人教版 (2019)选择性必修 第二册2 常见传感器的工作原理及应用课后作业题

5.2常见的传感器的工作原理及应用人教版（    2019）高中物理选择性必修二同步练习

学校:___________姓名：___________班级：___________考号：___________

第I卷（选择题）

一、单选题（本大题共7小题，共28.0分）

1. 常见的传感器可以把非电学量如速度、温度、压力等的变化转换成电学量的变化，在自动控制中有着相当广泛的应用。如图所示是一种测量液面高度的电容式传感器的示意图，金属芯线与导电液体构成一个电容器，由电容大小的变化就可知液面的升降情况。当测得电容值减小，可以确定 (    )

A. 增大 B. 减小 C. 不变 D. 无法判断

2. 物理学家霍尔于年在实验中发现，当电流垂直于磁场通过导体或半导体材料左右两个端面时，在材料的上下两个端面之间会产生电势差，这一现象被称为霍尔效应，产生这种效应的元件叫霍尔元件，在现代技术中被广泛应用．如图为霍尔元件的原理示意图，其霍尔电压与电流和磁感应强度的关系可用公式表示，其中叫该元件的霍尔系数．根据你所学过的物理知识，判断下列说法正确的是 (    )

A. 霍尔元件上表面电势一定高于下表面电势
B. 公式中的指元件上下表面间的距离
C. 霍尔系数是一个没有单位的常数
D. 霍尔系数的单位是

3. 如图甲所示为一种电容式位移传感器的原理图，当被测物体在水平方向左右移动时，电介质板随之在电容器两极板之间移动。已知电容器的电容与电介质板进入电容器的长度之间的关系如图乙所示，其中为电介质没有插入电容器时的电容。为判断被测物体是否发生微小移动，将该电容式位移传感器与电源、电流表、开关组成串联回路图中未画出。被测物体的初始位置如图甲所示。电路闭合一段时间后，下列说法正确的是  (    )

A. 若电源为直流电源且直流电流表示数不为零，说明物体一定在发生移动
B. 若电源为直流电源且直流电流表示数变大，说明物体一定在向右移动
C. 若电源为交流电源且交流电流表示数不为零，说明物体一定在发生移动
D. 若电源为交流电源且交流电流表示数变大，说明物体一定在向右移动

4. 某兴趣小组利用压敏电阻压敏电阻的阻值随所受压力的增大而减小设计了判断电梯运动状态的装置，示意图如图甲所示将压敏电阻平放在电梯内，受压面朝上，在上面放一物体，电梯静止时电压表示数为，电梯在某次运动过程中，电压表的示数变化情况如图乙所示，下列判断中正确的是(    )

A. 内电梯可能匀加速上升 B. 内电梯可能匀速上升
C. 内电梯可能在减速上升 D. 内电梯可能匀减速下降

5. 如图所示，为金属热敏电阻阻值随温度升高而增大，为光敏电阻，和均为定值电阻，电源电动势为，内阻为，为理想电压表，现发现电压表示数增大，可能的原因是(    )

A. 金属热敏电阻温度升高，其他条件不变
B. 金属热敏电阻温度降低，光照强度减弱，其他条件不变
C. 光照强度增强，其他条件不变
D. 光照强度增强，金属热电阻温度升高，其他条件不变
 

6. 如图是某温度检测和光电控制加热装置的原理图，为热敏电阻温度升高，阻值减小，用来探测加热电阻丝的温度；为光敏电阻光照强度增大，阻值减小，接收小灯泡的光照。其他电阻均为定值电阻。当处温度升高后，下列说法正确的是(    )

A. 灯泡将变暗
B. 的电压将增大
C. 的功率将增大
D. 的电压变化量与的电流变化量的比值不变

7. 如图所示，为金属热电阻，为光敏电阻，和均为定值电阻，电源电动势为，内阻为，为理想电压表，现发现电压表示数增大，可能的原因是(    )

