2024年高考物理选修二专题练习第1～3节　认识传感器、常见传感器的工作原理及应用、利用传感器制作简单的自动控制装置

《模型畫法·物理課堂》馮考必勝第1～3节认识传感器、常见传感器的工作原理及应用、利用传感器制作简单的自动控制装置【刷基础】【题型1传感器的原理】1．[安徽合肥市六校2021高二上期末]医生将非接触式测温仪靠近但不接触病人身体，即可测得病人体温，这类测温仪利用的传感器是()A．声音传感器B．红外线传感器C．气体传感器D．压力传感器答案：B解析：非接触式测温仪能将物体发出的红外线信号转化为电信号，所以测温仪利用的是红外线传感器，B正确．2．[河北石家庄二中2021高二下月考]目前，传感器已经广泛应用于生产、生活、科学研究等各个领域，关于传感器的应用，下列说法中正确的是()A．自动洗衣机中的压力传感器、数字体重计所用的测力装置都应用了力传感器B．走廊照明灯的声控开关、红外报警装置都应用了声音传感器C．发光二极管是一种常用的光传感器，其作用是将光信号转换为电信号D．霍尔元件能把磁感应强度这个磁学量转换成电阻这个电学量答案：A解析：自动洗衣机中的压力传感器、数字体重计所用的测力装置都应用了力传感器，A正确；天黑楼道里出现声音时，楼道里的灯才亮，说明它的控制电路中既有声音传感器，又有光传感器，但红外报警装置是应用了红外线传感器，B错误；发光二极管是将电信号转化为光信号，不是光传感器，C错误；霍尔元件能把磁感应强度这个磁学量转换成电压这个电学量，D错误．【题型2含光敏电阻、热敏电阻的电路分析】3．(多选)如图甲所示的电路中，理想变压器原、副线圈匝数比为10∶1，图中电表均为理想电表，R、L和D分别是光敏电阻(其阻值随光强增大而减小)、电感线圈和灯泡．原线圈接入如图乙所示的正弦交流电压u，下列说法正确的是()A．电压u的频率为50HzB．电压表的示数为22eq\r(2)VC．有光照射R时，电流表的示数变大D．抽出L中的铁芯，灯泡D变亮答案：ACD解析：原线圈接入题图乙所示的电压，T＝0.02s，所以频率为f＝eq\f(1,T)＝50Hz，故A正确；原线圈接入电压的最大值是220eq\r(2)V，所以原线圈接入电压的有效值是U＝220V，理想变压器原、副线圈匝数比为10∶1，所以副线圈两端电压的有效值是22V，所以电压表的示数为22V，故B错误；有光照射R时，R的阻值减小，副线圈所在电路电流增大，副线圈输出功率增大，所以原线圈输入功率增大，原线圈所在电路电流增大，所以电流表的示数变大，故C正确；抽出L中的铁芯，电感线圈的自感系数减小，电感线圈对电流的阻碍减小，所以灯泡D变亮，故D正确．4．[四川南充川绵外国语学校2021高二上期末]某同学准备用一种热敏电阻制作一只电阻温度计．他先通过实验描绘出一段该热敏电阻的I－U曲线，如图甲所示，再将该热敏电阻Rt，与某一定值电阻串联接在电路中，用理想电压表与定值电阻并联，并在电压表的表盘上标注温度值，制成电阻温度计，如图乙所示．下列说法中正确的是()A．从图甲可知，该热敏电阻的阻值随温度的升高而增大B．图乙中电压表的指针偏转角越大，温度越高C．温度越高，整个电路消耗的功率越小D．若热敏电阻的阻值随温度均匀变化，则表盘上标注温度刻度也一定是均匀的答案：B解析：I－U图像上的点与原点连线的斜率的倒数表示电阻，由题图甲可知，I越大，电阻越小，而温度越高，则热敏电阻的阻值随温度的升高而减小，选项A错误；温度越高，Rt阻值越小，热敏电阻Rt与定值电阻R串联接在电路中，电路中电流越大，R的电压越大，电压表的指针偏转角越大，因此电压表的指针偏转角越大，表示温度越高，选项B正确；温度越高，电路中电流越大，由P＝IE可知，整个电路消耗的功率越大，选项C错误；若热敏电阻的阻值随温度线性变化，由闭合电路欧姆定律得，U＝eq\f(RE,R＋Rt＋r)，可知电压表示数不是均匀变化的，选项D错误．【题型3力传感器的实际应用】5．[河北保定曲阳一中2020高二上月考](多选)有一种测量人体重的电子秤，其原理如图中虚线框内所示，它主要由三部分构成：踏板、压力传感器R(阻值可随压力变化而变化的电阻)、显示体重的仪表A(实质是理想电流表)．设踏板的质量可忽略不计，已知理想电流表的量程为0～3A，电源电动势为12V，内阻为2Ω，压力传感器的电阻R随压力变化的函数关系为R＝30－0.02F(Ω)．