必備知識(shí)·自主學(xué)習(xí)
一、神奇的傳感器
【情境思考】
小盒子A的側(cè)面露出一個(gè)小燈泡，盒外沒(méi)有開(kāi)關(guān)。如果把磁體B放到盒子上面，燈泡就會(huì)發(fā)光，把磁體移走，燈泡熄滅。
問(wèn)題：盒子里有什么樣的裝置，才能出現(xiàn)這樣的現(xiàn)象？
提示：小盒子中有一種叫作“干簧管”的元件，能起到開(kāi)關(guān)的作用，是一種能夠感知磁場(chǎng)的傳感器。
1.傳感器：它能夠感受諸如力、溫度、光、聲、化學(xué)成分等物理量，并能把它們按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換為便于傳送和處理的可用信號(hào)輸出。
2.樓道燈自動(dòng)開(kāi)啟：這個(gè)開(kāi)關(guān)會(huì)感知環(huán)境的明暗和聲音的強(qiáng)弱。只有環(huán)境的亮度低于某一數(shù)值，同時(shí)聲強(qiáng)高于某一數(shù)值時(shí)，聲控—光控開(kāi)關(guān)才會(huì)接通，燈才會(huì)亮。
3.自動(dòng)門(mén)：有的自動(dòng)門(mén)裝有一種裝置，當(dāng)人走近時(shí)，可以檢測(cè)出人體向外輻射的紅外線，從而發(fā)出使自動(dòng)門(mén)開(kāi)關(guān)啟動(dòng)的命令。這種裝置就是紅外線傳感器。
4.便攜式酒精檢測(cè)儀：司機(jī)對(duì)著 “便攜式酒精檢測(cè)儀”呼氣，檢測(cè)儀就會(huì)顯示呼出氣體中的酒精濃度，這是因?yàn)闄z測(cè)儀上裝有“乙醇傳感器”，它能感知乙醇的濃度。
5.非電學(xué)量轉(zhuǎn)化成電學(xué)量的意義：
把非電學(xué)量轉(zhuǎn)化成電壓、電流等電學(xué)量，或轉(zhuǎn)化為電路的通斷，可以很方便地進(jìn)行測(cè)量、傳輸、處理和控制。
二、傳感器的種類
1.傳感器的種類：力傳感器、磁傳感器、聲傳感器等物理傳感器。
2.電化學(xué)反應(yīng)原理：把無(wú)機(jī)或有機(jī)化學(xué)物質(zhì)的成分、濃度等轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。
3.生物活性物質(zhì)：利用生物活性物質(zhì)選擇性來(lái)識(shí)別和測(cè)定生物化學(xué)物質(zhì)，如酶?jìng)鞲衅?、微生物傳感器?細(xì)胞傳感器等生物傳感器。
三、傳感器的組成與應(yīng)用模式
1.傳感器的基本部分由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件組成。
2.傳感器原理：傳感器感受的通常是非電學(xué)量，如壓力、溫度、位移、濃度、速度、酸堿度等，而它輸出的通常是電學(xué)量，如電壓值、電流值、電荷量等，這些輸出信號(hào)是非常微弱的，通常要經(jīng)過(guò)放大后，再送給控制系統(tǒng)產(chǎn)生各種控制動(dòng)作。
3.傳感器的兩個(gè)重要概念：
（1）敏感元件：是指能直接感受或響應(yīng)外界被測(cè)非電學(xué)量的部分，執(zhí)行檢測(cè)的功能。
（2）轉(zhuǎn)換元件是指能將敏感元件輸出的信號(hào)直接轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的部分，完成轉(zhuǎn)換基本功能。
（3）如果敏感元件直接輸出的是電學(xué)量，它就同時(shí)兼為轉(zhuǎn)換元件。這種敏感元件和轉(zhuǎn)換元件二者合一的傳感器是很多的。例如，熱電偶、壓電晶體等都是這種形式的傳感器。
4.傳感器應(yīng)用的一般模式：
四、光敏電阻
1.特點(diǎn)：光照越強(qiáng)，電阻越小。
2.原因：光敏電阻的構(gòu)成物質(zhì)為半導(dǎo)體材料，無(wú)光照時(shí)，載流子極少，導(dǎo)電性能不好；隨著光照的增強(qiáng)，載流子增多，導(dǎo)電性變好。
3.作用：把光照強(qiáng)弱這個(gè)光學(xué)量轉(zhuǎn)換為電阻這個(gè)電學(xué)量。
五、熱敏電阻和金屬熱電阻
