《第1节 常见传感器的工作原理》（同步训练）高中物理选择性必修 第二册-2024-2025学年

《第1节常见传感器的工作原理》同步训练(答案在后面)一、单项选择题（本大题有7小题，每小题4分，共28分）1、一个温度传感器在不同温度下输出的电信号不同。若传感器在0℃时输出电压为0V，在100℃时输出电压为10V，则这个传感器可能是哪种类型的传感器？A.热电阻B.热电偶C.热敏电阻D.热电容2、在光敏传感器中，光照强度增加时，输出信号通常会如何变化？A.增加B.减少C.不变D.无规律3、题干：下列关于热敏电阻说法错误的是（）A、热敏电阻的阻值随温度的升高而降低B、热敏电阻广泛应用于自动化温度检测、控制领域C、热敏电阻属于半导体元件D、热敏电阻的符号通常用RT表示4、题干：下列关于红外线传感器的说法错误的是（）A、红外线传感器能感知电磁波范围内的红外线B、红外线传感器在通信、遥控等领域得到了广泛应用C、红外线传感器主要通过检测红外线的强度来判断物体是否存在D、红外线传感器的核心元件是红外二极管5、题干：以下关于温度传感器的说法中，错误的是（）A.温度传感器可以将温度变化转换为电信号B.热电偶是一种常见的温度传感器C.热敏电阻的温度系数为正，表示温度升高时电阻值减小D.红外线传感器可以用于物体表面温度的测量6、题干：关于光敏电阻，以下说法正确的是（）A.光照强度越强，光敏电阻的电阻值越大B.光敏电阻的电阻值随光照强度的增加而减小C.光敏电阻适用于测量光的强度D.光敏电阻适用于测量温度7、某种类型的湿度传感器是通过检测空气中哪种成分的含量来确定湿度的？A、氧气B、二氧化碳C、水蒸气D、氮气二、多项选择题（本大题有3小题，每小题6分，共18分）1、题目：以下哪些传感器的工作原理是根据电磁感应现象？A.磁场中的电流传感器B.半导体应变片C.红外线传感器D.压电传感器2、题目：以下哪些传感器的工作原理与温度变化有关？A.热电偶B.蒸汽压力传感器C.红外线温度传感器D.半导体温度传感器3、传感器是将非电学量转换为电学量的装置，以下哪些属于常见的传感器类型？（）A.光电传感器B.声电传感器C.温度传感器D.压力传感器E.位移传感器三、非选择题（前4题每题10分，最后一题14分，总分54分）第一题题目描述：某物理兴趣小组设计了一个温度报警系统，系统使用了一个温度传感器和一个LED灯来实现报警功能。当环境温度超过某一设定值时，LED灯会亮起报警。小组成员们对于传感器的工作原理产生了兴趣，决定对这个传感器进行详细的探究和测试。传感器的工作原理基于热敏电阻，越高的温度会导致热敏电阻的阻值越低。具体要求：（1）请解释热敏电阻的工作原理，并简述热敏电阻通常用于哪几个方面的应用。（2）假设该温度报警系统需要在温度超过30℃时触发报警，处理一条初始数据：当时的环境温度为25℃，热敏电阻R1的阻值为10kΩ。如果将环境温度提高10℃，此时热敏电阻R1的阻值约为多少？假设热敏电阻的阻值随温度变化符合线性关系。第二题题目：某温度传感器用于测量烤箱内的温度。已知该传感器输出的电流与温度成正比，当温度为0℃时，传感器输出的电流为4mA；当温度为100℃时，传感器输出的电流为20mA。请计算该传感器输出电流与温度的关系式，并说明其工作原理。第三题题目：一辆汽车在平直公路上匀速行驶，车内安装有速度传感器。该传感器由一个可变电阻构成，其阻值随速度变化而变化。当汽车速度为20km/h时，传感器阻值为50Ω；当汽车速度为30km/h时，传感器阻值为100Ω。请根据以下两种情况，分别写出相应的电路图，并计算当汽车速度为25km/h时，通过传感器的电流。情况一：传感器与一个电压为12V的电源和电流表串联。情况二：传感器与一个电压为12V的电源并联，另一端接一个电阻为50Ω的电流表。第四题题目：某同学在学习了常见传感器的工作原理后，通过实验研究了某光电传感器的工作特性。