下列说法正确的是()A．该秤能测量的最大体重是1400NB．该秤能测量的最大体重是1300NC．该秤零刻度线(即踏板空载时的刻度线)应标在电流表A刻度盘0.375A处D．该秤零刻度线(即踏板空载时的刻度线)应标在电流表A刻度盘0.400A处答案：AC解析：当电路中电流I＝3A时，电子秤测量的体重最大．由欧姆定律I＝eq\f(E,R＋r)得R＝eq\f(E,I)－r＝2Ω，代入R＝30－0.02F(Ω)得F＝1400N，故A正确，B错误；踏板空载时F＝0，代入R＝30－0.02F(Ω)得电阻R＝30Ω，由欧姆定律得I＝eq\f(E,R＋r)＝0.375A，所以该秤零刻度线(即踏板空载时的刻度线)应标在电流表A刻度盘0.375A处，故C正确，D错误．【题型4温度传感器的实际应用】6.如图所示是温度自动报警器的工作原理图，图中1是电磁铁、2是衔铁、3是触点、4是水银温度计(水银导电)．则下列说法正确的是()A．温度高于警戒温度时，电铃不报警、指示灯亮B．温度低于警戒温度时，电铃报警、指示灯熄灭C．温度高于警戒温度时，指示灯亮、电铃报警D．温度低于警戒温度时，指示灯亮、电铃不报警答案：D解析：温度低于警戒温度时，水银柱下降，控制电路处于开路状态，电磁铁线圈中没有电流通过，电磁铁没有磁性，此时指示灯通过常闭触点与工作电路接通，指示灯亮，电铃不报警，故B错误，D正确；温度高于警戒温度时，水银柱上升，控制电路处于接通状态，电磁铁线圈中有电流通过，电磁铁有磁性，此时电铃通过触点3与工作电路接通，电铃报警，此时指示灯所在的电路中没有电流，指示灯不亮，故A、C错误．7．温度传感器广泛应用于家用电器中，它是利用热敏电阻的阻值随温度变化的特性来工作的．图甲所示为某装置中的传感器工作原理图，已知电源的电动势E＝9.0V，内阻不计，G为灵敏电流表，其内阻Rg保持不变；R为热敏电阻，其阻值随温度的变化关系如图乙所示．闭合开关S，当R的温度等于20℃时，电流表示数I1＝2mA；当电流表的示数I2＝3.6mA时，热敏电阻的温度是()A．60℃B．80℃C．100℃D．120℃答案：D解析：由题图乙可知，当R的温度等于20℃时，热敏电阻的阻值R1＝4kΩ，由I1＝eq\f(E,R1＋Rg)可得Rg＝0.5kΩ，当电流I2＝3.6mA时，由I2＝eq\f(E,R2＋Rg)可得R2＝2kΩ，结合题图乙知此时热敏电阻的温度为120℃，故选D.【题型5光传感器的实际应用】8．如图所示是某居民小区门口利用光敏电阻设计的行人监控装置，R1为光敏电阻(光照增强电阻变小)，R2为定值电阻，A、B接监控装置．则下列说法正确的是()①当有人通过通道而遮蔽光线时，A、B之间电压升高②当有人通过通道而遮蔽光线时，A、B之间电压降低③当仅增大R2的阻值时，可增大A、B之间的电压④当仅减小R2的阻值时，可增大A、B之间的电压A．①③B．①④C．②③D．②④答案：C解析：由电路图可知，两电阻串联，监控装置与R2并联．当有人通过通道而遮蔽光线时，R1阻值变大，电路中的总电阻变大；根据闭合电路欧姆定律可知，电路中的电流变小，根据U＝IR可知，R2阻值不变时，其两端的电压变小，即A、B之间电压降低，故②正确，①错误；当仅增大R2的阻值时，根据串联分压规律可知，R2两端的电压变大，即A、B之间电压升高，故③正确，④错误．故C正确．【题型6霍尔元件的工作原理】9．(多选)霍尔式位移传感器的测量原理如图所示，有一个沿z轴方向均匀变化的匀强磁场，磁感应强度B＝B0＋kz(B0、k均为常数)．将霍尔元件固定在物体上，保持通过霍尔元件的电流I不变(方向如图所示)，当物体沿z轴正方向平移时，由于位置不同，霍尔元件在y轴方向的上、下表面的电势差U也不同．则()A．磁感应强度B越大，上、下表面的电势差U越大B．k越大，传感器灵敏度eq\f(ΔU,Δz)越高C．若图中霍尔元件是电子导电，则下表面电势高D．