第五章 2.常见传感器的工作原理及应用-【金版教程】2025-2026学年高中物理选择性必修第二册作业与测评word（人教版）

物理　选择性必修·第二册[人教版]作业与测评 2.常见传感器的工作原理及应用 典型考点一　光敏电阻及其应用 1．(多选)如图所示，用光敏电阻LDR和灯泡制成的一种简易水污染指示器，下列说法中正确的是(　　) A．严重污染时，LDR是高电阻 B．轻度污染时，LDR是高电阻 C．无论污染程度如何，LDR的电阻不变，阻值大小由材料本身因素决定 D．该仪器的使用会因为白天和晚上受到影响 答案：AD 解析：严重污染时，透过污水照到LDR上的光线较少，LDR电阻较大，A正确，B错误；LDR由半导体材料制成，受光照影响，电阻会发生变化，C错误；白天和晚上自然光的强弱不同，或多或少会影响LDR的电阻，D正确。 2．某同学为定性探究光敏电阻阻值随光照强度变化的关系，设计了如图a所示的电路。所用器材有：置于暗箱(图中虚线区域)中的光敏电阻RG、小灯泡和刻度尺；阻值为R的定值电阻；理想电压表V；电动势为E、内阻为r的电源；开关S；导线若干。 实验时，先按图a连接好电路，然后改变暗箱中光源到光敏电阻的距离d，记录电压表的示数U，获得多组数据如下表。 d/cm 8.50 10.00 12.00 13.50 15.00 17.00 U/mV 271.0 220.0 180.0 156.7 114.9 114.0 d/cm 18.50 20.00 22.00 23.50 25.00 U/mV 94.8 89.5 78.6 72.5 65.0 回答下列问题： (1)光敏电阻阻值RG与电压表示数U的关系式为RG＝__________________(用E、r、R、U表示)。 (2)在图b的坐标纸上补齐数据表中所给的第二组数据点，并作出U­d曲线。 (3)依据实验结果可推断：光敏电阻的阻值随着光照强度的减小而________(填“增大”或“减小”)。 (4)该同学注意到智能手机有自动调节屏幕亮度的功能，光照强度大时屏幕变亮，反之变暗。他设想利用光敏电阻的特性，实现“有光照射光敏电阻时，小灯泡变亮；反之变暗”的功能，设计了如图c所示的电路，则电路中________(填“R1”或“R2”)为光敏电阻，另一个为定值电阻。 答案：(1)R－r－R　(2)图见解析 (3)增大　(4)R2 解析：(1)根据闭合电路欧姆定律，可得R＝U，解得RG＝R－r－R。 (2)描点、连线如图所示。 (3)当光源距离光敏电阻越远时，光照强度越小，电压表示数越小，根据RG＝R－r－R可知，光敏电阻的阻值RG越大。 (4)如果R1为光敏电阻，有光照射光敏电阻时，外电路总电阻变小，路端电压降低，灯泡变暗；若R2为光敏电阻，有光照射光敏电阻时，外电路总电阻变小，整个电路电流强度增大，内电压升高，路端电压降低，流过R1的电流减小，因此流过灯泡的电流增大，灯泡变亮。因此R2为光敏电阻。 典型考点二　金属热电阻与热敏电阻及其应用 3．某热敏电阻的阻值随环境温度的升高而减小。要想设计一个通过电表示数反映热敏电阻阻值随环境温度变化的电路，要求温度升高时电表示数减小，若电源电动势不变，内阻不计，如图所示的四种电路符合要求的是(　　) 答案：D 解析：温度升高时，热敏电阻的阻值减小，电路中总电阻减小，A项中电流表位于干路，示数增大，B项中电流表位于热敏电阻的支路，示数也增大，故A、B错误；C、D项中定值电阻R0与热敏电阻串联，温度升高时，热敏电阻的阻值减小，电路中的电流增大，由U＝IR可知，R0两端的电压增大，则热敏电阻两端的电压减小，故C错误，D正确。 4．