资源简介

2　常见传感器的工作原理
[学习目标]　1.知道温度传感器的原理,了解温度传感器在生活中的应用。2.知道光传感器的原理,了解光传感器在生活中的应用。3.知道力传感器的原理,了解力传感器在生活中的应用。
探究新知
知识点一　温度传感器
1.温度传感器是一种将温度变化转换成电学量变化的装置。
2.热敏电阻温度传感器:热敏电阻是用半导体材料制成的,其电阻值随温度变化明显,NTC(负温度系数热敏电阻)的阻值随温度升高而减小,PTC(正温度系数热敏电阻)的阻值随温度升高而增大。
3.热电阻温度传感器
(1)定义:用金属丝制作的感温电阻称为热电阻。
(2)金属的电阻R与温度t的关系是R=R0(1+θt),θ为温度系数,R0是t=0 ℃时导体的电阻。
(3)作用:测温和测量流体的流量。
4.热双金属片温度传感器:将两种膨胀系数相差较大的不同金属片焊接或轧制为一体后,当温度升高时,由于两边金属片膨胀程度不同,双金属片就会发生形变,所以热双金属片可以作为温度的敏感元件。
知识点二　光传感器
1.定义:有些金属或半导体材料受到光照时,会产生电流或电压,实现光信号向电信号的转化。用这种材料做敏感元件便可制成光传感器。
2.应用
(1)光电门。
(2)利用光传感器监测烟尘浓度。
(3)光电式转速表。
知识点三　力传感器
1.定义:力传感器是一种把力学量转换为电学量的装置。
2.应用:应变式力传感器应用于电子秤称重。
新知检测
1.思考判断
(1)温度传感器的敏感元件一定是热敏电阻。(　×　)
(2)光敏电阻可以将电信号转化为光信号。(　×　)
(3)双金属热保护器是一种温度传感器。(　√　)
(4)热敏电阻是用金属铂制成的,它对温度的感知很灵敏。(　×　)
(5)非接触式测温仪不用直接接触就能感知人的体温,是因为将光敏电阻作为敏感元件。(　×　)
(6)热敏电阻一定是阻值随温度的升高而增大。(　×　)
2.思维探究
(1)热敏电阻是温度传感器中的重要元件,是不是所有的热敏电阻的阻值都随温度的升高而下降
(2)医院里给病人测体温时,使用一种先进的非接触式红外测温仪,这种测温仪使用了温度传感器还是光传感器 与传统测温仪相比,它有什么优点
【答案】 (1)不是。正温度系数热敏电阻(PTC)在温度升高时电阻值增大,负温度系数热敏电阻(NTC)在温度升高时电阻值减小。
(2)使用了红外线传感器即光传感器。与传统测温仪相比,它有如下优点:第一,可以远距离测量,不必接触被测人体,避免交叉感染;第二,可以立即获取温度数据。
要点一　对温度传感器的认识和利用
情境探究
家用电烤箱在达到预设温度后电热管就会停止加热,当温度降低时电热管启动,再次加热直至达到预设温度。电烤箱是如何实现自动调控温度的
【答案】 电烤箱内置的温度控制开关含有热敏元件,当温度达到预设温度时,温控开关断开,停止加热,当温度降低时,开关再次闭合。
要点归纳
1.热双金属片温度传感器是用焊接或轧制成一体的两种膨胀系数相差较大的不同金属片来做敏感元件的。它对温度的感知表现为热双金属片的形变,可以用来控制电路的通断。
2.热敏电阻:用半导体材料制成。按热敏电阻阻值随温度变化的规律,热敏电阻可分为正温度系数热敏电阻和负温度系数热敏电阻。
(1)正温度系数热敏电阻随温度升高电阻增大。
(2)负温度系数热敏电阻(如氧化锰热敏电阻)随温度升高电阻减小。
3.金属热电阻:金属的电阻率随温度升高而增大,利用这一特性,金属丝也可以制作成感温电阻,称为热电阻。
4.热敏电阻和金属热电阻都能够把温度这个热学量转换为电阻这个电学量。金属热电阻的化学稳定性好,测温范围大,但灵敏度较差。
[例1] (多选)在温控电路中,通过热敏电阻阻值随温度的变化可实现对电路相关物理量的控制。如图所示,R1为定值电阻,R2为半导体热敏电阻(温度越高电阻越小),C为电容器,当环境温度降低时(　　)
[A] 电容器C的带电荷量增加
[B] 电压表的读数增大
[C] 电容器C两板间的电场强度减小
[D] R1消耗的功率增大
【答案】 AB
【解析】 当环境温度降低时,R2变大,电路的总电阻变大,由I=知干路电流I变小,又U=E-Ir,知路端电压增大,即电压表的读数U增大,故B正确;又由U1=IR1及P1=I2R1可知U1变小,R1消耗的功率P1变小,故D错误;电容器两板间的电压U2=U-U1,U2变大,由电场强度E′=,Q=CU2可知Q、E′都增大,故A正确,C错误。
[针对训练1] 小良想用一个半导体热敏电阻Rt制作一支能测量水温的温度计。他查阅资料获得了图甲所示的该热敏电阻的Rt-t 特性曲线,并设计了图乙所示的温度计电路,图中R0=100 Ω,电压表的量程是0~3 V,电源电动势恒定,内阻可不计。他的制作目标是温度计的测量范围是0~100 ℃,且水温为100 ℃时电压表指针偏转达到最大位置。则(　　)
[A] 电源的输出电压为3 V
[B] 水温越高,电压表的示数越小
[C] 电压表的0刻度对应水温0 ℃
[D] 水温55 ℃时电压表的示数为2.40 V
【答案】 D
【解析】 根据题图甲可知,水温为100 ℃时,Rt=100 Ω,此时电压表指针偏转达到最大位置,即3 V,根据题意可知U=R0,解得E=6 V,内阻不计,所以电源输出电压为6 V,故A错误;根据题图甲及U=R0可知,水温越高,热敏电阻阻值越小,电压表的示数越大,故B错误;水温为0 ℃时,Rt′=500 Ω,解得U′=R0=1 V,故C错误;水温为55 ℃时,Rt″=150 Ω,解得U″=R0=2.4 V,故D正确。
