高中物理中的傳感器習(xí)題例析

1、高中物理中的傳感器習(xí)題例析教學(xué)改革要求注重對(duì)學(xué)生能力的培養(yǎng)，從近年高考命題來(lái)看，試題越來(lái)越貼近實(shí)際問(wèn)題和物理知識(shí)的實(shí)際應(yīng)用。傳感器作為信息采集重要元件，在自動(dòng)控制、信息處理等技術(shù)中發(fā)揮著重要的作用，而關(guān)于傳感器的題型也越來(lái)越多。傳感器是指能將所感受到的物理量（如力、熱、光、聲等）轉(zhuǎn)換成便于測(cè)量的量（一般是電學(xué)量）的一類元件，其工作過(guò)程是通過(guò)對(duì)某一物理量敏感的元件將感受到的信號(hào)按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成便于利用的信號(hào)。傳感器可以根據(jù)其利用的元件進(jìn)行分類（如電容傳感器、電阻傳感器等），也可以按其轉(zhuǎn)換的信號(hào)來(lái)分類（如光電、熱電傳感器等），本文收集了一些與高中物理知識(shí)貼近的常見(jiàn)傳感器的相關(guān)習(xí)題，并以后者進(jìn)行分類

2、，供大家參考。1熱電傳感器：U形動(dòng)觸片靜觸片氖泡圖1熱電傳感器是指將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的一類傳感器，一般有兩類：一類是隨溫度變化引起傳感器中某個(gè)組件形狀的變化（如熱脹冷縮）達(dá)到轉(zhuǎn)換信號(hào)的目的；還有一類是隨溫度變化引起電阻的變化（如半導(dǎo)體材料中熱敏電阻隨溫度升高電阻減小）達(dá)到轉(zhuǎn)換信號(hào)的目的。例1：日光燈的啟動(dòng)器也可看成是一個(gè)熱敏傳感裝置，它的熱敏功能器是雙金屬片，你能說(shuō)出啟動(dòng)器的工作原理嗎？解析：日光燈啟動(dòng)器結(jié)構(gòu)如圖1所示，內(nèi)有一雙金屬片，熱膨脹系數(shù)不同。開(kāi)關(guān)閉合后，啟動(dòng)器兩極之間有電壓使氖氣放電而發(fā)出輝光，輝光發(fā)出的熱量使U形動(dòng)觸片受熱膨脹向外延伸，碰到靜觸片接觸，電路接通；溫度降低時(shí)，U動(dòng)

3、觸片向里收縮，離開(kāi)觸點(diǎn)，切斷電路。例2：給你如下器材：熱敏電阻、電鈴、電源繼電器，滑動(dòng)變阻器，開(kāi)關(guān)和導(dǎo)線若干。試從所給器材中選用一些器材制作一個(gè)高溫自動(dòng)報(bào)警器，要求是：不必要的器材盡量不用，畫出電路圖。電鈴熱敏電阻觸頭銜鐵彈簧圖2解析：選擇熱敏電阻、電鈴、電源繼電器及導(dǎo)線若干，連接電路如圖2。原理：當(dāng)溫度升高，熱敏電阻電阻減小，螺線管中電流增大，電磁鐵磁性變強(qiáng)，銜鐵被吸下，與觸頭接觸，含電鈴電路閉合，電鈴鳴響報(bào)報(bào)警。在熱電傳感器中要注意熱敏電阻的電阻值是隨溫度升高而減小，抓住這特性，再結(jié)合電學(xué)知識(shí)就能夠分析出設(shè)計(jì)原理并用以解題。2光電傳感器：光電傳感器是指將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的一類傳感器，一般

4、以光敏電阻為主要元件，因?yàn)楣饷綦娮桦娮柚惦S光照加強(qiáng)而減小，將光敏電阻連接到電路中時(shí)，光照改變就會(huì)引起電路中其它電學(xué)量的改變，從而將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。例3：如圖3所示為光敏電阻自動(dòng)計(jì)數(shù)器的示意圖，其中A是發(fā)光儀器，B是傳送帶上物品，R1為光敏電阻，R2為定值電阻，此光電計(jì)數(shù)器的基本工作原理是（ AD ）AR1R2信號(hào)處理系統(tǒng)圖3（A）當(dāng)有光照射R1時(shí)，信號(hào)處理系統(tǒng)獲得高電壓（B）當(dāng)有光照射R1時(shí)，信號(hào)處理系統(tǒng)獲得低電壓（C）信號(hào)處理系統(tǒng)每獲得一次低電壓就記數(shù)一次（D）信號(hào)處理系統(tǒng)每獲得一次高電壓就記數(shù)一次解析：光敏電阻自動(dòng)計(jì)數(shù)器原理圖如上，當(dāng)傳送帶上沒(méi)有物品擋住由A射出的光信號(hào)時(shí)，光敏電阻阻值

