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第3节　大显身手的传感器
(分值:100分)
选择题1~7题,每小题12分,共84分。
对点题组练
题组一　力传感器及其应用
1.电子眼系统通过路面下埋设的感应线来感知汽车的压力。感应线是一个压电薄膜传感器,压电薄膜在受压时两端产生电压,电压随压力变化而变化,压力越大电压越大,压力不变,电压一定。压电薄膜与电容器C、电阻R组成图甲所示的回路。红灯亮时,如果汽车的前、后轮先后经过感应线,回路中会产生两个脉冲电流,如图乙所示,即视为“闯红灯”,电子眼自动拍照记录。则红灯亮时 (　　)
车轮停在感应线上时电阻R上有恒定电流
车轮经过感应线的过程中,电容器先放电后充电
车轮经过感应线的过程中,电阻R上的电流一直增大
汽车前轮刚越过感应线,又倒回到线内,会被电子眼拍照
2.如图所示为一种常见的身高体重测量仪。测量仪顶部向下发射波速为v的超声波,超声波经反射后返回,被测量仪接收,测量仪记录发射和接收的时间间隔。质量为M0的测重台置于压力传感器上,传感器输出电压与作用在其上的压力成正比。当测重台没有站人时,测量仪记录的时间间隔为t0,输出电压为U0,某同学站上测重台,测量仪记录的时间间隔为t,输出电压为U,则该同学身高和质量分别为 (　　)
v(t0-t),U v(t0-t),U
v(t0-t),(U-U0) v(t0-t),(U-U0)
题组二　电容式传感器及其应用
3.如图所示的电路可将声音信号转换为电信号,该电路中右侧固定不动的金属板b与能在声波驱动下沿水平方向振动的镀有金属层的振动膜a构成一个电容器,a、b通过导线与输出恒定的电源两极相接,若声源S发出强弱变化的声波时,则 (　　)
a振动过程中,a、b板间的电场强度不变
a振动过程中,a、b板所带电荷量不变
a振动过程中,灵敏电流计中始终有方向不变的电流
a向右的位移最大时,a、b板所构成的电容器的电容最大
4.图甲为某厂商生产的电容式电子体重计,其内部电路简化图如图乙所示,称重时,人站在体重计面板上,使平行板上层膜片电极在压力作用下向下移动,则下列说法正确的是 (　　)
上层膜片下移过程中,电流表有b到a的电流
上层膜片下移过程中,电容器的电容增大,上下极板间的电压增大
上层膜片下移过程中,电容器的电容增大,所带电荷量减小
上层膜片稳定后,平行板电容器上下极板均不带电荷
题组三　传感器与电路综合
5.位移传感器的工作原理如图所示,物体M在导轨上平移时,带动滑动变阻器的金属滑片P移动,通过电压表显示的数据来反映物体M位移的大小x。假设电压表是理想电表,物体M不动时,滑片P位于滑动变阻器正中间位置,则下列说法正确的是 (　　)
物体M运动时,电源内的电流会发生变化
物体M运动时,电压表的示数会发生变化
物体M不动时,电路中没有电流
物体M不动时,电压表没有示数
6.酒精测试仪已应用于全国各地查处司机是否酒驾的现场检测。有一种酒精测试仪利用的是二氧化锡半导体型传感器,若这种传感器电阻Rc的倒数与酒精气体的浓度成正比,那么,在如图所示的电路图中,正确反映电压表示数U与酒精气体浓度c之间对应关系的选项是 (　　)
A B
C D
7.(多选)(鲁科版教材P126节练习3改编)根据光敏电阻特性设计的自动计数器的电路图如图所示,其中R1为光敏电阻,R2为定值电阻,电源电动势和内阻恒定,信号处理系统会实时监测R2两端的电压,每获得一次低电压就记数一次。下列说法正确的是 (　　)
有光照射时R1的阻值比无光照射时小
有光照射时R1两端的电压比无光照射时大
有光照射时电源两端的电压比无光照射时小
有光照射时R2消耗的电功率比无光照射时小
综合提升练
8.(6分)(2024·福建龙岩市高二统考期末)酒驾严重危害交通安全,喝酒不开车已经成为准则。某款酒精检测仪如图甲所示,核心部件为酒精气体传感器,其电阻R与酒精气体浓度c的关系如图乙所示。某同学想利用该酒精气体传感器设计一款酒精测量仪,除酒精气体传感器外,在实验室中找到如下器材,并设计如图丙所示的测量电路:
A.干电池组(电动势E = 3.0 V,内阻r=1.2 Ω)
B.电流表(满偏电流60 mA,内阻Rg=4.8 Ω)
C.电阻箱R0(最大阻值9 999.9 Ω)
D.开关及导线若干
(1)如图丁所示,该同学想将酒精气体浓度为零的位置标注在表头20 mA处,则应将电阻箱R0的阻值调为　　　　(2分)Ω。
