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第五章 传感器
第一节　传感器及其工作原理
第二节　传感器的应用
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（分值：100分）
1~6题每题8分，共48分
考点一　传感器及其工作原理
1.电梯是高层住宅用户必不可少的日常工具，但有些小朋友不懂事，总做出一些危险行为。某小朋友在电梯门口放了一障碍物，发现电梯门不停地开关，这是电梯门上安装了传感器的结果，他以此为乐，殊不知这种行为有一定的危险性。下列说法中正确的是（　　　　）
A.电梯门上安装了温度传感器
B.电梯门上安装了光传感器
C.电梯门上的传感器将温度信号转变为电信号
D.电梯门上的传感器将电信号转化为光信号
2.现代生活离不开智能手机，手机有很多功能需要传感器来实现。例如当人将手机靠近耳朵接听电话时，手机会自动关闭屏幕从而达到防误触的目的，实现这一功能可能用到的传感器为（　　　　）
A.光传感器和距离传感器
B.磁传感器和温度传感器
C.磁传感器和声传感器
D.压力传感器和加速度传感器
考点二　常见传感器及其应用
3.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
4.对于常见的可燃气体浓度的检测，现在一般用催化燃烧检测器。它的原理如下：传感器的核心为惠斯通电桥，其中一桥臂上有催化剂，当与可燃气体接触时，可燃气体在有催化剂的电桥上燃烧，该桥臂的电阻发生明显变化，其余桥臂的电阻不变化，从而引起整个电路的输出发生变化，而该变化与可燃气体的浓度成比例，从而实现对可燃气体的检测。由此可推断有催化剂的桥臂上的电阻材料为（　　　　）
A.铜 B.合金
C.半导体 D.绝缘体
5.（多选）陶瓷作为一种古老而又重要的工艺品，其制作过程中的温度掌控直接影响到陶瓷成品的质量。如图所示是制陶过程中一种监控温度的报警原理图，R为滑动变阻器，用来调节电路报警温度，调节完成后保持滑动触头不动。R0为定值电阻，RT为热敏电阻，热敏电阻的阻值随温度的升高而减小，当报警器两端的电压低于设定值时，报警器就会自动报警。针对此电路，下列说法正确的是（　　　　）
A.报警器的作用是防止制陶过程中温度过高
B.当制陶过程中温度升高时，电源的输出效率增加
C.当制陶过程中温度降低时，定值电阻R0上消耗的功率减小
D.如果使报警温度提高，需要将滑动变阻器R的滑动触头向左滑动
6.（多选）（2023·东莞市高二期末）如图所示是一种油箱内油面高度检测装置的示意图。图中油量表由电流表改装而成，金属杠杆的一端接浮标，另一端触点O接滑动变阻器R。当油箱内油面下降时，下列分析正确的有（　　　　）
A.触点O向下移动 B.触点O向上移动
C.电路中的电流增大了 D.电路中的电流减小了
7~10题每题10分，共40分
7.（多选）（2023·汕头市高二统考）有款市面上流行的指针式恒温“温奶器”，如图是其内部调温系统的工作示意图，温度的敏感元件是双金属片，在温度升高时上层金属的膨胀大于下层金属，可造成双金属片的形变。则关于该装置，下列说法正确的是（　　　　）
A.传感器工作的一般流程：电信息→敏感元件→处理电路→非电信息
B.电源刚接通时上下触点是接触的
C.若要提高温奶的温度，则应使调温旋钮下移一些
D.若要提高温奶的温度，则应使调温旋钮上移一些
8.（2023·江门市第二中学高二期中）如图甲所示，条形码扫描笔的原理是扫描笔头在条形码上匀速移动时，遇到黑色线条，发光二极管发出的光线将被吸收，光敏三极管接收不到反射光，呈高阻抗；遇到白色间隔，光线被反射到光敏三极管，三极管呈低阻抗。光敏三极管将条形码变成一个个电脉冲信号，信号经信号处理系统处理，即完成对条形码信息的识别，等效电路图如图乙所示，其中R为光敏三极管的等效电阻，R0为定值电阻，下列判断正确的是（　　　　）
A.当扫描笔头在黑色线条上移动时，信号处理系统获得高电压
B.当扫描笔头在白色间隔上移动时，信号处理系统获得高电压
C.扫描速度对信号处理系统接收到的电压信号无影响
D.扫描笔头外壳出现破损时仍然能正常工作
9.霍尔元件是应用于霍尔传感器的元件，是实际生活中的重要元件之一。如图所示为长度一定的霍尔元件，在该元件中通有方向从E到F的恒定电流I，在空间加一竖直向下的匀强磁场，磁感应强度大小为B，霍尔元件中的载流子为负电荷。则下列说法正确的是（　　　　）
A.该元件能把电学量转换为磁学量
B.左表面的电势高于右表面
C.如果用该元件测赤道处的磁场，应保持元件上表面呈水平状态
D.如果霍尔元件中的电流大小不变，则左、右表面的电势差与磁场的磁感应强度成正比
10.（2022·北京卷）某同学利用压力传感器设计水库水位预警系统。如图所示，电路中的R1和R2，其中一个是定值电阻，另一个是压力传感器（可等效为可变电阻）。水位越高，对压力传感器的压力越大，压力传感器的电阻值越小。当a、b两端的电压大于U1时，控制开关自动开启低水位预警；当a、b两端的电压小于U2（U1、U2为定值）时，控制开关自动开启高水位预警。下列说法正确的是（　　　　）
A.U1B.R2为压力传感器
C.若定值电阻的阻值越大，开启高水位预警时的水位越低
D.若定值电阻的阻值越大，开启低水位预警时的水位越高
11.（12分）（2023·江门市棠下中学高二月考）半导体型呼气酒精测试仪采用氧化锡半导体作为传感器。如图甲所示是该测试仪的原理图。图中R1为定值电阻，酒精气体传感器R2的电阻值随酒精气体浓度的增大而减小。
（1）（4分）驾驶员呼出的酒精气体浓度越大，电压表的读数越　　　　（填“大”或“小”）。
