认识传感器 常见传感器的工作原理 练习 高中物理新教科版选择性必修第二册（2022-2023学年）

5.1认识传感器5.2常见传感器的工作原理[基础达标练]1．许多楼道灯具有这样的功能，天黑时，出现声音就开启，而在白天时，即使有声音它也没有什么反应。它的控制电路中接入的两个传感器是()A．温度传感器和声传感器B．温度传感器和力传感器C．光传感器和力传感器D．光传感器和声传感器【解析】楼道照明灯天黑时，出现声音它就开启，而在白天，即使有声音它也没有反应，原因是天黑没有光，则声音传感器起作用，而在白天声音传感器不起作用，所以电路中光传感器安装在声音传感器之前。【答案】D2．有一些星级宾馆的洗手间装有自动干手机，洗手后将湿手靠近，机内的传感器就开通电热器加热，有热空气从机内喷出，将湿手烘干，手靠近自动干手机能使传感器工作，是因为改变了()A．湿度 B．温度C．磁场 D．电容【解析】人是一种导体，可以与其他导体构成电容器。手靠近干手机时相当于连接一个电容器，可以确定干手机内设有电容式传感器，由于手的靠近改变了电容大小，故D正确；用湿度和温度来驱动电热器工作，理论上可行，但是假如干手机是由于温度、湿度的变化工作，它就成了室内烘干机。【答案】D3.如图所示，RT为负温度系数的热敏电阻，R为定值电阻。若往RT上擦些酒精，在环境温度不变的情况下，关于电压表示数的变化情况，下列说法正确的是()A．变大B．变小C．先变大再变小最后不变D．先变小再变大最后不变【解析】往RT上擦酒精后，酒精蒸发吸热，热敏电阻RT温度降低，电阻值增大，根据串联电路的分压特点知，电压表示数变小。当酒精蒸发完毕后，RT的温度逐渐升高到环境温度后不变，所以热敏电阻的阻值逐渐变小，最后不变，故电压表的示数将逐渐变大，最后不变。所以选项D正确。【答案】D4.传感器可将非电学量转化为电学量，起自动控制作用，如计算机鼠标中有位移传感器，电饭煲中有温度传感器，电视机、录像机、影碟机、空调机中有光电传感器。如图是演示位移传感器的工作原理图，物体M在导轨上平移时，带动滑动变阻器的滑片移动，通过电压表显示的数据来反映物体位移的大小，假设电压表是理想的，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【解析】由于电压表是理想的，因此滑片P移动时，不改变闭合电路的电阻，电源内的电流不发生变化，即电流恒定，A、C错误；物体M运动时，电压表所测电压是变化的，M不动时，电压表示数恒定，B正确，D错误。【答案】B5.(多选)电阻R随温度T变化的图线如图所示。下列说法正确的是()A．图线1是热敏电阻的图线，它是用金属材料制成的B．图线2是热敏电阻的图线，它是用半导体材料制成的C．图线1对应的材料化学稳定性好，测温范围大，灵敏度高D．图线2对应的材料化学稳定性差，测温范围小，灵敏度高【解析】金属热电阻的阻值随温度升高而增大，半导体材料的热敏电阻的阻值随温度升高而减小，所以A错，B对；图线1对应的材料化学稳定性好，测温范围大，但灵敏度低，图线2对应的材料化学稳定性差，测温范围小，但灵敏度高，所以C错，D对。【答案】BD6.在信息技术高速发展、电子计算机广泛应用的今天，担负着信息采集任务的传感器在自动控制、信息处理技术中发挥着越来越重要的作用，其中热电传感器是利用热敏电阻将热信号转换成电信号的元件。某学习小组的同学在用多用电表研究热敏特性实验中，安装好如图所示装置。向杯内加入冷水，温度计的示数为20℃，多用电表选择适当的倍率，读出热敏电阻的阻值R1。然后向杯内加入热水，温度计的示数为60℃，发现多用电表的指针偏转角度较大，则下列说法正确的是()A．应选用电流挡，温度升高换用大量程测量B．应选用电流挡，温度升高换用小量程测量C．应选用欧姆挡，温度升高时换用倍率大的挡D．应选用欧姆挡，温度升高时换用倍率小的挡【解析】多用电表与热敏电阻构成的回路中未接入电源，故不能选用电流挡，A、B错误；当温度升高时多用电表指针偏转角度较大，说明热敏电阻的阻值变小了，应该换用倍率小的挡，C错误，D正确。【答案】D7.利用现代信息技术进行的实验叫作DIS实验，DIS由传感器、数据采集器和计算机组成。如图所示为“用DIS测变速直线运动的瞬时速度”实验的装置图，图中①所示的器材为()A．位移传感器 B．速度传感器C．时间传感器 D．光电门传感器【解析】光电门传感器能够测量并记录挡光片通过光电门的时间t，若挡光片的宽度为d，则瞬时速度v＝eq\f(d,t)，故D正确。【答案】D[能力提升练]8.(多选)如图所示，R1、R2为定值电阻，L为小灯泡，R3为光敏电阻。当入射光强度增大时()A．电压表的示数增大B．R2中电流减小C．小灯泡的功率增大D．电路的路端电压增大【解析】当入射光强度增大时，R3阻值减小，外电路电阻随R3的减小而减小，R1两端电压因干路电流增大而增大，即电压表的示数增大，故A正确。干路电流增大，内电压增大，所以电路的路端电压减小，故D错误。由路端电压减小且R1两端电压增大知，R2两端电压必减小，则R2中电流减小，故B正确。干路电流增大，R2中电流减小，流过小灯泡的电流必增大，所以小灯泡的功率增大，故C正确。【答案】ABC9.电子打火机的点火原理是压电效应，压电片在受压时会在两侧形成电压且电压大小与压力近似成正比。现有一利用压电效应制造的电梯加速度传感器，如图所示。压电片安装在电梯地板下，电压表与压电片构成闭合回路用来测量压电片两侧形成的电压。