2023新教材高中物理第五章傳感器2常見傳感器的工作原理及應(yīng)用作業(yè)新人教版選擇性必修第二冊

2.常見傳感器的工作原理及應(yīng)用1.光敏電阻(1)光敏電阻是eq\o(□,\s\up2(01))光電傳感器中常見的光敏元件。(2)特性光敏電阻能夠把eq\o(□,\s\up2(02))光照強弱這個光學(xué)量轉(zhuǎn)換為eq\o(□,\s\up2(03))電阻這個電學(xué)量，光敏電阻的阻值隨光照的增強而eq\o(□,\s\up2(04))減小。(3)原理構(gòu)成光敏電阻的物質(zhì)(硫化鎘)是一種半導(dǎo)體材料，無光照時，載流子極少，導(dǎo)電性能差；隨著光照的增強，載流子增多，導(dǎo)電性變好。(4)應(yīng)用——光電計數(shù)如圖，A是發(fā)光儀器，B是接收光信號的儀器，B中的主要元件是由eq\o(□,\s\up2(05))光敏電阻組成的光電傳感器。當傳送帶上沒有物品擋住由A射向B的光信號時，光敏電阻的阻值較eq\o(□,\s\up2(06))小，供給信號處理系統(tǒng)的電壓變eq\o(□,\s\up2(07))低；當傳送帶上有物品擋住由A射向B的光信號時，光敏電阻的阻值變eq\o(□,\s\up2(08))大，供給信號處理系統(tǒng)的電壓變eq\o(□,\s\up2(09))高。這種高低交替變化的信號經(jīng)過處理，就會轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的數(shù)字，實現(xiàn)自動計數(shù)的功能。2．金屬熱電阻和熱敏電阻(1)金屬熱電阻：金屬的電阻率隨溫度的升高而eq\o(□,\s\up2(01))增大(圖中的圖線1)。用金屬絲可以制作溫度傳感器，稱為熱電阻。常用的一種熱電阻是用鉑制作的，可用來做eq\o(□,\s\up2(02))電阻溫度計。(2)熱敏電阻：有些半導(dǎo)體在溫度上升時導(dǎo)電能力eq\o(□,\s\up2(03))增強(圖中的圖線2)，因此可以用半導(dǎo)體材料制作熱敏電阻。有一種熱敏電阻是用氧化錳等金屬氧化物燒結(jié)而成的，它的電阻隨溫度的變化非常eq\o(□,\s\up2(04))明顯。(3)金屬熱電阻與熱敏電阻的比較①與熱敏電阻相比，金屬熱電阻的化學(xué)穩(wěn)定性eq\o(□,\s\up2(05))好，測溫范圍eq\o(□,\s\up2(06))大，但靈敏度較eq\o(□,\s\up2(07))差。②金屬熱電阻和熱敏電阻都能夠把eq\o(□,\s\up2(08))溫度這個熱學(xué)量轉(zhuǎn)換為eq\o(□,\s\up2(09))電阻這個電學(xué)量。(4)應(yīng)用——液位報警當液面高于熱敏電阻的高度時，熱敏電阻發(fā)出的熱量會被液體帶走，溫度基本不變，阻值較eq\o(□,\s\up2(10))大，指示燈eq\o(□,\s\up2(11))不亮(圖甲)。當液體減少、熱敏電阻露出液面時，發(fā)熱導(dǎo)致它的溫度上升、阻值較eq\o(□,\s\up2(12))小，指示燈eq\o(□,\s\up2(13))亮(圖乙)。通過判斷熱敏電阻的阻值變化，就可以知道液面是否低于設(shè)定值。3．電阻應(yīng)變片(1)電阻應(yīng)變片是一種使用非常廣泛的eq\o(□,\s\up2(01))力敏元件。(2)金屬電阻應(yīng)變片的工作原理是金屬的eq\o(□,\s\up2(02))電阻應(yīng)變效應(yīng)，即金屬導(dǎo)體在外力作用下發(fā)生機械形變(伸長或縮短)時，其eq\o(□,\s\up2(03))電阻隨著它所受機械形變的變化而發(fā)生變化的現(xiàn)象。