5.3利用传感器制作简单的自动控制装置同步练习—2021-2022学年高二下学期物理人教版（2019）选择性必修第二册（word含答案）

高中物理人教版（2019）选择性必修第二册5.3利用传感器制作简单的自动控制装置
一、单选题
1.对于常见的可燃气体浓度的检测，现在一般用催化燃烧检测器．它的原理如下：传感器的核心为一惠斯通电桥，其中一桥臂上有催化剂，当与可燃气体接触时，可燃气体在有催化剂的电桥上燃烧，该桥臂的电阻发生明显变化，其余桥臂的电阻不变化，从而引起整个电路的输出发生变化，而该变化与可燃气体的浓度成比例，从而实现对可燃气体的检测．由此可推断有催化剂的桥臂上的电阻材料为(
???)
A.?铜????????????????????????????????????B.?合金????????????????????????????????????C.?半导体????????????????????????????????????D.?绝缘体
2.在如图所示的电路中，电池的电动势为E，内阻为r，R1为金属电阻、R2为光敏电阻、R3为热敏电阻．设电流表A的读数为I，电压表V1的读数为U1
，
电压表V2的读数为U2
，
三个电阻中仅有一个电阻的阻值发生变化，则下面的分析正确的是（??
）
A.?给R1升温，I变小，U1变小??????????????????????????????????B.?用光照R2
，
I变小，U2变大
C.?给R3降温，I变大，U1变大??????????????????????????????????D.?给R1降温，I变小，U1变小
二、多选题
3.目前的手机触摸屏大多是电容式触摸屏．电容式触摸屏内有一导电层．导电层四个角引出四个电极，当手指触摸屏幕时，人体和触摸屏就形成了一个电容，电容具有“通高频”的作用，从而导致有电流分别从触摸屏四角上的电极中流出，并且流经这四个电极的电流与手指到四角的距离成正比，控制器通过对这四个电流比例的精确计算，得出触摸点的位置信息．在开机状态下，下列说法正确的是（?
）
A.?电容式触摸屏感测手指触摸点的位置是因为手指对屏幕按压产生了形变
B.?电容式触摸屏感测手指触摸点的位置是利用了电磁感应现象
C.?当手指触摸屏幕时手指有微弱的电流流过
D.?当手指离开屏幕时，电容变小，对高频电流的阻碍变大，控制器不易检测到手指的准确位置
4.如图所示是某居住小区门口利用光敏电阻设计的行人监控装置，
为光敏电阻，
为定值电阻，A，B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
的阻值时，可增大A，B之间的电压
D.?当仅减小
的阻值时，可增大A，B之间的电压
三、填空题
5.如图所示，图甲为热敏电阻的
图象，图乙为用此热敏电阻R和继电器组成的一个简单恒温箱温控电路，继电器的电阻为
当线圈的电流大于或等于20mA时，继电器的衔铁被吸合。为继电器线圈供电的电池的电动势
，内阻不计。图中的“电源”是恒温箱加热器的电源。
（1）如果要使恒温箱内的温度保持在
，可变电阻
的阻值应调节为________Ω。
（2）应该把恒温箱内的加热器接在________（
填“A，B?端”或“C、D?端”）.
6.热敏电阻常用于温度控制或过热保护装置中．图为某种热敏电阻和金属热电阻的阻值R随温度t变化的示意图．由图可知，这种热敏电阻在温度上升时导电能力________(选填“增强”或“减弱”)；相对金属热电阻而言，热敏电阻对温度变化的响应更________(选填“敏感”或“不敏感”)．
7.气体传感器利用物质的化学反应将某种气体的浓度转换成电信号输出，如图所示，B为将可燃气体或有毒气体浓度转换为电信号的传感器，简称电子鼻.有如下器材：U=220V的电源、排风扇M、继电器G、控制电源A、控制开关S.请设计一个家用自动排烟电路，并在图中完成连线
.
8.如图所示，电路的连接和用电器均完好，合上
、
，发现小灯泡不亮，原因是________；用电吹风对NTC热敏电阻吹一会儿热风，会发现小灯泡________，原因是________；停止吹风，会发现________；把热敏电阻放入冷水中会发现________.
