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课时训练

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基础达标练
1．传感器是指这样一类元件，它通常能把非电学量(如力、光等)的变化，转换为电学量(如电流、电压等)的变化或电路的通断，它在自动控制中有着广泛的应用。关于制作传感器所需要的元器件，下列说法错误的是( D )
A．热敏电阻能够把温度的变化转换为其阻值的变化
B．金属热电阻能够把温度的变化转换为其阻值的变化
C．光敏电阻能够把光照强弱的变化转换为其阻值的变化
D．所有传感器都是由半导体材料制作的
解析：热敏电阻、金属热电阻、光敏电阻都是把温度或光照强度的变化转换为其阻值的变化，从而使电路中电流或电压发生变化，A、B、C正确；并非所有的传感器都是由半导体材料制成的，半导体材料、陶瓷材料、金属材料和有机材料都可以用来制作传感器，D错误。
2．(2023·山东曲阜高二期中)传感器为我们的生活带来诸多便利，关于传感器下列说法不正确的是( B )
A．传感器一般由敏感元件和处理电路组成
B．走近自动门时，门会自动打开，应用的是温度感器
C．电饭煲能自动加热和保温而不会把饭烧焦，应用的是温度传感器
D．霍尔元件能够把磁感应强度这个磁学量转换为电压这个电学量
解析：传感器一定是通过非电学量转换成电学量来传递信号的，工作处理的一般流程是：先由非电学量，比如：光信号、压力信号等，通过敏感元件后，由电路处理，变为电信号，从而得以工作，故A正确不符合题意；走近自动门时，门会自动打开，是利用红外感应器来感应人的存在，应用的是红外传感器，故B错误符合题意；电饭煲能自动加热和保温而不会把饭烧焦，应用了温度传感器，故C正确不符合题意。霍尔元件是能够把磁感应强度这个磁学量转换为电压这个电学量的传感器，故D正确不符合题意。
3．(2022·江苏高二期中)智能手机的防误触功能表现为当人将手机靠近耳朵接听电话时，手机会自动关闭屏幕从而达到防误触的目的，下列哪一组传感器可实现这一功能( C )
A．声传感器和压力传感器
B．声传感器和温度传感器
C．光传感器和位移传感器
D．压力传感器和加速度传感器
解析：当人将手机靠近耳朵附近接听电话时，改变了位移，并且耳朵可能挡住了光线，所以可能用到的传感器为光传感器和位移传感器。当人将手机靠近耳朵附近接听电话时，没有磁场的变化，也没有产生特别的压力，C正确。
4．(2023·吉林长春市高二期中)如图所示是会议室和宾馆房间的天花板上装有的火灾报警器的结构原理图，罩内装有发光二极管LED、光电三极管和不透明的挡板。平时光电三极管接收不到LED发出的光，呈现高电阻状态。发生火灾时，下列说法正确的是( C )
A．进入罩内的烟雾遮挡了光线，使光电三极管电阻更大，检测电路检测出变化发出警报
B．光电三极管温度升高，电阻变小，检测电路检测出变化发出警报
C．进入罩内的烟雾对光有散射作用，部分光线照到光电三极管上，电阻变小，检测电路检测出变化发出警报
D．以上说法均不正确
解析：发生火灾时，烟雾进入罩内后对光有散射作用，使部分光线照射到光电三极管上，其电阻变小，与传感器连接的电路检测出这种变化，就会发出警报。故选C。
5．电源、开关S、定值电阻R1、光敏电阻R2和平行板电容器连接成如图所示的电路，电容器的两平行板水平放置。当开关S闭合，并且光敏电阻R2上无光照时，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，光敏电阻的阻值减小，下列说法正确的是( D )
