2020学年高中物理 传感器及其工作原理

2020学年高中物理 传感器及其工作原理

传感器及其工作原理 ‎ ‎1．传感器是能够把易感受的力、温度、光、声、化学成分等__________按照一定的规律转换为容易进行测量，传输处理和控制的电压、电流等____________、或转换为电路的______的一类元件．‎ ‎2．光敏电阻的特性：____________________________，光敏电阻能够把______________这个光学量转换为______这个电学量．‎ ‎3．金属热电阻的电阻率随温度的升高而______，热敏电阻的电阻率随温度的升高而______，金属热电阻和热敏电阻都可以制作______传感器．与热敏电阻相比，金属热电阻的______________，测温范围________，但________较差．‎ ‎4．如图1所示，E、F间通入恒定电流I，同时外加与薄片垂直的磁场B，则M、N间出现霍尔电压UH，UH＝______________.式中______为薄片的厚度，______为霍尔系数，它的大小与薄片的材料有关．‎ 图1‎ ‎5．关于干簧管，下列说法正确的是(　　)‎ A．干簧管接入电路中相当于电阻的作用 B．干簧管是根据热胀冷缩的原理制成的 C．干簧管接入电路中相当于开关的作用 D．干簧管是作为电控元件以实现自动控制的 ‎6．霍尔元件能转换哪个物理量(　　)‎ A．把温度这个热学量转换成电阻这个电学量 B．把磁感应强度这个磁学量转换成电压这个电学量 C．把力这个力学量转换成电压这个电学量 D．把光照强弱这个光学量转换成电阻这个电学量 ‎【概念规律练】‎ 知识点一　光敏电阻 ‎1．如图2所示，将多用电表的选择开关置于欧姆挡，再将电表的两支表笔分别与光敏电阻RG的两端相连，这时表针恰好指在刻度盘的中央．若用不透光的黑纸将RG包裹起来，表针将向________(填“左”或“右”)转动；若用手电筒的光照射RG，表针将向________(填“左”或“右”)转动．‎ 图2‎ ‎2．如图3所示为光敏电阻自动计数器的示意图，其中R1为光敏电阻，R2为定值电阻．此光电计数器的基本工作原理是什么？‎ 图3‎ 知识点二　热敏电阻和金属热电阻 ‎3．如图4所示，R1为定值电阻，R2为负温度系数的热敏电阻，L为小灯泡，当温度降低时(　　)‎ 图4‎ A．R1两端的电压增大 B．电流表的示数增大 C．小灯泡的亮度变强 D．小灯泡的亮度变弱 ‎4．如图5所示为电阻R随温度T变化的图线，下列说法中正确的是(　　)‎ 图5‎ A．图线1是热敏电阻的图线，它是用金属材料制成的 B．图线2是热敏电阻的图线，它是用半导体材料制成的 C．图线1的材料化学稳定性好、测温范围大、灵敏度高 D．图线2的材料化学稳定性差、测温范围小、灵敏度高 知识点三　霍尔元件 ‎5．如图6所示，有电流I流过长方体金属块，金属块宽为d，高为b，有一磁感应强度为B的匀强磁场垂直于纸面向里，金属块单位体积内的自由电子数为n，问：金属块上、下表面哪面电势高？电势差是多少？‎ 图6‎ ‎6．图7是霍尔元件的工作原理示意图，如果用d表示薄片的厚度，k为霍尔系数，对于一个霍尔元件d、k为定值，如果保持I恒定，则可以验证UH随B的变化情况．以下说法中正确的是(工作面是指较大的平面)(　　)‎ 图7‎ A．将永磁体的一个磁极逐渐靠近霍尔元件的工作面，UH将变大 B．在测定地球两极的磁场强弱时，霍尔元件的工作面应保持水平 C．在测定地球赤道上的磁场强弱时，霍尔元件的工作面应保持水平 D．改变磁感线与霍尔元件工作面的夹角，UH将发生变化 ‎【方法技巧练】‎ 含传感器的电路的分析技巧 ‎7．如图8所示，R1、R2为定值电阻，L为小灯泡，R3为光敏电阻，当照射光强度增大时(　　)‎ 图8‎ A．电压表的示数增大 B．R2中电流减小 C．小灯泡的功率增大 D．电路的路端电压增大 ‎8．如图9所示是一火警报警装置的部分电路示意图，其中R2是半导体热敏传感器，它的电阻随温度升高而减小，a、b接报警器．