高中物理人教版 (2019)选择性必修 第二册2 常见传感器的工作原理及应用精品同步练习题

这是一份高中物理人教版 (2019)选择性必修 第二册2 常见传感器的工作原理及应用精品同步练习题，共16页。试卷主要包含了2 常见传感器的工作原理及应用，注意，关于光敏电阻，下列说法正确的是等内容，欢迎下载使用。

第五章 传感器
课时5.2 常见传感器的工作原理及应用


1. 知道光敏电阻的工作原理及其在生产、生活中的应用。
2. 知道金属热电阻和热敏电阻的工作原理及其在生产、生活中的应用。
3. 知道电阻应变片的工作原理以及简单应用。
4. 知道霍尔元件及其工作原理。


一、光敏电阻
1．特点：光照越强，电阻越小。
2．原因：光敏电阻的构成物质为半导体材料，无光照时，载流子极少，导电性能不好；随着光照的增强，载流子增多，导电性变好。
3．作用：把光照强弱这个光学量转换为电阻这个电学量。
二、热敏电阻和金属热电阻
1．热敏电阻
热敏电阻由半导体材料制成，其电阻随温度的变化明显，温度升高电阻减小，如图甲所示为某一热敏电阻的电阻随温度变化的特性曲线。

甲　　　　　　乙
2．金属热电阻
有些金属的电阻率随温度的升高而增大，这样的电阻也可以制作温度传感器，称为热电阻，如图乙所示为某金属导线电阻的温度特性曲线。
3．热敏电阻与金属热电阻的区别

热敏电阻
金属热电阻
特点
电阻随温度的变化而变化且非常明显
电阻率随温度的升高而增大
制作材料
半导体
金属导体
优点
灵敏度好
化学稳定性好，测温范围大
作用
能够将温度这个热学量转换为电阻这个电学量
4.注意：在工作温度范围内，电阻值随温度上升而增加的是正温度系数(PTC)热敏电阻器；电阻值随温度上升而减小的是负温度系数(NTC)热敏电阻器。
三、力传感器的应用——电子秤
1．组成及敏感元件：由金属梁和应变片组成，敏感元件是应变片。
2．工作原理：

3．作用：应变片将物体形变这个力学量转换为电压这个电学量。


基础过关练
题组一　光敏电阻
1.街旁路灯，江海里的航标都要求在夜晚亮，白天熄，其利用了半导体的 (　　)　　　　　 　　　　　　 　　　　　　
A.压敏性 B.光敏性
C.热敏性 D.三种特性都利用

2.(多选)关于光敏电阻，下列说法正确的是 (　　)
A.光敏电阻能够把光照强弱这个光学量转换为电阻这个电学量
B.硫化镉是一种半导体材料，无光照射时，载流子极少，导电性能差
C.硫化镉是一种半导体材料，无光照射时，载流子较少，导电性能良好
D.硫化镉是一种半导体材料，随着光照增强，载流子增多，导电性能变好

3.如图所示，电源的电动势为E，内阻为r，R1为光敏电阻，光照强度增加时，其阻值减小。现增加光照强度，则下列判断正确的是 (　　)

A.B灯变暗，A灯变亮
B.R2两端的电压变大
C.B灯变亮，A灯变暗
D.电源的总功率变小

4.如图所示是某居民小区门口利用光敏电阻设计的行人监控装置部分电路示意图，R1为光敏电阻(光照增强时电阻变小)，R2为定值电阻，A、B接监控装置。则 (　　)

①当有人通过而遮蔽光线时，A、B之间电压升高
②当有人通过而遮蔽光线时，A、B之间电压降低
③当仅增大R2的阻值时，可增大A、B之间的电压
④当仅减小R2的阻值时，可增大A、B之间的电压
A.①③ B.①④ C.②③ D.②④

题组二　金属热电阻和热敏电阻
5.热敏电阻能将热信号转换为电信号，是因为 (　　)
A.热敏电阻阻值的大小随热量的变化而变化
B.热敏电阻阻值的大小随温度的变化而变化
C.热敏电阻体积的大小随热量的变化而变化
D.热敏电阻体积的大小随温度的变化而变化

