人教版 (2019)选择性必修 第二册常见传感器的工作原理及应用达标测试

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【核心素养目标】
知识点一 光敏电阻
【情境导入】智能手机屏幕的光线过强会对眼睛有害，因此手机都有一项可以调节亮度的功能，该功能既可以自动调节，也可以手动调节。自动调节功能，手机是感知外界光线强弱的感光元件是什么呢？
【答案】大多数手机中数码相机的感光元件基本上都是CMOS的。感光元件又叫图像传感器。
【知识梳理】
光敏电阻在被光照射时电阻发生变化，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．
【重难诠释】
【典例精析】
例1． (多选)如图所示，这是用光敏电阻LDR和灯泡制成的一种简易水污染指示器，下列说法中正确的是( )
A．严重污染时，LDR是高电阻
B．轻度污染时，LDR是高电阻
C.无论污染程度如何，LDR的电阻不变，阻值大小由材料本身因素决定
D．该仪器的使用会因为白天和晚上受到影响
【答案】 AD
【解析】严重污染时，透过污水照到LDR上的光线较少，LDR电阻较大，故A正确，B错误；LDR由半导体材料制成，受光照影响电阻会发生变化，故C错误；白天和晚上自然光强弱不同，或多或少会影响LDR的电阻，故D正确。
知识点二 金属热电阻和热敏电阻
【情境导入】
某兴趣小组为了研究电子温控装置，将热敏电阻R1(负温度系数)、定值电阻R2以及电压表和电流表连入如图所示的电路中，热敏电阻的阻值随温度的升高而减小。
(1)闭合开关S后，温度升高时，电流表的示数如何变化？
(2)闭合开关S后，温度降低时，电压表的示数如何变化？
【答案】(1)温度升高时，热敏电阻的阻值变小，干路的电流变大，所以电流表的示数变大。
(2)温度降低，热敏电阻的阻值变大，干路中的电流变小，R2两端的电压变小，电压表的示数变小。
【知识梳理】
1．金属热电阻：金属的电阻率随温度的升高而增大，利用这一特性，金属丝可以制作温度传感器，称为热电阻．
2．热敏电阻：用半导体材料制成，氧化锰制成的热敏电阻的阻值随温度的升高而减小．
【重难诠释】
有些半导体在温度变化时导电能力也会变化，因此可以用这种半导体材料制作热敏电阻。
热敏电阻是电阻值随温度变化而变化的敏感元件。在其工作温度范围内，电阻值随温度升高而增大的是正温度系数(PTC)热敏电阻；电阻值随温度升高而减小的是负温度系数(NTC)热敏电阻。
金属热电阻和热敏电阻的区别
【典例精析】
例2．如图所示的是一火灾报警器的部分电路示意图，其中R3为热敏电阻，其阻值随温度升高而减小。值班室的显示器为电路中的电流表，a、b之间接报警器。当R3所在处出现火情时，显示器的电流I、报警器两端的电压U的变化情况是( )
A．I变大，U变大
B．I变大，U变小
C．I变小，U变小
D．I变小，U变大
【答案】C
【解析】热敏电阻的阻值随温度升高而减小，发生火情时，R3的阻值减小，则干路电流I总增大，由U＝E－I总r知U将减小，由U1＝I总R1知R1两端电压将增大，由U2＝U－U1知U2减小，由I＝ eq \f(U2,R2) 知I将减小，故C正确。
知识点三 电阻应变片
【情境导入】
如图所示是一个应变式力传感器，弹簧钢制成的梁形元件右端固定，在梁的上、下表面各贴一个应变片．结合力传感器的特点，叙述它的工作原理．