9.现要组装一个由热敏电阻控制的报警系统，要求当热敏电阻的温度达到或超过60
℃时，系统报警．提供的器材有：热敏电阻，报警器（内阻很小，流过的电流超过
时就会报警），电阻箱（最大阻值为999.9
Ω），直流电源（输出电压为U，内阻不计），滑动变阻器
（最大阻值为1
000
Ω），滑动变阻器
（最大阻值为2
000
Ω），单刀双掷开关一个，导线若干．
在室温下对系统进行调节，已知U约为18
V，
约为10
mA；流过报警器的电流超过20
mA时，报警器可能损坏；该热敏电阻的阻值随温度升高而减小，在60
℃时阻值为650.0
Ω．
（1）在答题卡上完成待调节的报警系统原理电路图的连线．
（2）在电路中应选用滑动变阻器________（填“
”或“
”）．
（3）按照下列步骤调节此报警系统：
①电路接通前，需将电阻箱调到一固定的阻值，根据实验要求，这一阻值为________Ω；滑动变阻器的滑片应置于________（填“a”或“b”）端附近，不能置于另一端的原因是________．
②将开关向________（填“c”或“d”）端闭合，缓慢移动滑动变阻器的滑片，直至________．
四、解答题
10.工人在锻压机、冲床、钻床等机器上劳动时，稍有不慎就会把手压在里面，造成工伤事故，工厂中大都是利用光电控制设备来避免事故发生的。如图所示为光控继电器的示意图，它由电源、光电二极管（当有光照射时，二极管导通，没有光照时，二极管截止）、放大器、电磁继电器等几部分组成。这样，当工人不慎将手伸入危险区域时，由于遮住了光线，光控继电器衔铁立即带动开关，使机床停止工作，避免事故发生。请简述光控继电器的原理。
11.一块N型半导体薄片（称霍尔元件），其横载面为矩形，体积为b×c×d，如图所示．已知其单位体积内的电子数为n、电阻率为ρ、电子电荷量e，将此元件放在匀强磁场中，磁场方向沿z轴方向，并通有沿x轴方向的电流I．
（1）此元件的CC/两个侧面中，哪个面电势高？
（2）试证明在磁感应强度一定时，此元件的CC/
两个侧面的电势差与其中的电流成正比；
（3）磁强计是利用霍尔效应来测量磁感应强度B的仪器．其测量方法为：将导体放在匀强磁场之中，用毫安表测量通以电流I，用毫伏表测量C、C/间的电压U，
就可测得B．若已知其霍尔系数
，并测得U
=0.6mV，I=3mA．试求该元件所在处的磁感应强度B的大小．
答案解析部分
一、单选题
1.【答案】
C
【解析】【解答】可燃气体燃烧后电阻发生变化是由温度升高造成的，所以此电阻应属于热敏电阻，而在选项中能够使温度变化电阻有较明显变化的材料只可能是半导体材料，C符合题意，A，B、D不符合题意．
故答案为：C
【分析】温度变化引起的电阻变化属于热敏电阻，所以其材料只能是半导体材料。
2.【答案】
B
【解析】【解答】AD、R1为金属电阻，给R1升温，R1变大，外电路总电阻增大，干路电流减小，电源的内电压减小，路端电压增大，则通过R2和R3这条支路的电流增大，则电流表的读数I变小，U1变大，相反，给R1降温，电流表的读数I变大，U1变小，A、D不符合题意．
B、R2为光敏电阻，用光照R2
，
