高中物理-《传感器》章末复习

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【典题探究】专题一、传感器概念

1.传感器是能将所感受到的物理量（如力、热、磁、光、声等）转换成便于测量的量（一般是电学量）的一类元件,其工作过程是通过对某一物理量敏感的元件将感受到的信号按一定

感受外界信息,能将非电学量转化为电学量的元件

光敏电阻——光敏元件：由光强度转换为电阻干簧管——磁感元件：由磁场强弱转换为电路通断热敏电阻——热敏元件：由温度转换为电阻金属热电阻——热敏元件：由温度转换为电阻霍尔元件——磁敏元件：由磁感应强度转换为电压应变片——压敏元件：由形变量转换为电阻

力传感器：话筒——动圈式,电容式,驻极体式

电子秤——应变片

声传感器：温度传感器电熨斗——双金属片

电饭锅——感温铁氧体、双金属片

测温仪——热敏电阻、金属热电阻、热电偶、红外线敏感元件光传感器

鼠标器——红外发射管、红外接收管、码盘

火灾报警器——发光二极管、光电三极管

温度报警器——斯密特触发器,热敏电阻,蜂鸣器等

光控开关——斯密特触发器,光敏电阻,发光二极管等

规律转换成便于测量、利用或处理的信号.

2.确定传感器所感受到的物理量：力、热、磁、光、声、位移、加速度、角度等.

3.转换电路把输出转换成电学量信号：通过元件把敏感元件的输出转换成电学量信号,最后借助于转换电路把电量信号转换为便于处理显示、记录或控制的量.

【例1】如图所示,厚度为h ,宽度为d 的导体板放在垂直于它的磁感应强度为B 的均匀磁场中,当电流通过导体板时,在导体板上侧面A 和下侧面A ′之间会产生电势差,这种现象称为霍尔效应。实验表明,当磁场不太强时,电势差U 、电流I 和B 的关系为U ＝k

,式中的比例系数k 称为霍尔系数。霍尔效应可解释如下：外部磁场的洛伦兹力使运动的电子聚集在导体板的一侧,在导体板的另一侧会出现多余的正电荷,从而形成横向电场,横向电场对电子施加与洛伦兹力方向相反的静电力,当静电力与洛伦兹力达到平衡时,导体板上下两侧之间就会形成稳定的电势差。

设电流I 是由电子的定向流动形成的,电子的平均定向速度为v ,电量为e ,回答下列问题：（1）达到稳定状态时,导体板上侧面A 的电势_____________下侧面A′的电势.（填“高于”“低于”或“等于”）

（2）电子所受的洛伦兹力的大小为_____________.

（3）当导体板上下两侧之间的电势差为U 时,电子所受静电力的大小为_____________. （4）由静电力和洛伦兹力平衡的条件,证明霍尔系数为k ＝ne

,其中n 代表导体单位体积中电子的个数.

【解析】（1）自由电荷为电子,由左手定则可知,达到稳定状态时,导体板上侧面A 的电势低于下侧面A ′的电势；

（2）洛F =evB （3）电F =e

＝evB （4）电子受到横向静电力与洛伦兹力的作用,两力平衡,有：e h

＝ｅvB ① 得：U ＝hvB ②

通过导体的电流强度I ＝nevdh

由U ＝k

d IB ,有hvB=k d nevBdh ,得：k ＝ne

1. 答案:（1）低于（2）洛F =evB （3）电F =e h

＝evB （4）证明见解析专题二、敏感元件的原理

1.光敏电阻的阻值随光强度的增大而减小.

2.热敏电阻的阻值随温度的升高不一定减小,对正温度系数的热敏电阻其阻值随温度的升高而增大,而负温度系数的热敏电阻其阻值随温度的升高而减小.

【例2】如图所示是彩色电视接收机的消磁电路示意图,R 是金属热敏电阻（温度升高,电阻增大；温度降低后电阻减小）,L 是消磁线圈,试说明此电路的工作过程。【解析】打开彩色电视接收机的时候,消磁电路同时接通,热敏电阻温

度低,处于冷状态,其电阻值很小,又由于消磁线圈电阻值也很小,所以

有很大的电流通过消磁线圈,这个大电流产生很强的磁场作用于显

像

管上,达到给显像管消磁的目的。对显像管的消磁过程时间很短,因此完成消磁后必须切断消磁线圈的电流,电压不能加在消磁线圈上,这一过程产生的电功率很大,使热敏电阻的温度升高,导致热敏电阻的阻值很大,在热敏电阻上产生的电功率减小,使热敏电阻的阻值减小。后来随着热敏电阻的温度降低,其电阻值减小,但是这时消磁线圈的电压不再加上,是由热敏电阻内部的装置控制的。

专题三、传感器的应用

1.各种传感器广泛应用于人们日常生活、生产中,如空调、电冰箱、电饭煲、火灾报警器、路灯自动控制、电脑鼠标器等.传感器把所感受到的物理量,如力、热、磁、光、声等.转换成便于测量的电压、电流等,与电路相结合达到自动控制的目的.