答案 在梁的自由端施加力F，则梁发生弯曲，上表面拉伸，下表面压缩，上表面应变片的电阻变大，下表面应变片的电阻变小．力F越大，弯曲形变越大，应变片的电阻变化就越大．如果让应变片中通过的电流保持恒定，那么上表面应变片两端的电压变大，下表面应变片两端的电压变小．传感器把这两个电压的差值输出．力F越大，输出的电压差值也就越大．
【知识梳理】
1．电阻应变效应：金属导体在外力作用下发生机械形变时，其电阻也随之变化的现象．
2．电阻应变片：电阻应变片有金属电阻应变片和半导体电阻应变片，半导体电阻应变片的工作原理是基于半导体材料的压阻效应．
3．电阻应变片能够把物体形变这个力学量转换为电阻这个电学量．
【重难诠释】
【典例精析】
例3．压敏电阻的阻值随所受压力的增大而减小，有位同学设计了利用压敏电阻判断竖直升降机运动状态的装置，其工作原理图如图甲所示，将压敏电阻固定在升降机底板上，其上放置一个物块，在升降机运动的过程中，电流表示数如图乙所示，已知升降机静止时电流表的示数为I1.下列判断正确的是( )
A．0到t1时间内，升降机一定静止
B．t1到t2时间内，升降机可能做匀加速直线运动
C．t1到t2时间内，升降机运动时的加速度在变化
D．t2到t3时间内，升降机可能向下匀速运动
【答案】 C
【解析】
从0～t1时间内，电流不变，根据闭合电路的欧姆定律可知电路中的总阻值不变，升降机可能静止也可能匀速运动，故A错误；t1～t2时间内，电流增大，则电阻减小，因为压敏电阻的阻值随所受压力的增大而减小，所以压力增大，由牛顿第三定律得物块受到的支持力逐渐增大，根据牛顿第二定律有FN－mg＝ma，合力向上，加速度向上，逐渐增大，故B错误，C正确；t2～t3时间内电流不变，电阻不变，压力不变，电流大于静止时的电流，压力大于静止时的压力，物块受重力和支持力，根据牛顿第二定律有FN′－mg＝ma′，合力向上，加速度向上，大小不变，所以t2～t3时间内升降机匀加速上升或匀减速下降，故D错误．
针对训练
一、单选题
1．有定值电阻、热敏电阻、光敏电阻三只元件分别接入如图所示电路中A、B两点后，用黑纸包住元件置入热水中，观察欧姆表的示数，下列说法正确的是（ ）
A．置入热水中与不置入热水中相比，欧姆表示数变化较大，这只元件一定是光敏电阻
B．置入热水中与不置入热水中相比，欧姆表示数不变化，这只元件一定是定值电阻
C．用黑纸包住与不用黑纸包住元件相比，欧姆表示数变化较大，这只元件一定是光敏电阻
D．用黑纸包住与不用黑纸包住元件相比，欧姆表示数相同，这只元件一定是定值电阻
【答案】C
【解析】定值电阻阻值不随温度以及光照强度的变化而变化；热敏电阻阻值随温度的变化而变化；光敏电阻阻值随光照强度的变化而变化；
A．置入热水中与不置入热水中相比，欧姆表示数变化较大，这只元件一定是热敏电阻，选项A错误；
B．置入热水中与不置入热水中相比，欧姆表示数不变化，这只元件可能是定值电阻，也可能是光敏电阻，选项B错误；
C．用黑纸包住与不用黑纸包住元件相比，欧姆表示数变化较大，这只元件一定是光敏电阻，选项C正确；
D．用黑纸包住与不用黑纸包住元件相比，欧姆表示数相同，这只元件可能是定值电阻，也可能是热敏电阻，选项D错误。
故选C。
2．传感器根据具体工作原理的不同，可分为电阻式、电容式、电感式、……等等，下列关于传感器的分类及工作原理正确的是（ ）
A．热敏电阻和金属热电阻都是电阻式传感器，两者的电阻都随温度的升高而增大
B．图1所示的传感器是电容式传感器，当被测物体向右运动时，电容器的电容增大