一些材料的电阻随温度的升高而变化。图甲是由某金属材料制成的电阻的阻值R随摄氏温度t变化的图像，若用该电阻与电池(电动势E＝1.5 V，内阻不计)、电流表(量程为5 mA、内阻不计)、电阻箱R′串联起来，连接成图乙所示的电路，用该电阻做测温探头，把电流表的电流刻度改为相应的温度刻度，就得到了一个简单的“金属电阻温度计”。 (1)电流刻度较大处对应的温度刻度________；(填“较高”或“较低”) (2)若电阻箱阻值R′＝150 Ω，当电流为5 mA时对应的温度数值为________ ℃。 答案：(1)较低　(2)50 解析：(1)根据闭合电路欧姆定律得，电路中的电流I＝，可见R越小，电流I越大，对应的温度越低，所以电流刻度较大处对应的温度刻度较低。 (2)当电阻箱阻值R′＝150 Ω，电流为5 mA时，根据闭合电路欧姆定律，I＝，则R＝－R′＝ Ω－150 Ω＝150 Ω；由R­t图像并根据数学知识可得R＝t＋100(Ω)，当R＝150 Ω时，对应的温度为t＝50 ℃。 典型考点三　电阻应变片、力传感器及其应用 5．关于电子秤中应变式力传感器的说法正确的是(　　) A．应变片是由金属导体材料制成的 B．当应变片的表面拉伸时，其电阻变小；反之，变大 C．传感器输出的是应变片上的电压 D．外力越大，输出的电压差值也越大 答案：D 解析：应变片是由金属材料或半导体材料制成的，故A错误。当应变片的表面拉伸时，其电阻变大；反之，变小，B错误。应变式力传感器输出的是上、下两应变片上的电压差，并且外力越大，输出的电压差值也越大，故C错误，D正确。 6．某课外活动小组自制了一台称重电子秤，其原理结构如图甲所示。R0为定值电阻，R是压敏电阻，其阻值会随其所受的压力F的变化而变化，变化范围大约为几欧到十几欧，通过电压表的读数可以得知压力大小。活动小组已经通过实验探究了压敏电阻阻值R与其所受压力F大小的关系如图乙所示。请回答以下问题： (1)根据如图乙所示的R­F图像，取R的单位为“Ω”，F的单位为“N”，则R和F的数值关系式为：R＝________。 (2)如图甲所示的电路中，在压敏电阻R上水平放置一个重力为2.0 N的托盘，在托盘上放一重物，电源电动势E＝9.0 V，电源内阻r＝1.0 Ω，R0＝4.5 Ω。闭合开关，电压表示数为3.0 V，则重物的重力为________ N。(保留两位有效数字) 答案：(1)16－2F　(2)2.0 解析：(1)由题图乙可知，当R＝16 Ω时，F＝0；当R＝7 Ω时，F＝4.5 N；将这两组数据代入R＝b＋kF，解得：b＝16，k＝－2，取R的单位为“Ω”，F的单位为“N”，则R＝16－2F。 (2)电压表示数为3.0 V，根据闭合电路欧姆定律，有：E＝(r＋R)＋U，解得：R＝8.0 Ω，对照R­F图像，可知压力为4.0 N，减去托盘重力2.0 N，即为重物的重力，为2.0 N。 典型考点四　电容式传感器和霍尔元件 7．(多选)电容式传感器是用来将各种非电学量转变为电容这种电学量的装置。由于电容器的电容C取决于极板的正对面积S、极板间的距离d以及极板间的电介质这三个因素，当某个物理量发生变化时就能引起上述某个因素的变化，从而引起电容器电容变化，那么通过测定电容器的电容变化就可以确定这个物理量的变化。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：从甲图可以看出，θ变化，能引起动片与定片正对面积变化，由C＝知可引起电容器的电容变化，故甲图的传感器可以用来测量角度，A正确；从乙图可以看出，液体深度h变化，能引起正对面积变化，由C＝知可引起电容器的电容变化，故乙图的传感器可以用来测量液面的高度，B正确；从丙图可以看出，压力的变化，能引起两极间的距离变化，由C＝知可引起电容器的电容变化，故丙图的传感器可以用来测量压力，C正确；从丁图可以看出，x的变化，能引起介电常数的变化，由C＝知可引起电容器的电容变化，故丁图的传感器可以用来测量位移x，D错误。 