高考物理新宠儿——传感器

董书生，男, 江苏省物理学会会员，中学高级教师，大学本科，南通市骨干教师,海门市骨干教师，海门市优秀青年教师，海门市优秀教育工作者，有四十余篇论文发表于《中学物理教学参考》《物理教师》《物理通报》《中学物理教学探讨》等国家级、省级刊物，主持1项南通市级课题，参与了6项省级课题，且全部结题。开设过省级公开课，课例被北师大评为优秀课例。感谢董老师授权发布！

摘要

传感器已经广泛应用在工业环保、自动化、 化工、医疗、汽车工业、大气和海洋测量等各个领域。所以教育部制定的新课标把传感器作为选修3-2模块的三个二级主题之一，新教材为传感器专门安排一章。近几年来的高考传感器的考题频繁出现，传感器已经成为高考物理的新宠儿。

01

1. 传感器的工作原理

传感器是将非电学量转换成电学量的器件，传感器感受的通常是非电学量，如压力、温度、位移、浓度、速度、酸碱度等，而它输出的通常是电学量，如电压值、电流值、电荷量等，这些输出信号是非常微弱的，通常要经过放大后，再送给控制系统产生各种控制动作，传感器原理如图所示．

02

2. 常见传感器

2．1光敏电阻

（1）光敏电阻在被光照射时电阻发生变化，这样光敏电阻可以把光照强弱转换为电阻大小这个电学量．

（2）光敏电阻的电阻随光照的增强而减小．

光敏电阻一般由半导体材料做成，当半导体材料受到光照或者温度升高时，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．

题1： 右图为包含某逻辑电路的一个简单电路图，L为小灯泡。光照射电阻时，其阻值将变得远小于R，则下列说法正确的是 （） A．该逻辑电路是非门电路；当电阻受到光照时，小灯泡L不发光

B．该逻辑电路是非门电路；当电阻受到光照时，小灯泡L发光

C．该逻辑电路是与门电路；当电阻受到光照时，小灯泡L不发光

D．该逻辑电路是或门电路；当电阻受到光照时，小灯泡L发光

答案：B

2．2. 热敏电阻

热敏电阻用半导体材料制成，其电阻值随温度变化明显．随温度的升高而减小．

题2 ：如图所示是一火警报警器的部分电路示意图.其中R3为用半导体热敏材料制成的传感器.值班室的显示器为电路中的电流表，a、b之间接报警器.当传感器R3所在处出现火情时，显示器的电流I、报警器两端的电压U的变化情况是 （ ）

A.I变大，U变大

B.I变大，U变小

C.I变小，U变小

D.I变小，U变大

答案： C

2．3. 霍耳元件

如图所示，厚度为d的导体板放在垂直于它的磁感应强度为B的匀强磁场中，当恒定电流I通过导体板时，导体板的左右侧面出现电势差，这种现象称为霍耳效应．在这个矩形半导体上制作四个电极EFMN就成为一个霍耳元件，能够把磁感应强度这个磁学量转换为电压这个电学量．

题3 ： 为了测量某化工厂的污水排放量，技术人员在该厂的排污管末端安装了如图所示的流量计，该装置由绝缘材料制成，长、宽、高分别为a、b、c，左右两端开口，在垂直于上下底面方向加磁感应强度为B的匀强磁场，在前后两个内侧固定有金属板作为电极，污水充满管口从左向右流经该装置时，电压表将显示两个电极间的电压U．若用Q表示污水流量（单位时间内排出的污水体积），下列说法中正确的是 （ ）

A．若污水中正离子较多，则前表面比后表面电势高

B．前表面的电势一定低于后表面的电势，与哪种离子多无关

C．污水中离子浓度越高，电压表的示数将越大

D．污水流量Q与U成正比，与a、b无关

答案：BD

2．4、力传感器

（1）电子秤组成：由金属架和应变片组成．

（2）电子秤的工作原理：如图所示，弹簧钢制成的梁形元件右端固定。在梁的上下表面各贴一个应变片，在梁的自由端施力F，则梁发生弯曲，上表面拉伸，下表面压缩，上表面应变片的电阻变大，下表面的电阻变小．F越大，弯曲形变越大，应变片的阻值变化就越大，如果让应变片中通过的电流保持恒定，那么上面应变片两端的电压变大，下面应变片两端的电压变小，传感器把这两个电压的差值输出．外力越大．输出的电压差值也就越大．

题4： 如图是测量汽车质量的地磅示意图，汽车的质量可通过电流表的示数读出，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．地磅的最大量程只由弹簧的劲度系数决定，与电路的有关参数无关

D．把图中的电流表换成电压表同样能测量汽车的质量

答案： A

2．5、测定压力的电容式传感器

当待测压力F作用于可动膜片电极上时，可使膜片产生形变，从而引起电容的变化，如果将电容器与灵敏电流计、电源串联，组成闭合电路，当F向上压膜片电极时，电容器的电容将增大。电流计有示数，则压力F发生了变化（如图所示）。

