高中人教版 (2019)1 认识传感器导学案

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2 常见传感器的工作原理及应用
物理观念
1.知道什么是传感器,理解传感器的工作原理。()
2.掌握制作传感器的常用元件:光敏电阻、热敏电阻、金属热电阻、电阻应变片的基本特性及工作原理。
科学思维
1.体会传感器将非电学量转化为电学量的意义。
2.了解传感器在生产、生活中的应用。
一、传感器及其工作原理
1.传感器能够感受诸如力、温度、光、声、化学成分等被测量,并能把它们按照一定的规律转换为便于传送和处理的可用信号输出。通常转换成的可用信号是电压、电流等电学量,或转换为电路的通断。把非电学量转换为电学量,可以很方便地进行测量、传输、处理和控制。
2.传感器的种类
根据被测量的不同,可分为声、光、压力、位移、加速度、温度等传感器;根据具体工作原理的不同,可分为电阻式、电容式、电感式、光电式、热电式、压电式、磁电式等传感器。
3．传感器的组成：传感器的基本部分一般由敏感元件、转换元件组成．
4．传感器应用的一般模式：
二、光敏电阻
1.光敏电阻是光电传感器中常见的光敏元件。
2.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。
3.光敏电阻能够把光照强弱这个光学量转换为电阻这个电学量。
三、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增大，利用这一特性，金属丝可以制作成温度传感器，称为热电阻．
2．热敏电阻：用半导体材料制成，氧化锰制成的热敏电阻的阻值随温度的升高而减小．
四、电阻应变片
1．电阻应变效应：金属导体在外力作用下发生机械形变时，其电阻也随之变化的现象．
2．电阻应变片：电阻应变片有金属电阻应变片和半导体电阻应变片，半导体电阻应变片的工作原理是基于半导体材料的压阻效应．
3．电阻应变片能够把物体形变这个力学量转换为电阻这个电学量．
判断下列说法的正误．
(1)传感器可以把非电学量转化为电学量．( √ )
(2)光敏电阻的阻值随光照的强弱而变化，光照越强电阻越大．( × )
(3)热敏电阻一般用半导体材料制作，导电能力随温度的升高而增强，但灵敏度低．( × )
(4)电阻应变片能够把物体的形变情况转变为电阻的变化．( √ )
一、传感器
干簧管结构：如图1甲所示，玻璃管内封入了两个软磁性材料制成的簧片，接入图乙电路，当条形磁体靠近干簧管时：
图1
(1)会发生什么现象，为什么？
(2)干簧管的作用是什么？
答案 (1)灯泡会亮，因为当条形磁体靠近干簧管时，两个簧片被磁化而接通．
(2)干簧管起到开关的作用，是一种能够感知磁场的传感器．
1．传感器的核心元件
(1)敏感元件：相当于人的感觉器官，是传感器的核心部分，是利用材料的某种敏感效应(如热敏、光敏、压敏、力敏、湿敏等)制成的．
(2)转换元件：是传感器中能将敏感元件输出的与被测物理量成一定关系的非电信号转换成电信号的电子元件．
(3)转换电路：将转换元件输出的不易测量的电学量转换成易于测量的电学量，如电压、电流、电阻等．
2．传感器的工作原理
传感器感受的通常是非电学量，如压力、温度、位移、浓度、速度、酸碱度等，而它输出的通常是电学量，如电压、电流、电荷量等．这些输出信号是非常微弱的，通常要经过放大后再输送给控制系统产生各种控制动作．传感器的工作原理如下所示：
eq \x(非电学量)→eq \x(敏感元件)→eq \x(转换元件)→eq \x(转换电路)→eq \x(电学量)
