备战2019年高考物理 考点一遍过 考点55 传感器（含解析）

传感器一、传感器1定义：传感器是能把力、温度、光、声、化学成分等物理量，按照一定的规律转换为便于传送和处理的另一个物理量（通常是电压、电流等电学量），或转换为电路的通断的元件。2工作原理：非电学量敏感元件转换器件转换电路电学量二、常见传感器元件名称输入物理量输出物理量变化规律干簧管磁场电路通断 有磁场电路接通，无磁场电路断开金属热电阻温度电阻温度越高，电阻率越大热敏电阻温度电阻温度越高，电阻率越小光敏电阻光强电阻光照越强，电阻率越小电容式位移传感器位移电容，改变r、S、d 霍尔元件磁感应强度电压应变片形变电压拉伸电阻变大，压缩电阻变小双金属片温度电路通断热膨胀系数不同，升高相同温度，膨胀程度不同感温铁氧体温度电路通断常温具有铁磁性，温度高于居里温度失去铁磁性（2018江苏省如东高级中学高二上学期阶段测试）某温控电路的原理如图所示，是半导体热敏电阻，R是滑动变阻器，某种仪器要求在的环境中工作，当环境温度偏高或偏低时，控制器会自动启动降温或升温设备，下列说法中正确的是A环境温度降低，的阻值减小B环境温度升高，变大C滑片P向下移动时，变大D调节滑片P的位置能改变降温和升温设备启动时的临界温度【参考答案】D【详细解析】A、RM是半导体热敏电阻，环境温度降低时，RM的阻值增大，故A错误；B、环境温度升高时，RM的阻值减小，根据串联电路中电压与电阻成正比，可以知道Uab变小，故B错误；C、滑片P向下移动时，R增大，总电流减小，则Uab变小，故C错误；D、调节滑片P时，可改变Uab，从而改变升温和降温设备启动时的临界温度，所以D选项是正确的。综上所述本题答案是D。【名师点睛】电阻类传感器主要分为金属热电阻和半导体材料电阻两类，前者的电阻率随温度升高而增大，后者的电阻率随温度升高或光照增强而减小。含电阻类传感器的电路问题本质上一般是动态电路问题，解题时要注意外部环境条件和传感器元件电阻的变化趋势。1如图所示，Rt为金属热电阻，R1为光敏电阻，R2、R3均为定值电阻，电源电动势为E、内阻为r，V为理想电压表。现发现电压表示数增大，可能的原因是A金属热电阻温度升高，其他条件不变B光照增强，其他条件不变C金属热电阻温度升高，光照增强，其他条件不变D金属热电阻温度降低，光照减弱，其他条件不变【答案】D【解析】金属热电阻温度升高，电阻增大，总电流减小，路端电压增大，通过光敏电阻的电流增大，通过R3的电流减小，R3两端的电压减小，A错误。光照增强，R1电阻减小，总电阻减小，路端电压减小，通过R3的电流减小，电压表示数减小，B错误。金属热电阻温度升高，电阻增大，光照增强，R1电阻减小；如果总电阻减小，则路端电压减小，通过R3的电流减小，电压表示数减小；如果总电阻增大，则总电流减小，路端电压增大，通过R1的电流增大，通过R3的电流减小，电压表示数减小，C错误。金属热电阻温度降低，电阻减小，光照减弱，R1电阻增大；如果总电阻减小，则总电流增大，路端电压减小，通过R1的电流减小，通过R3的电流增大，电压表示数增大；如果总电阻增大，则路端电压增大，通过R3的电流增大，电压表示数增大，D正确。2（2018福建省三明市高二下学期期末考试）如图所示，图甲为热敏电阻的Rt图象，图乙为用此热敏电阻和继电器组成的一个简单恒温箱温控电路，继电器的电阻为100 。当线圈的电流大于或等于20 mA时，继电器的衔铁被吸合。为继电器线圈供电的电池的电动势E=9.0 V，内阻不计。图中的“电源”是恒温箱加热器的电源。