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同步练习题

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1.有一电学元件，温度升高时其电阻减小，这种元件可能是( )
A.金属导体B.光敏电阻
C.热敏电阻D.霍尔元件
2.如图甲所示的电路中，光敏电阻R2加上图乙所示的光照时，R2两端的电压变化规律是( )
3.随着电子技术的发展，霍尔传感器被广泛应用在汽车的各个系统中。其中霍尔转速传感器在测量发动机转速时，情景简化如图甲所示，被测量转子的轮齿(具有磁性)每次经过霍尔元件时，都会使霍尔电压发生变化，传感器的内置电路会将霍尔电压调整放大，输出一个脉冲信号，霍尔元件的原理如图乙所示。下列说法正确的是( )
A.霍尔电压是由于元件中定向移动的载流子受到电场力作用发生偏转而产生的
B.若霍尔元件的前端电势比后端低，则元件中的载流子为负电荷
C.在其他条件不变的情况下，霍尔元件的厚度c越大，产生的霍尔电压越高
D.若转速表显示1 800 r/min，转子上齿数为150，则霍尔传感器每分钟输出12个脉冲信号
4.为监测某化工厂的污水排放量，技术人员在该厂的排污管末端安装了如图所示的流量计。该装置由绝缘材料制成，长、宽、高分别为a、b、c，左、右两端开口。在垂直于上、下底面方向加磁感应强度大小为B的匀强磁场，在前、后两个内侧面分别固定有金属板作为电极，污水充满管口从左向右流经该装置时，电压表将显示两个电极间的电压U。若用Q表示污水流量(单位时间内排出的污水体积)，下列说法正确的是( )
A.若污水中正离子较多，则前表面比后表面电势高
B.若污水中负离子较多，则前表面比后表面电势高
C.污水中离子浓度越高，电压表的示数越大
D.污水流量Q与U成正比
5.有一种测量人体重的电子秤，其原理如图中虚线内所示，它主要由三部分构成：踏板、力传感器R(是一个阻值可随压力大小而变化的电阻器)、显示体重的仪表G(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3 A，电源电动势为12 V，内阻为2 Ω，电阻R随压力变化的函数式为R=30-0.01F(F和R的单位分别是N和Ω)。下列说法正确的是( )
A.该秤能测量的最大体重是1 400 N
B.该秤能测量的最大体重是2 800 N
C.该秤零刻度线(即踏板空载时的刻度线)应标在电流表G刻度盘0.375 A处
D.该秤零刻度线(即踏板空载时的刻度线)应标在电流表G刻度盘0.400 A处
6.利用光敏电阻制作的光传感器，记录了传送带上工件的输送情况，图甲为某工厂成品包装车间的光传感记录器，光传感器B能接收到发光元件A发出的光，每当工件挡住A发出的光时，光传感器就输出一个电信号，并在屏幕上显示出电信号与时间的关系，如图乙所示。若传送带始终匀速运动，每两个工件间的距离为0.2 m，则下列说法正确的是( )
A.传送带运动的速度是0.1 m/s
B.传送带运动的速度是0.2 m/s
C.该传送带每小时输送3 600个工件
D.该传送带每小时输送7 200个工件
7.数码相机和数码摄像机在人们生活中的应用越来越广泛。在数码摄像器材中，使用了一种新型的敏感元件，叫电荷耦合器(CCD)，下列关于CCD的说法正确的是( )
A.它能将光信号转换成模拟电信号
B.它能将模拟电信号转换为数字电信号
C.它是一种硅半导体芯片，上面布有数百万个光敏元件
D.它是一种硅半导体芯片，上面布有数百万个热敏元件
8.温度传感器广泛应用于室内空调、电冰箱和微波炉等家电产品中，它是利用热敏电阻的阻值随温度的变化而变化的特性工作的。图甲中电源的电动势E=9.0 V，内阻可忽略不计；G为灵敏电流表，内阻Rg保持不变；R为热敏电阻，其电阻值与温度的变化关系如图乙的R-t图线所示。闭合开关，当R的温度等于120 ℃时，电流表示数I1=3 mA。
(1)求电流表G的内阻Rg。
(2)当电流表的示数I2=1.8 mA时，求热敏电阻R的温度。