R2减小，外电路总电阻减小，干路电流增大，电源的内电压增大，路端电压减小，则流表的读数I变小，通过R2和R3这条支路的电流增大，U2变大，B符合题意．
C、R3为热敏电阻，给R3降温，R3增大，外电路总电阻增大，干路电流减小，电源的内电压减小，路端电压增大，则电流表的读数I变大，通过R2和R3这条支路的电流减小，U1变小，C不符合题意．
故答案为：B
【分析】利用光敏电阻和热敏电阻的阻值变化结合动态电路的串反并同可以判别电压表和电流表的读数变化。
二、多选题
3.【答案】
C,D
【解析】【解答】A．电容触摸屏只需要触摸，由于流经四个电极的电流与手指头到四角的距离成比例，控制器就能确定手指的位置，无需要手指有压力，A不符合题意；
B．电容式触摸屏感测手指触摸点的位置是电容器的充放电原理；不是电磁感应现象；B不符合题意；
C．由题意可知，手指从手的触点吸走一部分电荷，在电荷定向移动的过程中，会有微弱电流通过；C符合题意．
D．当手指离开屏幕时，电容变小，对高频电流的阻碍变大，控制器不易检测到手指的准确位置，D符合题意；
故答案为：CD．
【分析】电容式触摸屏感测手指触点是利用电容器的充放电原理；当手指离开屏幕时其电容变小，其对高频电流的阻碍变大所以不易检测到手指的准确位置。
4.【答案】
B,C
【解析】【解答】AB．
是光敏电阻，当有人通过而遮住光线时，
的阻值变大，回路总电阻增大，回路中的电流I减小，A，B间的电压
所以U减小，A不符合题意，B符合题意；
CD．由闭合电路欧姆定律得，A，B间的电压
当仅增大
的阻值时，回路总电阻增大，电路中的电流减小，A，B间的电压U增大；同理当仅减小
的阻值时，回路总电阻减小，电路中的电流增大，A，B间的电压U减小，C符合题意，D不符合题意。
故答案为：BC。
【分析】当有人通过遮住光线时，其光敏电阻阻值变大，则导致AB之间的电压变小；当R2电阻变大则会导致其两端电压变大。
三、填空题
5.【答案】
（1）300
（2）A，B端
【解析】【解答】（1）当温度较低的时候，热敏电阻的电阻较大，电路中的电流较小，此时继电器的衔铁与AB部分连接，此时是需要加热的，恒温箱内的加热器要工作，所以该把恒温箱内的加热器接在A，B
端．
（2）当温度达到100℃时，加热电路就要断开，此时的继电器的衔铁要被吸合，即控制电路的电流要到达20mA=0.02A，根据闭合电路欧姆定律可得
即
解得
R′=300Ω．
【分析】（1）当温度降低时其热敏电阻比较大电流比较小；此时继电器与AB相连需要工作所以加热器加在AB两端；
（2）利用欧姆定律结合温度的大小可以求出R1阻值的大小。
6.【答案】
增强；敏感
【解析】【解答】图中横轴表示温度，纵轴表示电阻，随着温度的增加，金属热电阻的阻值略微增大，而热敏电阻的阻值显著减小，所以这种热敏电阻在温度上升时导电能力增强，相对金属热电阻而言，热敏电阻对温度变化的影响更敏感；
【分析】通过图像可以看出，随着温度的增高，热敏电阻的阻值变小，导电能力增强；同时热敏电阻随温度变化快，故比较灵敏。
7.【答案】
【解析】【解答】电磁继电器起开关作用，所以低压控制电源、气体传感器、开关和电磁继电器应组成一个电路，另一个是由排风扇和高压电源组成的电路.如图所示.
