14.6传感器（解析版）--2024高考一轮复习100考点100讲—高中物理

这是一份14.6传感器（解析版）--2024高考一轮复习100考点100讲—高中物理，共12页。试卷主要包含了6讲 传感器， 传感器的定义， 力传感器， 电容式传感器等内容，欢迎下载使用。
第14.6讲 传感器
【知识点精讲】
1. 传感器的定义：能够感受诸如力、温度、光、声、化学成分等被测量，并能够把它们按照一定的规律转换为便于传送和处理的如电压、电流等电学量，或转换为电路的通断的装置。
2．传感器的种类
(1)物理传感器：利用物质的物理特性或物理效应制作而成的传感器，如力传感器、磁传感器、声传感器等。
(2)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、浓度等转换为电信号的传感器，如离子传感器、气体传感器等。
(3)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的传感器。如酶传感器、微生物传感器、细胞传感器等。
3．传感器的组成与应用模式
(1)传感器的基本组成部分
①敏感元件：能直接感受或响应外界被测非电学量的部分。
【特别提醒】敏感元件相当于人的感觉器官，是传感器的核心部分，是利用材料的某种敏感效应(如热敏、光敏、压敏、力敏，湿敏等)制成的。
②转换元件：传感器中能将敏感元件输出且与被测物理量成一定关系的非电信号转换成电信号的电子元件。
③转换电路：将转换元件输出的不易测量的电学量转换成易于测量的电学量，如电压、电流、电阻等。
(2)传感器的工作流程：
eq \x(\a\al(非电,学量))―→eq \x(\a\al(敏感,元件))―→eq \x(\a\al(转换,元件))―→eq \x(\a\al(转换,电路))―→eq \x(电学量)
（3）传感器应用的一般模式
4．传感器的原理
传感器感受的通常是非电学量，如力、温度、位移、浓度、速度、酸碱度等，而输出的通常是电学量，如电压、电流、电荷量等。这些输出的信号是非常微弱的，通常需要经过放大后，再传送给控制系统产生各种控制动作。更多课件 教案 视频 等优质滋源请 家 威杏 MXSJ663 非电学量转换为电学量的意义：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。
二、传感器常用元件
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硫化镉为半导体材料，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．金属热电阻
金属的电阻率随温度的升高而增大，用金属丝可以制作温度传感器，称为热电阻，如图所示为某金属导线电阻的温度特性曲线。
3．热敏电阻
热敏电阻由半导体材料制成，其电阻值随温度的变化非常明显，如图所示为某一热敏电阻的电阻值随温度变化的特性曲线。
【特别提醒】．光敏电阻、金属热电阻和热敏电阻对比分析
4．电阻应变片
(1)定义：其电阻随着它所受机械形变的变化而变化的力敏元件。
(2)分类：金属电阻应变片和半导体电阻应变片。
5. 力传感器：由金属梁和电阻应变片组成，是电子秤中所使用的测力器件。
6. 电容式传感器：通过测定电容器的电容来确定极板的正对面积、极板间的距离以及极板间的电介质中某个物理量变化的传感器。
常见电容式传感器
7、霍尔元件及工作原理
(1)霍尔元件
如图所示，在一个很小的矩形半导体(例如砷化铟)薄片上，制作四个电极E、F、M、N，它就成了一个霍尔元件。
(2)工作原理
外部磁场使运动的载流子受到洛伦兹力的作用，从而在导体板的一侧聚集，以致在导体板的另一侧会出现另一种电荷，从而形成电场；横向电场对载流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，导体板左、右两侧会形成稳定的电压，设导体板左、右两侧的距离为l，导体板的厚度为d，则qeq \f(UH,l)＝qvB。
根据电流的微观解释I＝nqSv得，UH＝eq \f(IB,nqd)。令k＝eq \f(1,nq)，因n为单位体积内带电粒子的个数，q为单个带电粒子的电荷量，它们均为常数，所以UH＝keq \f(IB,d)。UH与B成正比，这就是霍尔元件能把磁学量转换成电学量的原因。
【方法归纳】
传感器问题的分析思路
(1)明确传感器的类型，了解传感器的工作原理。
(2)确定传感器中的什么量变化时可以引起电学量的变化。
(3)根据电学量的变化确定相关物理量的变化。
