高中物理 第六章 传感器 第1节 传感器及其工作原理练习(含解析)新人教版选修3-2

第六章第1节传感器及其工作原理
「基础达标练」
1．(多选)关于传感器的作用，下列说法中正确的有( )
A．通常的传感器可以直接用来进行自动控制
B．传感器可以用来采集信息
C．传感器可以将感受到的一些信号转换为电学量
D．传感器可以将所有感受到的信号都转换为电学量
解析：选BC 传感器是通过非电学量转换成电学量来传递信号的，不能直接用来进行自动控制，A选项错误；传感器可以用来采集信息，B选项正确；传感器分不同种类，每种传感器只感受到特定的信号、并把采集到的信号转化为电学量，C选项正确，D选项错误．2．下列说法正确的是( )
A．光敏电阻能够把电信号转换成光信号
B．干簧管是一种能够感知静电场的传感器
C．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
D．电容式位移传感器能够把电动势这个电学量转化为物体的位移这个力学量
解析：选C 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，故A错误；干簧管是能够感知磁场的传感器，故B错误；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，故C正确；电容式位移传感是把位移这个力学量转化为电容这个电学量的，故D错误．
3．下列有关传感器的说法正确的是( )
A．话筒是一种常用的声传感器，其作用是将电信号转换为声信号
B．楼梯口的电灯开关装的两种传感器是热敏电阻和光敏电阻
C．电子秤所使用的测力装置是力传感器
D．半导体热敏电阻常用作温度传感器，因为温度越高，它的电阻值越大
解析：选C 话筒是一种常用的声传感器，其作用是将声信号转换为电信号，则A错误；楼梯口的电灯开关装的两种传感器是声敏电阻和光敏电阻，则B错误；电子秤所使用的测力装置是力传感器，则C正确；半导体热敏电阻常用作温度传感器，因为温度越高，它的电阻值越小，则D错误．
4．唱卡拉OK用的话筒，内有传感器，其中有一种是动圈式的，它的工作原理是在弹性膜片后面粘接一个轻小的金属线圈，线圈处于永磁体的磁场中，当声波使膜片前后振动时，就将声音信号转变为电信号，下列说法正确的是( )
A．该传感器是根据电流的磁效应工作的
B．该传感器是根据电磁感应原理工作的
C．膜片振动时，穿过金属线圈的磁通量不变
D．膜片振动时，金属线圈中不会产生感应电动势
解析：选B 当声波使膜片前后振动时，线圈切割磁感线产生感应电流，将声音信号变化为电信号，是根据电磁感应原理工作的，故A错误，B正确；膜片随着声波而周期性振动，穿过金属线圈的磁通量是周期性变化的，故C错误；膜片振动时，金属线圈切割磁感线，会产生感应电动势，故D错误．
5．(多选)如图所示，在电路中接一段钨丝，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物理性质
B．该传感器利用了钨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ABC 该传感器利用了钨丝电阻随温度变化而变化的物理性质，即钨丝的电阻随温度的升高而增大，随温度的降低而减小，A、B选项正确；该传感器能够把温度这个热学量转换为电阻这个电学量，C选项正确，D选项错误．
6．(2019·闽侯县月考)如图为一种利用电磁原理制作的充气泵的结构示意图，其工作原理类似打点计时器．当电流从电磁铁的接线柱a流入，吸引小磁铁向下运动时，以下选项中正确的是( )
A．电磁铁的上端为N极，小磁铁的下端为N极
B．电磁铁的上端为S极，小磁铁的下端为S极
C．电磁铁的上端为S极，小磁铁的下端为N极
D．电磁铁的上端为N极，小磁铁的下端为S极
解析：选C 当电流从电磁铁的接线柱a流入时，根据安培定则可知，电磁铁的上端为S 极，根据同极相斥、异极相吸的原理可知，小磁铁的下端为N极，C选项正确．7．(多选)在温控电路中，通过热敏电阻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的带电量增大