6.能把温度这个物理量转化为电阻这个物理量的元件是 (　　)
A.热敏电阻 B.光敏电阻
C.电容器 D.电源

7.(多选)在温控电路中，通过热敏电阻的阻值随温度的变化可实现对电路相关物理量的控制。如图所示的电路，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带的电荷量增大
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

8.如图所示是一火警报警器的部分电路示意图，其中R2为用半导体热敏材料制成的传感器(温度越高，其阻值越小)，电流表为值班室内的显示器，a、b之间接报警器。当传感器R2所在处出现火情时，流过显示器的电流I2、报警器两端的电压U的变化情况是 (　　)

A.I2变大，U变大 B.I2变小，U变小
C.I2变小，U变大 D.I2变大，U变小

9.(多选)如图所示，R1为定值电阻，R2是正温度系数的金属热电阻(即温度越高，电阻值越大)，L为小灯泡，当温度下降时 (　　)

A.电流表的示数增大 B.R1两端的电压增大
C.小灯泡变亮 D.小灯泡变暗

题组三　电阻应变片
10.关于电子秤中应变式力传感器的说法正确的是 (　　)
A.应变片多用半导体材料制成
B.当应变片的表面被拉伸时，其电阻变小
C.传感器输出的是应变片上的电压
D.外力越大，输出的电压差值越小

11.如图是某电子秤的原理图，人只要站在踏板上，仪表G就能显示人的体重。踏板下面的传感器R实质是一个阻值可随压力大小而变化的电阻，显示体重的仪表G实质是理想电流表，如果不计踏板的质量，电阻R随人的体重G变化的函数关系式为R=a-kG(a、k是常量，G和R的单位分别是N和Ω)。下列说法正确的是 (　　)

A.传感器R不是力电传感器
B.如果要增大电子秤的量程，滑动变阻器R'接入电路中的电阻应调大
C.如果要增大电子秤的灵敏度，滑动变阻器R'接入电路中的电阻应调大
D.该秤零刻度线(即踏板空载时的刻度)应标在电流表G刻度盘的零刻度线处

题组四　电容式传感器
12.如图所示为测定压力的电容式传感器原理图，将平行板电容器、灵敏电流表(零刻度线在中间)和电源串联成闭合回路，当压力F作用于可动膜片电极上时，膜片发生形变，引起电容的变化，导致灵敏电流表指针偏转。在对膜片施加压力使膜片电极从图中的虚线位置移动到图中实线位置并保持固定的过程中，灵敏电流表指针偏转情况为(电流从电流表正接线柱流入时指针向右偏) (　　)

A.向右偏到某一刻度后回到零刻度
B.向左偏到某一刻度后回到零刻度
C.向右偏到某一刻度后不动
D.向左偏到某一刻度后不动

13.如图甲所示为一种电容式位移传感器的原理图，当被测物体在水平方向左右移动时，电介质板随之在电容器两极板之间移动。已知电容器的电容与电介质板进入电容器的长度x之间的关系如图乙所示，其中C0为电介质没有插入电容器时的电容。为判断被测物体是否发生微小移动，将该电容式位移传感器与电源、电流表、开关组成串联回路(图中未画出)。被测物体的初始位置如图甲所示。电路闭合一段时间后，下列说法正确的是 (　　)

A.若电源为直流电源且直流电流表示数不为零，说明物体一定在发生移动
B.若电源为直流电源且直流电流表示数变大，说明物体一定在向右移动
C.若电源为交流电源且交流电流表示数不为零，说明物体一定在发生移动
D.若电源为交流电源且交流电流表示数变大，说明物体一定在向右移动

题组五　霍尔元件
14.如图所示是霍尔元件的工作原理示意图，如果用d表示薄片的厚度，k为霍尔系数，对于一个霍尔元件，d、k为定值，如果保持电流I恒定，则可以验证UH随磁感应强度B的变化情况。以下说法中正确的是 (　　)

A.将永磁体的一个磁极逐渐靠近霍尔元件的工作面时，UH将变大
B.在测定地球两极的磁场强弱时，霍尔元件的工作面应保持水平
C.在测定地球赤道上的磁场强弱时，霍尔元件的工作面应保持水平
D.改变磁感应强度方向与霍尔元件工作面间的夹角，UH将发生变化