如圖所示，將多用電表的選擇開(kāi)關(guān)置于歐姆擋，再將電表的兩支表筆與負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻RT（溫度升高，電阻減小）的兩端相連，這時(shí)表針恰好指在刻度盤(pán)的正中央。若在RT上擦一些酒精，表針將如何偏轉(zhuǎn)？若用吹風(fēng)機(jī)將熱風(fēng)吹向熱敏電阻，表針將如何偏轉(zhuǎn)？
提示：由于酒精蒸發(fā)，熱敏電阻RT溫度降低，電阻值增大，指針將向左偏；用吹風(fēng)機(jī)將熱風(fēng)吹向熱敏電阻，熱敏電阻RT溫度升高，電阻值減小，指針將向右偏。
1.熱敏電阻：熱敏電阻由半導(dǎo)體材料制成，其電阻隨溫度的變化明顯，溫度升高電阻減小，如圖甲所示為某一熱敏電阻的電阻隨溫度變化的特性曲線。
2.金屬熱電阻：有些金屬的電阻率隨溫度的升高而增大，這樣的電阻也可以制作溫度傳感器，稱為熱電阻，如圖乙所示為某金屬導(dǎo)線電阻的溫度特性曲線。
3.熱敏電阻與金屬熱電阻的區(qū)別：
六、力傳感器的應(yīng)用——電子秤
1.組成及敏感元件：由金屬梁和應(yīng)變片組成，敏感元件是應(yīng)變片。
2.工作原理：
3.作用：應(yīng)變片將物體形變這個(gè)力學(xué)量轉(zhuǎn)換為電壓這個(gè)電學(xué)量。
【易錯(cuò)辨析】
（1）傳感器是一種聯(lián)絡(luò)傳遞感知的設(shè)備。（×）
（2）傳感器是一種感知、探測(cè)物理量的工具。（×）
（3）傳感器是將被測(cè)量的非電學(xué)量轉(zhuǎn)換成電學(xué)量的器件或裝置。（√）
（4）光敏電阻受到的光照越強(qiáng)，電阻越小。（√）
（5）熱敏電阻一定是隨溫度的升高，其阻值增大。（×）
（6）電子秤所使用的測(cè)力裝置是力傳感器，它是把力信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)。（√ ）
關(guān)鍵能力·合作學(xué)習(xí)
知識(shí)點(diǎn)一 傳感器的工作原理及其分類
1.傳感器的核心元件：
（1）敏感元件：相當(dāng)于人的感覺(jué)器官，直接感受或外界影響被測(cè)量，并將其變換成與被測(cè)量成一定關(guān)系的易于測(cè)量的物理量，如溫度、位移等。
（2）轉(zhuǎn)換元件：也稱為傳感元件，通常不直接感受被測(cè)量，而是將敏感元件輸出的信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出。
（3）轉(zhuǎn)換電路：是將轉(zhuǎn)換元件輸出的電信號(hào)轉(zhuǎn)換成易于測(cè)量的電信號(hào)，如電壓、電流等。
2.傳感器的工作原理：
傳感器感受的通常是非電學(xué)量，如壓力、溫度、位移、濃度、速度、酸堿度等，而它輸出的通常是電學(xué)量，如電壓、電流、電荷量等，這些輸出信號(hào)是非常微弱的，通常要經(jīng)過(guò)放大后再輸送給控制系統(tǒng)產(chǎn)生各種控制動(dòng)作。傳感器的工作原理如圖所示：
3.分類：
聲控?zé)粲幸环N有趣的現(xiàn)象，那就是光線充足時(shí)，任你發(fā)出多大的聲音都不亮；但在黑夜，輕輕一聲它就發(fā)出亮光，這是為什么呢？
提示：聲控?zé)羧麘?yīng)該為——聲光控?zé)?，聲控?zé)糁杏泄饪仉娐?，使其在光線充足的時(shí)候不工作，所以聲控?zé)舻目刂坪袑?shí)際上是聲、光同時(shí)控制的，在光線充足的情況下燈不會(huì)亮，起到日熄夜亮的控制作用，以節(jié)約用電。
【典例】（多選）（2021·濟(jì)南高二檢測(cè)）下列對(duì)傳感器的工作原理認(rèn)識(shí)正確的是（ ）
A．傳感器的結(jié)構(gòu)是由敏感元件和處理電路組成
B．敏感元件的功能是把電學(xué)量轉(zhuǎn)換成非電學(xué)量便于處理電路進(jìn)行處理
C．半導(dǎo)體元件光敏電阻阻值隨光照增強(qiáng)而增大，半導(dǎo)體元件熱敏電阻阻值隨溫度升高而減小
D．干簧管屬于磁敏元件，是由磁場(chǎng)控制的自動(dòng)開(kāi)關(guān)
【解析】選A、D。傳感器是能感受規(guī)定的被測(cè)量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用信號(hào)的器件或裝置，一般由敏感元件和處理電路組成，選項(xiàng)A正確；敏感元件的功能是把非電學(xué)量轉(zhuǎn)換成電學(xué)量便于處理電路進(jìn)行處理，選項(xiàng)B錯(cuò)誤；半導(dǎo)體元件光敏電阻阻值隨光照增強(qiáng)而減小，正溫度系數(shù)半導(dǎo)體元件熱敏電阻阻值隨溫度升高而增大，選項(xiàng)C錯(cuò)誤；干簧管屬于磁敏元件，是由磁場(chǎng)控制的自動(dòng)開(kāi)關(guān)，選項(xiàng)D正確。