(3)半導(dǎo)體電阻應(yīng)變片的工作原理是基于半導(dǎo)體材料的eq\o(□,\s\up2(04))壓阻效應(yīng)。(4)電阻應(yīng)變片能夠把eq\o(□,\s\up2(05))物體形變這個力學(xué)量轉(zhuǎn)換為eq\o(□,\s\up2(06))電阻這個電學(xué)量。(5)應(yīng)用——應(yīng)變式力傳感器如圖，在梁的自由端施力F，則梁發(fā)生彎曲，上表面拉伸，下表面壓縮，上表面應(yīng)變片的電阻變eq\o(□,\s\up2(07))大，下表面應(yīng)變片的電阻變eq\o(□,\s\up2(08))小。力F越大，彎曲形變越大，應(yīng)變片的電阻變化就越eq\o(□,\s\up2(09))大。如果讓應(yīng)變片中通過的電流保持恒定，那么上表面應(yīng)變片兩端的電壓變eq\o(□,\s\up2(10))大，下表面應(yīng)變片兩端的電壓變eq\o(□,\s\up2(11))小。傳感器把這兩個電壓的eq\o(□,\s\up2(12))差值輸出。力F越大，輸出的電壓差值也就越eq\o(□,\s\up2(13))大。4．其他傳感器(1)電容式傳感器：電容器的電容C決定于eq\o(□,\s\up2(01))極板的正對面積S、eq\o(□,\s\up2(02))極板間的距離d以及eq\o(□,\s\up2(03))極板間的電介質(zhì)這三個因素。如果某個物理量的變化能引起上述某個因素的變化，從而引起電容的變化，那么，通過測定電容器的電容就可以確定這個物理量的變化，由此可以制成電容式傳感器。(2)霍爾元件：在一個很小的矩形半導(dǎo)體(如砷化銦)薄片上制作四個電極E、F、M、N，它就成了一個霍爾元件(如圖)。在E、F間通入恒定的電流I，同時外加與薄片eq\o(□,\s\up2(04))垂直的磁感應(yīng)強度為B的磁場，則在M、N間可出現(xiàn)霍爾電壓UH。通過分析可知，霍爾電壓UH與磁感應(yīng)強度B有線性關(guān)系，因此利用霍爾元件可以測量磁感應(yīng)強度的大小和方向?；魻栐軌虬裡q\o(□,\s\up2(05))磁感應(yīng)強度這個磁學(xué)量轉(zhuǎn)換為eq\o(□,\s\up2(06))電壓這個電學(xué)量。典型考點一光敏電阻及其應(yīng)用1．如圖所示，把一光敏電阻接在多用電表兩表筆之間，將多用電表的選擇開關(guān)置于歐姆擋，用光照射光敏電阻時，指針的偏角為θ；現(xiàn)用手掌擋住部分光線，表針的偏角為θ′，則可判斷()A．θ′＝θB．θ′<θC．θ′>θD．不能確定θ′、θ的大小關(guān)系答案B解析光敏電阻的阻值隨光照強度的增強而減小，用手掌擋住部分光線，阻值變大，指針的偏轉(zhuǎn)角度變小，故θ′<θ，B正確，A、C、D錯誤。2．如圖甲是某生產(chǎn)流水線上的產(chǎn)品輸送及計數(shù)裝置示意圖。其中S為激光源，R1為光敏電阻(有光照射時，阻值較?。粺o光照射時，阻值較大)，R2為定值保護電阻，a、b間接“示波器”(示波器的接入對電路無影響)。水平傳送帶勻速前進，每當傳送帶上的產(chǎn)品通過S與R1之間時，射向光敏電阻的光線會被產(chǎn)品擋住。若傳送帶上的產(chǎn)品為均勻正方體，示波器顯示的電壓隨時間變化的關(guān)系如圖乙所示。已知電路中電源兩極間的電壓恒為6V，保護電阻R2的阻值為400Ω，則()A．有光照射時光敏電阻R1的阻值為800ΩB．