是一种磁传感器，是实际生活中的重要元件之一．如图所示为长度一定的霍尔元件，在该元件中通有方向从E到F的恒定电流I，在空间加一竖直向下的匀强磁场，磁感应强度大小为B，霍尔元件中的载流子为负电荷．则下列说法正确的是(　　) A．该元件能把电学量转换为磁学量 B．左表面的电势高于右表面 C．如果用该元件测赤道处的磁场，应保持元件上表面呈水平状态 D．如果霍尔元件中的电流大小不变，则左、右表面的电势差与磁场的磁感应强度成正比 【变式4-2】(多)如图所示，理想变压器的原线圈与定值电阻r串联，副线圈接热敏电阻RT(温度升高，阻值减小)，在正弦式交流电源的电压U0不变的情况下，下列说法正确的是(　　) A．当RT的温度升高时，原线圈两端的电压一定减小 B．当RT的温度升高时，原线圈中的电流一定减小 C．当RT的温度降低时，r消耗的功率一定减小 D．当RT的温度降低时，r消耗的功率一定增大 【变式4-3】有一种测量人体重的电子秤，其原理图如图所示．它主要由三部分构成：踏板和压力杠杆ABO、压力传感器R(一个阻值可随压力大小而变化的电阻)、显示体重的仪表(其实质是电流表)．其中AO∶BO＝5∶1.已知压力传感器的电阻与其所受压力的关系如下表所示： 压力F/N 0 50 100 150 200 250 300 … 电阻R/Ω 300 270 240 210 180 150 120 … 踏板的杠杆组件的质量不计，接通电源后，压力传感器两端电压恒为4.68 V，则： (1)利用表中数据归纳出电阻R随压力F变化的函数关系式； (2)该秤零刻度线(即踏板空载时的刻度线)应标在电流表刻度盘多少毫安处？ (3)如果某人站在踏板上，电流表刻度盘示数为20 mA，这个人的体重是多少？(取g＝10 N/kg) 原创精品资源学科网独家享有版权，侵权必究！ 学科网（北京）股份有限公司 $$