第12章 第4讲 传感器及其应用（Word习题）-【满分思维】2027年高考一轮总复习讲义·物理（江苏专版）

该高中物理讲义聚焦传感器及其应用高考核心考点，涵盖传感器工作原理、敏感元件特性、分类及实验设计，按“原理-元件-分类-应用-实验”逻辑架构梳理知识，通过考点解析、典例精讲、真题训练环节，帮助学生构建传感器问题分析框架。 讲义突出科学探究与科学思维培养，如设计温控装置实验，引导学生排查电路故障、调节电阻箱参数，结合分层练习（选择、实验题），助力学生提升实际应用能力，为教师把控复习节奏、高效突破考点提供系统支持。

第4讲　传感器及其应用 考点一　敏感元件与传感器 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 4．常见敏感元件 (1) 光敏电阻 ① 特点：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__光照强弱__这个光学量转换为__电阻__这个电学量． (2) 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． 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． 甲 乙 (3) 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． (4) 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 典例1　(2025·徐州期末)小盒子A的侧面露出一个小灯泡，盒外没有开关．如果把磁体B放到盒子上面，灯泡就会发光，把磁体移走，灯泡熄灭．盒内的传感器元件应是(　A　) A．干簧管　　　　 B．应变片 C．光敏电阻　　　　 D．热敏电阻 【解析】 盒内的传感器元件应是干簧管；把磁体B放到盒子上面，干簧管的两个簧片被磁化而接通，灯泡会发光；把磁体移走，干簧管的两个簧片分开，灯泡熄灭，故选A. 典例2　如图所示为电熨斗构造示意图，其中温度敏感元件是双金属片，其作用是控制电路的通断．下列说法中错误的是(　D　) A．常温下，电熨斗的上下触点是接触的 B．当温度升高时，双金属片向下弯曲 C．当温度升高时，双金属片上层的膨胀大于下层 D．熨烫丝绸衣物需要设定较低的温度，这时调节调温旋钮使其下降 【解析】 当温度升高时，双金属片向膨胀系数小的一侧弯曲，接触点断开，故上层的膨胀大于下层金属片，从而向下弯曲，故C正确；常温下，电熨斗的上下触点是接触的；当温度过高时，双金属片发生弯曲使上下触点分开，起到调温作用，故双金属片向下弯曲，故A、B正确；熨烫丝绸衣物需要设定较低的温度，即温度稍高时，金属片就要离开触点，所以要将调温旋钮旋转上升，保证在温度升高到一定值时，金属片与接触点断开，故D错误． 考点二　实验：利用传感器设计并制作简单的自动控制装置 1．门窗防盗报警装置的设计 (1) 电路如图所示． (2) 实验操作 ① 连接电路前，要先判断干簧管是否可以正常工作．用磁体直接靠近干簧管，观察簧片能否正常工作． ② 确定各元件可以正常工作后，连接电路．接通电源后，将磁体靠近和离开干簧管，观察实验现象． 2．光控开关的设计 (1) 电路如图甲或乙所示． 