1、4.3 用传感器做实验用传感器做实验 4.4 信息时代离不开传感器信息时代离不开传感器 学科素养与目标要求 物理观念：1.了解实验室常用的传感器的原理和应用.2.了解传感器在日常生活、生产中的应用. 科学态度与责任：通过对传感器原理及应用的了解，体会所学知识在实际应用中的价值，增 强学习兴趣并培养正确的科学态度. 一、实验中常见的几种传感器的分析 1.温度传感器的原理 温度传感器是利用热敏电阻的阻值会随温度的变化而变化的原理制成的，它能把温度这个热 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)的温度控制器、 火警报警器、恒温箱等. 2.力传感器的原理 如图 1 所示
2、，力传感器可以用来测重力、压力、拉力等各种力，应变片能够把物体形变这个 力学量转换为电压这个电学量. 图 1 3.磁传感器的原理(霍尔效应的应用) (1)霍尔元件是一种磁敏感元件. (2)霍尔效应：如图 2 所示，在金属薄片相对的两侧面通以控制电流 I，在与薄片垂直方向施 加磁感应强度为 B 的磁场，那么，在垂直于电流和磁场方向的另外两个侧面将产生与控制电 流和磁场成正比的电动势 UH，这种现象称为霍尔效应，即 UHRHIB d . 图 2 例 1 (多选)为了锻炼身体，小明利用所学物理知识设计了一个电子拉力计，如图 3 所示是 原理图.轻质弹簧右端和金属滑片 P 固定在一起(弹簧的电阻不计，
3、P 与 R1间的摩擦不计)，弹 簧劲度系数为100 N/cm.定值电阻R05 ， ab 是一根长为5 cm的均匀电阻丝， 阻值 R125 ， 电源输出电压恒为 U3 V，理想电流表的量程为 00.6 A.当拉环不受力时，滑片 P 处于 a 端.下列关于这个电路的说法正确的是( ) 图 3 A.小明在电路中连入 R0的目的是保护电路 B.当拉环不受力时，闭合开关后电流表的读数为 0.1 A C.当拉力为 400 N 时，电流表指针指在 0.3 A 处 D.当拉力为 400 N 时，电流表指针指在 0.5 A 处 答案 ABC 解析 若电路无电阻 R0，且金属滑片 P 在 b 端时，电路短路会损坏
4、电源，R0的存在使电路不 出现短路，故 A 正确；当拉环不受力时，滑片 P 在 a 端，由闭合电路欧姆定律得，I U R0R1 0.1 A，故 B 正确；拉力为 400 N 时，由 Fkx，则 x4 cm，对应的电阻为 RaP20 ， R1接入电路的电阻 RPb5 ，由闭合电路欧姆定律得，I U R0RPb0.3 A，故 C 正确，D 错误. 例 2 (2017 扬州市邗江中学高二下期中)霍尔元件是一种应用霍尔效应的磁传感器，广泛应 用于各领域，如在翻盖手机中，常用霍尔元件来控制翻盖时开启或关闭运行程序.如图 4 所示 是一霍尔元件的示意图， 通入沿 x 轴正向的电流 I， 沿 y 轴正向加恒
5、定的匀强磁场 B， 图中 a、 b 是垂直于 z 轴方向上元件的前后两侧面，霍尔元件宽为 d(a、b 间距离)，a、b 间将出现电 压 Uab，则( ) 图 4 A.a、b 间电压 Uab仅与磁感应强度 B 有关 B.若霍尔元件的载流子是自由电子，则 ab 两端电压 Uab0 C.若霍尔元件的载流子是正电荷，则 ab 两端电压 Uab0 D.若增大霍尔元件宽度 d，则 ab 间电压 Uab一定增大 答案 B 解析 霍尔元件宽为 d，设霍尔元件厚度为 h，则有 qUab d qvB，而 Inqvdh，则 Uab BI nqh，故 A、D 错误； 若霍尔元件的载流子是自由电子，根据左手定则，电子向
6、 a 侧面偏转，a 表面带负电，b 表面 带正电，所以 b 表面的电势高，则 Uab0，故 C 错误. 学科素养 通过以上例题，进一步建立传感器的概念，了解各种传感器的工作原理，较好 地体现了“物理观念”的学科素养. 二、随处可见的传感器 1.红外测温仪：是一种将红外辐射波转换成电信号的传感装置. 2.数码相机和摄像机：敏感元件叫做电荷耦合器件(CCD)，它能将光信号转换成模拟电信号， 模拟电信号再通过 A/D 转换器转换成数字电信号. 3.酒精浓度测试仪：敏感元件是酒精传感器. 在生活中还有煤气报警器、火警报警器、红外报警器、防盗报警器等等.工业生产中有热轧生 产线上的传感器，农业生产中有空