9.如图所示，小铅球P系在细金属丝下，悬挂在O点，开始时小铅球P沿竖直方向处于静止状态。当将小铅球P放入水平流动的水中时，球向左摆动一定的角度θ，水流速度越大，θ越大。为了测定水流对小球作用力的大小，在水平方向固定一根电阻丝BC，其长为l，它与金属丝接触良好，不计摩擦和金属丝的电阻，C端在O点正下方处，且lOC=h。图中还有电动势为E的电源(内阻不计)和一只电压表。请你连接一个电路，使得当水速增大时，电压表示数增大，并求出电压表示数U与角度θ之间的关系式。
10.如图所示，一段长方体形导电材料，左右两端面的边长分别为a和b，内有电荷量为q的某种自由运动电荷。导电材料置于方向垂直于其前表面向里的匀强磁场中，内部磁感应强度大小为B。当通以从左到右的稳恒电流I时，测得导电材料上、下表面之间的电压为U，且上表面的电势比下表面的低。由此可得该导电材料单位体积内自由运动电荷数及自由运动电荷的正负分别为( )
A.IB|q|aU，负B.IB|q|aU，正
C.IB|q|bU，负D.IB|q|bU，正
11.小强用恒温箱进行实验时，发现恒温箱的温度持续升高，无法自动控制。经检查，恒温箱的控制器没有故障，参照下图，下列对故障判断正确的是( )
A.只可能是热敏电阻出现故障
B.只可能是温度设定装置出现故障
C.热敏电阻和温度设定装置都可能出现故障
D.可能是加热器出现故障
12.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。已知计数器电路中电源两极间的电压恒为6 V，保护电阻R2的阻值为400 Ω。则( )
A.有光照射时光敏电阻R1的阻值为800 Ω
B.有光照射和无光照射时保护电阻R2两端的电压之比为1∶2
C.有光照射和无光照射时光敏电阻的阻值之比为1∶2
D.每1 h通过S与R1之间的产品个数为6 000
13.如图所示，电容式触摸屏的构造主要是在玻璃屏幕上镀一层透明的薄膜导体层，再在导体层外加上一块保护玻璃，电容式触摸屏在触摸屏四边均镀上狭长的电极，在导体层内形成一个低电压交流电场。在触摸屏幕时，由于人体是导体，手指与内部导体层间会形成一个特殊电容(耦合电容)，电流由四边电极流向触点，而电流强弱与手指到电极的距离成正比，位于触摸屏后的控制器便会计算电流的比例及强弱，准确算出触摸点的位置。由以上信息可知( )
A.电容式触摸屏的两极板分别是导体层和手指
B.当用手触摸屏幕时，手指与屏的接触面积越大，电容越大
C.当用手触摸屏幕时，手指与屏的接触面积越大，电容越小
D.如果用戴了较厚手套的手触摸屏幕，照样能引起触摸屏动作
14.霍尔元件的结构牢固，体积小，质量轻，寿命长，安装方便，功耗小，频率高(可达1 MHz)，耐震动，不怕灰尘、油污、水汽及烟雾等的污染或腐蚀，所以得到了广泛的应用。右图为其工作的原理图。在霍尔元件中通以大小恒定的电流，方向由a向b，将一磁体靠近时，在c、f两端将会有一定的电势差，下列说法正确的是( )
A.磁场无论是什么方向，c、f两端都会有电势差
B.只要保持磁感应强度大小不变，无论怎样改变磁场的方向，c、f两端的电势差都不会发生变化
C.当磁感应强度大小不变时，c、f两端的电势差会随所加磁场方向的变化而变化
D.在加上某一方向的磁场后，如果c、f两端有电势差，其数值会随磁感应强度的增大而增大
15.在第三次工业革命的今天，新材料的发现和运用尤为重要。我国某科研机构发现一种新型的半导体材料，目前已经知道这种半导体材料的载流子(参与导电的“带电粒子”)的电荷量的值是e(电子电荷量的绝对值)，但不知道它的电性和载流子的数密度n(单位体积中载流子的数量)。为了测定这种材料中的载流子的电性以及载流子的数密度，科学家把这种材料先加工成一块长方体样品，这块样品的长、宽和厚度分别为a、b、d(如图所示)。现将这块样品接入电路中，且把靠外的平面标记为M，靠里的平面标记为N，然后在垂直于上面平面的方向加上一个磁感应强度大小为B的匀强磁场，接通开关S，调节可变电阻R，使电路中产生合适的电流。然后用电压表判定M、N两个面的电势高低并测定M、N间的电压(也叫霍尔电压)，从而得到这种半导体材料载流子的电性和数密度。