傳感器問(wèn)題的分析思路
不同類型的傳感器，其工作原理一般不同，但所有的傳感器都是把非電學(xué)量的變化轉(zhuǎn)換為電學(xué)量的變化。因此我們可以根據(jù)電學(xué)量的變化來(lái)推測(cè)相關(guān)量的變化。
1.如圖所示的電容式話筒就是一種電容式傳感器，其原理是：導(dǎo)電性振動(dòng)膜片與固定電極構(gòu)成了一個(gè)電容器，當(dāng)振動(dòng)膜片在聲壓的作用下振動(dòng)時(shí)，兩個(gè)電極之間的電容發(fā)生變化，電路中電流隨之變化，這樣聲信號(hào)就變成了電信號(hào)，則當(dāng)振動(dòng)膜片向左振動(dòng)時(shí)（ ）
A.電容器的電容增大
B．電容器帶電荷量減少
C．R兩端的輸出信號(hào)電壓相對(duì)于平衡位置穩(wěn)定時(shí)不變
D．電阻R中的電流方向自右向左
【解析】選B。振動(dòng)膜片向左振動(dòng)時(shí)電容器兩極板間的距離變大，由C＝ eq \f(εrS,4πkd) 可知電容器的電容減小，A錯(cuò)誤；由C＝ eq \f(Q,U) 可知，在U不變的情況下，C減小則Q減小，電容器處于放電狀態(tài)，R中電流方向自左向右，B正確，D錯(cuò)誤；因穩(wěn)定時(shí)無(wú)電流，R兩端輸出信號(hào)電壓為零，有電流通過(guò)電壓變大，C錯(cuò)誤。
2.（多選）人體含水量約為70%，水中有鈉離子、鉀離子等離子存在，因此容易導(dǎo)電，脂肪則不容易導(dǎo)電。當(dāng)人兩手握住脂肪測(cè)量?jī)x的兩把手時(shí)，就可知道人體脂肪所占的比例，下列說(shuō)法中正確的是（ ）
A.脂肪測(cè)量?jī)x的工作原理是通過(guò)人體電阻不同來(lái)判斷人體脂肪所占的比例
B．脂肪測(cè)量?jī)x的工作原理是通過(guò)人體體重不同來(lái)判斷人體脂肪所占的比例
C．激烈運(yùn)動(dòng)之后，脂肪測(cè)量?jī)x顯示人體脂肪所占比例的測(cè)量數(shù)據(jù)會(huì)不準(zhǔn)確
D．人在沐浴之后，脂肪測(cè)量?jī)x顯示人體脂肪所占比例的測(cè)量數(shù)據(jù)會(huì)不準(zhǔn)確
【解析】選A、C、D。利用脂肪幾乎不含水分，其導(dǎo)電性和人體內(nèi)其他成分不同，可以用測(cè)量人體電阻的辦法來(lái)計(jì)算人體脂肪率，B錯(cuò)誤，A正確；人在激烈運(yùn)動(dòng)和沐浴之后，人體內(nèi)含水量發(fā)生變化，人體脂肪所占比例發(fā)生變化，即人體的電阻大小變化，所以測(cè)量數(shù)據(jù)會(huì)不準(zhǔn)確，C、D正確。
【加固訓(xùn)練】
全面了解汽車的運(yùn)行狀態(tài)（速度、水箱溫度、油量）是確保汽車安全行駛和駕駛員安全的舉措之一，為模仿汽車油表原理，某同學(xué)自制了一種測(cè)定油箱油量多少或變化多少的裝置。如圖所示，其中電源電壓保持不變，R是滑動(dòng)變阻器（R?R′），它的金屬滑片是金屬桿的一端。該同學(xué)在裝置中使用了一只電壓表（圖中沒(méi)有畫(huà)出），通過(guò)觀察電壓表示數(shù)，可以了解油量情況，你認(rèn)為電壓表應(yīng)該接在圖中的____________兩點(diǎn)之間，按照你的接法請(qǐng)回答：當(dāng)油箱中油量減少時(shí)，電壓表的示數(shù)將__________（選填“增大”或“減小”）。
【解析】由題圖可知，當(dāng)油箱內(nèi)液面高度變化時(shí)，R的金屬滑片將會(huì)移動(dòng)，從而引起R兩端電壓的變化，且當(dāng)R′?R時(shí)，UR＝IR可視為UR與R成正比，所以電壓表應(yīng)接在b、c兩點(diǎn)之間；當(dāng)油量減少時(shí)，電壓表示數(shù)將增大。
答案：b、c 增大
知識(shí)點(diǎn)二 傳感器的應(yīng)用
1.傳感器性能的比較：
2.光敏電阻的導(dǎo)電特性：光敏電阻一般由半導(dǎo)體材料做成，當(dāng)半導(dǎo)體材料受到光照時(shí)，會(huì)有更多的電子獲得能量成為自由電子，同時(shí)也形成更多的空穴，于是導(dǎo)電性能明顯增強(qiáng)。