要点二　对光传感器的认识及应用
情境探究
　晚上上楼时,随着发出的脚步声响,楼梯灯亮了;登上一层楼,灯光照亮一层楼,而身后的灯则依次熄灭,这种楼梯灯好像能“听到”我们的到来,能“看见”我们的离去,其中的原因是什么呢
【答案】 电路中安装了光声控延时开关。光声控延时开关中安装有光敏元件,用于感知外界光线的强弱;还安装有声敏元件,用于感知外界声响。当白天外界光线较强时,光声控延时开关总处于断开状态,灯不亮;当夜晚光线较弱且有声响时,光声控延时开关处于导通状态,灯亮,延时一段时间后,开关断开,灯熄灭。
要点归纳
光传感器——光敏电阻
(1)光敏电阻的特性。
光敏电阻一般为半导体材料制成,当半导体材料受到光照时,会有更多的电子获得能量成为自由电子,同时也形成更多的空穴,于是导电性能明显增强,电阻减小。
(2)光敏电阻把光照的强弱转换为电阻大小。
[例2] 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
【答案】 B
【解析】 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。
光传感器电路的分析方法
(1)判断电路的整体连接特点。
(2)由光敏电阻的变化判断出整个电路总电阻的变化。
(3)根据闭合电路欧姆定律判断干路中电流的变化。
(4)根据电路串、并联特点和欧姆定律判断出各部分电路电压和电流的变化,进而得出电压表、电流表示数的变化和各部分功率的变化。
[针对训练2] (多选)如图所示用光敏电阻(LDR)和灯泡制成的一种简易水污染指示器。下列说法正确的是(　　)
[A] 严重污染时,LDR是高电阻
[B] 轻度污染时,LDR是高电阻
[C] 无论污染程度如何,LDR的电阻不变,阻值大小由材料本身因素决定
[D] 该仪器的使用会因为昼夜不同受到影响
【答案】 AD
【解析】 严重污染时,透过污水照到LDR上的光线较少,LDR电阻较大,A正确,B错误;
LDR由半导体材料制成,受光照影响电阻会发生变化,C错误;白天和晚上自然光强弱不同,或多或少会影响LDR的电阻,D正确。
要点三　对力传感器的认识和利用
情境探究
(1)电子秤使用的测力装置是什么 该装置是由什么元件组成的
(2)简述力传感器的工作原理。
(3)应变片能够把什么力学量转化为什么电学量
【答案】 (1)力传感器;金属梁和应变片。
(2)两个应变片的形变引起电阻变化致使两个应变片的电压差变化。
(3)形变转化为电压。
要点归纳
1.电阻应变片:一种使用非常广泛的力敏元件。
2.金属的电阻应变效应:金属导体在外力的作用下发生机械形变(伸长或缩短)时,其电阻随着它机械形变的变化而发生变化的现象。
3.半导体材料的压阻效应:单晶半导体材料沿某一轴向受到外力的作用时,其电阻率发生变化的现象。
4.电阻应变片能够把物体形变这个力学量转换为电阻这个电学量。
5.力传感器的应用:电子秤、测汽车载重和卷扬机的牵引力等。
6.电容式传感器:某个物理量的变化能引起电容器极板的正对面积S、极板间距离d以及极板间的电介质发生变化,从而引起电容的变化,通过测定电容器的电容就可以确定这个物理量的变化,由此可制成电容式传感器。
[例3] (多选)某蹦床俱乐部通过压力传感器获取运动员的运动数据,其工作电路如图所示。图中电源电动势恒定,内阻可忽略不计,R1为定值电阻,R为压力传感器,其阻值随压力的增大而减小,电压表和电流表均为理想电表。从运动员接触蹦床、挤压蹦床到离开蹦床的过程中,下列说法正确的是(　　)
[A] 电流表的示数先增大后减小
[B] 电压表的示数先增大后减小
[C] 电压表与电流表示数的比值先增大后减小
[D] 电路消耗的总功率先增大后减小
【答案】 AD
【解析】 从运动员接触蹦床、挤压蹦床到离开蹦床的过程中,压力传感器受到的压力先增大后减小,压力传感器的阻值先减小后增大,根据闭合电路欧姆定律可知,电路电流先增大后减小,即电流表的示数先增大后减小,故A正确;定值电阻R1两端电压先增大后减小,R两端的电压先减小后增大,所以电压表的示数先减小后增大,故B错误;电压表与电流表示数的比值先减小后增大,故C错误;根据P总=EI,由于电路电流先增大后减小,可知电路消耗的总功率先增大后减小,故D正确。
处理含力传感器电路的思路
首先,审清题意,明确题干中力、电的转换方式;其次,理清电路结构,灵活利用闭合电路欧姆定律列式;最后,充分利用数学知识分析物理问题。
[针对训练3] 压敏电阻的阻值随所受压力的增大而减小,小亮利用压敏电阻设计了判断小车运动状态的装置,如图甲所示,将压敏电阻和一块挡板固定在绝缘小车上,中间放置一个绝缘重球。小车向右做直线运动过程中,通过获取电阻R两端电压随时间变化的信息即可确定小车的运动情况。当电阻R两端电压随时间的变化关系图像如图乙所示时,下列判断正确的是(　　)
[A] 从0到t1时间内,小车一定做匀速直线运动
[B] 从t1到t2时间内,小车做匀加速直线运动
[C] 从t2到t3时间内,小车做匀速直线运动
[D] 从t2到t3时间内,小车做匀加速直线运动
【答案】 D