例1 全面了解汽车的运行状态(速度、水箱温度、油量)是确保汽车安全行驶和驾驶员安全的举措之一,为模仿汽车油表原理,某同学自制一种测定油箱油量多少或变化多少的装置。如图乙所示,其中电源电压保持不变,R是滑动变阻器,它的金属滑片是金属杆的一端,R'是定值电阻,R'≫R。该同学在装置中使用了一只电压表(图中没有画出),通过观察电压表示数,可以了解油量情况,你认为电压表应该接在图中的b、c两点之间,请按照你的接法回答:当油箱中油量减少时,电压表的示数将增大(选填“增大”或“减小”)。
解析 由题图可知当油箱内液面高度变化时,R的金属滑片将会移动,从而引起R两端电压的变化,且当R'≫R时,UR=IR,可视为UR与R成正比,所以电压表应接在b、c两点之间;当油量减少时,R的金属滑片上移,接入电路的电阻增大,电压表示数将增大。
例2 力敏电阻的阻值随所受压力的增大而减小,有位同学利用力敏电阻设计了判断小车运动状态的装置,其工作原理如图甲所示,将力敏电阻和一块挡板固定在绝缘小车上,中间放置一个绝缘重球。小车向右做直线运动过程中,电流表示数如图乙所示,下列判断正确的是( )
A.从t1到t2时间内,小车做匀速直线运动
B.从t1到t2时间内,小车做匀加速直线运动
C.从t2到t3时间内,小车做匀速直线运动
D.从t2到t3时间内,小车做匀加速直线运动
答案 D
解析 在0~t1内,I恒定,力敏电阻阻值不变,由小球的受力不变可知,小车可能做匀速或匀加速直线运动,在t1~t2内,I变大,力敏电阻阻值变小,压力变大,小车做变加速运动,A、B均错误;在t2~t3内,I不变,压力恒定,小车做匀加速直线运动,C错误,D正确。
二、光敏电阻及其应用
在工厂生产车间的生产线上安装计数器后，就可以准确得知生产产品的数量，如图2所示为光敏电阻自动计数器的示意图，其中R1为光敏电阻，R2为定值电阻．此光电计数器的基本工作原理是什么？
图2
答案 当光被产品挡住时，R1电阻增大，电路中电流减小，R2两端电压减小，信号处理系统得到低电压，每通过一个产品就获得一次低电压，并计数一次．
1.光敏电阻的特点及工作原理
(1)当半导体材料受到光照或者温度升高时,会有更多的电子获得能量成为自由电子,同时也形成更多的空穴,于是导电能力明显增强。
(2)光敏电阻是用半导体材料(如硫化镉)制成的。它的特点是光照越强,电阻越小。它能够把光照强弱这个光学量转换为电阻这个电学量。
2.热敏电阻和金属热电阻的特点
(1)热敏电阻:用半导体材料制成。
(2)金属热电阻:金属的电阻率随温度升高而增大,利用这一特性,金属丝也可以制作成温度传感器,称为热电阻。
(3)热敏电阻和金属热电阻的区别
3.霍尔元件的工作原理与特点
(1)霍尔元件的工作原理:E、F间通入恒定的电流I,同时外加与薄片垂直的磁场B时,薄片中的载流子就在洛伦兹力作用下,向着与电流和磁场都垂直的方向漂移,使M、N间出现电压(如图所示)。
(2)霍尔元件在电流、电压稳定时,载流子所受电场力和洛伦兹力二力平衡。
(3)霍尔电压:UH=kIBd(d为薄片的厚度,k为霍尔系数)。当电流I一定时,UH与B成正比,所以霍尔元件能把磁学量转换成电学量。
例3 传感器已广泛应用在生产、生活中,下列关于传感器的说法正确的是( )
A.火警报警器使用了压力传感器
B.冰箱控温系统使用了温度传感器
C.商场里的自动门使用了光传感器
D.夜间自动打开的路灯使用了温度传感器
答案 B
解析 火警报警器使用了温度传感器,故A错误;冰箱控温系统使用了温度传感器,故B正确;一般人体都有恒定的体温,会发出特定波长的红外线,被动式红外探头就是靠探测人体发射的红外线而进行工作的,人走向门口时,门会自动打开,是因为安装了红外线传感器,从而能感知红外线,导致门被打开,故C错误;灯要求夜晚亮、白天熄,而白天有光,黑夜没有光,所以电路中光传感器导致电阻变化,实现自动控制,因此是利用光电传感器,故D错误。