该光电传感器包括一个发光二极管（LED）和一个光敏电阻。当LED发射出的光线被遮挡时，光敏电阻的阻值会增大。该同学设计了一个电路，电路中串联了一个光敏电阻、一个固定电阻R0（阻值为100Ω）和一个电压表V，接在一个可变电源上。当没有光遮挡时，LED发出的光线不足以使光敏电阻的阻值显著下降。请回答以下问题：1.当没有光遮挡时，该电路的等效电阻R是多少？2.如果可变电源电压为5V，电压表V的读数为4.5V，求此时光敏电阻的阻值。3.该同学发现在不同光遮挡情况下，电压表V的读数变化不大，这可能是由什么原因造成的？4.为了提高该光电传感器的灵敏度，请你提出一种改进方案，并简要说明理由。1.当没有光遮挡时，该电路的等效电阻R是多少？在没有光遮挡的情况下，光敏电阻的阻值会增大到一个相当高（接近无穷大）的值，此时光敏电阻的阻值可以视为无穷大。该电路可以简化为一个固定电阻R0（100Ω）与无穷大电阻串联的电路，因此等效电阻R趋近于无穷大。2.如果可变电源电压为5V，电压表V的读数为4.5V，求此时光敏电阻的阻值。根据串联回路电压的分配规律，电阻分配的电压比与其阻值成正比。电路中只有固定电阻R0（100Ω）和光敏电阻R1（未知）两个电阻，总电压为5V，电压表V的读数为4.5V，则电压表两端电压占总电压的比例为4.5V/5V=0.9。由于电压表并联在固定电阻R0上，所以根据欧姆定律，固定电阻R0分得的电压为3V（4.5V*0.6），光敏电阻R1分得的电压为1V（5V-4.5V）。根据串联电路中串联回路的电压分布规律，电压与电阻成正比，即有UR0U从而可以解出光敏电阻的阻值：R13.该同学发现在不同光遮挡情况下，电压表V的读数变化不大，这可能是由什么原因造成的？如果电压表V的读数变化不大，这可能是因为光敏电阻的阻值变化不大，导致整体电路的电压分布变化也不大。解释：光敏电阻的阻值在不同光遮挡条件下虽然有所变化，但变化幅度较小，这会导致电路中的电流变化不大，因此电压表的读数变化也会不大。4.为了提高该光电传感器的灵敏度，请你提出一种改进方案，并简要说明理由。方案：增加固定电阻R0的阻值或者选择阻值变化更大的光敏电阻。理由：通过增加固定电阻R0的阻值，可以使得当光敏电阻的阻值变化时，电路中电流的变化更大，从而使得电压表上的读数变化也会更为显著，提高传感器的灵敏度。或者选择灵敏度更高的光敏电阻，即选择在一定光照条件下阻值变化较大的光敏电阻，这样可以保证在相同光照变化的情况下，光敏电阻阻值的变化能更加显著，从而提高传感器的灵敏度。解析：在回答这类问题时，需要关注电路的基本原理和光敏电阻的工作特性。通过改变固定电阻的阻值或选择不同类型的光敏电阻，可以显著提高传感器的灵敏度，从而更准确地检测环境变化。第五题已知一个光电效应实验中，使用波长为λ的单色光照射一个金属板，测量得到电子的最大动能Ek。若保持光的强度不变，但将波长缩短为原来的一半λ/2，再次测量得到的电子最大动能变为Ek’。若金属的逸出功为W0，求Ek’与Ek的关系，并推导出光电效应的截止频率ν0。《第1节常见传感器的工作原理》同步训练及答案解析一、单项选择题（本大题有7小题，每小题4分，共28分）1、一个温度传感器在不同温度下输出的电信号不同。若传感器在0℃时输出电压为0V，在100℃时输出电压为10V，则这个传感器可能是哪种类型的传感器？A.热电阻B.热电偶C.热敏电阻D.热电容答案：C解析：温度传感器主要分为几种类型：热电阻、热电偶和热敏电阻等。根据题目给出的条件，0℃输出0V，100℃输出10V，这样的线性关系符合负温度系数热敏电阻的特性。热电阻和热电偶在0℃和100℃间的输出通常不是线性关系，热电容并不是常用的温度传感器类型，因此选择C。2、在光敏传感器中，光照强度增加时，输出信号通常会如何变化？A.增加B.减少C.不变D.无规律答案：A解析：光敏传感器通常用于检测光强度的变化，当光照强度增加时，传感器的输出信号也会相应增加。