【最新高考题精练】
1.（2023年1月浙江选考· 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
【参考答案】ABC
【命题意图】本题考查传感器、动量定理、动量守恒定律的适用范围及其相关知识点。
【名师解析】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，则可以利用电容传感器可制成麦克风，故A正确；由动量定理有，可得，，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，则可以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低速宏观问题，也适用于高速微观问题，故D错误。
2.（2021重庆高考）电容式加速度传感器可以用于触发汽车安全气囊等系统。如图所示，极板M、N组成的电容器视为平行板电容器，M固定，N可左右运动，通过测量电容器极板之间电压的变化来确定汽车的加速度。当汽车减速时，极板M、N的距离减小，若极板上电荷量保持不变，则该电容器
A. 电容变小
B. 极板间电压变大
C. 极板间电场强度不变
D. 极板间电场强度变小
【参考答案】C
【名师解析】当汽车减速时，极板M、N的距离减小，由平行板电容器的决定式C=可知，电容增大，选项A错误；若极板上电荷量保持不变，由电容定义式C=Q/U可知，极板M、N之间电压变小，选项B错误；由于极板上电荷量保持不变，极板正对面积不变，根据电荷产生电场可知，极板之间电场强度不变，选项C正确D错误。
【最新模拟题精练】
1 （2023广东湛江21中质检）有款市面上流行的指针式恒温“温奶器”，如图是其内部调温的工作示意图，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
【参考答案】BC
【名师解析】
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，触电断开，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；
2.（2023浙江金华5月质检）图甲是一种家用门窗防盗报警装置，图乙是钢元件。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报警。下列说法正确的是
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. 如果将门上镶嵌磁体N、S极对调后，该报警器仍能正常工作
D. 本装置是利用电磁感应原理控制电路
【参考答案】C
【名师解析】当门关闭时，门的上沿永磁体M磁化干簧管中的软磁性簧片，干簧管的两簧片断开，报警电路断开，A错误；干簧管只能由软磁性材料制成，不能由铜或银制成，B错误；如果将门上镶嵌磁体N、S极对调后，该报警器仍能正常工作，C正确；本装置是利用电磁感应原理控制电路，D错误。
3. （2023浙江台州部分重点高中联考）地震发生后，救援队借助“生命探测仪”可以发现深埋在废墟中的伤员，根据所学知识，你认为“生命探测仪”可能用到了（ ）
A. 红外线传感器B. 压力传感器
C. 磁传感器D. 电容传感器
【参考答案】：A
【名师解析】：伤员被深埋在废墟中，借助红外线传感器，可以感知人与周围环境的差别，且伤员与尸体温度不同，借助探测器可以探测到活着的被困人员。
4. （2023湖南名校高二联考） 某学校气象兴趣小组的同学利用所学物理知识设计了一个电容式风力传感器。如图所示，将电容器与静电计组成回路，可动电极在风力作用下向右移动，引起电容的变化，风力越大，移动距离越大（两电极不接触）。若极板上电荷量保持不变，在受到风力作用时，则（ ）
A. 电容器电容变小B. 极板间电场强度不变
C. 极板间电压变大D. 静电计指针张角越小，风力越小
【参考答案】B
【名师解析】
根据平行板电容器决定式
在受到风力作用时，d减小，则电容器电容变大，故A错误；
平行板极板间电场强度，不变，故B正确；
平行板极板间电压，变小，故C错误；
风力越小，d越大，极板间电压越大，静电计指针张角越大，故D错误。
5. （2023湖北部分名校联考）传感器是自动控制设备中不可缺少的元件，已经渗透到宇宙开发、环境保护、交通运输乃至家庭生活等多种领域。如图所示为三种电容式传感器。下列说法正确的是（ ）
A. 图甲是测定液面高度h的传感器，液面高度h发生变化时，两电极之间的距离发生变化，从而使电容发生变化