（2）（4分）如图乙所示为酒精气体传感器R2的电阻值随酒精气体浓度变化的关系曲线。则酒精气体浓度为0时R2的阻值为　　　　 Ω。若某司机呼气时酒精气体浓度为100 mg/m3，此时R2的阻值为　　　　 Ω。
（3）（4分）现有一个电源，电动势为4.8 V，内阻为1 Ω；电压表量程为5 V，内阻很大；定值电阻R1的阻值为60 Ω；导线若干。按图甲所示电路图把电压表改装成酒精浓度表，则酒精气体浓度为0的刻度线应刻在电压刻度线为　　　　 V处；酒精气体浓度为50 mg/m3应刻在电压刻度线为　　　　 V处。（均保留2位小数）
答案精析
1.B　［电梯能够识别障碍物，并不断开关电梯门，是因为电梯门安装了光传感器，这个传感器能够将光信号转变为电信号，故B正确，A、C、D错误。］
2.A　［当人将手机靠近耳朵接听电话时，改变了距离，并且耳朵会挡住光线，所以可能用到的传感器为光传感器和距离传感器，A正确，B、C、D错误。］
3.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的运动而变化，物体M不动时，电压表仍有示数，故B正确，D错误。］
4.C　［由题意可知，该电阻为热敏电阻，热敏电阻由半导体材料制成，故C正确，A、B、D错误。］
5.AD　［因为报警器两端的电压低于设定值时，报警器就会自动报警，即热敏电阻的阻值低于某一阻值，即温度高于某一温度时，报警器会自动报警，故A正确；当温度升高时，外电阻减小，电源的输出效率降低，故B错误；当温度降低时，热敏电阻阻值增大，总电阻增大，干路电流减小，R两端电压减小，电源内电压减小，路端电压增大，故并联部分两端的电压增大，定值电阻R0上消耗的功率增加，故C错误；如果使报警温度提高，需要在提高温度后，报警器上的报警电压与之前相等，热敏电阻的阻值减小了，则回路的电流要增加，滑动变阻器的阻值要减小，所以滑动触头需要向左滑动，故D正确。］
6.BD　［当油面下降时，浮标位置降低，在杠杆作用下，滑动变阻器的触点O向上移动，滑动变阻器连入电路的阻值变大，根据闭合电路欧姆定律，可知电路中的电流变小，故选B、D。］
7.BC　［传感器工作的一般流程：非电信息→敏感元件→处理电路→电信息，故A错误；电源刚接通时上下触点是接触的，电热丝电路为通路，温度升高到某值，由于上层金属的膨胀大于下层金属，触点断开，停止加热，故B正确；若要提高温奶的温度，则应使调温旋钮下移一些，使弹性铜片和双金属片更近一些，温度更高一些时，触点才断开，故C正确，D错误。］
8.B　［信号处理系统获得的电压是R0两端的电压，当扫描笔头在黑色线条上移动时，R相当于大电阻，根据闭合电路欧姆定律，回路电流很小，R0两端的电压很低，信号处理系统获得低电压；当扫描笔头在白色间隔上移动时，R相当于小电阻，回路电流较大，R0两端的电压较高，信号处理系统获得高电压，A错误，B正确；如果扫描速度发生变化，在信号处理系统中高低电压的时间间隔就会发生变化，从而无法正确判断黑、白条纹宽度，可能出现错误识别信息，C错误；扫描笔头外壳出现破损时，外面的光就会进入光敏三极管，从而出现错误信息，导致不能正常工作，D错误。］
9.D　［霍尔元件把磁学量转换为电学量，A错误；由于霍尔元件中的载流子为负电荷，由左手定则可知负电荷向左表面偏转，则右表面的电势高，B错误；如果用该元件测赤道处的磁场，由于地磁场与水平面平行，因此如果霍尔元件的上表面保持水平，则左、右表面间无电压产生，C错误；根据qvB=q得，U=Bdv，又I=nqSv，联立解得U=，可知保持电流大小不变，则左、右表面的电势差与磁场的磁感应强度成正比，D正确。］
10.C　［由题意可知水位越高，对压力传感器的压力越大，压力传感器的电阻值越小。控制开关自动开启低水位预警，此时水位较低，压力传感器的电阻值较大，由于a、b两端此时的电压大于U1，根据串联电路电压分布特点可知，R1为压力传感器，故高水位时压力传感器的电阻值变小，压力传感器R1两端电压变小，U1>U2，A、B错误；根据闭合电路欧姆定律可知，a、b两端的电压为U=R1=，若定值电阻的阻值越大，当开启低水位预警a、b两端的电压大于U1时，压力传感器R1阻值越大，水位越低；当a、b两端的电压小于U2开启高水位预警时，压力传感器R1阻值越大，水位越低，C正确，D错误。］
11.（1）大　（2）60　26或27
（3）2.38　2.85
解析　（1）由题意知，酒精气体浓度越大，传感器阻值越小，回路中电流越大，可知，电压表读数越大。
（2）由题图乙可知：酒精气体浓度为0时R2的阻值为60 Ω；
酒精气体浓度为100 mg/m3时R2的阻值为26 Ω或27 Ω。
（3）按题图甲所示电路图把电压表改装成酒精浓度表，则酒精气体浓度为0时，电阻R2阻值最大为60 Ω，此时
UR1== V
≈2.38 V
则0刻度线应刻在电压刻度线为2.38 V处；
酒精气体浓度为50 mg/m3时，电阻R2阻值为40 Ω，此时
UR1'== V
≈2.85 V
酒精气体浓度为50 mg/m3应刻在电压刻度线为2.85 V处。第一节　传感器及其工作原理
第二节　传感器的应用
［学习目标］　1.知道什么是传感器，知道传感器的组成（重点）。2.了解传感器的分类（重点）。3.知道温度传感器、光电传感器的原理及应用（难点）。4.了解传感器在生活、工业、农业及航空航天中的应用。
一、传感器
干簧管结构：如图甲所示，玻璃管内封入了两个软磁性材料制成的簧片，接入图乙电路，当条形磁铁靠近干簧管时：
（1）会发生什么现象，为什么？
（2）干簧管的作用是什么？
1.传感器
（1）定义：能够感受到被测量的信息，并将其按照一定的规律转化为　　　　　　　　的器件或装置。
（2）功能：通常是将　　　　　　量转化为　　　　量。
2.传感器的组成
传感器一般由　　　　　　　　、　　　　　　　　、　　　　　　　　三部分组成。