C．图2所示的传感器是电感式传感器，当被测物体向右运动时，电感线圈的自感系数增大
D．金属电阻应变片是电阻式传感器，当应变片上的金属丝受到拉力时，应变片的电阻增大
【答案】D
【解析】A．热敏电阻是用半导体材料制成，阻值随温度的升高而减小；金属热电阻的电阻率随温度的升高而增大，故A错误；
B．图1所示的传感器是电容式传感器，当被测物体向右运动时，电容器极板间电介质减小，根据可知，电容器的电容减小，故B错误；
C．图2所示的传感器是电感式传感器，当被测物体向右运动时，铁芯抽出，则自感系数减小，故C错误；
D．金属电阻应变片是电阻式传感器，当应变片上的金属丝受到拉力时，应变片的电阻增大，故D正确。
故选D。
3．下列有关传感器的叙述中正确的是（ ）
A．自动门上安装了红外线传感器，红外线传感器就是温度传感器
B．干簧管是将磁感应强度转换为电阻的一种元件
C．与热敏电阻相比，金属热电阻的灵敏度差，测温范围小
D．压电晶体的敏感元件就是转换元件
【答案】D
【解析】A．自动门上安装了红外线传感器，红外线传感器是依靠物体发出的红外线来工作的，与温度传感器不同，A错误；
B．干簧管能够感知磁场，相当于开关，B错误；
C．与热敏电阻相比，金属热电阻的灵敏度差，测温范围大，C错误；
D．压电晶体的敏感元件同时兼为转换元件，D正确。
故选D。
4．如图，在电路中接一段钨丝（从旧白炽灯中取出），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，下面的说法中正确的是（ ）
A．该传感器利用了钨丝的化学性质
B．该传感器的原理是把电学量（电阻）转换为热学量（温度）
C．该传感器的敏感元件是钨丝，转换元件是灯泡
D．该传感器利用了钨丝电阻随温度变化而变化的特性
【答案】D
【解析】BD．由题可知，钨丝的电阻随温度的升高而增大，利用该特性制作的温度传感器，能够把温度这个热学量转换为电阻这个电学量，故D正确，B错误；
AC．该传感器利用了钨丝的物理性质，敏感元件和转换元件都是钨丝，故AC错误。‍
故选D。
5．学校为了预防冠状病毒的传播，每天用体温枪检测师生进校门时体温，该装置可能采用了（ ）
A．红外线传感器B．压力传感器
C．生物传感器D．声波传感器
【答案】A
【解析】红外线有热效应，体温枪是根据红外线的热效应造成的测温装置。
故选A。
6．压敏电阻的阻值随所受压力的增大而减小，利用压敏电阻可以设计一个电路来判断升降机的运动情况，其工作原理图如图甲所示。将压敏电阻固定在升降机底板上，其上放置一个绝缘物块。0～t1时间内升降机匀速下降，从时刻开始，电流表中电流随时间变化的情况如图乙所示，下列说法中正确的是（ ）
A．t1～t2时间内，升降机加速度的大小可能先减小后增大
B．t2～t3时间内，升降机处于静止状态
C．t3～t4时间内，升降机可能处于失重状态
D．t3～t4时间内，升降机可能一直减速下降
【答案】D
【解析】A．0～t1时间内升降机匀速下降，受力平衡；t1～t2时间内电路中电流比升降机匀速下降时小，说明压敏电阻的阻值大于升降机匀速下降时压敏电阻的阻值，所受的压力小于升降机匀速下降时压敏电阻所受的压力，压力小于物块的重力
由于电流先减小后增大，可知压敏电阻的阻值先增大后减小，压力的大小先减小后增大，加速度的大小先增大后减小，A错误；
B．t2～t3时间内电路中的电流等于升降机匀速运动时的电流，由于t1～t2时间内升降机在加速运动，所以t2～t3时间内升降机处于匀速运动状态，B错误；