8．(多选)利用霍尔效应制作的霍尔元件，广泛应用于测量和自动控制等领域，如图是霍尔元件的工作原理示意图，磁感应强度B垂直于霍尔元件的工作面向下，通入图示方向的电流I，C、D两侧面会形成电势差UCD，下列说法中正确的是(　　) A．电势差UCD仅与材料有关 B．若霍尔元件的载流子是自由电子，则电势差UCD＜0 C．仅增大磁感应强度时，电势差UCD变大 D．在测定地球赤道上方的地磁场强弱时，元件的工作面应保持水平 答案：BC 解析：若载流子为自由电子，根据左手定则，电子向C侧面偏转，C侧面带负电，D侧面带正电，所以D侧面的电势高，则UCD＜0，B正确；C、D间存在电势差，故之间存在电场，电子在静电力和洛伦兹力作用下在垂直于C、D面的方向上受力平衡，设霍尔元件E、F间，C、D间，上、下表面间的距离分别为a、b、c，有e＝evB，I＝nevS＝nevbc，则UCD＝，可知A错误，C正确；在测定地球赤道上方的地磁场强弱时，由于磁场方向是水平方向，所以应将元件的工作面保持竖直，让磁场垂直穿过，D错误。 [名师点拨]　霍尔元件上电势高低的判断方法 由左手定则判断载流子所受洛伦兹力的方向时，无论载流子带正电荷还是负电荷，四指都指向电流方向，即正电荷定向移动的方向或负电荷定向移动的反方向。分析可知，无论载流子带正电还是带负电，所受洛伦兹力方向都相同，故可得出结论：如果载流子带正电荷，则拇指所指的面为高电势面，如果带负电荷，则拇指所指的面为低电势面。 典型考点五　其他传感器 9．动车上装有烟雾报警装置，其原理如图所示，M为烟雾传感器，其阻值RM随着烟雾浓度的改变而变化，N为定值电阻，滑动变阻器的滑片P已调整至合适位置，电源电动势和内阻恒定不变。车厢内有人抽烟时，烟雾浓度增大，导致N两端的电压增大，装置发出警报。下列说法正确的是(　　) A．烟雾浓度增大时，RM的阻值增大 B．滑片P向左移动可以提高报警灵敏度 C．烟雾浓度增大时，通过滑动变阻器的电流增大 D．烟雾浓度增大时，滑动变阻器消耗的功率增大 答案：B 解析：烟雾浓度增大，导致N两端的电压增大，则通过N的电流增大，可判断烟雾浓度增大时，RM的阻值减小，A错误；滑片P向左移动，滑动变阻器接入电路的阻值增大，并联部分电阻更接近烟雾传感器的电阻，随着烟雾浓度的增大，RM的阻值的变化导致并联部分电阻的改变更加明显，从而使N两端的电压变化更加灵敏，故该措施可以提高报警灵敏度，B正确；烟雾浓度增大时，RM的阻值减小了，并联部分电路分压减小，通过滑动变阻器的电流减小，滑动变阻器消耗的功率也减小，C、D错误。 1．(多选)如图所示是某小区门口利用光敏电阻设计的行人监控装置，R1为光敏电阻、R2为定值电阻，A、B间接监控装置。则(　　) A．当有人通过而遮住光线时，A、B之间电压升高 B．当有人通过而遮住光线时，A、B之间电压降低 C．当仅增大R2的阻值时，可增大A、B之间的电压 D．当仅减小R2的阻值时，可增大A、B之间的电压 答案：BC 解析：R1是光敏电阻，随光照强度增大，阻值变小，当有人通过而遮住光线时，R1的阻值变大，回路中的电流I减小，A、B间的电压U＝IR2降低，故A错误，B正确。由闭合电路欧姆定律得：U＝E－I(R1＋r)，当仅增大R2的阻值时，电路中的电流减小，A、B间的电压U增大，故C正确；当仅减小R2的阻值时，电路中的电流增大，A、B间的电压U减小，故D错误。 