第5章 1.认识传感器 2.常见传感器的工作原理及应用-【勤径学升】2024-2025学年高中物理选择性必修第二册同步练测（人教版2019）

第五章 传感器 1.认识传感器 2.常见传感器的工作原理及应用 学习目标 1.了解传感器的定义，感受传感器的应用技术在信息时代的作用与意义，了解光敏电阻的工作原理及作用， 了解热敏电阻和金属热电阻的工作原理及作用。 2,知道常见传感器的作用，会分析其工作原理。 3.探究传感器的工作原理及传感器在应用中的一般模式。 4.了解电阻应变片在电子秤上的应用，了解电容在传感器中的应用 自主学习探新知 溪前预习双巷幕实 一、神奇的传感器 精浓度。这是因为检测仪上装有“ 1.传感器：它能够感受诸如力 ”,它能感知乙醇的 、声、化学成分等被测量，并能把它们按5，非电学量转换成电学量的意义：把非电学量 照一定的规律转换为便于传送和处理的可用 转换成电压、电流等电学量，或转换为电路的 信号输出。 通断，可以很方便地进行测量、传输、处理和 2.楼道灯自动开启：这个开关会感知环境的 控制。 和声音的 。只有环境的亮 二、传感器的种类 度 某一数值，同时声强 某1，物理特性： 等 一数值时，声控一光控开关才会接通，灯才 物理传感器。 会亮。 2.电化学反应原理：把无机或有机化学物质的 3.自动门：有的自动门装有一种装置，当人走近 等转换为电信号。 时，可以检测出人体向外辐射的 ,从 而发出使自动门开关启动的命令。这种装置 3.生物活性物质：利用生物活性物质的选择性 就是 来识别和测定生物化学物质，如 4.便携式酒精检测仪：司机对着“便携式酒精检 、细胞传感器等生物传 测仪”呼气，检测仪就会显示呼出气体中的酒： 感器。 88 第五童传感器。 三、传感器的组成与应用模式 线电阻的温度特性曲线。 1.传感器的基本部分一般由 组成。 2.传感器原理：传感器感受的通常是 如压力、温度、位移、浓度、速度、酸碱度等，而2.热敏电阻：热敏电阻由半导体材料制成，其电阻 它输出的通常是 ,如电压值、电流 随温度的变化明显，温度升高电阻 ,图 值、电荷量等，这些输出信号是非常微弱的， 乙为某一热敏电阻的电阻随温度变化的特性 通常要经过 后，再送给控制系统产 曲线。 3.金属热电阻与热敏电阻的区别 生各种控制动作。 金属热电阻 热敏电阻 3.传感器的两个重要概念 (1)敏感元件：是指能直接感受或响应外界被 特点 电阻率随温度 电阻随温度的变化而变 的升高而增大 化且非常明显 测 的部分，执行 的功能。 (2)转换元件是指能将敏感元件输出的信号 制作材料 金属导体，如铂 半导体，如氧化锰 直接转换成电信号的部分，完成 基 优点 化学稳定性好。 本功能。 灵敏度好 测温范围大 (3)如果敏感元件直接输出的是电学量，它就 能够将温度这个热学量转换为电阻这个电 作用 同时兼为 。 这种敏感元件和转换元 学量 件二者合一的传感器是很多的。例如， 六、电阻应变片 1.组成及敏感元件：由 和 组 、压电晶体等都是这种形式的传感器。 成，敏感元件是 4.传感器应用的一般模式 2.工作原理： 传感器基木部分 金属梁自由 金属梁 应变片的 执行机构 信号调整 被测量 敏感元件转换元件 显小器 端受力F 发生弯曲 电阻变化 计算机系统 两应变片上电 四、光敏电阻 压的差值变化 1,特点：光照越强，电阻 3.作用：应变片将物体 这个力学量转 2.原因：光敏电阻的构成物质为半导体材料，无 换为 这个电学量。 