C．t3～t4时间内电路中的电流大于升降机匀速运动时的电流，说明压敏电阻的阻值减小，所受的压力增大，压力大于物块的重力，物块处于超重状态，C错误；
D．由图可知t3～t4时间内，电流大于匀速下降时的电流，说明压敏电阻的阻值小于匀速下降时的压敏电阻的阻值，所受的压力大于匀速下降时的所受的压力，加速度方向向上，速度向下，升降机一直减速下降，D正确。
故选D。
二、多选题
7．下列器件中应用光敏传感器的是（ ）
A．光电鼠标器B．火灾报警器C．测温仪D．电子秤
【答案】AB
【解析】A．光电鼠标器中装有红外发射管（LED）和红外接收管，其中的红外接收管就是光传感器，当鼠标移动时，滚球带动码盘转动，使红外接收管收到断续的脉冲信号，这样的脉冲信号经过处理后就可以描述出光标移动的位移了，故A正确；
B．红外线是一种不可见的光线，红外报警装置就是利用它将光信号转换为电信号的，故B正确；
C．测温仪是温度传感器，常用热敏电阻、金属热电阻、热电偶或红外线敏感元件，通过改变元件的电阻或电路的电压来达到测量温度的目的，故C错误．
D．电子秤是力传感器，由金属梁和应变片组成，当发生形变时其电阻会发生变化，常用的一般应变片在被拉伸时，其电阻会变大；在被压缩时，其电阻会变小，外力越大，应变片的形变就越大，应变片的电阻变化就越大，因此，可以用应变片的电阻大小表示出外力的大小，故D错误。
故选AB。
8．如图所示是光电计数器的工作示意图，其中A是发光仪器，B是传送带上的物品，为光敏电阻，为定值电阻，此光电计数器的基本工作原理是（ ）
A．当有光照射时，信号处理系统获得高电压
B．当有光照射时，信号处理系统获得低电压
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
【答案】BD
【解析】A．当有光照射 R1时，R1的电阻减小，则整个电路总电阻变小，电动势不变，则电流增大，根据可知，R1两端电压减小，即信号处理系统获得低电压，故A错误，B正确；
CD．当无光照射 R1时，R1的电阻增大，则整个电路总电阻变大，电动势不变，则电流减小，根据可知， R1两端的电压增大，即信号处理系统获得高电压，则信号处理系统每获得一次高电压就记数一次，故C错误，D正确。
故选BD。
9．利用半导体材料可以制成（ ）
A．标准电阻B．热敏电阻
C．光敏电阻D．晶体管
【答案】BCD
【解析】标准电阻是几乎不受温度影响的电阻，一般是用锰铜合金或镍铜合金制作的。利用半导体材料可以制成热敏电阻、光敏电阻和晶体管。选项BCD正确，A错误。
故选BCD。
10．为保证师生用电安全，学校电路系统中安装有由热敏电阻制成的温度监测器，如图所示为理想变压器，原、副线圈匝数比为，原线圈接交流电压，图中电压表和电流表为理想电表，为阻值随温度的升高而减小的热敏电阻，为定值电阻，则下列说法正确的是（ ）
A．变压器输入与输出功率之比为B．变压器副线圈中电流的频率为
C．当处温度升高时，电压表示数不变D．当处温度升高时，电流表示数减小
【答案】BC
【解析】A．理想变压器输入与输出功率之比为1：1，故A错误；
B．变压器副线圈中电流的频率不变，为
故B正确；
C．RT处温度升高时，不会影响变压器的输入电压值，故C正确；
D．RT处温度升高时，电阻值减小，原副线圈的匝数及原线圈电压不变，则副线圈电压不变，为定值电阻，由
可知，电流表示数增大，故D错误。
故选BC。