甲 乙 (2) 实验操作 ① 按照如图甲或乙所示连接电路，检查无误后，接通电源． ② 让光敏电阻RG受到白天较强的自然光照射，调节电阻R1使发光二极管LED或小灯泡L刚好不发光． ③ 遮挡RG，当光照减弱到某种程度时，就会看到发光二极管LED或小灯泡L发光． ④ 让光照加强，当光照强到某种程度时，则发光二极管LED或小灯泡L熄灭． (3) 注意事项 ① 安装前，对实验器材进行测试，确保各元件性能良好后，再进行安装． ② 光控开关实验中，二极管连入电路的极性不能反接． ③ 如果实验现象不明显，可用手电筒加强光照，或遮盖光敏电阻，再进行观察． 典例3　某同学通过实验制作一个简易的温控装置，实验原理电路图如图甲所示，继电器与热敏电阻Rt、滑动变阻器R串联接在电源E两端，当继电器的电流超过15 mA 时，衔铁被吸合，加热器停止加热，实现温控．继电器的电阻约为20 Ω，热敏电阻的阻值Rt与温度t的关系如下表所示． t/℃ 30.0 40.0 50.0 60.0 70.0 80.0 Rt/Ω 199.5 145.4 108.1 81.8 62.9 49.1 (1) 提供的实验器材有：电源E1(3 V，内阻不计)、电源E2(6 V，内阻不计)、滑动变阻器R1(0～200 Ω)、滑动变阻器R2(0～500 Ω)、热敏电阻Rt、继电器、电阻箱(0～999.9 Ω)、开关S、导线若干． 为使该装置实现对30.0～80.0 ℃之间任一温度的控制，电源E应选用__E2__(填“E1”或“E2”)，滑动变阻器R应选用__R2__(填“R1”或“R2”). 甲 乙 (2) 实验发现电路不工作．某同学为排查电路故障，用多用电表测量各接点间的电压，则应将如图乙所示的选择开关旋至__C__(填“A”“B”“C”或“D”). (3) 合上开关S，用调节好的多用电表进行排查．在图甲中，若只有b、c间断路，则应发现表笔接入a、b时指针__不偏转__(填“偏转”或“不偏转”)，接入a、c时指针__偏转__(填“偏转”或“不偏转”). (4) 排除故障后，欲使衔铁在热敏电阻为50.0 ℃时被吸合，下列操作步骤的正确顺序是__⑤④②③①__(填写各步骤前的序号). ① 将热敏电阻接入电路 ② 观察到继电器的衔铁被吸合 ③ 断开开关，将电阻箱从电路中移除 ④ 合上开关，调节滑动变阻器的阻值 ⑤ 断开开关，用电阻箱替换热敏电阻，将阻值调至108.1 Ω 【解析】 (1) 为保持继电器的灵敏度，即电路中的电流要超过15 mA，应选电动势大的电源E2；当温度为80.0 ℃时，滑动变阻器接入电路的电阻为R＝－Rt－R继＝330.9 Ω，故滑动变阻器应选R2. (2) 因电路中有电源，排查电路故障应选用多用电表的直流电压挡，故选C. (3) 只有b、c间断路，表笔接入a、b间时，电表与电源之间形不成闭合电路，则电表指针不偏转，表笔接入a、c间时，能形成闭合电路，电表指针发生偏转． (4) 欲使衔铁在50.0 ℃被吸合，由表中数据可知，此时热敏电阻的阻值为108.1 Ω，操作步骤应是先断开开关，用电阻箱替换热敏电阻，将阻值调至108.1 Ω，闭合开关，调节滑动变阻器的阻值，观察到继电器的衔铁被吸合，然后断开开关，将电阻箱从电路中移除，再将热敏电阻接入电路原位置，故步骤顺序应为⑤④②③①. 1．下列关于传感器的说法中错误的是(　A　) A．话筒是一种常用的声传感器，其作用是将电信号转换为声信号 B．电子秤所使用的测力装置是力传感器，它把力信号转化为电压信号 C．电熨斗能自动控制温度的原因是它装有双金属片，这种双金属片的作用是控制电路的通断 D．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 2．电饭锅中感温磁体的“居里温度”为103 ℃，下列说法中错误的是(　B　) A．常温下感温磁体具有较强的磁性 B．当温度超过103 ℃时，感温磁体的磁性较强 C．