2．如图甲所示，在电喷汽车的进气管道中，广泛地使用着一种叫“电热丝式”空气流量传感器的部件，其核心部分是一种用特殊合金材料制作的电热丝。如图乙所示，进气管道中的冷空气流速越大时，电阻R0两端的电压U0就变得越高；反之，电压U0就越低。这样，管道内空气的流量就转变成了可以测量的电压信号，便于汽车内的电脑系统实现自动控制。如果将这种电热丝放在实验室中测量，得到的伏安特性曲线可能是(　　) 答案：C 解析：由题意知，冷空气流速变大，电热丝散热变快，温度降低，而U0变大，则电热丝阻值变小，由此可知，温度越低，电热丝电阻越小。而U­I图线上任意一点与原点连线的斜率等于电阻，电压和电流增大时，电热丝的温度升高，电阻增大，图线上的点与原点连线斜率变大。故选C。 3．(多选)用磁敏电阻作为传感器可以探测空间中是否存在磁场，设计电路如图，磁敏电阻在没有磁场时电阻很小(几乎为零)，在有磁场时电阻很大。闭合S1，断开S2，灯泡正常发光，下列说法正确的是(　　) A．探测头处在无磁场区域时，闭合S2，灯泡会变亮 B．探测头处在无磁场区域时，闭合S2，电流表示数会变大 C．闭合S2，探测头从无磁场区域进入磁场区域时，灯泡会变亮 D．闭合S2，探测头从无磁场区域进入磁场区域时，电流表示数会变大 答案：BC 解析：探测头处在无磁场区域时，闭合S2，磁敏电阻的阻值几乎为零，此时灯泡被短路，不亮，A错误；探测头处在无磁场区域时，闭合S2，灯泡和磁敏电阻并联，然后再与Rx串联，并联部分电阻几乎为零，电路总电阻减小，电流I＝，可知总电流增大，电流表示数会变大，B正确；闭合S2，探测头从无磁场区域进入磁场区域时，磁敏电阻阻值增大，电路总电阻变大，总电流变小，电流表示数会变小，电阻Rx两端电压减小，根据串联电路分压规律知，灯泡两端电压增大，灯泡变亮，C正确，D错误。 4．利用热敏电阻在通以恒定电流(实验设定恒定电流为50.0 μA)时其阻值随温度的变化关系(如图甲所示)可以制作电子温度计。把恒压直流电源E、热敏电阻RT、可变电阻R1、电流表A、电压表V连成如图乙所示的电路。用热敏电阻作测温探头，把电压表的电压刻度改为相应的温度刻度，就得到了一个简易的电子温度计。下列说法正确的是(　　) A．电压较高时表示温度也较高 B．该电子温度计表盘上温度的刻度是均匀的 C．当热敏电阻的温度升高时，应将R1的阻值调大 D．每升高相同的温度，热敏电阻的阻值变化均相等 答案：C 解析：根据题意可知，电路中电流I＝50.0 μA保持不变，由图甲可知，温度越高，RT阻值越小，由U＝IRT可知，热敏电阻两端的电压越小，即电压较低时表示温度较高，故A错误；由图甲可知，RT阻值与温度不是线性关系，而电压表的示数U＝IRT，故把电压表的电压刻度改为相应的温度刻度，该电子温度计表盘上温度的刻度不是均匀的，故B错误；当热敏电阻的温度升高时，阻值减小，要保证电路中电流恒定，则应将R1的阻值调大，故C正确；由图甲可知，RT阻值与温度不是线性关系，每升高相同的温度，热敏电阻的阻值变化不相等，故D错误。 5．目前许多国产手机都有指纹解锁功能，用的指纹识别传感器是电容式传感器，如图所示。指纹的凸起部分叫“嵴”，凹下部分叫“峪”。传感器上有大量面积相同的小极板，当手指贴在传感器上时，这些小极板和正对的皮肤表面部分形成大量的小电容器，这样在嵴处和峪处形成的电容器的电容大小不同，此时传感器给所有的电容器充电后达到某一电压值，然后，电容器放电，电容小的电容器放电较快，根据放电快慢的不同，就可以探测到嵴和峪的位置，从而形成指纹图像数据，根据文中信息，下列说法正确的是(　　) A．