3.熱敏電阻和金屬熱電阻的特點(diǎn)：
（1）熱敏電阻：用半導(dǎo)體材料制成，電阻值隨溫度變化發(fā)生明顯變化的電阻。如圖線①所示為某熱敏電阻的電阻—溫度特性曲線。
（2）金屬熱電阻：有些金屬的電阻率隨溫度的升高而增大，如圖線②所示，這樣的電阻也可以制作溫度傳感器。
熱敏電阻或金屬熱電阻都能夠把溫度這個(gè)熱學(xué)量轉(zhuǎn)換為電阻這個(gè)電學(xué)量，但相比而言，金屬熱電阻的化學(xué)穩(wěn)定性好，測(cè)溫范圍大，而熱敏電阻的靈敏度較好。
4.電容式傳感器：電容器的電容取決于極板間的正對(duì)面積S、極板間距d、極板間的電介質(zhì)這幾個(gè)因素。如果某個(gè)物理量（如角度θ、位移x、深度H等）的變化引起上述某個(gè)因素的變化，從而引起電容的變化，通過(guò)電容的變化就可以確定上述物理量的變化，這種電容器稱為電容式傳感器。
5.常見(jiàn)電容式傳感器：
將一只光敏電阻接到多用電表的兩端，電表置于倍率為100的歐姆擋。在室內(nèi)自然光的照射下，電阻值約有多大？用手掌遮光時(shí)電阻值又是多少？用陽(yáng)光直接照射呢？
提示：同一只光敏電阻，用多用電表測(cè)量其阻值，用手掌遮光時(shí)，電阻值較大，在室內(nèi)自然光的照射下電阻值變小，改用陽(yáng)光直接照射時(shí)，電阻值變得更小。
【典例】如圖所示，R1為定值電阻，R2為負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻（負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻是指阻值隨溫度的升高而減小的熱敏電阻），L為小燈泡，當(dāng)溫度降低時(shí)（電流表內(nèi)阻不計(jì)，電源內(nèi)阻r不可忽略）（ ）
A．R1兩端的電壓增大B．電流表的示數(shù)增大
C．小燈泡的亮度變強(qiáng) D．小燈泡的亮度變?nèi)?br>【解析】選C。R2與燈泡L并聯(lián)后再與R1串聯(lián)，與電源構(gòu)成閉合電路，當(dāng)溫度降低時(shí)，熱敏電阻R2電阻值增大，外電路電阻增大，電流表讀數(shù)減小，燈泡L兩端的電壓增大，燈泡的亮度變強(qiáng)，R1兩端的電壓減小，故只有C正確。
傳感器問(wèn)題中的電路動(dòng)態(tài)分析的四點(diǎn)注意
（1）如果涉及光敏電阻，必須明確光照情況怎樣變化，從而判斷出其阻值的變化。
（2）如果涉及熱敏電阻，必須明確是正溫度系數(shù)還是負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻及溫度變化情況，從而判斷其阻值的變化。
（3）如果是其他元件引起的電路變化，可具體問(wèn)題具體分析。
（4）結(jié)合電路結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及局部阻值的變化，根據(jù)閉合電路的歐姆定律等規(guī)律分析有關(guān)物理量的變化。
1.（多選）（2021·大連高二檢測(cè)）陶瓷傳感器可以用于分析氣體中酒精蒸氣的含量，常用于檢查駕駛?cè)藛T是否飲酒。如果司機(jī)飲酒，血液中的酒精成分會(huì)擴(kuò)散到呼出的氣體中，呼出的氣體噴向傳感器，傳感器的電阻將隨酒精蒸氣濃度發(fā)生相應(yīng)的變化，從而可以檢測(cè)血液中的酒精含量。某種陶瓷氣敏傳感器的電導(dǎo)（即電阻的倒數(shù)）與氣體中酒精蒸氣濃度C的關(guān)系如圖甲所示?，F(xiàn)用其組成如圖乙所示的檢測(cè)電路（電源內(nèi)阻為r，電流表內(nèi)阻不計(jì)）。對(duì)此，以下說(shuō)法正確的是（ ）
A.此陶瓷氣敏傳感器的電阻與氣體中酒精蒸氣的濃度成正比
B．氣體中酒精蒸氣的濃度越大，則電流表指針偏轉(zhuǎn)的角度越大
C．氣體中酒精蒸氣的濃度越大，則電池的路端電壓越小，電阻R0兩端的電壓也越小
D．電源用的時(shí)間長(zhǎng)了，內(nèi)阻變大，則會(huì)導(dǎo)致測(cè)得的酒精濃度偏低
【解析】選B、D。由題圖甲可知，該傳感器的電導(dǎo)與酒精蒸氣的濃度成正比，則傳感器的電阻與氣體中酒精蒸氣的濃度成反比，故A錯(cuò)誤；因?yàn)榫凭魵獾臐舛菴越大，傳感器的電阻越小，電路中的電流越大，電流表指針偏轉(zhuǎn)的角度越大，路端電壓越小，R0兩端電壓越大，故B正確，C錯(cuò)誤；若電源用的時(shí)間長(zhǎng)了，內(nèi)阻變大，則所測(cè)酒精濃度相同時(shí)總電阻變大，電流變小，測(cè)量的C變小，故D正確。
