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1、06第六章传感器1传感器及其工作原理课时过关能力提升基础巩固1.(多选)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功能解析:干簧管能感知磁场,是因为当两个舌簧所处位置的磁场方向相同时,就会相互吸引,接通电路,所以将其作开关来使用,当磁场靠近的时候,就会实现闭合或断开。答案:CD2.下列关于传感器的说法正确的是()A.所有传感器都是由半导体材料做成的B.金属材料也可以制成传感器C.传感器主要是通过感知电压的变化来传递信号的D.以上说法都不正确解析:半导体材料可
2、以制成传感器,其他材料也可以制成传感器,所以A错误,B正确;传感器不仅能感知电压的变化,还能感受力、温度、光、声、化学成分等非电学量,所以C错误。答案:B3.传感器可将非电学量转化为电学量,起自动控制作用,如计算机鼠标中有位移传感器,电饭煲中有温度传感器,电视机、录像机、影碟机、空调机中有光电传感器,右图是演示位移传感器的工作原理图,物体M在导轨上平移时,带动滑动变阻器的滑片滑动,通过电压表显示的数据来反映物体位移的大小,假设电压表是理想的,则下列说法正确的是()A.物体M运动时,电路中的电流会发生变化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
3、压表没有示数解析:由于电压表是理想的,因此当滑片P移动时,不改变闭合电路的电阻,电路中的电流不发生变化,即电流恒定,A、C错误;物体M运动时,电压表所测电压是变化的,M不动时,电压表示数恒定,B正确,D错误。答案:B4.霍尔元件能转换哪个物理量()A.把温度这个热学量转换成电阻这个电学量B.把磁感应强度这个磁学量转换成电压这个电学量C.把力这个力学量转换成电压这个电学量D.把光照强弱这个光学量转换成电阻这个电学量解析:根据霍尔元件的工作原理,载流子在洛伦兹力作用下漂移,形成霍尔电压,UH=kIBd,所以,它将磁感应强度这个磁学量转换成电压这个电学量,故B正确。答案:B5.如图所示,将一光敏电阻
4、接入多用电表两表笔之间,多用电表的选择开关置于欧姆挡,用光照射光敏电阻时,表针自左向右的偏转角度为。现用手掌挡住部分光线,表针自左向右的偏角为,则可判断()A.=B.D.不能确定解析:光敏电阻的阻值随光照的减弱而增大,所以用手掌挡住部分光线后光敏电阻的阻值变大,多用电表的指针偏转角度变小。答案:B6.有一个消毒用电器P,电阻为20 k,它只有在电压高于24 V时才能工作。今用一个光敏电阻R1对它进行控制,光敏电阻在光照时为100 ,无光照时为1 000 。电源电动势E为36 V,内阻不计,另有一个定值电阻R2,电阻为1 000 。下列电路,当开关闭合后能使消毒用电器在光照时正常工作、无光照时停
5、止工作的是()解析:利用相关知识分析可知,电路A和B只能使消毒用电器在光照时正常工作,不能在无光照时停止工作;电路C能使消毒用电器在光照时正常工作,无光照时停止工作;电路D中消毒用电器在光照或无光照时都停止工作。答案:C7.(多选)如图所示,导电物质为电子的霍尔元件位于两串联线圈之间,线圈中电流为I,线圈间产生匀强磁场,磁感应强度大小B与I成正比,方向垂直于霍尔元件的两侧面,此时通过霍尔元件的电流为IH,与其前后表面相连的电压表测出的霍尔电压UH满足UH=kIHBd,式中k为霍尔系数,d为霍尔元件两侧面间的距离,电阻R远大于RL,霍尔元件的电阻可以忽略,则()A.霍尔元件前表面的电势低于后表面
6、B.若电源的正负极对调,电压表将反偏C.IH与I成正比D.电压表的示数与RL消耗的电功率成正比解析:由左手定则可判断霍尔元件中电子的受力方向向里,电子向元件的后表面聚集,故霍尔元件的前表面电势高于后表面,选项A错误;电源的正、负极对调时,线圈中及霍尔元件中电流方向均反向,电子的受力方向不变,仍是前表面电势高于后表面,故电压表不会反偏,选项B错误;由并联电路电流分配特点可知IH=RLR+RLI,IL=RR+RLI,有IHI,ILI,选项C正确;因BI,IHI,所以UHI2,又RL消耗的电功率P=IL2RL,即PIL2I2,所以UHP,选项D正确。答案:CD8.如图所示,将多用电表的选择开关置于欧
7、姆挡,再将电表的两支表笔与负温度系数的热敏电阻RT的两端相连,这时表针恰好指在刻度盘的正中间。若往RT上擦一些酒精,表针将向移动;若用吹风机将热风吹向电阻,表针将向移动。(均选填“左”或“右”)解析:若往RT上擦一些酒精,由于酒精蒸发吸热,热敏电阻RT温度降低,电阻值增大,指针应向左偏;用吹风机将热风吹向电阻,电阻RT温度升高,电阻值减小,指针向右偏。答案:左右9.一种半导体材料称为“霍尔材料”,用它制成的元件称为“霍尔元件”,这种材料有可定向移动的电荷,称为“载流子”,每个载流子的电荷量大小为1.610-19 C。霍尔元件在自动检测、控制领域得到广泛应用,如录像机中用来测量录像磁鼓的转速、电
8、梯中用来检测电梯门是否关闭以及自动控制升降电动机电源的通断等。在一次实验中,一块霍尔材料制成的薄片宽ab=1.010-2 m、长bc=4.010-2 m、厚h=110-3 m,水平放置在竖直向上的磁感应强度B=1.5 T的匀强磁场中,bc方向通有I=3.0 A的电流,如图所示,沿宽度产生1.010-5 V的横向电压。(1)假定载流子是电子,则a、b两端中的哪端电势较高?(2)薄板上形成电流I的载流子定向运动的速率多大?解析:(1)根据左手定则可确定a端电势较高。(2)当导体内由于载流子沿电流方向所在的直线定向运动时,受洛伦兹力作用而产生横向分运动,不断聚积产生横向电场,横向电场的静电力与洛伦兹
