例析高考物理中的新熱點(diǎn)——傳感器

近幾年傳感器成為高考的一個(gè)新熱點(diǎn)。傳感器是現(xiàn)代檢測(cè)和控制裝置的重要組成部分，在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)領(lǐng)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(shí)的實(shí)際應(yīng)用。傳感器作用信息采集的重要元件，在自動(dòng)控制、信息處理等技術(shù)中發(fā)揮著重要的作用，而近幾年關(guān)于傳感器的高考題也越來越多。傳感器應(yīng)該成為07年高考復(fù)習(xí)的一個(gè)重點(diǎn)。

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，其工作過程是通過對(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(shí)貼近的常見傳感器的相關(guān)習(xí)題，并進(jìn)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(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（06上海物理高考第16題）為了測(cè)試某種安全閥在外界環(huán)境為一個(gè)大氣壓時(shí)，所能承受的最大內(nèi)部壓強(qiáng)，某同學(xué)自行設(shè)計(jì)制作了一個(gè)簡(jiǎn)易的測(cè)試裝置。該裝置是一個(gè)裝有電加熱器和溫度傳感器的可密閉容器。測(cè)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(dāng)安全閥開始漏氣時(shí)，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(cè)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(cè)得的溫度分別為t₁=27℃，t₂=87℃，已知大氣壓強(qiáng)為1.0×10⁵pa，則測(cè)試結(jié)果是：這個(gè)安全閥能承受的最大內(nèi)部壓強(qiáng)是。

解析第（1）題考查學(xué)生的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力，此題必須要能在充分熟悉題意的基礎(chǔ)上才能進(jìn)行設(shè)計(jì)。答案為deacb。

第（2）題分析過程：由于氣體體積一定，壓強(qiáng)與溫度成正比，T₁=273+27=300K；T₂=273+87=360K。由P₂:P₁=T₁:T₂，得P₂=1.2×105Pa，答案為1.2×10⁵Pa。

例2溫度傳感器廣泛應(yīng)用于室內(nèi)空調(diào)、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(dòng)勢(shì)E=9.0V，內(nèi)電阻可忽略不計(jì)；G為靈敏電流表，內(nèi)阻R_g保持不變；R為熱敏電阻，其電阻值與溫度變化關(guān)系如圖乙的R-t圖線所示。閉合開關(guān)S，當(dāng)R的溫度等于20℃時(shí)，電流表示數(shù)I₁=2mA，則當(dāng)電流表的示數(shù)I₂=3.6mA時(shí)，熱敏電阻R的溫度是多少攝氏度？

解析原來E=I₁（R_g+R₁）

由圖乙得溫度等于20℃時(shí)，R=4000Ω

代入得：9=0.002(R_g+4000)，

所以R_g=500Ω；

后來9=0.0036（R_g+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(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的一類傳感器，一般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（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(zhuǎn)動(dòng)，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(duì)準(zhǔn)，使二者間連線與軌軸平行，分別置于圓盤的上下兩側(cè)，且可以同步地沿圓盤半徑方向勻速移動(dòng)，激光器連續(xù)向下發(fā)射激光束。在圓盤轉(zhuǎn)動(dòng)過程中，當(dāng)狹縫經(jīng)過激光器與傳感器之間時(shí)，傳感器接收到一個(gè)激光信號(hào)，并將其輸入計(jì)算機(jī)，經(jīng)處理后畫出相應(yīng)圖線。圖（a）為該裝置示意圖，圖（b）為所接收的光信號(hào)隨時(shí)間變化的圖線，橫坐標(biāo)表示時(shí)間，縱坐標(biāo)表示接收到的激光信號(hào)強(qiáng)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(shí)圓盤轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度；

（2）說明激光器和傳感器沿半徑移動(dòng)的方向；

（3）求圖（b）中第三個(gè)激光信號(hào)的寬度Δt₃。

解析（1）由圖線讀得，轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)動(dòng)周期

T=0.8s①

角速度ω=2π/T=7.85rad/s②

（2）激光器和探測(cè)器沿半徑由中心向邊緣移動(dòng)（理由為：由于脈沖寬度在逐漸變窄，表明光信號(hào)能通過狹縫的時(shí)間逐漸減少，即圓盤上對(duì)應(yīng)探測(cè)器所在位置的線速度逐漸增加，因此激光器和探測(cè)器沿半徑由中心向邊緣移動(dòng)）。

（3）設(shè)狹縫寬度為d，探測(cè)器接收到第i 個(gè)脈沖時(shí)距轉(zhuǎn)軸的距離為r₁，第i個(gè)脈沖的寬度為△t_i，激光器和探測(cè)器沿半徑的運(yùn)動(dòng)速度為v。

Δt_i=d/2πr_iT③

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(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)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(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b所示），左邊是它的側(cè)面圖，這四個(gè)電阻連接成電路如圖c所示，試回答下列問題：

（1）開始時(shí)金屬片中央O點(diǎn)未加任何壓力，欲使電壓表無示數(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)量血壓？

解析（1）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)過放大才能通過電表指示出來，有的還可以轉(zhuǎn)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(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。

（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(hào)轉(zhuǎn)換成了振蕩頻率信號(hào)。

（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。

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(jī)械振動(dòng)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。因此，其本質(zhì)還是屬于力電傳感器，是指將聲音信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的一類傳感器，常見的電容式話筒和動(dòng)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(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.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。

4.2動(dòng)圈式傳感器

例7下面是動(dòng)圈式話筒的原理圖，請(qǐng)你根據(jù)下圖說出具體原理。

解析動(dòng)圈式話筒是利用電磁感應(yīng)現(xiàn)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。