(2)完成步骤(1)后,某次在实验室中试测酒精浓度时,表头指针如图丁所示。已知酒精浓度在0.2~ 0.8 mg/mL之间属于酒驾;酒精含量达到或超过0.8 mg/mL属于醉驾,则该次测试的酒精浓度属于　　　　(2分)范围(选填“酒驾”或“醉驾”)。
(3)使用较长时间后,干电池组电动势降低,内阻增大,则此时所测的酒精气体浓度与真实值相比　　　　(2分)(选填“偏大”“偏小”或“不变”)。
培优加强练
9.(10分)电子秤是人们生活中常用的一种称量工具。某同学根据所学知识制作了一台简易电子秤,原理图如图甲所示,图中电压表可视为理想电压表(量程为3 V),滑动变阻器的滑片为P,最大阻值为R=12 Ω,该同学用刻度尺测得滑动变阻器滑片能滑动范围的长度为L=2 cm。
请回答下列问题。
(1)该同学先利用图乙所示电路测定电子秤里两节纽扣电池(如图丙)的电动势和内阻,根据多次测量得到的数据,作出的U'-I图像如图丁所示,可知这两节纽扣电池串联后的电动势为E=　　　　(2分)V,内阻为r=　　　　(2分)Ω。
(2)该同学想得到电压表的示数U与被测物体质量m之间的关系,设计了如下实验:
①调节图甲中滑片P的位置,使电压表的示数恰好为零;
②在托盘里缓慢加入细砂,直到滑片P恰好滑到滑动变阻器的b端,然后调节电阻箱R0,直到电压表达到满偏,实验过程中弹簧一直处于弹性限度内,则此时电阻箱的读数为R1=　　　　(2分)Ω;
③已知所用的弹簧的劲度系数为k=1.96×103 N/m,重力加速度为g=9.8 m/s2,则该电子秤所能称量的最大质量为m=　　　　(2分)kg。
(3)结合上面实验内容,可得电压表的示数U与被测物体质量m之间的关系式为U=　　　　　(2分)(用题目中给出的物理量符号表示)。
第3节　大显身手的传感器
1.D　[汽车停在感应线上时，汽车对压电薄膜的压力不变，电压恒定，电路中没有电流，A错误；车轮经过感应线时，电容器先充电后放电，电流不会一直增大，B、C错误；汽车前轮两次经过感应线，产生两个脉冲电流，所以会被电子眼拍照，D正确。]
2.D　[设人的身高为x，质量为m。
当测重台没有站人时：＝①
当人站在测重台上时：＝②
由①②两式得人的身高x＝v(t0－t)
当测重台上没站人时：M0g＝kU0③
当人站在测重台上时：(M0＋m)g＝kU④
由③④两式得人的质量m＝(U－U0)
可知选项D正确。]
3.D　[由于平行板电容器两极板与电源两极相连接，因此两极板间的电压U保持不变，根据场强E＝，C＝可判断，选项A错误，D正确；再由Q＝CU可知，选项B错误；由于Q变化，使电容器出现充电、放电现象，则电流计中电流方向不断变化，选项C错误。]
4.A　[根据C＝可知，上层膜片下移过程中d减小，电容C增大，由Q＝CU知电容器所带电荷量增大，电容器充电，因此电流表有b到a的电流，电容器两个极板与电源相连，上下极板间的电压不变，故A正确，B、C错误；上层膜片稳定后，平行板电容器上下极板与电源相连，均带电荷，故D错误。]
5.B　[电压表为理想电表，则电压表不分流，故滑片P移动时不会改变电路的电阻，也就不会改变电路中的电流，且电路中始终有电流，故A、C错误；电压表测的是滑片P左侧电阻分得的电压，故示数随物体M的运动即滑片P的移动而变化，物体M不动时，电压表仍有读数，故B正确，D错误。]
6.D　[根据闭合电路欧姆定律得，电压表示数为U＝IR0＝＝，式中k为一常数。从表达式可以看出，U与c是非线性关系，故A、B、C错误，D正确。]
7.AC　[由题意可知，每当光照被挡住时，信号处理系统获得一次低电压就记数一次，则此时光敏电阻R1两端电压较大，阻值较大；故有光照射时R1的阻值比无光照射时小，有光照射时R1两端的电压比无光照射时小，故A正确，B错误；有光照射时，光敏电阻R1的阻值比无光照射时小，则外电阻总阻值比无光照射时小，电源两端的电压比无光照射时小，故C正确；有光照射时，光敏电阻R1的阻值比无光光照时小，则电路总电阻比无光照射时小，电路总电流比无光照射时大，定值电阻R2消耗的电功率比无光照射时大，故D错误。]
8.(1)64.0　(2)酒驾　(3)偏小　[(1)表头G显示电流为20 mA，且由题图乙可知，当酒精气体浓度为零时，该气体传感器电阻R＝80 Ω，根据闭合电路欧姆定律可得
I1＝，解得R0＝ 64.0 Ω。
(2)由题图丁可知，表头指针指在30 mA处，则根据闭合电路欧姆定律可得I2＝，解得R′＝30 Ω，对照题图乙可知当R′ ＝30 Ω时酒精含量约为0.4 mg/mL，属于酒驾范围。
(3)使用较长时间后，干电池组电动势降低，内阻增大，根据I＝知同一酒精浓度下，电路中的总电流将偏小，流经表头的电流也同比偏小，故所测得的酒精浓度值偏小。]