有光照射和無光照射時保護電阻R2兩端的電壓之比為1∶2C．有光照射和無光照射時光敏電阻的阻值之比為1∶2D．每1h通過S與R1之間的產(chǎn)品個數(shù)為6000答案D解析當有光照射時，R1的阻值變小，電路的總電阻變小，電流變大，R2兩端的電壓變大，R1兩端的電壓變小，即R1兩端的電壓較低，由題圖乙知此時R1兩端的電壓U1＝2V，則R2兩端的電壓U2＝U－U1＝6V－2V＝4V，電路中的電流I＝eq\f(U2,R2)＝eq\f(4V,400Ω)＝0.01A，光敏電阻的阻值R1＝eq\f(U1,I)＝eq\f(2V,0.01A)＝200Ω，故A錯誤；當無光照射時，R1的阻值變大，其兩端電壓較高，由題圖乙知此時R1兩端的電壓U1′＝4V，R2兩端的電壓U2′＝U－U1′＝6V－4V＝2V，所以，有光照射和無光照射時保護電阻R2兩端的電壓之比U2∶U2′＝4V∶2V＝2∶1，故B錯誤；無光照射時電路中的電流I′＝eq\f(U2′,R2)＝eq\f(2V,400Ω)＝0.005A，此時光敏電阻R1的阻值為R1′＝eq\f(U1′,I′)＝eq\f(4V,0.005A)＝800Ω，所以，有光照射和無光照射時光敏電阻的阻值之比R1∶R1′＝200Ω∶800Ω＝1∶4，故C錯誤；由題圖乙可知，每經(jīng)過0.6s，就有一個產(chǎn)品通過計數(shù)裝置，則每1h通過S與R1之間的產(chǎn)品個數(shù)n＝eq\f(3600s,0.6s)＝6000，故D正確。典型考點二金屬熱電阻與熱敏電阻及其應(yīng)用3．如圖所示為熱敏電阻和金屬熱電阻的電阻值隨溫度變化的圖線，下列說法正確的是()A．圖線1是熱敏電阻的R-T圖線，它是用絕緣材料制成的B．圖線2是熱敏電阻的R-T圖線，它可以用半導(dǎo)體材料制成C．圖線1的材料化學(xué)穩(wěn)定性好，測溫范圍大，靈敏度高D．圖線2的材料化學(xué)穩(wěn)定性差，測溫范圍大，靈敏度低答案B解析金屬的電阻率隨著溫度升高而增大，由此可制作金屬熱電阻；有些半導(dǎo)體在溫度上升時導(dǎo)電能力增強，由此可制作熱敏電阻。因此圖線1表示金屬熱電阻的阻值隨溫度的變化圖線，其化學(xué)穩(wěn)定性好，測溫范圍大，靈敏度低，A、C錯誤；圖線2表示半導(dǎo)體材料制成的熱敏電阻的阻值隨溫度的變化圖線，其化學(xué)穩(wěn)定性差、測溫范圍小、靈敏度高，D錯誤，B正確。4．(2020·江西省高二期中)一些材料的電阻隨溫度的升高而變化。圖甲是由某金屬材料制成的電阻R隨攝氏溫度t變化的圖像，若用該電阻與電池(電動勢E＝1.5V，內(nèi)阻不計)、電流表(量程為5mA、內(nèi)阻不計)、電阻箱R′串聯(lián)起來，連接成圖乙所示的電路，用該電阻做測溫探頭，把電流表的電流刻度改為相應(yīng)的溫度刻度，就得到了一個簡單的“金屬電阻溫度計”。(1)電流刻度較大處對應(yīng)的溫度刻度________；(填“較高”或“較低”)(2)若電阻箱阻值R′＝150Ω，當電流為5mA時對應(yīng)的溫度數(shù)值為________℃。答案(1)較低(2)50解析(1)根據(jù)閉合電路歐姆定律得，電路中的電流I＝eq\f(E,R＋R′)，可見R越小，電流I越大，對應(yīng)的溫度越低，所以電流刻度較大處對應(yīng)的溫度刻度較低。(2)當電流為5mA時，根據(jù)閉合電路歐姆定律，I＝eq\f(E,R＋R′)，則R＝eq\f(E,I)－R′＝eq\f(1.5,5×10－3)Ω－150Ω＝150Ω，由R-t圖像并根據(jù)數(shù)學(xué)知識可得R＝t＋100(Ω)，當R＝150Ω時，對應(yīng)的溫度為t＝50℃。