高中物理鲁科版 (2019)选择性必修 第二册第5章 传感器及其应用第1节 常见传感器的工作原理随堂练习题

第5章　传感器及其应用

第1节　常见传感器的工作原理

基础过关练

题组一　传感器的工作原理

1.下列关于传感器工作的一般流程中正确的是(　　)

A.非电学量→敏感元件→转换电路→电学量→转换元件

B.电学量→敏感元件→转换电路→转换元件→非电学量

C.非电学量→敏感元件→转换元件→转换电路→电学量

D.非电学量→转换电路→转换元件→敏感元件→电学量

2.关于传感器及其作用,下列说法正确的是(　　)

A.传感器一定是把非电学量转换为电学量

B.传感器一定是把非电学量转换为电路的通断

C.传感器把非电学量转换为电学量,是为了更方便地进行测量、传输、处理和控制

D.电磁感应是把磁学量转换为电学量,所以电磁感应也是传感器

题组二　光敏电阻

3.如图所示,将一光敏电阻连入多用电表两表笔上,将多用电表的选择开关置于欧姆挡,用光照射光敏电阻时表针的偏角为θ,现用手掌挡住部分光线,表针的偏角为θ',则可判断(　　)

A.θ'=θ

B.θ'<θ

C.θ'>θ

D.不能确定θ和θ'的关系

4.光电式感烟探测器(简称烟感器)由光源、光电元件和电子开关组成。利用光散射原理对火灾初期产生的烟雾进行探测,并及时发出警报信号。该烟感器利用的传感器是(　　)

A.力传感器 B.声传感器

C.位移传感器 D.光传感器

5.江海里的航标灯(如图)要求夜晚亮、白天熄,利用半导体的电学特性制成了自动点亮、熄灭的装置,实现了自动控制,这是利用半导体的(　　)

A.压敏性 

B.光敏性

C.热敏性 

D.以上三个特性都利用了

题组三　热敏电阻

6.(多选)如图所示,在电路中接一段钨丝,闭合开关,灯泡正常发光,当用打火机给钨丝加热时灯泡亮度明显变暗,根据钨丝的上述特性,可用钨丝来制作一个温度传感器。下面说法中正确的是　(　　)

A.该传感器利用了钨丝的化学性质

B.该传感器利用了钨丝电阻随温度变化而变化的特性

C.该传感器能够把热学量(温度)转换为电学量(电阻)

D.该传感器能够把电学量(电阻)转换为热学量(温度)

题组四　磁敏元件

7.霍尔元件能转换哪两个量(　　)

A.把温度这个热学量转换为电阻这个电学量

B.把磁感应强度这个非电学量转换为电压这个电学量

C.把力转换为电压这个电学量

D.把光照强弱这个光学量转换为电阻这个电学量

8.如图所示,截面为矩形的金属导体放在磁场中,当导体中通有图示电流时,导体上、下表面的电势关系为(　　)

A.φM>φN B.φM=φN

C.φM<φN D.无法判断

能力提升练

题组一　光敏电阻特性

1.(2019山西大同检测,)如图(a)所示的电路中,光敏电阻R2加上图(b)所示的光照时,R2两端的电压变化规律是下列选项中的(　　)

题组二　热敏电阻特性

2.(2020山西平遥中学高二检测,)(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。如图所示电路,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的带电荷量增大

B.电压表的读数增大

C.电容器C两极板间的电场强度减小

D.R1消耗的功率增大

3.(2019黑龙江大庆铁人中学高二下期中,)传感器担负着信息的采集任务,在自动控制中发挥着重要作用,传感器能够将感受到的物理量(如温度、光、声等)转换成便于测量的量(通常是电学量),例如热敏传感器,主要是应用了半导体材料制成的热敏电阻。热敏电阻阻值随温度变化的图线如图甲所示,图乙是由热敏电阻Rt作为传感器制作的简单自动报警器的线路图。问:

(1)为了使温度过高时报警铃响,c应接在　　　　(选填“a”或“b”); 

(2)若使启动报警的温度提高些,应将滑动变阻器滑片P向　　　　移动(选填“左”或“右”)。 

题组三　磁敏元件

4.(2019河南一模,)物理学家霍尔于1879年在实验中发现,当电流垂直于磁场通过导体或半导体材料左右两个端面时,在材料的上下两个端面之间产生电势差。这一现象被称作霍尔效应,产生这种效应的元件叫霍尔元件,在现代技术中被广泛应用。如图为霍尔元件的原理示意图,其霍尔电压U与电流I和磁感应强度B的关系可用公式UH=kH表示,其中kH叫该元件的霍尔系数。根据你所学过的物理知识,判断下列说法正确的是(　　)

A.霍尔元件上表面电势一定高于下表面电势

B.公式中的d指元件上下表面间的距离

C.霍尔系数kH是一个没有单位的常数

D.霍尔系数kH的单位是m3·s-1·A-1

5.(2020重庆第一中学高二检测,)如图所示,厚度为h、宽度为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,当电流通过导体板时,在导体板的上侧面A和下侧面A'之间会产生电势差,这种现象称为霍尔效应。实验表明,当磁场不太强时,电势差U、电流I和B的关系为U=k,式中的比例系数k称为霍尔系数。