例如，光敏电阻、光敏二极管和光敏三极管在光照下，其阻值或电流会随着光强度的增加而减小（对于光敏电阻）或增加（对于发光二极管等），因此输出信号也通常随之增加。3、题干：下列关于热敏电阻说法错误的是（）A、热敏电阻的阻值随温度的升高而降低B、热敏电阻广泛应用于自动化温度检测、控制领域C、热敏电阻属于半导体元件D、热敏电阻的符号通常用RT表示答案：C解析：选项A描述的是负温度系数热敏电阻的特性，电阻值确实随温度升高而降低；选项B提到热敏电阻在温度检测和控制领域的应用，这也是正确的；选项D中RT是热敏电阻的符号表示，正确的。选项C中提到热敏电阻属于半导体元件，这是正确的描述。因此，没有错误的说法。但如果题目要求找出错误的说法，则应该指出题目本身可能存在错误，因为所有的选项都是正确的。4、题干：下列关于红外线传感器的说法错误的是（）A、红外线传感器能感知电磁波范围内的红外线B、红外线传感器在通信、遥控等领域得到了广泛应用C、红外线传感器主要通过检测红外线的强度来判断物体是否存在D、红外线传感器的核心元件是红外二极管答案：C解析：红外线传感器确实能够感知电磁波范围内的红外线，选项A正确；红外线传感器在通信、遥控等领域得到广泛应用，选项B也正确；红外线传感器的核心元件是红外二极管，这一点也是正确的，选项D无误。但选项C中提到红外线传感器通过检测红外线的强度来判断物体是否存在是不全面的。实际上，红外线传感器除了检测红外线强度外，还可以通过检测红外线的反射或者特定的红外线信号来判断物体是否存在。因此，选项C是不完整的描述，是错误的。5、题干：以下关于温度传感器的说法中，错误的是（）A.温度传感器可以将温度变化转换为电信号B.热电偶是一种常见的温度传感器C.热敏电阻的温度系数为正，表示温度升高时电阻值减小D.红外线传感器可以用于物体表面温度的测量答案：C解析：本题考查温度传感器的相关知识。热敏电阻的温度系数为正，表示温度升高时电阻值增大，所以C选项错误。其他选项A、B、D均正确。6、题干：关于光敏电阻，以下说法正确的是（）A.光照强度越强，光敏电阻的电阻值越大B.光敏电阻的电阻值随光照强度的增加而减小C.光敏电阻适用于测量光的强度D.光敏电阻适用于测量温度答案：B解析：本题考查光敏电阻的工作原理。光敏电阻的电阻值随光照强度的增加而减小，所以B选项正确。A选项错误，C选项虽然光敏电阻可以用于测量光的强度，但不是最佳选择。D选项错误，因为光敏电阻主要用于检测光的强度，而非温度。7、某种类型的湿度传感器是通过检测空气中哪种成分的含量来确定湿度的？A、氧气B、二氧化碳C、水蒸气D、氮气答案：C解析：湿度传感器通常检测的成分是水蒸气。空气中的湿度是由水蒸气含量决定的，所以湿度传感器主要是通过测量空气中水蒸气的含量来确定湿度的。因此，正确答案是C。二、多项选择题（本大题有3小题，每小题6分，共18分）1、题目：以下哪些传感器的工作原理是根据电磁感应现象？A.磁场中的电流传感器B.半导体应变片C.红外线传感器D.压电传感器答案：A、C解析：电磁感应现象是指当磁通量发生变化时，在电路中产生电动势或电流。磁场中的电流传感器（A）和红外线传感器（C）都是基于电磁感应原理工作的。半导体应变片（B）是利用材料的电阻率随应变变化来工作的，压电传感器（D）则是利用压电效应将压力转换为电信号。因此，选项A和C是正确的。2、题目：以下哪些传感器的工作原理与温度变化有关？A.热电偶B.蒸汽压力传感器C.红外线温度传感器D.半导体温度传感器答案：A、C、D解析：温度与传感器的原理密切相关，以下是一些与温度变化相关的传感器类型：A.热电偶：两种不同材料的导体在两端产生温差时，会输出电动势，通过测量电动势可以间接得知温度。C.红外线温度传感器：通过检测物体表面的红外辐射，确定其温度。D.半导体温度传感器：利用半导体材料的电阻率随温度变化而变化的特点，通过测量电阻值来确定温度。