高中2 常见传感器的工作原理及应用精品课时练习

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基础篇
一、单选题
１.如图所示是会议室和宾馆房间的天花板上装有的火灾报警器的结构原理图，罩内装有发光二极管LED、光电三极管和不透明的挡板。平时光电三极管接收不到LED发出的光，呈现高电阻状态。发生火灾时，下列说法正确的是（ ）
A．进入罩内的烟雾遮挡了光线，使光电三极管电阻更大，检测电路检测出变化发出警报
B．光电三极管温度升高，电阻变小，检测电路检测出变化发出警报
C．进入罩内的烟雾对光有散射作用，部分光线照到光电三极管上，电阻变小，检测电路检测出变化发出警报
D．以上说法均不正确
【答案】C
【解析】发生火灾时，烟雾进入罩内后对光有散射作用，使部分光线照射到光电三极管上，其电阻变小，与传感器连接的电路检测出这种变化，就会发出警报。
故选：C。
2.图甲为某厂商生产的电容式电子体重计，其内部电路简化图如图乙所示，称重时，人站在体重计面板上，使平行板上层膜片电极在压力作用下向下移动，则下列说法正确的是（ ）
A．上层膜片下移过程中，电流表有b到a的电流
B．上层膜片下移过程中，电容器的电容增大，上下极板间的电压增大
C．上层膜片下移过程中，电容器的电容增大，所带电荷量减小
D．上层膜片稳定后，平行板电容器上下极板均不带电荷
【答案】A
【解析】ABC．根据 可知，上层膜片下移过程中d减小，电容C增大，由 Q=CU知电容器所带电荷量增大，电容需充电，因此电流表有b到a的电流，电容器两个极板与电源相连，上下极板间的电压不变。故A正确；BC错误；
D．上层膜片稳定后，平行板电容器上下极板与电源相连，均带电荷。故D错误。
故选：A。
3.压敏电阻的阻值会随所受压力的增大而减小，某位同学利用压敏电阻设计了判断电梯运动状态的装置，其装置示意图如图所示，将压敏电阻平放在电梯内，受压面朝上，在上面放一物体m，电梯静止时电流表示数为I0，电梯在不同的运动过程中，电流表的示数分别如图(甲)(乙)(丙)(丁)所示，下列判断中不正确的是( )
A．(甲)图表示电梯可能做匀速直线运动
B．(乙)图表示电梯可能做匀加速上升运动
C．(丙)图表示电梯可能做匀加速上升运动
D．(丁)图表示电梯可能做变减速下降运动
【答案】D
【解析】匀速时物体受力与静止时相同，电流应为I0，选项A正确；匀加速上升时物体超重，压力恒定，电流恒定且大于I0，选项B正确，C错误；(丁)图电流减小，电路中的电阻增大，故此过程压力减小，可能为变减速下降运动，选项D正确。
故选：D。
4.某种角速度计的结构如图所示。当整个装置绕竖直轴OO′转动时，元件A相对于转轴发生位移并通过滑动变阻器输出电压，电压传感器(传感器内阻无限大)接收相应的电压信号。已知A的质量为m，弹簧的劲度系数为k、自然长度为l，电源的电动势为E、内阻不计。滑动变阻器总长也为l，电阻分布均匀，装置静止时滑片P在变阻器的最左端B处，当系统以角速度ω转动时，则( )
A．电路中电流随角速度的增大而增大
B．弹簧的伸长量为x＝ eq \f(mlω,k－mω2)
C．输出电压U与ω的函数关系为U＝ eq \f(Emω,k－mω2)
D．此装置能测量的角速度最大不超过 eq \r(\f(k,2m))
【答案】D
【解析】系统在水平面内以角速度ω转动时，无论角速度增大还是减小，BC的电阻不变，根据闭合电路欧姆定律可知，电路中电流保持不变，与角速度无关，故A错误。设系统在水平面内以角速度ω转动时，弹簧伸长的长度为x，则对元件A，根据牛顿第二定律得kx＝mω2(l＋x)，解得x＝ eq \f(mlω2,k－mω2) ，故B错误。输出电压U＝ eq \f(RBP,RBC) E＝ eq \f(x,l) E，解得U＝ eq \f(Emω2,k－mω2) ，故C错误。当x＝l时角速度最大，则由kl＝mω eq \\al(\s\up11(2),\s\d4(max)) (l＋l)，解得ωmax＝ eq \r(\f(k,2m)) ，故D正确。
故选：D。
5.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，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。
故选：B。
提升篇
一、多选题
1．如图是苹果自动分拣装置的示意图。该装置把大小不同的苹果，按一定质量标准自动分拣为大苹果和小苹果。为压力传感器。为可调电阻，两端电压越大，电磁铁对分栋开关的衔铁吸引越强（ ）
