物理学案专题7---传感器的简单应用

1、物理学案专题7-传感器的简单应用C1、 基本概念1. 传感器的含义传感器是指这样一类元件：它能够感受诸如位移、速度、力、温度、湿度、流量、声强、温度、光、声、化学成分等等非电学量，并能把它们按照一定的规律转换为电压、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以后，就可以很方便地进行测量、传输、处理和自动控制了。一般由敏感元件、转换器件、转换电路三个部分组成，通过敏感元件获取外界信息并转换成电信号，通过输出部分输出，然后经控制器分析处理。非电物理量敏感元件转换器件转换电路电学量2. 传感器的分类a. 力电传感器：力电传感器主要是利用敏感元件和变阻器把力学信号（位移、速度、加速度等）

2、转化为电学信号（电压、电流等）的仪器。力电传感器广泛地应用于社会生产、现代科技中，如安装在导弹、飞机、潜艇和宇宙飞船上的惯性导航系统及ABS防抱死制动系统等。b. 热电传感器：热电传感器是利用热敏电阻的阻值会随温度的升高减小（与金属热电阻的特性相反）的原理制成的, 它能用把温度这个热学量转换为电压这个电学量。如各种家用电器(空调、冰箱、热水器、饮水机等)的温度控制、火警报警器、恒温箱等。 c. 光电传感器：光敏电阻的材料是一种半导体，无光照时，载流子极少，导电性能不好；随着光照的增强，载流子增多，导电性能变好，光敏电阻的阻值随光照强度的增大而减小的。光敏电阻能够把光强度这个光学量转换为电阻这个

3、电学量。它就象人的眼睛，可以看到光线的强弱。 自动冲水机、路灯的控制、鼠标器、光电计数器、烟雾报警器等都是利用了光电传感器的原理。 d. 声电传感器： 将声音震动信号转化到电容上，再转化为电流信号 或是讲震动转化为磁场信号，再转化为电信号e. 电容式传感器：电容式传感器是将被测量的变化转换为电容量变化的一种装置，它本身就是一种可变电容器。由于这种传感器具有结构简单，体积小，动态响应好，灵敏度高，分辨率高，能实现非接触测量等特点，因而被广泛应用于位移、加速度、振动、压力、压差、液位、等分含量等检测领域。 当被测量的变化使S、d或 任意一个参数发生变化时，电容量也随之而变，从而完成 了由被测量到电

4、容量的转换。 f. 磁电传感器：霍尔元件是将电磁感应这个磁学量转化为电压这个电学量的元件。g. 超声波传感器：超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的传感器 h. 气敏传感器等：气敏传感器是一种检测特定气体的传感器3. 日光灯的电路结构及镇流器、启动器的作用1） 电路图如下图所示 2） 启动器：利用氖管的辉光放电，起着自动把电路接通和断开的作用。3） 镇流器：在日光灯点燃时，利用自感现象，产生瞬时高压；在日关灯正常发光时，利用自感现象起降压限流作用。2、 常规题型例1、如图所示为某种电子秤的原理示意图，AB为一均匀的滑线电阻，阻值为R，长度为L，两边分别有P1、P2两个滑动头，P1可在竖直绝缘

5、光滑的固定杆MN上保持水平状态而上下自由滑动，弹簧处于原长时，P1刚好指着A端，P1与托盘固定相连，若P1、P2间出现电压时，该电压经过放大，通过信号转换后在显示屏上将显示物体重力的大小已知弹簧的劲度系数为k，托盘自身质量为m0，电源电动势为E，内阻不计，当地的重力加速度为g。求：（1）托盘上未放物体时，在托盘自身重力作用下，P1离A的距离xl（2）托盘上放有质量为m的物体时，P1离A的距离x2（3）在托盘上未放物体时通常先核准零点，其方法是：调节P2，使P2离A的距离也为xl，从而使P1、P2间的电压为零校准零点后，将物体m放在托盘上，试推导出物体质量m与P1、P2间的电压U之间的函数关系式