光照时，载流子极少，导电性能 :随 名自我诊断 着光照的 ,载流子增多，导电性 1.判断下列说法的正误（正确的画“√”，错误的 画“×”)。 3.作用：把 这个光学量转换为 (1)传感器是一种联络传递感知的设备。 这个电学量。 五、金属热电阻和热敏电阻 (2)传感器是一种感知、探测物理量的工具。 1.金属热电阻：有些金属的电阻率随温度的升 () 高而 ,这样的电阻也可以制作温度 (3)传感器是将被测量的非电学量转换成电 传感器，称为热电阻，如图甲所示为某金属导 学量的器件或装置。 () 89 》高中物理·选择性必修第二册（人教版】 (4)光敏电阻受到的光照越强，电阻越小。 :2.如图所示的话筒是一种 式传感器。 固定电极 (5)热敏电阻一定是随温度的升高，其阻值 () 音 增大。 (6)电子秤所使用的测力装置是力传感器，它 是把力信号转化为电压信号。 振动膜片 输出信马 互动探究解疑难 要点灯纳单难突被 要点一 传感器的工作原理及其分类 口问题导引 些输出信号是非常微弱的，通常要经过放大 声控灯有一种有趣的现 后再输送给控制系统产生各种控制动作。传 象，那就是光线充足时，任你 感器的工作原理如图所示： 发出多大的声音都不亮：但 非电学量→敏感元件一转换元件· 在黑夜，轻轻一声它就发出 转换电路→电学量 亮光，这是为什么呢？ 3.分类 工作原理 举例 利用物质的物理性 压电传感器、温 度传感器、光电 物理传感器 质和物理效应感知 传感器、电盛传 并检测出待测对象 信息 感器、电容传感 器等 口探究升华 利用化学反应识别 化学传感器 气敏传感器、湿 1.传感器的核心元件 和检测信息 敏传感器等 (1)敏感元件：相当于人的感觉器官，直接感 酶传感器、组织 利用生物化学反应 生物传感器 传感器、细胞传 受或外界影响被测量，并将其变换成与被测 识别和检测信号 感器等 量成一定关系的易于测量的物理量，如温度、 典例剖析 位移等。 [例1]（多选）下列对传感器的工作原理认识 (2)转换元件：也称为传感元件，通常不直接 正确的是 感受被测量，而是将敏感元件输出的信号转 A.传感器一般由敏感元件和处理电路组成 换成电信号输出。 B.敏感元件的功能是把电学量转换成非电 (3)转换电路：是将转换元件输出的电信号转 学量便于处理电路进行处理 换成易于测量的电信号，如电压、电流等。 C.半导体元件光敏电阻阻值随光照增强而 2.传感器的工作原理 增大，半导体元件热敏电阻阻值随温度升 传感器感受的通常是非电学量，如压力、 高而减小 温度、位移、浓度、速度、酸碱度等，而它输出 D.干簧管属于磁敏元件，是由磁场控制的自 的通常是电学量，如电压、电流、电荷量等，这 动开关 90 第五章传感器4 针对训练 A.脂肪测量仪的工作原理是通过人体电阻 1.(多选)人体含水量约为70%，水中有钠离 不同来判断人体脂肪所占的比例 子、钾离子等离子存在，因此容易导电，脂肪 B.脂肪测量仪的工作原理是通过人体体重不 则不容易导电。当人两手握住脂肪测量仪的 同来判断人体脂肪所占的比例 两把手时，就可以知道人体脂肪所占的比例， C.激烈运动之后，脂肪测量仪显示人体脂肪 下列说法中正确的是 所占比例的测量数据会不准确 D.人在沐浴之后，脂肪测量仪显示人体脂肪 所占比例的测量数据会不准确 要点二 传感器的应用 问题导引 续表 日常应用的饮水机、电饭锅等，水开后会自 金属热电阻 热敏电阻 光敏电阻 电阻应变片 动进入保温状态，温度降低后会自动加热。