第十三章 第4课时 传感器 实验十六：利用传感器制作简单的自动控制装置（教师用书word）-【步步高】2025年高考物理大一轮复习讲义（人教版 广东专用）

第4课时　传感器　实验十六：利用传感器制作简单的自动控制装置 目标要求　1.掌握制作传感器的常用元件：光敏电阻、热敏电阻、金属热电阻、电阻应变片、霍尔元件的基本特性及工作原理。2.探究传感器的工作原理及传感器应用的一般模式。3.能利用传感器制作简单的自动控制装置。 考点一　常见的传感器 一、传感器及其工作原理 1．传感器的工作原理：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。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。 传感器应用的一般模式如图所示： 2．传感器的核心元件 (1)敏感元件：能直接感受或响应外界被测非电学量的部分。 (2)转换元件：能将敏感元件输出的信号直接转换成电信号的部分。 (3)信号调整与转换电路：能把输出的微弱的电信号放大的部分。 3．传感器的分类 工作原理 举例 物理传感器 利用物质的物理特性或物理效应感知并检测出待测对象信息 力传感器、磁传感器、声传感器等 化学传感器 利用电化学反应原理，把无机或有机化学物质的成分、浓度转换为电信号 离子传感器、气体传感器等 生物传感器 利用生物活性物质的选择性来识别和测定生物化学物质 酶传感器、微生物传感器、细胞传感器等 二、常见敏感元件 1．光敏电阻 (1)特点：一般情况下，光照越强，电阻越小。 (2)原因：光敏电阻的构成物质为半导体材料，无光照时，载流子极少，导电性能差；随着光照的增强，载流子增多，导电性变好。 (3)作用：把光照强度这个光学量转换为电阻这个电学量。 2．热敏电阻和金属热电阻 (1)热敏电阻 热敏电阻一般由半导体材料制成，其电阻随温度的变化明显，温度升高电阻减小，如图甲所示为某一热敏电阻的阻值随温度变化的特性曲线。 (2)金属热电阻 有些金属的电阻率随温度的升高而增大，这样的电阻也可以制作温度传感器，称为热电阻，如图乙所示为某金属导线电阻的温度特性曲线。 (3)作用：热敏电阻和金属热电阻都能够把温度这个热学量转换为电阻这个电学量。 注意：在工作温度范围内，电阻值随温度上升而增加的是正温度系数(PTC)热敏电阻器；电阻值随温度上升而减小的是负温度系数(NTC)热敏电阻器。 3．电阻应变片 (1)电阻应变片的作用：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。 (2)电子秤的组成及敏感元件：由金属梁和电阻应变片组成，敏感元件是应变片。 (3)电子秤的工作原理 ⇒⇒⇒ 4．霍尔元件的应用 霍尔元件是根据霍尔效应原理制成的一种磁敏元件。一般用于电机中测定转子的转速，如录像机的磁鼓、电脑中的散热风扇等。 (1)霍尔元件的工作原理：E、F间通入恒定的电流I，同时外加与薄片垂直的磁场B时，薄片中的载流子就在洛伦兹力作用下，向着与电流和磁场都垂直的方向漂移，使M、N间出现电压(如图所示)。 (2)霍尔元件在电流、电压稳定时，载流子所受电场力和洛伦兹力二力平衡。 (3)霍尔电压：UH＝k(d为薄片的厚度，k为霍尔系数)。其中UH与B成正比，所以霍尔元件能够把磁感应强度这个磁学量转换为电压这个电学量。 1．传感器是把非电学量转换为电学量的元件。(　√　) 2．传感器只能感受温度和光两个物理量。(　×　) 3．随着光照的增强，光敏电阻的电阻值一定逐渐增大。(　×　) 4．电子秤所使用的测力装置是力传感器，它是把力信号转换为电压信号。(　√　) 例1　关于下列四幅图中的仪器所涉及的物理学原理说法中正确的是(　　) A．图甲装置霍尔元件左右移动时，能产生霍尔电压的原理是电磁感应 B．图乙中物体向左移，则电容器的电容变小 C．图丙，火灾报警器利用了烟雾颗粒对光的散射 D．