2.如圖所示為測(cè)定壓力的電容式傳感器，將平行板電容器、靈敏電流表（零刻度在中間）和電源串聯(lián)成閉合回路，當(dāng)壓力F作用于可動(dòng)膜片電極上時(shí)，膜片發(fā)生形變，引起電容的變化，導(dǎo)致靈敏電流表指針偏轉(zhuǎn)，在對(duì)膜片開(kāi)始施加壓力使膜片電極從圖中的虛線推到圖中實(shí)線位置并保持固定的過(guò)程中，靈敏電流表指針偏轉(zhuǎn)情況為（電流從電流表正接線柱流入時(shí)指針向右偏）（ ）
A．向右偏到某一刻度后回到零刻度
B．向左偏到某一刻度后回到零刻度
C．向右偏到某一刻度后不動(dòng)
D．向左偏到某一刻度后不動(dòng)
【解析】選A。壓力F作用時(shí)，極板間距d變小，由C＝ eq \f(εrS,4πkd) ，電容器電容C變大，又根據(jù)Q＝CU，極板帶電荷量變大，所以電容器應(yīng)充電，靈敏電流計(jì)中產(chǎn)生由正接線柱流入的電流，所以指針將右偏。F不變時(shí)，極板保持固定，充電結(jié)束，指針回到零刻度。故選A。
【加固訓(xùn)練】
如圖所示的電路中，電源兩端的電壓恒定，L為小燈泡，R為光敏電阻，LED為發(fā)光二極管（電流越大，發(fā)出的光越強(qiáng)），且R與LED的距離不變，下列說(shuō)法正確的是（ ）
A.當(dāng)滑片P向左移動(dòng)時(shí)，燈泡消耗的功率增大
B．當(dāng)滑片P向左移動(dòng)時(shí)，燈泡消耗的功率減小
C．當(dāng)滑片P向右移動(dòng)時(shí)，燈泡消耗的功率可能不變
D．無(wú)論怎樣移動(dòng)滑片P，燈泡消耗的功率都不變
【解析】選A。當(dāng)滑片P向左移動(dòng)時(shí)，滑動(dòng)變阻器接入電路的電阻減小，流過(guò)發(fā)光二極管的電流增大，發(fā)光二極管發(fā)出的光增強(qiáng)，光敏電阻的阻值減小，流過(guò)燈泡的電流增大，燈泡消耗的功率增大，選項(xiàng)A正確，B錯(cuò)誤；當(dāng)滑片P向右移動(dòng)時(shí)，發(fā)光二極管所在支路的電阻增大，電流減小，發(fā)光二極管發(fā)出的光減弱，光敏電阻的阻值增大，流過(guò)燈泡的電流減小，燈泡消耗的功率減小，選項(xiàng)C、D錯(cuò)誤。
【拓展例題】考查內(nèi)容：霍爾元件的應(yīng)用
【典例】有一種半導(dǎo)體材料稱為“霍爾材料”，用它制成的元件稱為“霍爾元件”，這種材料有可定向移動(dòng)的電荷，稱為“載流子”，每個(gè)載流子的電荷量大小為1個(gè)元電荷量，即q＝1.6×10－19 C，霍爾元件在自動(dòng)檢測(cè)、控制領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，如錄像機(jī)中用來(lái)測(cè)量錄像磁鼓的轉(zhuǎn)速、電梯中用來(lái)檢測(cè)電梯門(mén)是否關(guān)閉以及自動(dòng)控制升降電動(dòng)機(jī)的電源的通斷等。在一次實(shí)驗(yàn)中，一塊霍爾材料制成的薄片寬AB＝1.0×10－2 m、長(zhǎng)BC＝4.0×10－2 m、厚h＝1×10－3 m，水平放置在豎直方向上的磁感應(yīng)強(qiáng)度B＝1.5 T的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，BC方向通有I＝3.0 A的電流，如圖所示，沿寬度產(chǎn)生1.0×10－5 V的橫向電壓。
（1）假定載流子是電子，A、B兩端中哪端電勢(shì)較高？
（2）薄板中形成電流I的載流子定向運(yùn)動(dòng)的速率多大？
【解析】（1）根據(jù)左手定則可確定A端電勢(shì)高。
（2）當(dāng)霍爾元件內(nèi)由于載流子沿電流方向所在的直線定向運(yùn)動(dòng)時(shí)，受洛倫茲力作用而產(chǎn)生橫向分運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生橫向電場(chǎng)，橫向電場(chǎng)的電場(chǎng)力與洛倫茲力平衡時(shí)，霍爾元件橫向電壓穩(wěn)定。設(shè)載流子沿電流方向所在直線定向移動(dòng)的速率為v，橫向電壓為UAB，橫向電場(chǎng)強(qiáng)度為E，電場(chǎng)力為Fe＝E·e＝ eq \f(UAB,AB) ·e，洛倫茲力FB＝evB，平衡時(shí) eq \f(UAB,AB) ·e＝evB得v＝ eq \f(UAB,AB·B) ≈6.7×10－4 m/s。
