2020学年高中物理 6.1《传感器及其工作原理》

2020学年高中物理 6.1《传感器及其工作原理》

‎6.1《传感器及其工作原理》 ‎ 基础达标 ‎1．下列说法正确的是(　　)‎ A．传感器担负着信息采集的任务 B．干簧管是一种磁传感器 C．传感器不是电视遥控接收器的主要元件 D．传感器是力、温度、光、声、化学成分转换为电信号的主要工具 ‎【解析】　传感器是将力、温度、光、声、化学成分等非电学量转换为电学量的主要工具，在转换过程中，传感器担负着信息采集的任务，故A、D正确；干簧管是一种利用软磁性材料制成的磁传感器，故B正确；电视遥控接收器的主要元件是光电传感器，因此C错误．‎ ‎【答案】　ABD ‎2．有一电学元件，温度升高时电阻却大幅度减小，则这种元件可能是(　　)‎ A．金属导体 B．绝缘体 C．半导体 D．超导体 ‎【解析】　上述材料中只有半导体的电阻随温度升高而减少．故选C.‎ ‎【答案】　C ‎3．如图所示，截面为矩形的金属导体，放在磁场中，当导体中通有电流时，导体的上下表面 的电势有什么关系(　　)‎ A．UM＞UN B．UM＝UN C．UM＜UN D．无法判断 ‎【解析】　霍尔效应形成的原因是因为带电粒子在磁场中受到洛伦兹力作用，做定向移动形成的．根据左手定则，电子受到向下的洛伦兹力作用，向N板运动，则M板剩下正电荷，所以UM＞UN.‎ ‎【答案】　A ‎4.‎ 如图所示，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(　　)‎ 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．电路的路端电压降低 ‎【解析】　照射光照强度增大时，R3变小，R3、L与R2的并联电阻变小，因为I＝E/(r＋R1＋R并)，所以I变大，因此电压表示数变大，A正确；又U外＝E－Ir，I变大，所以路端电压降低，D正确；并联电路电压变小，流过R2的电流减小，B正确；总电流增大，所以流过L和R3的电流增大，小灯泡的功率增大，C正确．‎ ‎【答案】　ABCD ‎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 ‎【解析】‎ ‎　干簧管在电路中起到开关的作用，故C选项正确，A选项错误；干簧管是感知磁场信息的元件，故B、D选项错误．‎ ‎【答案】　C ‎6.‎ 如图所示是电容式话筒的示意图，它是利用电容制作的传感器，话筒的振动膜前面有薄薄的金属层，膜后距膜几十微米处有一金属板，振动膜上的金属层和这个金属板构成电容器的两极，在两极间加一电压U，人对着话筒说话时，振动膜前后振动，使电容发生变化，声音信号被话筒转换为电信号，其中导致电容变化的原因可能是电容器两板间的(　　)‎ A．距离变化 B．正对面积变化 C．介质变化 D．电压变化 ‎【解析】　C＝，在声音信号转换为电信号过程中介电常数εr没变，正对面积S未变．振动膜前后振动，使振动膜上的金属层与金属板间的距离发生变化，从而将声音信号转换为电信号，故A选项正确．‎ ‎【答案】　A ‎7．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 ‎【解析】　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．‎ ‎【答案】　D ‎8.‎ 如图所示是一火警报警器的一部分电路示意图，其中R2为用半导体热敏材料制成的传感器，电流表为值班室的显示器，a、b之间接报警器．当传感器R2所在处出现火情时，显示器的电流I2、报警器两端的电压U的变化情况是(　　)‎ A．I2变大，U变大 B．I2变小，U变小 C．I2变小，U变大 D．I2变大，U变小 ‎【解析】　抓住半导体热敏特性即电阻随温度升高而减小，再用电路动态变化的分析思路，按局部→整体→局部进行．当传感器R2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＝U＝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．‎ ‎【答案】　D ‎9．夜晚，楼梯上漆黑一片，但随着我们的脚步声响，楼梯灯亮了；我们登上一层楼，灯光照亮一层楼，而身后的灯则依次熄灭，这种楼梯灯好像能“听到”我们的到来，能“看见”我们的离去，之所以能如此，是因为电路中安装了光声控延时开关，探究这种开关有什么转换器件．‎ ‎【解析】　打开光声控开关，内部构造如图．‎ 光声控延时开关中安装有光敏感元件，用于感知外界光线的强弱．还安装有声敏感元件用于感知外界声响．当白天外界光线较强时，光声控制延时开关总处于断开状态，灯不亮；当夜晚光线较弱且有声响时光声控延时开关处于导通状态，灯亮，延时一段时间后，开关断开，灯熄灭．‎ ‎【答案】　见解析 能力提升 ‎1．如图所示，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(　　)‎ 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 ‎【解析】　光照射R3时，由光敏电阻特性，R3的电阻变小，所以UR3减小，a点电势升高，即a点电势高于B点电势，A正确．