（1）应该把恒温箱内的加热器接在_（填“A、B端”或“C、D端”）；（2）若恒温箱系统要保持温度为50 ，则需把滑动变阻器调节到_；为了实现调节滑动变阻器到此阻值进行了下列步骤：电路接通前，滑动变阻器调节最大，需将电阻箱调到一固定的阻值，根据实验要求，这一阻值应为_；将单刀双掷开关向_（填“c”或“d”）端闭合，缓慢移动滑动变阻器的滑片，直至继电器的衔铁被吸合。保持滑动变阻器的位置不变，将单刀双掷向另一端闭合，恒温箱系统即可正常使用。【答案】（1）A、B端 （2）260 90 c【解析】（1）由图知，热敏电阻R的阻值随温度的升高而减小，由闭合电路欧姆定律得，干路电流增大，当大到继电器的衔铁被吸合时的电流，恒温箱内的加热器，停止加热，故恒温箱内的加热器接在A、B端；（2）当恒温箱内的温度保持50 ，应调节可变电阻R的阻值使电流达到20 mA，由闭合电路欧姆定律得，即，即可变电阻R的阻值应调节为260 ；电路接通前，滑动变阻器调节最大，需将电阻箱调到一固定的阻值，根据实验要求，电阻箱的阻值应等于热敏电阻的电阻，应为90 ，将单刀双掷开关向c端闭合，缓慢移动滑动变阻器的滑片，直至继电器的衔铁被吸合。霍尔式位移传感器的测量原理如图所示，有一个沿z轴方向的磁场，磁感应强度B=B0+kz（B0、k均为大于零的常数）。将传感器固定在物体上，保持通过霍尔元件的电流I不变（方向向右）。当物体沿z轴方向运动时，由于位置不同，霍尔元件在y轴方向的上、下表面产生的电势差U也不同。则A若该霍尔元件是电子导电，则上板电势比下板电势高B传感器灵敏度与通过的电流有关C传感器灵敏度与上、下表面的距离有关D当物体沿z轴正方向移动时，上、下表面的电势差U变小【参考答案】AB【详细解析】由左手定则，霍尔元件中的电子受洛伦兹力向下运动，下板电势低、上板电势高，A正确；霍尔元件内部形成电场，最终电子在电场力和洛伦兹力作用下平衡，设霍尔元件沿x、y、z轴的长宽分别为a、b、c，有，电流I=nevbc，可得，沿z轴正方向移动时，上、下表面的电势差U变大，D错误；将对z求导有，与通过的电流I有关，与上、下表面的距离b无关，B正确，C错误。【知识拓展】由霍尔电压，结合本题中，可知霍尔系数，其中n为载流子单位体积的数密度，q为载流子的电荷量，即霍尔系数由材料本身决定。1霍尔效应是导电材料中的电流与磁场相互作用而产生电势差的效应，人们利用霍尔效应制成测量磁场的磁传感器。这类磁传感器测出的是磁感应强度沿轴线方向的分量。如图甲所示，某同学将磁传感器调零后探究条形磁铁附近的磁场，计算机显示磁感应强度为正，他接下来用探头同样的取向研究长直螺线管（电流方向如图乙所示）轴向的磁场，以螺线管轴线的中心点为坐标原点，沿轴线向右为x轴正方向，建立坐标系。下列图象中可能正确的是【答案】A【解析】由电流方向可知，螺线管的左端为N极，右端为S极，螺线管轴线上磁场向左，因为探头取向不变，故磁感应强度为正，BD错误；螺线管内部轴线上磁感应强度大小恒定，螺线管外部轴线上磁感应强度向两侧递减，A正确，C错误。2（2018甘肃张掖市高三第三次诊断考试物理试题）电动自行车是一种应用广泛的交通工具，其速度控制是通过转动右把手实现的，这种转动把手称“霍尔转把”，属于传感器非接触控制。转把内部有永久磁铁和霍尔器件等，截面如图甲。永久磁铁的左右两侧分别为N、S极，开启电源时，在霍尔器件的上下面之间加一定的电压，形成电流，如图乙。