例析高考物理中的新熱點——傳感器
2007-12-31 00:00:00吳擁軍
物理教學探討 2007年10期
近幾年傳感器成為高考的一個新熱點。傳感器是現(xiàn)代檢測和控制裝置的重要組成部分，在現(xiàn)代科學技術領域中的地位越來越重要。從近年高考命題來看，試題越來越貼近物理知識的實際應用。傳感器作用信息采集的重要元件，在自動控制、信息處理等技術中發(fā)揮著重要的作用，而近幾年關于傳感器的高考題也越來越多。傳感器應該成為07年高考復習的一個重點。
傳感器是指能將所感受到的物理量（如力、熱、光、聲等）轉換成便于測量的量（一般是電學量）的一類元件，其工作過程是通過對某一物理量敏感的元件將感受到的信號按一定規(guī)律轉換成便于利用的信號。傳感器可以根據(jù)其利用的元件進行分類（如電容傳感器、電阻傳感器等），也可以按其轉換的信號來分類（如光電、熱電傳感器等），本文收集了一些傳感器方面的高考題及與高中物理知識貼近的常見傳感器的相關習題，并進行分類，供大家參考。
1熱電傳感器
熱電傳感器是指將溫度信號轉換成電信號的一類傳感器，一般有兩類：一類是隨溫度變化引起傳感器中某個組件形狀的變化（如熱脹冷縮）達到轉換信號的目的；還有一類是隨溫度變化引起電阻的變化（如半導體材料中熱敏電阻隨溫度升高電阻減?。┻_到轉換信號的目的。
例1（06上海物理高考第16題）為了測試某種安全閥在外界環(huán)境為一個大氣壓時，所能承受的最大內(nèi)部壓強，某同學自行設計制作了一個簡易的測試裝置。該裝置是一個裝有電加熱器和溫度傳感器的可密閉容器。測試過程可分為如下操作步驟：
a.記錄密閉容器內(nèi)空氣的初始溫度t1;
b.當安全閥開始漏氣時，記錄容器內(nèi)空氣的溫度t2；
c.用電加熱器加熱容器內(nèi)的空氣；
d.將待測安全閥安裝在容器蓋上；
e.蓋緊裝有安全閥的容器蓋，將一定量空氣密閉在容器內(nèi)。
（1）將每一步驟前的字母按正確的操作順序填寫：_____________；
（2）若測得的溫度分別為t1=27℃，t2=87℃，已知大氣壓強為1.0×105pa，則測試結果是：這個安全閥能承受的最大內(nèi)部壓強是。
解析第（1）題考查學生的實驗設計能力，此題必須要能在充分熟悉題意的基礎上才能進行設計。答案為deacb。
第（2）題分析過程：由于氣體體積一定，壓強與溫度成正比，T1=273+27=300K；T2=273+87=360K。由P2:P1=T1:T2，得P2=1.2×105Pa，答案為1.2×105Pa。
例2溫度傳感器廣泛應用于室內(nèi)空調、電冰箱和微波爐等家用電器中，它是利用熱敏電阻隨溫度變化而阻值變化的特性工作的。在圖甲中，電源的電動勢E=9.0V，內(nèi)電阻可忽略不計；G為靈敏電流表，內(nèi)阻Rg保持不變；R為熱敏電阻，其電阻值與溫度變化關系如圖乙的R-t圖線所示。閉合開關S，當R的溫度等于20℃時，電流表示數(shù)I1=2mA，則當電流表的示數(shù)I2=3.6mA時，熱敏電阻R的溫度是多少攝氏度？
解析原來E=I1（Rg+R1）
由圖乙得溫度等于20℃時，R=4000Ω
代入得：9=0.002(Rg+4000)，
所以Rg=500Ω；
后來9=0.0036（Rg+R2）得R2=2000Ω，
由圖乙得R的溫度等于120℃。
2光電傳感器
光電傳感器是指將光信號轉換為電信號的一類傳感器，一般以光敏電阻為主要元件，因為光敏電阻電阻值隨光照加強而減小，將光敏電阻連接到電路中時，光照改變就會引起電路中其它電學量的改變，從而將光信號轉換為電信號。
例3（05上海物理高考第23題）一水平放置的圓盤繞豎直固定軸轉動，在圓盤上沿半徑開有一條寬度為2mm的均勻狹縫。將激光器與傳感器上下對準，使二者間連線與軌軸平行，分別置于圓盤的上下兩側，且可以同步地沿圓盤半徑方向勻速移動，激光器連續(xù)向下發(fā)射激光束。在圓盤轉動過程中，當狹縫經(jīng)過激光器與傳感器之間時，傳感器接收到一個激光信號，并將其輸入計算機，經(jīng)處理后畫出相應圖線。圖（a）為該裝置示意圖，圖（b）為所接收的光信號隨時間變化的圖線，橫坐標表示時間，縱坐標表示接收到的激光信號強度，圖中Δt1=1.0×10-3s，Δt2=0.8×10-3s。
（1）利用圖（b）中的數(shù)據(jù)求1s時圓盤轉動的角速度；
（2）說明激光器和傳感器沿半徑移動的方向；
（3）求圖（b）中第三個激光信號的寬度Δt3。
解析（1）由圖線讀得，轉盤的轉動周期
T=0.8s①
角速度ω=2π/T=7.85rad/s②
（2）激光器和探測器沿半徑由中心向邊緣移動（理由為：由于脈沖寬度在逐漸變窄，表明光信號能通過狹縫的時間逐漸減少，即圓盤上對應探測器所在位置的線速度逐漸增加，因此激光器和探測器沿半徑由中心向邊緣移動）。
（3）設狹縫寬度為d，探測器接收到第i 個脈沖時距轉軸的距離為r1，第i個脈沖的寬度為△ti，激光器和探測器沿半徑的運動速度為v。