请 把硫化镉 思考饮水机、电饭锅内安装了什么样的传感器。 敏感 涂敷在绝 材料 金属 半导体 金属材料 缘板上，其 表面镀银 优点 测温范围大 灵敏度好 灵娥度好 灵敏度好 无光照时 载流子极 少，导电性 温度影响电阻率 能差：随着 原理 光照的增 R-p后 强，载流子 增多，导电 性变好 口探究升华 应用 电饭煲 空调机 照相机 电子秤 1.传感器性能的比较 2.光敏电阻的导电特性：光敏电阻一般由半导 金属热电阻 热敏电阻 光敏电阻 电阻应变片 体材料做成，当半导体材料受到光照时，会有 更多的电子获得能量成为自由电子，同时也 正温度 系数的 形成更多的空穴，于是导电性能明显增强。 热敏电 阻，温度 3.金属热电阻和热敏电阻的特点 升高电 在强光下 受到拉力 电阻率随 时，电阻变 (1)金属热电阻：有些金属的 R 阻变大： 电阻小，在 特点 温度的升 小：受到压 负温度 高面增加 暗光下电 电阻率随温度的升高而增大， 力时，电阴 ① 系数的 阻大 变大 热敏电 如图线①所示，这样的电阻可 阻，温度 以制作温度传感器。 升高电 阻减小 (2)热敏电阻：用半导体材料制成，阻值随温 度变化发生明显变化的电阻。如图线②所示 91 》高中物理·选择性必修第二册（人教版】 为某热敏电阻的电阻一温度特性曲线。热敏 续表 电阻或金属热电阻都能够把温度这个热学量 名称 传惑器 原理 转换为电阻这个电学量，但相比而言，金属热 随着电介质进入极板间 测定位 极板 电阻的化学稳定性好，测温范围大，而热敏电 的长度发生变化，电容C 移x的 电介质 发生变化，知道C的变 阻的灵敏度较好。 电容式 传感器 人 化，就可以知道x的变 化情况 4.电容式传感器：电容器的电容取决于极板间 的正对面积S、极板间距d、极板间的电介质 。典例剖析 这几个因素。如果某个物理量（如角度0、位 [例2 如图所示，R,为定 移x、深度H等)的变化引起上述某个因素 值电阻，R2为负温度系 的变化，从而引起电容的变化，通过电容的变 数的热敏电阻（负温度系 化就可以确定上述物理量的变化，这种电容 数热敏电阻是指阻值随温度的升高而减小的 器称为电容式传感器 热敏电阻)，L为小灯泡，当温度降低时（电流 5.常见电容式传感器 表内阻不计，电源内阻r不可忽略)() A.R,两端的电压增大 名称 传感器 原理 B.电流表的示数增大 当动片与定片之间的角 C.小灯泡的亮度变强 测定角 度0发生变化时，引起 度8的 极板正对面积S的变 D.小灯泡的亮度变弱 电容式 化，使电容C发生变化 @针对训练 传感器 知道C的变化，就可以 知道0的变化情况 2.如图所示为测定压力的电容式传感器，将平 行板电容器、灵敏电流表（零刻度在中间）和 电源串联成闭合回路，当压力F作用于可动 在导线芯的外面涂上一 层绝缘物质，放人导电 膜片电极上时，膜片发生形变，引起电容的变 液体中，导线芯和导电 化，导致灵敏电流表指针偏转。在对膜片开 测定液 导线芯 液体构成电容器的两个 面高度 极，导线芯外面的绝缘 始施加压力使膜片电极从图中的虚线推到图 h的电 物质就是电介质，液面 容式传 高度h发生变化时，引 中实线位置并保持固定的过程中，灵敏电流 感器 起正对面积发生变化， 表指针偏转情况为（电流从电流表正接线柱 使电容C发生变化，知 道C的变化，就可以知 流人时指针向右偏) ( 道h的变化情况 周定电极 可动电做 + 待测压力F作用于可动 待测压力5 膜片电极上的时候，限 测定压 闭定电极 片发生形变，使极板间 力F的 A.