B. 图乙是测定压力的传感器，压力发生变化时，两电极之间的距离发生变化，从而使电容发生变化
C. 图丙是测定角度的传感器，角度发生变化时，两电极之间的正对面积发生变化，从而使电容发生变化
D. 三个图中传感器都是通过改变两电极之间的正对面积来改变电容的
【参考答案】BC
【名师解析】
题图甲中液面高度h发生变化时，两个电极间的正对面积发生了变化，从而使电容发生变化，故A错误；
题图乙中当待测压力作用在可动电极上且发生变化时，两电极之间的距离发生变化，从而使电容发生变化，故B正确；题图丙中当角度发生变化时，两电极之间的正对面积发生变化，从而使电容发生变化，故C正确；
因为题图乙是通过改变两电极之间的距离来改变电容的，故D错误。
。
6．(2023广东重点高中期末)微信运动步数的测量是通过手机内电容式加速度传感器实现的。原理如图，M和N为电容器两极板，M极板固定，N板两端与两轻弹簧连接，当手机的加速度变化时，N极板只能按图中标识的前后方向运动。下列对传感器描述正确的是（ ）
A．保持向前匀速运动，电阻R将以恒定功率发热
B．由匀速突然向前减速时，电容器所带电荷量增加
C．由静止突然加速后退时，电流由a向b流过电流表
D．保持向前匀减速运动时，MN间的电场强度持续减小
【参考答案】．BC
【名师解析】 匀速运动时，N板不动，电容器的电容不变，则电荷量不变，所以回路无电流，电阻R没有热功率，故A错误；由匀速突然向前减速时，N板向前运动，则板间距变小，据平行板电容器决定式C=可知，电容器的电容增大，电容器带电量增大，B正确；C．由静止突然加速后退时，N板向前运动，则板间距d变小，据C=可知，电容器的电容C增大，由C=Q/U可知电容器带电量增大，则电容器充电，电流由a向b流过电流表，故C正确；保持向前的匀减速运动时，N板不动，电容器的板间距不变，而电容器的两端电压不变，则MN之间的电场强度不变，故D错误。
7．(2023广东重点高中期末)笔记本电脑机身和显示屏分别安装有磁体和霍尔元件。当显示屏闭合时霍尔元件靠近磁体，屏幕熄灭电脑休眠．如图为显示屏内的霍尔元件：宽为a、长为c，元件内的导电粒子是电荷量为e的自由电子，通入方向向右的电流时，电子的定向移动速度为v．当显示屏闭合时元件处于垂直于上表面方向向下的匀强磁场中，此时元件的前后表面间出现电压U，以此控制屏幕的熄灭．下列关于该元件的说法正确的是A．前表面的电势比后表面的低（ ）
A．前表面的电势比后表面的低
B．前后表面间的电压U与v有关
C．前后表面间的电压U与c成正比
D．电压稳定后，自由电子受到的洛伦兹力大小为
【参考答案】．BD
【名师解析】电流方向向右，电子向左定向移动，根据左手定则判断可知，电子所受的洛伦兹力方向向里，则后表面积累了电子，前表面的电势比后表面的电势高，故A错误；
由电子受力平衡可得，解得
所以前、后表面间的电压U与v成正比，即前、后表面间的电压U与v有关，与c无关，故B正确，C错误；
稳定时自由电子受力平衡，受到的洛伦兹力等于电场力，即，故D正确。
8.（2023广东重点高中期末）一种能自动测定油箱内油面高度的装置如图所示，装置中金属杠杆的一端接浮球，另一端触点P接滑动变阻器R，油量表由电流表改装而成，有一定的内阻。当汽车加油时油箱内油面上升，下列分析正确的有（ ）
A．触点P向上滑动 B．电路中的电流变小
C．两端电压增大 D．整个电路消耗的功率减小
【参考答案】．C
【名师解析】当汽车加油时油箱内油面上升，则浮球上升，则触点P向下滑动，电阻R阻值减小，则回路电流变大，两端电压增大，根据P=IE可知，整个电路消耗的功率变大，选项C正确。
8.（2023福州八县市一中期中联考）微信运动步数的测量是通过手机内电容式加速度传感器实现的，如图所示，M极板固定，当手机的加速度变化时，N极板只能按图中标识的“前后”方向运动。图中R为定值电阻，下列对传感器描述正确的是（ ）
A.静止时，电流表示数为零，电容器两极板不带电
B.N极板由静止突然向“前”运动，电容器的电容减小
C.N极板由静止突然向“后”运动，电流由b向a流过电流表
D.N极板由静止突然向“后”运动，电容器间的电场强度减小
【参考答案】CD
【名师解析】静止时，电流表示数为零，说明电容器极板充满电，电容器两极板带电，A错误；N极板由静止突然向“前”运动，两极板之间距离减小，电容器的电容增大，B错误；N极板由静止突然向“后”运动，两极板之间距离增大，电容器电容减小，放电，极板带电量减少，电流由b向a流过电流表，C正确；.N极板由静止突然向“后”运动，两极板之间距离增大，电容器电容减小，放电，极板带电量减少，电容器间的电场强度减小，D正确。
