专题55 传感器-高考全攻略之备战2018年高考物理考点一遍过 17页

‎ ‎ 一、传感器 ‎1．定义：传感器是能把力、温度、光、声、化学成分等物理量，按照一定的规律转换为便于传送和处理的另一个物理量（通常是电压、电流等电学量），或转换为电路的通断的元件。‎ ‎2．工作原理：非电学量→敏感元件→转换器件→转换电路→电学量 二、常见传感器元件 名称 输入物理量 输出物理量 变化规律 干簧管 磁场 电路通断 有磁场电路接通，无磁场电路断开 金属热电阻 温度 电阻 温度越高，电阻率越大 热敏电阻 温度 电阻 温度越高，电阻率越小 光敏电阻 光强 电阻 光照越强，电阻率越小 电容式位移传感器 位移 电容 ‎，改变εr、S、d 霍尔元件 磁感应强度 电压 应变片 形变 电压 拉伸电阻变大，压缩电阻变小 双金属片 温度 电路通断 热膨胀系数不同，升高相同温度，膨胀程度不同 感温铁氧体 温度 电路通断 常温具有铁磁性，温度高于居里温度失去铁磁性 如图所示，R4‎ 是半导体材料制成的热敏电阻，电阻率随温度的升高而减小，这就是一个火警报警器的电路，电流表是安放在值班室的显示器，电源两极间接一个报警器，当R4所在处出现火情时，显示器的电流I和报警器两端的电压U的变化情况是 A．I变大，U变小 B．I变大，U变大 C．I变小，U变大 D．I变小，U变小 ‎【参考答案】A ‎【详细解析】当R4所在处出现火情时，R4的电阻减小，路端总电阻减小，所以路端电压减小，即报警器两端的电压U减小，总电流增大，故通过R1的电流增大，R1两端的电压增大，故并联电路的电压减小，通过R3的电流减小，所以通过R4支路的电流增大，电流表的示数增大，选A。‎ ‎【名师点睛】电阻类传感器主要分为金属热电阻和半导体材料电阻两类，前者的电阻率随温度升高而增大，后者的电阻率随温度升高或光照增强而减小。含电阻类传感器的电路问题本质上一般是动态电路问题，解题时要注意外部环境条件和传感器元件电阻的变化趋势。‎ ‎1．如图所示，Rt为金属热电阻，R1为光敏电阻，R2、R3均为定值电阻，电源电动势为E、内阻为r，V为理想电压表。现发现电压表示数增大，可能的原因是 A．金属热电阻温度升高，其他条件不变 B．光照增强，其他条件不变 C．金属热电阻温度升高，光照增强，其他条件不变 D．金属热电阻温度降低，光照减弱，其他条件不变 ‎【答案】D 小；如果总电阻减小，则路端电压减小，通过R3的电流减小，电压表示数减小；如果总电阻增大，则总电流减小，路端电压增大，通过R1的电流增大，通过R3的电流减小，电压表示数减小，C错误。金属热电阻温度降低，电阻减小，光照减弱，R1电阻增大；如果总电阻减小，则总电流增大，路端电压减小，通过R1的电流减小，通过R3的电流增大，电压表示数增大；如果总电阻增大，则路端电压增大，通过R3的电流增大，电压表示数增大，D正确。‎ 霍尔式位移传感器的测量原理如图所示，有一个沿z轴方向的磁场，磁感应强度B=B0+kz（B0、k均为大于零的常数）。将传感器固定在物体上，保持通过霍尔元件的电流I不变（方向向右）。当物体沿z轴方向运动时，由于位置不同，霍尔元件在y轴方向的上、下表面产生的电势差U也不同。则 A．若该霍尔元件是电子导电，则上板电势比下板电势高 B．传感器灵敏度与通过的电流有关 C．传感器灵敏度与上、下表面的距离有关 D．当物体沿z轴正方向移动时，上、下表面的电势差U变小 ‎【参考答案】AB ‎【详细解析】由左手定则，霍尔元件中的电子受洛伦兹力向下运动，下板电势低、上板电势高，A正确；霍尔元件内部形成电场，最终电子在电场力和洛伦兹力作用下平衡，设霍尔元件沿x、y、z轴的长宽分别为a、b、c，有，电流I=nevbc，可得，沿z轴正方向移动时，上、下表面的电势差U变大，D错误；将对z求导有，与通过的电流I有关，与上、下表面的距离b无关，B正确，C错误。‎ ‎【知识拓展】由霍尔电压，结合本题中，可知霍尔系数，其中n为载流子单位体积的数密度，q为载流子的电荷量，即霍尔系数由材料本身决定。‎ ‎1．霍尔效应是导电材料中的电流与磁场相互作用而产生电势差的效应，人们利用霍尔效应制成测量磁场的磁传感器。