新教材高中物理課后訓(xùn)練3常見傳感器的工作原理含解析魯科版選擇性必修第二冊

PAGE6-常見傳感器的工作原理(建議用時：40分鐘)◎題組一傳感器的原理和分類1．(多選)關(guān)于傳感器的作用，下列說法正確的是()A．通常的傳感器可以直接用來進(jìn)行自動控制B．傳感器可以用來采集信息C．傳感器可以將感受到的一些信息轉(zhuǎn)換為電學(xué)量D．傳感器可以將所有感受到的信息都轉(zhuǎn)換為電學(xué)量BC[傳感器的作用主要是用來采集信息并將采集到的信息轉(zhuǎn)換成便于測量的量；但并不是將其感受到的所有信息都轉(zhuǎn)換為電學(xué)量。故B、C正確。]2．關(guān)于傳感器工作的一般流程，下列說法中正確的是()A．非電學(xué)量→敏感元件→轉(zhuǎn)換電路→電學(xué)量→轉(zhuǎn)換元件B．電學(xué)量→敏感元件→轉(zhuǎn)換電路→轉(zhuǎn)換元件→非電學(xué)量C．非電學(xué)量→敏感元件→轉(zhuǎn)換元件→轉(zhuǎn)換電路→電學(xué)量D．非電學(xué)量→轉(zhuǎn)換電路→轉(zhuǎn)換元件→敏感元件→電學(xué)量C[傳感器工作的一般流程為：非電學(xué)量eq\o(→,\s\up10(被))敏感元件eq\o(→,\s\up10(感知，然后通過))轉(zhuǎn)換元件eq\o(→,\s\up10(轉(zhuǎn)換成電信號，再通過))轉(zhuǎn)換電路eq\o(→,\s\up10(將此信號轉(zhuǎn)換成易于傳輸或測量的))電學(xué)量，因此A、B、D錯誤，C正確。]3．關(guān)于物理傳感器，化學(xué)傳感器和生物傳感器的下列說法中，正確的是()A．物理傳感器利用材料的某種物理性質(zhì)工作，因而只能用于機(jī)械加工行業(yè)不能用于化工領(lǐng)域B．化學(xué)傳感器是利用某種化學(xué)反應(yīng)來工作的，因而只能輸出某種化學(xué)物質(zhì)而不能輸出電學(xué)量C．生物傳感器的適用范圍廣，可在任意溫度條件下工作D．生物傳感器由于含有生命物質(zhì)，因而對使用傳感器的環(huán)境條件有一定要求D[不論哪種傳感器都可以將非電學(xué)量轉(zhuǎn)換成電學(xué)量輸出，故B錯誤；物理傳感器在化工領(lǐng)域也可以使用，如溫度傳感器等，故A錯誤；生物傳感器能夠使用的前提是傳感器中的生命物質(zhì)保持生物活性，故C錯誤，D正確。]◎題組二光敏電阻和熱敏電阻的特性4．關(guān)于光敏電阻和熱敏電阻，下列說法中正確的是()A．光敏電阻是用半導(dǎo)體材料制成的，其阻值隨光照增強(qiáng)而減小，隨光照的減弱而增大B．光敏電阻是能把光照強(qiáng)度這個光學(xué)量轉(zhuǎn)換為電流這個電學(xué)量的傳感器C．熱敏電阻是用金屬鉑制成的，它對溫度感知很靈敏D．熱敏電阻是把熱量這個熱學(xué)量轉(zhuǎn)換為電阻這個電學(xué)量的傳感器A[光敏電阻是把光強(qiáng)轉(zhuǎn)換為電阻的元件；熱敏電阻是把溫度轉(zhuǎn)換為電阻的元件，故B、D錯誤；熱敏電阻和光敏電阻都是半導(dǎo)體材料制成的，半導(dǎo)體具有光敏性和熱敏性，金屬鉑與熱敏電阻的阻值隨溫度的變化趨勢相反，故C錯誤。]5．如圖(a)所示的電路中，光敏電阻R2加上圖(b)所示的光照時，R2兩端的電壓變化規(guī)律是圖中的()ABCDB[光敏電阻隨光照的增強(qiáng)電阻減小，電路中電流增大，電阻R1兩端電壓增大，R2兩端電壓減小，但不能減小到零。故選項B正確。]6．(多選)有定值電壓、熱敏電阻、光敏電阻三只元件，將這三只元件分別接入如圖所示電路中的A、B兩點(diǎn)后，用黑紙包住元件或者把元件置入熱水中，觀察歐姆表的示數(shù)，下列說法中正確的是()A．置入熱水中與不置入熱水中相比，歐姆表示數(shù)變化較大的一定是熱敏電阻B．置入熱水中與不置入熱水中相比，歐姆表示數(shù)不變化的一定是定值電阻C．用黑紙包住與不用黑紙包住相比，歐姆表示數(shù)變化較大的一定是光敏電阻D．用黑紙包住與不用黑紙包住相比，歐姆表示數(shù)相同的一定是定值電阻AC[熱敏電阻的阻值隨溫度的變化而變化，定值電阻和光敏電阻的阻值不隨溫度發(fā)生變化，故A正確，B錯誤；光敏電阻的阻值隨光照的變化而變化，而定值電阻和熱敏電阻的阻值不隨光照的變化而變化，故C正確，D錯誤。]