A．液滴向下运动
B．电阻R1消耗的电功率减小
C．电容器所带电荷量减少
D．电容器两极板间的电压增大
解析：当光敏电阻R2上无光照射时，带电液滴恰好静止，液滴所受重力和电场力是一对平衡力；当用强光照射光敏电阻R2时，光敏电阻的阻值减小，电路中的电流增大，R1两端的电压增大，电容器两极板间的电压增大，板间电场强度增大，液滴所受的电场力增大，液滴向上运动，A错误，D正确。R1两端的电压增大，则电阻R1消耗的电功率增大，B错误。电容器两端的电压增大，电容不变，由Q＝CU知，电容器所带电荷量增加，C错误。
6．(2023·济南高三阶段练习)如图甲所示为某同学设计的磁报警装置的示意图。RB是磁敏电阻，其阻值随磁感应强度变化的图线如图乙所示。R1和R2为两个电阻箱，a、b两端接报警器，当电压增大到某一值时，会触发报警器报警。下列说法正确的是( C )

A．当RB处的磁场增强时，电流表示数增大
B．当RB处的磁场增强时，a、b两端的电压减小
C．增大R2的阻值，更容易触发报警器报警
D．增大R1的阻值，更容易触发报警器报警
解析：当RB处的磁场增强时，由RB－B图像可知其阻值变大，则电路的总电阻增大，由I＝eq \f(E,R总)可知总电流变小，a、b两端的电压为Uab＝E－I(r＋R1)，则a、b两端的电压增大，故B错误；根据并联分压可知，电流表的电流为IA＝I－eq \f(Uab,R2)，总电流I变小，而eq \f(Uab,R2)变大，则电流表示数减小，故A错误；因电压越大越容易触发报警器报警；而增大R2的阻值，总电阻增大，总电流变小，内阻R和R1的电压变小，可知a、b两端的电压变大，故更容易触发报警器报警，故C正确；增大R1的阻值，总电阻增大，总电流变小，此时a、b间总电阻不变，则a、b两端的电压变小，要触发报警器报警更难，故D错误。故选C。
7．(2023·北京模拟预测)据统计交通事故逐年增加，造成交通事故的一个主要原因就是酒后驾驶，“严查酒驾”成为全国交通部门的一项重要任务。酒精测试仪是用于现场检测机动车驾驶人员是否酗酒的一种仪器，它的主要元件是由二氧化锡半导体制成的酒精气体传感器，该传感器的电阻随酒精气体浓度的变化而变化。在如图所示的电路中，不同的酒精气体浓度对应着传感器的不同电阻，这样，显示仪表的指针就与酒精气体浓度有了对应关系。如果二氧化锡半导体型酒精气体传感器电阻r′的倒数与酒精气体的浓度c成正比，则以下说法正确的是( B )

A．U越大，表示c越小
B．U越大，表示c越大
C．检测到驾驶员喝了酒时，U的示数变小
D．U越大，表示检测到驾驶员喝酒越少
解析：图中酒精传感器与R、R0串联，电压表测R0两端的电压，U越大，说明电路中电流越大，酒精传感器的电阻减小，由题意可知：酒精气体传感器电阻r′的倒数与酒精气体的浓度c成正比，可知，c越大，故A错误，B正确；检测到驾驶员喝了酒时，c增大，r′减小，电路中总电阻减小，电路中电流增大，则U的示数增大，故C错误；由上分析可知，U越大，c增大，表示检测到驾驶员喝酒越多，故D错误。故选B。
8．(2022·江苏高二期中)如图所示，理想变压器原、副线圈的匝数比为10∶1，电压表和电流表均为理想交流电表，R是一个光敏电阻，其阻值随光照强度的增大而减小。从某时刻开始在原线圈两端加上交变电压，其瞬时值表达式为u1＝220eq \r(2)sin 100πt(V)，则( B )
A．电压表的示数为22eq \r(2) V
B．在天逐渐变黑的过程中，电流表A2的示数变小
C．在天逐渐变黑的过程中，电流表A1的示数变大
D．在天逐渐变黑的过程中，电压表V的示数变大
