鲁科版 (2019)选择性必修 第二册第1节 常见传感器的工作原理精练

常见传感器的工作原理

(15分钟　30分)

一、选择题(本题共4小题，每题5分，共20分)

1.如图所示，在电路中接一段细铁丝，闭合开关，灯泡正常发光，当用酒精灯加热铁丝时灯泡亮度明显变暗，根据铁丝的上述特性，下列说法中错误的

是(　　)

A.该传感器利用了铁丝的物理性质

B.该传感器利用了铁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)

【解析】选D。由题目中的实验现象可知，铁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，传感器能够把温度这个热学量转换为电阻这个电学量，故A、B、C正确，D错误。

2.下列关于传感器说法正确的是(　　)

A.干簧管接入电路中相当于电阻的作用

B.霍尔元件能够把磁学量(如磁感应强度)转化为电学量(如电压)

C.光敏电阻随光照强度增加电阻增大

D.热敏电阻的阻值随温度的升高而升高

【解析】选B。干簧管接入电路中相当于开关的作用，所以A错误；霍尔元件将磁学量转化为电学量，所以B正确；光敏电阻随光照强度增加电阻减小，所以C错误；热敏电阻的阻值随温度的升高可能增大也可能减小，所以D错误。

【补偿训练】

　　某楼梯口的电灯开关装有传感器，天黑时，出现声音才能发光，而白天即使有声音，电灯也不能发光，该开关中有两种传感器，它们可能是(　　)

A.热敏电阻和光敏电阻

B.金属热电阻和光敏电阻

C.热敏电阻和霍尔元件

D.光敏电阻和驻极体话筒

【解析】选D。两种传感器分别把声音信号、光信号转换为电信号，所以选项D正确。

3.如图所示，截面为矩形的金属导体，放在匀强磁场中，当导体中通有电流时，导体的上下表面的电势有什么关系(　　)

A.φM>φN　　　 B.φM=φN

C.φM<φN   D.无法判断

【解析】选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的作用，做定向移动，根据左手定则，金属导体中自由电子受到向下的洛伦兹力作用，向N板运动，则M板剩下正电荷，所以φM>φN。故选A。

【总结提升】霍尔元件电势高低的判断方法

(1)由左手定则判断带电粒子的受力方向，如果带电粒子是正电荷，则拇指所指的面为高电势面；如果是负电荷，则拇指所指的面为低电势面，但无论是正电荷还是负电荷，四指指的都是电流方向，即正电荷定向移动的方向，负电荷定向移动的反方向。

(2)在判断电势高低时一定要注意载流子是负电荷。

4.电源、开关S和S′、定值电阻R1、光敏电阻R2和电容器连接成如图所示电路，电容器的两平行板水平放置，当开关S、S′闭合，并且无光照射光敏电阻R2时，一带电液滴恰好静止在电容器两板间的M点，当用强光照射光敏电阻R2时，

则(　　)

A.液滴向下运动

B.液滴仍然静止

C.R2两端的电势差是否升高无法分析

D.当光照强度不变时断开S′，把电容器的上极板向上移动一小段距离，则上极板的电势比A点的电势高

【解析】选D。当用强光照射光敏电阻R2时，光敏电阻的阻值变小，电路中电流增大，R1两端间的电压增大，电容器的电压增大，板间场强增大，液滴所受的电场力增大，液滴向上运动，故A、B错误；当用强光照射光敏电阻R2时，光敏电阻的阻值变小，电路中电流增大，R2两端间的电压：=E-I(R1+r)一定减小，故C错误；当光照强度不变时断开S′，电容器的带电量不变，电势差：===，把电容器的上极板向上移动一小段距离，d变大，故电势差变大，由于下极板电势为零，故上极板的电势比A点的电势高，故D正确。

二、非选择题(10分)

5.如图所示，图中1是弹簧，2是衔铁，3是触点，4是电磁铁，5是负温度系数的热敏电阻，6是滑动变阻器，7是电铃，它们组成一种温度自动报警电路，试说明这种简单温度自动报警电路的工作原理。

【解析】当热敏电阻温度升高到一定值时，电磁铁电路中的电流增大，电磁铁吸引衔铁使电铃电路闭合，电铃响并报警；当温度下降后，电阻增大，电流减小，电磁铁磁性减弱，衔铁被弹簧拉起，电铃电路断开，电铃不发声。

