2023新教材高中物理第五章传感器2常见传感器的工作原理及应用作业新人教版选择性必修第二册

2.常见传感器的工作原理及应用1.光敏电阻(1)光敏电阻是eq\o(□,\s\up2(01))光电传感器中常见的光敏元件。(2)特性光敏电阻能够把eq\o(□,\s\up2(02))光照强弱这个光学量转换为eq\o(□,\s\up2(03))电阻这个电学量，光敏电阻的阻值随光照的增强而eq\o(□,\s\up2(04))减小。(3)原理构成光敏电阻的物质(硫化镉)是一种半导体材料，无光照时，载流子极少，导电性能差；随着光照的增强，载流子增多，导电性变好。(4)应用——光电计数如图，A是发光仪器，B是接收光信号的仪器，B中的主要元件是由eq\o(□,\s\up2(05))光敏电阻组成的光电传感器。当传送带上没有物品挡住由A射向B的光信号时，光敏电阻的阻值较eq\o(□,\s\up2(06))小，供给信号处理系统的电压变eq\o(□,\s\up2(07))低；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eq\o(□,\s\up2(08))大，供给信号处理系统的电压变eq\o(□,\s\up2(09))高。这种高低交替变化的信号经过处理，就会转化为相应的数字，实现自动计数的功能。2．金属热电阻和热敏电阻(1)金属热电阻：金属的电阻率随温度的升高而eq\o(□,\s\up2(01))增大(图中的图线1)。用金属丝可以制作温度传感器，称为热电阻。常用的一种热电阻是用铂制作的，可用来做eq\o(□,\s\up2(02))电阻温度计。(2)热敏电阻：有些半导体在温度上升时导电能力eq\o(□,\s\up2(03))增强(图中的图线2)，因此可以用半导体材料制作热敏电阻。有一种热敏电阻是用氧化锰等金属氧化物烧结而成的，它的电阻随温度的变化非常eq\o(□,\s\up2(04))明显。(3)金属热电阻与热敏电阻的比较①与热敏电阻相比，金属热电阻的化学稳定性eq\o(□,\s\up2(05))好，测温范围eq\o(□,\s\up2(06))大，但灵敏度较eq\o(□,\s\up2(07))差。②金属热电阻和热敏电阻都能够把eq\o(□,\s\up2(08))温度这个热学量转换为eq\o(□,\s\up2(09))电阻这个电学量。(4)应用——液位报警当液面高于热敏电阻的高度时，热敏电阻发出的热量会被液体带走，温度基本不变，阻值较eq\o(□,\s\up2(10))大，指示灯eq\o(□,\s\up2(11))不亮(图甲)。当液体减少、热敏电阻露出液面时，发热导致它的温度上升、阻值较eq\o(□,\s\up2(12))小，指示灯eq\o(□,\s\up2(13))亮(图乙)。通过判断热敏电阻的阻值变化，就可以知道液面是否低于设定值。3．电阻应变片(1)电阻应变片是一种使用非常广泛的eq\o(□,\s\up2(01))力敏元件。(2)金属电阻应变片的工作原理是金属的eq\o(□,\s\up2(02))电阻应变效应，即金属导体在外力作用下发生机械形变(伸长或缩短)时，其eq\o(□,\s\up2(03))电阻随着它所受机械形变的变化而发生变化的现象。(3)半导体电阻应变片的工作原理是基于半导体材料的eq\o(□,\s\up2(04))压阻效应。(4)电阻应变片能够把eq\o(□,\s\up2(05))物体形变这个力学量转换为eq\o(□,\s\up2(06))电阻这个电学量。(5)应用——应变式力传感器如图，在梁的自由端施力F，则梁发生弯曲，上表面拉伸，下表面压缩，上表面应变片的电阻变eq\o(□,\s\up2(07))大，下表面应变片的电阻变eq\o(□,\s\up2(08))小。力F越大，弯曲形变越大，应变片的电阻变化就越eq\o(□,\s\up2(09))大。