饭熟后，水分被大米吸收，锅底的温度会超过103 ℃，这时开关按钮会自动跳起 D．常压下只要锅内有水，锅内的温度就不可能达到103 ℃，开关按钮就不会自动跳起 【解析】 常温下感温磁体的磁性较强，当按下开关按钮，永磁体与感温磁体相互吸引而接通电路，感温磁体的居里温度是103 ℃，常压下只要锅内有水，锅内温度就不可能达到103 ℃，开关就不会自动断开，饭熟后，水分被吸收，锅底温度就会达到103 ℃，感温磁体磁性消失，在弹簧的作用下开关自动跳起，综上所述选项A、C、D正确，B错误． 3．磁传感器是将磁信号转变为电信号的仪器．如图所示，将探头放在磁场中，可以很方便地测量磁场的强弱和方向．探头可能是(　C　) A．感应线圈　　　　 B．热敏电阻 C．霍尔元件　　　　 D．干簧管 【解析】 探头放在磁场中，可以很方便地测量磁场的强弱和方向，将磁信号转变为电信号，因此可能是霍尔元件，故C正确． 4．如图所示为火灾报警器的部分电路，下列说法中正确的是(　C　) A．图中的外罩必须是密封的 B．图中的挡板必须是透明挡板 C．如有烟雾颗粒进入该装置即可能报警 D．若LED灯两端的电压波动，该装置将报警 【解析】 烟雾从外罩进入罩内，所以外罩不能密封，故A错误；LED灯和光电三极管用一不透明的挡板隔开，没有险情时光电三极管不能收到LED灯发出的光，发生火灾时烟雾进入罩内，使光发生散射，部分光线照在三极管上，将光信号转换成电信号，电阻变小，与传感器相连的电路检测出这种变化，发出警报，所以该传感器是用光传感器实现报警的，所以LED灯两端的电压波动无法使该装置报警，故B、D错误，C正确． 配套热练 一、 选择题 1．(2025·南通期末)传感器在生产生活中得到广泛应用，电子体重计中需要用到的传感器元件是(　A　) A．电阻应变片 B．干簧管 C．双金属片 D．光敏电阻 【解析】 电子体重计中需要用到力传感器，所以用到的传感器元件是电阻应变片，故选A. 2．全自动洗衣机在家庭日常生活中起到很大的作用．如图所示为设有多段式水位自动感应装置的洗衣机，该自动感应装置可能采用的是(　A　) A．压力传感器　　　　　 B．温度传感器 C．光学传感器　　　　　 D．红外线传感器 【解析】 水位不同，水对洗衣机底部的压力不同，所以该自动感应装置可能采用的是压力传感器，故A正确． 3．(2025·苏州期末)能将力学量转化为电学量的传感器是(　A　) A．电阻应变片　　　　 B．热敏电阻 C．光敏电阻　　　　 D．霍尔元件 【解析】 电阻应变片利用材料形变导致电阻变化，将力学量(如力、形变)转化为电阻变化，属于将力学量转化为电学量，故A正确；热敏电阻将温度变化转化为电阻变化，属于将热学量转化为电学量，故B错误；光敏电阻将光照强度变化转化为电阻变化，属于将光学量转化为电学量，故C错误；霍尔元件通过磁场变化产生电压，属于将磁学量转化为电学量，故D错误． 4．如图所示为某电感式位移传感器的原理图，1是待测位移的物体，3是接交变电流的空心线圈，软铁芯2插在线圈3中并且可以随物体1左右平移，则该传感器(　B　) A．将电流变化信号转化为位移变化信号输出 B．将位移变化信号转化为电流变化信号输出 C．将位移变化信号转化为电阻变化信号输出 D．当物体向左移动时，线圈的自感系数变小 【解析】 电感式位移传感器输入的物理量是位移，输出的物理量是电流，故B正确，A、C错误；当物体向左移动时，软铁芯插入线圈的深度增大，则线圈的自感系数增大，故D错误． 5．下列关于传感器元件的说法中，正确的是(　A　) 甲 乙 丙 丁 A．如图甲所示，当磁体靠近干簧管时，两个簧片被磁化而接通，干簧管起到开关的作用 B．