【解析】 在0~t1时间内,U恒定,压敏电阻阻值不变,其受力不变,说明小车做匀速或加速度不变的匀加速直线运动;在t1~t2时间内,电压随时间均匀变大,压敏电阻阻值变小,压力变大,小车做加速度变大的加速运动,A、B错误。在t2~t3时间内,U不变,但大于0~t1时间内的数值,说明压敏电阻一定受到压力且恒定,小车做匀加速直线运动,C错误,D正确。
模型·方法·结论·拓展
　热敏电阻和金属热电阻的区别
项目 热敏电阻 金属热电阻
特点 电阻率随温度的升高而减小或增大 电阻率随温度的升高而增大
制作材料 半导体 金属
优点 灵敏度高 化学稳定性好,测温范围大
作用 将温度这个热学量转换为电阻这个电学量
[示例] 如图所示是观察电阻值随温度变化情况的示意图。现把杯中的水由冷水变为热水,关于欧姆表的读数变化情况正确的是(水对电阻阻值的影响不计)(　　)
[A] 如果R为金属热电阻,读数变大,且变化非常明显
[B] 如果R为金属热电阻,读数变小,且变化不明显
[C] 如果R为用半导体材料制成的热敏电阻,读数变化非常明显
[D] 如果R为用半导体材料制成的热敏电阻,读数变化不明显
【答案】 C
【解析】 金属热电阻的阻值随温度的升高而增大,但灵敏度较差,而热敏电阻的阻值随温度的升高而减小或增大,且灵敏度高,故选项C正确。
科学·技术·社会·环境
光敏二极管
　　光敏二极管,又叫光电二极管,是一种能够将光信号根据使用方式转换成电流或者电压信号的光探测器。管芯常使用一个具有光敏特征的PN结,对光的变化非常敏感,具有单向导电性,而且光强不同的时候会改变电学特性。因此,可以利用光照强弱来改变电路中的电流。
[示例] 如图所示的实验电路中,电源两端的电压恒定,L为小灯泡,R为光敏电阻,D为发光二极管(电流越大,发出的光越强),且R与D相距很近,下列说法正确的是(　　)
[A] 当滑片P向左移动时,L消耗的功率增大
[B] 当滑片P向左移动时,L消耗的功率减小
[C] 当滑片P向右移动时,L消耗的功率可能不变
[D] 无论怎样移动滑片P,L消耗的功率都不变
【答案】 A
【解析】 滑片P左移,使其电阻减小,流过二极管的电流增大,从而发出的光增强,使光敏电阻R的阻值减小,最终达到增大流过灯泡的电流的效果,A项正确。
1.光照传感器在大棚种植中得到了广泛的应用,技术人员通过光敏电阻设计了如图所示的光控电路,增加植物光照时间,有效地提高了作物的产量。电阻箱阻值调整为R1,闭合开关后,秋天傍晚6点时,灯泡L两端的电压达到一定值,恰好能发光。已知光敏电阻的阻值随光照的增强而减小,电流表、电压表均为理想电表,灯泡的光对光敏电阻的影响不计,不考虑灯泡电阻的变化。下列说法正确的是(　　)
[A] 光照减弱的过程中,电流表示数增大
[B] 光照减弱的过程中,电压表和电流表示数比值不变
[C] 光照减弱的过程中,电压表和电流表变化量绝对值的比值变大
[D] 若电阻箱阻值大于R1,则秋天傍晚6点之后灯泡L才可能发光
【答案】 D
【解析】 光照减弱的过程中,光敏电阻的阻值增大,整个回路的电阻增大,电流表示数减小,故A错误;电压表和电流表示数的比值为并联部分总电阻,光照减弱的过程中,电压表和电流表示数的比值增大,故B错误;根据闭合电路欧姆定律可知电压表和电流表变化量绝对值的比值为R1+r,恒定不变,故C错误;若电阻箱阻值大于R1,则当光敏电阻阻值大于傍晚
6点时的阻值时,灯泡才可能发光,故D正确。
2.传感器是采集信息的一种重要元件,如图所示是一种电容式压力传感器,当待测压力作用于可动电极时,使它发生形变,从而改变传感器的电容。若流经灵敏电流计的电流方向向左时,指针向右偏。当待测压力突然增大时,下列说法正确的是(　　)
[A] 电容器的电容将减小
[B] 灵敏电流计指针向左偏转
[C] M点的电势比N点的低
[D] 若电流计示数稳定且不为零,说明压力F不再变化
【答案】 C
【解析】 由题可知,电容器的电压不变,当待测压力突然增大时,F向上压可动电极,由C=可知,d减小,电容增大,故A错误;由题可知,电容器的电压不变,若F向上压可动电极,电容增大,电荷量增大,电容器充电,电路中形成逆时针方向的电流,则电流表指针向右偏,电流从N流向M,故M点的电势比N点的低,故B错误,C正确;若电流计示数稳定且不为零,说明电容器正在充、放电,电容器的电容变化,说明压力F变化,故D错误。
3.图中光敏电阻RL没有受到光照射(或光较暗)时,阻值较大;有光照射(或光较强)时,阻值较小。如图所示,现利用该光敏电阻、低压直流电源和电磁继电器设计了自动控制电路,用于公路照明。下列说法正确的是(　　)
[A] 白天光照越强,电磁铁的磁性越强
[B] 白天流过R2的电流大于晚上流过R2的电流
[C] 该电路能实现灯泡白天亮,晚上不亮的功能
[D] 低压直流电源的总功率晚上比白天的大
【答案】 B
【解析】 光照增强,则光敏电阻阻值减小,总阻值减小,回路中总电流增大,电源内阻电压增大,根据闭合电路欧姆定律可知,路端电压减小,因此电磁铁和R3两端电压减小,电流减小,磁性减弱,故A错误;光照增强,总电流增大,流过R3的电流减小,因此流过R2的电流增大,故白天流过R2的电流大于晚上流过R2的电流,故B正确;光照增强,磁性减弱,因此灯泡电路断开,白天不亮,故C错误;光照增强,回路中总电流增大,根据P=EI可知功率增大,因此白天功率较大,故D错误。