用指纹的照片蒙在传感器上，也可以实现手机解锁功能 B．手指轻按和重按均可以解锁手机，说明形成的电容大小是相同的 C．潮湿的手指头不能进行指纹识别，是因为“嵴”和“峪”与小极板形成的电容器电容没有差别了 D．在峪处形成的电容器放电较慢 答案：C 解析：用指纹的照片蒙在传感器上，由于没有指纹上凸起部分“嵴”和凹下部分“峪”与传感器形成的大量小电容器，则无法实现手机解锁功能，A错误；虽然手指轻按和重按均可以解锁手机，但因为手指和小极板之间的距离不同，所以形成的电容大小是不同的，B错误；潮湿的手指头不能进行指纹识别，是因为指纹“峪”处被水填充，水也是导体，“峪”积水相当于电容器的一个极板，则“嵴”和“峪”与小极板形成的电容器极板间距变得近似相等，电容没有差别了，无法形成指纹图像数据，故C正确；电容较小的电容器放电较快，在“峪”处形成的电容器因“两极板”距离较大而电容较小，所以在“峪”处形成的电容器放电较快，D错误。 6．(多选)霍尔传感器测量转速的原理图如图所示，传感器固定在圆盘附近，圆盘上固定4个小磁体。在a、b间输入方向由a到b的恒定电流，圆盘转动时，每当磁体经过霍尔元件，传感器c、d端输出一个脉冲电压，检测单位时间内的脉冲数可得到圆盘的转速。关于该测速传感器，下列说法中正确的有(　　) A．在图示位置时刻，c点电势高于d点电势 B．圆盘转动越快，输出的脉冲电压峰值越高 C．c、d端输出脉冲电压的频率是圆盘转速的4倍 D．增加小磁体个数，传感器转速测量更准确 答案：CD 解析：无论霍尔元件中定向移动的自由电荷带正电还是带负电，由左手定则可知自由电荷一定向c侧偏转，则不能比较c、d两点电势的高低，故A错误；最终自由电荷在静电力和洛伦兹力的作用下处于平衡状态，设霍尔元件的长、宽、厚分别为a、b、c，有q＝qvB，所以U＝Bbv，输出脉冲电压的峰值与圆盘转动快慢无关，故B错误；当小磁体经过霍尔元件时，就会产生一个脉冲电压，圆盘上固定有4个小磁体，因此c、d端输出脉冲电压的频率是圆盘转动频率的4倍，即为转速的4倍，故C正确；当增加小磁体个数时，相同转速下，传感器c、d端输出的脉冲电压频率变高，即单位时间内测得的脉冲数更多，则传感器转速测量更准确，故D正确。 7．电阻应变式拉力传感器的工作原理如下：弹性体在外力作用下发生弹性形变，使粘贴在其表面的电阻应变片也发生形变，同时引起阻值的变化，再经相应的测量电路把这一电阻变化转换为电信号，从而将外力变换为电信号。电阻应变式拉力传感器的结构如图a所示，弹性体的一端固定，另一端安装测力钩，在它的上下表面共粘贴4个应变片R1、R2、R3、R4。测量电路图如图b所示，未发生形变时，应变片的阻值均为R＝800 Ω，当弹性体受到向上的拉力作用发生形变时，上表面压缩，R1、R2阻值变小，下表面拉伸，R3、R4阻值增大。已知每个应变片阻值的变化量ΔR与拉力F的变化规律均为ΔR＝kF，其中k＝5 Ω/N；电路中电源电动势E＝8.0 V，内阻不计。完成下列填空： (1)当测力钩不受拉力时，图b中UAB＝________。 (2)当向上施加拉力时，UAB________0(选填“>”“<”或“＝”)。 (3)若电压表的示数为1.0 V，则该传感器受到的力的大小为________ N。 答案：(1)0　(2)>　(3)20 解析：(1)当测力钩不受拉力时，四个电阻的阻值均相等，A、B两点电势相同，则图b中UAB＝0。 (2)当向上施加拉力时，R1、R2阻值变小，R3、R4阻值增大，故此时R1两端的电压减小，R3两端的电压变大，因此A点电势升高，B点电势降低，则UAB>0。 (3)若电压表的示数为1.0 V，则对弹性体向上施加了拉力，设此时R1的阻值为R＝800 Ω－ΔR，所以R2的阻值也为R＝800 Ω－ΔR，R3和R4的阻值均为R′＝800 Ω＋ΔR。根据电路结构可知，两个支路的电流相等，均为I＝＝ A，则UAB＝I(800 Ω＋ΔR)－I(800 Ω－ΔR)＝1.0 V，联立解得ΔR＝100 Ω。根据ΔR＝kF、k＝5 Ω/Ν可知，该传感器受到的力的大小为F＝＝ N＝20 N。 8．如图甲所示是大型机械厂里用来称重的电子吊秤，其中实现称重的关键元件是拉力传感器。其工作原理是：挂钩挂上重物，传感器中拉力敏感电阻丝在拉力作用下发生形变，拉力敏感电阻丝的电阻也随之发生变化，经相应的测量电路这一电阻变化被转换为电信号(电压或电流)，通过测量该电信号从而得知所测重物重量。 (1)简述拉力敏感电阻丝的阻值随拉力变化的原因：__________________________________ ______________________________________________________________________________________________________________。 (2)小明找到一根拉力敏感电阻丝RL，其阻值随拉力变化的图像如图乙所示，再按图丙所示电路制作了一个简易“吊秤”。电路中电源电动势E约为15 V，内阻约为2 Ω；灵敏毫安表量程为10 mA，内阻约为5 Ω；R是电阻箱，最大阻值是9999 Ω；RL接在A、B两接线柱上，通过光滑绝缘滑环可将重物吊起，接通电路完成下列操作。 a．滑环下不吊重物时，调节电阻箱，当电流表为某一合适示数I时，读出电阻箱的读数R1； b．滑环下吊待测重物，测出电阻丝与竖直方向的夹角为θ； c．调节电阻箱，使__________________，读出此时电阻箱的读数R2； d．算得图乙直线的斜率k和截距b。 则待测重物的重力G的表达式为G＝________(用以上测得的物理量表示)，测得θ＝53°(sin53°＝0.8，cos53°＝0.6)，R1、R2分别为1052 Ω和1030 Ω，结合图乙信息，可得待测重物的重力G＝________ N(结果保留三位有效数字)。 (3)针对小明的设计方案，为了提高测量重量的精度，你认为下列措施可行的是________。 A．将毫安表换成量程不同，内阻更小的毫安表 B．将毫安表换成量程为10 μA的微安表 C．将电阻箱换成精度更高的电阻箱 D．适当增大A、B接线柱之间的距离 答案：(1)电阻丝受拉力作用时，长度增加而横截面积减小，根据电阻定律知，其阻值增大 (2)电流表的示数仍为I　　132 (3)CD 解析：(1)电阻丝受拉力作用时，长度增加而横截面积减小，根据电阻定律R＝ρ知，其阻值增大。 (2)根据等效替代法测电阻，调节电阻箱，使电流表的示数仍为I；由其阻值随拉力变化的图像可得k＝＝ Ω/N＝0.2 Ω/N，由平衡条件得2ΔFcosθ＝G，由等效替代法测电阻得ΔR＝R1－R2，联立解得G＝，可得待测重物的重力G＝ N＝132 N。 (3)为了提高测量重量的精度，根据G＝，可将电阻箱换成精度更高的电阻箱，或适当增大A、B接线柱之间的距离，使得cosθ小一些，这样，对一定的(R1－R2)值，可测量更小的G，C、D可行；根据闭合电路欧姆定律得电流I＝约几毫安，所以不能将毫安表换成量程为10 μA的微安表，B不可行；由测量原理可知，毫安表内阻对结果精度无影响，换用内阻更小的其他量程毫安表无法提高测量精度，A不可行。故选C、D。 13 学科网（北京）股份有限公司 $