如图乙所示，是一种电感式微小位移传感器，物体1连接软铁芯2插在空心线圈3中，当物体1向右发生微小位移时，线圈自感系数变大 C．如图丙所示是一光敏电阻，随着光照增强，光敏电阻导电性变差 D．如图丁所示，当力F越大，金属梁弯曲形变越大，应变片的电阻变化就越小 【解析】 当磁体靠近干簧管时，两个簧片被磁化而接通，干簧管起到开关的作用，A正确；当物体1向右发生微小位移时，铁芯插入的长度变小，线圈自感系数变小，B错误；光敏电阻，当光照增强时，电阻变小，C错误；当力F越大，金属梁弯曲形变越大，应变片的电阻变化就越大，D错误． 6．“嫦娥六号”采用了大量的传感器．某金属热电阻和热敏电阻的阻值R随温度T变化的关系图像如图所示，下列说法中正确的是(　D　) A．金属热电阻不可用来做电阻温度计 B．金属热电阻在温度上升时导电能力增强 C．热敏电阻的阻值随温度的变化不明显 D．它们都能够把温度这个热学量转换为电阻这个电学量 【解析】 金属热电阻的阻值随温度的升高而增大，这样的金属可以制成温度传感器，称为热电阻，可用来做电阻温度计，故A错误；金属热电阻在温度上升时，电阻变大，导电能力减弱，故B错误；热敏电阻的阻值随温度的升高而降低，其阻值变化明显，故C错误；金属热电阻和热敏电阻都能够把温度这个热学量转换为电阻这个电学量，故D正确． 7．(2025·扬州期末)一些汽车的低油位报警装置采用热敏电阻来检测油箱的警戒液位．如图甲所示，液面高于热敏电阻的高度时，热敏电阻发出的热量会被液体带走，指示灯不亮．如图乙所示，当液体减少、热敏电阻露出液面时，指示灯亮．与图甲相比，图乙中热敏电阻(　C　) 甲 乙 A．温度较低，电阻较小　　　　 B．温度较低，电阻较大 C．温度较高，电阻较小　　　　 D．温度较高，电阻较大 【解析】 如图甲所示，若给热敏电阻通以一定电流时，热敏电阻会产生热量，当液面高于热敏电阻时，热敏电阻的热量会被液体带走，温度基本不变，热敏电阻阻值较大，电流较小，故指示灯不亮；如图乙所示，当液体减少，液面低于热敏电阻时，热敏电阻温度升高，阻值减小，电流增大，故指示灯亮，就显示出报警信号，所以与图甲相比，图乙中热敏电阻温度较高，电阻较小，C正确． 8．如图所示是利用太阳能给LED路灯供电的自动控制电路的示意图．R是光敏电阻，R0是保护定值电阻，日光充足时，电磁继电器把衔铁吸下，GH接入电路，太阳能电池板给蓄电池充电，光线不足时，衔铁被弹簧拉起，与EF接入电路，蓄电池给LED路灯供电，路灯亮起．下列关于该电路分析中正确的是(　C　) A．该光敏电阻阻值随光照强度增大而增大 B．增加电源电动势可以增加路灯照明时间 C．增大保护电阻R0阻值可延长每天路灯照明时间 D．并联更多的LED路灯可延长每天路灯照明时间 【解析】 日光充足时，电磁继电器把衔铁吸下，说明控制电路中电流大，即光敏电阻此时阻值小，则当日光充足时光敏电阻R阻值减小，故A错误；电动势增大，电阻不变情况下，电流增大，电磁继电器把衔铁吸下，减少了路灯照明时间，故B错误；增大保护电阻R0阻值，减小了电流，延长了照明时间，故C正确；LED灯的盏数不影响控制电路，考虑蓄电池容量一定，会减少照明时间，故D错误． 二、 实验题 9．(2025·河南卷)实验小组研究某热敏电阻的特性，并依此利用电磁铁、电阻箱等器材组装保温箱．该热敏电阻阻值随温度的变化曲线如图甲所示，保温箱原理图如图乙所示．回答下列问题： 甲 乙 (1) 图甲中热敏电阻的阻值随温度的变化关系是__非线性__(填“线性”或“非线性”)的． (2) 存在一个电流值I0，若电磁铁线圈的电流小于I0，衔铁与上固定触头a接触；若电流大于I0，衔铁与下固定触头b接触．