第5章 章末综合提升—2020-2021学年新教材鲁科版（2019）高中物理选择性必修第二册讲义

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[巩固层·知识整合]
[提升层·能力强化]
传感器工作原理、常见敏感元件及其
应用
1.传感器的工作原理
传感器感受的通常是非电学量，如力、热、磁、光、声等，而它输出的通常是电
学量，这些输出信号是非常微弱的，通常要经过放大后，再送给控制系统产生各种控
制动作，传感器原理如框图所示。
2．光敏电阻
光敏电阻是用半导体材料制成的，其特点是在被光照射时电阻会发生变化，光照
增强电阻减小，光照减弱电阻增大，其作用是把光学量转换为电学量。
3．热敏电阻和金属热电阻
金属热电阻的电阻率随温度升高而增大。其特点是化学稳定性好，测温范围大，
但灵敏度较差。
热敏电阻是由半导体材料制成的，其电阻率对温度非常敏感。热敏电阻有正温度
系数(PTC 热敏电阻)、负温度系数(NTC 热敏电阻)两种。正温度系数的热敏电阻的阻
值随温度升高而增大，负温度系数的热敏电阻的阻值随温度升高而减小。金属热电阻
和热敏电阻都能把热学量转换为电学量。
4．电容器
平行板电容器的电容大小与极板正对面积、极板间距及电介质材料有关，电容器
可以感知引起电容变化的任一外界信息并将其转化为相应的电容变化。例如，当极板
受力时会改变极板间距，从而引起电容变化。
5．霍尔元件
霍尔元件能把磁感应强度这一磁学量转换成电压这一电学量，霍尔电压 UH＝k。
【例 1】　如图为某一热敏电阻(电阻值随温度的改变而改变，且对温度很敏感)的
IU 关系曲线图。
(1)为了通过测量得到图所示 IU 关系的完整曲线，在图甲和乙两个电路中应选择的
是图________；简要说明理由：_______。(电源电动势为 9 V，内阻不计，滑动变阻器
的阻值为 0～100 Ω)
(2)在如图所示电路中，电源电压恒为 9 V，电流表读数为 70 mA，定值电阻 R1＝
250 Ω。由热敏电阻的 IU 关系曲线可知，热敏电阻两端的电压为________V；电阻 R2
的阻值为________Ω。
[解析]　(1)应选择图甲，因为图甲电路电压可从 0 V 调到所需电压，电压调节范围
大。
(2)由题图知 R2与热敏电阻串联后与 R1并联接在 9 V 电源上，总电流 I＝70
mA，R1＝250 Ω。设通过热敏电阻的电流为 I2，通过 R1的电流为 I1，则 I＝I1＋I2，故
I2＝I－I1＝ mA＝34 mA。由图像查得 34 mA 对应的电压为 5.0
V，R2两端电压 U2＝9 V－5.0 V＝4.0 V，所以 R2＝ Ω≈117.6 Ω。
[答案]　(1)甲　因为甲电路电压可从 0 V 调到所需电压，电压调节范围大　(2)5.0
117.6
[一语通关]
对传感器的进一步理解
(1)不同的传感器的原理不同，但都是通过敏感元件把非电学量的变化转变为电学
量的变化。
(2)传感器输出的电学量可能为电流、电压、电路通断等，不一定是电压。
(3)敏感元件只是传感器的一个关键部分，并不一定就是一个完整的传感器。
传感器在实际问题中的应用
以传感器为桥梁可以将多方面的物理知识整合在一起，在实际问题中既可以直接
考查传感器知识，也可以考查敏感元件的敏感特性，几种传感器及与其相联系的物理
知识，如表：
传感器种类 敏感元件 与之相联系的物理知识
光电传感器 光敏电阻 直流电路动态分析
温度传感器 热敏电阻 直流电路问题
力传感器 压敏电阻 力、运动与直流电路
电容传感器 电容器 力、运动与含电容电路
【例 2】　青岛奥运会帆船赛场采用风力发电给蓄电池充电，为路灯提供电能。用
光敏电阻作为传感器控制路灯电路的开关，实现自动控制。
光敏电阻的阻值随照射光的强弱而变化，作为简化模型，可以近似认为，照射光
较强(如白天)时电阻几乎为 0；照射光较弱(如夜晚)时电阻接近于无穷大。利用光敏电
阻作为传感器，借助电磁开关，可以实现路灯自动在白天关闭，夜晚打开。电磁开关
的内部结构如图所示。1、2两接线柱之间是励磁线圈，3、4两接线柱分别与弹簧片和
触点连接。当励磁线圈中电流大于等于 50 mA 时，电磁铁吸合铁片，弹簧片和触点分
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