图丁，红外线体温计利用了物体温度越高，辐射波长越长的特点 答案　C 解析　霍尔元件左右移动时，能产生霍尔电压的原理是带电粒子在磁场中受洛伦兹力发生偏转，故A错误；物体向左移，插入电容器的电介质增加，电容器的电容变大，故B错误； 火灾报警器利用了烟雾颗粒对光的散射，故C正确；红外线体温计利用了物体温度越高，辐射的红外线越强的原理，故D错误。 例2　(2022·北京卷·13)某同学利用压力传感器设计水库水位预警系统。如图所示，电路中的R1和R2，其中一个是定值电阻，另一个是压力传感器(可等效为可变电阻)。水位越高，对压力传感器的压力越大，压力传感器的电阻值越小。当a、b两端的电压大于U1时，控制开关自动开启低水位预警；当a、b两端的电压小于U2(U1、U2为定值)时，控制开关自动开启高水位预警。下列说法正确的是(　　) A．U1<U2 B．R2为压力传感器 C．若定值电阻的阻值越大，开启高水位预警时的水位越低 D．若定值电阻的阻值越大，开启低水位预警时的水位越高 答案　C 解析　由题意可知水位越高，对压力传感器的压力越大，压力传感器的电阻值越小。控制开关自动开启低水位预警，此时水位较低，压力传感器的电阻值较大，由于a、b两端此时的电压大于U1，根据串联电路电压分布特点可知，R1为压力传感器，故高水位时压力传感器的电阻值变小，压力传感器R1两端电压变小，U1>U2，A、B错误；根据闭合电路欧姆定律可知，a、b两端的电压为U＝R1＝，若定值电阻的阻值越大，当开启低水位预警a、b两端的电压大于U1时，压力传感器阻值R1越大，水位越低；当a、b两端的电压小于U2开启高水位预警时，压力传感器阻值R1越大，水位越低，C正确，D错误。 考点二　实验：利用传感器制作简单的自动控制装置 例3　(多选)(2024·广东汕头市检测)有款市面上流行的指针式恒温“温奶器”，如图是其内部调温系统的工作示意图，温度的敏感元件是双金属片，在温度升高时上层金属的膨胀大于下层金属，可造成双金属片的形变。则关于该装置，下列说法正确的是(　　) A．传感器工作的一般流程：电信息→敏感元件→处理电路→非电信息 B．电源刚接通时上下触点是接触的 C．若要提高温奶的温度，则应使调温旋钮下移一些 D．若要提高温奶的温度，则应使调温旋钮上移一些 答案　BC 解析　传感器工作的一般流程：非电信息→敏感元件→处理电路→电信息，故A错误；电源刚接通时上下触点是接触的，电热丝电路为通路，温度升高到某值，由于上层金属的膨胀大于下层金属，触点断开，停止加热，故B正确；若要提高温奶的温度，则应使调温旋钮下移一些，使弹性铜片和双金属片更近一些，温度更高一些时，触点才断开，故C正确，D错误。 例4　(2023·广东东莞市实验中学期中)如图甲所示为苹果自动分拣装置的示意图，该装置把大小不同的苹果，按一定质量标准自动分拣为大苹果和小苹果。该装置的托盘秤压在一个以O1为转动轴的杠杆上，杠杆末端压在压力传感器R上，R的阻值随压力变化的曲线如图乙所示。调节托盘秤压在杠杆上的位置，使质量等于分拣标准(0.15 kg)的大苹果经过托盘秤时，杠杆对R的压力为1 N。调节可调电阻R0，可改变R、R0两端的电压比，使质量等于分拣标准的大苹果通过托盘秤时，R0两端的电压恰好能使放大电路中的电磁铁吸动分拣开关的衔铁，此电压叫作放大电路的激励电压。该放大电路中包含保持电路，能够确保大苹果在衔铁上运动时电磁铁始终保持吸动状态。 (1)当大苹果通过托盘秤时，R所受的压力较大，电阻________(选填“较大”或“较小”)。 (2)自动分拣装置正常工作时，大苹果通过________(选填“通道A”或“通道B”)。 (3)若电源电动势为5 V，内阻不计，放大电路的激励电压为2 V： ①为使该装置达到上述分拣目的，R0的阻值等于________ kΩ。(结果保留两位有效数字) ②某同学想在托盘秤压在杠杆上的位置不变的情况下，利用一块电压表测出每个苹果的质量，电压表的示数随苹果质量的增大而增大，则电压表应该并联在电阻________(选填“R”“R0”或“电源”)两端。 ③若要提高分拣标准到0.33 kg，仅将R0的阻值调为________ kΩ即可实现。