解析：原线圈输入电压的有效值为U1＝eq \f(220\r(2),\r(2)) V＝220 V，电压比等于匝数比eq \f(U1,U2)＝eq \f(10,1)，可得U2＝22 V，即电压表的示数为22 V，故A错误；天逐渐变黑的过程中，光照强度的减小，光敏电阻阻值增大，根据I2＝eq \f(U2,R)，可知电流表A2示数减小，故B正确；根据eq \f(I1,I2)＝eq \f(n2,n1)，匝数比不变，故A1的示数减小，故C错误；电压关系由输入决定输出，电压表示数不变，故D错误。
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9．(多选)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，R1为光敏电阻、R2为定值电阻，A、B接监控装置，则下列说法正确的是( BC )
A．当有人通过而遮蔽光线时，A、B之间的电压增大
B．当有人通过而遮蔽光线时，A、B之间的电压减小
C．当仅增大R2的阻值时，A、B之间的电压增大
D．当仅减小R2的阻值时，A、B之间的电压增大
解析：有光照射R1时，R1阻值变小，当有人通过而遮蔽光线时，R1的阻值变大，回路中的电流Ⅰ减小，A、B之间的电压U＝IR2减小，A错误，B正确。当仅增大R2的阻值时，电路中的电流减小，路端电压增大，R1两端电压减小，所以A、B之间的电压U增大，C正确。当仅减小R2的阻值时，电路中的电流增大，同理，A、B之间的电压U减小，D错误。
10．如图所示，Rt为金属热电阻，R1为光敏电阻，R2、R3均为定值电阻，电源电动势为E、内阻为r，V为理想电压表。现发现电压表示数增大，可能的原因是( D )
A．金属热电阻温度升高，其他条件不变
B．光照增强，其他条件不变
C．金属热电阻温度升高，光照增强，其他条件不变
D．金属热电阻温度降低，光照减弱，其他条件不变
解析：金属热电阻温度升高，电阻增大，总电流减小，路端电压增大，通过光敏电阻的电流增大，通过R3的电流减小，R3两端的电压减小，A错误；光照增强，R1阻值减小，总电阻减小，路端电压减小，通过R3的电流减小，电压表示数减小，B错误；金属热电阻温度升高，电阻增大，光照增强，R1阻值减小；如果总电阻减小，则路端电压减小，通过R3的电流减小，电压表示数减小；如果总电阻增大，则总电流减小，路端电压增大，通过R1的电流增大，通过R3的电流减小，电压表示数减小，C错误；金属热电阻温度降低，电阻减小，光照减弱，R1阻值增大；如果总电阻减小，则总电流增大，路端电压减小，通过R1的电流减小，通过R3的电流增大，电压表示数增大；如果总电阻增大，则路端电压增大，通过R3的电流增大，电压表示数增大，D正确。
11．(2023·浙江省高二期中)传感器是把非电学物理量(如位移、速度、压力、角度等)转换成电学物理量(如电压、电流、电量等)的一种元件。如图所示中的甲、乙、丙、丁是四种常见的电容式传感器，下列说法正确的是( D )
A．甲图中两极间的电荷量不变，若电压减小，可判断出h变小
B．乙图中两极间的电荷量不变，若电压增大，可判断出θ变小
C．丙图中两极间的电压不变，若有电流流向传感器的负极，则x变小
D．丁图中两极间的电压不变，若有电流流向传感器的正极，则F变大