11．如图所示，电路中A、B两点之间分别接入定值电阻、热敏电阻、光敏电阻三只元件后，用黑纸包住元件置入热水中，观察欧姆表的示数，下列说法中正确的是（ ）
A．若置入热水中与不置入热水中相比，欧姆表示数变化较大，则这只元件一定是热敏电阻
B．若置入热水中与不置入热水中相比，欧姆表示数不变化，则这只元件一定是定值电阻
C．若用黑纸包住元件与不用黑纸包住元件相比，欧姆表示数变化较大，则这只元件一定是光敏电阻
D．若用黑纸包住元件与不用黑纸包住元件相比，欧姆表示数相同，则这只元件一定是定值电阻
【答案】AC
【解析】AB．热敏电阻的阻值随温度变化较大，而光敏电阻和定值电阻的阻值不随温度变化，所以置入热水中与不置入热水中相比，欧姆表示数变化较大的这只元件一定是热敏电阻，欧姆表示数不变化的元件一定是光敏电阻和定值电阻，A正确，B错误；
CD．光敏电阻的阻值随光的强度变化变化较大，而热敏电阻和定值电阻的阻值不随光的强度变化，所以用黑纸包住元件与不用黑纸包住元件相比，欧姆表示数变化较大的这只元件一定是光敏电阻，欧姆表示数不变的元件一定是热敏电阻和定值电阻，C正确，D错误。
故选AC。
12．有些楼道照明灯的控制电路具有这样的功能：当楼道里很昏暗时，出现声音灯就开启；而在楼道里明亮时，即使有声音灯也没有反应。既可以方便照明，又可以节约用电。这样的照明灯的控制电路中，一定接人了哪几种传感器（ ）
A．温度传感器B．光传感器
C．声音传感器D．热传感器
【答案】BC
【解析】根据题意，楼道照明灯受光亮和声音的影响，故一定接入了光传感器和声音传感器。
故选BC。
13．传感器的使用使我们的生活更加方便、安全和舒适，下列应用了力传感器的是（ ）
A．无人管理自动灌溉系统B．商场使用的电子秤
C．酒店大厅的自动门D．给货车称重的地磅
【答案】BD
【解析】A．无人管理自动灌溉系统，应用的是湿度传感器，故A错误；
B．商场使用的电子秤应用了力传感器，故B正确；
C．酒店大厅的自动门应用的是红外传感器，故C错误；
D．给货车称重的地磅应用了力传感器，故D正确。
故选BD。
14．下列说法正确的是（ ）
A．电子秤所使用的测力装置是力传感器
B．电饭锅中的温度传感器其主要元件是感温铁氧体
C．话筒是一种常用的声音传感器，其作用是将电信号转化为声信号
D．干簧管可以起到开关作用，是一种能够感知温度的传感器
【答案】ABD
【解析】A．电子秤所使用的测力装置是力转换成电信号来显示大小，属于力传感器，故A正确；
B．电饭锅中的温度传感器其主要元件是感温铁氧体；故B正确；
C．动圈式话筒是通电导体在磁场中受力，变化的电流通过线圈，产生变化的磁场，从而让扬声器的膜片振动，产生声音，故C错误；
D．干簧管是一种能够感知磁场的传感器，能够把磁信号转变为电路的通断，故D错误。
故选AB。
物理观念
了解光敏电阻的特性及其在生活、生产中的应用。
科学思维
了解金属热电阻和热敏电阻的特性及其在生活、生产中的应用。
科学探究
了解电阻应变片、电容式位移传感器的特性及其在生活、生产中的应用。
科学态度与责任
通过常见传感器的工作原理及应用知识应用的实例，感受物理中科学技术与社会的紧密联系，体会科学知识的应用价值，进一步增强学生的学习动力和科学意识。
项目
金属热电阻
热敏电阻(NTC)
特点
电阻率随温度的升高而增大
电阻率随温度的升高而减小
R－T图像
制作材料
金属
半导体
导电原理
自由电子的
定向移动
自由电子和空穴等载流子
优点
化学稳定性好，测温范围大
灵敏度较好
作用
将温度这个热学量转换为电阻这个电学量