随着转把的转动，其内部的永久磁铁也跟着转动，霍尔器件能输出控制车速的霍尔电压，己知电压与车速关系如图丙，以下关于“霍尔转把”叙述正确的是A为提高控制的灵敏度，应该使永久磁铁的上下端分別为N、S极B按图甲顺时针转动电动车的右把手（手柄转套），车速将变快C图乙中从霍尔器件的前后面输出控制车速的霍尔电压D若霍尔器件的上下面之间所加电压正负极性对调，将影响车速控制【答案】B【解析】由于在霍尔器件的上下面之间加一定的电压，形成电流，当永久磁铁的上下端分别为N、S极时，磁场与电子的移动方向平行，则电子不受洛伦兹力作用，那么霍尔器件不能输出控制车速的电势差，故A错误；当按图甲顺时针转动把手，导致霍尔器件周围的磁场增加，那么霍尔器件输出控制车速的电势差增大，因此车速变快，故B正确；根据题意，结合图乙的示意图，那么永久磁铁的N、S极可能在左、右侧面，或在前、后表面，因此从霍尔器件输出控制车速的电势差，不一定在霍尔器件的前后面，也可能在左右侧面，故C错误；当霍尔器件的上下面之间所加电压正负极性对调，从霍尔器件输出控制车速的电势差正负号相反，但由图丙可知，不会影响车速控制，故D错误；故选B。（2018四川省绵阳市高二下学期期末考试物理试题）（1）传感器担负着信息采集的任务，在自动控制中发挥着重要作用，传感器能够将感知到的非电信息（如温度、光，声等）转换成对应的电信息。下列元件可用作感温的敏感元件有_。A干簧管 B热电阻 C热敏电阻 D光敏电阻（2）唱卡拉OK用的话筒内有传感器，其中有一种是动圈式的，它的工作原理是在弹性膜片后面粘接一个很小的金属线圈，线圈处于永磁体的磁场中，当声波使膜片前后振动时，就将声音信号转变为电信号，下列说法正确的是_。A该传感器是根据电流的磁效应工作的B该传感器是根据电磁感应原理工作的C膜片振动时，穿过金属线圈的磁通量不变D膜片振动时，金属线圈会产生感应电动势【参考答案】（1）BC （2）BD【详细解析】（1）A干簧管是磁敏感元件，可将磁信号转换为电信号，故A错误；B热电阻是中低温区最常用的温度检测器，可将热信号转换为电信号，故B正确；C热敏电阻是热敏感元件，可将热信号转换为电信号，故C正确；D光敏电阻是光敏感元件，可将光信号转换为电信号，故D错误。故选BC；（2）AB当声波使膜片前后振动时，线圈切割磁感线产生感应电流，将声音信号变化为电信号，是根据电磁感应原理工作的。故A错误，B正确；C膜片随着声波而周期性振动，穿过金属线圈的磁通量是周期性变化的。故C错误；D膜片振动时，金属线圈切割磁感线，会产生感应电动势。故D正确。故选BD。1（2011江苏卷）美国科学家WillardSBoyle与GeorgeESnith因电荷耦合器件（CCD）的重要发明获得2009年度诺贝尔物理 挂机实验。超导限流器由超导部件和限流电阻并联组成，如图所示。超导部件有一个超导临界电流IC，当通过限流器的电流IIC时，将造成超导体失超，从超导态（电阻为零）转变为正常态（纯电阻），来限制电力系统故障电流。已知超导部件的正常态电阻为R1=3 ，超导临界电流IC=1.2 A，限流电阻R2=6 ，小灯泡L标有“6 V 6 W”，电源电动势E=8 V，内阻r=2 ，原来电路正常工作，现L突然短路，则A短路前通过R1的电流为AB超导部件将由超导态转为正常态C短路后通过R1的电流为A D短路后通过R1的电流为2 A12氧化锡传感器主要用于汽车尾气中一氧化碳浓度的检测，它的电阻随一氧化碳浓度的变化而变化。在如图甲所示的电路中，不同的一氧化碳浓度对应着传感器的不同电阻，这样，电压表的指针位置就与一氧化碳浓度有了对应关系，观察电压表指针就能判断一氧化碳浓度是否超标。有一种氧化锡传感器，其技术资料中给出的是电导（即电阻的倒数）和CO浓度的关系曲线，如图乙所示。在下列表示一氧化碳浓度c与电压表示数U0之间关系的图象中正确的是13工业生产中需要物料配比的地方常用“吊斗式”电子秤，图甲所示的是“吊斗式”电子秤的结构图，其中实现称质量的关键元件是拉力传感器。拉力传感器的内部电路如图所示，R1、R2、R3是定值电阻，R1=20 k，R2=10 k，R0是对拉力敏感的应变片电阻，其电阻值随拉力变化的图象如图乙所示，已知料斗重1103 N，没装料时Uba=0，重力加速度g取10 m/s2。