7．某同學(xué)設(shè)計的散熱排風(fēng)控制電路如圖所示，M為排風(fēng)扇，R是可變電阻，R0是半導(dǎo)體熱敏電阻，其阻值隨溫度升高而減小。控制開關(guān)電路具有下列特性：當(dāng)A點(diǎn)電勢φA＜φ0時，控制開關(guān)處于斷路狀態(tài)；當(dāng)φA≥φ0時，控制開關(guān)接通電路，M開始運(yùn)轉(zhuǎn)。下列說法中正確的是()A．環(huán)境溫度升高時，A點(diǎn)電勢升高B．可變電阻R阻值調(diào)大時，A點(diǎn)電勢降低C．可變電阻R阻值調(diào)大時，排風(fēng)扇開始工作的臨界溫度升高D．若用金屬熱電阻代替半導(dǎo)體熱敏電阻，電路仍能正常工作A[當(dāng)環(huán)境溫度升高時，半導(dǎo)體熱敏電阻R0的阻值隨溫度升高而減小，則電路中的電流增大，所以A點(diǎn)的電勢升高，故A正確；可變電阻R阻值調(diào)大時，導(dǎo)致電路的電流減小，則A點(diǎn)電勢升高，故B錯誤；可變電阻R阻值調(diào)大時，導(dǎo)致電路的電流減小，則A點(diǎn)電勢升高，由于當(dāng)A點(diǎn)電勢φA＜φ0時，控制開關(guān)處于斷路狀態(tài)；當(dāng)φA≥φ0時，控制開關(guān)接通電路，M開始運(yùn)轉(zhuǎn)，工作臨界溫度沒變，而是提前被接通，故C錯誤；若用金屬熱電阻代替半導(dǎo)體熱敏電阻，當(dāng)溫度升高時，其阻值增大，導(dǎo)致A點(diǎn)電勢降低，則開關(guān)會處于斷開狀態(tài)，所以起不到散熱排風(fēng)的作用，故D錯誤。]◎題組三霍爾效應(yīng)的應(yīng)用8．霍爾元件是磁傳感器，是實際生活中的重要元件之一。如圖所示為長度一定的霍爾元件，在該元件中通有方向從E到F的恒定電流I，現(xiàn)在空間加一豎直向下的勻強(qiáng)磁場，磁感應(yīng)強(qiáng)度大小為B，其中元件中的載流子為帶負(fù)電的電荷。則下列說法正確的是()A．該元件能把電學(xué)量轉(zhuǎn)化為磁學(xué)量B．左表面的電動勢高于右表面C．如果用該元件測赤道處的磁場，應(yīng)保持平面呈水平狀態(tài)D．如果在霍爾元件中的電流大小不變，則左右表面的電勢差與磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度成正比D[霍爾元件能夠把磁學(xué)量轉(zhuǎn)換為電學(xué)量，A錯誤；由于元件中的載流子為帶負(fù)電的電荷，則負(fù)電荷的運(yùn)動方向由F到E，由左手定則可知負(fù)電荷向左表面偏轉(zhuǎn)，則右表面的電勢高，B錯誤；如果用該元件測赤道處的磁場，由于地磁場與水平面平行，因此如果霍爾元件的平面保持水平，則無電壓產(chǎn)生，C錯誤；根據(jù)qvB＝qeq\f(U,d)得，U＝Bdv，由電流的微觀定義式I＝nqSv(n是單位體積內(nèi)的導(dǎo)電粒子數(shù)，q是單個導(dǎo)電粒子所帶的電荷量，S是導(dǎo)體的橫截面積，v是導(dǎo)電粒子運(yùn)動的速度)整理得v＝eq\f(I,nqS)，聯(lián)立解得U＝eq\f(BI,nqd)，可知用霍爾元件可以測量地磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度，保持電流不變，則左右表面的電勢差與磁感應(yīng)強(qiáng)度成正比，D正確。]9．一塊N型半導(dǎo)體薄片(稱霍爾元件)，其橫截面為矩形，體積為b×c×d，如圖所示。已知其單位體積內(nèi)的電子數(shù)為n、電阻率為ρ、電子電荷量為e。將此元件放在勻強(qiáng)磁場中，磁場方向沿z軸正方向，并通有沿x軸正方向的電流I。(1)此元件的C、C′兩個側(cè)面中，哪個面電勢高？(2)試證明在磁感應(yīng)強(qiáng)度一定時，此元件的C、C′兩個側(cè)面的電勢差與其中的電流成正比；(3)磁強(qiáng)計是利用霍爾效應(yīng)來測量磁感應(yīng)強(qiáng)度B的儀器。其測量方法為：將導(dǎo)體放在勻強(qiáng)磁場中，用毫安表測量通過的電流I，用毫伏表測量C、C′間的電壓UCC′，就可測得B。若已知其霍爾系數(shù)k＝eq\f(1,ned)＝10mV/mA·T。