9.(1)4.0　0.5　(2)②3.5　③4
(3)　[(1)对题图乙所示电路，根据闭合电路欧姆定律可得E＝U′＋Ir，即U′＝E－Ir，U′I图像与纵轴交点的纵坐标等于电源电动势，图线斜率的绝对值等于电源内阻，由题图丁可知，电源电动势为E＝4.0 V，内阻为r＝Ω＝0.5 Ω。
(2)②电压表达到满偏时滑动变阻器接入电路的阻值为R＝12 Ω，根据欧姆定律可得＝，解得R1＝3.5 Ω。
③滑片P滑到滑动变阻器的b端，弹簧的形变量增加了2 cm，由平衡条件有kΔx＝mg，则该电子秤所能称量的最大质量为
m＝4 kg。
(3)根据闭合电路欧姆定律和平衡条件有
＝
解得U＝。]第3节　大显身手的传感器
学习目标　1.了解传感器在洗衣机水位控制装置、自动门、指纹识别器、机器人中的应用。2.了解传感器应用的设计思路，能设计简单的应用传感器的控制电路。3.掌握力传感器及其应用，电容式传感器及其应用。4.能解决传感器与电路的综合问题。
知识点一　力传感器及其应用
常见传感器应用
1.自动感应门
(1)控制自动门的开关装有一种____________传感器。
(2)自动门系统三环节：检测门前是否有人；判断检测结果，________________；执行指令。
2.洗衣机的水位控制装置
全自动洗衣机的水位控制装置中使用________传感器，当筒内水位到达设定高度时，凸起的膜片控制触点接触，使控制电路接通，________进水电磁阀门，同时________洗涤电动机电源，开始洗涤衣物。
3.指纹识别器
指纹识别器是通过________传感器来识别指纹。手指皮肤与电容传感器表面构成了____________，指纹的脊和谷相对于另一极之间的距离不同，使电容阵列中不同位置的电容器的电容值不同。通过读取这些电容的差异，就能获取指纹信息。
4.机器人
(1)机器人由________系统、____________系统、信息处理和________系统组成。
(2)机器人传感器分为外部传感器和________传感器。
(3)传感器用途分类
①外部传感器用于感知外部____________和外界事物对机器人的________。使机器人拥有类似人的视觉、听觉、触觉、嗅觉、味觉等感觉。
②内部传感器(如角度传感器、____________等)用于检测机器人自身的状态。
5.力传感器的分析思路
力传感器能够把物体的形变转换为电压或电流的变化，外力越大，电压或电流的变化就越大，由变化的差值大小，可以得知外力的大小。力传感器的种类繁多，在具体应用中，应能依据其特性，综合利用其他知识进行分析与计算。
例1 (鲁科版教材P121节练习3改编)某学生为了测量一物体的质量，找到一个力电传感器，该传感器的输出电压正比于受压面的压力(比例系数为k)，如图所示。测量时先调节输入端的电压，使传感器空载时的输出电压为0；而后在其受压面上放一物体，即可测得与物体质量成正比的输出电压U0，现有下列器材：
力电传感器、质量为m0的砝码、电压表、滑动变阻器、干电池各一个、开关及导线若干、待测物体(可置于力电传感器的受压面上)。请完成对该物体质量的测量：
(1)设计一个电路，要求力电传感器的输入电压可调，并且使电压的调节范围尽可能大，在方框中画出完整的测量电路图。
(2)以下为简要的测量步骤，请将不完整处补充完整：
A.调节滑动变阻器，使传感器的输出电压为零；
B.将________放在传感器上，记下输出电压 U0;
C.将待测物放在传感器上，记下输出电压U1。
(3)根据以上测量，可求出：比例系数k＝________，待测物体的质量m＝________。知识点二　电容式传感器及其应用
1.电容式传感器的工作原理
电容器的电容C取决于极板正对面积S、极板间的距离d以及极板间的电介质这几个因素。如果某一物理量(如角度θ、位移x、深度h等)的变化能引起上述某个因素的变化，从而引起电容的变化，那么，通过测定电容器的电容就可以确定上述物理量的变化。具有这种用途的电容器称为电容式传感器。
2.电容式传感器的一些常见应用
用途 图例 原理
测定角度θ INCLUDEPICTURE"W615.TIF" INCLUDEPICTURE "E:\\2024\\同步\\高二下\\2024（春）物理 选择性必修 第二册 鲁科版（新教材新标准）教师用书(鲁琼闽贵)\\W615.TIF" \* MERGEFORMATINET 当动片与定片之间的角度θ发生变化时，引起极板正对面积S的变化，使电容C发生变化。