6、解析：托盘的移动带动P1移动，使P1、P2间出现电势差，电势差的大小反映了托盘向下移动距离的大小，由于R为均匀的滑线电阻，则其阻值与长度成正比解：（1）由力的平衡知识知： 解得（2）放上重物重新平衡后， 解得（3）由欧姆定律知E=IR U=IRx由，其中x为P1、P2间的距离，Rx为P1、P2间的电阻，则联立解得 即时练习：1. v压敏电阻REAItt1t2t30图6（a）（b） 2007年广东卷8、压敏电阻的阻值随所受压力的增大而减小，有位同学利用压敏电阻设计了判断小车运动状态的装置，其工作原理如图6（a）所示，将压敏电阻和一块挡板固定在绝缘小车上，中间放置一个绝缘重球。小车向右做直线运动过

7、程中，电流表示数如图6（b）所示，下列判断正确的是 ( )A从t1到t2时间内，小车做匀速直线运动B从t1到t2时间内，小车做匀加速直线运动C从t2到t3时间内，小车做匀速直线运动D从t2到t3时间内，小车做匀加速直线运动答案：D解析：根据题意和题图可知，在t1-t2时间内电流是增大的，说明压力是增大的，根据牛顿第二定律和牛顿第三定律及匀加速直线运动定义判断，选项A、B错误。在t2-t3时间内电流是不变的，比开始一段时间的电流大，就说明此时的压力是恒定的，根据牛顿第二定律和牛顿第三定律及匀加速直线运动定义判断，选项C错误，选项D正确。2. （江苏省启东市07届第一学期期中测试7）利用传感器和计

8、算机可以测量快速变化的力，如图是用这种方法获得弹性绳中拉力F随时间t变化的图线。实验时，把小球举高到绳子的悬点O处，然后让其自由下落，根据图线所提供的信息可判定 ( )At1时刻小球速度最大Bt2时刻绳子最长Ct3时刻小球动能最大Dt3与t4时刻小球动能相同 解析：BD 从图可知从悬点释放到绳子张紧历时t1，即绳子的自然长度l= ；t2时刻张力最大，应是小球运动到了最低点，速度为零时，张力最大绳子最长；t1时刻绳子才开始张紧，不是最低点，C错误；小球的速度最大出现在张力与重力相等的位置，此后开始减速运动，绳子张力继续增大，当速度减为零时，张力最大，所以t1时刻到t2时刻小球的速度先增大后减小，

9、D正确。考查自由落体运动规律、a与v关系、识图获取信息的能力。3. （ 07年1月广东省汕尾市调研测试15、）（16）在实验研究课上，王明和夏青两位同学分别设计了如图10甲，乙两图所示的电子秤。所用器材相同，电源电动势为E, 内阻不计。可变电阻长为L, 电阻为R。弹簧导电，劲度系数为k，其电阻不计。连接甲图中的电压表的导线可自由伸缩。不测量时指针P均在a处(如图中虚线所示)。使电压表的示数与所称的重力对应便成为电子秤。 （1）不称重时，甲，乙两图中的电压表示数分别是多大？ （2）分别写出对应于甲，乙两种设计，所称重力G与电压表的示数U以及E，k，L的关系式。 （3比较甲，乙两个电路，哪一个比较

10、好？为什么？ 乙abpVabp甲V解析:（16分） (1)不称重时，甲图电压表读数为 0 ；乙图电压表读数表示路端电压，又由于电源内阻不计，所以读数为电源电动势 E(4分)（2）当有重物放在电子秤盘时，弹簧的伸长量 (1分)甲图由电路分压得电压表示数(2分) 由式得(2分)乙图由电路分压得电压表示数 (2分)由式得 (2分) (3)甲好，因重力与电压表示数成正比，表的刻度均匀。 （3分）4. （07年扬州市期末调研测试12.）（2）将单摆挂在测力传感器的探头上，用测力探头和计算机组成的实验装置来测定单摆摆动过程中摆线受到的拉力(单摆摆角小于5º)，计算机屏幕上得到如图a所示的Ft图象

11、然后使单摆保持静止，得到如图b所示的Ft图象那么：此单摆的周期为 s设摆球在最低点时Ep=0，已测得当地重力加速度为g，单摆的周期用T表示，那么测得此单摆摆动时的机械能E的表达式是 解析:（2）0.8s （3分） 或（4分）5. （07年广东普宁市华侨中学三模卷18）（14分）起跳摸高是学生常进行的一项活动，竖直起跳的时间和平均蹬地力的在大小能够反映学生在起跳摸高中的素质。为了测定竖直起跳的时间和平顽强蹬地力的大小，老师在地面上安装了一个压力传感器，通过它可以在计算机上绘出平均压力与时间的关系图象。小亮同学身高1.72m，站间时举手达到2.14m，他弯曲两腿，做好起跳的准备，再用力蹬地竖直跳起