15.如图所示，R1和R2是同种材料、厚度相同、上下表面为正方形的金属导体，但R1的尺寸比R2的尺寸大。将两导体同时放置在同一匀强磁场中，磁感应强度为B，磁场方向垂直于两导体正方形表面，在两导体上加相同的电压，形成如图所示方向的电流；电子由于定向移动，会在垂直于电流方向受到洛伦兹力作用，从而产生霍尔电压，当电流和霍尔电压达到稳定时，下列说法中正确的是 (　　)

A.R1中的电流大于R2中的电流
B.R1导体右表面电势高于左表面电势
C.R1中产生的霍尔电压等于R2中产生的霍尔电压
D.对于R1导体，仅增大厚度时，霍尔电压将增大

能力提升练
题组一　光敏电阻在生活中的应用
1.()(多选)如图所示为某商厦安装的光敏电阻自动计数器的示意图。其中A为光源，B为由电动机带动匀速运行的自动扶梯，R1为光敏电阻，R2为定值电阻。每当扶梯上有顾客经过挡住由A射向R1的光线时，计数器就计数一次。下列说法正确的是 (　　)

A.当有光照射R1时，信号处理系统获得低电压
B.当有光照射R1时，信号处理系统获得高电压
C.信号处理系统每获得一次低电压就计数一次
D.信号处理系统每获得一次高电压就计数一次
　　　　　 　　　　　　 　　　　　　
2.()(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。如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0.2 m，则下述说法正确的是 (　　)

甲

乙
A.传送带运动的速度是0.1 m/s
B.传送带运动的速度是0.2 m/s
C.该传送带每小时输送3 600个工件
D.该传送带每小时输送7 200个工件

题组二　热敏电阻在生活中的应用
3.()如图甲所示为在温度为10 ℃左右的环境中工作的某自动恒温箱原理简图，箱内的电阻R1=20 kΩ，R2=10 kΩ、R3=40 kΩ，Rt为热敏电阻，它的电阻值随温度变化的图线如图乙所示。当a、b两点间的电压Uab<0时，电压鉴别器会令开关S接通，恒温箱内的电热丝发热，使箱内温度升高；当a、b两点间的电压Uab>0时，电压鉴别器会令开关S断开，停止加热，则恒温箱内的温度可保持在 (　　)

甲

乙
A.10 ℃ B.20 ℃ C.30 ℃ D.40 ℃

4.()(多选)传感器担负着信息的采集任务，在自动控制系统中发挥着重要作用。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。热敏电阻的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电路图。下列说法正确的是 (　　)

甲

乙
A.为了使温度过高时报警器响铃，c应接在a处
B.为了使温度过高时报警器响铃，c应接在b处
C.若要使启动报警的温度提高些，则应将滑动变阻器的滑片P向左移动
D.如果在调试报警器达最低报警温度时，无论如何调节滑片P都不能报警，且电路无故障，可能原因是乙图中左侧电路中电源电压太低

题组三　压敏电阻在生活中的应用
5.()(多选)压敏电阻的阻值会随所受压力的增大而减小。一同学利用压敏电阻设计了判断升降机运动状态的装置，如图甲所示，将压敏电阻平放在升降机内，受压面朝上，在上面放一质量为m的物体，升降机静止时电流表示数为I0。某过程中电流表的示数如图乙所示，则在此过程中 (　　)

A.物体处于失重状态
B.物体处于超重状态
C.升降机一定向上做匀加速运动
D.升降机可能向下做匀减速运动

6.()某课外活动小组自制了一台称重电子秤，其原理结构如图甲所示。R0为定值电阻，R是压敏电阻，其阻值会随所受的压力F的变化而变化，变化范围大约为几欧到十几欧，通过电压表的读数可以得知压力大小。活动小组通过实验探究了压敏电阻阻值R与其所受压力F大小的关系，如图乙所示。请回答以下问题：