测定液面高度h INCLUDEPICTURE"W616.TIF" INCLUDEPICTURE "E:\\2024\\同步\\高二下\\2024（春）物理 选择性必修 第二册 鲁科版（新教材新标准）教师用书(鲁琼闽贵)\\W616.TIF" \* MERGEFORMATINET 在金属芯线的外面涂上一层绝缘物质，放入导电液体中，金属芯线和导电液体构成电容器的两个极板，金属芯线外面的绝缘物质就是电介质。当液面高度h发生变化时，引起电容器极板正对面积发生变化，使电容C发生变化。
测定压力F INCLUDEPICTURE"W617.TIF" INCLUDEPICTURE "E:\\2024\\同步\\高二下\\2024（春）物理 选择性必修 第二册 鲁科版（新教材新标准）教师用书(鲁琼闽贵)\\W617.TIF" \* MERGEFORMATINET 待测压力F作用于可动电极上时，可动电极发生形变，使极板间距离d发生变化，引起电容C发生变化。
测定位移s INCLUDEPICTURE"W618.TIF" INCLUDEPICTURE "E:\\2024\\同步\\高二下\\2024（春）物理 选择性必修 第二册 鲁科版（新教材新标准）教师用书(鲁琼闽贵)\\W618.TIF" \* MERGEFORMATINET 随着电介质进入极板间的长度发生变化，电容C发生变化。
例2 (鲁科版教材P128章末练习3改编)传感器是把非电学物理量(如位移、速度、压力、角度等)转换成电学物理量(如电压、电流、电量等)的一种元件。如图所示中的甲、乙、丙、丁是四种常见的电容式传感器，下列说法正确的是(　　)
A.甲图中两极间的电荷量不变，若电压减小，可判断出h变小
B.乙图中两极间的电荷量不变，若电压增大，可判断出θ变小
C.丙图中两极间的电压不变，若有电流流向传感器的负极，则插入长度s变大
D.丁图中两极间的电压不变，若有电流流向传感器的正极，则F变大
听课笔记　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
知识点三　传感器与电路的综合
1.分析含传感器的电路问题的关键
电路中涉及传感器时，首先明确传感器随输入信号变化的特点，然后参照动态电路问题的分析思路，由部分到整体再到部分进行分析。当涉及电路的计算问题时，要依据敏感元件变化的特性找准对应时刻、位置等，如果有图像变化，把握图像的信息也非常重要。
2.分析传感器图像问题的关键
物理图像能形象地表达物理规律，直观地展示物理过程，并能鲜明地体现物理量之间的相互关系，分析传感器的图像问题时要注意运用图像进一步建立物理图像和物理情境之间的联系，想象图像所呈现的物理过程、状态、现象以及物理变化的具体情境，这些正是审题、解题的过程中所必需的，另一方面还要注意图像和物理公式的结合，有些图像所表示的就是一个函数关系式，重要的是要明确是哪两个物理量之间的关系及是什么样的函数关系。
例3 (2024·陕西汉中市高二统考期末)如图甲是家用电子体重秤，因为轻小方便深受人们的青睐。某同学用电子体重秤上的压敏电阻R和一个电流表测定电池的电动势和内阻。该同学通过查阅说明书得知该压敏电阻的阻值只和其受到的压力N有关，R＝R0＋kN，其中R0和k为已知常数，当地重力加速度为g。
备有下列器材：待测电池、压敏电阻、天平、电流表一只、质量不同的物体、开关一个、导线若干。主要实验步骤如下：
①按设计电路图乙连接好实物图；
②用天平测量物体的质量m，将物体放在压敏电阻上，闭合开关S，读出对应的电流表示数I；
③更换不同质量的物体，重复②的操作记录多组数据；
④根据所测量的数据作出图像如图丙所示，b为图线在纵轴上的截距，a、c为图线上一个点的坐标值。
回答以下问题：
(1)如图丙所示，取为纵坐标，要符合图中图线特点，则横坐标x代表的物理量为________(填“”或“m”)。
(2)若电流表的内阻可忽略，根据(1)问中选取横坐标后的图丙图像可知，待测电池的电动势E＝________，内阻r＝________(选用k、a、b、c、g、R0表示)。
随堂对点自测
1.(电容式传感器及其应用)如图所示是测定液面高度h的电容式传感器原理图。在金属芯线外面涂上一层电介质，放入导电液中，金属线和导电液体构成电容的两个极。则下列关于该电容式传感器的分析合理的是(　　)
INCLUDEPICTURE"AB374.TIF" INCLUDEPICTURE "E:\\2024\\课件\\同步\\2025（春）物理 选择性必修 第二册 鲁科版\\学生word文档\\AB374.TIF" \* MERGEFORMATINET
A.液面高度h降低，该电容的电容减小
