高考物理一轮复习讲义第13章第4课时　实验十六 利用传感器制作简单的自动控制装置（2份打包，原卷版+教师版）

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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______量，或转换为电路的________。把非电学量转换为电学量，可以很方便地进行测量、______、处理和________。
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________________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
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________；随着光照的________，载流子增多，导电性________。
(3)作用：把________________这个光学量转换为________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________，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________，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________这个力学量转换为________这个电学量。
(2)电子秤的组成及敏感元件：由____________和电阻____________________组成，敏感元件是________________。
(3)电子秤的工作原理
eq \x(\a\vs4\al\c1(金属梁自由,端受力F))⇒eq \x(\a\vs4\al\c1(金属梁发,生弯曲))⇒eq \x(\a\vs4\al\c1(应变片的,电阻变化))⇒eq \x(\a\vs4\al\c1(两应变片上电,压的差值变化))
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，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，载流子所受静电力和洛伦兹力二力平衡。
(3)霍尔电压：UH＝keq \f(IB,d)(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 (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
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．U1B．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
考点二 实验：利用传感器制作简单的自动控制装置
例3 (2023·四川内江市模拟)纯电动汽车的蓄电池的安全性，主要体现在对其温度的控制上，当电池温度过高时，必须立即启动制冷系统进行降温。图甲是小明设计的模拟控温装置示意图，电磁继电器与热敏电阻Rt、滑动变阻器RP串联接在电压为5 V的电源(不计内阻)两端。当电磁铁线圈(电阻不计)中的电流I大于或等于20 mA时，衔铁被吸合，热敏电阻置于温度监测区域，其阻值Rt与温度t的关系如图乙所示，滑动变阻器的最大阻值为200 Ω。则：
(1)图甲中应将b端与________(选填“a”或“c”)端相连；
(2)若设置电池温度为50 ℃时启动制冷系统，则滑动变阻器阻值应为________ Ω；
(3)该电路可设置启动制冷系统的最高温度是________ ℃。
考点三 含传感器的电学实验
例4 (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)。
例5 (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：
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“<”)。
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
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