针对训练1 如图所示,R1为定值电阻,R2为负温度系数的热敏电阻,L为小灯泡,当温度降低时( )
A.R1两端的电压增大
B.电流表的示数增大
C.小灯泡的亮度变强
D.小灯泡的亮度变弱
答案 C
解析 R2与灯泡L并联后再与R1串联,与电源构成闭合电路,当温度降低时,热敏电阻R2阻值增大,外电路电阻增大,电流表读数减小,灯泡L两端的电压增大,灯泡的亮度变强,R1两端的电压减小,故只有C正确。
三、金属热电阻和热敏电阻及其应用
如图4所示，将多用电表的选择开关置于欧姆挡，再将多用电表的两支表笔与负温度系数的热敏电阻RT(温度升高，电阻减小)的两端相连，这时表针恰好指在刻度盘的正中央．若在RT上擦一些酒精，多用电表指针将如何偏转？若用吹风机将热风吹向热敏电阻，多用电表指针将如何偏转？
图4
答案 由于酒精挥发，热敏电阻RT温度降低，电阻值增大，多用电表指针将向左偏；用吹风机将热风吹向热敏电阻，热敏电阻RT温度升高，电阻值减小，多用电表指针将向右偏．
1．金属热电阻：金属导体的电阻随温度的升高而增大，如图5图线①所示．
2．热敏电阻
(1)热敏电阻指用半导体材料制成，电阻值随温度变化发生明显变化的电阻．如图5线②所示为某热敏电阻的电阻—温度特性曲线．
图5
(2)热敏电阻分正温度系数和负温度系数热敏电阻两类，电阻值随温度升高而增大的是正温度系数(PTC)热敏电阻；电阻值随温度升高而减小的是负温度系数(NTC)热敏电阻．常用的是负温度系数热敏电阻．
例4 (多选)在温控电路中，通过热敏电阻阻值随温度的变化可实现对电路相关物理量的控制．如图6所示电路，R1为定值电阻，R2为半导体热敏电阻(温度越高，电阻越小)，C为电容器．当环境温度降低时( )
图6
A．电容器C的带电荷量增大
B．电压表的读数增大
C．电容器C两板间的电场强度减小
D．R1消耗的功率增大
答案 AB
解析 当环境温度降低时，R2的阻值变大，电路的总电阻变大，由I＝eq \f(E,R总)可知I变小，又U＝E－Ir，则电压表的读数增大，B正确；由P1＝I2R1可知，R1消耗的功率P1变小，D错误；电容器C两板间的电压U2＝U－U1，U1＝IR1，可知U1变小，U2变大，由场强E′＝eq \f(U2,d)，Q＝CU2可知，Q、E′都增大，故A正确，C错误．
四、电阻应变片
如图7所示是一个应变式力传感器，弹簧钢制成的梁形元件右端固定，在梁的上下表面各贴一个应变片．结合力传感器的特点，叙述它的工作原理．
图7
答案 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大，下表面应变片的电阻变小．力F越大，弯曲形变越大，应变片的电阻变化就越大．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大，下表面应变片两端的电压变小．传感器把这两个电压的差值输出．力F越大，输出的电压差值也就越大．
1．电阻应变效应：金属导体在外力作用下发生机械形变时，其电阻也随之变化的现象．
2．电阻应变片：电阻应变片有金属电阻应变片和半导体电阻应变片，半导体电阻应变片的工作原理是基于半导体材料的压阻效应．
3．电阻应变片能够把物体形变这个力学量转换为电阻这个电学量．
例5 （2023•汕头二模）如图所示为无人机高度预警系统电路图。电路中的R1和R2，其中一个是定值电阻，另一个是气压传感器（可等效为可变电阻）。飞行高度越低，对气压传感器的压力越大，气压传感器的电阻值越小。当a、b两端的电压大于U1时，控制开关自动开启高位预警；当a、b两端的电压小于U2（U1、U2为定值）时，控制开关自动开启低位预警。下列说法正确的是（ ）
A．U1＜U2
B．U1＝U2
C．R2为定值电阻
D．若定值电阻的阻值越大，开启高位预警时的位置越低