4.热敏电阻是一种常见的感温元件。小明利用热敏电阻自制了一简易温度计,其内部电路由一个电动势为3 V、内阻为5 Ω的直流电源,一个量程为0~30 mA、内阻为5 Ω的毫安表,一个阻值为10 Ω的定值电阻R0和一个热敏电阻构成,如图甲所示。已知所用热敏电阻阻值R随温度t变化的图像如图乙所示。
(1)闭合开关S,该温度计开始工作,当毫安表示数为3.0 mA时,待测物温度为　　　 ℃。
(2)在图丙中的电流表表盘刻度上标记温度值,下列说法正确的是　　　　。(多选)
A.10 mA处标记的温度高于20 mA处标记的温度
B.10 mA处标记的温度低于20 mA处标记的温度
C.毫安表相邻刻度对应温度的示数是均匀的
D.毫安表相邻刻度对应温度的示数是不均匀的
【答案】 (1)38.0　(2)AD
【解析】 (1)根据闭合电路欧姆定律E=I(R+R0+r+rg),解得热敏电阻的阻值R=980 Ω,由题中图像得热敏电阻阻值R随温度t变化的函数关系R=10t+600,解得t=38.0 ℃,当毫安表示数为3.0 mA 时,待测物温度为38.0 ℃。
(2)根据E=I(R+R0+r+rg)和R=10t+600可知,电流越大,热敏电阻阻值越小,温度越低,所以
10 mA处标记的温度高于20 mA处标记的温度,故A正确,B错误;根据E=I(R+R0+r+rg)和R=10t+600,联立可得=t+,可知电流与温度不是线性关系,所以毫安表相邻刻度对应温度的示数是不均匀的,故C错误,D正确。故选A、D。
课时作业
(分值:54分)
单选题每题4分,多选题每题6分。
1.下列应用了温度传感器的是(　　)
[A] 商场里的自动玻璃门
[B] 夜间自动打开的路灯
[C] 自动恒温冰箱
[D] 楼梯口在夜间有声音时就亮的灯
【答案】 C
【解析】 商场里的自动玻璃门是应用了红外线传感器,A错误;夜间自动打开的路灯是利用了光传感器,B错误;自动恒温冰箱是利用了温度传感器,C正确;夜间有声音时就亮的楼梯灯是利用了声音传感器,D错误。
2.下列器件是应用力传感器的是(　　)
[A] 鼠标器 [B] 火灾报警器
[C] 测温仪 [D] 电子秤
【答案】 D
【解析】 鼠标器中的传感器是红外线接收管,属于光传感器;火灾报警器中传感器是光电三极管,属于光传感器;测温仪用的是温度传感器;电子秤的敏感元件是应变片,是力传感器,D正确。
3.光敏电阻能将光信号转化为电信号是因为(　　)
[A] 光照强度发生变化时,光敏电阻的阻值也发生变化
[B] 光照强度发生变化时,光敏电阻的体积也发生变化
[C] 光照强度发生变化时,光敏电阻的长度也发生变化
[D] 光照强度发生变化时,光敏电阻的横截面积也发生变化
【答案】 A
【解析】 光敏电阻的特性是光照强度变化时,电阻率发生明显变化,而长度、体积、横截面积都不发生变化,故光敏电阻阻值大小会发生变化,A正确。
4.(多选)图甲是氯化锂湿敏电阻原理示意图,当空气湿度升高时,其电阻率变大。某同学设计图乙的电路来监测空气湿度变化,其中RH是氯化锂湿敏电阻,R0是定值电阻,在环境温度一定时,闭合开关,下列说法正确的是(　　)
[A] 空气湿度越高,RH阻值越小
[B] 空气湿度越低,电路中电流越大
[C] 空气湿度越高,电压表的示数越大
[D] 空气湿度越低,路端电压越大
【答案】 BC
【解析】 依题意,空气湿度越高,其电阻率越大,根据R=ρ,可知RH阻值越大,故A错误;同理,空气湿度越低,RH阻值越小,根据I=,可知电路中电流越大,U路端=E-Ir,路端电压越小,故B正确,D错误;同理,可知,空气湿度越高,RH阻值越大,电路中电流越小,由URH=
E-I(R0+r),可知电压表的示数越大,故C正确。
5.(多选)下列关于电子秤中应变式力传感器的说法正确的是(　　)
[A] 应变片都是由导体材料制成的
[B] 当应变片的表面拉伸时,其电阻变大,反之变小
[C] 传感器输出的是应变片上的电压
[D] 外力越大,输出的电压差值也越大
【答案】 BD
【解析】 应变片多用半导体材料制成,故选项A错误;当应变片拉伸时,其电阻变大,故选项B正确;传感器输出的是上、下两应变片上的电压差值,并且随着外力的增大,输出的电压差值越大,故选项C错误,D正确。
6.(多选)一些材料的电阻随着温度的变化而变化,利用材料这种属性可制作温度计。如图甲所示是某种金属材料制成的电阻R随着摄氏温度t变化的图像,若将该电阻与一节干电池E、电流表G、电阻箱R0串联起来,连接成如图乙所示的电路,用该电阻作测温探头,将电流表的电流刻度改为相应的温度刻度,就得到了一个简单的“金属电阻温度计”。已知电池的输出电压恒为1.5 V,电流表量程为 0~50 mA,内阻均不计,电阻箱R0接入电路的电阻为15 Ω。下列判断正确的是(　　)
[A] 该温度计的刻度是均匀的
[B] 该温度计测量的最低温度为0 ℃
[C] 电流为50 mA时,对应的温度值为5 ℃
[D] 电流为50 mA时,测温探头的阻值为15 Ω
【答案】 CD
【解析】 该温度计是由电流表的电流刻度改为相应的温度刻度,由题图甲可知电阻与温度的表达式为R=10+t,电路中的电流表达式为I===,故电流与(t+25)成反比,
A错误;由电流与温度表达式可知,当电流越大,温度越小,当电流表的满偏电流为50 mA时,测量温度最低,代入表达式I=可得温度为5 ℃,B错误,C正确;电流为50 mA时,根据题图甲中求得的表达式,可知测温探头的阻值为R=(10+5) Ω=15 Ω,D正确。