典型考點三電阻應(yīng)變片及其應(yīng)用5．關(guān)于電子秤中應(yīng)變式力傳感器的說法正確的是()A．應(yīng)變片是由金屬導(dǎo)體材料制成的B．當應(yīng)變片的表面拉伸時，其電阻變?。环粗?，變大C．傳感器輸出的是應(yīng)變片上的電壓D．外力越大，輸出的電壓差值也越大答案D解析應(yīng)變片多用半導(dǎo)體材料制成，故A錯誤；當應(yīng)變片的表面拉伸時，其電阻變大；反之，變小，B錯誤。應(yīng)變式力傳感器輸出的是上、下兩應(yīng)變片上的電壓差，并且外力越大，輸出的電壓差值也越大，故C錯誤，D正確。6．某課外活動小組自制了一臺稱重電子秤，其原理結(jié)構(gòu)如圖甲所示。R0為定值電阻，R是壓敏電阻，其阻值會隨其所受的壓力F的變化而變化，變化范圍大約為幾歐到十幾歐，通過電壓表的讀數(shù)可以得知壓力大小。活動小組已經(jīng)通過實驗探究了壓敏電阻阻值R與其所受壓力F大小的關(guān)系如圖乙所示。請回答以下問題：(1)根據(jù)如圖乙所示的R-F圖像，取R的單位為“Ω”，F(xiàn)的單位為“N”，則R和F的數(shù)值關(guān)系式為：R＝________。(2)如圖甲所示的電路中，在壓敏電阻R上水平放置一個重力為2.0N的托盤，在托盤上放一重物，電源電動勢E＝9.0V，電源內(nèi)阻r＝1.0Ω，R0＝4.5Ω。閉合開關(guān)，電壓表示數(shù)為3.0V，則重物的重力為________N。(保留兩位有效數(shù)字)答案(1)16－2F(2)2.0解析(1)由題圖乙可知，當R＝16.0Ω時，F(xiàn)＝0；當R＝7.0Ω時，F(xiàn)＝4.5N；將這兩組數(shù)據(jù)代入R＝b＋kF，解得：b＝16，k＝－2，故取R的單位為“Ω”，F(xiàn)的單位為“N”，則R＝16－2F。(2)電壓表示數(shù)為3.0V，根據(jù)閉合電路歐姆定律，有：E＝eq\f(U,R0)(r＋R)＋U，解得：R＝8.0Ω，對照R-F圖像，可知壓力為4.0N，減去托盤重力2.0N，即為重物的重力，為2.0N。典型考點四電容式傳感器和霍爾元件7．(多選)電容式傳感器是用來將各種非電學(xué)量轉(zhuǎn)變?yōu)殡娙葸@種電學(xué)量的裝置。由于電容器的電容C取決于極板的正對面積S、極板間的距離d以及極板間的電介質(zhì)這三個因素，當某個物理量發(fā)生變化時就能引起上述某個因素的變化，從而引起電容器電容變化，那么通過測定電容器的電容變化就可以確定這個物理量的變化。如圖所示是四種電容式傳感器的示意圖，關(guān)于這四種傳感器的作用，下列說法正確的是()A．甲圖的傳感器可以用來測量角度B．乙圖的傳感器可以用來測量液面的高度C．丙圖的傳感器可以用來測量壓力D．丁圖的傳感器可以用來測量速度答案ABC解析從甲圖可以看出，θ變化，能引起動片與定片正對面積變化，由C＝eq\f(εrS,4πkd)知可引起電容器的電容變化，故甲圖的傳感器可以用來測量角度，A正確；從乙圖可以看出，液體深度h變化，能引起正對面積變化，由C＝eq\f(εrS,4πkd)知可引起電容器的電容變化，故乙圖的傳感器可以用來測量液面的高度，B正確；從丙圖可以看出，壓力的變化，能引起兩極間的距離變化，由C＝eq\f(εrS,4πkd)知可引起電容器的電容變化，故丙圖的傳感器可以用來測量壓力，C正確；從丁圖可以看出，x的變化，能引起介電常數(shù)的變化，由C＝eq\f(εrS,4πkd)知可引起電容器的電容變化，故丁圖的傳感器可以用來測量位移x，D錯誤。