9.（2022山东省烟台重点高中期末）许多手机都有指纹解锁功能，常用的指纹识别传感器是电容式传感器，如图所示。指纹的凸起部分叫做“嵴”，凹下部分叫做“峪”，传感器上有大量面积相同的小极板， 当手指贴在传感器上时，这些小极板和与之正对的皮肤表面就形成了大量的小电容器，由于距离不同，所以这些小电容器的电容不同。此时传感器给所有的电容器充电达到同一电压值，然后开始放电，其中电容值较小的电容器放电较快，于是根据放电快慢的不同，就可以探测到嵴和峪的位置，从而形成指纹的图像数据。根据以上信息，下列说法中正确的是
A．电容器在充电过程中是把电能转化成化学能
B．在嵴处形成的电容器放电较快
C．在峪处形成的电容器充电后带电量较小
D．潮湿的手指对指纹识别没有任何影响
【参考答案】C
【名师解析】电容器在充电过程中是把电能转化成电场能和磁场能，选项A错误；根据平行板电容器的决定式，在嵴处形成的电容器电容较大，在峪处形成的电容器电容较小，根据题述电容值较小的电容器放电较快，可知在嵴处形成的电容器放电较慢，选项B错误；由电容定义，C=Q/U可知，在峪处形成的电容器充电后带电量较小，选项C正确；潮湿的手指“嵴”和“峪”与传感器之间形成的电容发生变化，所以潮湿的手指对指纹识别有影响，选项D错误。
10. （2021湖南张家界期末）如图甲是录音机的录音电路原理图，乙是研究自感现象的实验电路图，丙是光电传感的火灾报警器的部分电路图，丁是电容式话筒的电路原理图，下列说法正确的是（ ）
A．甲图中录音机录音时，线圈中恒定的电流在磁头缝隙处产生变化的磁场
B．乙图电路开关断开瞬间，灯泡会立即熄灭
C．丙图电路中，当有烟雾进入罩内时，光电三极管上就会因烟雾的散射而有光的照射，表现出电阻的变化
D．丁图电路中，声波的振动会在电路中产生恒定的电流
【参考答案】B
【名师解析】甲图中录音机录音时，线圈中变化的电流在磁头缝隙处产生变化的磁场，选项A错误；乙图电路开关断开瞬间，虽然L中产生自感电动势，但是不能构成通路，所以灯泡会立即熄灭，选项B正确；丙图电路中，当有烟雾进入罩内时，光电三极管上就会因烟雾的散射而有光的照射，产生光电流，选项C错误；丁图电路中，声波的振动会在电路中产生变化的电流，选项D错误。
11. （2023年7月武汉部分学校联合体联考）某同学设计了一个烟雾探测器，如图S为光源，当有烟雾进入探测器时，S发出的光被烟雾散射进入光电管C。光射到光电管中的钠表面产生光电子，当光电流大于或等于I时，探测器触发报警系统报警。已知真空中光速为c，钠的极限频率为，电子的电荷量为e，则下列说法正确的是（ ）
A. 光源S发出光的波长小于探测器一定可以正常工作
B. 用极限频率更高的材料取代钠，探测器一定可以正常工作
C. 光源S发出光只要光强足够大，探测器一定可以正常工作
D. 探测器正常工作，仅增大光电管C正向电压，光电流一定增大
【参考答案】A
【名师解析】
应使入射光的频率大于极限频率才会产生光电效应，因此要使该探测器正常工作，光源S发出的光波长应小于，A正确；若用极限频率更高的材料取代钠，如果光子的频率仍大于该材料的极限频率探测器仍能正常工作，B错误；应使入射光的频率大于极限频率才会产生光电效应，因此要使该探测器正常工，与光源S发出光的光强没有关系，C错误；即使增大光电管C的正向电压，如果光电流已经达到饱和，光电流也不会再增大，D错误。
。特性
原因
光敏电阻
光照越强，电阻越小
光照增强，载流子增多，电阻减小
金属热电阻
温度越高，电阻越大
温度升高，金属电阻率增大，电阻增大
热敏电阻
负温度系数的热敏电阻
温度越高，电阻越小
温度升高，载流子增多，电阻减小
正温度系数的热敏电阻
温度越高，电阻越大
温度升高，载流子减少，电阻增大
名称
传感器
原理
测定角度θ的电容式传感器
当动片与定片之间的角度θ发生变化时，引起极板正对面积S的变化，使电容C发生变化，知道C的变化，就可以知道θ的变化情况
测定液面高度h的电容式传感器
在导线芯的外面涂上一层绝缘物质，放入导电液体中，导线芯和导电液体构成电容器的两个极，导线芯外面的绝缘物质就是电介质，液面高度h发生变化时，引起正对面积发生变化，使电容C发生变化，知道C的变化，就可以知道h的变化情况
测定压力F的电容式传感器
待测压力F作用于可动膜片电极上的时候，膜片发生形变，使极板间距离d发生变化，引起电容C的变化，知道C的变化，就可以知道F的变化情况
测定位移x的电容式传感器
随着电介质板进入极板间的长度发生变化，电容C发生变化，知道C的变化，就可以知道x的变化情况