A. 金属热电阻温度升高，其他条件不变
B. 金属热电阻温度降低，光照强度减弱，其他条件不变
C. 光照强度增强，其他条件不变
D. 光照强度增强，金属热电阻温度升高，其他条件不变
 

二、多选题（本大题共4小题，共16.0分）

8. 如图所示，导电物质为电子的霍尔元件位于两串联线圈之间，线圈中电流为，线圈间产生匀强磁场，磁感应强度大小与成正比，方向垂直于霍尔元件的两侧面，此时通过霍尔元件的电流为，与其前后表面相连的电压表测出的霍尔电压满足，式中为霍尔系数，为霍尔元件两侧面间的距离，电阻远大于，霍尔元件的电阻可以忽略，则下列说法错误的是 (    )

A. 霍尔元件前表面的电势低于后表面的电势
B. 若电源的正负极对调，电压表将反偏
C. 与成正比
D. 电压表的示数与消耗的电功率成正比

9. 如图所示是霍尔元件的工作原理示意图，如果用表示薄片的厚度，为霍尔系数，对于一个霍尔元件，、为定值，如果保持电流恒定，则可以验证随磁感应强度的变化情况。以下说法中正确的是  (    )

A. 将永磁体的一个磁极逐渐靠近霍尔元件的工作面时，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. 改变磁感应强度方向与霍尔元件工作面间的夹角，将发生变化

10. 在家用电热灭蚊器中，电热部分主要元件是元件，元件是由钛酸钡等半导体材料制成的电阻器，其电阻率随温度的变化关系如图所示，由于这种特性，使元件具有发热、保温双重功能。以下判断正确的是 (    )

A. 通电后，其电功率先增大，后减小
B. 通电后，其电功率先减小，后增大
C. 当其产生的热量与散发的热量相等时，温度保持在不变
D. 当其产生的热量与散发的热量相等时，温度保持在和之间的某一值不变

11. 多选如图所示，为负系数热敏电阻温度升高，电阻减小，为光敏电阻光照减弱，电阻增大，和均为定值电阻，电源电动势为，内阻为，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. 光照减弱，其他条件不变 D. 光照增强，其他条件不变

第II卷（非选择题）

三、实验题（本大题共2小题，共18.0分）

12. 传感器担负着信息的采集任务，在自动控制中发挥着重要作用，传感器能够将感受到的物理量如温度、光、声等转换成便于测量的量通常是电学量例如热敏传感器，主要是应用了半导体材料制成的热敏电阻将热学量转换为电学量，热敏电阻随温度变化的图象如图甲所示，图乙是由热敏电阻作为传感器制作的简单自动报警器线路图，问：
     

为了使温度过高时报警器铃响， 应接在___________ 填“”或“”；

若使启动报警的温度降低些，应将滑动变阻器滑片点向________移动填“左”或“右”；

直流电源电动势为 内阻不计 ，热敏电阻达到电阻大小为流过热敏电阻的电流超过时就会报警，为，则滑动变阻器应选择___________；

A.                        

若要将此系统改为光敏电阻控制的报警系统，要求当光敏电阻的光照达到或超过某一特定值时，系统报警。将滑动变阻器滑置于正中间位置，然后重复上述操作，报警器刚好报警，光敏电阻特定值为_____。

13. 传感器担负着信息的采集任务，在自动控制中发挥着重要作用，传感器能够将感受到的物理量如温度、光、声等转换成便于测量的量通常是电学量例如热敏传感器，主要是应用了半导体材料制成的热敏电阻将热学量转换为电学量，热敏电阻随温度变化的图象如图甲所示，图乙是由热敏电阻作为传感器制作的简单自动报警器线路图，问：
     

为了使温度过高时报警器铃响， 应接在___________ 填“”或“”；

若使启动报警的温度降低些，应将滑动变阻器滑片点向________移动填“左”或“右”；

直流电源电动势为 内阻不计 ，热敏电阻达到电阻大小为流过热敏电阻的电流超过时就会报警，为，则滑动变阻器应选择___________；

A.                        