12、，测得他对传感器的压力F与时间t的关系图象如图15所示。已知图中网格间距相等，不计空气阻力，取g = 10m/s2。求小亮同学起跳摸高的最大高度约为多少？解析：（14分）从图可知小亮质量为60kg；它蹬地作用力为1050N，加速离开地面时间为0.4s设它蹬过程中的平均加速度大小为a，根据牛顿第二定律得 小亮离开地面时获得的速度约为： 离开地面后做竖直上抛运动上升的高度为： 摸高约为： 评分标准：步骤文字表达简要、论述理由正确得3分（在后面代入数据时该值正确同样给分）；步骤正确得5分（包括设定物理量和交代所根据的规律）；步骤正确得2分；步骤正确得2分，步骤正确得2分。6.（ 06年江苏连云港市最

13、后模拟考试15）（14分）如图所示的装置可以测量汽车在水平路面上运动时的加速度。该装置是在矩形箱子的前、后壁上各安装了一个压力传感器a和b。用两根相同的轻弹簧夹着一个质量m=2.0kg的滑块，滑块可无摩擦滑动；两弹簧的另一端分别压在a、b上，其压力大小可直接从传感器的液晶显示屏上读出。当弹簧作用在传感器上的力为压力时，示数为正；当弹簧作用在传感器上的力为拉力时，示数为负。现将装置沿运动方向固定在汽车上。汽车静止时，a、b的示数均为10N（取g=10m/s2）。bamv若传感器b的示数为14N，a的示数应该是多少？当汽车以什么样的加速度运动时，传感器b的示数为零？若传感器b的示数为-5N，车的加

14、速度大小和方向如何？解析：由题意知：Fa0=Fb0=kx0=10N， Fb=k（x0+x）=14N （1分） 解之得：Fb=kx=4N （1分） 代入得：Fa=k（x0-x）=10N-4N=6N （2分）传感器b的示数为零时，Fb =10N 则Fa=Fa0+Fb=10N+10N=20N （2分）对m应用牛顿第二定律得Fa=ma得a=m/s2=10m/s2 （2分）加速度的方向向左。 （1分）若当Fb= -5N时，Fb=15N则Fa=Fa0+Fb=10N+15N =25N （2分）m受到的合力大小为F= Fa+=25N+5N=30N， （1分）此时m的加速度为：m/s2=15m/s2 （1分）方

15、向向左。（1分）7.（ 南京市07届二模18）（15分）将力传感器连接到计算机上就可以测量迅速变化的力的大小。在图甲所示的装置中，可视为质点的小滑块沿固定的光滑半球形容器内壁在竖直平面的之间往复运动，、与竖直方向之间的夹角相等且都为（<10°）。某次实验，用力传感器测得滑块对器壁的压力大小随时间变化的曲线如图乙所示，图中=0时，滑块从点开始运动。试根据力学规律和题中（包括图中）所给出的信息。求： （1）压力大小随时间变化的周期与小滑块运动的周期之比；（2）容器的半径和小滑块的质量；（3）小滑块运动过程中的最大动能。（取10m/s2）图甲 图乙解析:（1）读图可得，压力大小随时间

16、变化的周期 s （1分）经判断知滑块运动的周期是压力大小变化周期的2倍，故 （2分）（2）滑块在之间做类似于单摆的简谐运动，周期= s 由= 得容器的半径：R=0.4 m （2分）当滑块运动到最低点时，由牛顿第二定律： （2分）在点时有： （1分）滑块由到最低点过程机械能守恒得： （2分）其中，； （1分）由式解得小滑块的质量：m=0.10 （2分）（3）当滑块运动到最低点时，滑块的最大动能最大，其值为J （2分）小结：在有关力电传感器的计算中，必然涉及电路计算，注意欧姆定律及分压原理的应用Rt欧姆表例2、如图所示，将多用表的选择开关置于“欧姆”挡，再将电表的两支表笔与负温度系数的热敏电阻 R