向右偏到某一刻度后回到零刻度 可动电极 臣离d发生变化，引起 电容式 B.向左偏到某一刻度后回到零刻度 传感器 电容C的变化，知道C 待测压力F 的变化，就可以知道F C.向右偏到某一刻度后不动 的变化情况 D.向左偏到某一刻度后不动 92 第五章传感器。 随堂巩固促应用 验证反馈证移运用 1,(传感器原理)关于传感器，下列说法正确：3.（传感器的应用）有一些星级宾馆的洗手间装 的是 ( 有自动干手机，洗手后将湿手靠近，机内的传 A.所有传感器都是由半导体材料制成的 感器就开通电热器加热，有热空气从机内喷 B.金属材料也可以制成传感器 出，将湿手烘干，手靠近干手机能使传感器工 C.传感器主要是通过感知电压的变化来传 作，是因为 ( ) 递信号的 A.改变湿度 B.改变温度 D.水银温度计是一种传感器 C.改变磁场 D.改变电容 2.(传感器的原理)如图所示为某汽车的加速度4.（传感器的原理）（多选）如图所示是一种电感 传感器的俯视图。金属块前、后侧分别连接： 式微小位移传感器的原理图。1是待测位移 轻质弹簧、电介质，弹簧与电容器固定在外框： 的物体，3是空心线圈，软铁芯2插在线圈3 上，金属块可带动电介质相对于外框前后移 中并且可以随着物体1在线圈中左右平移。 动（不能沿其他方向移动），电容器与电源连： 关于这种传感器的工作原理，下列说法正确 接，并串联计算机的信号采集器。关于该传 的是 感器的说法正确的是 ( 电介质金 后 块 计算机 A.汽车保持静止时，电容器不带电 A.这种传感器输入的物理量是位移，输出的 物理量是自感系数 B.汽车静止时与直线运动时，电容器的电容 可能相同 B.通过这种传感器线圈的电流是交流电 C.汽车由静止突然向前加速，电路中有逆时 C.软铁芯是敏感元件，线圈是转换元件 针方向的电流 D.当物体1向右移动时，线圈的自感系数 D.汽车向前做匀加速运动过程中，电路中始 增大 终有顺时针方向的电流 提示请完成（素能提升训练》训练二十 3.利用传感器制作简单的自动控制装置 学习目标 1.了解传感器应用的一般模式。 2.会设计简单的自动控制电路，提高分析、解决问题的能力。 3.了解传感器的应用 93f=2n√Lc知，接收电路的固有频率可能不变，可接收 到的波长可能保持不变且不是最短的；同理，S接a时L 大，动片完全旋出时C小，接收电路的固有频率可能不 变，接收到的电磁波频率可能不变，故C错误，D 正确。 [答案] D 针对训练 2.CD 要接收电磁波，收听节目就必须先把电磁波有选 择性地接收下来，这一过程叫作调谐，然后把音频信号 从电磁波中“卸载”下来，这一过程叫作解调，故 A、B错 误，C、D正确。 随堂巩固促应用 1.A 2.ACD 电磁波的发射过程中，一定要对低频输入信号进 行调制，把传输信号加到高频电流上，为了有效地向外 发射电磁波，必须使用开放电路，A、C、D正确。而产生 电谐振是在接收过程，B错误。 3.B 有效地发射电磁波的装置应该有调制电路、高频振 荡电路和开放振荡电路。调制电路是把需要发射的信 号加载到高频电磁波上才能发射出去，高频振荡电路能 产生高频电磁波，开放振荡电路能把电磁波发送得更 远，而调谐电路是在接收端需要的电路。B正确。 4.A 根据密绕匝数多的线圈电感大、疏绕匝数少的线圈 —2知,电感越大,回电感小，B、D错误；根据f λ=f路固有频率越小，C错误；根据； 可知，频率越小，波 长越长，A正确。 