这类磁传感器测出的是磁感应强度沿轴线方向的分量。如图甲所示，某同学将磁传感器调零后探究条形磁铁附近的磁场，计算机显示磁感应强度为正，他接下来用探头同样的取向研究长直螺线管（电流方向如图乙所示）轴向的磁场，以螺线管轴线的中心点为坐标原点，沿轴线向右为x轴正方向，建立坐标系。下列图象中可能正确的是 ‎【答案】A ‎ ‎ 电容式传感器是用来将各种非电信号转变为电信号的装置。由于电容器的电容C取决于极板正对面积S、极板间距离d以及极板间的电介质这几个因素，当某一物理量发生变化时就能引起上述某个因素的变化，从而又可推出另一物理量的值，如图所示是四种电容式传感器的示意图，关于这四种传感器的作用，下列说法不正确的是 A．甲传感器可以用来测量角度 B．乙传感器可以用来测量液面的高度 C．丙传感器可以用来测量压力 D．丁传感器可以用来测量速度 ‎【参考答案】D ‎【详细解析】甲传感器的定片和动片间的角度变化导致电容变化；乙传感器外导电液体液面的高度变化导致正对面积变化；丙传感器中待测压力F变化能导致极板间距的变化；丁传感器物体位置的变化导致电介质的变化。甲、乙、丙、丁四个传感器分别能测角度、液面高度、压力、位移，ABC正确，D错误，故选D。‎ ‎【名师点睛】电容式位移传感器的原理是电容的决定式，其中极板正对面积S、极板间距d都可以通过极板的位移改变，某种电介质材料的相对介电常数εr不易改变，常通过改变板间电介质材料的体积，改变了平均相对介电常数。‎ ‎1．如图是自动调温式电熨斗，下列说法正确的是 A．常温时上下触点是接触的 B．双金属片温度升高时，上金属片形变较大，双金属片将向下弯曲 C．原来温度控制在80 ℃断开电源，现要求60 ℃断开电源，应使调温旋钮下调一些 D．由熨烫丝绸衣物状态转化为熨烫棉麻衣物状态，应使调温旋钮下移一些 ‎【答案】ABD ‎【解析】常温工作时，上下触点是接通的，当温度升高时，上层金属片形变大，双金属片向下弯曲，电路断开，AB正确；原来温度上升到80 ℃时断开电源，现在要求60 ℃时断开电源，则断开电源时，双金属片向下弯曲的程度小，弹性铜片触电的位置较高，即应使调温旋钮上调一些，C错误；由熨烫丝绸衣物状态转化为熨烫棉麻衣物状态时，温度要升高，则应使调温旋钮下移一些，在双金属片向下弯曲程度更大时使电路断开，D正确。‎ ‎2．如图是电饭锅的结构图，如果感温磁体的“居里温度”为103 ℃，下列说法中正确的是 A．常温下感温磁体具有较强的磁性，能自动吸起永磁体，通电加热 B．当温度超过103 ℃时，感温磁体的磁性消失，弹簧推动杠杆断开触点 C．饭熟后，水分被大米吸收，锅底的温度会超过103 ℃，这时开关按钮不会跳起 D．常压下只要锅内有水，锅内的温度不可能达到103 ℃，开关按钮就不会自动跳起 ‎【答案】BD ‎1．热敏电阻是传感电路中常用的电子元件，其电阻Rt随温度t变化的图线如图甲所示。如图乙所示电路中，热敏电阻Rt与其他电阻构成闭合电路，水平放置的平行金属板中带电质点P处于静止状态，不考虑电流 表和电压表对电路的影响，当Rt所在处温度升高时，则 A．电压表读数减小 B．电流表读数减小 C．质点P将向上运动 D．R3上消耗的功率增大 ‎2．科学家研究发现，磁敏电阻（GMR）的阻值随所处空间磁场的增强而增大，随所处空间磁场的减弱而变小，如图所示电路中GMR为一个磁敏电阻，R和R2为滑动变阻器，R1和R3为定值电阻，当开关S1和S2闭合时，电容器中一带电微粒恰好处于静止状态．则 A．只调节R2，当P2向下移动时，电阻R1消耗的电功率不变 B．只调节R2，当P2向下移动时，带电微粒向下运动 C．只调节R，当P1向右移动时，电阻R1消耗的电功率变小 D．只调节R，当P1向右移动时，带电微粒向下运动 ‎3．为锻炼身体，小明利用所学物理知识设计了一个电子拉力计，如图所示。轻质弹簧右端和金属滑片P固定在一起（弹簧电阻不计，P与R1间的摩擦不计），弹簧劲度系数为100 N/cm。定值电阻R0=5 Ω，ab是一根长为5 cm的均匀电阻丝，阻值R1=25 Ω，电源输出电压恒为U=3 V，内阻不计，理想电流表的量程为0~0.6 A。