甲

乙
(1)根据图乙所示的R-F图像，写出R和F的关系式：　　　　　　。 
(2)若图甲所示的电路中，在压敏电阻R上水平放置一个重为2 N的托盘，在托盘上放一重物，电源电动势E=9 V，电源内阻r=1 Ω，R0=4.5 Ω，闭合开关，电压表示数为3 V，则重物的重力为　　　　N。 

7.()利用如图所示的装置可以测量汽车在水平路面上做匀加速直线运动的加速度，该装置是在箱子的前、后壁上各安装一个压力传感器，用两根相同的轻弹簧夹着一个质量为2.0 kg的滑块，滑块可无摩擦滑动，两弹簧的另一端分别压在传感器a、b上，其压力大小可直接从传感器的显示屏上读出。现将该装置沿运动方向固定在汽车上，传感器b在前，传感器a在后，汽车静止时，传感器a、b的示数均为10 N。(取g=10 m/s2)

(1)若传感器a的示数为14 N，b的示数为6 N，求此时汽车的加速度大小和方向。
(2)求当汽车以怎样的加速度运动时，传感器a的示数恰为零。



题组四　霍尔元件在生活中的应用
8.()(多选)电动自行车是一种使用广泛的交通工具，其速度控制是通过转动右把手实现的，这种转动把手称为“霍尔转把”，属于传感器非接触控制。转把内部有永久磁铁和霍尔器件等，截面如图甲。永久磁铁的左、右两侧分别为N、S极，开启电源时，在霍尔器件的上、下面之间加一定的电压，形成电流，如图乙。随着转把的转动，其内部的永久磁铁也跟着转动，霍尔器件能输出控制车速的霍尔电压，已知电压与车速的关系如图丙。下列关于“霍尔转把”的说法正确的是 (　　)

甲

乙

丙
A.为提高控制的灵敏度，应使永久磁铁的上、下端分别为N、S极
B.按图甲顺时针转动电动车的右把手(手柄转套)，车速将变快
C.图乙中从霍尔器件的前、后面输出控制车速的霍尔电压
D.若霍尔器件的上、下面之间所加电压正、负极性对调，将影响车速控制