8．(多選)如圖所示，導(dǎo)電物質(zhì)為電子的霍爾元件水平放置，前后側(cè)面E、F間通入大小為I的電流，處于豎直向下的勻強磁場中，磁場的磁感應(yīng)強度為B，左右側(cè)面M、N間出現(xiàn)的電壓，稱為霍爾電壓UH。若M、N之間的距離為L，下列說法正確的是()A．N表面的電勢高于M表面的電勢B．I越大，霍爾電壓越小C．保持I恒定，磁感應(yīng)強度越大，霍爾電壓越大D．元件中自由電子定向移動的速率v＝eq\f(UH,BL)答案ACD解析根據(jù)左手定則，電子向M側(cè)面偏轉(zhuǎn)，M表面帶負電，N表面帶正電，所以N表面的電勢高，A正確；根據(jù)霍爾電壓UH＝keq\f(IB,d)(d為該霍爾元件上、下表面間的距離)可知，I越大，霍爾電壓UH越大，B錯誤；保持I恒定，磁感應(yīng)強度越大，霍爾電壓UH越大，C正確；M、N間存在電勢差，之間就存在電場，電子在靜電力和洛倫茲力作用下平衡，有eeq\f(UH,L)＝evB，解得元件中自由電子定向移動的速率v＝eq\f(UH,BL)，D正確。1．如圖所示為一種溫度自動報警器的原理圖，在水銀溫度計的頂端封入一段金屬絲，以下說法正確的是()A．溫度升高至74℃時，L1燈亮報警B．溫度升高至74℃時，L2燈亮報警C．溫度升高至78℃時，L1燈亮報警D．溫度升高至78℃時，L2燈亮報警答案D解析由題圖可知：金屬絲下端所指的示數(shù)為78℃；當溫度升高至78℃，水銀溫度計頂端封入的金屬絲就和水銀相接，控制電路接通，電磁鐵有了磁性，把銜鐵吸引下來，L2燈亮報警，D正確。2．(多選)如圖為某一機器人上的電容式位移傳感器工作時的簡化模型圖。當被測物體在左右方向發(fā)生位移時，電介質(zhì)板隨之在電容器兩極板之間移動，連接電容器的靜電計會顯示電容器電壓的變化，進而能測出電容的變化，最后就能探測到物體位移的變化。若靜電計上的指針偏角為θ，則下列說法正確的是()A．向左移動時，θ增大B．向右移動時，θ增大C．電容式位移傳感器能夠把物體的位移這個力學(xué)量轉(zhuǎn)換為電容這個電學(xué)量D．電容式位移傳感器能夠把電容這個電學(xué)量轉(zhuǎn)換為物體的位移這個力學(xué)量答案BC解析被測物體向左移動時，電容器兩極板間的電介質(zhì)板變長，相對介電常數(shù)增大，根據(jù)C＝eq\f(εrS,4kπd)可知電容器的電容增大，又因為電容器的電荷量不變，根據(jù)U＝eq\f(Q,C)可知電容器兩極板間的電壓減小，即θ減??；反之，被測物體向右移動時，電容器的電容減小，θ增大，故A錯誤，B正確。由以上分析可知，電容式位移傳感器能夠把物體的位移這個力學(xué)量轉(zhuǎn)換為電容這個電學(xué)量，C正確，D錯誤。3．有一個消毒用電器P，電阻為20kΩ，它只有在電壓高于24V時才能工作?，F(xiàn)用一個光敏電阻R1對它進行控制，光敏電阻在光照時阻值為100Ω，黑暗時阻值為1000Ω，電源電動勢E為36V，內(nèi)阻不計，另有一個定值電阻R2，阻值為1000Ω。下列電路中開關(guān)閉合后能使消毒用電器在光照時正常工作，黑暗時停止工作的是()答案C解析A電路在光照時，光敏電阻阻值為100Ω，消毒用電器P的電阻為20kΩ，R2電阻為1000Ω，由串聯(lián)電路分壓規(guī)律可知P兩端電壓超過eq\f(2,3)E，即高于24V，能夠正常工作；黑暗時，光敏電阻阻值為1000Ω，P兩端電壓也超過eq\f(2,3)E，也能正常工作，故A不符合題意。