B.液面高度h降低时，该电容两极板间的正对面积增大
C.液面高度h升高时，该电容两极板间的距离增大
D.液面高度h升高时，该电容存储电荷的能力减小
2.(力传感器及其应用)如图是测量汽车质量的地磅示意图，地磅空载时变阻器滑片P位于A点，满载时滑片P位于B点，弹簧始终处于弹性限度内。下列说法正确的是(　　)
INCLUDEPICTURE"AB373.TIF" INCLUDEPICTURE "E:\\2024\\课件\\同步\\2025（春）物理 选择性必修 第二册 鲁科版\\学生word文档\\AB373.TIF" \* MERGEFORMATINET
A.电流表的示数越大说明被测汽车质量越大
B.电流表的示数越大说明被测汽车质量越小
C.若称量值偏小，可在R0上串联一个电阻进行校正
D.电池长时间使用后，称量值会偏大
第3节　大显身手的传感器
知识点一
1.(1)红外线　(2)发出相关指令
2.压力　关闭　接通
3.电容　电容阵列
4.(1)机械　传感器　控制　(2)内部　(3)①工作环境　刺激
②关节传感器
例1 (1)见解析图　(2)质量为m0的砝码　(3)　m0
[(1)根据“可测得与物体的质量成正比的输出电压U”可知，输出端应接电压表。又根据输入电路的电压调节范围尽可能大可知，必须用滑动变阻器在输入端组成分压电路。设计的电路如图所示。
INCLUDEPICTURE"AB369.TIF" INCLUDEPICTURE "E:\\2024\\课件\\同步\\2025（春）物理 选择性必修 第二册 鲁科版\\学生word文档\\AB369.TIF" \* MERGEFORMATINET
(2)测量步骤与结果：
A.调节滑动变阻器，使传感器的输出电压为零；
B.将质量为m0的砝码放在传感器上，记下输出电压U0；
C.将待测物放在转换器上，记下输出电压U1。
(3)由以上测量可知，U0＝km0g，U1＝kmg
可得k＝，所以m＝m0。]
知识点二
例2 D　[题图甲中两极间的电荷量不变，若电压减小则由电容的定义式C＝可知，电容增大，由电容的决定式C＝可知，两极板正对面积增大，h变大，A错误；题图乙中两极间的电荷量不变，若电压增大，则由电容的定义式C＝可知，电容减小，由电容的决定式C＝可知，极板正对面积减小，θ变大，B错误；题图丙中两极间的电压不变，若有电流流向传感器的负极，说明电容器在放电，电荷量减小，由电容的定义式C＝可知，电容减小，由电容的决定式C＝可知，电介质向外移动，则插入长度s变小，C错误；题图丁中两极间的电压不变，若有电流流向传感器的正极，说明电容器在充电，电荷量增大，由电容的定义式C＝可知，电容增大，由电容的决定式C＝可知，极板间距离减小，则F变大，D正确。]
知识点三
例3 (1)m　(2)　－R0　[(1)根据题图乙所示电路图，由闭合电路欧姆定律得E＝I(R＋r)
由题意可知R＝R0＋kN，对物体，由平衡条件可得N＝mg，联立得＝m＋，k、E、R0都是常数，则与m成线性关系，则横坐标代表的物理量是m。
(2)由题图丙可知，图像纵轴截距b＝，图像的斜率为＝，联立可得，电动势和内阻分别为E＝，r＝－R0。]
随堂对点自测
1.A　[液面高度h降低时，该电容两极板间的正对面积减小，由电容的决定式C＝知，该电容的电容减小，故B错误，A正确；液面高度h升高时，该电容两极板间的距离不变，故C错误；液面高度h升高时，两极板间的正对面积增大，则该电容的电容增大，那么该电容存储电荷的能力增大，故D错误。]
2.A　[汽车质量越大，滑动变阻器阻值越小，则电流表示数越大，A正确，B错误；若称量值偏小，则应使电流表示数变大，可在R0上并联一个电阻进行校正，C错误；电池长时间使用后，内阻变大，导致电流减小，所以称量值会偏小，D错误。](共55张PPT)
第3节　大显身手的传感器
第5章 传感器及其应用
1.了解传感器在洗衣机水位控制装置、自动门、指纹识别器、机器人中的应用。2.了解传感器应用的设计思路，能设计简单的应用传感器的控制电路。3.掌握力传感器及其应用，电容式传感器及其应用。4.能解决传感器与电路的综合问题。
理解
学习目标
目 录
CONTENTS
知识点
01
随堂对点自测
02
课后巩固训练
03
知识点
1
知识点二　电容式传感器及其应用
知识点一　力传感器及其应用
知识点三　传感器与电路的综合
知识点一　力传感器及其应用
常见传感器应用
1.自动感应门
(1)控制自动门的开关装有一种________传感器。
(2)自动门系统三环节：检测门前是否有人；判断检测结果，______________；执行指令。