答案全解全析
基础过关练
1.B　街旁路灯、江海里的航标，要求夜晚亮、白天熄，白天光照强，夜晚光照弱，可知是由光导致电路的电流变化，实现自动控制的，因此是利用半导体的光敏性，选项B正确。
2.ABD　硫化镉是一种半导体材料，无光照射时，载流子极少，导电性能差，随着光照增强，载流子增多，导电性能变好；由这种材料做成的光敏电阻随着光照增强电阻变小，即能够把光照强弱这个光学量转化为电阻这个电学量，A、B、D正确，C错误。
3.B　增加光照强度时，R1的阻值减小，电路的总电阻减小。根据闭合电路的欧姆定律可知，电路中的总电流增大，电源的总功率增大，路端电压减小，A灯变暗，R2两端的电压变大，R1两端的电压变小，B灯变暗，选项B正确，A、C、D错误。
4.C　由电路图可知，两电阻串联，监控装置与R2并联。当有人通过通道而遮蔽光线时，R1阻值变大，电路中的总电阻变大，根据闭合电路欧姆定律可知，电路中的总电流变小，定值电阻R2两端的电压变小，即A、B间电压降低，故②正确，①错误；当仅增大R2的阻值时，电路中的总电阻变大，总电流变小，根据UAB=E-I(r+R1)可知，A、B之间的电压增大，③正确，同理可知④错误。故选C。
5.B　热敏电阻的阻值随温度的变化而变化，接入电路中时，电路中的电流、电压也随温度变化，故选B。
6.A　热敏电阻的阻值随温度的变化而变化，将温度这个物理量转化为电阻这个物理量，选项A正确，B、C、D错误。
7.AB　当环境温度降低时，R2的电阻变大，电路的总电阻变大，由I=ER总知I变小，又知U=E-Ir，电压表的读数U增大，B正确；又由U1=IR1及P1=I2R1可知U1变小，R1消耗的功率P1变小，D错误；电容器两板间的电压U2=U-U1，U2变大，由电场强度E'=U2d，Q=CU2可知Q、E' 都增大，故A正确，C错误。
8.D　当传感器R2所在处出现火情时，R2的阻值减小，则外电路总电阻减小，由闭合电路欧姆定律可知，电路中总电流将增大，由U=E-Ir可知，路端电压减小，即报警器两端的电压U将减小；因总电流I增大，则R1两端的电压增大，并联部分的电压减小，则可知流过R3的电流I3减小，流过R2的电流I2=I-I3变大，选项A、B、C错误，D正确。
9.ABD　当温度下降时，R2减小，并联部分电阻减小，总电阻减小，总电流增大，路端电压减小。电流表测量总电流，则知其示数增大，选项A正确；总电流增大，则R1两端的电压增大，而路端电压减小，所以灯泡两端的电压减小，灯泡变暗，选项B、D正确，C错误。
方法技巧　正温度系数的金属热电阻的特性是：温度升高，电阻增大。根据温度下降，R2阻值减小，确定并联部分电阻及总电阻的变化情况，可确定出电流、电压的变化情况及灯泡亮度变化情况。
10.A　应变片是一种敏感元件，多用半导体材料制成，选项A正确；当应变片的表面被拉伸时，其电阻变大，选项B错误；应变式力传感器输出的是应变片上电压的差值，外力越大，输出的电压差值也就越大，选项C、D错误。
11.B　R是将压力信号转换成电信号的传感器，即力电传感器，选项A错误；由IG=Ea-kGm+r+R'可知kGm=a+r+R'-EIG，因此滑动变阻器接入电路中的电阻调大，可以测量的人的最大体重增大，选项B正确；如果要增大电子秤的灵敏度，需要使仪表G的测量范围变大，根据IG=Ea-kGm+r+R'可知，滑动变阻器R'接入电路中的电阻应调小，选项C错误；当压力为零(踏板空载)时，电流最小，但不为零，选项D错误。
方法技巧　处理含压力传感器电路问题的思路
首先审清题意，明确题干中力、电的转换方式；二是理清电路结构，灵活利用闭合电路的欧姆定律列式；三是充分利用数学知识分析物理问题。
12.A　当压力F作用时，极板间距d变小，由C=εrS4πkd可知电容器电容C变大，再根据Q=CU，可知极板所带电荷量变大，电容器充电，灵敏电流表中产生由正接线柱流入的电流，所以指针将右偏；可动电极固定后，充电结束，指针回到零刻度线处。选项A正确，B、C、D错误。
13.A　若电源为直流电源，被测物体不动，则直流电流表示数必定为零，直流电流表示数不为零，说明物体一定在发生移动，选项A正确；被测物体左、右移动分别对应电容器充电、放电，不管物体向左、右哪个方向移动，直流电流表的示数都将变大，选项B错误；电容器有通交流、隔直流的特性，因此若电源为交流电源，被测物体不移动时，交流电流表示数也不为零，选项C错误；若电源为交流电源且交流电流表示数变大，说明电容器容抗变小，即电容变大，说明物体一定在向左移动，选项D错误。
14.ABD　永磁体的一个磁极靠近霍尔元件的工作面时，磁感应强度B增大，则UH将变大，选项A正确；地球两极处地磁场的方向可看作与地面垂直，所以霍尔元件工作面应保持水平，选项B正确；赤道处地磁场的方向可看作与地面平行，所以霍尔元件的工作面应保持竖直，选项C错误；若磁感应强度方向与霍尔元件工作面间的夹角为θ，则应有qvB sin θ=UHLMNq，可见θ变化时，UH将变化，选项D正确。
15.C　电阻R=ρLS，设金属导体底面边长为a，厚度为b，则R=ρaab=ρb，则R1=R2，在两导体上加上相同电压，则R1中的电流等于R2中的电流，故A错误；电子在磁场中受到洛伦兹力作用，根据左手定则可知，向右表面偏转，故R1导体右表面电势低于左表面电势，故B错误；根据电场力与洛伦兹力平衡，则有evB=eUHa，解得UH=Bav=Ba·Ineab=1ne·BIb，则有R1中产生的霍尔电压等于R2中产生的霍尔电压，故C正确；分析霍尔电压公式可知，仅增大厚度b时，霍尔电压将减小，故D错误。
能力提升练
1.BC　当光线照射R1时，R1阻值减小，R总减小，电路中的电流增大，R2是定值电阻，U2=IR2，R2两端电压增大，信号处理系统获得高电压，所以选项A错误，B正确；每当有人经过时，即没有光照时，信号处理系统获得低电压，信号处理系统计数一次，即信号处理系统每获得一次低电压就计数一次，所以选项C正确，D错误。
2.BC　根据题意并结合题图可知，工件1 s内的位移为0.2 m，则传送带运动的速度v=0.21 m/s=0.2 m/s，选项A错误，B正确。传送带每小时输送的工件个数n=3.6×1031(个)=3 600(个)，选项C正确，D错误。
3.C　由题意可知，恒温箱内温度恒定的条件是Uab=0(临界状态)，设电路路端电压为U，当Uab=0时，有R2R1+R2U=RtR3+RtU，解得Rt=20 kΩ，由题图乙得对应的温度为30 ℃，选项C正确，A、B、D错误。
4.ACD　根据题图甲中曲线的趋势可以得出，热敏电阻的阻值随温度的升高而减小，则当温度升高时，热敏电阻所在电路电流增大，竖直的金属片被吸到a处，所以开关c应该接在a处，选项A正确，B错误；若要使启动报警的温度提高些，则应使相同温度下电路中的电流小些，由于相同温度对应的热敏电阻阻值相同，则应使滑动变阻器接入电路的电阻大些，即向左移动滑片，选项C正确；在最低报警温度时不能报警，说明此时电路中产生的电流不能让竖直金属片与a接触，这可能是由于题图乙左侧电路中电源电压太低，电路电流太小，导致电磁铁的磁性太弱，选项D正确。
5.BD　由题图乙知电流变为原来的二倍，而加在压敏电阻两端的电压不变，说明压敏电阻的阻值减小，可知物体对压敏电阻的压力增大，物体所受支持力大于重力，升降机匀加速上升或匀减速下降，处于超重状态，故选B、D。
6.答案　(1)R=-2F+16(Ω)　(2)2
解析　(1)当R=16 Ω时，F=0；当R=7 Ω时，F=4.5 N。
代入R=kF+b，解得b=16 Ω，k=-2 Ω/N，故R=-2F+16(Ω)。
(2)电压表示数为3 V，根据闭合电路欧姆定律有
E=UR0(r+R)+U
解得R=8 Ω
对照R-F图像，知压敏电阻所受压力为4 N；由于压力大小等于托盘和重物的重力之和，故重物的重力为2 N。
7.答案　(1)4.0 m/s2　方向向前　(2)10 m/s2　向后
解析　(1)以滑块为研究对象，其在水平方向上的受力如图所示：

