物理选修31 传感器及其工作原理课后作业题

这是一份物理选修31 传感器及其工作原理课后作业题

1　传感器及其工作原理 (时间：60分钟) 知识点一　传感器的概念 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 解析　光敏和热敏电阻分别应用了半导体的不同特性制成，A正确．由于金属材料的电阻随温度而变化，可制成将温度信号转换为电信号的传感器，B正确．传感器可感知电阻、电压、电流等各种变化来传递信号，C错误． 答案　AB 2．电容式传感器是用来将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，从而引起电容的变化，如图6－1－17所示是四个电容式传感器的示意图，关于这四个传感器的作用，下列说法正确的是(　　)． 图6－1－17 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．丁图的传感器只能用来测量速度 答案　ABC 3．为解决楼道的照明，在楼道内安装一个传感器与电灯的控制电路相接．当楼道内有走动而发出声响时，电灯即与电源接通而发光，这种传感器为________传感器，它输入的是________信号，经传感器转换后，输出的是________信号． 答案　声控　声音　电 知识点二　光敏、热敏、金属热电阻的应用 4．如图6-1-18所示，将一光敏电阻接入多用电表两表笔上，将多用电表的选择开关置于欧姆挡，用光照射光敏电阻时，表针的偏角为θ；现用手掌挡住部分光线，表针的偏角为θ′，则可判断(　　)． 图6-1-18 A．θ′＝θ `B．θ′＜θ C．θ′＞θ D．不能确定 解析　光敏电阻的阻值随光照强度的增强而减小，用手掌挡住部分光线，阻值变大，指针自左向右偏转角度变小． 答案　B 5.在信息技术高速发展、电子计算机广泛应用的今天，担负着信息采集任务的传感器在自动控制、信息处理技术中发挥着越来越重要的作用，其中热电传感器是利用热敏电阻将热信号转换成电信号的元件．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6-1-19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6-1-19 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 解析　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表，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． 答案　D 6．街旁的路灯、江海里的航标都要求在夜晚亮、白天熄，利用半导体的电学特性制成了自动点亮、熄灭的装置，实现了自动控制，这是利用半导体的(　　)． A．压敏性 B．光敏性 C．热敏性 D．三种特性都利用 答案　B 知识点三　含传感器的电路分析与判断 7.如图6-1-20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6-1-20 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　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． 答案　A 8.如图6-1-21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6-1-21 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 解析　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． 答案　ABC 9.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6-1-22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6-1-22 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 解析　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＝eq \f(U,d)知场强变化，A错误；由C＝eq \f(εrS,4πkd)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． 答案　D 10．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 11．如图6－1－23所示为某一热敏电阻(电阻值随温度的改变而改变，且对温度很敏感)的I－U关系曲线图．(　　)． 图6－1－23 (1)为了通过测量得到如图所示I－U关系的完整曲线，在图6－1－24甲和乙两个电路中应选择的是图________；简要说明理由：________________.(电源电动势为9 V，内阻不计，滑动变阻器的阻值为0～100 Ω) 图6－1－24 (2)在如图6－1－25所示电路中，电源电压恒为9 V，电流表读数为70 mA，定值电阻R1＝250 Ω.由热敏电阻的I－U关系曲线可知，热敏电阻两端的电压为________V；电阻R2的阻值为________Ω. 图6－1－25 (3)举出一个应用热敏电阻的例子． 解析　(1)应选择图甲．因为图甲电路电压可从0 V调到所需电压，电压调节范围大． (2)由题图知R2与热敏电阻串联后与R1并联接在9 V电源上，总电流I＝70 mA，R1＝250 Ω.设通过热敏电阻的电流为I2，通过R1的电流为I1，则I＝I1＋I2，故I2＝I－I1＝eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(70－\f(9,250)×103))mA＝34 mA.由图象查得34 mA对应的电压为5.0 V，R2两端电压U2＝9 V－5.0 V＝4.0 V，所以R2＝eq \f(4.0 V,34×10－3 A)＝117.6 Ω. 答案　(1)甲　因为甲电路电压可从0 V调到所需电压，电压调节范围大 (2)5.0　117.6 (3)恒温箱、自动孵化器、热敏温度计等(任选一例) 12．一种半导体材料称为“霍尔材料”，用它制成的元件称为“霍尔元件”，这种材料有可定向移动的电荷，称为“载流子”，每个载流子的电荷量大小为1个元电荷量，即q＝1.6×10－19 C，霍尔元件在自动检测、控制领域得到广泛应用，如录像机中用来测量录像磁鼓的转速、电梯中用来检测电梯门是否关闭以及自动控制升降电动机的电源的通断等． 图6-1-26 在一次实验中，一块霍尔材料制成的薄片宽eq \x\to(ab)＝1.0×10－2m、长eq \x\to(bc)＝4.0×10－2 m、厚h＝1×10－3m，水平放置在竖直方向上的磁感应强度B＝1.5 T的匀强磁场中，bc方向通有I＝3.0 A的电流，如图6-1-26所示，沿宽度产生1.0×10－5 V的横向电压． (1)假定载流子是电子，a、b两端中哪端电势较高？ (2)薄板中形成电流I的载流子定向运动的速率多大？ 解析　(1)根据左手定则可确定a端电势高． (2)当导体内由于载流子有沿电流方向所在的直线定向运动时，受洛伦兹力作用而产生横向分运动，产生横向电场，横向电场的电场力与洛伦兹力平衡时，导体横向电压稳定．设载流子沿电流方向所在直线定向移动的速度为v，横向电压为Uab，横向电场强度为E，电场力为Fe＝e·E＝e·eq \f(Uab,a\x\to(b))，磁场力FB＝evB，平衡时eq \f(Uab,a\x\to(b))·e＝evB，得v＝eq \f(Uab,a\x\to(b)B)＝6.7×10－4 m/s. 答案　(1)a　(2)6.7×10－4 m/s