高中物理练习传感器及其应用

第10章第3讲一、选择题1．关于传感器的下列说法正确的是( )A．所有传感器的材料都是由半导体材料做成的B．金属材料也可以制成传感器C．传感器主要是通过感知电压的变化来传递信号的D．以上说法都不正确[答案] B[解析] 半导体材料可以制成传感器，其他材料也可以制成传感器，如金属氧化物氧化锰就可以制成温度计，所以A错，B正确，传感器不但能感知电压的变化，还能感受力、温度、光、声、化学成分等非电学量，所以C错．2．在一些星级宾馆的洗手间经常装有自动干手机，洗手后将湿手靠近，机内的传感器就开通电热器加热，有热空气从机内喷出，将湿手烘干，手靠近干手机能使传感器工作，是因为( )A．改变湿度B．改变温度C．改变磁场D．改变电容[答案] D[解析] 根据自动干手机工作的特征，手靠近电热器工作，手撤离电热器停止工作，人是一种导体，可以与其他导体构成电容．手靠近时相当于连接一个电容，可以确定干手机内设有电容式传感器，由于手的靠近改变了电容，用湿度和温度来驱动电热器工作，理论上可行，但是假如干手机是由于湿度、温度的变化而工作就成了室内烘干机．3．电容式传感器是用来将各种非电信号转变为电信号的装置．由于电容器的电容C取决于极板正对面积S、极板间距离d以及极板间的电介质这几个因素，当某一物理量发生变化时就能引起上述某个因素的变化，从而又可推出另一个物理量的值的变化，如图所示是四种电容式传感器的示意图，关于这四个传感器的作用列下说法正确的是( )A．甲图的传感器可以用来测量角度B．乙图的传感器可以用来测量液面的高度C．丙图的传感器可以用来测量压力D．丁图的传感器可以用来测量速度[答案] ABC[解析] 甲、乙、丙中的电容器的电容分别与θ、h、F有关，均能测量对应的物理量，而丁中的电容与s有关，丁只能测量位移s，故正确答案是ABC.4．(2010·福建东山二中高三预测)如图(a)所示，光源电阻R2上加上如图(b)所示的光照，那么R2两端的电压变化如图中的哪一个( )[答案] B[解析] 光敏电阻阻值随光照的增强而减小，所以R2两端的电压随之减小，但最终不会是零，所以选B.5．如图所示的电路中，电源两端的电压恒定，L为小灯泡，R为光敏电阻，LED为发光二极管(电流越大，发出的光越强)，且R与LED间距不变，下列说法中正确的是( ) A．当滑动触头P向左移动时，L消耗的功率增大B．当滑动触头P向左移动时，L消耗的功率减小C．当滑动触头P向右移动时，L消耗的功率可能不变D．无论怎样移动触头P，L消耗的功率都不变[答案] A[解析] 触头P左移，使其电阻减小，流过二极管的电流增大，从而发光增强，使光敏电阻R减小，最终达到增大流过灯泡的电流的效果．6．(2010·山东青州)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[答案] B[解析] 如图所示动圈式话筒是利用电磁感应现象制成的．当声波使金属膜片振动时，连接在膜片上的线圈(叫音圈)随着一起振起．音圈在永磁铁的磁场中振动，其中就产生感应电流，感应电流的大小和方向都变化，振幅和频率的变化由声波决定，这就将声音信号转换成电信号，这个电信号经扩音器放大后传给扬声器，从扬声器中就发生放大的声音．7．为了儿童安全，布绒玩具必须检测其中是否存在金属断针，可以先将玩具放置强磁场中，若其中有断针，则断针被磁化，用磁报警装置可以检测到断针的存在，如图所示是磁报警装置中的一部分电路示意图，其中R B是磁敏传感器，它的电阻随断针的出现而减小，a、b接报警器，当传感器R B所在处出现断针时，电流表的电流I、ab两端的电压U将( ) A．I变大，U变大B．I变小，U变小C．I变大，U变小D．