2.洗衣机的水位控制装置
全自动洗衣机的水位控制装置中使用______传感器，当筒内水位到达设定高度时，凸起的膜片控制触点接触，使控制电路接通，______进水电磁阀门，同时______洗涤电动机电源，开始洗涤衣物。
红外线
发出相关指令
压力
关闭
接通
3.指纹识别器
指纹识别器是通过______传感器来识别指纹。手指皮肤与电容传感器表面构成了__________，指纹的脊和谷相对于另一极之间的距离不同，使电容阵列中不同位置的电容器的电容值不同。通过读取这些电容的差异，就能获取指纹信息。
电容
电容阵列
4.机器人
(1)机器人由______系统、________系统、信息处理和______系统组成。
(2)机器人传感器分为外部传感器和______传感器。
(3)传感器用途分类
①外部传感器用于感知外部__________和外界事物对机器人的______。使机器人拥有类似人的视觉、听觉、触觉、嗅觉、味觉等感觉。
②内部传感器(如角度传感器、____________等)用于检测机器人自身的状态。
机械
传感器
控制
内部
工作环境
刺激
关节传感器
5.力传感器的分析思路
力传感器能够把物体的形变转换为电压或电流的变化，外力越大，电压或电流的变化就越大，由变化的差值大小，可以得知外力的大小。力传感器的种类繁多，在具体应用中，应能依据其特性，综合利用其他知识进行分析与计算。
例1 (鲁科版教材P121节练习3改编)某学生为了测量一物体的质量，找到一个力电传感器，该传感器的输出电压正比于受压面的压力(比例系数为k)，如图所示。测量时先调节输入端的电压，使传感器空载时的输出电压为0；而后在其受压面上放一物体，即可测得与物体质量成正比的输出电压U0，现有下列器材：
力电传感器、质量为m0的砝码、电压表、滑动变阻器、干电池各一个、开关及导线若干、待测物体(可置于力电传感器的受压面上)。请完成对该物体质量的测量：
(1)设计一个电路，要求力电传感器的输入电压可调，并且使电压的调节范围尽可能大，在方框中画出完整的测量电路图。
(2)以下为简要的测量步骤，请将不完整处补充完整：
A.调节滑动变阻器，使传感器的输出电压为零；
B.将________放在传感器上，记下输出电压 U0;
C.将待测物放在传感器上，记下输出电压U1。
(3)根据以上测量，可求出：比例系数k＝________，待测物体的质量m＝________。
解析　(1)根据“可测得与物体的质量成正比的输出电压U”可知，输出端应接电压表。又根据输入电路的电压调节范围尽可能大可知，必须用滑动变阻器在输入端组成分压电路。设计的电路如图所示。
(2)测量步骤与结果：
A.调节滑动变阻器，使传感器的输出电压为零；
B.将质量为m0的砝码放在传感器上，记下输出电压U0；
C.将待测物放在转换器上，记下输出电压U1。
(3)由以上测量可知，U0＝km0g，U1＝kmg
知识点二　电容式传感器及其应用
1.电容式传感器的工作原理
电容器的电容C取决于极板正对面积S、极板间的距离d以及极板间的电介质这几个因素。如果某一物理量(如角度θ、位移x、深度h等)的变化能引起上述某个因素的变化，从而引起电容的变化，那么，通过测定电容器的电容就可以确定上述物理量的变化。具有这种用途的电容器称为电容式传感器。
2.电容式传感器的一些常见应用
用途 图例 原理
测定角度θ 当动片与定片之间的角度θ发生变化时，引起极板正对面积S的变化，使电容C发生变化。
测定液面高度h 在金属芯线的外面涂上一层绝缘物质，放入导电液体中，金属芯线和导电液体构成电容器的两个极板，金属芯线外面的绝缘物质就是电介质。当液面高度h发生变化时，引起电容器极板正对面积发生变化，使电容C发生变化。
测定压力F 待测压力F作用于可动电极上时，可动电极发生形变，使极板间距离d发生变化，引起电容C发生变化。
测定位移s 随着电介质进入极板间的长度发生变化，电容C发生变化。
例2 (鲁科版教材P128章末练习3改编)传感器是把非电学物理量(如位移、速度、压力、角度等)转换成电学物理量(如电压、电流、电量等)的一种元件。如图所示中的甲、乙、丙、丁是四种常见的电容式传感器，下列说法正确的是(　　)
A.甲图中两极间的电荷量不变，若电压减小，可判断出h变小
B.乙图中两极间的电荷量不变，若电压增大，可判断出θ变小
C.丙图中两极间的电压不变，若有电流流向传感器的负极，则插入长度s变大
D.丁图中两极间的电压不变，若有电流流向传感器的正极，则F变大
知识点三　传感器与电路的综合
1.分析含传感器的电路问题的关键