A．压力越大越大 B．压力越大越小
C．调节的大小可以起到保护电路的作用 D．调节的大小可以改变苹果筛选的标准
【答案】BD
【解析】AB．压力越大，若越小，则总电阻越小，总电流越大，故两端电压越大，则电磁铁对分栋开关的衔铁吸引越强，所以大苹果从下面的轨道通过，小苹果从上面轨道通过，可以起到自动分拣大小苹果的效果，反之则不能，故A错误，B正确；
CD．通过调节的大小，可以改变的两端的电压，则可以改变电磁铁对分栋开关的衔铁吸引力的强弱，从而改变苹果筛选的标准，故C错误，D正确。
故选：BD。
2.电容式传感器是用来将各种非电学物理量转变为电学物理量的装置。如图是四种电容式传感器的示意图，关于这四个传感器的作用，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】A．甲图中，当动片与定片之间的夹角发生变化时，极板的正对面积变化，使电容器电容变化，如果知道了电容器电容的变化情况就可以知道夹角的变化情况，则甲图的传感器可以用来测量角度，故A正确；
B．乙图中，金属芯线和导电液体构成电容器的两个电极，液面高度变化时，正对面积发生变化，使电容器电容变化，如果知道了电容器电容的变化情况就可以知道液面高度的变化情况，则乙图的传感器可以用来测量液面的高度，故B正确；
C．丙图中，力作用在可动电极上，可动电极发生形变，与固定电极间距离发生变化，使电容器电容变化，如果知道了电容器电容的变化情况就可以知道力的变化情况，则丙图的传感器可以用来测量压力，故C正确；
D．丁图中，随着电介质进入极板间长度的变化，使电容器电容变化，如果知道了电容器电容的变化情况就可以知道电介质进入长度的变化情况，则丁图的传感器可以用来测量位移，故D错误。
故选：ABC。
3.如图所示为某商厦安装的光敏电阻自动计数器的示意图。其中A为光源，B为由电动机带动匀速运行的自动扶梯，R1为光敏电阻，R2为定值电阻。每当扶梯上有顾客经过挡住由A射向R1的光线时，计数器就计数一次。下列说法正确的是( )
A.当有光照射R1时，信号处理系统获得低电压
B．当有光照射R1时，信号处理系统获得高电压
C．信号处理系统每获得一次低电压就计数一次
D．信号处理系统每获得一次高电压就计数一次
【答案】BC
【解析】当光线照射R1时，R1阻值减小，R总减小，且电源电压不变，由闭合电路欧姆定律得I＝ eq \f(E,R总) ，电路中的电流增大，R2是定值电阻，U2＝IR2，R2两端电压增大，信号处理系统获得高电压，所以选项A错误，B正确；根据前面分析可知，每当有人经过时，即没有光照时，信号处理系统获得低电压，信号处理系统计数一次，即信号处理系统每获得一次低电压就计数一次，所以选项C正确，D错误。
故选：BC。
4.如图是一种电感式微小位移传感器的原理图。1是待测位移的物体，3是空心线圈，软铁芯2插在线圈3中并且可以随着物体1在线圈中左右平移。关于这种传感器的工作原理，下列说法正确的是( )
A．这种传感器输入的物理量是位移，输出的物理量是自感系数
B．通过这种传感器线圈的电流是交流电
C．软铁芯是敏感元件，线圈是转换元件
D．当物体1向右移动时，线圈的自感系数增大
【答案】BC
【解析】这种传感器输入的物理量是位移，输出的物理量是电流，选项A错误；当软铁芯插入或拔出线圈时，在线圈中产生方向相反的电流，则通过这种传感器线圈的电流是交流电，选项B正确；因软铁芯的移动导致线圈中产生感应电流，则软铁芯是敏感元件，线圈是转换元件，选项C正确；当物体1向右移动时，软铁芯插入线圈的深度减小，则线圈的自感系数减小，选项D错误。
故选：BC。
5.某磁敏电阻的阻值R随外加磁场的磁感应强度B变化图线如图甲所示。学习小组使用该磁敏电阻设计了保护负载的电路如图乙所示，U为直流电压，下列说法正确的有( )
A．增大电压U，负载电流不变
B．增大电压U，电路的总功率变大
C．抽去线圈铁芯，磁敏电阻的阻值变小
D．抽去线圈铁芯，负载两端电压变小
【答案】BC
【解析】增大电压U，为保护负载，磁敏电阻两端需要分压，即电压增大，磁敏电阻的阻值增大，根据甲图可知磁感应强度增大，所以通过线圈的电流增大，根据P＝UI可知，电路的总功率P变大，故A错误，B正确；抽去线圈铁芯，线圈产生的磁感应强度减小，故磁敏电阻的阻值变小，则磁敏电阻两端的电压变小，而U不变，所以负载两端电压变大，故C正确，D错误。
故选：BC。
6.演示位移传感器的工作原理如图乙所示，物体M在导轨上平移时，带动滑动变阻器的金属滑杆P，通过电压表显示的数据来反映物体位移的大小x。假设电压表是理想电压表，则下列说法正确的是( )