7.如图所示为苹果自动分拣装置,可以把质量大小不同的苹果,自动分拣开。该装置的托盘秤压在一个以O1为转动轴的杠杆上,杠杆末端压在压力传感器R1上。当大苹果通过托盘秤时,R1所受的压力较大因而电阻较小,R2两端获得较大电压,该电压激励放大电路并保持一段时间,使电磁铁吸动分拣开关的衔铁,打开下面通道,让大苹果进入下面通道;当小苹果通过托盘秤时,R2两端的电压不足以激励放大电路,分拣开关在弹簧向上弹力的作用下处于水平状态,小苹果进入上面通道。托盘停在图示位置时,设进入下面通道的大苹果最小质量为M0,若提高分拣标准,要求进入下面通道的大苹果的最小质量M大于M0,下列操作可行的是(　　)
[A] 其他条件不变的情况下,只将托盘秤压在杠杆上的位置向左移动一些
[B] 其他条件不变的情况下,只适当减小R2的阻值
[C] 其他条件不变的情况下,只改变放大电路中电磁铁部分导线绕行的方向
[D] 其他条件不变的情况下,只增大和传感器R1相连接的电路中的电源电动势
【答案】 B
【解析】 要求进入下面通道的大苹果的最小质量M大于M0,则要求当此大苹果通过托盘时,压力传感器的压力与原来一致,可知其他条件不变的情况下,只将托盘秤压在杠杆上的位置向右移动一些,选项A错误;因要达到题中的要求,就要使得R2两端电压保持不变,因压力越大,电阻R1越小,此时回路中的电流越大,R2的电压就会变得更大,则要想保持R2的电压和原来一致,则只适当减小R2的阻值,选项B正确;其他条件不变的情况下,只改变放大电路中电磁铁部分导线绕行的方向对磁性大小无影响,选项C错误;因要达到题中的要求,就要使得R2两端电压保持不变,因R1减小,而其他条件不变的情况下,只能减小和传感器R1相连接的电路中的电源电动势,选项D错误。
8.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大
[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
【答案】 C
【解析】 由题图可知,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,即电路中电流较小,则此时光敏电阻R1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U=E-I(R2+r),比无光照射时小,故A、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的阻值比无光照射时小,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。
9.某磁敏电阻R的阻值随外加磁场的磁感应强度B的增大而增大。一名同学利用该磁敏电阻设计了一款可以测量小车加速度的实验装置,如图所示,条形磁体的左、右两端分别连接两根相同的轻质弹簧,两弹簧的另一端固定在小车两侧的竖直挡板上,磁体可以相对小车无摩擦左右移动。下列说法正确的是(　　)
[A] 小车向右做匀速直线运动的过程中,电流表示数变大
[B] 小车向右做匀减速直线运动的过程中,电压表示数变小
[C] 小车向左做加速度逐渐增大的加速直线运动过程中,电流表示数变大
[D] 小车向左做匀减速直线运动的过程中,电压表示数变小
【答案】 C
【解析】 在小车向右做匀速直线运动的过程中,磁体没有加速度,受力平衡,与磁敏电阻距离保持不变,磁敏电阻阻值不变,电路中电流不变,A错误;当小车向右匀减速时,磁体具有向左的加速度且恒定,受到的合力向左且为恒力,弹簧形变量保持不变,磁体与磁敏电阻距离保持不变,磁敏电阻阻值不变,电路中电流不变,电压表示数不变,B错误;同理,D错误;在小车向左做加速度逐渐增大的加速直线运动过程中,磁体具有向左的加速度且增大,受到的合力向左且增大,故左侧的弹簧拉伸,右侧的弹簧压缩,故弹簧形变量逐渐增大,磁体向右远离磁敏电阻R,R阻值减小,电路中的电流增大,电流表的示数变大,C正确。
10.(12分)有一种测量体重的电子秤,其原理图如图中的虚线所示。它主要由三部分构成:踏板和压力杠杆ABO、压力传感器R(一个阻值可随压力大小而变化的电阻器)、显示体重的仪表G(其实质是电流表)。其中AO∶BO=5∶1,已知压力传感器的电阻与其所受压力的关系如下表所示。
压力F/N 0 50 100 150 200 250 300 …
电阻R/Ω 300 270 240 210 180 150 120 …
设踏板的杠杆组件的质量不计,接通电源后,压力传感器两端的电压恒为4.68 V,则:
(1)利用表中数据归纳出电阻R随压力F变化的函数关系式。
(2)该秤零刻度线(即踏板空载时的刻度线)应标在电流表刻度盘多少毫安处
(3)如果某人站在踏板上,电流表刻度盘示数为20 mA,这个人的体重是多少
【答案】 (1)R=300-0.6F　(2)15.6 mA (3)550 N
【解析】 (1)由题中表格里的数据可归纳得出R=300-0.6F。
(2)依题意可知,电子秤空载时压力传感器的电阻R1=300 Ω,电路中的电流为
I1== A=15.6 mA,
所以该秤零刻度线应标在电流表刻度盘的15.6 mA 处。
(3)当电流表刻度盘的读数为I2=20 mA时,
压力传感器的电阻R2== Ω=234 Ω,
由R2=300-0.6F2,