若要将此系统改为光敏电阻控制的报警系统，要求当光敏电阻的光照达到或超过某一特定值时，系统报警。将滑动变阻器滑置于正中间位置，然后重复上述操作，报警器刚好报警，光敏电阻特定值为_____。

四、计算题（本大题共3小题，共30.0分）

14. 利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，该装置是在箱子的前、后壁上各安装一个压力传感器，用两根相同的轻弹簧夹着一个质量为的滑块，滑块可无摩擦滑动，两弹簧的另一端分别压在传感器、上，其压力大小可直接从传感器的显示屏上读出。现将该装置沿运动方向固定在汽车上，传感器在前，传感器在后，汽车静止时，传感器、的示数均为。取

若传感器的示数为，的示数为，求此时汽车的加速度大小和方向。

求当汽车以怎样的加速度运动时，传感器的示数恰为零。

15. 如图所示，将金属块用压缩轻弹簧卡在一个矩形箱中，在箱的上顶板和下底板上安有压力传感器，箱可以沿竖直轨道运动，当箱以的加速度做竖直向上的匀减速直线运动时，上顶板的传感器显示的压力为，下底板的传感器显示的压力为取
    
    若上顶板传感器示数是下底板传感器示数的一半，试判断箱的运动情况．
    要使上顶板传感器的示数为零，箱沿竖直方向的运动可能是怎样的？
16. 热敏电阻的阻值会随温度的变化而发生明显的改变，可以用来监控周围温度的变化。如图甲所示是某金属热敏电阻的阻值随温度变化的图象。将热敏电阻接入如图乙所示电路，用于监控一线圈电阻的小型电动机的温度，定值电阻，电源电动势，内阻不计。当断开，稳定后理想电流表的示数；当闭合，稳定后理想电流表的示数，电动机输出的机械功率为，求：

当断开，热敏电阻的温度；

当闭合，热敏电阻的温度。

答案和解析

1.【答案】 

【解析】液面高度改变时，只改变了金属芯线与导电液体的正对面积，若电容减小，根据电容的决定式可知，正对面积减小，说明液面高度减小，选项B正确，、、D错误。
 

2.【答案】 

【解析】因载流子的电性不确定，故无法比较上下表面的电势高低，故A错误；，公式中的指元件前后侧面间的距离，故B错误；依据公式，并结合、、、的单位，可得霍尔系数的单位是，故C错误，D正确．
 

3.【答案】 

【解析】若电源为直流电源，被测物体不动，则直流电流表示数必定为零，直流电流表示数不为零，说明物体一定在发生移动，选项A正确；
被测物体左、右移动分别对应电容器充电、放电，不管物体向左、右哪个方向移动，直流电流表的示数都将变大，选项B错误；
电容器有通交流、隔直流的特性，因此若电源为交流电源，被测物体不移动时，交流电流表示数也不为零，选项C错误；
若电源为交流电源且交流电流表示数变大，说明电容器容抗变小，即电容变大，说明物体一定在向左移动，选项D错误。
 

4.【答案】 

【解析】

【分析】
本题考查传感器的应用，能根据图像得出有用的信息是解题的关键。
根据图乙分析电压的变化结合题设得出压敏电阻对物体的支持力的变化情况，由此分析出电梯的运动情况即可判断。
【解答】
、∽内，电压表示数逐渐增大，说明压敏电阻逐渐增大，说明压敏电阻对物体的支持力逐渐减小，且小于重力，则的合外力逐渐增大，且向下，电梯可能变加速下降，或变减速上升，同理可知，∽内电梯可能变减速下降，或变加速上升，故AD错误；
、∽内，电压表的示数比电梯静止时电压表示数大，且稳定，根据串联电路中电压与电阻成正比知，此时压敏电阻阻值比电梯静止时的大，且稳定，说明压敏电阻对物体的支持力恒定且小于的重力，的合外力恒定且向下，则加速度恒定且向下，电梯可能在减速上升，或加速下降，不可能匀速上升，故 B错误，C正确。
故选C。  