(1)当M的电势比N的电势低时，材料中的载流子带 (选填“正”或“负”)电。
(2)为了测定载流子的数密度n，除题目中已给出的数据外，还需要测定的物理量有 (写出物理量的含义并设定相应的符号)。
(3)根据题设条件和你测定的物理量，写出载流子的数密度的表达式n= 。
16.如图所示，厚度为h、宽度为d的导体板放在垂直于它的磁感应强度为B的均匀磁场中，当电流通过导体板时，在导体板的上侧面A和下侧面A'之间会产生电势差，这种现象称为霍尔效应。实验表明，当磁场不太强时，电势差U、电流I和B的关系为U=kIBd，式中的比例系数k称为霍尔系数。霍尔效应可解释如下：外部磁场产生的洛伦兹力使运动的电子聚集在导体板的一侧，在导体板的另一侧会出现多余的正电荷，从而形成横向电场；横向电场对电子施加与洛伦兹力方向相反的静电力，当静电力与洛伦兹力达到平衡时，导体板上下两侧之间就会形成稳定的电势差。
设电流I是由电子的定向移动形成的，电子的平均定向速度为v，电荷量为e。
(1)达到稳定状态时，导体板上侧面A的电势 (选填“高于”“低于”或“等于”)下侧面A'的电势。
(2)电子所受的洛伦兹力的大小为 。
(3)当导体板上下两侧之间的电势差为U时，电子所受的静电力的大小为 。
(4)由电场力和洛伦兹力平衡的条件，证明霍尔系数为k=1ne，其中n代表导体板单位体积中电子的个数。
参考答案
1.C 金属导体电阻一般随温度升高而增大，光敏电阻的阻值随光照强度的增大而减小，正温度系数热敏电阻的阻值随温度的升高而增大，负温度系数热敏电阻的阻值随温度的升高而减小，霍尔元件是把磁感应强度这个磁学量转换为电压这个电学量，选项C正确，A、B、D错误。
2.B 光敏电阻随光照的增强电阻减小，电路中电流增大，电阻R1两端电压增大，R2两端电压减小，但不能减小到零。故选项B正确。
3.B 载流子受磁场力而偏转，故选项A错误；由左手定则可判断出载流子受力向前端偏转，若前端电势变低，意味着载流子带负电，故选项B正确；霍尔电压UH=BInqc，c越大，UH越小，故选项C错误；每个轮齿经过，都会引发一次脉冲，则每分钟脉冲数量为1 800×150=270 000，故选项D错误。
4.D 由左手定则可以判断出正离子较多时，正离子受到的洛伦兹力使其向后表面偏转聚集而导致后表面电势比前表面电势高；同理，负离子较多时，负离子向前表面偏转聚集而导致前表面电势比后表面电势低，故选项A、B错误。设前、后表面间的最高电压为U，则qUb=qvB，所以U=vBb，由此可知U与离子浓度无关，故选项C错误。因Q=vbc，而U=vBb，所以Q=UcB，选项D正确。
5.BC 分析题意可知，理想电流表的量程为3 A，故电路中电流为3 A时，电子秤测量的体重最大，根据闭合电路欧姆定律可知，I=ER+r，解得R=2 Ω，其中R=30-0.01F，联立解得F=2 800 N，选项A错误，B正确；踏板空载时F=0，代入R=30-0.01F，解得R=30 Ω，根据欧姆定律得，I=0.375 A，该秤零刻度线(即踏板空载时的刻度线)应标在电流表G刻度盘0.375 A处，选项C正确，D错误。
6.BC 从题图乙可知，每间隔1秒的时间光传感器就输出一个电信号，而在这一段时间内传送带运动了两个工件之间的距离，所以传送带运动的速度是v=0.21 m/s=0.2 m/s，故选项A错误，B正确；传送带每小时传送的距离为s=vt=0.2×3 600 m，工件个数为n=3 600× 600，故选项C正确，D错误。
7.AC CCD是一种硅半导体芯片，上面布有数百万个光敏元件，每个光敏元件都把它所受到的光转换成相应量的电荷，于是整块CCD就把一幅图像的光信号转换成相应的模拟电信号，然后再通过A/D转换器转换为数字信号，以便于计算机处理，故选项A、C正确。
8.【答案】(1)1 000 Ω (2)20 ℃
【解析】(1)由题图乙知热敏电阻R的温度在120 ℃时，电阻为2 kΩ，闭合电路的电流为I1=3 mA
根据闭合电路欧姆定律得
Rg=EI1-R=93×10-3-2×103 Ω=1 000 Ω。
(2)当电流表的示数I2=1.8 mA时，有