蒸汽压力传感器（B）主要与压力变化有关，与温度无直接关系。因此，选项A、C、D是正确的。3、传感器是将非电学量转换为电学量的装置，以下哪些属于常见的传感器类型？（）A.光电传感器B.声电传感器C.温度传感器D.压力传感器E.位移传感器答案：A、B、C、D、E解析：本题考查了传感器的基本类型。传感器是将非电学量转换为电学量的装置，常见的传感器类型有光电传感器、声电传感器、温度传感器、压力传感器和位移传感器等。因此，选项A、B、C、D、E均为正确答案。三、非选择题（前4题每题10分，最后一题14分，总分54分）第一题题目描述：某物理兴趣小组设计了一个温度报警系统，系统使用了一个温度传感器和一个LED灯来实现报警功能。当环境温度超过某一设定值时，LED灯会亮起报警。小组成员们对于传感器的工作原理产生了兴趣，决定对这个传感器进行详细的探究和测试。传感器的工作原理基于热敏电阻，越高的温度会导致热敏电阻的阻值越低。具体要求：（1）请解释热敏电阻的工作原理，并简述热敏电阻通常用于哪几个方面的应用。（2）假设该温度报警系统需要在温度超过30℃时触发报警，处理一条初始数据：当时的环境温度为25℃，热敏电阻R1的阻值为10kΩ。如果将环境温度提高10℃，此时热敏电阻R1的阻值约为多少？假设热敏电阻的阻值随温度变化符合线性关系。答案：（1）热敏电阻的工作原理：热敏电阻依据温度变化时其阻值的变化来反映温度的高低。其基本特点是：当温度升高时，热敏电阻的材料中的自由电子浓度增加，离子导电性增强，导致其电阻值降低；相反，当温度降低时，电阻值升高。热敏电阻分为正温度系数电阻（PTC）和负温度系数电阻（NTC），该题中的温度传感器使用的是负温度系数电阻（NTC）。热敏电阻通常用于以下方面：温度控制：如温度补偿电路、温控器；温度检测：如温度开关用于控制电路的通断；测量电路：如复杂电路中的温度监控等。（2）阻值变化计算：题目中提到热敏电阻的阻值随温度变化符合线性关系，且环境温度每升高10℃时，阻值降低一定比例。题目提供了初始条件为25℃时，热敏电阻R1的阻值为10kΩ。若环境温度提高10℃即达到35℃，则阻值会发生相应变化。首先，需要知道25℃到35℃之间的阻值变化率。如果温度每上升10℃阻值降低10%，那么从25℃到35℃，也就是25℃到30℃再到35℃，变化共两次，每次降低10%。计算过程如下：初始阻值R=10kΩ(25℃)上升10℃至30℃时：R1=R*0.9=10kΩ*0.9=9kΩ再上升10℃至35℃时：R2=R1*0.9=9kΩ*0.9=8.1kΩ答案是：当环境温度从25℃升到35℃，热敏电阻R1的阻值为8.1kΩ。解析：热敏电阻根据温度变化而改变其电阻值，典型应用场景包括温度传感器和其他温度相关的电路控制系统。该题通过一个具体的示例求解实际应用中的物理量变化，培养同学们的实际操作能力和理论联系实际的能力。通过此题，我们掌握了热敏电阻在不同温度下的阻值变化规则，并学会了如何根据温度变化估算阻值的变化。第二题题目：某温度传感器用于测量烤箱内的温度。已知该传感器输出的电流与温度成正比，当温度为0℃时，传感器输出的电流为4mA；当温度为100℃时，传感器输出的电流为20mA。请计算该传感器输出电流与温度的关系式，并说明其工作原理。答案：关系式：I=0.16T+4其中，I表示传感器输出的电流（单位：mA），T表示温度（单位：℃）。解析：1.首先，根据题目描述，传感器输出的电流与温度成正比，可以建立如下线性关系：I=kT+b。2.然后，利用题目给出的两个已知条件（当T=0℃时，I=4mA；当T=100℃时，I=20mA）来求解比例常数k和截距b。3.根据第一个条件，当T=0℃时，代入关系式得：4=k*0+b，解得b=4。4.根据第二个条件，当T=100℃时，代入关系式得：20=100k+4，解得k=0.16。5.