当传感器R2‎ 所在处出现火情时，电流表的电流I和a、b两端两压U与出现火情前相比(　　)‎ 图9‎ A．I变大，U变大 B．I变小，U变小 C．I变小，U变大 D．I变大，U变小 ‎1．关于传感器，下列说法正确的是(　　)‎ A．光敏电阻和热敏电阻都是由半导体材料制成的 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阻的变化来传递信号的 D．以上说法都不正确 ‎2．光敏电阻能将光信号转化为电信号是因为(　　)‎ A．光照强度发生变化时，光敏电阻的阻值也发生变化 B．光照强度发生变化时，光敏电阻的体积也发生变化 C．光照强度发生变化时，光敏电阻的长度也发生变化 D．光照照度发生变化时，光敏电阻的横截面积也发生变化 ‎3．如图10所示是观察电阻值随温度变化情况的示意图，现在把杯中的水由冷水变为热水，关于欧姆表的读数变化情况正确的是(设水对电阻阻值的影响不计)(　　)‎ 图10‎ A．如果R为金属热电阻，读数变大，且变化非常明显 B．如果R为金属热电阻，读数变小，且变化不明显 C．如果R为热敏电阻(用半导体材料制成)，读数变化非常明显 D．如果R为热敏电阻(用半导体材料制成)，读数变化不明显 ‎4．如图11所示，R3是光敏电阻，当开关S闭合后，在没有光照射时，a、b两点等电势．当用光照射电阻R3时，则(　　)‎ 图11‎ A．R3的电阻变小，a点电势高于b点电势 B．R3的电阻变小，a点电势低于b点电势 C．R3的电阻变大，a点电势高于b点电势 D．R3的电阻变大，a点电势低于b点电势 ‎5．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12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(　　)‎ 图12‎ A．电容器C的带电荷量增大 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．R1消耗的功率增大 ‎6．如图13所示电路中，电源电动势为E，内阻为r，RT为负温度系数热敏电阻，RG为光敏电阻，闭合开关后，小灯泡L正常发光，由于环境条件改变(光照或温度)，发现小灯泡亮度变暗，则引起小灯泡变暗的原因可能是(　　)‎ 图13‎ A．温度不变，光照增强 B．温度升高，光照不变 C．温度降低，光照增强 D．温度升高，光照减弱 ‎7．某学习小组的同学在用多用电表研究热敏特性实验中，安装好如图14所示装置，向杯内加入冷水，温度计的示数为‎20 ℃‎，多用电表选择适当的倍率，读出热敏电阻的阻值R1，然后向杯内加入热水，温度计的示数为‎60 ℃‎，发现多用电表的指针偏转角度较大，则下列说法正确的是(　　)‎ 图14‎ A．应选用电流挡，温度升高换用大量程测量 B．应选用电流挡，温度升高换用小量程测量 C．应选用欧姆挡，温度升高时换用倍率大的挡 D．应选用欧姆挡，温度升高时换用倍率小的挡 ‎8．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、电荷量等)的一种元件．如图15所示的甲、乙、丙、丁是四种常见的电容式传感器，下列说法正确的是(　　)‎ 图15‎ A．甲图中两极板带电荷量不变，若电压变小，可判断出h变小 B．乙图中两极板带电荷量不变，若电压变大，可判断出θ变大 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 ‎9．如图16所示为测定压力的电容式传感器，将平行板电容器、灵敏电流表(零刻度在中间)和电源串联成闭合回路，当压力F作用于可动膜片电极上时，膜片发生形变，引起电容的变化，导致灵敏电流表指针偏转，在对膜片开始施加压力使膜片电极从图中的虚线推到图中实线位置并保持固定的过程中，灵敏电流表指针偏转情况为(电流从电流表正接线柱流入时指针向右偏)(　　)‎ 图16‎ A．向右偏到某一刻度后回到零刻度 B．向左偏到某一刻度后回到零刻度 C．