如果让应变片中通过的电流保持恒定，那么上表面应变片两端的电压变eq\o(□,\s\up2(10))大，下表面应变片两端的电压变eq\o(□,\s\up2(11))小。传感器把这两个电压的eq\o(□,\s\up2(12))差值输出。力F越大，输出的电压差值也就越eq\o(□,\s\up2(13))大。4．其他传感器(1)电容式传感器：电容器的电容C决定于eq\o(□,\s\up2(01))极板的正对面积S、eq\o(□,\s\up2(02))极板间的距离d以及eq\o(□,\s\up2(03))极板间的电介质这三个因素。如果某个物理量的变化能引起上述某个因素的变化，从而引起电容的变化，那么，通过测定电容器的电容就可以确定这个物理量的变化，由此可以制成电容式传感器。(2)霍尔元件：在一个很小的矩形半导体(如砷化铟)薄片上制作四个电极E、F、M、N，它就成了一个霍尔元件(如图)。在E、F间通入恒定的电流I，同时外加与薄片eq\o(□,\s\up2(04))垂直的磁感应强度为B的磁场，则在M、N间可出现霍尔电压UH。通过分析可知，霍尔电压UH与磁感应强度B有线性关系，因此利用霍尔元件可以测量磁感应强度的大小和方向。霍尔元件能够把eq\o(□,\s\up2(05))磁感应强度这个磁学量转换为eq\o(□,\s\up2(06))电压这个电学量。典型考点一光敏电阻及其应用1．如图所示，把一光敏电阻接在多用电表两表笔之间，将多用电表的选择开关置于欧姆挡，用光照射光敏电阻时，指针的偏角为θ；现用手掌挡住部分光线，表针的偏角为θ′，则可判断()A．θ′＝θB．θ′<θC．θ′>θD．不能确定θ′、θ的大小关系答案B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，指针的偏转角度变小，故θ′<θ，B正确，A、C、D错误。2．如图甲是某生产流水线上的产品输送及计数装置示意图。其中S为激光源，R1为光敏电阻(有光照射时，阻值较小；无光照射时，阻值较大)，R2为定值保护电阻，a、b间接“示波器”(示波器的接入对电路无影响)。水平传送带匀速前进，每当传送带上的产品通过S与R1之间时，射向光敏电阻的光线会被产品挡住。若传送带上的产品为均匀正方体，示波器显示的电压随时间变化的关系如图乙所示。已知电路中电源两极间的电压恒为6V，保护电阻R2的阻值为400Ω，则()A．有光照射时光敏电阻R1的阻值为800ΩB．有光照射和无光照射时保护电阻R2两端的电压之比为1∶2C．有光照射和无光照射时光敏电阻的阻值之比为1∶2D．每1h通过S与R1之间的产品个数为6000答案D解析当有光照射时，R1的阻值变小，电路的总电阻变小，电流变大，R2两端的电压变大，R1两端的电压变小，即R1两端的电压较低，由题图乙知此时R1两端的电压U1＝2V，则R2两端的电压U2＝U－U1＝6V－2V＝4V，电路中的电流I＝eq\f(U2,R2)＝eq\f(4V,400Ω)＝0.01A，光敏电阻的阻值R1＝eq\f(U1,I)＝eq\f(2V,0.01A)＝200Ω，故A错误；当无光照射时，R1的阻值变大，其两端电压较高，由题图乙知此时R1两端的电压U1′＝4V，R2两端的电压U2′＝U－U1′＝6V－4V＝2V，所以，有光照射和无光照射时保护电阻R2两端的电压之比U2∶U2′＝4V∶2V＝2∶1，故B错误；无光照射时电路中的电流I′＝eq\f(U2′,R2)＝eq\f(2V,400Ω)＝0.005A，此时光敏电阻R1的阻值为R1′＝eq\f(U1′,I′)＝eq\f(4V,0.005A)＝800Ω，所以，有光照射和无光照射时光敏电阻的阻值之比R1∶R1′＝200Ω∶800Ω＝1∶4，故C错误；由题图乙可知，每经过0.6s，就有一个产品通过计数装置，则每1h通过S与R1之间的产品个数n＝eq\f(3600s,0.6s)＝6000，故D正确。