下列说法中正确的是AR3阻值为40 kB装料时，R0的阻值逐渐变大，Uba逐渐变小C拉力越大应变片电阻阻值越大，Uba传感器的示数也越大D应变片作用是把物体形变这个力学量转换为电压这个电学量14（2016上海卷）若电压传感器的红、黑探针分别接触图中d、f两点（f、d连线与A、B连线垂直）时，示数小于零。为使示数为零，应保持红色探针与d点接触，而将黑色探针_（选填“向左”或“向右”）移动。15（2018黑龙江省哈尔滨市第三中学高三第二次模拟考试理科综合）（1）某同学用如图甲所示的电路测量一个电容器的电容，图中R为20 k的电阻，电源电动势为6.0 V，内阻可不计。实验时先将开关S接1，经过一段时间后，当电流表示数为_A时表示电容器极板间电压最大。将开关S接2，将传感器连接在计算机上，经处理后画出电容器放电的it图象，如图乙所示。由图象可知，图象与两坐标轴所围的面积表示电容器放出的电荷量。试根据it图象，求该电容器所放出的电荷量q=_C；该电容器的电容c=_F。（计算结果保留两位有效数字）。 （2）如图甲是某金属材料制成的电阻阻值R随摄氏温度t变化的图象，图中R0表示0 时的电阻，k表示图线的斜率。若用该电阻与电池（电动势E、内阻r）、电流表A（内阻Rg）、滑动变阻器R1串联起来，连接成如图乙所示的电路，用该电阻做测温探头，把电流表的电流刻度改为相应的温度刻度，就得到了一个简单的“金属电阻温度计”。使用“金属电阻温度计”前，先要把电流表（“0”刻线在刻度盘左侧）的刻度值改为相应的温度刻度值，若温度t1t2，则t1的刻度应在t2的_侧（填“左”或“右”）；在标识“金属电阻温度计”的温度刻度时，需要弄清所测温度和电流的对应关系。请利用E、R0、Rg、R1（滑动变阻器的有效阻值）、r、k等物理量表示所测温度t与电流I的关系式t=_。16（2018河北省武邑中学高三下学期第六次模拟考试）图甲所示是大型机械厂里用来称重的电子吊秤，其中实现称重的关键元件是拉力传感器。其工作原理是：挂钩上挂上重物，传感器中拉力敏感电阻丝在拉力作用下发生形变，其长度和横截面积都发生变化，拉力敏感电阻丝的电阻也随着发生变化，再经相应的测量电路把这一电阻变化转换为电信号（电压或电流），从而完成将所称物体重量变换为电信号的过程。（1）简述拉力敏感电阻丝的阻值随拉力增大而增大的原因_。（2）小明找到一根拉力敏感电阻丝RL，其阻值随拉力变化的图象如图乙所示，再按图丙所示电路制作了一个简易“吊秤”。电路中电源电动势E约15 V，内阻约：灵敏毫安表量程为，内阻约；R是电阻箱，最大阻值是；RL接在A、B两接线柱之间，通过光滑绝缘滑环可将重物吊起，接通电路完成下列操作。a滑环下不吊重物时，调节电阻箱，当电流表为某一合适示数I时，读出电阻箱的读数R1；b滑环下吊上待测重物，测出电阻丝与竖直方向的夹角为；c，调节电阻箱，使电流表的示数仍为I，读出此时电阻箱的读数R2，则拉力敏感电阻丝电阻增加量为_。（3）设图象斜率为k，则待测重物的重力G的表达式为_（用以上测得的物理量表示），若测得（，），R1、R2分别为1 052和1 030 ，则待测重物的重力_N（结果保留三位有效数字）。17（2018宁夏银川市第二中学高三下学期二模理综）在实际应用中有多种自动控温装置，以下是其中两种控温装置：（1）图（a）为某自动恒温箱原理图，箱内的电阻R1=2 k，R2=1.5 k，R3=4 k，Rt为热敏电阻，其电阻随温度变化的图象如图（b）所示。当a、b两点电势aIC，超导部件由超导态转为正常态，B正确；此时电路总电阻R=+r=4 ，电流I=2 A，通过R1的电流，C正确，D错误。