当拉环不受力时，滑片P处于a端。下列关于这个电路的说法正确的是 A．小明在电路中连入R0的目的是保护电路 B．当拉环不受力时，闭合开关后电流表的读数为0.1 A C．当拉力为400 N时，电流表指针指在0.3 A处 D．当拉力为400 N时，电流表指针指在0.5 A处 ‎4．压敏电阻的阻值随所受压力的增大而减小，有同学利用压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，将压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，重球直径略小于压敏电阻和挡板间距，小车向右做直线运动的过程中，电流表示数如图乙所示，下列判断正确的是 A．0~t1时间内，小车一定做匀速直线运动 B．t1~t2时间内，小车做匀加速直线运动 C．t2~t3时间内，小车做匀加速直线运动 D．t2~t3时间内，小车做匀速直线运动 ‎5．如图为用电源、电磁继电器、滑动变阻器、绿灯泡、小电铃、半导体热敏电阻、开关、导线等组成的一个高温报警器电路图，要求是：正常情况绿灯亮，有险情时电铃报警，则图中的甲、乙、丙分别是 A．小电铃、半导体热敏电阻、绿灯泡 B．半导体热敏电阻、小电铃、绿灯泡 C．绿灯泡、小电铃、半导体热敏电阻 D．半导体热敏电阻、绿灯泡、小电铃 ‎6．高温超导限流器被公认为目前最好的，且惟一行之有效的短路故障电流限制装置。中国科学院电工研究所完成了一种具有自主知识产权的高温超导限流器样机的研制工作，并于2005年初在湖南进行并网挂机实验。超导限流器由超导部件和限流电阻并联组成，如图所示。超导部件有一个超导临界电流IC，当通过限流器的电流I>IC时，将造成超导体失超，从超导态（电阻为零）转变为正常态（纯电阻），来限制电力系统故障电流。已知超导部件的正常态电阻为R1=3 Ω，超导临界电流IC=1.2 A，限流电阻R2=6 ‎ Ω，小灯泡L标有“6 V 6 W”，电源电动势E=8 V，内阻r=2 Ω，原来电路正常工作，现L突然短路，则 A．短路前通过R1的电流为A B．超导部件将由超导态转为正常态 C．短路后通过R1的电流为A D．短路后通过R1的电流为2 A ‎7．氧化锡传感器主要用于汽车尾气中一氧化碳浓度的检测，它的电阻随一氧化碳浓度的变化而变化。在如图甲所示的电路中，不同的一氧化碳浓度对应着传感器的不同电阻，这样，电压表的指针位置就与一氧化碳浓度有了对应关系，观察电压表指针就能判断一氧化碳浓度是否超标。有一种氧化锡传感器，其技术资料中给出的是电导（即电阻的倒数）和CO浓度的关系曲线，如图乙所示。在下列表示一氧化碳浓度c与电压表示数U0之间关系的图象中正确的是 ‎8．工业生产中需要物料配比的地方常用“吊斗式”电子秤，图甲所示的是“吊斗式”电子秤的结构图，其中实现称质量的关键元件是拉力传感器。拉力传感器的内部电路如图所示，R1、R2、R3是定值电阻，R1=20 kΩ，R2=10 kΩ，R0是对拉力敏感的应变片电阻，其电阻值随拉力变化的图象如图乙所示，已知料斗重1×103 N，没装料时Uba=0，重力加速度g取10 m/s2。下列说法中正确的是 A．R3阻值为40 kΩ B．装料时，R0的阻值逐渐变大，Uba逐渐变小 C．拉力越大应变片电阻阻值越大，Uba传感器的示数也越大 D．应变片作用是把物体形变这个力学量转换为电压这个电学量 ‎9．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“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”的叙述中正确的是 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、下面间所加电压正负极性对调，将影响车速控制 ‎10．（2016海南卷）图（a）所示，理想变压器的原、副线圈的匝数比为4:1，RT为阻值随温度升高而减小的热敏电阻，R1为定值电阻，电压表和电流表均为理想交流电表。