典型考点二金属热电阻与热敏电阻及其应用3．如图所示为热敏电阻和金属热电阻的电阻值随温度变化的图线，下列说法正确的是()A．图线1是热敏电阻的R­T图线，它是用绝缘材料制成的B．图线2是热敏电阻的R­T图线，它可以用半导体材料制成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，测温范围大，灵敏度低答案B解析金属的电阻率随着温度升高而增大，由此可制作金属热电阻；有些半导体在温度上升时导电能力增强，由此可制作热敏电阻。因此图线1表示金属热电阻的阻值随温度的变化图线，其化学稳定性好，测温范围大，灵敏度低，A、C错误；图线2表示半导体材料制成的热敏电阻的阻值随温度的变化图线，其化学稳定性差、测温范围小、灵敏度高，D错误，B正确。4．(2020·江西省高二期中)一些材料的电阻随温度的升高而变化。图甲是由某金属材料制成的电阻R随摄氏温度t变化的图像，若用该电阻与电池(电动势E＝1.5V，内阻不计)、电流表(量程为5mA、内阻不计)、电阻箱R′串联起来，连接成图乙所示的电路，用该电阻做测温探头，把电流表的电流刻度改为相应的温度刻度，就得到了一个简单的“金属电阻温度计”。(1)电流刻度较大处对应的温度刻度________；(填“较高”或“较低”)(2)若电阻箱阻值R′＝150Ω，当电流为5mA时对应的温度数值为________℃。答案(1)较低(2)50解析(1)根据闭合电路欧姆定律得，电路中的电流I＝eq\f(E,R＋R′)，可见R越小，电流I越大，对应的温度越低，所以电流刻度较大处对应的温度刻度较低。(2)当电流为5mA时，根据闭合电路欧姆定律，I＝eq\f(E,R＋R′)，则R＝eq\f(E,I)－R′＝eq\f(1.5,5×10－3)Ω－150Ω＝150Ω，由R­t图像并根据数学知识可得R＝t＋100(Ω)，当R＝150Ω时，对应的温度为t＝50℃。典型考点三电阻应变片及其应用5．关于电子秤中应变式力传感器的说法正确的是()A．应变片是由金属导体材料制成的B．当应变片的表面拉伸时，其电阻变小；反之，变大C．传感器输出的是应变片上的电压D．外力越大，输出的电压差值也越大答案D解析应变片多用半导体材料制成，故A错误；当应变片的表面拉伸时，其电阻变大；反之，变小，B错误。应变式力传感器输出的是上、下两应变片上的电压差，并且外力越大，输出的电压差值也越大，故C错误，D正确。6．某课外活动小组自制了一台称重电子秤，其原理结构如图甲所示。R0为定值电阻，R是压敏电阻，其阻值会随其所受的压力F的变化而变化，变化范围大约为几欧到十几欧，通过电压表的读数可以得知压力大小。活动小组已经通过实验探究了压敏电阻阻值R与其所受压力F大小的关系如图乙所示。请回答以下问题：(1)根据如图乙所示的R­F图像，取R的单位为“Ω”，F的单位为“N”，则R和F的数值关系式为：R＝________。(2)如图甲所示的电路中，在压敏电阻R上水平放置一个重力为2.0N的托盘，在托盘上放一重物，电源电动势E＝9.0V，电源内阻r＝1.0Ω，R0＝4.5Ω。闭合开关，电压表示数为3.0V，则重物的重力为________N。(保留两位有效数字)答案(1)16－2F(2)2.0解析(1)由题图乙可知，当R＝16.0Ω时，F＝0；当R＝7.0Ω时，F＝4.5N；将这两组数据代入R＝b＋kF，解得：b＝16，k＝－2，故取R的单位为“Ω”，F的单位为“N”，则R＝16－2F。(2)电压表示数为3.0V，根据闭合电路欧姆定律，有：E＝eq\f(U,R0)(r＋R)＋U，解得：R＝8.0Ω，对照R­F图像，可知压力为4.0N，减去托盘重力2.0N，即为重物的重力，为2.0N。典型考点四电容式传感器和霍尔元件7．