解得F2=110 N,
再由F2·=G· 得G=550 N。(共53张PPT)
2　常见传感器的工作原理
[学习目标]　
1.知道温度传感器的原理,了解温度传感器在生活中的应用。2.知道光传感器的原理,了解光传感器在生活中的应用。3.知道力传感器的原理,了解力传感器在生活中的应用。
探究·必备知识
「探究新知」
知识点一　温度传感器
1.温度传感器是一种将 变化转换成 变化的装置。
2.热敏电阻温度传感器:热敏电阻是用 材料制成的,其电阻值随温度变化明显,NTC(负温度系数热敏电阻)的阻值随温度升高而 ,PTC
(正温度系数热敏电阻)的阻值随温度升高而 。
温度
电学量
半导体
减小
增大
3.热电阻温度传感器
(1)定义:用金属丝制作的 电阻称为热电阻。
(2)金属的电阻R与温度t的关系是R= ,θ为温度系数,R0是t=0 ℃时导体的电阻。
(3)作用:测 和测量流体的 。
感温
R0(1+θt)
流量
温
4.热双金属片温度传感器:将两种膨胀系数 的不同金属片焊接或轧制为一体后,当温度升高时,由于两边金属片膨胀程度 ,双金属片就会发生 ,所以热双金属片可以作为温度的敏感元件。
相差较大
不同
形变
1.定义:有些金属或半导体材料受到光照时,会产生电流或电压,实现
向 的转化。用这种材料做敏感元件便可制成光传感器。
2.应用
(1)光电门。
(2)利用光传感器 。
(3)光电式 。
知识点二　光传感器
光信号
电信号
监测烟尘浓度
转速表
1.定义:力传感器是一种把 转换为 的装置。
2.应用: 力传感器应用于电子秤称重。
知识点三　力传感器
力学量
电学量
应变式
「新知检测」
1.思考判断
(1)温度传感器的敏感元件一定是热敏电阻。(　 　)
(2)光敏电阻可以将电信号转化为光信号。(　 　)
(3)双金属热保护器是一种温度传感器。(　 　)
(4)热敏电阻是用金属铂制成的,它对温度的感知很灵敏。(　 　)
(5)非接触式测温仪不用直接接触就能感知人的体温,是因为将光敏电阻作为敏感元件。(　 　)
(6)热敏电阻一定是阻值随温度的升高而增大。(　 　)
×
×
√
×
×
×
2.思维探究
(1)热敏电阻是温度传感器中的重要元件,是不是所有的热敏电阻的阻值都随温度的升高而下降
【答案】 (1)不是。正温度系数热敏电阻(PTC)在温度升高时电阻值增大,负温度系数热敏电阻(NTC)在温度升高时电阻值减小。
(2)医院里给病人测体温时,使用一种先进的非接触式红外测温仪,这种测温仪使用了温度传感器还是光传感器 与传统测温仪相比,它有什么优点
【答案】 (2)使用了红外线传感器即光传感器。与传统测温仪相比,它有如下优点:第一,可以远距离测量,不必接触被测人体,避免交叉感染;第二,可以立即获取温度数据。
突破·关键能力
要点一　对温度传感器的认识和利用
「情境探究」
家用电烤箱在达到预设温度后电热管就会停止加热,当温度降低时电热管启动,再次加热直至达到预设温度。电烤箱是如何实现自动调控温度的
【答案】 电烤箱内置的温度控制开关含有热敏元件,当温度达到预设温度时,温控开关断开,停止加热,当温度降低时,开关再次闭合。
「要点归纳」
1.热双金属片温度传感器是用焊接或轧制成一体的两种膨胀系数相差较大的不同金属片来做敏感元件的。它对温度的感知表现为热双金属片的形变,可以用来控制电路的通断。
2.热敏电阻:用半导体材料制成。按热敏电阻阻值随温度变化的规律,热敏电阻可分为正温度系数热敏电阻和负温度系数热敏电阻。
(1)正温度系数热敏电阻随温度升高电阻增大。
(2)负温度系数热敏电阻(如氧化锰热敏电阻)随温度升高电阻减小。
3.金属热电阻:金属的电阻率随温度升高而增大,利用这一特性,金属丝也可以制作成感温电阻,称为热电阻。
4.热敏电阻和金属热电阻都能够把温度这个热学量转换为电阻这个电学量。金属热电阻的化学稳定性好,测温范围大,但灵敏度较差。
[例1] (多选)在温控电路中,通过热敏电阻阻值随温度的变化可实现对电路相关物理量的控制。如图所示,R1为定值电阻,R2为半导体热敏电阻(温度越高电阻越小),C为电容器,当环境温度降低时( 　　)
[A] 电容器C的带电荷量增加
[B] 电压表的读数增大
[C] 电容器C两板间的电场强度减小
[D] R1消耗的功率增大
AB
[针对训练1] 小良想用一个半导体热敏电阻Rt制作一支能测量水温的温度计。他查阅资料获得了图甲所示的该热敏电阻的Rt-t 特性曲线,并设计了图乙所示的温度计电路,图中R0=100 Ω,电压表的量程是0~3 V,电源电动势恒定,内阻可不计。他的制作目标是温度计的测量范围是0~100 ℃,且水温为100 ℃时电压表指针偏转达到最大位置。则(　　)
[A] 电源的输出电压为3 V
[B] 水温越高,电压表的示数越小
[C] 电压表的0刻度对应水温0 ℃
[D] 水温55 ℃时电压表的示数为2.40 V
D
要点二　对光传感器的认识及应用
「情境探究」
晚上上楼时,随着发出的脚步声响,楼梯灯亮了;登上一层楼,灯光照亮一层楼,而身后的灯则依次熄灭,这种楼梯灯好像能“听到”我们的到来,能“看见”我们的离去,其中的原因是什么呢
【答案】 电路中安装了光声控延时开关。光声控延时开关中安装有光敏元件,用于感知外界光线的强弱;还安装有声敏元件,用于感知外界声响。当白天外界光线较强时,光声控延时开关总处于断开状态,灯不亮;当夜晚光线较弱且有声响时,光声控延时开关处于导通状态,灯亮,延时一段时间后,开关断开,灯熄灭。