‎ ‎【答案】　A ‎2.‎ 电磁流量计广泛应用于测量可导电流体(如污水)在管中的流量(即单位时间内通过管内横截面积的流体的体积)．为了简化，假设流量计是如图所示的横截面为长方形的一段管道，其中空部分的长、宽、高分别为图中的a、b、c.流量计的两端与输送流体的管道相连(图中的虚线)．图中流量计的上下两面是金属材料，前后两面是绝缘材料．现于流量计所在处加磁感应强度为B 的匀强磁场，磁场方向垂直于前后两面．当导电流体稳定地流经流量计时，在管外将流量计上、下两表面分别与一串接了电阻R的电流表的两端连接，I表示测得的电流值．已知流体的电阻率为ρ，不计电流表的内阻，则可求得流量为(　　)‎ A. B. C. D. ‎【解析】　构成闭合回路后，电路中的总电阻为R总＝R＋ρ，当在上、下两面形成稳定的电势差时有qvB＝q，上、下两面之间的电势差为U＝I，所以流量为Q＝Sv＝bc＝，故选A.‎ ‎【答案】　A ‎3.‎ 如图所示是利用硫化镉制成的光敏电阻自动计数的示意图，其中A是发光仪器，B是光敏电阻，R是普通定值电阻，下列说法中正确的是(　　)‎ A．当传送带上没有物品挡住由A射向B的光信号时，光敏电阻的阻值变小，电压表读数变小 B．当传送带上没有物品挡住由A射向B的光信号时，光敏电阻的阻值变大，电压表读数变大 C．当传送带上有物品挡住由A射向B的光信号时，光敏电阻的阻值变小，电压表读数变小 D．当传送带上有物品挡住由A射向B的光信号时，光敏电阻的阻值变大，电压表读数变大 ‎【解析】‎ ‎　B是光敏电阻，其阻值随光照强度的增强而减小．当没有物品挡住光时，光射向B，B的阻值减小，其电流变大，由U＝E－Ir知电压表读数变小，A正确，B错误．有物品时，光被挡住，B的阻值增大，电流减小，电压表读数变大，C错误，D正确．‎ ‎【答案】　AD ‎4.‎ 在输液时，药液有时会从针口流出体外，为了及时发现，设计了一种报警装置，电路如图所示．M是贴在针口处的传感器，接触到药液时其电阻RM发生变化，导致S两端电压U增大，装置发出警报，此时(　　)‎ A．RM变大，且R越大，U增大越明显 B．RM变大，且R越小，U增大越明显 C．RM变小，且R越大，U增大越明显 D．RM变小，且R越小，U增大越明显 ‎【解析】　电阻RM变化时S两端电压U增大，说明其电阻RM变小．同时，传感器M对全电路的控制是通过电阻RM的变化来实现的．运用极值法：若R趋近于无限大，电阻RM与R的并联电阻的变化就等于RM的变化；若R为有限值，则RM与R的并联电阻的变化就会小一些．所以，R越大，电阻RM阻值减小同样的数值时，U增大的数值越大，即越明显，C正确．‎ ‎【答案】　C ‎5．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的匀强磁场中，当电流通过导体时，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，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静电力．当静电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是由电子的定向流动形成的，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________下侧面A′的电势(填“高于”“低于”或“等于”)．‎ ‎(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，电子所受静电力的大小为________．‎ ‎(4)由静电力和洛伦兹力平衡的条件，证明霍尔系数k＝，其中n代表单位体积中电子的个数．‎ ‎【解析】　(1)电子向左移动，由左手定则知，电子受洛伦兹力向上，故上侧面A聚积负电荷，下侧面A′聚积正电荷，故上侧面电势低于下侧面；‎ ‎(2)洛伦兹力F＝evB；‎ ‎(3)电子受静电力eE＝e；‎ ‎(4)电子受纵向静电力和洛伦兹力的作用，两力平衡，‎ 有eE＝e＝evB.得U＝hvB.‎ 通过导体的电流I＝nev·d·h.‎ 由U＝k，有hvB＝，‎ 得k＝.‎ ‎【答案】　(1)低于　(2)evB　(3)e　(4)见解析 ‎6．如图甲所示为半导体材料做成的热敏电阻的阻值随温度变化的曲线，图乙为用此热敏电阻R和继电器设计的温控电路，设继电器的线圈电阻为Rx＝50 Ω，当继电器线圈中的电流Ic大于或等于20 mA时，继电器的衔铁被吸合．左侧电源电动势为6 V，内阻可不计，温度满足什么条件时，电路右侧的小灯泡会发光？‎ ‎【解析】　热敏电阻与继电器串联，若使电流不小于Ic＝20 mA，则总电阻不大于R总＝＝300 Ω.‎ 由于R总＝RT＋Rx，则RT不大于250 Ω.‎ 由甲图可看出，当RT＝250 Ω时，温度t＝‎50 ℃‎，即温度不小于‎50 ℃‎.‎ ‎【答案】　温度不小于‎50 ℃‎时，电路右侧的小灯泡会发光