原线圈所接电压u随时间t按正弦规律变化，如图（b）所示。下列说法正确的是 A．变压器输入、输出功率之比为4:1‎ B．变压器原、副线圈中的电流强度之比为1:4‎ C．u随t变化的规律为u=51sin(50πt)（国际单位制）‎ D．若热敏电阻RT的温度升高，则电压表的示数不变，电流表的示数变大 ‎11．（2016江苏卷）电吉他中电拾音器的基本结构如图所示，磁体附近的金属弦被磁化，因此弦振动时，在线圈中产生感应电流，电流经电路放大后传送到音箱发出声音，下列说法正确的有 A．选用铜质弦，电吉他仍能正常工作 B．取走磁体，电吉他将不能正常工作 C．增加线圈匝数可以增大线圈中的感应电动势 D．弦振动过程中，线圈中的电流方向不断变化 ‎12．（2016浙江卷）如图所示为一种常见的身高体重测量仪。测量仪顶部向下发射波速为v的超声波，超声波经反射后返回，被测量仪接收，测量仪记录发射和接收的时间间隔。质量为M0的测重台置于压力传感器上，传感器输出电压与作用在其上的压力成正比。当测重台没有站人时，测量仪记录的时间间隔为t0，输出电压为U0，某同学站上测重台，测量仪记录的时间间隔为t，输出电压为U，则该同学身高和质量分别为 A．v(t0–t)，‎ B．v(t0–t)，‎ C．v(t0–t)，‎ D．v(t0–t)，‎ ‎13．（2015上海卷）监控系统控制电路如图所示，开关S闭合时，系统白天和晚上都工作，开关S断开时，系统仅晚上工作。在电路中虚框处分别接入光敏电阻（受光照时阻值减小）和定值电阻，则电路中 A．C是“与门”，A是光敏电阻 B．C是“与门”，B是光敏电阻 C．C是“或门”，A是光敏电阻 D．C是“或门”，B是光敏电阻 ‎14．（2014江苏卷）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：，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 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 ‎15．（2017江苏卷）某同学通过实验制作一个简易的温控装置，实验原理电路图如图所示，继电器与热敏电阻Rt、滑动变阻器R串联接在电源E两端，当继电器的电流超过15 mA时，衔铁被吸合，加热器停止加热，实现温控。继电器的电阻约为20 Ω，热敏电阻的阻值Rt与温度t的关系如下表所示 ‎（1）提供的实验器材有：‎ 电源E1（3 V，内阻不计）、电源E2（6 V，内阻不计）、滑动变阻器R1（0~200 Ω）、滑动变阻器R2（0~500 Ω）、热敏电阻Rt，继电器、电阻箱（0~999.9 Ω）、开关S、导线若干。‎ 为使该装置实现对30~80 ℃之间任一温度的控制，电源E应选用_____（选填“E1”或“E2”），滑动变阻器R应选用_____（选填“R1”或“R2”）。‎ ‎（2）实验发现电路不工作。某同学为排查电路故障，用多用电表测量各接点间的电压，则应将如图所示的选择开关旋至_____（选填“A”、“B”、“C”或“D”）。‎ ‎（3）合上开关S，用调节好的多用电表进行排查，若只有b、c间断路，则应发现表笔接入a、b时指针________（选填“偏转”或“不偏转”），接入a、c时指针________（选填“偏转”或“不偏转”）。‎ ‎（4）排除故障后，欲使衔铁在热敏电阻为50 ℃时被吸合，下列操作步骤正确顺序是_______________‎ ‎（填写各步骤前的序号）。‎ ‎①将热敏电阻接入电路 ‎②观察到继电器的衔铁被吸合 ‎③断开开关，将电阻箱从电路中移除 ‎④合上开关，调节滑动变阻器的阻值 ‎⑤断开开关，用电阻箱替换热敏电阻，将阻值调至108.1 Ω ‎ ‎ ‎1．A【解析】当Rt所在处温度升高时，Rt减小，电路总电阻减小，电流变大，路端电压减小，R1电压变大，电容器两端电压减小，则质点P将向下运动，C错误；R3两端电压减小，R3上消耗的功率减小，D错误；R3电流减小，则电流表读数变大，B错误；R2电流变大，两端电压变大，则电压表读数变小，A正确。