电路中涉及传感器时，首先明确传感器随输入信号变化的特点，然后参照动态电路问题的分析思路，由部分到整体再到部分进行分析。当涉及电路的计算问题时，要依据敏感元件变化的特性找准对应时刻、位置等，如果有图像变化，把握图像的信息也非常重要。
2.分析传感器图像问题的关键
物理图像能形象地表达物理规律，直观地展示物理过程，并能鲜明地体现物理量之间的相互关系，分析传感器的图像问题时要注意运用图像进一步建立物理图像和物理情境之间的联系，想象图像所呈现的物理过程、状态、现象以及物理变化的具体情境，这些正是审题、解题的过程中所必需的，另一方面还要注意图像和物理公式的结合，有些图像所表示的就是一个函数关系式，重要的是要明确是哪两个物理量之间的关系及是什么样的函数关系。
例3 (2024·陕西汉中市高二统考期末)如图甲是家用电子体重秤，因为轻小方便深受人们的青睐。某同学用电子体重秤上的压敏电阻R和一个电流表测定电池的电动势和内阻。该同学通过查阅说明书得知该压敏电阻的阻值只和其受到的压力N有关，R＝R0＋kN，其中R0和k为已知常数，当地重力加速度为g。
备有下列器材：待测电池、压敏电阻、天平、电流表一只、质量不同的物体、开关一个、导线若干。主要实验步骤如下：
①按设计电路图乙连接好实物图；
②用天平测量物体的质量m，将物体放在压敏电阻上，闭合开关S，读出对应的电流表示数I；
③更换不同质量的物体，重复②的操作记录多组数据；
④根据所测量的数据作出图像如图丙所示，b为图线在纵轴上的截距，a、c为图线上一个点的坐标值。
随堂对点自测
2
A
1.(电容式传感器及其应用)如图所示是测定液面高度h的电容式传感器原理图。在金属芯线外面涂上一层电介质，放入导电液中，金属线和导电液体构成电容的两个极。则下列关于该电容式传感器的分析合理的是(　　)
A.液面高度h降低，该电容的电容减小
B.液面高度h降低时，该电容两极板间的正对面积增大
C.液面高度h升高时，该电容两极板间的距离增大
D.液面高度h升高时，该电容存储电荷的能力减小
A
2.(力传感器及其应用)如图是测量汽车质量的地磅示意图，地磅空载时变阻器滑片P位于A点，满载时滑片P位于B点，弹簧始终处于弹性限度内。下列说法正确的是(　　)
A.电流表的示数越大说明被测汽车质量越大
B.电流表的示数越大说明被测汽车质量越小
C.若称量值偏小，可在R0上串联一个电阻进行校正
D.电池长时间使用后，称量值会偏大
课后巩固训练
3
题组一　力传感器及其应用
1.电子眼系统通过路面下埋设的感应线来感知汽车的压力。感应线是一个压电薄膜传感器，压电薄膜在受压时两端产生电压，电压随压力变化而变化，压力越大电压越大，压力不变，电压一定。压电薄膜与电容器C、电阻R组成图甲所示的回路。红灯亮时，如果汽车的前、后轮先后经过感应线，回路中会产生两个脉冲电流，如图乙所示，即视为“闯红灯”，电子眼自动拍照记录。则红灯亮时(　　)
对点题组练
A.车轮停在感应线上时电阻R上有恒定电流
B.车轮经过感应线的过程中，电容器先放电后充电
C.车轮经过感应线的过程中，电阻R上的电流一直
增大
D.汽车前轮刚越过感应线，又倒回到线内，会被电子眼拍照
解析　汽车停在感应线上时，汽车对压电薄膜的压力不变，电压恒定，电路中没有电流，A错误；车轮经过感应线时，电容器先充电后放电，电流不会一直增大，B、C错误；汽车前轮两次经过感应线，产生两个脉冲电流，所以会被电子眼拍照，D正确。
D
2.如图所示为一种常见的身高体重测量仪。测量仪顶部向下发射波速为v的超声波，超声波经反射后返回，被测量仪接收，测量仪记录发射和接收的时间间隔。质量为M0的测重台置于压力传感器上，传感器输出电压与作用在其上的压力成正比。当测重台没有站人时，测量仪记录的时间间隔为t0，输出电压为U0，某同学站上测重台，测量仪记录的时间间隔为t，输出电压为U，则该同学身高和质量分别为(　　)
D
题组二　电容式传感器及其应用
3.如图所示的电路可将声音信号转换为电信号，该电路中右侧固定不动的金属板b与能在声波驱动下沿水平方向振动的镀有金属层的振动膜a构成一个电容器，a、b通过导线与输出恒定的电源两极相接，若声源S发出强弱变化的声波时，则(　　)
A.a振动过程中，a、b板间的电场强度不变
B.a振动过程中，a、b板所带电荷量不变
C.a振动过程中，灵敏电流计中始终有方向不变的电流
D.a向右的位移最大时，a、b板所构成的电容器的电容最大
A
4.图甲为某厂商生产的电容式电子体重计，其内部电路简化图如图乙所示，称重时，人站在体重计面板上，使平行板上层膜片电极在压力作用下向下移动，则下列说法正确的是(　　)