(结果保留两位有效数字)(提示：托盘秤压在杠杆上的位置不变的情况下，压力传感器受到的压力与苹果的质量成正比) 答案　(1)较小　(2)通道B　(3)①20　②R0　③16 解析　(1)由题图乙可知当大苹果通过托盘秤时，R所受的压力较大，电阻较小。 (2)大苹果通过托盘秤时，R0两端的电压达到放大电路的激励电压，使放大电路中的电磁铁吸动分拣开关的衔铁，大苹果进入下面的通道B。 (3)①杠杆对R的压力为1 N，R阻值为30 kΩ，为使该装置达到上述分拣目的，R0的阻值需满足＝＝ 则R0＝20 kΩ ②随着苹果质量增大，R阻值减小，分压减小，电源电动势不变，R0分压增大，为了满足电压表的示数随苹果质量的增大而增大，需要将电压表并联在R0两端。 ③根据＝可知分拣标准到0.33 kg时，压力为2.2 N，此时R的阻值为24 kΩ，根据①分析R0的阻值应调至16 kΩ。 考点三　含传感器的电学实验 例5　(2022·重庆卷·11)某兴趣小组研究热敏电阻在通以恒定电流时，其阻值随温度的变化关系。实验电路如图所示，实验设定恒定电流为50.0 μA，主要实验器材有：恒压直流电源E、加热器、测温仪、热敏电阻RT、可变电阻R1、电流表A、电压表V。 (1)用加热器调节RT的温度后，为使电流表的示数仍为50.0 μA，须调节________________(选填一种给定的实验器材)。当RT两端未连接电压表时，电流表示数为50.0 μA；连接电压表后，电流表示数显著增大，须将原电压表更换为内阻____________(选填“远大于”“接近”或“远小于”)RT阻值的电压表。 (2)测得RT两端的电压随温度的变化如图所示，由图可得温度从35.0 ℃变化到40.0 ℃的过程中，RT的阻值随温度的平均变化率是____________ kΩ·℃－1(保留2位有效数字)。 答案　(1)可变电阻R1　远大于　(2)－1.2 解析　(1)由题知恒压直流电源E的电动势不变，而用加热器调节RT的温度后，导致整个回路的总电阻改变。而要确保电流表的示数仍为50.0 μA，则需控制整个回路的总电阻不变，故须调节可变电阻R1。 连接电压表后，电流表示数显著增大，则说明电压表与RT并联后R总减小，则根据并联电阻的关系有R总＝＝，则要保证R总不变，须将原电压表更换为内阻远大于RT阻值的电压表。 (2)实验设定恒定电流为50.0 μA，由题图可得温度为35.0 ℃时电压表的示数为1.6 V，则根据欧姆定律可知此时热敏电阻RT1＝32 kΩ；温度为40.0 ℃时电压表的示数为1.3 V，则根据欧姆定律可知此时热敏电阻RT2＝26 kΩ，则温度从35.0 ℃变化到40.0 ℃的过程中，RT的阻值随温度的平均变化率是k＝＝－1.2 kΩ·℃－1，负号表示随着温度升高RT的阻值减小。 课时精练 1．(多选)(2023·浙江1月选考·14)下列说法正确的是(　　) A．利用电容传感器可制成麦克风 B．物体受合外力越大，则动量变化越快 C．利用红外传感器可制成商场的自动门 D．牛顿运动定律不适用，则动量守恒定律也不适用 答案　ABC 解析　声音使振动膜片振动，改变两极板间距离，使声音信号转换成电信号，则利用电容传感器可制成麦克风，故A正确；由动量定理有F合t＝Δp，可得＝F合，可知物体受合外力越大，则动量变化越快，故B正确；人体可以向外界释放红外线，感应装置接收到红外线后，可以开门，则利用红外传感器可制成商场的自动门，故C正确；牛顿运动定律只适用于宏观低速问题，不适用于微观高速问题，而动量守恒定律既适用于宏观低速问题，也适用于微观高速问题，故D错误。 2．(2024·广东佛山市阶段测试)教学楼过道灯的电路图如图所示，电路中的声传感器和光传感器实质就是声控开关和光控开关。在天黑以后，走过楼道时一跺脚灯就亮了；而白天无论怎样发出声响，灯都不会亮。下列分析正确的是(　　) A．白天有光照时，光传感器自动闭合 B．夜晚无光照时，光传感器自动断开 C．有人走动或发出声音时，声传感器自动闭合 D．夜晚狂风大作时，过道灯亮了，说明声传感器和光传感器都坏了 答案　C 解析　白天有光照时，光传感器自动断开，夜晚无光照时，光传感器自动闭合。