电流越大，上、下表面的电势差U越小答案：AB解析：若霍尔元件中移动的是自由电子，自由电子受到洛伦兹力发生偏转，根据左手定则可判断上、下两表面分别带上正、负电荷，从而形成电势差，最终电子在电场力和洛伦兹力的作用下处于平衡状态，故下表面电势低，故C错误；最终电子在电场力和洛伦兹力的作用下处于平衡状态，设霍尔元件的长、宽、高分别为a、b、c，有qeq\f(U,c)＝qvB，电流的微观表达式为I＝nvSq＝nvbcq，代入得U＝eq\f(BI,nqb)，所以B越大，上、下表面的电势差U越大；电流越大，上、下表面的电势差U越大，故A正确，D错误；根据B＝B0＋kz知，k越大，B随z的变化越快，根据U＝eq\f(BI,nqb)知，U随z的变化越快，传感器灵敏度eq\f(ΔU,Δz)越高，故B正确．10．电动自行车是一种应用广泛的交通工具，其速度控制是通过转动右把手实现的，这种转动把手称为“霍尔转把”，属于传感器非接触控制．转把内部有永久磁铁和霍尔器件等，截面如图甲．开启电源时，在霍尔器件的上、下面之间加一定的电压，形成电流，如图乙．随着转把的转动，其内部的永久磁铁也跟着转动，霍尔器件能输出控制车速的电压，已知电压与车速关系如图丙．以下关于“霍尔转把”叙述正确的是()A．为提高控制的灵敏度，永久磁铁的上、下端分别为N、S极B．按图甲顺时针转动电动车的右把手，车速将变快C．图乙中从霍尔器件的左、右侧面输出控制车速的霍尔电压D．若霍尔器件的上、下面之间所加电压正负极性对调，将影响车速控制答案：B解析：由于在霍尔器件的上、下面之间加一定的电压，形成电流，当永久磁铁的上、下端分别为N、S极时，在霍尔器件内磁场方向与电子的移动方向平行，则电子不受洛伦兹力作用，霍尔器件不能输出控制车速的霍尔电压，故A错误；当按图甲顺时针转动电动车的右把手，霍尔器件周围的磁场增强，则霍尔器件输出控制车速的霍尔电压增大，因此车速将变快，故B正确；根据题意，结合图乙的示意图，永久磁铁的N、S极可能在左、右侧面，或在前、后表面，因此从霍尔器件输出控制车速的霍尔电压不一定在霍尔器件的左、右侧面，也可能在前、后面，故C错误；当霍尔器件的上、下面之间所加电压正负极性对调，从霍尔器件输出控制车速的霍尔电压正负号相反，由图丙可知不会影响车速控制，故D错误．【题型7传感器实验电路的设计及应用】11．[广东深圳实验学校2021高二下阶段考试]某科技小组设计了一种“车辆闯红灯违规记录仪”，在路面停止线前侧埋上压敏电阻，其阻值随压力的变化如图甲所示，和压敏电阻组合的仪器如图乙所示，仪器主要由控制电路和工作电路组成，控制电路中的光控开关接收到红光时会自动闭合，接收到绿光或黄光时会自动断开；控制电路中电源的电动势为9V，内阻为2Ω，继电器线圈电阻为8Ω，滑动变阻器连入电路的电阻为50Ω；当控制电路中的电流大于0.06A时，衔铁会被吸引，从而启动工作电路，电控照相机拍照记录违规车辆．(1)当红灯亮时，若车辆越过停止线，电流表A的示数会变________(填“大”或“小”)．(2)质量超过________kg的车辆闯红灯时才会被拍照记录(重力加速度为10m/s2)．(3)若要增大“车辆闯红灯违规记录仪”的灵敏度，即违规车辆的质量比第(2)问结果小，也会被拍照记录，则滑动变阻器的滑片应向________(填“a”或“b”)端滑动．解析：(1)当红灯亮时，若车辆越过停止线，压敏电阻所受压力增大，阻值减小，控制电路中总电阻减小，电流增大，电流表的示数会变大．(2)设压敏电阻阻值为R时控制电路中的电流等于0.06A，则eq\f(9,2＋8＋50＋R)A＝0.06A，解得R＝90Ω，由题图甲可知，此时压敏电阻受到的压力为5×103N，则汽车的质量为500kg，所以质量超过500kg的车辆闯红灯时才会被拍照记录．(3)若要增大“车辆闯红灯违规记录仪”的灵敏度，即车辆质量小于500kg也要拍照，当车辆质量小于500kg，压敏电阻阻值大于90Ω，此时若要拍照，电路中的总电阻不大于150Ω，就要减小接入电路的滑动变阻器的阻值，滑片应该向b端滑动．【刷易错】【易错点对传感器与电路的动态过程分析不清】12．(多选)陶瓷传感器可以用于分析气体中酒精蒸气的含量，常用于检查驾驶人员是否饮酒．如果司机饮酒，血液中的酒精成分会扩散到呼出的气体中，呼出的气体喷向传感器，传感器的电阻将随酒精蒸气浓度变化发生相应的变化，从而可以检测血液中的酒精含量．某种陶瓷气敏传感器的电导(即电阻的倒数)与气体中酒精蒸气浓度C的关系如图甲所示．现用其组成如图乙所示的检测电路(电源内阻为r，电流表内阻不计)．对此，以下