(多选)电容式传感器是用来将各种非电学量转变为电容这种电学量的装置。由于电容器的电容C取决于极板的正对面积S、极板间的距离d以及极板间的电介质这三个因素，当某个物理量发生变化时就能引起上述某个因素的变化，从而引起电容器电容变化，那么通过测定电容器的电容变化就可以确定这个物理量的变化。如图所示是四种电容式传感器的示意图，关于这四种传感器的作用，下列说法正确的是()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解析从甲图可以看出，θ变化，能引起动片与定片正对面积变化，由C＝eq\f(εrS,4πkd)知可引起电容器的电容变化，故甲图的传感器可以用来测量角度，A正确；从乙图可以看出，液体深度h变化，能引起正对面积变化，由C＝eq\f(εrS,4πkd)知可引起电容器的电容变化，故乙图的传感器可以用来测量液面的高度，B正确；从丙图可以看出，压力的变化，能引起两极间的距离变化，由C＝eq\f(εrS,4πkd)知可引起电容器的电容变化，故丙图的传感器可以用来测量压力，C正确；从丁图可以看出，x的变化，能引起介电常数的变化，由C＝eq\f(εrS,4πkd)知可引起电容器的电容变化，故丁图的传感器可以用来测量位移x，D错误。8．(多选)如图所示，导电物质为电子的霍尔元件水平放置，前后侧面E、F间通入大小为I的电流，处于竖直向下的匀强磁场中，磁场的磁感应强度为B，左右侧面M、N间出现的电压，称为霍尔电压UH。若M、N之间的距离为L，下列说法正确的是()A．N表面的电势高于M表面的电势B．I越大，霍尔电压越小C．保持I恒定，磁感应强度越大，霍尔电压越大D．元件中自由电子定向移动的速率v＝eq\f(UH,BL)答案ACD解析根据左手定则，电子向M侧面偏转，M表面带负电，N表面带正电，所以N表面的电势高，A正确；根据霍尔电压UH＝keq\f(IB,d)(d为该霍尔元件上、下表面间的距离)可知，I越大，霍尔电压UH越大，B错误；保持I恒定，磁感应强度越大，霍尔电压UH越大，C正确；M、N间存在电势差，之间就存在电场，电子在静电力和洛伦兹力作用下平衡，有eeq\f(UH,L)＝evB，解得元件中自由电子定向移动的速率v＝eq\f(UH,BL)，D正确。1．如图所示为一种温度自动报警器的原理图，在水银温度计的顶端封入一段金属丝，以下说法正确的是()A．温度升高至74℃时，L1灯亮报警B．温度升高至74℃时，L2灯亮报警C．温度升高至78℃时，L1灯亮报警D．温度升高至78℃时，L2灯亮报警答案D解析由题图可知：金属丝下端所指的示数为78℃；当温度升高至78℃，水银温度计顶端封入的金属丝就和水银相接，控制电路接通，电磁铁有了磁性，把衔铁吸引下来，L2灯亮报警，D正确。2．(多选)如图为某一机器人上的电容式位移传感器工作时的简化模型图。当被测物体在左右方向发生位移时，电介质板随之在电容器两极板之间移动，连接电容器的静电计会显示电容器电压的变化，进而能测出电容的变化，最后就能探测到物体位移的变化。若静电计上的指针偏角为θ，则下列说法正确的是()A．向左移动时，θ增大B．向右移动时，θ增大C．电容式位移传感器能够把物体的位移这个力学量转换为电容这个电学量D．电容式位移传感器能够把电容这个电学量转换为物体的位移这个力学量答案BC解析被测物体向左移动时，电容器两极板间的电介质板变长，相对介电常数增大，根据C＝eq\f(εrS,4kπd)可知电容器的电容增大，又因为电容器的电荷量不变，根据U＝eq\f(Q,C)可知电容器两极板间的电压减小，即θ减小；反之，被测物体向右移动时，电容器的电容减小，θ增大，故A错误，B正确。由以上分析可知，电容式位移传感器能够把物体的位移这个力学量转换为电容这个电学量，C正确，D错误。3．有一个消毒用电器P，电阻为20kΩ，它只有在电压高于24V时才能工作。