资源简介

2　常见传感器的工作原理及应用
基础过关练
题组一　光敏电阻
1.[2026山东济南实验中学月考]光敏电阻是用硫化镉半导体材料制成的特殊电阻器,其电阻值会随光照强度的增大而减小,光敏电阻的这种特殊性能,在科技生活中得到广泛应用。某应用电路如图所示,R1、R2为定值电阻,L为小灯泡,R3为光敏电阻,当照射光强度增大时,下列说法正确的是(　　)
A.电压表的示数减小
B.电源的输出功率一定增加
C.R3两端的电压减小
D.小灯泡变暗
2.[2026河南郑州期末]光电式火灾报警器的原理如图所示,红外光源发射的光束经烟尘粒子散射后照射到光敏电阻上,光敏电阻接收的光强与烟雾的浓度成正比,其阻值随光强的增大而减小。闭合开关,当烟雾浓度增大到一定值时,干簧管中的两个簧片被磁化而接通,触发蜂鸣器报警。为了能在更低的烟雾浓度下触发报警,下列调节正确的是(　　)
A.增大电阻箱R1的阻值
B.减小电阻箱R2的阻值
C.增大电源E3的电动势
D.减小干簧管上线圈的匝数
题组二　金属热电阻和热敏电阻
3.[2025江苏南通期末]某金属热电阻和热敏电阻的阻值R随温度T变化的关系图像如图所示,下列说法中正确的是(　　)
A.金属热电阻不可用来做电阻温度计
B.金属热电阻在温度上升时导电能力增强
C.热敏电阻的阻值随温度的变化不明显
D.它们都能够把温度这个热学量转换为电阻这个电学量
4.[2025广东惠州阶段测试]用导体材料制成的某热敏电阻的阻值Rt随温度t的变化图线如图甲所示,图乙是由热敏电阻Rt作为传感器制作的简单自动报警器线路图。
　
(1)图甲中热敏电阻阻值随温度升高而　　　　(填“增大”“减小”或“不变”);
(2)若希望在热敏电阻所处的环境温度升高时报警器铃响,则应将c接在　　　　(填“a”或“b”)处;
(3)若使报警的最低温度提高些,应将滑片P向　　　　(填“左”或“右”)移动。
题组三　电阻应变片　力传感器
5.图(a)中的金属片和金属丝为力传感器的敏感元件。上、下表面的金属丝阻值分别为R1和R2,当金属片受力弯曲时,其中一根金属丝被拉长,另一根被压缩。当金属片右端受力F向下弯曲时,上表面的金属丝阻值R1(　　)
　
A.减小　　B.不变　　C.增大　　D.无法确定
6.[创新题·新考法][2025重庆模拟预测]将力信号转化为电信号来测量受力大小的装置称为力传感器,在力学实验中被广泛应用。为了研究力传感器的原理,小南同学在实验室中找到了一个力传感器并查阅了相关资料,发现力传感器中有一个重要部件——悬臂梁。如图甲所示,悬臂梁的一端固定,另一端安装测力钩,在悬臂梁的上、下表面各安装了两个电阻(也称“应变片”),四个电阻的阻值均为R0。当测力钩受到拉力或压力时,悬臂梁的上、下表面会产生微小的形变,从而引起电阻的阻值发生变化。这四个电阻连接成如图乙所示的电路,其中电源电压恒为U,输出电压U0与测力钩所受力成正比。当测力钩受到拉力时,R1和R4变小,R2和R3变大,每个电阻阻值变化量的绝对值x0均相同。
　
(1)当测力钩受到拉力时,A点的电势比B点的　　　(填“高”或“低”),输出电压U0=　　　　(用U、R0、x0表示)。
(2)当x0超过200 Ω时,会因形变量过大,导致电阻损坏。已知测力钩受到的拉力为1 N时,x0=5 Ω,则该力传感器的最大测量值为　　　N。
(3)若仅增加悬臂梁所用材料的硬度,使得在相同外力作用下x0变小,则该力传感器的最大测量值会　　　　(填“增大”“减小”或“不变”)。