2.力传感器是把力信号转换成电信号；声传感器是把声音信号转换为电信号,而温度传感器往往是用来进行自动控制.

3.传感器通过敏感元件来感受被测量,输出与被测量成确定关系；再通过转换元件把敏感元件的输出转换成电量信号,最后借助于转换电路把电量信号转换为便于处理、显示、记录或控制的量,输送给控制电路,完成电路的自动控制.

【例3】如图甲所示是一种测量血压的压力传感器在工作时的示意图。薄金属片P 上固定有4个特殊材料组成的薄片电阻R 1、R 2、R 3、R 4,如图乙所示,左边是它的侧面图,这四个电阻连接成电路如图丙所示,试回答下列问题：

（1）开始时金属片中央O 点未加任何压力,欲使电压表无示数,则4个电阻应满足怎样的关系？

（2）当O 点加一个压力F 后发生形变,这时4个电阻也随之发生形变,形变后各电阻大小如何变化？

（3）电阻变化后,电阻的A 、B 两点哪点电压高？它为什么能测量电压？

【解析】（1）本题是电路中A 、B 两点间电压与4个电阻的关系,由于电压表的电阻可看作无穷大,因此本电路是R 1、R 2的串联电路与R 3、R 4的串联电路并联,伏特表电路相当于一根电桥,要使伏特表无读数,即A 、B 两点电势相等,则有：R 1/R 2＝R 3/R 4或R 1R 4＝R 2R 3.

（2）当O 点加垂直于金属片的压力后,金属片发生形变,由于电阻是固定在金属片上的（由上图）,因此R 1、R 4被拉长,R 2、R 3被拉宽,根据电阻定律,则R 1、R 4增大,R 2、R 3减小,显然,这时A 、B 两点电压不再相等。

（3）电阻增大,电压降增大,电阻减小,电压降减小,故在R 1、R 2的串联电路上R 1上的电压降增大,R 3、R 4串联电路上R 3电压降减小,所以A 点电压高于B 点电压.测量血压时,血压越高,压力F 越大,金属片形变越显著,电阻变化越大,因而电压表示数越大,于是就能根据电压表示数的大小来测量血压的高低了。当然在实际上由于金属片形变较小,所以电阻变化也较小,A 、B 两点间电压还要经过放大才能通过电表指示出来,有的还可以转换成数字显示出来.

答案:（1）R 1R 4＝R 2R 3. （2）R 1、R 4增大,R 2、R 3减小.

（3）A 点电压高于B 点电压；压力F 越大,金属片形变越显著,电阻变化越大,因而电压表示数越大,于是就能根据电压表示数的大小来测量血压的高低了.

【例3】如图所示是一种悬球式加速度仪,它可以用来测定沿水平轨道运动的列车的加速度。m 是一个金属球,它系在金属丝的下端,金属丝的上端悬挂在O 点,AB 是一根长为L 的电阻丝,其阻值为R. 金属丝和电阻丝接触良好,

摩擦不

乙丙

甲

计。电阻丝的中点C 焊接一根导线,从O 点也引出一根导线,两线之间接入一个伏特表V （金属丝和导线电阻不计）,图中虚线OC 与AB 相垂直,且OC =h . 电阻丝AB 接在电压为U 的稳压电源上。整个装置固定在列车中,使AB 沿着车前进的方向,列车静止时金属丝呈竖直状态,当列车加速或减速前进时,金属丝将偏离竖直方向,从伏特表的读数变化可以测出加速度的大小。

（1）当列车向右做匀加速运动时,试写出加速度a 与伏特表的读数a U 的对应关系,以便重新刻制伏特表表面使它成为直读加速度数值的加速度计.

（2）这个装置能测得的最大加速度为多大？（3）为什么C 点设置在电阻丝AB 的中间？

【解析】（1）设一列车加速度为a 时小球偏离竖直方向θ角,这时小球受合外力为F ＝mgtanθ,根据牛顿第二定律F ＝ma 得a ＝gtanθ,为tan θ＝

h DC ,所以有a ＝g h

① 从电路部分来看,设此时伏特表的读数为a U ,根据串联电路电压与电阻成正比,对均匀电阻丝来说应有电压与电阻丝长度成正比.即：

a DC AB U R DC U R L

== ② 由式①②可得：a ＝

a gL

U U

?. 上式表明a 与U a 成正比, 根据上式可以将伏特表上的电压读数一一对应地改写成加速度的数值,伏特表便改制成加速度计.

（2）这个装置测得最大加速度的情况是D 点移到A 点,这时U a =U /2,所以：h

gL a 2m ax =

. （3）C 点设置在电阻丝AB 的中间的好处是,利用这个装置还可以测定列车做匀减速运动时的负加速度,这时小球将偏向OC 线的右方。

答案:（1）a ＝U gLU 0 （2）h

2 （3）见解析