17、t（负温度系数热敏电阻是指阻值随温度的升高而减小的热敏电阻）的两端相连，这时表针恰好指在刻度盘的正中间若往R t上擦一些酒精，表针将向_（填“左”或“右”）移动；若用吹风机将热风吹向电阻，表针将向_（填“左”或“右”）移动。解析：若往R t上擦一些酒精，由于酒精蒸发吸热，热敏电阻R t温度降低，电阻值增大，所以电流减少，指针应向左偏；用吹风机将热风吹向电阻，电阻R t温度升高，电阻值减小，电流增大，指针向右偏答案：左 右注意：欧姆表的表盘刻度最右侧为 0，最左侧为最大值即时练习：1. 如图所示，R 1为定值电阻，R 2为负温度系数的热敏电阻（负温度系数热敏电阻是指阻值随温度的升高而减小的热敏电

18、阻），L为小灯泡，当温度降低时（ ）AR 1两端的电压增大 B电流表的示数增大C小灯泡的亮度变强 D小灯泡的亮度变弱解析：R 2与灯L并联后与R1串联，与电源构成闭合电路，当热敏电阻温度降低时，电阻R 2增大，外电路电阻增大，电流表读数减小，灯 L电压增大，灯泡亮度变强，R1两端电压减小，故 C正确，其余各项均错2. 家用电热灭蚊器中电热部分的主要部件是PTC元件，PTC元件是由酞酸钡等半导体材料制成的电阻器，其电阻率与温度的关系如图所示，由于这种特性，PTC元件具有发热、控温两重功能，对此以下说法中正确的是（ ）A通电后其功率先增大后减小B通电后其功率先减小后增大C当其产生的热量与散发的热量

19、相等时，温度保持在t1至t2的某一值不变D当其产生的热量与散发的热量相等时，温度保持在t1或t2不变解析：根据PTC元件的电阻率随温度变化的曲线，可知在常温下，它的电阻是相当小的，通入电流以后，随着温度的升高，其电阻率先变小后增大，那么它的功率先变大，后变小，温度保持在在t1至t2的某一值不变，这时候电路处于稳定状态，如果温度再升高，电阻率变大，导致电流变小，温度就会降下来；如果温度降低，电阻率减小，导致电流变大，温度就会升上去，所以本题正确答案为A、C。答案：AC3. 一般的电熨斗用合金丝作发热元件，合金丝电阻随温度t变化的关系如图中实线所示由于环境温度以及熨烫的衣物厚度、干湿等情况不同，熨

20、斗的散热功率不同，因而熨斗的温度可能会在较大范围内波动，易损坏衣物有一种用主要成分为BaTiO3被称为“PTC”的特殊材料作发热元件的电熨斗，具有升温快、能自动控制温度的特点PTC材料的电阻随温度变化的关系如图中实线所示试根据图线分析：（1）为什么原处于冷态的PTC熨斗刚通电时比普遍电熨斗升温快？（2）通电一段时间后电熨斗温度t自动地稳定在T_<t<T_范围之内（填下标数字）答案：（1）冷态时PTC电阻很小，电功率很大，所以升温很快（2）6 74. 电饭锅中的温度传感器主要元件是感温铁氧体，它的特点是：常温下具有铁磁性，能够被磁铁吸引，但是上升到约103时，就失去了磁性，不能被磁体

21、吸引了。这个温度在物理学中称为该材料的“居里温度”或“居里点”。如图所示是电饭煲的电路图，S1是一个控温开关，手动闭合后，当此开关温度达到居里点（103）时，会自动断开。S2是一个自动控温开关，当温度低于70时会自动闭合；温度高于80时，会自动断开。红灯是加热时的指示灯，黄灯是保温时的指示灯。分流电阻R1R2500，计算加热电阻丝R350，两灯电阻不计。（1）计算加热和保温两种状态下，电饭煲消耗的电功率之比。（2）简要回答，如果不闭合开关S1，能将饭煮熟吗？解析：（1）加热时电饭煲消耗的电功率 ，保温时电饭煲消耗的电功率为 ，从而有（2） 如果不闭合开关S1，开始S2总是闭合的，R1被短路，功

22、率为P1，当温度上升到80时，自动断开，功率降为P2，温度降低到70 ，S2自动闭合。温度只能在7080之间变化，不能把水烧开，不能煮熟饭。5. ADBCRRP甲乙L 07年扬州市期末调研测试9如图所示为用热敏电阻R和继电器L等组成的一个简单的恒温控制电路，其中热敏电阻的阻值会随温度的升高而减小电源甲与继电器、热敏电阻等组成控制电路，电源乙与恒温箱加热器（图中未画出）相连接则（ ） A当温度降低到某一数值，衔铁P将会被吸下B当温度升高到某一数值，衔铁P将会被吸下C工作时，应该把恒温箱内的加热器接在C、D端D工作时，应该把恒温箱内的加热器接在A、B端答案BD小结：温度传感器是将温度这个热学量转化