5、變小，由分壓規(guī)律知供給信號(hào)處理系統(tǒng)的電壓變低；當(dāng)傳送帶上有物品擋住由A射出的光信號(hào)時(shí)，光敏電阻的阻值變大，供給信號(hào)系統(tǒng)的電壓變高并記數(shù)一次。這種高低交替變化的信號(hào)經(jīng)過(guò)信號(hào)處理系統(tǒng)的處理，就會(huì)自動(dòng)將其轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的數(shù)字，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)計(jì)數(shù)的功能。故上題應(yīng)選A、D。S·······觸點(diǎn)銜鐵光電管零線火線圖4例4：給你光電管、電磁繼電器、直流電源、開(kāi)關(guān)、照明電路、路燈及導(dǎo)線，設(shè)計(jì)一個(gè)用于街道的路燈自動(dòng)控制開(kāi)關(guān)，達(dá)到日出路燈熄，日落路燈亮的效果，并說(shuō)明設(shè)計(jì)原理。解析：設(shè)計(jì)電路如圖4，當(dāng)光照加強(qiáng)時(shí)，光電管電阻變小，通過(guò)線圈的電流變大，電磁鐵磁

6、性變強(qiáng)，把銜鐵吸下，脫離觸點(diǎn)，照明電路斷開(kāi)，燈熄滅；當(dāng)光照減弱時(shí)，光電管電阻變大，電流減小，電磁鐵磁性減弱，銜鐵被彈簧彈回與觸點(diǎn)接觸，照明電路接通，燈亮。因此就可做到日出燈熄，日落燈熄。3聲電傳感器：聲電傳感器是指將聲音信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的一類傳感器，常見(jiàn)的電容式話筒和動(dòng)圈式話筒都是聲電傳感器。金屬板金屬膜振動(dòng)膜外電路圖5例5：如圖5是電容式話筒的示意圖，它是利用電容制作的傳感器，話筒的振動(dòng)膜前面鍍有薄薄的金屬層，膜后距膜幾十微米處有一金屬板，振動(dòng)膜上的金屬層和這個(gè)金屬板構(gòu)成電容器的兩極，在兩極間加一電壓U，人對(duì)著話筒說(shuō)話時(shí)，振動(dòng)膜前后振動(dòng)，使電容發(fā)生變化，導(dǎo)致話筒所在電路中的其它量發(fā)生變化，使

7、聲音信號(hào)被話筒轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，其中導(dǎo)致電容變化的原因可能是容器兩板間的（ A ）（A）距離變化 （B）正對(duì)面積變化（C）介質(zhì)變化 （D）電壓變化解析：這個(gè)聲電傳感器又可歸到電容傳感器中。由題意對(duì)著話筒說(shuō)話時(shí)，振動(dòng)膜前后振動(dòng)，則金屬層和金屬板間距離改變，即電容器兩極板間距改變，故導(dǎo)致電容變化的原因可能是容器兩極間的距變變化，選A。磁鐵音圈金屬膜片聲波圖6例6：下面是動(dòng)圈式話筒的原理圖，請(qǐng)你根據(jù)圖6說(shuō)出具體原理。解析：動(dòng)圈式話筒是利用電磁感應(yīng)現(xiàn)象象制成的。當(dāng)聲波使金屬膜片振動(dòng)時(shí)，連接在膜片上的線圈（叫音圈）隨著一起振動(dòng)。音圈在永磁鐵的磁場(chǎng)中振動(dòng)，其中就產(chǎn)生感應(yīng)電流，感應(yīng)電流的大小和方向都變化，振幅和