答案 C
解析 ABC、当a、b两端的电压大于U1时，控制开关自动开启高位预警，说明R1为气压传感器，则R2为定值电阻；当飞行高度高时，R1的电阻比较大，则此时的电压更大，即U1＞U2，故AB错误，C正确；
若定值电阻的阻值越大，则R1分到的电压越小，所以开启高位预警时的位置越高，故D错误；
针对训练2 （2023•济南模拟）如图甲所示为某同学设计的磁报警装置的示意图。RB是磁敏电阻，其阻值随磁感应强度变化的图线如图乙所示。R1和R2为两个电阻箱，a、b两端接报警器，当电压增大到某一值时，会触发报警器报警。下列说法正确的是（ ）
A．当RB处的磁场增强时，电流表示数增大
B．当RB处的磁场增强时，a、b两端的电压减小
C．增大R2的阻值，更容易触发报警器报警
D．增大R1的阻值，更容易触发报警器报警
答案 C
解析 B．当RB处的磁场增强时，由RB﹣B图像可知其阻值变大，则电路的总电阻增大，由I=ER总可知总电流变小，a、b两端的电压为Uab＝E﹣I（r+R1）
则a、b两端的电压增大，故B错误；
A．根据并联分压可知，电流表的电流为IA=I-UabR2，由于总电流I变小，电流表示数减小，故A错误；
C．因Uab越大越容易触发报警器报警；而增大R2的阻值，总电阻增大，总电流变小，内阻r和R1的电压变小，则a、b两端的电压变大，故更容易触发报警器报警；故C正确；
D．增大R1的阻值，总电阻增大，总电流变小，则a、b两端的电压变小，要触发报警器报警更难，故D错误。
1.(对传感器的认识)非触摸式自动感应水龙头如图所示,其应用的传感器是( )
A.压力传感器
B.光电传感器
C.生物传感器
D.温度传感器
答案 B
解析 自动感应水龙头应用的是光电传感器。
2.(热敏电阻电路动态分析)如图所示,RT为负温度系数的热敏电阻,R为定值电阻。若往RT上擦些酒精,在环境温度不变的情况下,关于电压表示数的变化情况,下列说法正确的是( )
A.变大
B.变小
C.先变大再变小最后不变
D.先变小再变大最后不变
答案 D
解析 往RT上擦酒精后,酒精蒸发吸热,热敏电阻RT温度降低,电阻值增大,根据串联电路的分压特点知,电压表示数变小。当酒精蒸发完毕后,RT的温度逐渐升高到环境温度后不变,所以热敏电阻的阻值逐渐变小,最后不变,故电压表的示数将逐渐变大,最后不变。所以选项D正确。
3.(热敏电阻电路动态分析)(多选)在温控电路中,通过热敏电阻阻值随温度的变化可实现对电路相关物理量的控制。如图所示电路,R1为定值电阻,R2为半导体热敏电阻(温度越高电阻越小),C为电容器。当环境温度降低时( )
A.电容器C的带电荷量增大
B.电压表的读数增大
C.电容器C两板间的电场强度减小
D.R1消耗的功率增大
答案 AB
解析 当环境温度降低时,R2变大,电路的总电阻变大,由I=ER总知I变小,又U=E-Ir,电压表的读数U增大,B正确;又由P1=I2R1可知,R1消耗的功率P1变小,D错误;电容器两板间的电压U2=U-U1,U1=IR1,可知U1变小,U2变大,由电场强度E'=U2d,Q=CU2可知Q、E'都增大,故A正确,C错误。
4.(霍尔元件)(多选)霍尔元件的示意图如图所示,一块通电的铜板放在磁场中,铜板的前、后板面垂直于磁场,板内通有如图方向的电流,a、b是铜板上、下边缘的两点,则( )
A.电势φa>φb
B.电势φb>φa
C.B一定,电流增大时,|φa-φb|增大
D.其他条件不变,将铜板改为NaCl溶液时,电势结果仍然一样
答案 AC
解析 铜板中的自由电荷是电子,电子定向移动的方向与电流的方向相反,由左手定则可判断出电子因受洛伦兹力作用向b侧偏转,所以φa>φb,A正确,B错误;因|φa-φb|=kIBd,所以B一定,电流增大时,|φa-φb|增大,C正确;若将铜板改为NaCl溶液,溶液中的正、负离子均向b侧偏转,|φa-φb|=0,即不产生霍尔效应,故D错误。