传感器的组成框图：
敏感元件 转换元件 转换电路
（1）敏感元件：相当于人的感觉器官，是传感器的核心部分，是利用材料的某种敏感效应（如热敏、光敏、压敏、力敏、湿敏等）制成的。
（2）转换元件：是传感器中能将敏感元件输出的物理量转换成　　　　的电子元件。
（3）转换电路：将转换元件输出的电学量转换成易于测量的　　　　，如电压、电流、电阻等。
3.传感器的分类
根据检测量的不同，传感器分为　　　　　传感器、　　　　　传感器和　　　　　传感器等。
（1）物理传感器主要利用被测物理量变化时，敏感元件的电学量发生明显变化的特性制成。常见的有：　　　　　　传感器、　　　　　传感器、　　　　　传感器、　　　　　传感器等。
（2）化学传感器主要是基于化学反应的原理，将化学物质的成分、浓度等化学信息转化为电学量的传感器。
（3）生物传感器是一种基于酶、抗体和激素等分子识别功能，并将其转换为电信号进行检测的传感器。
例1　关于传感器，下列说法正确的是（　　）
A.所有传感器都是由半导体材料制成的
B.金属材料也可以制成传感器
C.传感器主要是通过感知电压的变化来传递信号的
D.水银温度计是一种传感器
例2　在多种检测三聚氰胺的方法中有一种“酶标法检测”，这种检测方法使用的传感器，应为传感器中的（　　）
A.物理传感器 B.化学传感器
C.生物传感器 D.温度传感器
二、温度传感器的原理
1.温度传感器是一种将　　　　　　　　转换为电学量变化的装置。
2.常见温度传感器的敏感元件有　　　　电阻、热电偶、热双金属片等。
3.热敏电阻
（1）热敏电阻指用半导体材料制成，电阻值随温度变化发生明显变化的电阻。如图中图线所示为某热敏电阻的电阻—温度特性曲线。
（2）热敏电阻的分类
①正温度系数热敏电阻，它的阻值随温度的上升而增加；②负温度系数热敏电阻，它的阻值随温度的上升而下降；③临界温度系数热敏电阻，它的阻值在很小的范围内急剧下降。
将多用电表的选择开关置于欧姆挡，再将多用电表的两支表笔与负温度系数热敏电阻RT（温度升高时电阻减小）的两端相连，这时表针恰好指在刻度盘的正中央。若在RT上擦一些酒精，多用电表指针将如何偏转？若用吹风机将热风吹向热敏电阻，多用电表指针将如何偏转？
例3　（多选）金属热电阻和热敏电阻都能把温度这个热学量转换为电阻这个电学量，所以都可以用于制作温度传感器。它们的电阻随温度的变化规律如图所示。下列说法正确的是（　　）
A.图线a是金属热电阻的电阻随温度变化的曲线，用它来测量温度，测量范围大，稳定性好
B.图线a是金属热电阻的电阻随温度变化的曲线，它的电阻随温度的变化非常明显
C.图线b是热敏电阻的电阻随温度变化的曲线，用它来测量温度，测量范围大，稳定性好
D.图线b是热敏电阻的电阻随温度变化的曲线，它的电阻随温度的变化非常明显
例4　某同学设计的散热排风控制电路如图所示，M为排风扇，R0是半导体热敏电阻，其阻值随温度升高而减小，R是可变电阻。控制开关电路具有下列特性：当电压表示数小于某一数值U时，控制开关处于断路状态；当电压表示数大于U时，控制开关接通电路，M开始运转。电路两端的电压U0恒定，下列说法中正确的是（　　）
A.环境温度升高时，电压表示数变小
B.可变电阻R阻值调大时，电压表示数变大
C.可变电阻R阻值调小时，排风扇开始工作的临界温度降低
D.若用金属热电阻代替半导体热敏电阻，电路仍能正常工作
三、光电传感器的原理
1.光电传感器是一种能够感受光信号，并按照一定规律把光信号转化成　　　　　　的传感器。
2.　　　　　　　　是光电传感器的敏感元件。一般用半导体材料制成。无光照射时，光敏电阻的阻值较大；有光照射时，光敏电阻的阻值较小，并且随着光照强度的增强而减小。
3.光敏电阻可以将光照强度这一光学量转化为电阻这一电学量。
在工厂生产车间的生产线上安装计数器后，就可以准确得知生产产品的数量，如图所示为光敏电阻自动计数器的示意图，其中R1为光敏电阻，R2为定值电阻。此光电计数器的基本工作原理是什么？
例5　（2023·佛山市高二期中）智能手机屏幕的光线过强会对眼睛有害，因此手机都有一项可以调节亮度的功能，该功能既可以自动调节，也可以手动调节。某兴趣小组为了模拟该功能，设计了如图所示的电路。已知光敏电阻在光照增强时，电阻会减小。闭合开关，下列说法正确的是（　　）
A.仅光照变强，小灯泡变暗
B.仅光照变弱，小灯泡亮度不变
C.仅将滑片向a端滑动，小灯泡变暗
D.仅将滑片向b端滑动，小灯泡变暗
四、传感器的应用
1.生活中的传感器
（1）电饭煲、电冰箱、微波炉、空调机、消毒碗柜等都要用到　　　　传感器。
（2）自动门、家电遥控器、非接触红外测温仪以及防盗、防火报警器等，均使用了　　　　传感器。
（3）照相机中的光敏传感器、家用便携式电子秤的　　　　传感器。
2.农业生产中的传感器
（1）无人管理的自动喷灌系统，利用　　　　传感器判断农田的水分蒸发情况，自动执行供水或停水。
（2）自动化温室种植在　　　　传感器的帮助下实现自动控温。
3.工业生产中的传感器
在工业生产中，由于传感器的大量使用，实现了生产的　　　　或　　　　　　　　，大大减轻了人们的劳动强度，同时提高了产品质量，降低了产品成本。
4.航天航空中的传感器
（1）在航天航空技术领域，大量的传感器被应用于运载火箭、载人飞船、卫星的遥测和遥控中，对控制航天器的姿态、　　　　和　　　　信息、收集太空数据等起着关键性作用。
（2）在载人飞船中还会使用一类测量航天员各种生理指标的　　　　传感器，用于测量航天员的血压、心电图、体温等。
例6　（多选）如图甲所示是电饭锅的电路图，S1是一个限温开关，其内部结构如图乙所示，按下此开关按钮，两触点闭合，当温度达到居里点（103 ℃）时此开关会自动断开。S2是一个自动温控开关，当温度低于70 ℃时会自动闭合，温度高于80 ℃时会自动断开，R1是限流电阻，R2是加热电阻。下列说法正确的是（　　）