向右偏到某一刻度后不动 D．向左偏到某一刻度后不动 ‎10．传感器是把非电学物理量(如位移、压力、流量、声强等)转换成电学量的一种元件．如图17所示为一种电容式传感器，电路可将声音信号转化为电信号．电路中a、b构成一个电容器，b是固定不动的金属板，a是能在声波驱动下沿水平方向振动的镀有金属层的振动膜．若声源S发出频率恒定的声波使a振动，则a在振动过程中(　　)‎ 图17‎ A．a、b板之间的电场强度不变 B．a、b板所带的电荷量不变 C．电路中始终有方向不变的电流 D．向右位移最大时，电容器的电容量最大 ‎11．有一些星级宾馆的洗手间装有自动干手机，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 题号 ‎1‎ ‎2‎ ‎3‎ ‎4‎ ‎5‎ ‎6‎ ‎7‎ ‎8‎ ‎9‎ ‎10‎ ‎11‎ 答案 ‎12.按图18所示连接好电路，合上S，发现小灯泡不亮，原因是____________________；用电吹风对热敏电阻吹一会儿，会发现小灯泡________，原因是________________________；把热敏电阻放入冷水中会发现__________．‎ 图18‎ 第六章　传感器 第1节　传感器及其工作原理 课前预习练 ‎1．非电学量　电学量　通断 ‎2．随着光照的增强，载流子增多，导电性能变好　光照强弱　电阻 ‎3．增大　减小　温度　化学稳定性好　大　灵敏度 ‎4．k　d　k ‎5．CD　[干簧管能感知磁场，是因为当两个舌簧所处位置的磁场方向相同时，就会吸引，所以是做开关来使用，当磁场靠近或远离的时候，就会实现闭合或断开．]‎ ‎6．B　[根据霍尔元件工作原理，载流子在洛伦兹力作用下漂移，形成霍尔电压，UH＝k，所以，它将磁感应强度这个磁学量转换成电压这个电学量，故B正确．]‎ 课堂探究练 ‎1．左　右 解析　光敏电阻受光照越强，电阻越小，所以将RG用不透光的黑纸包起来，电阻增大，指针左偏；若用手电筒的光照射RG，电阻减小，指针右偏．‎ ‎2．见解析 解析　当光被元件挡住时，光敏电阻的阻值R1增大，电路中电流减小，R2两端电压减小，信号处理系统得到低电压，每通过一个元件就获得一次低电压，计数一次．‎ 点评　当光照增强时，光敏电阻的阻值减小，光照减弱时，光敏电阻的阻值增大．即光照强弱的变化引起电路中电流和电压的一系列变化．‎ ‎3．C　[R2与灯L并联后与R1串联，与电源构成闭合电路，当温度降低时，热敏电阻R2的阻值增大，外电路电阻增大，电流表读数变小，R1两端电压减小，灯L两端电压增大，灯泡亮度变强，故C正确，其余各项均错．]‎ 点评　热敏电阻温度升高，电阻减小；温度降低，电阻增大．‎ ‎4．BD　[热敏电阻由半导体材料制成，电阻随温度升高而减小，且灵敏度高，金属热电阻随温度升高电阻增大，灵敏度不高，但测温范围大，化学性质稳定．故B、D正确．]‎ 点评　1.热敏电阻和金属热电阻的阻值随温度的变化方向是相反的．热敏电阻温度升高，电阻减小，金属热电阻温度升高，电阻增大．‎ ‎2．热敏电阻随温度变化明显．金属热电阻的化学稳定性好，测温范围大．‎ ‎5．下表面电势高　 解析　因为自由电荷为电子，故由左手定则可判定向上偏，则上表面聚集负电荷，下表面带多余等量的正电荷，故下表面电势高，设其稳定电压为U.当运动电荷所受电场力与洛伦兹力平衡时，有e＝evB，又因为导体中的电流I＝neSv＝nev·bd，故U＝.‎ 点评　当电流在导体中流动时，运动电荷在洛伦兹力作用下，分别向导体上、下表面聚集，在导体中形成电场，其中上表面带负电，电势低，随着正、负电荷不断向下、上表面积累，电场增强，当运动电荷(Q)所受电场力与洛伦兹力平衡时，即QE＝QvB时，电荷将不再向上或向下偏转，上、下表面间形成稳定电压．‎ ‎6．ABD　[根据公式UH＝k可以看出，当磁极靠近霍尔元件的工作面时，B增大，UH将变大，选项A正确；在地球两极附近，可以认为地磁场与水平面垂直，霍尔元件的工作面保持水平，故B正确．