5.(霍尔元件)(多选)如图所示是霍尔元件的工作原理示意图,如果用d表示薄片的厚度,k为霍尔系数,对于一个霍尔元件,d、k为定值,如果保持I恒定,则可以验证UH随B的变化情况。以下说法正确的是(工作面是指较大的平面)( )
A.将永磁体的一个磁极逐渐靠近霍尔元件的工作面,UH将变大
B.在测定地球两极的磁场强弱时,霍尔元件的工作面应保持水平
C.在测定地球赤道上的磁场强弱时,霍尔元件的工作面应保持水平
D.改变磁感线与霍尔元件工作面的夹角,UH将发生变化
答案 ABD
解析 将永磁体的磁极逐渐靠近霍尔元件的工作面时,B增大,I恒定,由公式UH=kIBd知UH将变大,选项A正确;地球两极的磁场方向在竖直方向上,所以霍尔元件的工作面应保持水平,使B与工作面垂直,选项B正确;地球赤道上的磁场沿水平方向,只有霍尔元件的工作面在竖直方向且垂直于南北方向时,B才与工作面垂直,选项C错误;改变磁感线与霍尔元件工作面的夹角,B垂直工作面的大小发生变化,UH将发生变化,选项D正确。
一、选择题(第1~10题为单选题,第11~13题为多选题)
1.位移传感器的工作原理如图所示,物体M在导轨上平移时,带动滑动变阻器的金属滑片P,通过电压表显示的数据,来反映物体M位移的大小x。假设电压表是理想电表,物体M不动时,滑片P位于滑动变阻器正中间位置,则下列说法正确的是( )
A.物体M运动时,电源内的电流会发生变化
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 B
解析 电压表为理想电表,则电压表不分流,故滑片移动时不会改变电路的电阻,也就不会改变电路中的电流,故A错误;电压表测的是滑片P左侧电阻分得的电压,故示数随物体M的移动即滑片的运动而变化,故B正确,C、D错误。
2.如图所示的电路可将声音信号转换为电信号,该电路中右侧固定不动的金属板b与能在声波驱动下沿水平方向振动的镀有金属层的振动膜a构成一个电容器,a、b通过导线与恒定电源两极相接。若振动膜a周期性振动,则( )
A.a振动过程中,a、b板间的电场强度不变
B.a振动过程中,a、b板所带电荷量不变
C.a振动过程中,灵敏电流计中始终有方向不变的电流
D.a向右的位移最大时,a、b板所构成的电容器的电容最大
答案 D
解析 由于平行板电容器两极板与电池两极相连接,两极板间的电压U保持不变,根据电场强度E=Ud,C=εrS4πkd可判断A错误,D正确。再由Q=CU可知,B错误。由于Q变化,使电容器出现充电、放电现象,电流计中电流方向不断变化,C错误。
3.如图为测定压力的电容式传感器,将平行板电容器、灵敏电流表(零刻度在中间)和电源串联成闭合回路,当压力F作用于可动膜片电极上时,膜片发生形变,引起电容的变化,导致灵敏电流表指针偏转,在开始对膜片施加压力使膜片电极从图中的虚线推到图中实线位置并保持固定的过程中,灵敏电流表指针偏转情况为(电流从灵敏电流表右接线柱流入时指针向右偏)( )
A.向右偏到某一刻度后回到零刻度
B.向左偏到某一刻度后回到零刻度
C.向右偏到某一刻度后不动
D.向左偏到某一刻度后不动
答案 A
解析 压力F作用时,极板间距d变小,由C=εrS4πkd知,电容器电容C变大,又电压U不变,根据Q=CU知,极板带电荷量变大,所以电容器应充电,电流由右接线柱流入灵敏电流表,所以指针将右偏。F不变时,极板保持固定后,充电结束,指针回到零刻度。故选A。
4.关于传感器及其作用,下列说法正确的是( )
A.传感器一定是把非电学量转换为电学量
B.传感器一定是把非电学量转换为电路的通断
C.传感器把非电学量转换为电学量是为了方便地进行测量、传输、处理和控制