根据牛顿第二定律得Fa-Fb=ma1
则a1=Fa-Fbm=14-62.0 m/s2=4.0 m/s2，方向向前。
(2)根据题意，当左侧弹簧弹力Fa'=0时，右侧弹簧的弹力大小Fb'=20 N。
根据牛顿第二定律得Fb'=ma2
解得a2=Fb'm=202 m/s2=10 m/s2，方向向后。
方法技巧　传感器的示数就等于该侧弹簧的弹力大小，也等于弹簧施加给滑块的弹力，对滑块受力分析，运用牛顿第二定律解题。
8.BC　若使永久磁铁的上、下端分别为N、S极，那么磁场方向与霍尔器件中电流方向基本平行，很难形成霍尔电压，所以会降低控制的灵敏度，选项A错误；按题图甲顺时针转动电动车的右把手(手柄转套)，永久磁铁靠近霍尔器件，磁场增强，霍尔电压增大，车速变快，选项B正确；由题图乙可知，磁感线从霍尔器件左、右侧面穿过，霍尔器件上、下面之间加有一定电压，则在霍尔器件的前、后面产生霍尔电压，选项C正确；若霍尔器件的上、下面之间所加电压正、负极性对调，则霍尔电压的极性也将对调，由题图丙可知，霍尔电压极性对调不影响车速控制，选项D错误。