A.当感温磁体的温度达到居里点（103 ℃）时，由于感温磁体失去了磁性，不能被永磁体吸引，在弹簧的作用下，两触点断开
B.开始煮饭时不按下限温开关S1，一样可以把饭煮熟
C.电饭锅的饭煮熟后可以长时间保持米饭的温度在70 ℃到80 ℃之间
D.用电饭锅烧水，当水沸腾后限温开关S1也会自动断开
例7　压敏电阻的阻值随所受压力的增大而减小，有位同学设计了利用压敏电阻判断竖直升降机运动状态的装置，其工作原理图如图甲所示，将压敏电阻固定在升降机底板上，其上放置一个物块，在升降机运动的过程中，电流表示数如图乙所示，已知升降机静止时电流表的示数为I1。下列判断正确的是（　　）
A.0到t1时间内，升降机一定静止
B.t1到t2时间内，升降机可能做匀加速直线运动
C.t1到t2时间内，升降机运动时的加速度在变化
D.t2到t3时间内，升降机可能向下匀速运动
答案精析
一、
（1）灯泡会亮，因为当条形磁铁靠近干簧管时，两个簧片被磁化而接通。
（2）干簧管起到开关的作用，是一种能够感知磁场的传感器。
梳理与总结
1.（1）可用信号　（2）非电学　电学
2.敏感元件　转换元件　转换电路　（2）电学量
（3）电学量
3.物理　化学　生物
（1）压电　光电　加速度　温度
例1　B　［传感器材料分为半导体材料、陶瓷材料、金属材料和有机材料等，A错误，B正确；传感器是通过把非电学量转换成电学量来传递信号的，C错误；水银温度计根据热胀冷缩来测量温度，不是传感器，D错误。］
例2　C　［这种检测三聚氰胺的方法为酶标法，所以其原理应该是利用了生物酶，故应为生物传感器，C正确。］
二、
1.温度变化　2.热敏
讨论与交流
由于酒精挥发，热敏电阻RT温度降低，电阻值增大，多用电表指针将向左偏；用吹风机将热风吹向热敏电阻，热敏电阻RT温度升高，电阻值减小，多用电表指针将向右偏。
例3　AD　［金属热电阻的电阻率会随温度的升高而增大，所以电阻也会随温度的升高而增大，为图线a，由于它的电阻与温度呈线性关系，随温度的变化不是非常明显，所以用它来测量温度，测量范围大，稳定性好，故选项A正确，选项B错误；图线b是热敏电阻的电阻随温度变化的曲线，它的电阻随温度的变化非常明显，测温范围小，故选项C错误，选项D正确。］
例4　B　［当环境温度升高时，半导体热敏电阻R0阻值减小，则电路中的电流增大，可变电阻R两端的电压增大，电压表示数变大，故A错误；
可变电阻R阻值调大时，可变电阻R的分压变大，则电压表示数变大，故B正确；
可变电阻R阻值调小时，电压表示数变小；需要升高临界温度减小热敏电阻阻值，使电压表示数大于U，控制开关接通电路，M开始运转，排风扇开始工作，故C错误；
若用金属热电阻代替半导体热敏电阻，当温度升高时，其阻值增大，导致电压表示数变小，则开关会处于断开状态，起不到散热排风的作用，故D错误。］
三、
1.电信号　2.光敏电阻
讨论与交流
当光被产品挡住时，R1电阻增大，电路中电流减小，R2两端电压减小，信号处理系统得到低电压，每通过一个产品就获得一次低电压，并计数一次。
例5　D　［仅光照变强，光敏电阻阻值减小，由闭合电路欧姆定律可知，电路中电流增大，小灯泡变亮，故A错误；仅光照变弱，光敏电阻阻值增大，由闭合电路欧姆定律可知，电路中电流减小，小灯泡变暗，故B错误；仅将滑片向a端滑动，滑动变阻器接入电路中的阻值变小，由闭合电路欧姆定律可知，电路中电流增大，小灯泡变亮，故C错误；仅将滑片向b端滑动，滑动变阻器接入电路中的阻值变大，由闭合电路欧姆定律可知，电路中电流减小，小灯泡变暗，故D正确。］
四、
1.（1）温度　（2）红外线　（3）压力
2.（1）湿度　（2）温度　3.自动化　半自动化
4.（1）接收　发送　（2）生理
例6　AC
例7　C　［0~t1时间内，电流不变，根据闭合电路的欧姆定律可知电路中的总阻值不变，由于电流大小为I1，升降机可能静止也可能匀速运动，故A错误；t1~t2时间内，电流增大，则电阻减小，因为压敏电阻的阻值随所受压力的增大而减小，所以压力增大，由牛顿第三定律得物块受到的支持力逐渐增大，根据牛顿第二定律有FN-mg=ma，合力向上，加速度向上且逐渐增大，故B错误，C正确；t2~t3时间内电流不变，电阻不变，压力不变，电流大于静止时的电流，压力大于静止时的压力，物块受重力和支持力，根据牛顿第二定律有FN'-mg=ma'，合力向上，加速度向上且大小不变，所以t2~t3时间内升降机匀加速上升或匀减速下降，故D错误。］(共60张PPT)
DIWUZHANG
第五章
第一节　传感器及其工作原理
第二节　传感器的应用
1.知道什么是传感器，知道传感器的组成(重点)。
2.了解传感器的分类(重点)。
3.知道温度传感器、光电传感器的原理及应用(难点)。
4.了解传感器在生活、工业、农业及航空航天中的应用。
学习目标
一、传感器
二、温度传感器的原理
课时对点练
内容索引
三、光电传感器的原理
四、传感器的应用
传感器
一
干簧管结构：如图甲所示，玻璃管内封入了两个软磁性材料制成的簧片，接入图乙电路，当条形磁铁靠近干簧管时：
(1)会发生什么现象，为什么？
答案　灯泡会亮，因为当条形磁铁靠近干簧管时，两个簧片被磁化而接通。
(2)干簧管的作用是什么？
答案　干簧管起到开关的作用，是一种能够感知磁场的传感器。
1.传感器
(1)定义：能够感受到被测量的信息，并将其按照一定的规律转化为_____
_____的器件或装置。
(2)功能：通常是将 量转化为 量。
2.传感器的组成
传感器一般由 、 、 三部分组成。
梳理与总结
可用
信号
非电学
电学
敏感元件
转换元件
转换电路
传感器的组成框图：