有人走动或发出声音时，声传感器自动闭合。两个开关同时闭合，灯就会自动亮。故A、B错误，C正确；夜晚狂风大作时，过道灯亮了，说明声传感器和光传感器都没有损坏。故D错误。 3．图甲是一种家用门窗防盗报警装置，图乙是干簧管元件。安装时，在门的上沿嵌入一小块永磁体M，门框内与M相对的位置嵌入干簧管SA，并将干簧管接入报警电路(蜂鸣报警器)，此装置具有自动提示报警的功能，当睡觉前连接好电路，启动防盗报警装置，当门紧闭时，蜂鸣报警器不响，当门被打开时，蜂鸣报警器发出声音警报，下列有关说法正确的是(　　) A．当门关闭时，干簧管两簧片接通 B．干簧管可以由铜或银等导电性能更好的材料制成 C．如将门上镶嵌磁体的N、S极对调后，该报警器不能正常工作 D．本装置是利用电磁感应原理控制电路 答案　A 解析　干簧管为磁控开关，当门关闭时有磁体，干簧管两簧片接通，故D错误，A正确；铜或银不是磁性材料，则干簧管不可以由铜或银等导电性能更好的材料制成，故B错误；如将门上镶嵌磁体的N、S极对调后，不影响磁体吸引干簧管两簧片，该报警器能正常工作，故C错误。 4．如图所示，虚线框内为漏电保护开关的原理示意图：变压器A处用火线和零线平行绕制成线圈，然后接到用电器。B处有一个输出线圈，一旦线圈B中有电流，经放大后便能推动继电器切断电源。如果甲、乙、丙、丁四人分别以图示方式接触电线(裸漏部分)，甲、乙、丙站在木凳上，则下列说法正确的是(　　) A．甲会发生触电事故，继电器不会切断电源 B．乙会发生触电事故，继电器会切断电源 C．丙会发生触电事故，继电器会切断电源 D．丁会发生触电事故，继电器会切断电源 答案　D 解析　从题图中可知A线圈是用火线和零线双股平行线绕制成线圈，正常情况下火线和零线中电流方向相反、大小相等，当漏电时，火线和零线中电流方向相反、大小不等，穿过线圈B的磁通量变大，故会在线圈B中产生感应电流，经放大后便能推动继电器切断电源，甲、乙站在木凳上(人与地绝缘)接触火线时，火线和零线中电流方向相反、大小相等，穿过线圈B的磁通量为零且不变，线圈B中不产生感应电流，继电器均不会切断电源，甲、乙不会发生触电事故，但丙双手接触“火线与零线”会触电(人与地绝缘)，火线和零线中电流方向相反、大小相等，穿过线圈B的磁通量为零且不变，线圈B中不会产生感应电流，故继电器不会切断电源，但人会触电，A、B、C错误；当丁如题图中所示接触火线时会触电，会导致一部分电流通过大地，火线和零线中电流方向相反、大小不等，穿过线圈B的磁通量变大，故会在线圈B中产生感应电流，经放大后便能推动继电器切断电源，D正确。 5．(2023·广东东莞市期中)利用3 V的恒压电源、量程为0～0.6 A的电流表(内阻不计)、定值电阻、阻值随长度均匀变化的电阻丝(长度为0.05 m，总阻值为25 Ω)、弹簧(电阻不计)、开关、导线，改装成如图甲的测力计。 (1)图甲的电路中，定值电阻的阻值至少为__________ Ω； (2)弹簧所受拉力F与其伸长量ΔL的关系如图乙。若定值电阻为10 Ω，初始时滑片P位于电阻丝最左端，则电流表的示数I与弹簧所受拉力F的关系式I＝__________(A)，可知由电流表改装的测力计刻度是__________(选填“均匀”或“不均匀”)的。当电流表的示数为0.3 A，对应标示的力为________ N。 答案　(1)5　(2)　不均匀　500 解析　(1)电路中接入定值电阻的目的是对电流表起保护作用，防止当P移动到电阻丝的最右端时电流表被烧坏，当电路中电流达到最大0.6 A时，电路中的总电阻最小值为R＝＝ Ω＝5 Ω，所以定值电阻至少为5 Ω。 (2)由题图乙可知k＝＝1×104 N/m 设定值电阻为R，电阻丝总电阻为RL，移动距离为x＝ΔL 由闭合电路欧姆定律I＝，又Rx＝RL－RL 联立可得I＝＝(A) 由上式可知，拉力F与I是非线性关系，所以由电流表改装的测力计刻度是不均匀的。 当电流表的示数为0.3 A，代入I＝(A)，可得F＝500 N，所以对应标示的力为500 N。 6．