8、頻率的變化由聲波決定，這就將聲音信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，這個(gè)電信號(hào)經(jīng)擴(kuò)音器放大后傳給揚(yáng)聲器，從揚(yáng)聲器中就發(fā)生放大的聲音。4力電傳感器：力電傳感器是將力信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的一類傳感器，如下面兩例：力電轉(zhuǎn)換器輸出輸入受壓面圖7例7：某學(xué)生為了測(cè)量一個(gè)物體的質(zhì)量，找到一個(gè)力電轉(zhuǎn)換器，該轉(zhuǎn)換器的輸出電壓正比于受壓面受到的壓力（比例系數(shù)為k）如圖7所示，測(cè)量時(shí)先調(diào)節(jié)輸入端的電壓，使轉(zhuǎn)換器空載時(shí)的輸出電壓為0；而后在其受壓面上放上物體，即可測(cè)得與物體的質(zhì)量成正比的輸出電壓U。現(xiàn)有下列器材：力電轉(zhuǎn)換器、質(zhì)量為m0的砝碼、電壓表、滑動(dòng)變阻器、干電池一個(gè)、電鍵及導(dǎo)線若干、待測(cè)物體（可置于力電轉(zhuǎn)換器的受壓面上）。請(qǐng)完成對(duì)

9、該物體的測(cè)量m。（1）設(shè)計(jì)一個(gè)電路，要求力轉(zhuǎn)換器的輸入電壓可調(diào)，并且使電壓的調(diào)節(jié)范圍盡可能大，在方框中畫出完整的測(cè)量電路圖。（2）簡(jiǎn)要說(shuō)明測(cè)量步驟，求出比例系數(shù)k，并測(cè)出待測(cè)物體的質(zhì)量m。力電轉(zhuǎn)換器輸出輸入受壓器SVR圖8（3）請(qǐng)?jiān)O(shè)想實(shí)驗(yàn)中可能會(huì)出現(xiàn)的一個(gè)問(wèn)題。解析：（1）設(shè)計(jì)的電路圖如圖8所示，輸入電壓采用分壓接法目的是讓電壓可調(diào)范圍盡可能大。（2）測(cè)量步驟：調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器，使轉(zhuǎn)換器的輸出電壓為零。將質(zhì)量為m0的砝碼放在轉(zhuǎn)換器上，記下輸出電壓U0。將待測(cè)物體放在轉(zhuǎn)換器上，記下輸出電壓U1，由U0=km0g得k=U0/m0g，測(cè)得U1=kmg，所以m=m0U1/U0。（3）可能出現(xiàn)的問(wèn)題（注：

10、本題屬開(kāi)放性問(wèn)題答案不唯一）：因電源電壓不夠而輸出電壓調(diào)不到零。待測(cè)物體質(zhì)量超出轉(zhuǎn)換器量程。例8：如圖9所示是一種測(cè)量血壓的壓力傳感器在工作時(shí)的示意圖。薄金屬片P固定有4個(gè)電阻R1、R2、R3、R4（如圖10所示），左邊是它的側(cè)面圖這四個(gè)電阻連接成電路如圖11所示，試回答下列問(wèn)題：（1）開(kāi)始時(shí)金屬片中央O點(diǎn)未加任何壓力，欲使電壓表無(wú)示數(shù)，則4個(gè)電阻應(yīng)滿足怎樣的關(guān)系？（2）當(dāng)O點(diǎn)加一個(gè)壓力F后發(fā)生形變，這時(shí)4個(gè)電阻也隨之發(fā)生形變，形變后各電阻大小如何變化？（3）電阻變化后，電阻的A、B兩點(diǎn)哪點(diǎn)電壓高？它為什么能測(cè)量電壓？P圖9FOPR1R4R2R3O圖10VR1R2R3R4BA圖11解析：（1）

11、本題是電路中A、B兩點(diǎn)間電壓與4個(gè)電阻的關(guān)系，由于電壓表的電阻可看作無(wú)窮大，因此本電路是R1、R2的串聯(lián)電路與R3、R4的串聯(lián)電路并聯(lián)，伏特表電路相當(dāng)于一根電橋，要使伏特表無(wú)讀數(shù)，即A、B兩點(diǎn)電勢(shì)相等則有：R1/R2= R3/R4或R1R4= R2R3。（2）當(dāng)O點(diǎn)加垂直于金屬片的壓力后，金屬片發(fā)生形變，由于電阻是固定在金屬片上的（由上圖），因此R1、R4被拉長(zhǎng)，R2、R3被拉寬，根據(jù)電阻定率，則R1、R4增大，R2、R3減小，顯然，這時(shí)A、B兩點(diǎn)電壓不再相等。（3）電阻增大，電壓降增大，電阻減小，電壓降減小，故在R1、R2的串聯(lián)電路上R1上的電壓降增大，R3、R4串聯(lián)電路上R3電壓降減小，所