7、气湿度传感器、土壤湿度传感器、土壤营养传感器等等. 例 3 如图 5 所示是会议室和宾馆房间的天花板上装有的火灾报警器的结构原理图，罩内装 有发光二极管 LED、光电三极管和不透明的挡板.平时光电三极管接收不到 LED 发出的光， 呈现高电阻状态.发生火灾时，下列说法正确的是( ) 图 5 A.进入罩内的烟雾遮挡了光线，使光电三极管电阻更大，检测电路检测出变化发出警报 B.光电三极管温度升高，电阻变小，检测电路检测出变化发出警报 C.进入罩内的烟雾对光有散射作用，部分光线照到光电三极管上，电阻变小，发出警报 D.以上说法均不正确 答案 C 解析 由火灾报警器的原理可知，发生火灾时烟雾进入罩内，
8、使光发生散射，部分光线照到 光电三极管上，电阻变小，与传感器相连的电路检测出这种变化，发出警报，C 对. 三、信息社会离不开传感器 智能式传感器集信息检测、信息处理、信息记忆、逻辑思维和判断功能于一身，把计算机、 各种用途的传感器和输入输出接口等制作在同一块芯片上，即成为大规模集成电路智能传感器. 四、遥测与遥感 遥感遥测的基本原理是通过遥感传感器对观测目标产生的电磁波、热辐射进行远距离收集、 转换，用计算机处理、识别，得出结论.主要应用在地球资源勘测、环境监控、气象预报、军 事侦察等方面. 1.(力传感器的应用)(2018 烟台市高二下期中)压敏电阻的阻值随所受压力的增大而减小， 有位 同学
9、设计了利用压敏电阻判断竖直升降机运动状态的装置，其工作原理图如图 6 甲所示，将 压敏电阻固定在升降机底板上，其上放置一个物块，在升降机运动的过程中，电流表示数如 图乙所示，已知升降机静止时电流表的示数为 I1.下列判断正确的是( ) 图 6 A.0 到 t1时间内，升降机一定静止 B.t1到 t2时间内，升降机可能做匀加速直线运动 C.t1到 t2时间内，升降机运动时的加速度在变化 D.t2到 t3时间内，升降机可能向下匀加速运动 答案 C 2.(温度传感器的应用)小强用恒温箱进行实验时， 发现恒温箱的温度持续升高， 无法自动控制. 经检查，恒温箱的控制器没有故障.参照图 7，下列对故障判断
10、正确的是( ) 图 7 A.只可能是热敏电阻出现故障 B.只可能是温度设定装置出现故障 C.热敏电阻和温度设定装置都可能出现故障 D.可能是加热器出现故障 答案 C 解析 由恒温箱原理图可知，若热敏电阻出现故障或温度设定装置出现故障都会向控制器传 递错误信息，导致控制器发出错误指令，故 C 正确，A、B 错误.若加热器出现故障，只有一 种可能，即不能加热，而题中加热器一直加热才会使温度持续升高，故 D 错误. 3.(霍尔元件的认识及应用)(多选)如图 8 所示是霍尔元件的工作原理示意图，如果用 d 表示薄 片的厚度，k 为霍尔系数，对于一个霍尔元件 d、k 为定值，如果保持 I 恒定，则可以验
11、证 UH 随 B 的变化情况.以下说法中正确的是(工作面是指较大的平面)( ) 图 8 A.将永磁体的一个磁极逐渐靠近霍尔元件的工作面，UH将变大 B.在测定地球两极的磁场强弱时，霍尔元件的工作面应保持水平 C.在测定地球赤道上的磁场强弱时，霍尔元件的工作面应保持水平 D.改变磁感线与霍尔元件工作面的夹角，UH将发生变化 答案 ABD 解析 将永磁体的磁极逐渐靠近霍尔元件的工作面时，B 增大，I 恒定，由公式 UHRHIB d 知 UH将变大，选项 A 正确；地球两极的磁场方向在竖直方向上，所以霍尔元件的工作面应保 持水平，使 B 与工作面垂直，选项 B 正确；地球赤道上的磁场沿水平方向，只有霍尔元件的 工作面在竖直方向且垂直于南北时，B 才与工作面垂直，选项 C 错误；改变磁感线与霍尔元 件工作面的夹角，B 在垂直工作面方向上的大小发生变化，UH将发生变化，选项 D 正确.