霍尔效应可解释如下:外部磁场对电子施加的洛伦兹力使运动的电子聚集在导体板的一侧,在导体板的另一侧会出现多余的正电荷,从而形成电场。电场对电子施加与洛伦兹力方向相反的电场力。当电场力与洛伦兹力达到平衡时,导体板上下面两侧之间就会形成稳定的电势差。

设电流I是由电子的定向移动形成的,电子的平均定向移动速率为v,电荷量为e。回答下列问题:

(1)达到稳定状态时,导体板上侧面A的电势　　　(选填“高于”“低于”或“等于”)下侧面A'的电势。 

(2)电子所受的洛伦兹力的大小为　　　　。 

(3)当导体板上下两侧面之间的电势差为U时,电子所受静电力的大小为　　　　。 

(4)由电场力和洛伦兹力平衡的条件,证明霍尔系数k=,其中n代表导体板单位体积中电子的个数。

答案全解全析

第5章　传感器及其应用

第1节　常见传感器的工作原理

基础过关练

1.C　传感器工作的一般流程为非电学量→敏感元件→转换元件→转换电路→电学量,因此A、B、D错,C对。

2.C　传感器是指一种元件或装置,它能感受力、温度、光、声、磁等非电学量,并能把它们按照一定的规律转换为可用输出信号(主要是电信号),其作用和目的是更方便地测量、传输、处理、控制非电学量。电磁感应是原理,既不是元件,也不是装置,不能称为传感器。故选C。

3.B　因为多用电表选择开关置于欧姆挡,所以测量的是光敏电阻的阻值,光敏电阻的阻值随光照强度的增强而减小,开始时有光照射,光敏电阻的阻值较小,当用手掌挡住部分光线时,光敏电阻的阻值增大,因为多用电表测电阻时的零刻度线在表盘的右侧,所以多用电表测电阻时,阻值越大,指针张角越小,所以选项B正确。

4.D　烟感器利用光散射原理对火灾初期产生的烟雾进行探测,所以利用的是光传感器,故选D。

5.B　根据题意,装置要做到夜晚亮、白天熄,必须利用光照的不同改变半导体元件的电阻率,实现光控制,所以利用了半导体的光敏性。

6.BC　由题目中的现象可知钨丝的电阻随温度的升高而增大,随温度的降低而减小,利用该特性可以制成温度传感器,该传感器能够把温度这个热学量转换为电阻这个电学量,B、C对,A、D错。

7.B　霍尔电压U=,它是把磁感应强度这个非电学量转换为电压这个电学量,故B正确。

8.A　霍尔效应形成的原因是带电粒子在磁场中受到洛伦兹力作用而定向移动。根据左手定则,金属导体中的自由电子受到向下的洛伦兹力作用,向导体的下表面N运动,则导体的上表面M带正电荷,所以φM>φN,故选A。

能力提升练

1.B　光敏电阻随光照的增强电阻减小,电路中电流增大,电阻R1两端电压增大,R2两端电压减小,但不能减小到零,故选项B正确。

2.AB　当环境温度降低时,R2阻值变大,电路的总电阻变大,由I=知I变小,又U=E-Ir,电压表的读数U增大,选项B正确;由P1=I2R1可知,R1消耗的功率P1变小,选项D错误;电容器两极板间的电压U2=U-U1,U1=IR1,可知U1变小,U2变大,由场强公式E'=知E'变大,由Q=CU2可知Q增大,选项A正确,C错误。

3.答案　见解析

解析　(1)由题图甲可知当温度升高时Rt的阻值减小,通过线圈的电流变大,线圈的磁感应强度变大,对衔铁的吸引力变大,可与a点接触,故欲使温度过高时报警器报警,c应接在a点。

(2)若使启动报警的温度提高些,可使电路的相对电流减小一些,以使得热敏电阻Rt的阻值减小得更多一些,所以将滑动变阻器滑片P向左移动,增大滑动变阻器接入电路的阻值。

4.D　由左手定则知洛伦兹力向上,但载流子的电性是不确定的,故无法判断上表面的电性,无法比较上下表面的电势高低,选项A错误;设上下两表面间的距离为h,对于载流子,静电力和洛伦兹力平衡,有qvB=q,电流微观表达式为I=nqSv,故UH=Bhv=,与UH=kH对比可知d=,则公式中的d指元件前后侧面间的距离,选项B错误; 依据公式UH=kH中UH、I、B、d的单位可知,系数kH的单位是m3·s-1·A-1,选项C错误,D正确。

5.答案　(1)低于　(2)evB　(3)e　(4)见解析

解析　(1)电子向左做定向移动,由左手定则知电子受洛伦兹力的方向向上,故上侧面A积聚电子,上侧面的电势低于下侧面的电势。

(2)电子所受洛伦兹力的大小为F洛=evB。

(3)由F=Eq及E=得F电=Ee=e。

(4)当电场力和洛伦兹力平衡时:e=evB,则U=vBh。又 I=nqSv=nevdh。

由U=k,得k===。