B．电压表的读数增大
C．电容器C两板间的电场强度减小
D ．R 1消耗的功率增大
解析：选AB 当环境温度降低时，R 2变大，电路的总电阻变大，由I ＝
E R 总知I 变小，又U ＝E －Ir ，电压表的读数U 增大，B 正确；又由U 1＝IR 1及P 1＝I 2R 1可知U 1变小，R 1消耗的功率
P 1变小，D 错误；电容器两板间的电压U 2＝U －U 1，U 2变大，由场强E ′＝U 2d
，Q ＝CU 2可知Q 、E ′都增大，A 正确，C 错误．
8．如图所示，厚度为h 、宽度为d 的导体板放在垂直于它的磁感应强度为B 的均匀磁场中，当电流通过导体板时，在导体板的上侧面A 和下侧面A ′之间会产生电势差，这种现象称为霍尔效应．实验表明，当磁场不太强时，电势差U 、电流I 和B 的关系为U ＝k IB d
，式中的比例系数k 称为霍尔系数．霍尔效应可解释如下：外部磁场产生的洛伦兹力使运动的电子聚集在导体板的一侧，在导体板的另一侧会出现多余的正电荷，从而形成横向电场．横向电场对电子施加与洛伦兹力方向相反的电场力．当电场力与洛伦兹力达到平衡时，导体板上下两侧之间就会形成稳定的电势差．
设电流I 是由电子的定向移动形成的，电子的平均定向速度为v ，电荷量为e ，回答下列问题：
(1)达到稳定状态时，导体板上侧面A 的电势________(填“高于”“低于”或“等于”)下侧面A ′的电势．
(2)电子所受的洛伦兹力的大小为________．
(3)当导体板上下两侧之间的电势差为U 时，电子所受的电场力的大小为________．
(4)由电场力和洛伦兹力平衡的条件，证明霍尔系数为k ＝1ne
，其中n 代表导体板单位体积中电子的个数．
解析：(1)导体中电子运动形成电流，电子运动方向与电流方向相反，利用左手定则可判定电子向A 板偏，A ′板上出现等量正电荷，所以A 板电势低于A ′板电势．
(2)洛伦兹力大小F ＝Bev .
(3)F 电＝Ee ＝U h e .
(4)由F ＝F 电得Bev ＝U h e ，即U ＝hvB ，导体中通过的电流I ＝nev·d·h ，由U ＝k IB d
，得hvB ＝k IB d ，即hvB ＝k nevdhB d ，得k ＝1ne
. 答案：(1)低于 (2)evB (3)e U h
(4)见解析
「能力提升练」
1．(多选)如图所示，R t 为正温度系数热敏电阻，R 1为光敏电阻，R 2和R 3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( )
A ．热敏电阻温度升高，其他条件不变
B ．热敏电阻温度降低，其他条件不变
C ．光照增强，其他条件不变
D ．光照减弱，其他条件不变
解析：选BD 电压表示数变大，而R 3为定值电阻，说明流经R 3的电流增大，由电路结构可知，这可能是由于R t 减小或R 1增大，由热敏电阻和光敏电阻特性知，可能是由于温度降低或光照减弱，故B 、D 正确，A 、C 错误．
2．如图(a)所示的电路中，光敏电阻R 2加上图(b)所示的光照时，R 2两端的电压变化规律是( )
解析：选B 光敏电阻随光照的增强电阻减小，电路中电流增大，电阻R1两端电压增大，R2两端电压减小，但不能减小到零，故选项B正确．
3．随着电子技术的发展，霍尔传感器被广泛应用在汽车的各个系统中．其中霍尔转速传感器在测量发动机转速时，情景简化如图甲所示，被测量转子的轮齿(具有磁性)每次经过霍尔元件时，都会使霍尔电压发生变化，传感器的内置电路会将霍尔电压调整放大，输出一个脉冲信号，霍尔元件的原理如图乙所示．下列说法正确的是( )
A．霍尔电压是由于元件中定向移动的载流子受到电场力作用发生偏转而产生的
B．若霍尔元件的前端电势比后端低，则元件中的载流子为负电荷
C．在其他条件不变的情况下，霍尔元件的厚度c越大，产生的霍尔电压越高
D．若转速表显示1 800 r/min，转子上齿数为150个，则霍尔传感器每分钟输出12个脉冲信号