9、力平衡时,导体横向电压稳定。设载流子沿电流方向所在的直线定向运动的速度为v,横向电压为Uab,静电力为F电=Uababe,洛伦兹力F磁=evB,平衡时Uababe=evB,解得v=UababB6.710-4 m/s。答案:(1)a端电势较高(2)6.710-4 m/s能力提升1.(多选)光敏电阻自动计数器的示意图如图所示,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()A.当有光照射R1时,信号处理系统获得高电压B.当有光照射R2时,信号处理系统获得低电压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解析:光敏电阻在被光照射时阻值发生变
10、化,这样光敏电阻可以把光照强弱转换为电阻阻值大小这个电学量;光敏电阻的阻值随光照的增强而减小;光电计数器工作原理:当有物体挡住射到光敏电阻R1的光照时,R1电阻阻值增大,电路中电流减小,R2两端电压降低,信号处理系统得到低电压,计数器每由高电压转到低电压,就计一个数,从而达到自动计数的目的。答案:AC2.如图所示,R3是光敏电阻,开关S闭合后,没有光照射时,A、B 两点等电势。当用光照射电阻R3时,则()A.R3的电阻变小,A点电势高于B点电势B.R3的电阻变小,A点电势低于B点电势C.R3的电阻变大,A点电势高于B点电势D.R3的电阻变大,A点电势低于B点电势解析:当光照射R3时,R3阻值变
11、小,R4分压变大,则A点电势将会升高,所以A点电势高于B点电势。答案:A3.(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带的电荷量增大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U1=IR1及P1=I2R1可知U1变小,R1消耗的功率P1变小,D错误;电容器两板间的电压U2=U-U1,U2变大,
12、由电场强度E=U2d,Q=CU2可知Q、E都增大,故A正确,C错误。答案:AB4.(多选)霍尔元件的工作原理示意图如图所示。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。以下说法中正确的是(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将发生变化解析:一个磁极靠近霍尔元件工作面时,B增强,由UH=kIBd知UH将变大,故A正确;两
13、极处磁场可看作与地面垂直,所以工作面应保持水平,故B正确;赤道处磁场可看作与地面平行,所以工作面应保持竖直,故C错误;若磁场与工作面夹角为,则应有qvBsin =UHdq,可见变化时,UH将变化,故D正确。答案:ABD5.一个测定液面高度的传感器如图所示,在导线芯的外面涂上一层绝缘物质,放在导电液体中,导线芯和导电液体构成电容器的两极,把这两极接入外电路。当外电路中的电流变化说明电容增大时,则导电液体的深度h的变化为()A.h增大B.h减小C.h不变D.无法确定解析: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
14、的变化,与平行板电容器类比可得,导电液体深度h增大时,导线芯和导电液体正对面积增大,电容器的电容变大。答案:A6.下图是自动水位报警器的示意图。在水位低于B时,电磁铁所在的控制电路部分断路,灯亮;当水位升高到B时,电磁铁所在的控制电路部分接通,灯亮。解析:当水位低于B时,电磁铁所在的控制电路部分断路,此时电磁铁不吸引衔铁,绿灯所在回路接通,所以绿灯亮;当水位升高到B时,电磁铁所在的控制电路部分接通,电磁铁具有磁性,吸引衔铁使红灯所在回路接通,所以此时红灯亮。答案:绿红7.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的匀强磁场中。当电流通过导体板时,在导体板的上侧面A和下侧面
15、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:外部磁场的洛伦兹力使运动的电子聚积在导体板的一侧,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,电子的平均定向移动速度为v,电荷量为e。回答下列问题:(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)
16、当导体板上下两侧之间的电势差为U时,电子所受静电力的大小为;(4)由静电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内电子的个数。解析:(1)电子向左移动,由左手定则知,电子受洛伦兹力向上,故上侧面A聚积电子,下侧面A聚积正电荷,故上侧面电势低于下侧面;(2)洛伦兹力F=evB;(3)电子受静电力eE=eUh;(4)电子受静电力和洛伦兹力的作用,两力平衡,有eUh=evB得U=hvB通过导体的电流I=nevdh由U=kIBd,得hvB=knevBdhd,得k=1ne。答案:(1)低于(2)evB(3)eUh(4)见解析8.如图所示,A是浮子,B是金属触头,C为住宅楼房顶上的蓄水池,M是带水泵的电动机,D是弹簧,E是衔铁,F是电磁铁,S1、S2分别为触头开关,S为开关,J为电池。请利用上述材料,设计一个住宅楼房顶上的自动注水装置。(1)连接电路图;(2)简述其工作原理(涉及的元件可用字母代替)。答案:(1)如图所示(2)按图接好电路,闭合开关S,水泵工作,水位升高,当浮子上升使B接触到S1时,左侧电路(控制电路)工作,电磁铁F有磁性,吸下衔铁E,使S2断开,电动机M不工作,停止注水。当水位下降时使B与S1脱离,控制电路停止工作,F无磁性,D拉动E,使S2闭合,M工作。