D.电磁感应是把磁学的量转换为电学的量,所以电磁感应也是传感器
答案 C
解析 传感器是指一种元件或装置,它能感受力、温度、光、声、磁、化学成分等非电学量,并能把它们按照一定的规律转换为电压、电流等电学量,或转换为电路的通断,选项A、B错误。其作用和目的是更方便地测量、传输、处理、控制非电学量,找出非电学量和电学量之间的对应关系,选项C正确。电磁感应是原理,不是元件和装置,不能称为传感器,选项D错误。
5.有些洗衣机设有多段式水位自动感应装置,该装置采用的传感器是( )
A.温度传感器B.压力传感器
C.生物传感器D.红外线传感器
答案 B
解析 水位不同,洗衣机桶壁所受压力不同,所以应该采用压力传感器,选项B正确。
6.如图所示,有一种火灾报警器是应用烟雾对光的散射来工作的。该报警器利用的传感器是( )
A.力传感器
B.声传感器
C.位移传感器
D.光传感器
答案 D
解析 当有火灾时,会有烟产生,烟进入火灾报警器时,由于光的散射,从而触发开关报警,选项D正确。
7.如图是一个测定液面高度的传感器,在导线芯的外面涂上一层绝缘物质,放在导电液体中,导线芯和导电液构成电容器的两极,把这两极接入外电路,当外电路的电流变化说明电容值增大时,则导电液体的深度h变化为( )
A.h增大
B.h减小
C.h不变
D.无法确定
答案 A
解析 由题意知,导线芯和导电液体构成电容器的两极,类似于平行板电容器的两极,当液面高度发生变化时,相当于两极正对面积发生变化,会引起电容的变化,与平行板电容器类比可得,导电液体深度h增大时,导电芯和导电液体正对面积增大,电容器的电容值变大,故选项A正确。
8.如图所示,电源两端的电压恒定,L为小灯泡,R为光敏电阻,LED为发光二极管(电流越大,发出的光越强),且R与LED间距不变,闭合开关S后,下列说法正确的是( )
A.当滑片P向左移动时,L消耗的功率增大
B.当滑片P向左移动时,L消耗的功率减小
C.当滑片P向右移动时,L消耗的功率可能不变
D.无论怎样移动滑片P,L消耗的功率都不变
答案 A
解析 当滑片P向左移动时,使其电阻减小,则流过二极管的电流增大,从而发光增强,使光敏电阻R的阻值减小,通过灯泡L的电流增大,则L消耗的功率增大,A正确,B、D错误;当滑片P向右移动时,可分析出L消耗的功率变小,C错误。
9.有一种在光照或温度升高时都能启动排气扇的自动控制装置,下列说法正确的是( )
A.两个传感器都是光电传感器
B.两个传感器分别是光电传感器和温度传感器
C.两个传感器可能分别是温度传感器、电容式传感器
D.只有光照和温度都适合时排气扇才能工作
答案 B
解析 题中提到有光照或温度升高时排气扇都能自动启动,由此可见两个传感器一个是光电传感器,一个是温度传感器,而且排气扇自动启动只需光照和温度其中一个满足条件即可,A、C、D错误,B正确。
10.下图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,灯L1亮报警
B.温度升高至74 ℃时,灯L2亮报警
C.温度升高至78 ℃时,灯L1亮报警
D.温度升高至78 ℃时,灯L2亮报警
答案 D
解析 当温度低于78 ℃时,继电器线圈中没有电流,此时灯L1亮;当温度升高到78 ℃时,继电器线圈中有电流,磁铁吸下衔铁,灯L2被接通,所以灯L2亮报警,故选项A、B、C错误,D正确。
11.(2023·重庆统考一模)传感器的使用使我们的生活更加方便、安全和舒适,下列应用了力传感器的是( )
A.无人管理自动灌溉系统
B.商场使用的电子秤
C.酒店大厅的自动门
D.给货车称重的地磅
答案 BD