答案：见解析

【补偿训练】

　　把蜂鸣器、光敏电阻、干簧管继电器、开关、电源按如图甲所示电路连接，制成光电报警装置，当报警装置有光照射时，蜂鸣器发声，当没有光照或者光照很弱时，蜂鸣器不发声。①光敏电阻：光敏电阻受光照后，阻值会变小。②干簧管继电器：由干簧管和绕在干簧管外的线圈组成，如图乙所示，当线圈中有一定的电流时，线圈产生的磁场使密封在干簧管内的两个铁质簧片磁化，两个簧片在磁力作用下由原来的分离状态变成闭合状态。当线圈中没有电流或者电流很微弱时，磁场消失，簧片在弹力的作用下恢复到分离状态。试说明光电报警装置的工作原理。

【解析】当报警装置有光照射时，光敏电阻阻值减小，电路中电流增大，线圈产生的磁场使密封在干簧管内的两个铁质簧片磁化，两个簧片由原来的分离状态变成闭合状态，连接蜂鸣器的电路接通，蜂鸣器发声。反之，当没有光照射或光照很微弱时，光敏电阻阻值很大，电路中的电流很小，干簧管内的两个铁质簧片处于分离状态，连接蜂鸣器的电路断开，蜂鸣器不发声。

答案：见解析

(10分钟　20分)

6.(20分)如图所示为某种电子秤的原理示意图，AB为一均匀的滑线电阻，阻值为R，长度为L，两边分别有P1、P2两个滑动头，P1可在竖直绝缘光滑的固定杆MN上保持水平状态而上下自由滑动，弹簧处于原长时，P1刚好指着A端，P1与托盘固定相连，若P1、P2间出现电压时，该电压经过放大，通过信号转换后在显示屏上将显示物体重力的大小。已知弹簧的劲度系数为k，托盘自身质量为m0，电源电动势为E，内阻不计，当地的重力加速度为g。求：

(1)托盘上未放物体时，在托盘自身重力作用下，P1离A的距离x1。

(2)托盘上放有质量为m的物体时，P1离A的距离x2。

(3)托盘上未放物体时通常先校准零点，其方法是：调节P2，使P2离A的距离也为x1，从而使P1、P2间的电压为零。校准零点后，将质量为m的物体放在托盘上，试推导出物体质量m与P1、P2间的电压U之间的函数关系式。

【解题指南】解答本题应注意以下两点：

(1)托盘的移动带动P1移动，使P1、P2间出现电势差。

(2)电势差的大小反映了托盘向下移动距离的大小，由于R为均匀的滑线电阻，则其阻值与长度成正比。

【解析】(1)由力的平衡知识知：m0g=kx1，

解得x1=

(2)放上物体重新平衡后m0g+mg=kx2

解得x2=。

(3)由闭合电路欧姆定律知E=IR

由部分电路欧姆定律：U=IR串

由题图知=

其中x为P1、P2间的距离，

则x=x2-x1=

联立解得m=U。

答案：(1)　(2)　(3)U

【补偿训练】

　　一种半导体材料称为“霍尔材料”，用它制成的元件称为“霍尔元件”，这种材料有可定向移动的电荷，称为“载流子”，每个载流子的电荷量大小为1个元电荷量，即q=1.6×10-19 C，霍尔元件在自动检测、控制领域得到广泛应用，如录像机中用来测量录像磁鼓的转速、电梯中用来检测电梯门是否关闭以及自动控制升降电动机的电源的通断等。在一次实验中，一块霍尔材料制成的薄板宽AB=1.0×10-2 m、长BC=4.0×10-2 m、厚h=1×10-3 m，水平放置在竖直方向上的磁感应强度B=1.5 T的匀强磁场中，BC方向通有I=3.0 A的电流，如图所示，沿宽度产生1.0×10-5 V的横向电压。

(1)假定载流子是电子，A、B两端中哪端电势较高？

(2)薄板中形成电流I的载流子定向运动的速率多大？

【解析】(1)根据左手定则，可确定A端电势高。

(2)当霍尔元件内载流子沿电流方向所在的直线定向运动时，受洛伦兹力作用而产生横向分运动，产生横向电场，横向电场的电场力与洛伦兹力平衡时，霍尔元件横向电压稳定。设载流子沿电流方向所在直线定向移动的速率为v，横向电压为UAB，横向电场强度为E，电场力为Fe=E·e=·e

洛伦兹力FB=evB

平衡时·e=evB

得v=≈6.7×10-4 m/s。

答案：(1)A端　(2)6.7×10-4 m/s