【分析】电磁继电器起到开关的作用；所以低压控制器、气体传感器与开关、电磁继电器形成回路；另一个回路则是由排风扇和高压电源组成。
8.【答案】
由于热敏电阻在常温时阻值较大，左侧电路中电流较小，电磁铁磁性较弱吸不住衔铁，右侧电路没有接通，小灯泡不亮；亮了；停止吹风后，小灯泡不会立即熄灭，因为热敏电阻温度仍然较高，当把热敏电阻放入冷水后，热敏电阻温度降低很快，阻值变大，故小灯泡熄灭；小灯泡不会立即熄灭；小灯泡熄灭
【解析】【解答】根据热敏电阻的性质进行分析，由于热敏电阻在常温时阻值较大，左侧电路中电流较小，电磁铁磁性较弱吸不住衔铁，右侧电路没有接通，小灯泡不亮；当用电吹风对热敏电阻加热使其阻值变小时，左侧电路中电流增大，电磁铁吸住衔铁，使右侧电路接通，小灯泡亮了；停止吹风后，小灯泡不会立即熄灭，因为热敏电阻温度仍然较高，当把热敏电阻放入冷水后，热敏电阻温度降低很快，阻值变大，故小灯泡熄灭。
【分析】由于热敏电阻在常温时电阻较大所以电路电流比较小，电磁继电器不能工作；
（2）当热敏电阻的温度升高其阻值变小所以其电流变大，电磁继电器工作则灯泡发亮；当温度降低时电阻变大则电灯泡不亮。
9.【答案】
（1）
（2）R2
（3）650.0；b；接通电源后，流过报警器的电流会超过20
mA，报警器可能损坏；c；报警器开始报警
（4）保持滑动变阻器滑片的位置不变，将开关向另一端闭合，报警系统即可正常使用．
【解析】【解答】（1）电路连线如图．
（2）在室温下对系统进行调节，已知U约为18
V，
约为10
mA；流过报警器的电流超过20
mA时，报警器可能损坏，可知外电阻的取值范围大约是
，报警器的电阻是650.0
Ω，所以滑动变阻器的取值范围在250
Ω到1
150
Ω之间，所以滑动变阻器应该选R2
．
（3）①本题采用的是等效替换法，先用变阻箱来代替热敏电阻，所以变阻箱的阻值要调节到热敏电阻的临界电阻也就是在60
℃时阻值为650.0
Ω；为防止接通电源后，流过报警器的电流会超过20
mA，报警器可能损坏，滑动变阻器的滑片应置于b端；②先把变阻箱的电阻接入电路，调节滑动变阻器的电阻，调至报警器开始报警时，保持滑动变阻器的阻值不变，接到热敏电阻上，当热敏电阻的阻值是650.0
Ω时，也就是温度达到了60
℃，报警器开始报警．
【分析】（1）电阻箱和热敏电阻并联在开关上，其它用电器进行串联；
（2）利用欧姆定律可以判别其滑动变阻器的阻值选择；
（3）本实验使用等效替换法；利用变阻器代替热敏电阻的阻值；其滑动变阻器应该置于b端避免电路烧坏；将开关滑至c，当电阻箱阻值和热敏电阻等效时其报警系统正常工作。
四、解答题
10.【答案】
解：当光照射光电二极管时，二极管导通，电路中通电流，经放大器放大后把M磁化，将衔铁吸住，使开关闭合，使机床工作；当将手伸入危险区域时，由于遮住了光线，二极管截止，电路断开，没有电流，此时M失去磁性，对衔铁没有吸引力，衔铁在弹簧弹力的作用下离开M，开关断开，机床停止工作。
【解析】【解答】当光照射光电二极管时，二极管导通，电路中通电流，经放大器放大后把M磁化，将衔铁吸住，使开关闭合，使机床工作；当将手伸入危险区域时，由于遮住了光线，二极管截止，电路断开，没有电流，此时M失去磁性，对衔铁没有吸引力，衔铁在弹簧弹力的作用下离开M，开关断开，机床停止工作。
【分析】当光照射二极管时其二级管通电；通过放大器把M磁化吸住衔铁；导致开关闭合，致使电机工作；当手伸入危险区时挡住了光线则二极管截止电路断开则其电动机停止工作。
11.【答案】
（1）解：电子在洛伦兹力作用下向侧面C移动，故
电势较高
（2）解：假设定向移动速度为v，
由
，q=nebdvt
可得
I=nebdv
稳定时有：
可得
·
由于B、n、e、d均为定值
，所以侧面的电势差与其中的电流成正比
（3）解：由上可知
代入数据可得：B=0.02T
【解析】【分析】（1）电子运动，利用左手定则可以判别偏转的方向进而判别侧面的电势高低；
（2）当电子运动稳定时，其洛伦兹力等于电场力，结合电流的微观表达式可以判别电势差与电流的大小关系；
（3）由于磁感应强度的表达式可以求出磁感应强度的大小。