解析 无人管理自动灌溉系统,应用的是湿度传感器,选项A错误;商场使用的电子秤应用了力传感器,选项B正确;酒店大厅的自动门应用的是红外传感器,选项C错误;给货车称重的地磅应用了力传感器,选项D正确。
12.(多选)电阻R随温度T变化的图线如图所示。下列说法正确的是( )
A.图线1是热敏电阻的图线,它是用金属材料制成的
B.图线2是热敏电阻的图线,它是用半导体材料制成的
C.图线1对应的材料化学稳定性好、测温范围大、灵敏度高
D.图线2对应的材料化学稳定性差、测温范围小、灵敏度高
答案 BD
解析 金属热电阻的阻值随温度升高而增大,半导体材料的热敏电阻的阻值随温度升高而减小,所以A错误,B正确;图线1对应的材料化学稳定性好但灵敏度低,图线2对应的材料化学稳定性差但灵敏度高,所以C错误,D正确。
13.如图所示,干簧管放在磁场中时两个舌簧能被磁化。关于干簧管,下列说法正确的是( )
A.干簧管接入电路中相当于电阻的作用
B.干簧管是根据热胀冷缩的原理制成的
C.干簧管接入电路中相当于开关的作用
D.干簧管是作为电控元件以实现自动控制的
答案 CD
解析 干簧管能感知磁场,因为两个舌簧由软磁性材料制成,当周围存在磁场时,两个舌簧被磁化,就会相互吸引,所以是作开关来使用,作为控制元件以实现自动控制的,选项C、D正确。
一、选择题(第1~7题为单选题,第8~11题为多选题)
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
答案 C
解析 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.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( )
答案 B
解析 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.热敏电阻能将热信号转换为电信号,是因为( )
A.热敏电阻阻值的大小随热量的变化而变化
B.热敏电阻阻值的大小随温度的变化而变化
C.热敏电阻体积的大小随热量的变化而变化
D.热敏电阻体积的大小随温度的变化而变化
答案 B
4.(2023北京丰台区高二期中)如图甲所示,在光敏电阻R2上加上如图乙所示的光照,那么R2两端的电压变化是下列图中的( )
答案 B
解析 光敏电阻阻值随光照的增强而减小,且R2两端的电压与R2的阻值成正比,根据题图乙知R2两端的电压随光强同频率先减小后增大,但不会是零,所以选B。
5.如图所示,R3是光敏电阻(光照时电阻变小),当开关S闭合后,在没有光照射时,a、b两点等电势。当用光照射电阻R3时,则( )
A.a点电势高于b点电势
B.a点电势低于b点电势
C.a点电势等于b点电势
D.a点电势和b点电势的大小无法比较
答案 A
解析 R3是光敏电阻,当有光照射时R3电阻变小,R3两端电压减小,故a点电势升高,因其他电阻的阻值不变,所以a点电势高于b点电势。
6.如图所示,将一光敏电阻接入多用电表两表笔上,将多用电表的选择开关置于欧姆挡,用光照射光敏电阻时表针自左向右的偏角为θ,现用手掌挡住部分光线,表针自左向右的偏角变为θ',则可判断( )
A.θ'=θ
B.θ'<θ
C.θ'>θ
D.不能确定
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,指针自左向右偏转角度变小,故B正确。
7.为了节约能源、合理适时地使用路灯,要求夜晚亮、白天熄,利用半导体的某种特性制成自动点亮熄灭的装置,实现了自动控制,这是利用半导体的( )
A.压敏性B.光敏性
C.热敏性D.三种特性都利用了
答案 B
解析 由题意可知,这一装置要对光敏感,能区分白天(光线强)与夜晚(光线暗),故选项B正确。虽然白天与夜晚温度也不相同,但温度除与昼夜有关外,还与季节有关,故选项C错误。并没有利用压敏性,选项A、D错误。