Δti=d/2πriT③
r3-r2=r2-r1=vT④
r2-r1=dT/2π(1/Δt2-1/Δt1)⑤
r3-r2=dT/2π（1/Δt3-1/Δt2）⑥
由④⑤⑥式解得：
Δt3=Δt1Δt2/2Δt1-Δt2≈0.67×10-3s
3力電傳感器
力電傳感器是將力信號轉換為電信號的一類傳感器，如下面兩例：
3.1電阻式傳感器
例4如圖a所示是一種測量血壓的壓力傳感器在工作時的示意圖。薄金屬片P固定有4個電阻R1、R2、R3、R4（如圖b所示），左邊是它的側面圖，這四個電阻連接成電路如圖c所示，試回答下列問題：
（1）開始時金屬片中央O點未加任何壓力，欲使電壓表無示數(shù)，則4個電阻應滿足怎樣的關系？
（2）當O點加一個壓力F后發(fā)生形變，這時4個電阻也隨之發(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兩點哪點電壓高？它為什么能測量血壓？
解析（1）本題是電路中A、B兩點間電壓與4個電阻的關系，由于電壓表的電阻可看作無窮大，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)，伏特表電路相當于一根電橋，要使伏特表無讀數(shù)，即A、B兩點電勢相等則有：R1/R2=R3/R4或R1R4=R2R3。
（2）當O點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，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A、B兩點電壓不再相等。
（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，所以A點電壓高于B點電壓。測量血壓時，血壓越高，壓力F越大，金屬片形變越顯著，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)的大小來測量血壓的高低了。當然在實際上由于金屬片形變較小，所以電阻變化也較小，A、B兩點間電壓還要經(jīng)過放大才能通過電表指示出來，有的還可以轉換成數(shù)字顯示出來。
3.2電容式傳感器
例5如圖所示的是通過電容器的變化來檢測容器內(nèi)液面高低的儀器示意圖，容器中裝有導電液體，是電容器的一個電極，中間的導體芯柱是電容器的另一個電極，芯柱外面套有絕緣管作為電介質，電容器的這兩個電極分別用振蕩電路產(chǎn)生電磁振蕩，根據(jù)其振蕩頻率的高低（用與該電路相連的頻率計顯示）就可知容器中液面位置的高低。
（1）如果頻率計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)的導電液體與大地相連，若某一時刻線圈內(nèi)磁場方向向右，且正在增強，則此時導體芯柱的電勢是正在升高還是降低？
解析由題意可知導電液體和導線芯為兩極構成一個電容器，此電容器與線圈組成一個LC振蕩電路，當電容器電容變化時，便會引起振蕩頻率的變化，而電容器電容的變化是由于液體和導線芯的正對面積的變化即液面的升降引起的，且隨液面升高電容變大，故可以通過振蕩頻率的變化來探知液體深度的變化，即將液體深度的信號轉換成了振蕩頻率信號。
（2）某一時刻線圈內(nèi)磁場方向向右，根據(jù)右手定則，電流方向應如圖所示，可知電容容器正處在放電過程，電容器兩極板上電量減少，電壓減小，又因導電液與大地相連電勢始終為零，故導體芯線電勢是正在降低。
4聲電傳感器
聲電傳感器是將氣體、液體或固體中傳播的機械振動轉換成電信號。因此，其本質還是屬于力電傳感器，是指將聲音信號轉換為電信號的一類傳感器，常見的電容式話筒和動圈式話筒都是聲電傳感器。
4.1電容式傳感器
例6如右圖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，振動膜上的金屬層和這個金屬板構成電容器的兩極，在兩極間加一電壓U，人對著話筒說話時，振動膜前后振動，使電容發(fā)生變化，導致話筒所在電路中的其它量發(fā)生變化，使聲音信號被話筒轉化為電信號，其中導致電容變化的原因可能是容器兩板間的
A.距離變化
B.正對面積變化
C.介質變化
D.電壓變化
解析這個聲電傳感器又可歸到電容傳感器中，由題意對著話筒說話時，振動膜前后振動，則金屬層和金屬板間距離改變，即電容器兩極板間距改變，故導致電容變化的原因可能是容器兩極間的距變變化，選A。
4.2動圈式傳感器
例7下面是動圈式話筒的原理圖，請你根據(jù)下圖說出具體原理。
解析動圈式話筒是利用電磁感應現(xiàn)象制成的。當聲波使金屬膜片振動時，連接在膜片上的線圈（叫音圈）隨著一起振動。音圈在永磁鐵的磁場中振動，其中就產(chǎn)生感應電流，感應電流的大小和方向都變化，振幅和頻率的變化由聲波決定，這就將聲音信號轉換成電信號，這個電信號經(jīng)擴音器放大后傳給揚聲器，從揚聲器中就發(fā)生放大的聲音。