而在赤道上，地磁场与水平面平行．若霍尔元件的工作面保持水平，则无电压产生，C错误；改变磁感线与霍尔元件工作面的夹角，相当于改变了霍尔系数k，故UH将发生变化，故D正确．]‎ 点评　霍尔元件把磁感应强度这个磁学量转换为电压这个电学量，电压与磁感应强度的关系为UH＝k.‎ ‎7．ABC　[当光强度增大时，R3阻值减小，外电路电阻随R3的减小而减小，R1‎ 两端电压因干路电流增大而增大，同时内电压增大，故电路路端电压减小，而电压表的示数增大，A项正确，D项错误；由路端电压减小，而R1两端电压增大知，R2两端电压必减小，则R2中电流减小，故B项正确；结合干路电流增大知流过小灯泡的电流必增大，则小灯泡的功率增大，C项正确．]‎ ‎8．D　[当传感器R2所在处出现火情时，温度升高，电阻减小，电路的总电阻减小，总电流I增大，路端电压Uab＝E－Ir减小，I(r＋R1)增大，U并＝E－I(r＋R1)减小，通过R3的电流I3减小，通过R2的电流I2＝I－I3增大，D对．]‎ 方法总结　电路中涉及热敏电阻、光敏电阻或金属热电阻等元件时，熟记各种元件的特性，然后依据动态电路问题的分析思路，由部分到整体再到部分的顺序进行分析．‎ 课后巩固练 ‎1．AB ‎2．A　[光敏电阻的特性是光照强度变化时，电阻率发生明显变化，而长度、体积、横截面积等基本不变，故光敏电阻阻值大小会发生变化，A正确．]‎ ‎3．C　[金属热电阻的阻值随温度的升高而增大，但灵敏度较差．而热敏电阻(用半导体材料制成)灵敏度高，所以选C.]‎ ‎4．A　[R3是光敏电阻，当有光照射时电阻变小，R3两端电压降减小，故a点电势将升高，因其它阻值不变，所以a点电势将高于b点电势．]‎ ‎5．AB　[降温，则R2↑，I总↓，所以UR2＝E－(r＋R1)I总↑则UC＝UR2↑，Q＝CUC↑，A项正确．I总↓，则U外＝E－I总r↑，○V↑，B项正确．I总↓，P1＝IR1↓，D项错误．C板间E＝↑，故C项错误．]‎ ‎6．AC　[由题图可知，当光敏电阻阻值减小或热敏电阻阻值增大时，小灯泡L都会变暗，结合光敏电阻特性可知，A正确，B错误．若光敏电阻阻值减小的同时，热敏电阻的阻值增大，小灯泡L变暗，C正确．若热敏电阻减小，光敏电阻增大，则小灯泡变亮．D错误．]‎ ‎7．D　[多用电表与热敏电阻构成的回路中未接入电源，故不能用电流挡，A、B均错．当温度升高时多用电表指针偏转角度较大，说明热敏电阻的阻值变小了，应该换用倍率小的挡，C错误，D正确．]‎ ‎8．BD　[A选项若Q不变，由C＝知U变小，C变大，可知h变大，A错．B选项若Q不变，由C＝知U变大，C变小，可知θ变大，B对．C中若U不变，电流流向负极表示正在放电，Q减小，可知C减小，x变大，C错．D中若U不变，电流流向正极表示在充电，Q增加，可知C增大，d减小，F增大，D对．]‎ ‎9．A　[压力F作用时，极板间距d变小，由C＝，电容器电容C变大，又根据Q＝CU，极板带电荷量变大，所以电容器应充电，灵敏电流计中产生由正接线柱流入的电流，所以指针将右偏，极板保持固定后，充电结束，指针回到零刻度．]‎ ‎10．D　[a、b始终跟电源相连，电势差U不变，由于a、b间距离变化，由E＝知场强变化，A错误；由C＝知d变化时C变化，a向右位移最大时，电容最大，D正确；由Q＝CU知a、b所带电荷量变化，电路中电流方向改变，B、C错误．]‎ ‎11．D　[根据自动干手机工作的特征，手靠近干手机电热器工作，手撤离后电热器停止工作，人是一种导体，可以与其他导体构成电容器．手靠近时相当于连接一个电容器，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大小，故D正确；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温度、湿度的变化工作就成了室内烘干机．]‎ ‎12．温度低，热敏电阻阻值大，电磁铁磁性弱，触点断开　发光　温度升高，热敏电阻阻值变小，电磁铁磁性增强，触点接触　灯泡熄灭 ‎