I变小，U变大[答案] C[解析] 由题意知R B的电阻随断针的出现而减小，即外电路的电阻减小，由闭合电路欧姆定律有I总＝E/(R＋r)可知I总必增大，再由U外＝E－I总r可知，外电压U减小．而由U1＝I总R1可知，U1增大，U3必减小，由电流表的电流I＝I总－I3可知，电流表的电流必变大，故选项C正确．8．家用电热灭蚊器中电热部分的主要部件是PTC元件，PTC元件是由酞酸钡等半导体材料制成的电阻器，其电阻率与温度的关系如右图所示，由于这种特性，PTC元件具有发热、控温两重功能，对此以下说法中正确的是( )A．通电后其功率先增大后减小B．通电后其功率先减小后增大C．当其产生的热量与散发的热量相等时，温度保持在t1到t2的某一值不变D．当其产生的热量与散发的热量相等时，温度保持在t1或t2不变[答案] AC[解析] 根据PTC元件的电阻率随温度变化的曲线可知：在常温下，它的电阻是相当小的，通入电流以后，随着温度的升高，其电阻率先变小后增大，那么它的功率先变大，后变小，温度保持在t1到t2的某一值不变，这时候电路处于稳定状态，如果温度再升高，电阻率变大，导致电流变小，温度就会降下来；如果温度降低，电阻率减小，导致电流变大，温度就会升上去，所以本题正确答案为A、C.二、非选择题9．如图所示，将多用表的选择开关置于“欧姆”挡，再将电表的两支表笔与负温度系数的热敏电阻R t (负温度系数热敏电阻是指阻值随温度的升高而减小的热敏电阻)的一端相连，这时表针恰好指在刻度盘的正中间，若往R t 上擦一些酒精，表针将向________(填“左”或“右”)转动．若用热吹风机吹向R t ，表针将向________(填“左”或“右”)转动．[答案] 左 右[解析] 若往R t 上擦一些酒精，由于酒精蒸发吸热，热敏电阻R t 温度降低，电阻值增大，所以电流减小，指针应向左偏；用吹风机将热风吹向电阻，电阻R t 温度升高，电阻值减小，电流增大，指针向右偏．10．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，该装置是在矩形箱子的前、后壁上各安装一个由力敏电阻组合成的压力传感器，用两根相同的轻弹簧夹着一质量为2.0kg 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液晶显示屏上读出．现将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10N.(g 取10m/s 2)(1)若传感器a 的示数为14N ，b 的示数为6.0N ，求此时汽车的加速度大小和方向．(2)当汽车以怎样的加速度运动时，传感器a 的示数为零．[答案] (1)4m/s 2 向右 (2)10m/s 2 向左[解析] 传感器上所显示出力的大小，即弹簧对传感器的压力，据牛顿第三定律知，此即为弹簧上的弹力大小，亦即该弹簧对滑块的弹力大小．(1)如右图所示，依题意：左侧弹簧对滑块向右的推力F 1＝14N ，右侧弹簧对滑块的向左的推力F 2＝6.0N.滑块所受合力产生加速度a 1，根据牛顿第二定律有F 1－F 2＝ma 1，得a 1＝F 1－F 2m ＝14－6.02.0m/s 2＝4m/s 2.a 1与F 1同方向，即向前(向右)． (2)a 传感器的读数恰为零，即左侧弹簧的弹力F ′1＝0，因两弹簧相同，左弹簧伸长多少，右弹簧就缩短多少，所以右弹簧的弹力变为F ′2＝20N.滑块所受合力产生加速度，由牛顿第二定律得F 合＝F ′2＝ma 2，得a 2＝F 2′m＝－10m/s 2.负号表示方向向后(向左)． 11．(2010·山东莱芜)将一个动力传感器连接到计算机上，我们就可以测量快速变化的力，某一小球用一条不可伸长的轻绳连接，绳的另一端固定在悬点上，当小球在竖直面内来回摆动时，用动力传感器测得绳子对悬点的拉力随时间变化的曲线如图所示，取重力加速度g ＝10m/s 2，求绳子的最大偏角θ.