12、以A點(diǎn)電壓高于B點(diǎn)電壓。測(cè)量血壓時(shí)，血壓越高，壓力F越大，金屬片形變?cè)斤@著，電阻變化越大，因而電壓表示數(shù)越大，于是就能根據(jù)電壓表示數(shù)的大小來(lái)測(cè)量血壓的高低了。當(dāng)然在實(shí)際上由于金屬片形變較小，所以電阻變化也較小，A、B兩點(diǎn)間電壓還要經(jīng)過(guò)放大才能通過(guò)電表指示出來(lái)，有的還可以轉(zhuǎn)換成數(shù)字顯示出來(lái)。5其它傳感器：除以上這些傳感器外，還有將除力、熱、光、聲外信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的傳感器，如下面兩例：例9：如圖12所示的是通過(guò)電容器的變化來(lái)檢測(cè)容器內(nèi)液面高低的儀器示意圖，容器中裝有導(dǎo)電液體，是電容器的一個(gè)電極，中間的導(dǎo)體芯柱是電容器的另一個(gè)電極，芯柱外面套有絕緣管作為電介質(zhì)，電容器的這兩個(gè)電極分別用振蕩電路產(chǎn)生

13、電磁振蕩，根據(jù)其振蕩頻率的高低（用與該電路相連的頻率計(jì)顯示）就可知容器中液面位置的高低。h導(dǎo)線芯絕緣物質(zhì)導(dǎo)電液體圖12（1）如果頻率計(jì)顯示該振蕩電路的振蕩頻率變大了，則液面是升高了還是降低了？（2）容器內(nèi)的導(dǎo)電液體與大地相連，若某一時(shí)刻線圈內(nèi)磁場(chǎng)方向向右，且正在增強(qiáng)，則此時(shí)導(dǎo)體芯柱的電勢(shì)是正在升高還是降低？解析：由題意可知導(dǎo)電液體和導(dǎo)線芯為兩極板絕緣管為電介質(zhì)構(gòu)成一個(gè)電容器，此電容器與線圈組成一個(gè)LC振蕩電路，當(dāng)電容器電容變化時(shí)，便會(huì)引起振蕩頻率的變化，而此電容器電容的變化是由于液體和導(dǎo)線芯的正對(duì)面積的變化即液面的升降引起的，且隨液面升高電容變大，故可以通過(guò)振蕩頻率的變化來(lái)探知液體深度的變化，

14、即將液體深度的信號(hào)轉(zhuǎn)換成了振蕩頻率信號(hào)。（1）根據(jù)題意設(shè)電容器的電容為C，線圈的自感系數(shù)為L(zhǎng)，則振蕩頻率，由題意知f變大，則C減小，可知液面位置降低。（2）某一時(shí)刻線圈內(nèi)磁場(chǎng)方向向右，根據(jù)右手定則，電流方向應(yīng)如圖所示，可知電容容器正處在放電過(guò)程，電容器兩極板上電量減少，電壓減小，又因?qū)щ娨号c大地相連電勢(shì)始終為零，故導(dǎo)體芯線電勢(shì)是正在降低。圖13例10如圖14所示，有的計(jì)算機(jī)鍵盤的每一個(gè)鍵下面都連一小塊金屬片，與該金屬片隔有一定空氣隙的是另一塊小的固定金屬片，這兩塊金屬片組成一個(gè)小電容器該電容器的電容C可用公式計(jì)算，式中常量e=9×10-12 F·m-1 ，S表示金屬片的正對(duì)面積，d表示兩金屬片間的距離當(dāng)鍵被按下時(shí)，此小電容器的電容發(fā)生變化，與之相連的電子線路就能檢測(cè)出哪個(gè)鍵被按下了，從而給出相應(yīng)的信號(hào)設(shè)每個(gè)金屬片的正對(duì)面積為50 mm2，鍵未按下時(shí)兩金屬片的距離為0.6 mm如果電容變化了0.25 pF，電子線路恰能檢測(cè)出必要的信號(hào)，則鍵至少要被按下 0.15 mm。解析：計(jì)算機(jī)鍵盤是一個(gè)電容傳感器，由題意知是改變兩極板間距改變電容，得到相應(yīng)的電信號(hào)。又因兩極板間距減小，電容變大，設(shè)原間距為d0，至少要按下距離為d，電子線路恰能檢測(cè)出必要的信號(hào)，則根據(jù)，得，即d=0.15mm。以上所舉的傳感器例子雖然各不雷同且在傳感器問(wèn)題中也只能窺一斑，