并測量UCC′＝0.6mV，I＝3mA。試求該元件所在處的磁感應(yīng)強(qiáng)度B的大小。[解析](1)因電子的運(yùn)動方向與電流的方向相反，再由左手定則可知，電子向C面偏移，所以C′面電勢較高。(2)假設(shè)定向移動速度為v，由I＝eq\f(q,t)，q＝nebdvt可得：I＝nebdv穩(wěn)定時有：Bev＝eq\f(eUCC′,b)可得：UCC′＝eq\f(B,ned)I，eq\f(B,ned)中各量均為定值，所以側(cè)面的電勢差與其中的電流成正比。(3)由(2)可知B＝eq\f(UCC′,kI)，代入得：B＝0.02T。[答案](1)C′面較高(2)見解析(3)0.02T1．如圖所示是一火警報警器的一部分電路示意圖，其中R2為用NTC半導(dǎo)體熱敏材料制成的傳感器，電流表為值班室的顯示器，a、b之間接報警器，當(dāng)傳感器R2所在處出現(xiàn)火情時，顯示器的電流I、報警器兩端的電壓U的變化情況是()A．I變大，U變大 B．I變小，U變小C．I變小，U變大 D．I變大，U變小B[當(dāng)R2處出現(xiàn)火情時，NTC熱敏材料制成的傳感器的電阻將減小，則此時電路中的總電阻減小，由閉合電路歐姆定律可知：外電路電壓將減小，U減?。浑娐分械目傠娏髟龃?，所以R1上的電壓增大，顯示器兩端的電壓將減小，電流I減小，B正確。]2．(多選)如圖所示電路中，電源電動勢為E，內(nèi)阻為r，RT為負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻，R為光敏電阻，閉合開關(guān)后，小燈泡L正常發(fā)光，由于環(huán)境條件改變(光照或溫度)，發(fā)現(xiàn)小燈泡亮度變暗，則引起小燈泡變暗的原因可能是()A．溫度不變，光照增強(qiáng)B．溫度升高，光照不變C．溫度降低，光照增強(qiáng)D．溫度升高，光照減弱AC[由題圖可知，當(dāng)光敏電阻阻值減小或熱敏電阻阻值增大時，小燈泡L都會變暗，結(jié)合光敏電阻特性可知，A正確，B錯誤；若光敏電阻阻值減小的同時，熱敏電阻的阻值增大，小燈泡L變暗，C正確；若熱敏電阻減小，光敏電阻增大，則小燈泡變亮，D錯誤。]3．溫度傳感器廣泛應(yīng)用于室內(nèi)空調(diào)、電冰箱和微波爐等家用產(chǎn)品中，它是利用熱敏電阻的阻值隨溫度的變化而變化的特性工作的。如圖甲中，電源的電動勢E＝9.0V，內(nèi)電阻可忽略不計；G為靈敏電流計，內(nèi)阻Rg保持不變；R為熱敏電阻，其電阻值與溫度的變化關(guān)系如圖乙的R-t圖線所示，閉合開關(guān)，當(dāng)R的溫度等于120℃時，電流表示數(shù)I1＝3mA，求：甲乙(1)電流計G的內(nèi)阻Rg；(2)當(dāng)電流計的示數(shù)I2＝1.8mA時，熱敏電阻R的溫度。[解析](1)由題圖乙知熱敏電阻R的溫度在120℃時，電阻為2kΩ，閉合電路的電流為I1＝3mA根據(jù)閉合電路歐姆定律得：Rg＝eq\f(E,I1)－R＝eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(9,3×10－3)－2×103))Ω＝1000Ω。(2)當(dāng)電流計的示數(shù)I2＝1.8mA時R＝eq\f(E,I2)－Rg＝eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(9,1.8×10－3)－1×103))Ω＝4000Ω由題圖乙可知當(dāng)熱敏電阻R阻值為4000Ω時的溫度為20℃。[答案](1)1000Ω(2)20℃4．如圖所示為一種加速度儀的示意圖。質(zhì)量為m的振子兩端連有勁度系數(shù)均為k的輕彈簧，電源的電動勢為E，不計內(nèi)阻，滑動變阻器的總阻值為R，有效長度為L，系統(tǒng)靜止時滑動觸頭位于滑動變阻器正中間，這時電壓表指針恰好在刻度盤正中間。求：(1)系統(tǒng)的加速度a(以向右為正)和電壓表讀數(shù)U的函數(shù)關(guān)系式；(2)將電壓表刻度改為加速度刻度后，其刻度是均勻的還是不均勻的？為什么？(3)若電壓表指針指在滿刻度的eq\f(3,4)位置，此時系統(tǒng)的加速度大小和方向如何？[解析](1)當(dāng)振子向左偏離中間位置x距離時，由牛頓第二定律得2kx＝ma ①電壓表的示數(shù)為U＝