4.电磁波谱 自主学习探新知一、 2.红外线 紫外线 X射线 波长(频率) 二、 1.通信 2.(1)短 长(2)强(3)红外遥感 4.(1)5～370 nm(2)较高 荧光 5.(1)高 强 人体透视(2)很高 更强 自我诊断 1.(1)×(2)√ (3)× (4)× 2.无线电波 无线电波 紫外线 红外线 互动探究解疑难 要点一 问题导引 提示 都是电磁波。 典例剖析 [例1] [解析] 由 v=λf知，波的波长越长频率越低， 故米波的频率比厘米波的频率低，A错误；机械波的传 播需要能够传播机械振动的介质，而电磁波可以在真空 中传播，B错误；电磁波具有波的一切特性，能够发生反 射、折射、干涉、衍射等现象，故C正确，D错误。 [答案] C 针对训练 1.B 收音机刻度板上的单位为 MHz和 kHz,是频率的 单位，所以向右调指针时所接收的电磁波的频率变大； 由公式c=λf可得，电磁波的波速一定，频率变大，波长 变短，故 B正确。 要点二 问题导引 提示 无线电波：收音机；红外线：电烤箱；可见光：人可 看到的五彩缤纷的世界；紫外线：紫外线消毒灯；X射 线：X光透视机；y射线：γ射线探伤。 典例剖析 [例2] [解析](1)X光机是用来透视人体内部器官的， 因此需要具有较强穿透力的电磁波，但又不能对人体造 成太大的伤害，因此采用了X射线，故选D。 (2)紫外线灯主要是用来灭菌的，因此它应用的是紫外 线的灭菌作用而非荧光作用，故选C。 (3)“神灯”又称红外线灯，主要用于促进局部血液循环， 它利用的是红外线的热效应，使人体局部受热，血液循 环加快，故选E。 [答案](1)D (2)C(3)E 针对训练 2.D X射线有很高的穿透本领，常用于医学透视人体， 红外线没有，A错误；过强的紫外线照射对人的皮肤有 害，B错误；电磁波中频率最高的是γ 射线，其波长最 短，最不容易发生衍射现象，C错误；紫外线和X射线都 可以使感光底片感光，D正确。 随堂巩固促应用 1.A 根据波长的不同，电磁波谱可大致分为无线电波、 红外线、可见光、紫外线、X射线、γ 射线等(波长由长到 短)。波长越长的电磁波，其频率越小，由此可知，电磁 波按频率由大到小的排列顺序为：γ射线、X射线、紫外 线、可见光、红外线、无线电波。故 A正确。 2.D 在真空中，电磁波传播的速度相同，都等于光速。 在介质中传播，传播速度与介质和波的频率有关。 3.C 紫外线具有荧光效应，红外线热效应明显，可见光 有视觉感应，地面呈现的是圆形黑影，说明含碘的二硫 化碳溶液对于可见光是不透明的，温度计显示的温度明 显上升，红外线热效应明显，故说明含碘的二硫化碳溶 液对于红外线是透明的。故选C。 第五章 传感器 1.认识传感器 2.常见传感器的工作原理及应用 自主学习探新知一、 1.温度 光 2.明暗 强弱 低于 高于 20 3.红外线 红外线传感器 4.乙醇传感器 浓度 二、 1.力传感器 磁传感器 声传感器 2.成分 浓度 3.酶传感器 微生物传感器 三、 1.敏感元件 转换元件 2.非电学量 电学量 放大 3.(1)非电学量 检测(2)转换(3)转换元件 热电偶 四、 1.越小 2.差 增强 变好 3.光照强弱 电阻 五、 1.增大 2.减小 六、 1.金属梁 应变片 应变片 3.形变 电压 自我诊断 1.(1)×(2)×(3)√(4)√ (5)×(6)√ 2.