题5： 传感器是一种采集信息的重要器件，如图所示，是一种测定压力的电容式传感器，当待测压力F作用于可动膜片电极上时，可使膜片产生形变，引起电容的变化，将电容器、灵敏电流计和电源串接成闭合电路，那么以下说法正确的是（ ）

A、当F向上压膜片电极时，电容将减小

B、若电流计有示数，则压力F发生变化

C、若电流计有向右的电流通过，则压力F在增大

D、电流计有向右的电流通过，则压力F在减小

答案：BC

传感器在各个领域的应用将越来越广泛，如在工业中，可做成高度计，工业自动控制温度传感器、湿度传感器、天气预报计、位移传感器等；在日常生活应用：人体感光开关、路灯控制器、门窗报警器、家用燃气报警器等；在医疗中应用：微型高频超声传感器 、光纤生物医学传感器等。

同步训练：

参考答案:1.B、2.A、3.A、4.BD、 5.C 、6.AD 、7.BC、 8.B

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李飞飞团队最新Nature论文：AI传感器如何改善医疗服务

“全球百大思想者”、“影响世界的华人”、“领军AI的华裔女性”、“改变了AI世界”……顶着一系列炫目的光环，李飞飞这个名字走进了大众的视野。

李飞飞

她的主要研究方向为机器学习、计算机视觉，乍看上去高冷无比，其实与我们每一个人都有着千丝万缕的关系。

历时八年，凝结了无数人的心血，十几篇AI论文和半打医疗期刊论文，最终凝聚成李飞飞和团队9月9日在Nature上联合发表的重磅论文「Illuminating the dark spaces of healthcare with ambient intelligence」，探讨AI传感器对病患治疗、养老和医疗服务影响，以及使技术更好地服务人类。

李飞飞发在Nature上的论文

文中表示，机器学习和非接触式传感器的进步，促进了环境智能 （ambient intelligence）的发展。所谓环境智能，是指智能设备进入到我们的工作、生活环境中，对我们的活动作出反应。理想情况下，无需交互接触，智能设备就能感应到人的存在，提供个性化的服务。

李飞飞团队发现，环境智能可以在医疗和我们的日常生活中扮演重要角色，为我们更好地提供更优质的医疗服务。

01 未来医疗的新趋势

2018年，约7.4％的美国人口有住院需求。同年，英国国家卫生局（NHS）报告了1700万例入院事件。与此同时，医护人员超负荷工作、人手不足、资源有限的难题，亟待解决。

环境智能可以帮助提高医疗服务质量、医生的效率和业务运营能力，有助于解决医疗资源不足的问题。

医护人员使用电子传感器和AI帮助监控和治疗病人，在保护病人隐私的同时，可以大幅度减少医疗事故的数量。

例如，传感器和AI可以提醒临床医生和访客在进入病房前先洗手，减少病人术后感染的可能性；通过传感器监测ICU病人的活动情况，病人神经肌肉损伤的发生率减少了40％。

医院中的环境智能

图a是商用环境传感器，其覆盖区域以绿色显示（即视觉传感器的视野以及声学和无线电传感器的范围）。

图b是部署在病房内的传感器，可以捕获患者、临床医生和访客的对话和身体动作。

图c是部署在整个医院中的传感器。

图d是把对活动的预测和深度传感器收集的数据进行比较。顶部是深度传感器收集的数据，中部是算法预测的病人的活动情况、持续时间和所需的协助患者的人员数量，底部是根据监控影像人工标注的实际情况。

02 更独立的日常生活

2050年，全世界65岁以上的人口数量将从7亿飙升到15亿。洗澡、穿衣、饮食等看似简单的日常生活活动，对于该人群的福祉和独立性至关重要。

将人工智能工具植入智能家庭中，可以随时监控虚弱的老年人，寻找即将到来的健康危机的行为线索，促使家庭护理人员、远程临床医生和患者自己及时采取拯救生命的干预措施。

此外，环境智能还可以通过患者的言语提示和上身运动来识别精神疾病症状，通过步态分析识别慢性疾病，收集到的数据可用于治疗师对患者的治疗。

养老院中的环境智能

图a是配备了环境传感器的养老院，绿色部分表指示传感器的覆盖区域

图b是环境智能算法处理传感器收集的数据，并进行活动分类。

图c是患者一天的活动，较深的蓝色部分表示某活动出现频率较高。

03 环境智能，任重道远

环境智能可以减少临床医生的意外错误，帮助老龄化人口独立生活，监测患有慢性疾病的患者，对患者治疗、养老和医疗服务的进步有着深远的意义。

但环境智能真正普及，还需要计算机科学家、临床医生和医学研究人员与法律、道德和公共政策专家密切合作，创建可信赖的医疗环境智能系统， 使技术发挥作用的同时，还能保障人们的隐私、公平等问题。

正如李飞飞在她的朋友圈里所说的：“我们的研究仅仅是走出的小小一步。与此同时，这些科技的社会影响，包括隐私，公平和伦理都不可忽视，也需要和科技的开发同时进行。”

李飞飞在朋友圈感谢学生

（本文未经造就授权，禁止转载。）

编辑 | 田晓娜

参考 | Nature

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