解析：图甲中两极间的电荷量不变，若电压减小则由电容的定义式C＝eq \f(Q,U)，分析可知，电容增大，由电容的决定式C＝eq \f(εS,4πkd)，可知，两极板正对面积增大，h变大，A错误；图乙中两极间的电荷量不变，若电压增加，则由电容的定义式C＝eq \f(Q,U)，分析可知，电容减小，由电容的决定式C＝eq \f(εS,4πkd)，可知，极板正对面积减小，θ变大，B错误；图丙中两极间的电压不变，若有电流流向传感器的负极，说明电容器在放电，电荷量减小，由电容的定义式C＝eq \f(Q,U)，分析可知，电容减小，由电容的决定式C＝eq \f(εS,4πkd)，可知，电介质向外移动，则x变大，C错误；图丁中两极间的电压不变，若有电流流向传感器的正极，说明电容器在充电，电荷量增加，由电容的定义式C＝eq \f(Q,U)，分析可知，电容增大，由电容的决定式C＝eq \f(εS,4πkd)，可知，极板间距离减小，则F变大，D正确。
12．(2022·湖南高二期中)已知压敏电阻的受力面所受压力越小，其阻值越大，如图甲，将压敏电阻R平放在竖直升降电梯的轿厢内，受力面朝上，在其受力面放一质量为m的物体，电梯静止时电压表示数为U0；某段时间内电压表示数随时间变化图线如图乙，则( D )
A．t1～t2时间内压敏电阻受力面所受压力恒定
B．t1～t2时间内电容器处于放电状态
C．t2之后电梯处于超重状态
D．t2之后电梯做匀变速运动
解析：压敏电阻上的电压不变，由欧姆定律知，其阻值不变；当电压增大时，压敏电阻以外的其余部分分担的电压减小，由欧姆定律可知，电路中的电流值将减小，所以电路中的电阻值增大，其余的部分电阻值不变，所以压敏电阻的电阻值增大。在t1～t2时间内压敏电阻上的电压增大，压敏电阻的电阻值增大，知压敏电阻的受力面所受压力减小，故A错误；由电路图可知，电容器两端的电压与电压表两端的电压是相等的，在t1～t2时间内电压表两端的电压增大，所以电容器两端的电压增大，则电容器处于充电状态，故B错误；由图乙知，t2之后电压表两端的电压大于开始时电压表两端的电压，所以压敏电阻的受力面所受压力小于开始时受到的压力，所以电梯处于失重状态，故C错误；t2之后电压表两端的电压不变，则压敏电阻的受力面所受压力不变，由于小于开始时受到的压力，所以t2之后电梯做匀变速运动，故D正确。
13．有一种测量人体重力的电子秤，其原理图如图中的虚线框内所示，它主要由三部分构成：踏板和压力杠杆ABO、压力传感器R(一个阻值可随压力大小而变化的电阻器)、显示人体重力的仪表A(其实质是理想电流表)。其中AO∶BO＝5∶1。已知压力传感器的电阻与其所受压力的关系如下表所示：
设踏板的杠杆组件的重力不计，接通电源后，压力传感器两端的电压恒为4.68 V，则：
(1)利用表中数据归纳出电阻R随压力F变化的函数关系式；
(2)该秤零刻度线(即踏板空载时的刻度线)应标在电流表刻度盘多少毫安处？
(3)如果某人站在踏板上，电流表刻度盘示数为20 mA，这个人所受重力是多少？
答案：(1)R＝300－0.6F(Ω) (2)15.6 mA
(3)550 N
解析：(1)由表中数据可归纳得出：R＝300－0.6F(Ω)。
(2)依题意可知，电子秤空载时压力传感器受到的压力为0，由表中数据可知，此时压力传感器的电阻R1＝300 Ω，电路中的电流为I1＝eq \f(U,R1)＝eq \f(4.68,300) A＝15.6 mA，所以该秤零刻度线应标在电流表刻度盘的15.6 mA处。
(3)当电流表刻度盘的示数为I2＝20 mA时，压力传感器的电阻R2＝eq \f(U,I2)＝eq \f(4.68,0.02) Ω＝234 Ω，
由R＝300－0.6F得F2＝110 N，再由F2·AO＝G·BO得G＝550 N。
压力F/N
0
50
100
150
200
250
300
…
电阻R/Ω
300
270
240
210
180
150
120
…