将k和b的值代入关系式中，得到传感器输出电流与温度的关系式：I=0.16T+4。6.该传感器的工作原理是基于半导体材料的电阻随温度变化的特性。当温度升高时，半导体材料内部的载流子浓度增加，使得其电阻值减小，从而导致传感器输出的电流增加。通过将电阻与电流的关系转化为电流与温度的关系，该传感器可以用于精确地测量温度。第三题题目：一辆汽车在平直公路上匀速行驶，车内安装有速度传感器。该传感器由一个可变电阻构成，其阻值随速度变化而变化。当汽车速度为20km/h时，传感器阻值为50Ω；当汽车速度为30km/h时，传感器阻值为100Ω。请根据以下两种情况，分别写出相应的电路图，并计算当汽车速度为25km/h时，通过传感器的电流。情况一：传感器与一个电压为12V的电源和电流表串联。情况二：传感器与一个电压为12V的电源并联，另一端接一个电阻为50Ω的电流表。答案：情况一：电路图如下：电源(12V)|R|传感器(50Ω)|电流表当汽车速度为25km/h时，传感器的阻值可以通过线性插值法计算：R25=R20+R30根据欧姆定律，通过传感器的电流为：情况二：电路图如下：电源(12V)||传感器(75Ω)|电流表(50Ω)由于传感器与电流表并联，总电阻为：R总=R传感根据欧姆定律，通过传感器的电流为：解析：本题考察了传感器的应用以及串联和并联电路的欧姆定律计算。在情况一中，传感器与电源和电流表串联，需要根据传感器的阻值和电源电压计算通过传感器的电流。在情况二中，传感器与电流表并联，需要先计算总电阻，然后根据欧姆定律计算通过传感器的电流。第四题题目：某同学在学习了常见传感器的工作原理后，通过实验研究了某光电传感器的工作特性。该光电传感器包括一个发光二极管（LED）和一个光敏电阻。当LED发射出的光线被遮挡时，光敏电阻的阻值会增大。该同学设计了一个电路，电路中串联了一个光敏电阻、一个固定电阻R0（阻值为100Ω）和一个电压表V，接在一个可变电源上。当没有光遮挡时，LED发出的光线不足以使光敏电阻的阻值显著下降。请回答以下问题：1.当没有光遮挡时，该电路的等效电阻R是多少？2.如果可变电源电压为5V，电压表V的读数为4.5V，求此时光敏电阻的阻值。3.该同学发现在不同光遮挡情况下，电压表V的读数变化不大，这可能是由什么原因造成的？4.为了提高该光电传感器的灵敏度，请你提出一种改进方案，并简要说明理由。答案与解析：1.当没有光遮挡时，该电路的等效电阻R是多少？在没有光遮挡的情况下，光敏电阻的阻值会增大到一个相当高（接近无穷大）的值，此时光敏电阻的阻值可以视为无穷大。该电路可以简化为一个固定电阻R0（100Ω）与无穷大电阻串联的电路，因此等效电阻R趋近于无穷大。答案：当没有光遮挡时，电路的等效电阻接近无穷大（R→∞）。2.如果可变电源电压为5V，电压表V的读数为4.5V，求此时光敏电阻的阻值。根据串联回路电压的分配规律，电阻分配的电压比与其阻值成正比。电路中只有固定电阻R0（100Ω）和光敏电阻R1（未知）两个电阻，总电压为5V，电压表V的读数为4.5V，则电压表两端电压占总电压的比例为4.5V/5V=0.9。由于电压表并联在固定电阻R0上，所以根据欧姆定律，固定电阻R0分得的电压为3V（4.5V*0.6），光敏电阻R1分得的电压为1V（5V-4.5V）。根据串联电路中串联回路的电压分布规律，电压与电阻成正比，即有UR0U从而可以解出光敏电阻的阻值：R1答案：光敏电阻此时的阻值为33.33Ω。3.该同学发现在不同光遮挡情况下，电压表V的读数变化不大，这可能是由什么原因造成的？如果电压表V的读数变化不大，这可能是因为光敏电阻的阻值变化不大，导致整体电路的电压分布变化也不大。解释：光敏电阻的阻值在不同光遮挡条件下虽然有所变化，但变化幅度较小，这会导致电路中的电流变化不大，因此电压表的读数变化也会不大。4.为了提高该光电传感器的灵敏度，请你提出一种改进方案，并简要说明理由。方案：增加固