A.上层膜片下移过程中，电流表有b到a的
电流
B.上层膜片下移过程中，电容器的电容增
大，上下极板间的电压增大
C.上层膜片下移过程中，电容器的电容增大，所带电荷量减小
D.上层膜片稳定后，平行板电容器上下极板均不带电荷
B
5.位移传感器的工作原理如图所示，物体M在导轨上平移时，带动滑动变阻器的金属滑片P移动，通过电压表显示的数据来反映物体M位移的大小x。假设电压表是理想电表，物体M不动时，滑片P位于滑动变阻器正中间位置，则下列说法正确的是(　　)
A.物体M运动时，电源内的电流会发生变化
B.物体M运动时，电压表的示数会发生变化
C.物体M不动时，电路中没有电流
D.物体M不动时，电压表没有示数
D
6.酒精测试仪已应用于全国各地查处司机是否酒驾的现场检测。有一种酒精测试仪利用的是二氧化锡半导体型传感器，若这种传感器电阻Rc的倒数与酒精气体的浓度成正比，那么，在如图所示的电路图中，正确反映电压表示数U与酒精气体浓度c之间对应关系的选项是(　　)
AC
7.(多选)(鲁科版教材P126节练习3改编)根据光敏电阻特性设计的自动计数器的电路图如图所示，其中R1为光敏电阻，R2为定值电阻，电源电动势和内阻恒定，信号处理系统会实时监测R2两端的电压，每获得一次低电压就记数一次。下列说法正确的是(　　)
A.有光照射时R1的阻值比无光照射时小
B.有光照射时R1两端的电压比无光照射时大
C.有光照射时电源两端的电压比无光照射时小
D.有光照射时R2消耗的电功率比无光照射时小
8.(2024·福建龙岩市高二统考期末)酒驾严重危害交通安全，喝酒不开车已经成为准则。某款酒精检测仪如图甲所示，核心部件为酒精气体传感器，其电阻R与酒精气体浓度c的关系如图乙所示。某同学想利用该酒精气体传感器设计一款酒精测量仪，除酒精气体传感器外，在实验室中找到如下器材，并设计如图丙所示的测量电路：
综合提升练
A.干电池组(电动势E ＝ 3.0 V，内阻r＝1.2 Ω)
B.电流表(满偏电流60 mA，内阻Rg＝4.8 Ω)
C.电阻箱R0(最大阻值9 999.9 Ω)
D.开关及导线若干
(1)如图丁所示，该同学想将酒精气体浓度为零的位置标注在表头20 mA处，则应将电阻箱R0的阻值调为________Ω。
(2)完成步骤(1)后，某次在实验室中试测酒精浓度时，表头指针如图丁所示。已知酒精浓度在0.2～ 0.8 mg/mL之间属于酒驾；酒精含量达到或超过0.8 mg/mL属于醉驾，则该次测试的酒精浓度属于________范围(选填“酒驾”或“醉驾”)。
(3)使用较长时间后，干电池组电动势降低，内阻增大，则此时所测的酒精气体浓度与真实值相比________(选填“偏大”“偏小”或“不变”)。
答案　(1)64.0　(2)酒驾　(3)偏小
解析　(1)表头G显示电流为20 mA，且由题图乙可知，当酒精气体浓度为零时，该气体传感器电阻R＝80 Ω，根据闭合电路欧姆定律可得
9.电子秤是人们生活中常用的一种称量工具。某同学根据所学知识制作了一台简易电子秤，原理图如图甲所示，图中电压表可视为理想电压表(量程为3 V)，滑动变阻器的滑片为P，最大阻值为R＝12 Ω，该同学用刻度尺测得滑动变阻器滑片能滑动范围的长度为L＝2 cm。
培优加强练
请回答下列问题。
(1)该同学先利用图乙所示电路测定电子秤里两节纽扣电池(如图丙)的电动势和内阻，根据多次测量得到的数据，作出的U′－I图像如图丁所示，可知这两节纽扣电池串联后的电动势为E＝________V，内阻为r＝________Ω。
(2)该同学想得到电压表的示数U与被测物体质量m之间的关系，设计了如下实验：
①调节图甲中滑片P的位置，使电压表的示数恰好为零；
②在托盘里缓慢加入细砂，直到滑片P恰好滑到滑动变阻器的b端，然后调节电阻箱R0，直到电压表达到满偏，实验过程中弹簧一直处于弹性限度内，则此时电阻箱的读数为R1＝________Ω；
③已知所用的弹簧的劲度系数为k＝1.96×103 N/m，重力加速度为g＝9.8 m/s2，则该电子秤所能称量的最大质量为m＝________kg。
(3)结合上面实验内容，可得电压表的示数U与被测物体质量m之间的关系式为U＝__________(用题目中给出的物理量符号表示)。
③滑片P滑到滑动变阻器的b端，弹簧的形变量增加了2 cm，由平衡条件有kΔx＝mg，则该电子秤所能称量的最大质量为m＝4 kg。

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