「要点归纳」
光传感器——光敏电阻
(1)光敏电阻的特性。
光敏电阻一般为半导体材料制成,当半导体材料受到光照时,会有更多的电子获得能量成为自由电子,同时也形成更多的空穴,于是导电性能明显增强,电阻减小。
(2)光敏电阻把光照的强弱转换为电阻大小。
[例2] 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
B
【解析】 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。
光传感器电路的分析方法
(1)判断电路的整体连接特点。
(2)由光敏电阻的变化判断出整个电路总电阻的变化。
(3)根据闭合电路欧姆定律判断干路中电流的变化。
(4)根据电路串、并联特点和欧姆定律判断出各部分电路电压和电流的变
化,进而得出电压表、电流表示数的变化和各部分功率的变化。
·名师点拨·
[针对训练2] (多选)如图所示用光敏电阻(LDR)和灯泡制成的一种简易水污染指示器。下列说法正确的是(　 　)
[A] 严重污染时,LDR是高电阻
[B] 轻度污染时,LDR是高电阻
[C] 无论污染程度如何,LDR的电阻不变,阻值大小由材料本身因素决定
[D] 该仪器的使用会因为昼夜不同受到影响
AD
【解析】 严重污染时,透过污水照到LDR上的光线较少,LDR电阻较大,A正确,B错误;LDR由半导体材料制成,受光照影响电阻会发生变化,C错误;白天和晚上自然光强弱不同,或多或少会影响LDR的电阻,D正确。
要点三　对力传感器的认识和利用
「情境探究」
(1)电子秤使用的测力装置是什么 该装置是由什么元件组成的
【答案】 (1)力传感器;金属梁和应变片。
(2)简述力传感器的工作原理。
【答案】 (2)两个应变片的形变引起电阻变化致使两个应变片的电压差变化。
(3)应变片能够把什么力学量转化为什么电学量
【答案】 (3)形变转化为电压。
「要点归纳」
1.电阻应变片:一种使用非常广泛的力敏元件。
2.金属的电阻应变效应:金属导体在外力的作用下发生机械形变(伸长或缩短)时,其电阻随着它机械形变的变化而发生变化的现象。
3.半导体材料的压阻效应:单晶半导体材料沿某一轴向受到外力的作用时,其电阻率发生变化的现象。
4.电阻应变片能够把物体形变这个力学量转换为电阻这个电学量。
5.力传感器的应用:电子秤、测汽车载重和卷扬机的牵引力等。
6.电容式传感器:某个物理量的变化能引起电容器极板的正对面积S、极板间距离d以及极板间的电介质发生变化,从而引起电容的变化,通过测定电容器的电容就可以确定这个物理量的变化,由此可制成电容式传感器。
[例3] (多选)某蹦床俱乐部通过压力传感器获取运动员的运动数据,其工作电路如图所示。图中电源电动势恒定,内阻可忽略不计,R1为定值电阻,R为压力传感器,其阻值随压力的增大而减小,电压表和电流表均为理想电表。从运动员接触蹦床、挤压蹦床到离开蹦床的过程中,下列说法正确的是(　 　)
[A] 电流表的示数先增大后减小
[B] 电压表的示数先增大后减小
[C] 电压表与电流表示数的比值先增大后减小
[D] 电路消耗的总功率先增大后减小
AD
【解析】 从运动员接触蹦床、挤压蹦床到离开蹦床的过程中,压力传感器受到的压力先增大后减小,压力传感器的阻值先减小后增大,根据闭合电路欧姆定律可知,电路电流先增大后减小,即电流表的示数先增大后减小,故A正确;定值电阻R1两端电压先增大后减小,R两端的电压先减小后增大,所以电压表的示数先减小后增大,故B错误;电压表与电流表示数的比值先减小后增大,故C错误;根据P总=EI,由于电路电流先增大后减小,可知电路消耗的总功率先增大后减小,故D正确。
处理含力传感器电路的思路
首先,审清题意,明确题干中力、电的转换方式;其次,理清电路结构,灵活利用闭合电路欧姆定律列式;最后,充分利用数学知识分析物理问题。
·名师点拨·
[针对训练3] 压敏电阻的阻值随所受压力的增大而减小,小亮利用压敏电阻设计了判断小车运动状态的装置,如图甲所示,将压敏电阻和一块挡板固定在绝缘小车上,中间放置一个绝缘重球。小车向右做直线运动过程中,通过获取电阻R两端电压随时间变化的信息即可确定小车的运动情况。当电阻R两端电压随时间的变化关系图像如图乙所示时,下列判断正确的是(　　)
[A] 从0到t1时间内,小车一定做匀速直线运动
[B] 从t1到t2时间内,小车做匀加速直线运动
[C] 从t2到t3时间内,小车做匀速直线运动
[D] 从t2到t3时间内,小车做匀加速直线运动
D
【解析】 在0~t1时间内,U恒定,压敏电阻阻值不变,其受力不变,说明小车做匀速或加速度不变的匀加速直线运动;在t1~t2时间内,电压随时间均匀变大,压敏电阻阻值变小,压力变大,小车做加速度变大的加速运动,A、B错误。在t2~t3时间内,U不变,但大于0~t1时间内的数值,说明压敏电阻一定受到压力且恒定,小车做匀加速直线运动,C错误,D正确。
提升·核心素养
「模型·方法·结论·拓展」
热敏电阻和金属热电阻的区别
项目 热敏电阻 金属热电阻
特点 电阻率随温度的升高而减小或增大 电阻率随温度的升高而增大
制作材料 半导体 金属
优点 灵敏度高 化学稳定性好,测温范围大