5.【答案】 

【解析】

【分析】
本题考查了光敏电阻和热敏电阻的特性与闭合电路的欧姆定律的应用。
金属热敏电阻的阻值随温度升高而增大，光敏电阻的阻值随温度的升高而减小，由闭合电路欧姆定律分析电路中电阻的变化，分析电压表示数的变化，选择符合题意的选项。
【解答】
由电路图可知，和串联后与并联，再与串联；
A.若金属热敏电阻温度升高，增大，并联部分的总电阻增大，总电阻增大，则总电流减小，内电压与电阻两端电压减小，则并联电路分担的电压增大，通过的电流增大，所以通过的电流减小，的电压减小，所以电压表示数减小，与题不符，故A错误；
B.当金属热敏电阻温度降低时，减小，光照减弱时，增大，并联部分的电阻可能增大，分担的电压增大，而分担的电压减小，则电压表示数增大，故B正确；
C.光照增强时，减小，并联部分的总电阻减小，分担的电压减小，电压表示数减小，故C错误；
D.光照增强时，减小，金属热敏电阻温度升高时，增大；并联部分的电阻可能增大，分担的电压增大，通过的电流增大；总电阻增大，总电流减小，则通过的电流减小，的电压减小，所以电压表示数减小，并联部分的电阻也可能减小，分担的电压减小，通过的电流减小，的电压减小，所以电压表示数减小，与题不符，故D错误。
故选B 。  

6.【答案】 

【解析】

【分析】
本题考查电路的动态分析。处温度升高时，热敏电阻的阻值减小，电流变大，小灯泡亮度变大，光敏电阻的阻值减小，右边的电路的电流变大，从而分析电压和功率的变化。根据欧姆定律分析的电压变化量与的电流变化量的比值如何变化。
解题的关键是知道光敏电阻和热敏电阻随温度和光照改变电阻的变化，灵活应用闭合电路的欧姆定律和各支路的电压和电流的变化关系。
【解答】
A.当处温度升高时，阻值变小，左边回路中电流增大，小灯泡的功率增大，灯泡将变亮，故A错误；
的光照强度增大，则阻值变小，右侧电路的总电阻变小，总电流变大，的内电压增大，则其路端电压变小，总电流增大，则两端电压增大，所以右侧电路并联部分电压减小，的电压减小，则的功率将减小。的电流减小，而总电流增大，则通过的电流增大，的电压将增大，所以的电压将减小，故BC错误；
D.的电压变化量与的电流变化量， 比值为：，保持不变，故D正确。
故选D。  

7.【答案】 

【解析】

【分析】
金属热电阻的阻值随温度升高而增大，光敏电阻的阻值随温度的升高而减小，由闭合电路欧姆定律分析电路中电阻的变化，分析电压表示数的变化，选择符合题意的选项．
该题考查光敏电阻和热敏电阻的特性与闭合电路的欧姆定律的应用，关键是光敏电阻的特性是当光敏电阻上的光照强度增大，热敏电阻的特性是随着温度的升高阻值增大，再由欧姆定律进行动态分析．
【解答】
由电路图可知，和串联后与并联，再与串联；
A、若金属热电阻温度升高，增大，并联部分的总电阻增大，分担的电压增大，通过的电流增大．总电阻增大，则总电流减小，所以通过的电流减小，的电压减小，所以电压表示数减小，故A错误．
B、当金属热电阻温度降低时，减小，光照减弱时，增大，并联部分的电阻可能增大，分担的电压增大，而分担的电压减小，则电压表示数增大，故B正确．
C、光照增强时，减小，并联部分的总电阻减小，分担的电压减小，电压表示数减小，故C错误．
D、光照增强时，减小，金属热电阻温度升高时，增大．并联部分的电阻可能增大，分担的电压增大，通过的电流增大．总电阻增大，总电流减小，则通过的电流减小，的电压减小，所以电压表示数减小．并联部分的电阻也可能减小，分担的电压减小，通过的电流减小，的电压减小，所以电压表示数减小，故D错误．
故选：。  