A.物体M运动时，电路中的电流不会发生变化
B．物体M运动时，电压表的示数会发生变化
C．物体M不动时，电路中没有电流
D．物体M不动时，电压表没有示数
【答案】AB
【解析】电压表不分流，故金属滑杆移动不会改变电路的总电阻，也就不会改变电路中的总电流，故A正确，电压表测量金属滑杆P左侧电阻两端的电压，故电压表示数随物体M的移动而变化，故B正确，C、D错误。
故选：AB。
二、非选择题：
1.如图所示是自动控制电路的原理图，a、b间电压恒定，R1为光敏电阻，R2为定值电阻。当电路中的光敏电阻不受光的照射时用电器可以正常工作。
(1)当光敏电阻受光的照射时，其阻值和电流表的示数如何变化？
(2)当光敏电阻受光的照射时，用电器工作状态怎样？
【答案】(1)光敏电阻阻值减小，电流表示数减小(2) 用电器不能正常工作
【解析】(1)根据电路结构，当光敏电阻受光照射时，电阻减小，并联支路的电阻减小，电路总电阻减小，总电流增大，R2上的电压变大，因为ab之间的电压恒定，所以并联支路的电压减小，电流表示数减小；
(2)因为没有光照时，用电器可以正常工作，所以当有光照时，通过用电器的电流减小，用电器的实际功率会减小，不能正常工作。
２.如图所示为大型电子地磅电路图，电源电动势为E，内阻不计，不称物体时，滑动触头P在A端，滑动变阻器接入电路中的有效电阻最大，电流较小；称重物时，在压力作用下滑动触头下移，滑动变阻器有效电阻变小，电流变大。这样把电流对应的质量值刻在刻度盘上，就可以读出被称物体的质量，若滑动变阻器上A、B间长度为l，最大阻值为R0，保护电阻R的最大阻值也为R0，已知两弹簧的总弹力与形变量成正比，比例系数为k。
(1)试导出所称重物重力G与电路中电流I的函数关系；
(2)该装置达到最大量程时电流表示数是多少？
【答案】 (1)G＝2kl－ eq \f(Ekl,IR0) (2) eq \f(E,R0)
【解析】 (1)设所称重物重力为G时弹簧的压缩量为x，由题意得G＝kx①
此时，滑动触头P距B端距离为l－x，滑动变阻器有效电阻为R0－ eq \f(x,l) R0，由闭合电路欧姆定律有
I＝ eq \f(E,R0＋（R0－\f(x,l)R0）) ②
由①②式解得G＝2kl－ eq \f(Ekl,IR0) 。
(2)该装置达到最大量程时，弹簧形变量最大，A、B间电阻被短路，故此时电流表示数为Im＝ eq \f(E,R0) 。
3.为了比赛的公平公正，学校短跑比赛设计安装了一款防抢跑装置，该装置安装在起跑线前，如图甲所示，丙图是其工作原理图：起跑发令枪发令前，开关S1、S2、S3都闭合，K与A端相连，绿灯亮；发令枪扳机和开关S2相连动，扣动扳机，枪响同时开关S2断开；当电流表示数小于或等于30 mA时，在弹簧弹力作用下，K与A端相连，绿灯亮，无人抢跑；当电流表示数大于30 mA时，衔铁被吸下，K与B端相连，红灯亮同时铃声响，有人抢跑。已知两电路电源电压均为6 V，保持不变，压力传感器R的阻值随所受压力变化的图像如图乙所示，压板重力不计，电磁铁线圈电阻不计。
(1)起跑发令枪发令前，开关S1、S2、S3都闭合，压力传感器R压板上无人(压力F＝0)时，左端电路消耗的电功率为多少？
(2)比赛时，起跑发令枪发令前，抢跑同学踩在压板上的压力F为900 N时，左端电路电流表读数为多少？
(3)比赛时，枪声响起后，若某同学踩在压板上的力为1 500 N时，要使得红灯不亮，电阻R0至少为多大？
【答案】 (1)0.12 W (2)0.06 A (3)150 Ω
【解析】(1)当开关S1、S2、S3都闭合，压力传感器R压板上无人时，由图像知，压力传感器的电阻为R＝300 Ω，所以左端电路消耗的电功率为P＝ eq \f(U2,R) ＝ eq \f(（6 V）2,300 Ω) ＝0.12 W
(2)当有人抢跑时，对传感器的压力为900 N，由图像知，此时压力传感器的电阻为R′＝100 Ω，所以左端电路电流表读数为I′＝ eq \f(U,R′) ＝ eq \f(6 V,100 Ω) ＝0.06 A
(3)由题意知，红灯不亮时的电路最小电流为
I最小＝30 mA＝0.03 A
此时的电路最大电阻为R总＝ eq \f(U,Imin) ＝ eq \f(6 V,0.03 A) ＝200 Ω
由图像知，当传感器受到的压力是1 500 N时，此时的电阻为Rmin＝50 Ω
所以保护电阻的阻值最小为R0＝R总－Rmin＝200 Ω－50 Ω＝150 Ω