电容 互动探究解疑难 要点一 问题导引 提示 声控灯全名应该为———声光控灯，声控灯中有光 控电路，使其在光线充足的时候不工作，所以声控灯的 控制盒实际上是声、光同时控制的，在光线充足的情况 下灯不会亮，起到日熄夜亮的控制作用，以节约用电。 典例剖析 [例1] [解析] 传感器是能感受规定的被测量并按照 一定的规律转换成可用信号的器件或装置，一般由敏感 元件和处理电路组成，A正确；敏感元件的功能是把非 电学量转换成电学量便于处理电路进行处理，B错误； 半导体元件光敏电阻阻值随光照增强而减小，正温度系 数半导体元件热敏电阻阻值随温度升高而增大，C错 误；干簧管属于磁敏元件，是由磁场控制的自动开关， D正确。 [答案] AD 针对训练 1.ACD 利用脂肪几乎不含水分，其导电性和人体内其他 成分不同，可以用测量人体电阻的办法来计算人体脂肪 率，B错误，A正确；人在激烈运动和沐浴之后，人体内 含水量发生变化，人体脂肪所占比例发生变化，即人体 的电阻大小变化，所以测量数据会不准确，C、D正确。 要点二 问题导引 提示 温度传感器。 典例剖析 [例2] [解析] R?与灯泡L并联后再与R?串联，与电 源构成闭合电路。当温度降低时，热敏电阻R?电阻值 增大，外电路电阻增大，电流表的示数减小，灯泡L两端 的电压增大，灯泡的亮度变强，R?两端的电压减小，故 只有C正确。 [答案] C 针对训练 c=4rka,电容2.A 压力F作用时，极板间距d变小，由 器电容C变大，又根据Q=CU,极板带电荷量变大，所 以电容器应充电，灵敏电流计中产生由正接线柱流入的 电流，所以指针将右偏。F不变时，极板保持固定，充电 结束，指针回到零刻度。故选 A。 随堂巩固促应用 1.B 大多数传感器是由半导体材料制成的，某些金属也 可以制成传感器，如金属热电阻，故 A错误，B正确；传 感器将非电学量转换为电学量，因此传感器感知的应该 是“非电信号”,故C错误；水银温度计能感受热学量，但不 能把热学量转化为电学量，因此不是传感器，故 D错误。 2.B 汽车保持静止时，由Q=CU知，电容器带电，A错 误；汽车静止时与匀速直线运动时，弹簧都处于原长，电 容器的电容相同，B正确；汽车由静止突然向前加速，弹 簧会伸长，电介质相对于电容器极板向后运动，e,增大， 由C=4kd可知电容变大，电容器的电荷量要变大，电 容器充电，电路中有顺时针方向的电流，C错误；汽车向 前做匀加速运动过程中，加速度不变，弹簧的伸长量不 变，电容器充电完成后，电路中不再有电流，D错误。故 选B。 3.D 根据自动干手机工作的特征，手靠近干手机电热器 工作，手撤离后电热器停止工作，人是一种导体，可以与 其他导体构成电容器。手靠近时相当于连接一个电容 器，可以确定干手机内设有电容式传感器，由于手的靠 近改变了电容大小，故D正确；用湿度和温度来驱动电 热器工作，理论上可行，但是假如干手机是由于温度、湿 度的变化工作就成了室内烘干机，A、B、C错误。 4.BC 这种传感器输入的物理量是位移，输出的物理量 是电流，A错误；当软铁芯插入或拔出线圈时，在线圈中 产生方向相反的电流，则通过这种传感器线圈的电流是 交流电，B正确；因软铁芯的移动导致线圈中产生感应 电流，则软铁芯是敏感元件，线圈是转换元件，C正确； 当物体1向右移动时，软铁芯插入线圈的深度减小，则 线圈的自感系数减小，D错误。 3.利用传感器制作简单的自动控制装置 互动探究解疑难 要点一 典例剖析 [例1] [解析] (1)电压为18 V,而报警时的电流为 21