题组四　电容式传感器
7.某智慧农业系统采用电容式湿度传感器监测土壤湿度,其原理简化图如图所示,连接在电路中的平行金属板电容器的两极板插入土壤(视为电介质)中。已知土壤的相对介电常数随着土壤中含水量的增大而增大。闭合开关S后,当土壤逐渐变干燥时,下列说法正确的是(　　)
A.电容器的电容增大
B.电容器两板间的电压增大
C.电容器带的电荷量减小
D.通过电流表的电流方向为从N到M
8.[创新题·新情境][2026湖北荆州中学月考]某种心脏起搏器利用电容式传感器监测心肌的微小位移。如图所示,传感器由两块平行金属板组成,其中一块固定,另一块随心脏跳动而移动。两极板间的电势差U恒定。当心脏扩张导致两极板间的距离d增大时(　　)
A.电容器的电容增大
B.极板所带的电荷量增加
C.两极板间的电场强度保持不变
D.电容器处于放电状态,电路中产生瞬时电流
题组五　霍尔元件
9.[多选题][2026福建宁德期末]小宁同学发现家里冰箱门未关闭时,会发出提示音。他研究得知,门框内部电路中有一霍尔元件,通有由左向右的恒定电流I。冰箱门上对应位置有一磁铁,门关闭时磁铁产生的磁场方向垂直霍尔元件向里。已知霍尔元件中的载流子带负电,某时刻冰箱门处于关闭状态,下列说法正确的是(　　)
A.霍尔元件下表面电势低于上表面电势
B.霍尔元件下表面电势高于上表面电势
C.若打开冰箱门,该过程中霍尔电压将减小
D.若仅减小霍尔元件中的电流I,则霍尔电压增大
答案与分层梯度式解析
2　常见传感器的工作原理及应用
基础过关练
1.C 2.B 3.D 5.C 7.C 8.D 9.BC
1.C　当照射光强度增大时,R3的阻值变小,电路中的总电阻变小,总电流I变大,电压表的示数U1=IR1增大;R2两端电压U2=E-I(R1+r)变小,小灯泡中的电流IL=I-增大,小灯泡变亮;R3两端的电压U3=U2-ILRL变小,A、D错误,C正确。当外电路电阻等于电源内阻时,电源的输出功率最大;R3的阻值变小,外电阻变小,由于不知道外电阻与电源内阻的具体关系,所以无法确定电源的输出功率的变化情况,B错误。
2.B　增大电阻箱R1的阻值,则红外光源发出的红外线强度减小(点拨:R1控制光源发射功率,增大R1会压低信号源强度),若烟雾浓度降低,则光敏电阻接收的光强降低,阻值变大,则干簧管上线圈中的电流减小,则烟雾浓度低于临界值时,干簧管中的两个簧片不能被磁化而接通,不能触发蜂鸣器报警,A错误;烟雾浓度降低,则光敏电阻接收的光强降低,阻值变大,烟雾浓度低于临界值时,若减小电阻箱R2的阻值,可能使干簧管上线圈的电流达临界值,使干簧管中的两个簧片被磁化而接通,触发蜂鸣器报警,B正确;增大电源E3的电动势,对干簧管的通断无影响,C错误;减小干簧管上线圈的匝数,烟雾浓度低于临界值时,线圈中的电流小于临界电流,干簧管中磁场的磁感应强度低于临界值,则干簧管中的两个簧片不能被磁化而接通,蜂鸣器不报警,D错误。
3.D　金属热电阻的阻值随温度的升高而均匀增大,可用来做电阻温度计,A错误;金属热电阻在温度上升时,电阻阻值变大,导电能力减弱,B错误;热敏电阻的阻值随温度的升高而减小,其阻值变化明显,C错误;金属热电阻和热敏电阻都能够把温度这个热学量转换为电阻这个电学量,D正确。故选D。
4.答案　(1)减小　(2)a　(3)左
题图解读