同理可得B電路在光照、黑暗時，P兩端電壓均超過eq\f(2,3)E，P都能正常工作，故B不符合題意。C中P與R2并聯(lián)，并聯(lián)電阻略小于1000Ω，根據(jù)串聯(lián)電路的分壓規(guī)律可知，消毒用電器P在光照時能夠正常工作，黑暗時停止工作，C符合題意。D中P與R1并聯(lián)，光照時并聯(lián)部分電阻略小于100Ω，黑暗時電阻略小于1000Ω，根據(jù)串聯(lián)電路的分壓規(guī)律可知，在光照和黑暗時P兩端電壓都小于24V，都不能正常工作，D不符合題意。4.如圖所示為某同學(xué)在研究性學(xué)習中自制的電子秤原理示意圖，托盤與電阻可忽略的金屬彈簧相連，托盤與彈簧的質(zhì)量均不計，滑動變阻器的滑動端與彈簧上端連接，不稱重物時，滑片P在電阻R0的最上端；稱重物時，在壓力作用下使滑片P下滑，操作人員可通過電阻很大的燈泡的亮度判斷出有沒有開始稱重，電流表的示數(shù)可以反映出物體的質(zhì)量。下列說法正確的是()A．稱的物體越重，燈泡越暗B．稱的物體越重，電流表示數(shù)越大C．不稱重時，燈泡會很亮D．不稱重時，電流表示數(shù)較大答案D解析該電路相當于含滑動變阻器的電路，滑動變阻器與燈泡并聯(lián)，然后與電阻R1串聯(lián)，電流表的示數(shù)為干路電流。稱的物體越重，根據(jù)胡克定律可知，彈簧的壓縮量越大，則P向下移動，滑動變阻器接入電路的電阻值越大，則總電阻越大，由閉合電路的歐姆定律可知，總電流越小，即電流表的示數(shù)隨重物重力的增大而減小，不稱重時，電流表示數(shù)較大，B錯誤，D正確；P向下移動，總電流減小，則電源內(nèi)電壓與電阻R1兩端的電壓都減小，由閉合電路的歐姆定律：E＝I(r＋R1)＋U并，可知并聯(lián)電路部分的電壓增大，由P＝eq\f(U\o\al(2,并),R燈)可知，燈泡的電功率增大，燈泡變亮，即稱的物體越重，燈泡越亮，A、C錯誤。5．傳感器是一種采集信息的重要器件，如圖所示為測定壓力的電容式傳感器，將電容器、靈敏電流計(零刻度在中間)和電源串聯(lián)成閉合回路，當壓力F作用于可動電極的膜片上時，膜片產(chǎn)生形變，引起電容的變化，導(dǎo)致靈敏電流計指針偏轉(zhuǎn)，在對膜片開始施加恒定的壓力到膜片穩(wěn)定的這段時間，靈敏電流計指針的偏轉(zhuǎn)情況為(電流從電流計正接線柱流入時指針向右偏)()A．靈敏電流計指針向右偏B．靈敏電流計指針向左偏C．靈敏電流計指針不動D．不能判斷靈敏電流計指針向哪邊偏答案B解析在對膜片開始施加恒定的壓力到膜片穩(wěn)定的這段時間，極板間距d變小，由C＝eq\f(εrS,4πkd)，可知電容器的電容C變大，又根據(jù)Q＝CU，可知極板帶電量變大，所以該過程電容器充電，又由于上極板帶正電，靈敏電流計中有由負接線柱流入的電流，所以指針將向左偏，B正確。6．(多選)用磁敏電阻作為傳感器可以探測空間中是否存在磁場，設(shè)計電路如圖，磁敏電阻在沒有磁場時電阻很小(幾乎為零)，在有磁場時電阻很大。閉合S1，斷開S2，燈泡正常發(fā)光，下列說法正確的是()A．探測頭處在無磁場區(qū)域時，閉合S2，燈泡會變亮B．探測頭處在無磁場區(qū)域時，閉合S2，電流表示數(shù)會變大C．閉合S2，探測頭從無磁場區(qū)域進入磁場區(qū)域時，燈泡會變亮D．閉合S2，探測頭從無磁場區(qū)域進入磁場區(qū)域時，電流表的示數(shù)會變大答案BC解析探測頭處在無磁場區(qū)域時，閉合S2，磁敏電阻的阻值幾乎為零，此時燈泡被短路，不亮，A錯誤；探測頭處在無磁場區(qū)域時，閉合S2