现用一个光敏电阻R1对它进行控制，光敏电阻在光照时阻值为100Ω，黑暗时阻值为1000Ω，电源电动势E为36V，内阻不计，另有一个定值电阻R2，阻值为1000Ω。下列电路中开关闭合后能使消毒用电器在光照时正常工作，黑暗时停止工作的是()答案C解析A电路在光照时，光敏电阻阻值为100Ω，消毒用电器P的电阻为20kΩ，R2电阻为1000Ω，由串联电路分压规律可知P两端电压超过eq\f(2,3)E，即高于24V，能够正常工作；黑暗时，光敏电阻阻值为1000Ω，P两端电压也超过eq\f(2,3)E，也能正常工作，故A不符合题意。同理可得B电路在光照、黑暗时，P两端电压均超过eq\f(2,3)E，P都能正常工作，故B不符合题意。C中P与R2并联，并联电阻略小于1000Ω，根据串联电路的分压规律可知，消毒用电器P在光照时能够正常工作，黑暗时停止工作，C符合题意。D中P与R1并联，光照时并联部分电阻略小于100Ω，黑暗时电阻略小于1000Ω，根据串联电路的分压规律可知，在光照和黑暗时P两端电压都小于24V，都不能正常工作，D不符合题意。4.如图所示为某同学在研究性学习中自制的电子秤原理示意图，托盘与电阻可忽略的金属弹簧相连，托盘与弹簧的质量均不计，滑动变阻器的滑动端与弹簧上端连接，不称重物时，滑片P在电阻R0的最上端；称重物时，在压力作用下使滑片P下滑，操作人员可通过电阻很大的灯泡的亮度判断出有没有开始称重，电流表的示数可以反映出物体的质量。下列说法正确的是()A．称的物体越重，灯泡越暗B．称的物体越重，电流表示数越大C．不称重时，灯泡会很亮D．不称重时，电流表示数较大答案D解析该电路相当于含滑动变阻器的电路，滑动变阻器与灯泡并联，然后与电阻R1串联，电流表的示数为干路电流。称的物体越重，根据胡克定律可知，弹簧的压缩量越大，则P向下移动，滑动变阻器接入电路的电阻值越大，则总电阻越大，由闭合电路的欧姆定律可知，总电流越小，即电流表的示数随重物重力的增大而减小，不称重时，电流表示数较大，B错误，D正确；P向下移动，总电流减小，则电源内电压与电阻R1两端的电压都减小，由闭合电路的欧姆定律：E＝I(r＋R1)＋U并，可知并联电路部分的电压增大，由P＝eq\f(U\o\al(2,并),R灯)可知，灯泡的电功率增大，灯泡变亮，即称的物体越重，灯泡越亮，A、C错误。5．传感器是一种采集信息的重要器件，如图所示为测定压力的电容式传感器，将电容器、灵敏电流计(零刻度在中间)和电源串联成闭合回路，当压力F作用于可动电极的膜片上时，膜片产生形变，引起电容的变化，导致灵敏电流计指针偏转，在对膜片开始施加恒定的压力到膜片稳定的这段时间，灵敏电流计指针的偏转情况为(电流从电流计正接线柱流入时指针向右偏)()A．灵敏电流计指针向右偏B．灵敏电流计指针向左偏C．灵敏电流计指针不动D．不能判断灵敏电流计指针向哪边偏答案B解析在对膜片开始施加恒定的压力到膜片稳定的这段时间，极板间距d变小，由C＝eq\f(εrS,4πkd)，可知电容器的电容C变大，又根据Q＝CU，可知极板带电量变大，所以该过程电容器充电，又由于上极板带正电，灵敏电流计中有由负接线柱流入的电流，所以指针将向左偏，B正确。6．(多选)用磁敏电阻作为传感器可以探测空间中是否存在磁场，设计电路如图，磁敏电阻在没有磁场时电阻很小(几乎为零)，在有磁场时电阻很大。闭合S1，断开S2，灯泡正常发光，下列说法正确的是()A．探测头处在无磁场区域时，闭合S2，灯泡会变亮B．探测头处在无磁场区域时，闭合S2，电流表示数会变大C．闭合S2，探测头从无磁场区域进入磁场区域时，灯泡会变亮D．闭合S2，探测头从无磁场区域进入磁场区域时，电流表的示数会变大答案BC解析探测头处在无磁场区域时，闭合S2，磁敏电阻的阻值几乎为零，此时灯泡被短路，不亮，A错误；探测头处在无磁场区域时，闭合S2