‎ ‎3．ABC【解析】若电路无电阻R0，且P在b端时，电源短路，连入R0的目的是保护，A正确；当拉环不受力时，P在a端，电路中电流，B正确；当拉力为400 N时，弹簧伸长量，则电阻丝连入电路的电阻，电路中电流，C正确，D错误。‎ ‎4．C【解析】0~t1时间内，I不变，压力恒定，小车做匀加速直线运动，A错误；t1~t2时间内，I变大，压敏电阻阻值变小，压力变大，小车做加速度增大的加速运动，B错误；t2~t3时间内，I不变，压力恒定，小车做匀加速直线运动，C正确，D错误。‎ ‎5．B【解析】甲为半导体热敏电阻，控制电路电流，使电磁铁产生磁力；常温下热敏电阻阻值较大，电流较小，电磁铁磁性较弱，不能将衔铁吸下，此时绿灯所在电路接通，绿灯亮，所以丙为绿灯；高温时，热敏电阻阻值较小，电流较大，电磁铁磁性较强，将衔铁吸下，此时小电铃所在电路接通，电铃响，所以乙为小电铃；选B。‎ ‎6．BC【解析】小灯泡L的电阻RL==6 Ω，短路前R1处于超导态，电阻为零，R2被R1短路，电路总电阻R=RL+r=8 Ω，总电流I==1 A，A错误；当L突然短路后，电路总电阻r=2 Ω，总电流Ir==4 A>IC，超导部件由超导态转为正常态，B正确；此时电路总电阻R′=+r=4 Ω，电流I′==2 A，通过R1的电流，C正确，D错误。‎ ‎7．D【解析】由图乙可知，氧化锡传感器的电导，氧化锡传感器的电阻，随着c变大，R1变小，电流变大，U0变大，但c与U0不成正比关系，正相关，选D。‎ ‎8．AC【解析】没装料时，由Uba=0，可得，此时R0=20 kΩ，则R3=40 kΩ，A正确；装料时，a点电势不变，R0逐渐增大，支路电流减小，R3两端电压减小，即b点电势增大，所以Uba逐渐增大，B错误，C正确；应变片作用是把拉力这个力学量转换为电压这个电学量，D错误。‎ 器件的上、下面间所加电压正负极性对调，从霍尔器件输出的控制车速的电压正负号相反，但由图丙可知，不会影响车速控制，D错误。‎ ‎10．BD【解析】理想变压器输入、输出功率相等，A错误；变压器原、副线圈中的电流与匝数成反比，即，B正确；由图（b），交流电压最大值um=51 V，周期T=0.02 s，角速度ω=100π rad/s，可得u=51sin(100πt)(V)，C错误；RT的温度升高时，阻值减小，电流表的示数变大，电压表示数不变，D正确。‎ ‎11．BCD【解析】铜质弦不能被磁化，A错误；若取走磁铁，金属弦无法被磁化，电吉他将不能正常工作，B正确；根据法拉第电磁感应定律知，增加线圈匝数可以增大线圈中的感应电动势，C正确；弦振动过程中，线圈中的磁通量一会增大一会减小，电流方向不断变化，D正确。‎ ‎12．D【解析】当测重台没有站人时有2x=vt0，U0=kM0g；当测重台站人时有2(x–h)=vt，U=k(M0g+mg)，解得，，选D。‎ ‎13．D【解析】开关S断开时，C门的一个输入端始终是0，要让系统能够工作，C门一定是或门，且另一个输入端在白天输入0，在晚上输入1，即在光照强时，输入低电压，分压小，电阻小，在光照弱时，输入高电压，分压大，电阻大，所以B是光敏电阻，选D。‎ ‎14．CD【解析】根据左手定则可知霍尔元件中的自由电子所受洛伦兹力指向后表面，后表面带负电，因此后表面的电势将低于前表面的电势，A错误；若电源的正负极对调，磁场方向反向，同时通过霍尔元件的电流也反向，根据左手定则可知自由电子的受力方向不变，前后表面电势高低情况不变，B错误；由电路结构可知，RL与R并联后与线圈串联，因此有，C正确；RL消耗的电功率，电压表的示数，由，可得，D正确。‎ ‎15．（1）E2 R2 （2）C （3）不偏转 偏转 （4）⑤④②③①‎ ‎（3）若只有b、c间断路，表笔接入a、b时，回路断路，电表指针不偏转，接入a、c时有电流通过电表，指针偏转。‎ ‎（4）50 ℃时，热敏电阻阻值为108.1 Ω，所以应将电阻箱阻值调至108.1 Ω，调节滑动变阻器，使衔铁吸合，再将电阻箱换成热敏电阻，故顺序为⑤④②③①。‎ ‎ ‎ ‎ ‎