(1)敏感元件：相当于人的感觉器官，是传感器的核心部分，是利用材料的某种敏感效应(如热敏、光敏、压敏、力敏、湿敏等)制成的。
(2)转换元件：是传感器中能将敏感元件输出的物理量转换成 的电子元件。
(3)转换电路：将转换元件输出的电学量转换成易于测量的 ，如电压、电流、电阻等。
电学量
电学量
3.传感器的分类
根据检测量的不同，传感器分为 传感器、 传感器和 传感
器等。
(1)物理传感器主要利用被测物理量变化时，敏感元件的电学量发生明显变化的特性制成。常见的有： 传感器、 传感器、 传感器、 传感器等。
(2)化学传感器主要是基于化学反应的原理，将化学物质的成分、浓度等化学信息转化为电学量的传感器。
(3)生物传感器是一种基于酶、抗体和激素等分子识别功能，并将其转换为电信号进行检测的传感器。
物理
化学
生物
压电
光电
加速度
温度
　关于传感器，下列说法正确的是
A.所有传感器都是由半导体材料制成的
B.金属材料也可以制成传感器
C.传感器主要是通过感知电压的变化来传递信号的
D.水银温度计是一种传感器
例1
√
传感器材料分为半导体材料、陶瓷材料、金属材料和有机材料等，A错误，B正确；
传感器是通过把非电学量转换成电学量来传递信号的，C错误；
水银温度计根据热胀冷缩来测量温度，不是传感器，D错误。
　在多种检测三聚氰胺的方法中有一种“酶标法检测”，这种检测方法使用的传感器，应为传感器中的
A.物理传感器 B.化学传感器
C.生物传感器 D.温度传感器
例2
√
这种检测三聚氰胺的方法为酶标法，所以其原理应该是利用了生物酶，故应为生物传感器，C正确。
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温度传感器的原理
二
1.温度传感器是一种将 转换为电学量变化的装置。
2.常见温度传感器的敏感元件有 电阻、热电偶、热双金属片等。
3.热敏电阻
(1)热敏电阻指用半导体材料制成，电阻值随温度变化发
生明显变化的电阻。如图中图线所示为某热敏电阻的电
阻—温度特性曲线。
(2)热敏电阻的分类
①正温度系数热敏电阻，它的阻值随温度的上升而增加；②负温度系数热敏电阻，它的阻值随温度的上升而下降；③临界温度系数热敏电阻，它的阻值在很小的范围内急剧下降。
温度变化
热敏
将多用电表的选择开关置于欧姆挡，再将多用电表的两支表笔与负温度系数热敏电阻RT(温度升高时电阻减小)的两端相连，这时表针恰好指在刻度盘的正中央。若在RT上擦一些酒精，多用电表指针将如何偏转？若用吹风机将热风吹向热敏电阻，多用电表指针将如何偏转？
讨论与交流
答案　由于酒精挥发，热敏电阻RT温度降低，电阻值增大，多用电表指针将向左偏；用吹风机将热风吹向热敏电阻，热敏电阻RT温度升高，电阻值减小，多用电表指针将向右偏。
　(多选)金属热电阻和热敏电阻都能把温度这个热学量转换为电阻这个电学量，所以都可以用于制作温度传感器。它们的电阻随温度的变化规律如图所示。下列说法正确的是
A.图线a是金属热电阻的电阻随温度变化的曲线，用它来测量
温度，测量范围大，稳定性好
B.图线a是金属热电阻的电阻随温度变化的曲线，它的电阻随温度的变化非常
明显
C.图线b是热敏电阻的电阻随温度变化的曲线，用它来测量温度，测量范围大，
稳定性好
D.图线b是热敏电阻的电阻随温度变化的曲线，它的电阻随温度的变化非常明显
例3
√
√
金属热电阻的电阻率会随温度的升高而增大，所以电
阻也会随温度的升高而增大，为图线a，由于它的电
阻与温度呈线性关系，随温度的变化不是非常明显，
所以用它来测量温度，测量范围大，稳定性好，故选项A正确，选项B错误；
图线b是热敏电阻的电阻随温度变化的曲线，它的电阻随温度的变化非常明显，测温范围小，故选项C错误，选项D正确。
　某同学设计的散热排风控制电路如图所示，M为排风扇，R0是半导体热敏电阻，其阻值随温度升高而减小，R是可变电阻。控制开关电路具有下列特性：当电压表示数小于某一数值U时，控制开关处于断路状态；当电压表示数大于U时，控制开关接通电路，M开始运转。电路两端的电压U0恒定，下列说法中正确的是
A.环境温度升高时，电压表示数变小
B.可变电阻R阻值调大时，电压表示数变大
C.可变电阻R阻值调小时，排风扇开始工作的临界温度降低
D.若用金属热电阻代替半导体热敏电阻，电路仍能正常工作
例4
√
当环境温度升高时，半导体热敏电阻R0阻值减小，
则电路中的电流增大，可变电阻R两端的电压增
大，电压表示数变大，故A错误；
可变电阻R阻值调大时，可变电阻R的分压变大，则电压表示数变大，故B正确；
可变电阻R阻值调小时，电压表示数变小；需要升高临界温度减小热敏电阻阻值，使电压表示数大于U，控制开关接通电路，M开始运转，排风扇开始工作，故C错误；
若用金属热电阻代替半导体热敏电阻，当温度升高时，其阻值增大，导致电压表示数变小，则开关会处于断开状态，起不到散热排风的作用，故D错误。
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光电传感器的原理
三
1.光电传感器是一种能够感受光信号，并按照一定规律把光信号转化成
的传感器。
2. 是光电传感器的敏感元件。一般用半导体材料制成。无光照射时，光敏电阻的阻值较大；有光照射时，光敏电阻的阻值较小，并且随着光照强度的增强而减小。
3.光敏电阻可以将光照强度这一光学量转化为电阻这一电学量。
电信号
光敏电阻
在工厂生产车间的生产线上安装计数器后，就可以准确得知生产产品的数量，如图所示为光敏电阻自动计数器的示意图，其中R1为光敏电阻，R2为定值电阻。此光电计数器的基本工作原理是什么？
讨论与交流
答案　当光被产品挡住时，R1电阻增大，电路中电流减小，R2两端电压减小，信号处理系统得到低电压，每通过一个产品就获得一次低电压，并计数一次。