23、为电流这个电学量的。例3. 如图所示，将多用电表的选择开关置于欧姆档，再将电表的两支表笔分别与光敏电阻Rt的两端相Rt欧姆表连，这时表针恰好指在刻度盘的正中间若用不透光的黑纸将Rt包裹起来，表针将向_（填“左”或“右”）转动；若用手电筒光照射Rt，表针将向_（填“左”或“右”）转动。解析：光敏电阻受光照越强，电阻越小，电流越大，所以将Rt包裹起来电阻增大，电流减小，指针向左偏，反之向右偏答案：左 右即时练习：1. 如图所示，R1、R2为定值电阻，L为小灯泡，R3为光敏电阻，当照射光强度增大时，（ ）A电压表的示数增大 BR2中电流减小C小灯泡的功率增大 D电路的路端电压增大解析：当光强度增大时

24、，R3阻值减小，外电路电阻随R3的减小而减小，R1两端电压因干路电流增大而增大，同时内电压增大，故电路路端电压减小，而电压表的示数增大，A项正确， D项错误；由路端电压减小，而R1两端电压增大知，R2两端电压必减小，则R2中电流减小，故B项正确；结合干路电流增大知流过小灯泡的电流必增大，则小灯泡的功率增大2. 小结：光电传感器，光敏电阻随着光照强度的增强变小。hBAdVI例4、有一个未知的匀强磁场，用如下方法测其磁感应强度，如图所示，把一个横截面是矩形的铜片放在磁场中，使它的上、下两个表面与磁场平行，前、后两个表面与磁场垂直当通入从左向右的电流 I 时，连接在上、下两个表面上的电压表示数为U已

25、知铜片中单位体积内自由电子数为n，电子质量m，带电量为e，铜片厚度（前后两个表面厚度）为d，高度（上、下两个表面的距离）为h，求磁场的磁感应强度B解析：达到动态平衡时有qvB=qE=qU/hB=U/vh I=nevS=nevhd vh=I/ned B=Udne/I即时练习：1. 电磁流量计广泛应用于测量可导电流体（如污水）在管中的流量（在单位时间内通过管内横截面的流体的体积）。为了简化，假设流量计是如图7所示的横截面为长方形的一段管道，其中空部分的长、宽、高分别为图中的a、b、c，流量计的两端与输送液体的管道相连接（图中虚线）。图中流量计的上下两面是金属材料，前后两面是绝缘材料，现于流量计所在

26、处加磁感应强度为B的匀强磁场，磁场方向垂直于前后两面。当导电液体稳定地 流经流量计时，在管外将流量计上、下两表面分别与一串接了电阻R的电流表的两端连接，I表示测得的电流值。已知流体的电阻率为，不计电流表的内阻，则可求得流量为( )A BC D答案答案解析：设管中流体的流速为v，则在t时间内流体在管中向前移动的距离为vt,这样如图画线的流体在t时间内都将流过横截面，设此横截面积为S，则画线的流体体积V=Svt，除以时间t，则得到流体在该管中的流量为Q=Sv.对于题干所给的流量计，横截面积S=bc，故流过流量计的流量Q=vbc，对于给定的流量计，b与c是常量，可见测流量实质上是测流速.当可导电流体

27、稳定地流经流量计，流体将切割磁感线，这样在流量计的上、下两面产生感应电动势E=vBc，其中B是垂直于流量计前后两面的匀强磁场的磁感应强度，c是流过流量计流体的厚度，v是可导电流体在流量计中的流速.这样在管外将流量计上、下两表面分别与一串接了电阻R的电流表的两端连接，如右图所示，则将有电流流过闭合电路.这个闭合电路中的电动势就是由可导电流体沿流量计流动切割磁感线而产生的感应电动势.如图所示，电阻包括外接的电阻R和可导电流体的电阻r=.这样根据欧姆定律，得到闭合电路中的电流等于I=由此就得到可导电流体在流量计中流速为v=(R+)于是就得到流过流量计的流量Q=vbc=(bR+).答案：A2. 如图所示，厚度为h、宽为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，在导体板的上侧面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