答案：（1）A端 （2）6.7×10－4 m/s
情境·模型·素養(yǎng)
有一種測(cè)量壓力的電子秤，其原理如圖所示。E是內(nèi)阻不計(jì)、電動(dòng)勢(shì)為6 V的電源。R0是一個(gè)阻值為300 Ω的限流電阻。G是由理想電流表改裝成的指針式測(cè)力顯示器。R是一個(gè)壓敏電阻，其阻值可隨壓力大小的變化而改變，兩者關(guān)系如表所示。C是一個(gè)用來(lái)保護(hù)顯示器的電容器。秤臺(tái)的重力忽略不計(jì)。
探究：
（1）利用表中的數(shù)據(jù)，寫(xiě)出電阻R隨壓力F變化的數(shù)學(xué)關(guān)系式；
（2）若電容器的耐壓值為5 V，該電子秤的最大稱量值為多少？
（3）如果把電流表中電流的刻度變換成壓力刻度，則該測(cè)力顯示器的刻度是否均勻？
【解析】（1）由表中數(shù)據(jù)可知
k＝ eq \f(ΔR,ΔF) ＝－ eq \f(120 Ω,300 N) ＝－0.4 Ω/N
所以電阻R隨壓力F變化的數(shù)學(xué)關(guān)系式為
R＝300－0.4F （Ω）
（2）R上受到的壓力越大，R的阻值越小，電容器兩極板間電壓越大，由題意知，電容器兩極板間電壓不能超過(guò)5 V，所以 eq \f(5 V,R0) ＝ eq \f(6 V,R＋R0) ，解得R＝60 Ω，又因?yàn)镽＝300－0.4F （Ω）得
F＝600 N。
（3）電流表中的電流
I＝ eq \f(E,R0＋R) ＝ eq \f(E,600－0.4F) （A）
電流I與壓力F之間不是線性關(guān)系，該測(cè)力顯示器的刻度不均勻。
答案：（1）R＝300－0.4F （Ω） （2）600 N （3）不均勻
在開(kāi)展研究性學(xué)習(xí)的過(guò)程中，某同學(xué)設(shè)計(jì)了一個(gè)利用線圈測(cè)量轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)速的裝置，如圖所示，在輪子的邊緣貼上一個(gè)小磁體，將小線圈靠近輪邊放置，接上數(shù)據(jù)采集器和電腦（即DIS實(shí)驗(yàn)器材）。如果小線圈的面積為S，匝數(shù)為N，小磁體附近的磁感應(yīng)強(qiáng)度的最大值為B，小線圈所在回路的總電阻為R，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，輪子轉(zhuǎn)過(guò)θ角，小線圈的磁通量由最大值變?yōu)榱?。因此，他認(rèn)為只要測(cè)得此過(guò)程感應(yīng)電流的平均值I，就可以測(cè)出轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)速的大小。
探究：
請(qǐng)你運(yùn)用所學(xué)的知識(shí)，通過(guò)計(jì)算對(duì)該同學(xué)的結(jié)論進(jìn)行評(píng)價(jià)。
【解析】該同學(xué)的結(jié)論正確。
設(shè)轉(zhuǎn)輪的角速度和轉(zhuǎn)速分別為ω、n，輪子轉(zhuǎn)過(guò)θ角所需時(shí)間為Δt，通過(guò)線圈的磁通量的變化量為ΔΦ，線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的平均值為E。根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律有E＝N eq \f(ΔΦ,Δt) ＝N eq \f(BS,Δt) ，由閉合電路歐姆定律得感應(yīng)電流的平均值I＝ eq \f(E,R) ，又Δt＝ eq \f(θ,ω) ，n＝ eq \f(ω,2π) ，聯(lián)立以上各式可得n＝ eq \f(IRθ,2πNBS) ，由此可見(jiàn)，該同學(xué)的結(jié)論是正確的。
答案：見(jiàn)解析
課堂檢測(cè)·素養(yǎng)達(dá)標(biāo)
1.（多選）如圖所示是電飯鍋的結(jié)構(gòu)圖，如果感溫磁體的“居里溫度”為103 ℃，下列說(shuō)法中正確的是（ ）
A．常溫下感溫磁體具有較強(qiáng)的磁性