12D【解析】由图乙可知，氧化锡传感器的电导，氧化锡传感器的电阻，随着c变大，R1变小，电流变大，U0变大，但c与U0不成正比关系，正相关，选D。15（1）0 8.79.71010 1.51.6104 （2）右 【解析】（1）电容器串联在电路中，当电容器充电完毕后，电路断路，故电路中电流为零时表示电容器极板间电压最大；图线与两坐标轴所围成的面积就是电容器的放电量，数格子，共96格；每一小格表示电量为：；故电量为；则电容；（2）温度，电阻，电流，故的刻度应在的右侧；根据闭合电路欧姆定律，有，根据温控电阻与温度关系，得到，联立得到。16（1）电阻丝长度增加而横截面积减小，根据电阻定律可知其阻值增大 （2） （3） 132【解析】（1）根据电阻定律有：，当拉力敏感电阻丝随拉力被拉长时，由于电阻丝的长度增大，则电阻丝的横截面积减小，所以电阻丝的电阻值将增大；（2）根据实验的电路图可知，电路中没有电压表，不能使用伏安法测量电阻值的变化，但电路中的电阻箱可以控制电流的变化，若电路中的电流值不变，则电路中的总电阻值也不变，所以在步骤（c）中，可以调节电阻箱，使电流表的示数仍为I，低处此时电阻箱的读数R2，则拉力敏感电阻丝电阻增加量为；（3）开始时滑环下不吊重物，则有： 当挂重力为G的重物后，取AB的中点处的节点为研究对象，则此处受到三个力的作用，在两个斜向上的拉力大小相等，与竖直方向之间的夹角也相等，则在竖直方向上： 在图乙中，设斜线的斜率为k，截距为b，可得： 联立可得： 由图乙可知： 代入数据得：。17（1）25 （2）6872均可 B由图可知，当温度为70 左右时，发热功率和散热功率相等，即此时物体的温度不再变化；当温度稍高于稳定温度时：加热器电阻增大，产生的焦耳热的功率小于散热的功率，温度将下降；当温度稍低于稳定温度时：加热器电阻减小，产生的焦耳热的功率大于散热的功率，温度将上升。故选B。18（1）由图乙可知，当RT的温度逐渐增加时，RT的阻值逐渐减小 （2）1 000 （3）20 C【解析】（1）由图乙可知，当RT的温度逐渐增加时，RT的阻值逐渐减小。（2）由题意可知：定值电阻由图乙可知，当RT的温度等于120 C时，RT=1.5103 由欧姆定律可知： 解得： （3）定值电阻R两端电压为额定电压时， 由图乙可知，当RT=3.5103 时，热敏电阻RT的温度为20 C。20BCD【解析】铜质弦不能被磁化，A错误；若取走磁铁，金属弦无法被磁化，电吉他将不能正常工作，B正确；根据法拉第电磁感应定律知，增加线圈匝数可以增大线圈中的感应电动势，C正确；弦振动过程中，线圈中的磁通量一会增大一会减小，电流方向不断变化，D正确。21D【解析】开关S断开时，C门的一个输入端始终是0，要让系统能够工作，C门一定是或门，且另一个输入端在白天输入0，在晚上输入1，即在光照强时，输入低电压，分压小，电阻小，在光照弱时，输入高电压，分压大，电阻大，所以B是光敏电阻，选D。 22（1）E2 R2 （2）C （3）不偏转 偏转 （4）【解析】（1）当温度为30 时，热敏电阻阻值为199.5 ，继电器阻值约20 ，当电流为15 mA时，外电压约为U=0.015(199.5+20) V=3.3 V3 V，故电源选E2；当温度为80 时，热敏电阻阻值为49.1 ，此时滑动变阻器接入电路的阻值约为，故滑动变阻器选R2。（2）用多用电表表测量电压，选择开关旋至直流电压挡C处。（3）若只有b、c间断路，表笔接入a、b时，回路断路，电表指针不偏转，接入a、c时有电流通过电表，指针偏转。（4）50 时，热敏电阻阻值为108.1 ，所以应将电阻箱阻值调至108.1 ，调节滑动变阻器，使衔铁吸合，再将电阻箱换成热敏电阻，故顺序为。20