解析　(1)(2)由图甲可知温度升高,热敏电阻Rt阻值减小,则图乙中Rt所在电路的电流增大,线圈产生的磁场增强,温度大于或等于临界值时,衔铁被吸向左边a处,若希望在热敏电阻所处的环境温度升高时报警器铃响,应将c接在a处。
(3)衔铁恰好被吸向左边a处时,Rt所在电路中的最小电流是一定的,对应的电路中的总电阻是一定的(破题关键),若使报警的最低温度提高些,即临界温度提高,热敏电阻阻值更小,要保证电路中总电阻不变,需将滑动变阻器接入电路的阻值调大,则滑片P向左移动。
5.C　当金属片右端受力F向下弯曲时,上表面的金属丝被拉长,横截面积减小,根据R=ρ可知,阻值R1增大,C正确。
6.答案　(1)高　x0　(2)40　(3)增大
模型建构
电桥模型
两条支路通过电阻R桥接,此电路称为电桥。若在电桥中两条支路的电阻满足=,则桥接电路R中无电流。
根据与的大小还可判断C、D两点电势的高低。
解析　(1)当测力钩受到拉力时,R1和R4变小,R2和R3变大,可知,R1上电势降落U1=U,R3上电势降落U3=U,即A点的电势比B点的高;输出电压U0=φA-φB=-=U-U=U=x0。
(2)由题意可知,输出电压U0与测力钩所受力成正比,结合(1)可知x0与测力钩所受力成正比(破题关键),
即有=,解得Fmax=40 N。
(3)由于在相同外力作用下x0变小,与更换材料之前相比,可以在测力钩受到更大拉力的情况下保证电阻不损坏,故最大测量值会增大。
7.C　当土壤逐渐变干燥时,土壤的相对介电常数减小,根据平行板电容器电容的决定式C=,可知电容器的电容减小,A错误;电容器两板间的电压等于电源电动势,土壤逐渐变干燥时,两板间的电压保持不变,B错误;根据电容的定义式C=,土壤逐渐变干燥时,电容器两板间的电压U不变,电容器的电容C减小,可知电容器带的电荷量减小,C正确;电容器放电,电容器左板带正电,因此通过电流表的电流方向为从M到N,D错误。
8.D　当心脏扩张导致两极板间的距离d增大时,根据C=可知,电容器的电容减小,根据C=,由于两极板间的电势差U恒定,则极板所带的电荷量减少,电容器处于放电状态,电路中产生瞬时电流,A、B错误,D正确;根据E=,由于两极板间的电势差U恒定,两极板间的距离d增大,所以两极板间的电场强度减小,C错误。
名师点津
电容式传感器是一种多功能传感器,可以感知引起电容变化的外界信息,例如压力、转过的角度、位移、压强、声音等,并将其转化为电容变化。分析原理时,关键要搞清是哪个非电学量造成了电容的变化,然后结合电容的决定式来分析。
9.BC　根据左手定则可知,霍尔元件中的载流子(带负电)受到向上的洛伦兹力,将向上偏转,霍尔元件上表面带负电,下表面带正电,霍尔元件下表面电势高于上表面电势(点拨:负电荷聚集处电势低),A错误,B正确;载流子受洛伦兹力向上偏转,同时受到反向的电场力作用,根据平衡条件有qvB=q,电流的微观表达式为I=nqSv,可得UH∝BI,打开冰箱门的过程中,元件所在处的磁场减弱,霍尔电压将减小,C正确;霍尔电压UH∝BI,仅减小电流,则霍尔电压减小,D错误。
方法技巧
霍尔元件电势高低的判断方法:利用左手定则,即磁感线垂直穿入手心,四指指向电流方向,拇指所指的方向为载流子的受力方向,若载流子带正电,则拇指所指的面为高电势面,若载流子带负电,则拇指所指的面为低电势面。

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