　(2023·佛山市高二期中)智能手机屏幕的光线过强会对眼睛有害，因此手机都有一项可以调节亮度的功能，该功能既可以自动调节，也可以手动调节。某兴趣小组为了模拟该功能，设计了如图所示的电路。已知光敏电阻在光照增强时，电阻会减小。闭合开关，下列说法正确的是
A.仅光照变强，小灯泡变暗
B.仅光照变弱，小灯泡亮度不变
C.仅将滑片向a端滑动，小灯泡变暗
D.仅将滑片向b端滑动，小灯泡变暗
例5
√
仅光照变强，光敏电阻阻值减小，由闭合电路欧
姆定律可知，电路中电流增大，小灯泡变亮，故
A错误；
仅光照变弱，光敏电阻阻值增大，由闭合电路欧
姆定律可知，电路中电流减小，小灯泡变暗，故B错误；
仅将滑片向a端滑动，滑动变阻器接入电路中的阻值变小，由闭合电路欧姆定律可知，电路中电流增大，小灯泡变亮，故C错误；
仅将滑片向b端滑动，滑动变阻器接入电路中的阻值变大，由闭合电路欧姆定律可知，电路中电流减小，小灯泡变暗，故D正确。
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传感器的应用
四
1.生活中的传感器
(1)电饭煲、电冰箱、微波炉、空调机、消毒碗柜等都要用到 传感器。
(2)自动门、家电遥控器、非接触红外测温仪以及防盗、防火报警器等，均使用了 传感器。
(3)照相机中的光敏传感器、家用便携式电子秤的 传感器。
2.农业生产中的传感器
(1)无人管理的自动喷灌系统，利用 传感器判断农田的水分蒸发情况，自动执行供水或停水。
(2)自动化温室种植在 传感器的帮助下实现自动控温。
温度
红外线
压力
湿度
温度
3.工业生产中的传感器
在工业生产中，由于传感器的大量使用，实现了生产的 或______
，大大减轻了人们的劳动强度，同时提高了产品质量，降低了产品成本。
4.航天航空中的传感器
(1)在航天航空技术领域，大量的传感器被应用于运载火箭、载人飞船、卫星的遥测和遥控中，对控制航天器的姿态、 和 信息、收集太空数据等起着关键性作用。
(2)在载人飞船中还会使用一类测量航天员各种生理指标的 传感器，用于测量航天员的血压、心电图、体温等。
自动化
半自
动化
接收
发送
生理
　(多选)如图甲所示是电饭锅的电路图，S1是一个限温开关，其内部结构如图乙所示，按下此开关按钮，两触点闭合，当温度达到居里点(103 ℃)时此开关会自动断开。S2是一个自动温控开关，当温度低于70 ℃时会自动闭合，温度高于80 ℃时会自动断开，R1是限流电阻，R2是加热电阻。下列说法正确的是
A.当感温磁体的温度达到居里点(103 ℃)时，由于感温磁体失去了磁性，不能
被永磁体吸引，在弹簧的作用下，两触点断开
B.开始煮饭时不按下限温开关S1，一样可以把
饭煮熟
C.电饭锅的饭煮熟后可以长时间保持米饭的温
度在70 ℃到80 ℃之间
D.用电饭锅烧水，当水沸腾后限温开关S1也会自动断开
例6
√
√
当感温磁体的温度达到居里点(103 ℃)时，
由于感温磁体失去了磁性，不能被永磁体
吸引，从而在弹簧的作用下，使得两触点
断开，选项A正确。
如果开始煮饭时不按下限温开关S1，由于S2的作用，当锅内温度低于70 ℃时S2会自动闭合，从而对锅加热，但当温度高于80 ℃时S2会自动断开，使电饭锅处于保温状态，因此锅内的温度控制在70 ℃到80 ℃之间，而无法将饭煮熟，所以选项B错误，C正确。
用电饭锅烧水，水沸腾后水的温度会保持100 ℃不变，锅底温度不能达到居里点(103 ℃)，因此限温开关S1不会自动断开，选项D错误。
　压敏电阻的阻值随所受压力的增大而减小，有位同学设计了利用压敏电阻判断竖直升降机运动状态的装置，其工作原理图如图甲所示，将压敏电阻固定在升降机底板上，其上放置一个物块，在升降机运动的过程中，电流表示数如图乙所示，已知升降机静止时电流表的示数为I1。下列判断正确的是
A.0到t1时间内，升降机一定静止
B.t1到t2时间内，升降机可能做匀加速直线运动
C.t1到t2时间内，升降机运动时的加速度在变化
D.t2到t3时间内，升降机可能向下匀速运动
例7
√
0~t1时间内，电流不变，根据闭合电路的
欧姆定律可知电路中的总阻值不变，由于
电流大小为I1，升降机可能静止也可能匀
速运动，故A错误；
t1~t2时间内，电流增大，则电阻减小，因为压敏电阻的阻值随所受压力的增大而减小，所以压力增大，由牛顿第三定律得物块受到的支持力逐渐增大，根据牛顿第二定律有FN-mg=ma，合力向上，加速度向上且逐渐增大，故B错误，C正确；
t2~t3时间内电流不变，电阻不变，压力不
变，电流大于静止时的电流，压力大于静
止时的压力，物块受重力和支持力，根据
牛顿第二定律有FN'-mg=ma'，合力向上，
加速度向上且大小不变，所以t2~t3时间内升降机匀加速上升或匀减速下降，故D错误。
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课时对点练
五
考点一　传感器及其工作原理
1.电梯是高层住宅用户必不可少的日常工具，但有些小朋友不懂事，总做出一些危险行为。某小朋友在电梯门口放了一障碍物，发现电梯门不停地开关，这是电梯门上安装了传感器的结果，他以此为乐，殊不知这种行为有一定的危险性。下列说法中正确的是
A.电梯门上安装了温度传感器
B.电梯门上安装了光传感器
C.电梯门上的传感器将温度信号转变为电信号
D.电梯门上的传感器将电信号转化为光信号
基础对点练
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电梯能够识别障碍物，并不断开关电梯门，是因为电梯门安装了光传感器，这个传感器能够将光信号转变为电信号，故B正确，A、C、D错误。