8.【答案】 

【解析】由左手定则可判断霍尔元件中电子受的洛伦兹力方向向里，电子向元件的后表面聚集，故霍尔元件前表面的电势高于后表面的电势，选项A说法错误；电源的正、负极对调时，线圈中及霍尔元件中电流方向均反向，电子的受力方向不变，仍是前表面电势高于后表面的电势，故电压表不会反偏，选项B说法错误；由并联电路的电流分配特点可知，，有，，选项C说法正确；因，，所以，又消耗的电功率，故，所以，选项D说法正确。
 

9.【答案】 

【解析】永磁体的一个磁极靠近霍尔元件的工作面时，磁感应强度增大，则将变大，选项A正确；
地球两极处地磁场的方向可看作与地面垂直，所以霍尔元件工作面应保持水平，选项B正确；
赤道处地磁场的方向可看作与地面平行，所以霍尔元件的工作面应保持竖直，选项C错误；
若磁感应强度方向与霍尔元件工作面间的夹角为，则应有，可见变化时，将变化，选项D正确。
 

10.【答案】 

【解析】由图象可知，在这区间里电阻随温度升高而减小；在这区间里电阻随温度的升高而增大；在区间里电阻随温度的升高而减小。即温度超过时，功率随温度增加而增大，又因为该器件有“发热、保温双重功能”，可知设计的正常工作温度应当小于。温度升到前，电阻随温度的升高而减小，功率增大，温度升高更快；温度一旦超过，电阻随温度的升高而增大，功率减小，放出热量减小，温度升高变慢，当其产生的热量与散发的热量相等时，温度保持在至间的某一值不变，保持稳定，故C错误，D正确。
由上述分析，半导体通电后工作温度小于，即其电阻率先变小后变大，电阻先变小后变大，又电源电压不变，由可知，半导体材料的电功率先变大，后变小，故A正确，B错误；
故选AD。
 

11.【答案】 

【解析】

【分析】
首先读懂电路图，知道电压表的示数为两端的电压，据此判断分析；也可逐项分析，看那个选项引起电压表示数增大。
本题的关键是知道光敏电阻和热敏电阻随温度和光照改变电阻的变化，灵活应用闭合电路的欧姆定律和各支路的电压和电流的变化关系。
【解答】
当热敏电阻温度升高，电路的总电阻减小，干路电流增大，内电压增大，路端电压减小，所以光敏电阻两端的端电压减小，即通过的电流减小，而总电流增大，所以通过电阻的电流增大，即电压表的示数增大；同理分析当热敏电阻降低，电压表的示数减小，故A正确，B错误；
当光照减弱时，光敏电阻增大，电路的总电阻增大，干路电流减小，内电压减小，路端电压增大，电阻两端的电压减小，则电阻电压增大，即电压表的示数增大；同理分析当光照增强，电压表的示数减小，故C正确，D错误。
故选AC。  

12.【答案】；右；  ；   ； 

【解析】分析：
当温度过高时报警铃响，此时报警铃所在电路为通路，分析图示图象与图示电路图确定应接在什么位置。
若使启动报警的温度提高些，即当温度较高时报警电路才接通，分析图示电路图判断滑片的移动方法。
根据题意应用欧姆定律求出报警铃响时电路电流，然后应用串联电路特点求出此时滑动变阻器的阻值，然后选择滑动变阻器。
根据题意应用串联电路特点求出光敏电阻阻值。
本题考查学生对生活中半导体具体实例的了解情况。此外本题通过影响电阻的因素的实验，考查学生识图能力以及分析问题和解决问题的能力；分析清楚图示图象与图示电路图是解题的前提与关键。