B．當(dāng)溫度超過(guò)103 ℃ 時(shí)，感溫磁體的磁性較強(qiáng)
C．飯熟后，水分被大米吸收，鍋底的溫度會(huì)超過(guò)103 ℃，這時(shí)開(kāi)關(guān)按鈕會(huì)自動(dòng)跳起
D．常壓下只要鍋內(nèi)有水，鍋內(nèi)的溫度就不可能達(dá)到103 ℃，開(kāi)關(guān)按鈕就不會(huì)自動(dòng)跳起
【解析】選A、C、D。常溫下感溫磁體的磁性較強(qiáng)，當(dāng)按下開(kāi)關(guān)按鈕，永磁體與感溫磁體相互吸引而接通電路，而感溫磁體的“居里溫度”是103 ℃，常壓下只要鍋內(nèi)有水，鍋內(nèi)溫度就不可能達(dá)到103 ℃，開(kāi)關(guān)就不會(huì)自動(dòng)斷開(kāi)；飯熟后，水分被吸收，鍋底溫度就會(huì)達(dá)到103 ℃，感溫磁體磁性消失，在彈簧的作用下開(kāi)關(guān)自動(dòng)跳起。綜上所述A、C、D正確。
2.關(guān)于光敏電阻和熱敏電阻，下列說(shuō)法中正確的是（ ）
A．光敏電阻是用半導(dǎo)體材料制成的，其阻值隨光照增強(qiáng)而減小，隨光照的減弱而增大
B．光敏電阻是能把光照強(qiáng)度這個(gè)光學(xué)量轉(zhuǎn)換為電流這個(gè)電學(xué)量的傳感器
C．熱敏電阻是用金屬鉑制成的，它對(duì)溫度感知很靈敏
D．熱敏電阻是把熱量這個(gè)熱學(xué)量轉(zhuǎn)換為電阻這個(gè)電學(xué)量的傳感器
【解析】選A。光敏電阻是把光強(qiáng)轉(zhuǎn)換為電阻的元件；熱敏電阻是把溫度轉(zhuǎn)換為電阻的元件，故B、D錯(cuò)誤；熱敏電阻和光敏電阻都是半導(dǎo)體材料制成的，半導(dǎo)體具有光敏性和熱敏性，金屬鉑與熱敏電阻的阻值隨溫度的變化趨勢(shì)相反，故C錯(cuò)誤，A正確。
3.傳感器可將非電學(xué)量轉(zhuǎn)化為電學(xué)量起自動(dòng)控制作用，如計(jì)算機(jī)鼠標(biāo)中有位移傳感器，電飯煲中有溫度傳感器，電視機(jī)、錄像機(jī)、影碟機(jī)、空調(diào)機(jī)中有光電傳感器。如圖是演示位移傳感器的工作原理圖，物體M在導(dǎo)軌上平移時(shí)，帶動(dòng)滑動(dòng)變阻器的滑動(dòng)觸頭滑動(dòng)，通過(guò)電壓表顯示的數(shù)據(jù)來(lái)反映物體位移的大小，假設(shè)電壓表是理想的，則下列說(shuō)法正確的是（ ）
A.物體M運(yùn)動(dòng)時(shí)，電源內(nèi)的電流會(huì)發(fā)生變化
B．物體M運(yùn)動(dòng)時(shí)，電壓表的示數(shù)會(huì)發(fā)生變化
C．物體M不動(dòng)時(shí)，電路中沒(méi)有電流
D．物體M不動(dòng)時(shí)，電壓表沒(méi)有示數(shù)
【解析】選B。由于電壓表是理想的，因此物體M帶動(dòng)滑片P移動(dòng)時(shí)，不改變閉合電路的電阻，電源內(nèi)的電流不發(fā)生變化，即電流恒定，A、C錯(cuò)誤；物體M運(yùn)動(dòng)時(shí)，電壓表所測(cè)電壓是變化的，M不動(dòng)時(shí)，電壓表示數(shù)恒定，B正確，D錯(cuò)誤。
【加固訓(xùn)練】
1.（多選）有定值電阻、熱敏電阻、光敏電阻三只元件，將這三只元件分別接入如圖所示電路中的A、B兩點(diǎn)后，用黑紙包住元件或者把元件置入熱水中，觀察歐姆表的示數(shù)，下列說(shuō)法中正確的是（ ）
A．置入熱水中與不置入熱水中相比，歐姆表示數(shù)變化較大的一定是熱敏電阻
B．置入熱水中與不置入熱水中相比，歐姆表示數(shù)不變化的一定是定值電阻
C．用黑紙包住與不用黑紙包住相比，歐姆表示數(shù)變化較大的一定是光敏電阻
D．用黑紙包住與不用黑紙包住相比，歐姆表示數(shù)相同的一定是定值電阻
【解析】選A、C。熱敏電阻的阻值隨溫度的變化而變化，定值電阻和光敏電阻的阻值不隨溫度發(fā)生變化，故A正確，B錯(cuò)誤；光敏電阻的阻值隨光照的變化而變化，而定值電阻和熱敏電阻的阻值不隨光照的變化而變化，故C正確，D錯(cuò)誤。