R=EI2-Rg=91.8×10-3-1×103 Ω=4 000 Ω
由题图乙可知当热敏电阻R阻值为4 000 Ω时，温度为20 ℃。
9.【答案】见解析
【解析】电路图如图所示。
设lCD=x，P球平衡时，由平衡条件可得tan θ=Fmg=xℎ①
根据闭合电路欧姆定律和部分电路欧姆定律可得
I=ERBC=URx②
根据电阻定律可得RBC=ρlS③
Rx=ρxS④
由①②③④式可得U=tanθ·Eℎl
因为水流速度越大，θ越大，所以U越大。
10.C 因导电材料上表面的电势比下表面的低，故上表面带负电荷，根据左手定则可判断自由运动电荷带负电，则选项B、D错误；设长方体形材料长度为l，总电荷量为Q，则其单位体积内自由运动的电荷数为Q|q|ab·l，当电流I稳恒时，材料内的电荷所受电场力与磁场力相互平衡，则有UQa=BIl，故Q|q|ab·l=IB|q|bU，选项A错误，C正确。
11.C 由恒温箱原理图可知，若热敏电阻出现故障或温度设定装置出现故障都会向控制器传递错误信息，导致控制器发出错误指令，故选项C正确，A、B错误；若加热器出现故障，只有一种可能，即不能加热，而题中加热器一直加热才会使温度持续升高，故选项D错误。
12.D 由题图甲可知，R1、R2串联。由光敏电阻有光照射时阻值较小可知，当有光照射时，R1的阻值变小，电路的总电阻变小；根据I=UR可知，电路中的电流变大；根据U=IR可知，R2两端的电压变大；根据串联电路总电压等于各分电压之和可知，R1两端的电压变小，即R1两端的电压较低。由题图乙知有光照射时R1两端的电压U1=2 V，则U2=U-U1=6 V-2 V=4 V，电路中的电流I=U2R2=4V400 Ω=0.01 A，光敏电阻的阻值R1=U1I=2V0.01 A=200 Ω，故选项A错误。无光照射时，由题图乙可得U1'=4 V，U2'=U-U1'=6 V-4 V=2 V，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'=4 V∶2 V=2∶1，故选项B错误。I'=U2'R2=2V400 Ω=0.005 A，此时电阻R1'的阻值R1'=U1'I'=4V0.005 A=800 Ω，所以有光照射和无光照射时光敏电阻的阻值之比R1∶R1'=200 Ω∶800 Ω=1∶4，故选项C错误。由题图乙可知，每经过0.6 s，就有一个产品通过计数装置，n=3 600s0.6 s=6 000，故选项D正确。
13.AB 电容式触摸屏在原理上把人体当作电容器的一个极板，把导体层当作另一个极板，故选项A正确；手指与屏的接触面积越大，两个极板的正对面积越大，故电容越大，选项B正确，C错误；当手与导体层距离较大时，不能引起导体层电场的变化，选项D错误。
14.CD 霍尔元件的工作原理是磁场对运动电荷会产生力的作用，但当电荷运动的方向与磁场方向平行时，就不会受到磁场力的作用，c、f两端就不会产生电势差，选项A、B错误，C正确；当有磁场时，如果c、f两端产生电势差，由UH=kIBd可得，电势差的数值会随磁感应强度的增大而增大，选项D正确。
15.【答案】(1)负
(2)电路中的电流I，MN间电压U
(3)BIUed
【解析】(1)M的电势比N的电势低，说明N面带正电，结合左手定则可知，载流子带负电，导致M面带负电。
(2)(3)载流子的洛伦兹力与静电力平衡，即F洛=F电
evB=eUb
故U=Bbv
根据电流的微观表达式，有I=nebdv
联立解得n=BIUed
根据电阻定律，结合闭合电路欧姆定律，确定洛伦兹力与静电力的关系，还要测量MN间的电压U与通过的电流I。
16.【答案】(1)低于
(2)evB
(3)eUℎ
(4)见解析
【解析】(1)导体中电子运动形成电流，电子运动方向与电流方向相反，利用左手定则可判定电子向A板偏，A'板上出现等量正电荷，所以A板电势低于A'板电势。
(2)洛伦兹力大小F=evB。
(3)F电=eE=eUℎ。
(4)由F=F电得evB=eUℎ，即U=hvB，导体中通过的电流I=nev·dh，
由U=kIBd，得hvB=kIBd，即hvB=knevdℎBd，得k=1ne。