[答案] 60°[解析] 设小球的质量为m ，绳子长度为L ，绳子拉力的最小值和最大值各为F 1和F 2，小球摆至最高点时，绳子拉力最小F 1＝mg cos θ ①小球摆至最低点时，绳子拉力最大F 2－mg ＝m v 2L② 摆动过程小球机械能守恒12mv 2＝mgh ＝mgl (1－cos θ) ③ 由以上各式得：cos θ＝3F 1F 2＋2F 1＝0.5 ④ θ＝60° ⑤12．(2010·江西重点中学)某实验小组探究一种热敏元件的电阻随温度变化的特性．现有器材：直流恒流电源(在正常工作状态下输出的电流恒定并且读出其大小)、电压表、待测元件、保温容器、温度计、开关和导线等．(1)若用上述器材测量该元件的阻值随温度变化的特性，请你在对应图中用笔连线画出实物连接图．(2)实验的主要步骤：a ．正确连接电路，在保温容器中注入适量冷水，接通电源，调节并记录电源输出的电流值；b ．在保温容器中添加少量热水，待温度稳定后，闭合开关，记录________和________，断开开关；c ．重复第b 步操作若干次，测得多组数据．(3)实验小组测得该元件在不同温度下的阻值．并据此绘得上图的R —t 关系图线，请根据图线写出该元件的R —t 关系式：R ＝________.(4)由以上方法测得的电阻值比它的真实值偏________．(5)如果实验室提供的恒定电流电源的输出电流为65mA，但没有合适的电压表，应选用如下哪组器材测量热敏元件上的电压？________.(填序号)A．电压表V1：量程3V、内阻3kΩ，定值电阻R1＝6kΩB．电压表V2：量程5V、内阻5kΩ，定值电阻R2＝10kΩC．电压表V3：量程10V、内阻10kΩ，定值电阻R3＝1kΩ[答案] (1)如图所示(2)电压表示数温度计示数(3)100＋1.6t(其中100±1,1.6±0.1均可) (4)小(5)B[解析] (1)电压表与热敏元件并联测热敏元件电压，其他组成串联电路．如图所示．(2)因为要测量该元件在不同温度下的阻值，所以要记录温度计示数和电压表示数，电压表示数与电源输出的电流值的比值就是热敏元件的阻值．(3)延长题图R—t关系图线(图略)，找到图线与y轴的交点约为100Ω，在图线上找两点求斜率，约为1.6Ω/℃，所以R＝100＋1.6t.(4)上述电路测量出来的值是电压表与热敏元件并联后的阻值，所以比它的真实值偏小．(5)由图线可知：热敏元件两端的电压约为6～14V，所以相当于要选择合适的器材，改装成量程为15V的电压表，所以只有B组符合要求．13．(2010·全国Ⅱ理综)如图，一热敏电阻R r放在控温容器M内；Ⓐ为毫安表，量程6 mA，内阻为数十欧姆；E为直流电源，电动势约为3 V，内阻很小；R为电阻箱，最大阻值为999.9 Ω；S为开关，已知R r在95 ℃时的阻值为150 Ω，在20 ℃时的阻值约为550 Ω.现要求在降温过程中测量在95℃～20℃之间的多个温度下R r的阻值．(1)在图中画出连线，完成实验原理电路图．(2)完成下列实验步骤中的填空：①依照实验原理电路图连线．②调节控温容器M内的温度，使得R r的温度为95℃.③将电阻箱调到适当的初值，以保证仪器安全．④闭合开关，调节电阻箱，记录电流表的示数I0，并记录____________．⑤将R r的温度降为T1(20℃<T1<95℃)，调节电阻箱，使得电流表的读数________，记录________．⑥温度为T1时热敏电阻的电阻值Rr1＝________.⑦逐步降低T1的数值，直至20 ℃为止．在每一温度下重复步骤⑤⑥.[答案] (1)实验原理电路图如图所示．(2)④电阻箱的读数R0⑤仍为I0电阻箱的读数R1⑥R0－R1＋150Ω。