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2.现代生活离不开智能手机，手机有很多功能需要传感器来实现。例如当人将手机靠近耳朵接听电话时，手机会自动关闭屏幕从而达到防误触的目的，实现这一功能可能用到的传感器为
A.光传感器和距离传感器
B.磁传感器和温度传感器
C.磁传感器和声传感器
D.压力传感器和加速度传感器
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当人将手机靠近耳朵接听电话时，改变了距离，并且耳朵会挡住光线，所以可能用到的传感器为光传感器和距离传感器，A正确，B、C、D错误。
考点二　常见传感器及其应用
3.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
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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的运动而变化，物体M不动时，电压表仍有示数，故B正确，D错误。
4.对于常见的可燃气体浓度的检测，现在一般用催化燃烧检测器。它的原理如下：传感器的核心为惠斯通电桥，其中一桥臂上有催化剂，当与可燃气体接触时，可燃气体在有催化剂的电桥上燃烧，该桥臂的电阻发生明显变化，其余桥臂的电阻不变化，从而引起整个电路的输出发生变化，而该变化与可燃气体的浓度成比例，从而实现对可燃气体的检测。由此可推断有催化剂的桥臂上的电阻材料为
A.铜 B.合金
C.半导体 D.绝缘体
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由题意可知，该电阻为热敏电阻，热敏电阻由半导体材料制成，故C正确，A、B、D错误。
5.(多选)陶瓷作为一种古老而又重要的工艺品，其制作过程中的温度掌控直接影响到陶瓷成品的质量。如图所示是制陶过程中一种监控温度的报警原理图，R为滑动变阻器，用来调节电路报警温度，调节完成后保持滑动触头不动。R0为定值电阻，RT为热敏电阻，热敏电阻的阻值随温度的升高而减小，当报警器两端的电压低于设定值时，报警器就会自动报警。针对此电路，下列说法正确的是
A.报警器的作用是防止制陶过程中温度过高
B.当制陶过程中温度升高时，电源的输出效率增加
C.当制陶过程中温度降低时，定值电阻R0上消耗的功率减小
D.如果使报警温度提高，需要将滑动变阻器R的滑动触头向左滑动
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因为报警器两端的电压低于设定值时，报警器就会
自动报警，即热敏电阻的阻值低于某一阻值，即温
度高于某一温度时，报警器会自动报警，故A正确；
当温度升高时，外电阻减小，电源的输出效率降低，故B错误；
当温度降低时，热敏电阻阻值增大，总电阻增大，干路电流减小，R两端电压减小，电源内电压减小，路端电压增大，故并联部分两端的电压增大，定值电阻R0上消耗的功率增加，故C错误；
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如果使报警温度提高，需要在提高温度后，报警器
上的报警电压与之前相等，热敏电阻的阻值减小了，
则回路的电流要增加，滑动变阻器的阻值要减小，
所以滑动触头需要向左滑动，故D正确。
6.(多选)(2023·东莞市高二期末)如图所示是一种油箱内油面高度检测装置的示意图。图中油量表由电流表改装而成，金属杠杆的一端接浮标，另一端触点O接滑动变阻器R。当油箱内油面下降时，下列分析正确的有
A.触点O向下移动
B.触点O向上移动
C.电路中的电流增大了
D.电路中的电流减小了
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当油面下降时，浮标位置降低，在杠杆作用下，滑动变阻器的触点O向上移动，滑动变阻器连入电路的阻值变大，根据闭合电路欧姆定律，可知电路中的电流变小，故选B、D。
7.(多选)(2023·汕头市高二统考)有款市面上流行的指针式恒温“温奶器”，如图是其内部调温系统的工作示意图，温度的敏感元件是双金属片，在温度升高时上层金属的膨胀大于下层金属，可造成双金属片的形变。则关于该装置，下列说法正确的是
A.传感器工作的一般流程：电信息→敏感元件→处
理电路→非电信息
B.电源刚接通时上下触点是接触的
C.若要提高温奶的温度，则应使调温旋钮下移一些
D.若要提高温奶的温度，则应使调温旋钮上移一些
能力综合练
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传感器工作的一般流程：非电信息→敏感元件
→处理电路→电信息，故A错误；
电源刚接通时上下触点是接触的，电热丝电路
为通路，温度升高到某值，由于上层金属的膨
胀大于下层金属，触点断开，停止加热，故B正确；
若要提高温奶的温度，则应使调温旋钮下移一些，使弹性铜片和双金属片更近一些，温度更高一些时，触点才断开，故C正确，D错误。
8.(2023·江门市第二中学高二期中)如图甲所示，条形码扫描笔的原理是扫描笔头在条形码上匀速移动时，遇到黑色线条，发光二极管发出的光线将被吸收，光敏三极管接收不到反射光，呈高阻抗；遇到白色间隔，光线被反射到光敏三极管，三极管呈低阻抗。光敏三极管将条形码变成一个个电脉冲信号，信号经信号处理系统处理，即完成对条形码信息的识别，等效电路图如图乙所示，其中R为光敏三极管的等效电阻，R0为定值电阻，下列判断正确的是
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A.当扫描笔头在黑色线条上移动时，信号处理系统获得高电压