8.下图为电阻R随温度T变化的图像,下列说法正确的是( )
A.图线1是热敏电阻的图线,它是用金属材料制成的
B.图线2是热敏电阻的图线,它是用半导体材料制成的
C.图线1对应的材料化学稳定性好、测温范围大、灵敏度高
D.图线2对应的材料化学稳定性差、测温范围小、灵敏度高
答案 BD
解析 金属热电阻的阻值随温度升高而增大,负温度系数半导体材料制成的热敏电阻的阻值随温度升高而减小,选项A错误,B正确;图线1对应的材料化学稳定性好、测温范围大,但灵敏度低,图线2对应的材料化学稳定性差、测温范围小,但灵敏度高,选项C错误,D正确。
9.(多选)如图是利用硫化镉制成的光敏电阻自动计数的示意图,其中A是发光仪器,B是光敏电阻(光照增强时电阻变小),下列说法正确的是( )
A.当传送带上没有物品挡住由A射向B的光信号时,光敏电阻的阻值变小,电压表读数变小
B.当传送带上没有物品挡住由A射向B的光信号时,光敏电阻的阻值变大,电压表读数变大
C.当传送带上有物品挡住由A射向B的光信号时,光敏电阻的阻值变小,电压表读数变小
D.当传送带上有物品挡住由A射向B的光信号时,光敏电阻的阻值变大,电压表读数变大
答案 AD
解析 光敏电阻的阻值与光照强度有关,光照强度越大,光敏电阻阻值越小。当传送带上没有物品挡住由A射向B的光信号时,光敏电阻阻值变小,电路中电流变大,电源内阻上的电压变大,路端电压变小,所以电压表读数变小,选项A正确;相反,当传送带上有物品挡住由A射向B的光信号时,光敏电阻的阻值变大,电路中电流变小,电源内阻上的电压变小,路端电压变大,所以电压表读数变大,选项D正确。
10.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
答案 BC
解析 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。
11.在温控电路中,通过热敏电阻阻值随温度的变化可实现对电路相关物理量的控制。如图所示电路,R1为定值电阻,R2为半导体热敏电阻(温度越高电阻越小),C为电容器。当环境温度降低时( )
A.电容器C的电荷量增大
B.电压表的读数增大
C.电容器C两板间的电场强度减小
D.R1消耗的功率增大
答案 AB
解析 当环境温度降低时,R2变大,电路的总电阻变大,由I=ER总知I变小,又U=E-Ir,电压表的读数U增大,选项B正确。又由P1=I2R1可知,R1消耗的功率P1变小,选项D错误。电容器两板间的电压U2=U-U1,U1=IR1,可知U1变小,U2变大,由电场强度E'=U2d,Q=CU2可知Q、E'都增大,故选项A正确,C错误。
12.电容式位移传感器的工作原理如图所示。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。如果测出了电容的变化,就能知道物体位置的变化。电容式位移传感是把位移这个力学量转化为电容这个电学量。在某次测量中,电容增大了,则被测物体向左(选填“左”或“右”)移动。
解析 被测物体运动时,电介质在极板间的长度不同,影响电容器的电容,电容式位移传感器是把位移这个力学量转化为电容这个电学量。在某次测量中,电容增大了,根据C=εrS4πkd可知介电常数变大了,即被测物体向左运动了。
分类
热敏电阻
金属热电阻
特点
负温度系数的热敏电阻,电阻率随温度的升高而减小
电阻率随温度的升高而增大
R-T
图像
(负温度系数的热敏电阻)
制作材料
半导体
金属
导电原理
自由电子和空穴等载流子
自由电子的定向移动
优点
灵敏度较好
化学稳定性好,测温范围大,但灵敏度较差
作用
将温度这个热学量转换为电阻这个电学量