作用 将温度这个热学量转换为电阻这个电学量 [示例] 如图所示是观察电阻值随温度变化情况的示意图。现把杯中的水由冷水变为热水,关于欧姆表的读数变化情况正确的是(水对电阻阻值的影响不计)(　　)
[A] 如果R为金属热电阻,读数变大,且变化非常明显
[B] 如果R为金属热电阻,读数变小,且变化不明显
[C] 如果R为用半导体材料制成的热敏电阻,读数变化非常明显
[D] 如果R为用半导体材料制成的热敏电阻,读数变化不明显
C
【解析】 金属热电阻的阻值随温度的升高而增大,但灵敏度较差,而热敏电阻的阻值随温度的升高而减小或增大,且灵敏度高,故选项C正确。
「科学·技术·社会·环境」
光敏二极管
光敏二极管,又叫光电二极管,是一种能够将光信号根据使用方式转换成电流或者电压信号的光探测器。管芯常使用一个具有光敏特征的PN结,对光的变化非常敏感,具有单向导电性,而且光强不同的时候会改变电学特性。因此,可以利用光照强弱来改变电路中的电流。
[示例] 如图所示的实验电路中,电源两端的电压恒定,L为小灯泡,R为光敏电阻,D为发光二极管(电流越大,发出的光越强),且R与D相距很近,下列说法正确的是(　　)
[A] 当滑片P向左移动时,L消耗的功率增大
[B] 当滑片P向左移动时,L消耗的功率减小
[C] 当滑片P向右移动时,L消耗的功率可能不变
[D] 无论怎样移动滑片P,L消耗的功率都不变
A
【解析】 滑片P左移,使其电阻减小,流过二极管的电流增大,从而发出的光增强,使光敏电阻R的阻值减小,最终达到增大流过灯泡的电流的效果,A项正确。
检测·学习效果
1.光照传感器在大棚种植中得到了广泛的应用,技术人员通过光敏电阻设计了如图所示的光控电路,增加植物光照时间,有效地提高了作物的产量。电阻箱阻值调整为R1,闭合开关后,秋天傍晚6点时,灯泡L两端的电压达到一定值,恰好能发光。已知光敏电阻的阻值随光照的增强而减小,电流表、电压表均为理想电表,灯泡的光对光敏电阻的影响不计,不考虑灯泡电阻的变化。下列说法正确的是(　　)
[A] 光照减弱的过程中,电流表示数增大
[B] 光照减弱的过程中,电压表和电流表示数比值不变
[C] 光照减弱的过程中,电压表和电流表变化量绝对值的比值变大
[D] 若电阻箱阻值大于R1,则秋天傍晚6点之后灯泡L才可能发光
D
【解析】 光照减弱的过程中,光敏电阻的阻值增大,整个回路的电阻增大,电流表示数减小,故A错误;电压表和电流表示数的比值为并联部分总电阻,光照减弱的过程中,电压表和电流表示数的比值增大,故B错误;根据闭合电路欧姆定律可知电压表和电流表变化量绝对值的比值为R1+r,恒定不变,故C错误;若电阻箱阻值大于R1,则当光敏电阻阻值大于傍晚6点时的阻值时,灯泡才可能发光,故D正确。
2.传感器是采集信息的一种重要元件,如图所示是一种电容式压力传感器,当待测压力作用于可动电极时,使它发生形变,从而改变传感器的电容。若流经灵敏电流计的电流方向向左时,指针向右偏。当待测压力突然增大时,下列说法正确的是(　　)
[A] 电容器的电容将减小
[B] 灵敏电流计指针向左偏转
[C] M点的电势比N点的低
[D] 若电流计示数稳定且不为零,说明压力F不再变化
C
3.图中光敏电阻RL没有受到光照射(或光较暗)时,阻值较大;有光照射(或光较强)时,阻值较小。如图所示,现利用该光敏电阻、低压直流电源和电磁继电器设计了自动控制电路,用于公路照明。下列说法正确的是(　　)
[A] 白天光照越强,电磁铁的磁性越强
[B] 白天流过R2的电流大于晚上流过R2的电流
[C] 该电路能实现灯泡白天亮,晚上不亮的功能
[D] 低压直流电源的总功率晚上比白天的大
B
【解析】 光照增强,则光敏电阻阻值减小,总阻值减小,回路中总电流增大,电源内阻电压增大,根据闭合电路欧姆定律可知,路端电压减小,因此电磁铁和R3两端电压减小,电流减小,磁性减弱,故A错误;光照增强,总电流增大,流过R3的电流减小,因此流过R2的电流增大,故白天流过R2的电流大于晚上流过R2的电流,故B正确;光照增强,磁性减弱,因此灯泡电路断开,白天不亮,故C错误;光照增强,回路中总电流增大,根据P=EI可知功率增大,因此白天功率较大,故D错误。
4.热敏电阻是一种常见的感温元件。小明利用热敏电阻自制了一简易温度计,其内部电路由一个电动势为3 V、内阻为5 Ω的直流电源,一个量程为0~
30 mA、内阻为5 Ω的毫安表,一个阻值为10 Ω的定值电阻R0和一个热敏电阻构成,如图甲所示。已知所用热敏电阻阻值R随温度t变化的图像如图乙所示。
(1)闭合开关S,该温度计开始工作,当毫安表示数为3.0 mA时,待测物温度为
　 　　　 ℃。
38.0
【解析】 (1)根据闭合电路欧姆定律E=I(R+R0+r+rg),解得热敏电阻的阻值R=980 Ω,由题中图像得热敏电阻阻值R随温度t变化的函数关系R=10t+600,解得t=38.0 ℃,当毫安表示数为3.0 mA 时,待测物温度为38.0 ℃。
(2)在图丙中的电流表表盘刻度上标记温度值,下列说法正确的是　　　　。(多选)
A.10 mA处标记的温度高于20 mA处标记的温度
B.10 mA处标记的温度低于20 mA处标记的温度
C.毫安表相邻刻度对应温度的示数是均匀的
D.毫安表相邻刻度对应温度的示数是不均匀的
AD
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