保温箱温度达到设定值后，电磁铁线圈的电流在I0附近上下波动，加热电路持续地断开、闭合，使保温箱温度维持在设定值．则图乙中加热电阻丝的c端应该与触头__a__(填“a”或“b”)相连接． (3) 当保温箱的温度设定在50 ℃时，电阻箱旋钮的位置如图丙所示，则电阻箱接入电路的阻值为__130.0__Ω. 丙 (4) 若要把保温箱的温度设定在100 ℃，则电阻箱接入电路的阻值应为__210.0__Ω. 【解析】 (1) 根据图甲可知热敏电阻的阻值随温度的变化关系是非线性的． (2) 根据图甲可知温度升高，热敏电阻的阻值变小，根据欧姆定律可知流过电磁铁线圈的电流变大，衔铁与下固定触头b接触，此时加热电阻丝电路部分断开连接，停止加热，可知图乙中加热电阻丝的c端应该与触头a相连接． (3) 由图丙可知电阻箱接入电路的阻值为100×1 Ω＋10×3 Ω＝130.0 Ω. (4) 根据(3)可知，当温度为50 ℃时，热敏电阻的阻值为180 Ω，电阻箱接入的电阻为130 Ω，当温度为100 ℃时，热敏电阻的阻值为100 Ω，要使得电流值I0不变，则在电流为I0时，控制电路的总电阻不变，则此时电阻箱的电阻为180 Ω＋130.0 Ω－100 Ω＝210.0 Ω. 10． 热敏电阻包括正温度系数电阻器(PTC)和负温度系数电阻器(NTC)，正温度系数电阻器的电阻值随温度升高而增大，负温度系数电阻器的电阻值随温度升高而减小，由于热敏电阻具有这种特性，常用在控制电路中，其电学符号为．实验室里有一只热敏电阻Rt，它在常温下阻值约为10 Ω，现要探究通过该电阻的电流与其两端电压的关系，实验室里备有下列器材： 电流表A1，量程为0～100 mA，内阻约为1 Ω 电流表A2，量程为0～1.2 A，内阻约为0.3 Ω 电压表V1，量程为0～3 V，内阻约为3 kΩ 电压表V2，量程为0～10 V，内阻约为10 kΩ 滑动变阻器R1，最大阻值为5 Ω 滑动变阻器R2，最大阻值为500 Ω 电源E，电动势为12 V，内阻不计 开关、导线若干 (1) 实验中要求通过热敏电阻Rt的电流从0开始逐渐增大，根据所提供的器材，请你设计实验电路． 答案： 图见解析 (2) 实验时，电流表应选__A2__，电压表应选__V2__，滑动变阻器应选__R1__．(填器材代号) (3) 根据实验测得数据描绘出热敏电阻的 U-I 关系曲线如图所示，该热敏电阻属于__NTC__(填“PTC”或“NTC”)热敏电阻；将该热敏电阻与电动势为6 V、内阻为3 Ω的电源组成回路，则该热敏电阻消耗的电功率为__2.2__W. 【解析】 (1) 要求通过热敏电阻Rt的电流从0开始逐渐增大，滑动变阻器应采用分压式接法，由于热敏电阻的阻值较小，则电流表应用外接法，故电路图如图所示． (2) 常温下通过热敏电阻的最大电流约为I＝ A＝1.2 A，则电流表应选A2；由于电源电动势为12 V，则电压表应选V2；要求通过热敏电阻Rt的电流从0开始逐渐增大，则滑动变阻器应采用分压式接法，所以滑动变阻应选最大阻值较小的R1. (3) 由U-I图像可知，热敏电阻的阻值随电流或电压的增大而减小，即随温度的增大而减小，所以该热敏电阻属于NTC热敏电阻．热敏电阻与电源组成回路，则有U＝E－Ir，即为 U＝6－3I，将此图像画入热敏电阻的U-I图像中： 两图线的交点即为热敏电阻的工作点，由图可知，电压 U≈4.4 V，电流I≈0.5 A，故该热敏电阻消耗的电功率为P＝UI＝4.4×0.5 W＝2.2 W． 学科网（北京）股份有限公司 $