2.（多選）計(jì)算機(jī)光驅(qū)的主要部分是激光頭，它可以發(fā)射脈沖激光信號(hào)，激光掃描光盤(pán)時(shí)，激光頭利用光敏電阻自動(dòng)計(jì)數(shù)器將反射回來(lái)的脈沖信號(hào)傳輸給信號(hào)處理系統(tǒng)，再通過(guò)計(jì)算機(jī)顯示出相應(yīng)信息。光敏電阻自動(dòng)計(jì)數(shù)器的示意圖如圖所示，其中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
（ ）
A．當(dāng)有光照射R1時(shí)，處理系統(tǒng)獲得低電壓
B．當(dāng)有光照射R1時(shí)，處理系統(tǒng)獲得高電壓
C．信號(hào)處理系統(tǒng)每獲得一次低電壓就計(jì)數(shù)一次
D．信號(hào)處理系統(tǒng)每獲得一次高電壓就計(jì)數(shù)一次
【解析】選B、D。當(dāng)光敏電阻有光照射時(shí)，電阻減小，故當(dāng)有光照射R1時(shí)，R1減小，則電阻R2上的電壓變大，故處理系統(tǒng)獲得高電壓，選項(xiàng)B正確，A錯(cuò)誤；信號(hào)處理系統(tǒng)每獲得一次高電壓就計(jì)數(shù)一次，故C錯(cuò)誤，D正確。熱敏電阻
金屬熱電阻
特點(diǎn)
電阻隨溫度的變化而變化且非常明顯
電阻率隨溫度的升高而增大
制作材料
半導(dǎo)體，如氧化錳
金屬導(dǎo)體，如鉑
優(yōu)點(diǎn)
靈敏度好
化學(xué)穩(wěn)定性好，測(cè)溫范圍大
作用
能夠?qū)囟冗@個(gè)熱學(xué)量轉(zhuǎn)換為電阻這個(gè)電學(xué)量
工作原理
舉例
物理傳感器
利用物質(zhì)的物理性質(zhì)和物理效應(yīng)感知并檢測(cè)出待測(cè)對(duì)象信息
壓電傳感器、溫度傳感器、光電傳感器、電感傳感器、電容傳感器等
化學(xué)傳感器
利用化學(xué)反應(yīng)識(shí)別和檢測(cè)信息
氣敏傳感器、濕敏傳感器等
生物傳感器
利用生物化學(xué)反應(yīng)識(shí)別和檢測(cè)信號(hào)
酶?jìng)鞲衅?、組織傳感器、細(xì)胞傳感器等
熱敏電阻
金屬熱電阻
光敏電阻
電阻應(yīng)變片
特點(diǎn)
正溫度系數(shù)的熱敏電阻，隨溫度升高電阻變大；負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻，隨溫度升高電阻減小
電阻率隨
溫度的升高
而增加
在強(qiáng)光下電阻小，
在暗光下電阻大
受到拉力時(shí)，
電阻變??；
受到壓力時(shí)，
電阻變大
敏感
材料
半導(dǎo)體
金屬
把硫化鎘涂敷
在絕緣板上，
其表面鍍銀
金屬材料
優(yōu)點(diǎn)
靈敏度好
測(cè)溫范圍大
靈敏度好
靈敏度好
原理
溫度影響電阻率
無(wú)光照時(shí)，載
流子極少，導(dǎo)
電性能差；隨著
光照的增強(qiáng)，
載流子增多，
導(dǎo)電性變好
R＝ρ eq \f(S,L)
應(yīng)用
空調(diào)機(jī)
電飯煲
照相機(jī)
電子秤
名稱
傳感器
原理
測(cè)定角度θ的電容式傳感器
當(dāng)動(dòng)片與定片之間的角度θ發(fā)生變化時(shí)，引起極板正對(duì)面積S的變化，使電容C發(fā)生變化，知道C的變化，就可以知道θ的變化情況
測(cè)定液面高度h的電容式傳感器
在導(dǎo)線芯的外面涂上一層絕緣物質(zhì)，放入導(dǎo)電液體中，導(dǎo)線芯和導(dǎo)電液體構(gòu)成電容器的兩個(gè)極，導(dǎo)線芯外面的絕緣物質(zhì)就是電介質(zhì)，液面高度h發(fā)生變化時(shí)，引起正對(duì)面積發(fā)生變化，使電容C發(fā)生變化，知道C的變化，就可以知道h的變化情況
測(cè)定壓力F的電容式傳感器
待測(cè)壓力F作用于可動(dòng)膜片電極上的時(shí)候，膜片發(fā)生形變，使極板間距離d發(fā)生變化，引起電容C的變化，知道C的變化，就可以知道F的變化情況
測(cè)定位移x的電容式傳感器
隨著電介質(zhì)進(jìn)入極板間的長(zhǎng)度發(fā)生變化，電容C發(fā)生變化，知道C的變化，就可以知道x的變化情況
壓力F/N
0
50
100
150
200
250
300
…
電阻R/Ω
300
280
260
240
220
200
180
…

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1 認(rèn)識(shí)傳感器

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