解析：选B 载流子受磁场力而偏转，故A错误；由左手定则可判断出载流子受力向前端
偏转，若前端电势变低，意味着载流子带负电，故B正确；霍尔电压U H＝BI
nqc
，c越大，U H越小，故C错误；每个轮齿经过，都会引发一次脉冲，则每分钟脉冲数量为270 000个，故D 错误．
4．电动自行车是一种应用广泛的交通工具，其速度控制是通过转动右把手实现的，这种转动把手称“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．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电压，已知电压与车速关系如图丙．以下关于“霍尔转把”叙述正确的是( )
A．为提高控制的灵敏度，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，车速将变快
C．图乙中从霍尔器件的左右侧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
解析：选B 根据霍尔元件的工作原理可知，在霍尔器件的上、下面之间加一定的电压，形成电流，当永久磁铁的上下端分别为N、S极时，磁场与电子的移动方向平行，则电子不受洛伦兹力作用，霍尔器件不能输出控制车速的电势差，A选项错误；当按图甲顺时针转动把手，导致霍尔器件周围的磁场增加，那么霍尔器件输出控制车速的电势差增大，因此车速变快，B 选项正确；永久磁铁的N、S极可能在左、右侧面，或在前、后表面，因此从霍尔器件输出控制车速的电势差，不一定在霍尔器件的左、右侧面，也可能在前、后表面，C选项错误；当霍尔器件的上、下面之间所加电压正负极性对调，从霍尔器件输出控制车速的电势差正负号相反，但由图丙可知，不会影响车速控制，D选项错误．
5．如图所示是自动控制电路的原理图，a、b间电压恒定，R1为光敏电阻，R2为定值电阻．当
电路中的光敏电阻不受光的照射时用电器可以正常工作．当光敏电阻受光的照射时，其阻值和电流表的示数如何变化？用电器工作状态怎样？
解析：分析问题时，首先要根据光敏电阻的光敏特性，明确电路中电阻如何变化，然后再运用电路的相关知识进行判断．受光照射时，光敏电阻的阻值会减小为原来的11 000～1100，所以当光照射光敏电阻时，电路总阻值变小，干路电流增大很多，R 2两端电压增大很多，并联部分的电压变得很小，用电器停止工作，电流表示数变得很小．
答案：光敏电阻阻值减小，电流表的示数减小 用电器停止工作
6．如图所示为检测某传感器的电路图．传感器上标有“3 V 0.9 W”的字样(传感器可看做一个纯电阻)，滑动变阻器R 0上标有“10 Ω 1 A”的字样，电流表的量程为0.6 A ，电压表的量程为3 V ．则
(1)传感器的电阻为________Ω，额定电流为________A.
(2)为了确保电路各部分的安全，在a 、b 之间所加的电源电压最大值是________V.
(3)如果传感器的电阻变化超过标准值1 Ω，则该传感器就失去作用．实际检测时，将一个恒压电源加在图中a 、b 之间．闭合开关S ，通过调节R 0来改变电路中的电流和R 0两端的电压．检测记录如下：
________(选填“可以”或“不可以”)，此时a 、b 所加的电压是________V.
解析：(1)根据功率公式可知，传感器的电阻R 传＝U 传2P 传＝10 Ω；I 传＝P 传U 传
＝0.3 A.
(2)为了确保电路各部分安全，要求电路的最大电流I m＝I传＝0.3 A，此时电源电压最大值：U m＝U传＋U0，其中U0＝I传R m＝3 V，电源电压最大值U m＝U传＋U0＝6 V.
(3)第一次实验时，a、b两端电压U＝I1R传′＋U1＝0.16 A×R传′＋1.48 V；
第二次实验时，a、b两端电压U＝I2R传′＋U2＝0.22 A×R传′＋0.91 V，联立解得，
R传′＝9.5 Ω，U＝3 V．传感器的电阻变化为ΔR＝R传－R传′＝0.5 Ω<1 Ω.此传感器仍可使用．
答案：(1)10 0.3 (2)6 (3)可以 3。