(2023·广东清远市期末)为节能减排，保护环境，公共场所使用声、光控照明系统，声、光控开关需要同时满足光线较暗、有活动声音时才打开的工作要求(电源及电流表内阻不计)，其示意图如图甲所示。 (1)声控开关和光控开关的连接方式为__________(选填“串联”或“并联”)。 (2)其中光控开关的结构如图乙所示，现用多用电表测量电磁继电器的等效电阻，将多用电表的选择开关置于“×1”挡，再将红、黑表笔__________，调零后，测量的示数如图丁所示，则电磁继电器的等效电阻为__________ Ω。光敏电阻的阻值随照度(照度可以反映光的强弱，光越强，照度越大，单位为lx)的变化关系如图丙所示，由图丙可知随光照强度的增加，光敏电阻的阻值__________。 (3)已知光控开关的电源电动势为3.0 V，电阻箱的阻值为10 Ω。若设计要求当流过电磁继电器的电流为0.05 A时，光控开关闭合，则此时的照度约为__________lx。为了节约用电，需要降低光照度值，应该把电阻箱的阻值调__________。 答案　(1)串联　(2)短接　20　减小　(3)0.6　小 解析　(1)因要同时满足光线较暗、有活动声音时才打开的要求，所以光控和声控开关必须是串联关系。 (2)多用电表测电阻的步骤是机械调零，选挡位，再欧姆调零，最后测量读数。所以选挡后应进行欧姆调零，即将红、黑表笔短接，调节欧姆调零旋钮，使指针指在表盘右侧零刻线上。 电磁继电器的等效电阻为20×1 Ω＝20 Ω 由题图丙可知，随光照强度的增加，光敏电阻的阻值减小。 (3)由闭合电路欧姆定律有I＝ 解得R光敏＝30 Ω，由题图丙可知此时照度为0.6(lx)； 要降低光照度值，即要在低照度条件下才打开，光敏电阻阻值变大，要在继电器电流为0.05 A时亮灯，由闭合电路欧姆定律可知，需调小电阻箱阻值。 7．(2023·湖南卷·12)某探究小组利用半导体薄膜压力传感器等元件设计了一个测量微小压力的装置，其电路如图(a)所示，R1、R2、R3为电阻箱，RF为半导体薄膜压力传感器，C、D间连接电压传感器(内阻无穷大)。 (1)先用欧姆表“×100”挡粗测RF的阻值，示数如图(b)所示，对应的读数是________ Ω； (2)适当调节R1、R2、R3，使电压传感器示数为0，此时，RF的阻值为________(用R1、R2、R3表示)； (3)依次将0.5 g的标准砝码加载到压力传感器上(压力传感器上所受压力大小等于砝码重力大小)，读出电压传感器示数U，所测数据如下表所示： 次数 1 2 3 4 5 6 砝码质量m/g 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 电压U/mV 0 57 115 168 220 280 根据表中数据在图(c)上描点，绘制U－m关系图线； (4)完成前面三步的实验工作后，该测量微小压力的装置即可投入使用。在半导体薄膜压力传感器上施加微小压力F0，电压传感器示数为200 mV，则F0大小是________ N(重力加速度取9.8 m/s2，保留2位有效数字)； (5)若在步骤(4)中换用非理想毫伏表测量C、D间电压，在半导体薄膜压力传感器上施加微小压力F1，此时非理想毫伏表读数为200 mV，则F1________F0(填“>”“＝”或“<”)。 答案　 (1)1 000　(2)　(3)见解析图　(4)1.7×10－2　(5)> 解析　(1)欧姆表读数为10×100 Ω＝1 000 Ω (2)当电压传感器读数为零时，C、D两点电势相等，则＝，解得RF＝ (3)绘出U－m图像如图所示 (4)由图像可知，当电压传感器的示数为200 mV时，所放物体质量为1.77 g，则 F0＝mg＝1.77×10－3×9.8 N≈1.7×10－2 N (5)可将C、D以外的电路等效为新的电源，C、D两点电压看作路端电压，C、D接非理想电压传感器，当读数为200 mV时，实际C、D间断路(接理想电压传感器时)时的电压大于200 mV，则此时压力传感器的读数F1>F0。 学科网（北京）股份有限公司 $