若发现电压表示数增大，下列说法正确的是()A．电梯一定加速上升B．电梯一定减速下降C．电梯加速度一定向上D．电梯加速度一定向下【解析】电压表示数增大说明人对地板的压力变大，对人受力分析知，地板对人的支持力大于人所受重力，即人的加速度一定向上，所以电梯可能向上加速，也可能向下减速。【答案】C10．图甲是一火警报警装置的一部分电路，其中R2是半导体热敏电阻(传感器)，它的电阻R随温度t变化关系如图乙所示，该电路的输出端a、b接报警器。当传感器所在处出现火情时，通过电流表的电流I和a、b两端电压U与出现火情前相比()A．I变大，U变大 B．I变小，U变小C．I变小，U变大 D．I变大，U变小【解析】当传感器所在处出现火情时，温度升高，R2的阻值减小，故外电阻减小，干路电流增大，内电压、R4两端的电压均增大，故a、b两端电压减小；内电压、R4两端电压、R1两端电压均增大，故并联电路的电压减小，通过R3的电流减小，而总电流增大，所以R2上通过的电流增大，故D正确。【答案】D11．(多选)利用光敏电阻制作的光传感器，记录了传送带上工件的输送情况。图甲所示为某工厂成品包装车间的光传感记录器，光传感器B能接收到发光元件A发出的光。每当工件挡住A发出的光时，光传感器就输出一个电信号，并在屏幕上显示出电信号与时间的关系，如图乙所示。若传送带始终匀速运动，每两个工件间的距离为0.2m，则下述说法正确的是()A．传送带运动的速度是0.1m/sB．传送带运动的速度是0.2m/sC．该传送带每小时输送3600个工件D．该传送带每小时输送7200个工件【解析】有工件通过时，挡住A射向光传感器B的光，B的电阻增大，输出一个高电压，所以两相邻工件通过时间t＝1s，传送带的速度v＝eq\f(0.2,1)m/s＝0.2m/s，每小时传送工件3600个。【答案】BC12.(多选)霍尔元件是实际生活中的重要元件之一，广泛应用于测量和自动化技术等领域，如图所示为一长度一定的霍尔元件，磁感应强度为B的匀强磁场垂直于霍尔元件的工作面向下，在元件中通入图示从E到F方向的电流I，元件中的载流子带负电，下列说法中正确的是()A．该元件能把电学量转化为磁学量B．该元件C面的电势高于D面的电势C．如果用该元件测赤道处地磁场的磁感应强度，应保持C、D面竖直D．如果流过霍尔元件的电流大小不变，则元件C、D面的电势差与磁场的磁感应强度成正比【解析】霍尔元件是能够把磁学量转换为电学量的传感器，A错误；根据左手定则可知，带负电的电荷向C面偏转，C面带负电，D面带正电，所以D面的电势高，B错误；在测定地球赤道处的地磁场的磁感应强度时，应将元件的C、D面保持竖直、让磁场垂直通过元件的工作面，C正确；运动电荷最终在静电力和洛伦兹力的作用下处于平衡状态，设霍尔元件的长、宽、高分别为a、b、d，则有qeq\f(U,b)＝qvB，电流的微观表达式为I＝nqvS＝nqvbd，所以U＝eq\f(BI,nqd)，如果流过霍尔元件的电流大小不变，则元件C、D面的电势差与磁场的磁感应强度成正比，D正确。【答案】CD[创新应用练]13．观察如图所示的电容式传感器，并回答问题。(1)图甲是________的电容式传感器，原理是______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________。(2)图乙是________的电容式传感器，原理是_________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________。(3)图丙是________的电容式传感器，原理是__________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________。(4)图丁是________的电容式传感器，原理是________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________。【解析】(1)图甲是角度的电容式传感器，其原理是当动片旋进的角度不同时，电容器的正对面积不同，电容不同。(2)图乙是液体深度的电容式传感器，其原理是导电液体相当于电容器的一个极板，当液体深度发生改变时，相当于两极板的正对面积发生改变，电容也随之改变。(3)图丙是压力的电容式传感器，其原理是当作用在一个电极的压力改变时，金属片的形变也发生改变，两极板的距离发生改变，电容也发生改变。(4)图丁是位移的电容式传感器，其原理是电介质板和物体固定在一起，当物体发生一小段位移时，插入两极板间的电介质发生变化，导致电容发生变化。【答案】见解析14.一块N形半导体薄片(称霍尔元件，自由电荷为电子)，其横截面为矩形，体积为b×c×d，如图所示。已知其单位体积内的电子数为n、电阻率为ρ、电子电荷量为e。将此元件放在匀强磁场中，磁场方向沿z轴方向，并通有沿x轴方向的电流I。(1)此元件的C、C′两个侧面中，哪个面电势高？(2)试证明在磁感应强度一定时，此元件的C、C′两个侧面的电势差与其中的电流成正比。(3)磁强计是利用霍尔效应来测量磁感应强度B的仪器。其测量方法为：将导体放在匀强磁场之中，用毫安表测量通过的电流I，用毫伏表测量C、C′间的电压UCC′，就可测得B。若已知其霍尔系数k＝eq\f(1,ned)＝10mV/mA·T，并测得UCC′＝0.6mV，I＝3mA，试求该