B.当扫描笔头在白色间隔上移动时，信号处理系统获得高电压
C.扫描速度对信号处理系统接收到的电压信号无影响
D.扫描笔头外壳出现破损时仍然能正常工作
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信号处理系统获得的电压是R0两端的电压，当扫描笔头在黑色线条上移动时，R相当于大电阻，根据闭合电路欧姆定律，回路电流很小，R0两端的电压很低，信号处理系统获得低电压；当扫描笔头在白色间隔上移动时，R相当于小电阻，回路电流较大，R0两端的电压较高，信号处理系统获得高电压，A错误，B正确；
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如果扫描速度发生变化，在信号处理系统中高低电压的时间间隔就会发生变化，从而无法正确判断黑、白条纹宽度，可能出现错误识别信息，C错误；
扫描笔头外壳出现破损时，外面的光就会进入光敏三极管，从而出现错误信息，导致不能正常工作，D错误。
9.霍尔元件是应用于霍尔传感器的元件，是实际生活中的重要元件之一。如图所示为长度一定的霍尔元件，在该元件中通有方向从E到F的恒定电流I，在空间加一竖直向下的匀强磁场，磁感应强度大小为B，霍尔元件中的载流子为负电荷。则下列说法正确的是
A.该元件能把电学量转换为磁学量
B.左表面的电势高于右表面
C.如果用该元件测赤道处的磁场，应保持元件上表面呈水平状态
D.如果霍尔元件中的电流大小不变，则左、右表面的电势差与磁场的磁
感应强度成正比
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霍尔元件把磁学量转换为电学量，A错误；
由于霍尔元件中的载流子为负电荷，由左手定则可知
负电荷向左表面偏转，则右表面的电势高，B错误；
如果用该元件测赤道处的磁场，由于地磁场与水平面平行，因此如果霍尔元件的上表面保持水平，则左、右表面间无电压产生，C错误；
根据qvB=q得，U=Bdv，又I=nqSv，联立解得U=，可知保持电流
大小不变，则左、右表面的电势差与磁场的磁感应强度成正比，D正确。
10.(2022·北京卷)某同学利用压力传感器设计水库水位预警系统。如图所示，电路中的R1和R2，其中一个是定值电阻，另一个是压力传感器(可等效为可变电阻)。水位越高，对压力传感器的压力越大，压力传感器的电阻值越小。当a、b两端的电压大于U1时，控制开关自动开启低水位预警；当a、b两端的电压小于U2(U1、U2为定值)时，控制开关自动开启高水位预警。下列说法正确的是
A.U1B.R2为压力传感器
C.若定值电阻的阻值越大，开启高水位预警时的水位越低
D.若定值电阻的阻值越大，开启低水位预警时的水位越高
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由题意可知水位越高，对压力传感器的压力越大，压力传感器的电阻值越小。控制开关自动开启低水位预警，此时水位较低，压力传感器的电阻值较大，由于a、b两端此时的电压大于U1，根据串联电路电
压分布特点可知，R1为压力传感器，故高水位时压力传感器的电阻值变小，压力传感器R1两端电压变小，U1>U2，A、B错误；
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根据闭合电路欧姆定律可知，a、b两端的电压为U= R1=，若定值电阻的阻值越大，当开启低水
位预警a、b两端的电压大于U1时，压力传感器R1阻值
越大，水位越低；当a、b两端的电压小于U2开启高水
位预警时，压力传感器R1阻值越大，水位越低，C正确，D错误。
11.(2023·江门市棠下中学高二月考)半导体型呼气酒精测试
仪采用氧化锡半导体作为传感器。如图甲所示是该测试仪
的原理图。图中R1为定值电阻，酒精气体传感器R2的电阻
值随酒精气体浓度的增大而减小。
(1)驾驶员呼出的酒精气体浓度越大，电压表的读数越　　(填“大”或“小”)。
尖子生选练
大
由题意知，酒精气体浓度越大，传感器阻值越小，回路中电流越大，可知，电压表读数越大。
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(2)如图乙所示为酒精气体传感器R2的电阻值随酒精气体浓度变化的关系曲线。则酒精气体浓度为0时R2的阻值为　　 Ω。若某司机呼气时酒精气体浓度为100 mg/m3，此时R2的阻值为　 　 Ω。
由题图乙可知：酒精气体浓度为0时R2的阻值为60 Ω；
酒精气体浓度为100 mg/m3时R2的阻值为26 Ω或27 Ω。
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26或27
(3)现有一个电源，电动势为4.8 V，内阻为1 Ω；电压表 量程为5 V，内阻很大；定值电阻R1的阻值为60 Ω；导线若干。按图甲所示电路图把电压表改装成酒精浓度表，则酒精气体浓度为0的刻度线应刻在电压刻度线为　　 V处；酒精气体浓度为50 mg/m3应刻在电压刻度线为　 　 V处。
(均保留2位小数)
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按题图甲所示电路图把电压表改装成酒精浓度表，则酒精气体浓度为0时，电阻R2阻值最大为60 Ω，此时
UR1== V≈2.38 V
则0刻度线应刻在电压刻度线为2.38 V处；
酒精气体浓度为50 mg/m3时，电阻R2阻值为40 Ω，此时
UR1'== V≈2.85 V
酒精气体浓度为50 mg/m3应刻在电压刻度线为2.85 V处。
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