解答：
由图甲所示图象可知，随温度升高热敏电阻阻值减小，为了使温度过高时发送报警信；由图乙所示电路图可知，当热敏电阻阻值减小时，控制电路电流增大，线圈产生磁场变强，与弹簧相连的导线被吸到处，此时报警铃响，报警电路是通路，因此应接在处。
由图甲所示图象可知，温度升高热敏电阻阻值变小，要使启动报警器的温度降低，则热敏电阻阻值大时就启动报警电路，此时滑动变阻器接入电路的阻值变小，由图乙所示电路可知，滑动变阻应将点向右移动。
开始报警时控制电路总电阻为：，此时滑动变阻器接入电路的阻值为：，滑动变阻器应选择；
由可知，开始报警时控制电路总电阻：，滑动变阻器选择，滑片在中央，则滑动变阻器接入电路的阻值为：，光敏电阻阻值为：；

故答案为：；右；；。
 

13.【答案】；右；  ；   ； 

【解析】分析：
当温度过高时报警铃响，此时报警铃所在电路为通路，分析图示图象与图示电路图确定应接在什么位置。
若使启动报警的温度提高些，即当温度较高时报警电路才接通，分析图示电路图判断滑片的移动方法。
根据题意应用欧姆定律求出报警铃响时电路电流，然后应用串联电路特点求出此时滑动变阻器的阻值，然后选择滑动变阻器。
根据题意应用串联电路特点求出光敏电阻阻值。
本题考查学生对生活中半导体具体实例的了解情况。此外本题通过影响电阻的因素的实验，考查学生识图能力以及分析问题和解决问题的能力；分析清楚图示图象与图示电路图是解题的前提与关键。

解答：
由图甲所示图象可知，随温度升高热敏电阻阻值减小，为了使温度过高时发送报警信；由图乙所示电路图可知，当热敏电阻阻值减小时，控制电路电流增大，线圈产生磁场变强，与弹簧相连的导线被吸到处，此时报警铃响，报警电路是通路，因此应接在处。
由图甲所示图象可知，温度升高热敏电阻阻值变小，要使启动报警器的温度降低，则热敏电阻阻值大时就启动报警电路，此时滑动变阻器接入电路的阻值变小，由图乙所示电路可知，滑动变阻应将点向右移动。
开始报警时控制电路总电阻为：，此时滑动变阻器接入电路的阻值为：，滑动变阻器应选择；
由可知，开始报警时控制电路总电阻：，滑动变阻器选择，滑片在中央，则滑动变阻器接入电路的阻值为：，光敏电阻阻值为：；

故答案为：；右；；。
 

14.【答案】解：以滑块为研究对象，其在水平方向上的受力如图所示：

根据牛顿第二定律得，
则，方向向前。

根据题意，当左侧弹簧弹力时，右侧弹簧的弹力大小，
根据牛顿第二定律得，
解得，方向向后。

【解析】见答案。
 

15.【答案】解：当，方向竖直向下时，由牛顿第二定律有：
代入数据解得： 
当上顶板压力传感器的示数是下底板压力传感器示数的一半时，
由牛顿第二定律有：，得
所以箱子应做匀速直线运动或静止；
若，则 ，设箱子的加速度为，则：
故箱子做向上的匀加速或向下的匀减速运动，加速度 。 

【解析】见答案
 

16.【答案】解：当  断开，和组成串联电路，回路电流，
代入数据得，根据图甲可读出此时热敏电阻温度为；
当 闭合，电动机两端的电压：，
电动机输出的机械功率，
通过金属热敏电阻的电流：，
金属热敏的电阻：，联立以上各式得，，
由图对应热敏电阻的温度。
答：当断开，热敏电阻的温度为；
当闭合，热敏电阻的温度为。 

【解析】断开，电阻和热敏电阻是串联的，根据欧姆定律，由电源电压和电流算出总电阻，再由总电阻减去算出的阻值，再由图象找到热敏电阻值对应的温度即可；
闭合，电动机和热敏电阻并联后与串联，由电动机输出的机械功率求出流过电动机的电流，进而求出通过金属热敏电阻的电流及热敏电阻值，再由图象找到热敏电阻值对应的温度即可。
本题主要考查学生根据读图能力、电路分析能力。注意电动机这个非纯电阻用电器的处理方法。该题有一定的创新性，是一道好题。