2025年物理新高考備考2025年（版）物理《三維設(shè)計》一輪總復(fù)習(xí)（提升版）實驗十五　傳感器的簡單應(yīng)用

實驗十五傳感器的簡單應(yīng)用考情調(diào)研命題特征分析近幾年的高考試卷，可知高考試卷中對敏感電阻及傳感器的應(yīng)用進(jìn)行了頻繁地考查，如2021年廣東卷中的熱敏電阻的研究、2022年河北卷中的利用廢棄電飯煲的部分器材自制簡易電飯煲、2022年廣東卷中的測量彈性導(dǎo)電繩的電阻與拉伸后繩長之間的關(guān)系、2023年湖南卷中利用半導(dǎo)體薄膜壓力傳感器等元件設(shè)計了一個測量微小壓力的裝置。試題命題特點是試題的創(chuàng)新度高，注重創(chuàng)新能力和知識的遷移能力的考查，體現(xiàn)了實驗探究能力的核心素養(yǎng)1.探規(guī)律：分析熱（光）敏電阻與溫度（光強）的關(guān)系。2.畫圖像：描繪電阻值隨溫度（光強）變化的圖像。3.得結(jié)論：熱敏電阻的阻值隨溫度的升高（降低）而減小（增大），光敏電阻的阻值隨光照的增強而減小某同學(xué)為定性探究光敏電阻阻值隨光照強度變化的關(guān)系，設(shè)計了如圖（a）所示的電路。所用器材有：置于暗箱（圖中虛線區(qū)域）中的光敏電阻RG；小燈泡和刻度尺；阻值為R的定值電阻；理想電壓表V；電動勢為E、內(nèi)阻為r的電源；開關(guān)S；導(dǎo)線若干。實驗時，先按圖（a）連接好電路，然后改變暗箱中光源到光敏電阻的距離d，記錄電壓表的示數(shù)U，獲得多組數(shù)據(jù)如表中所示。d/cm8.5010.0012.0013.5015.0017.0018.5020.0022.0023.5025.00U/mV271.0220.0180.0156.7144.9114.094.889.578.672.565.0回答下列問題：【實驗原理】（1）光敏電阻阻值RG與電壓表示數(shù)U的關(guān)系式為RG＝EUR－r－R（用E、r、R、U表示）【數(shù)據(jù)處理】（2）在圖（b）所示的坐標(biāo)紙上補齊數(shù)據(jù)表中所給的第二組數(shù)據(jù)點，并作出U－d的非線性曲線。答案：（2）見解析圖1（3）依據(jù)實驗結(jié)果可推斷，光敏電阻的阻值隨著光照強度的減小而增大（選填“增大”或“減小”）?！緦嶒炘O(shè)計】（4）該同學(xué)注意到智能手機有自動調(diào)節(jié)屏幕亮度的功能，光照強度大時屏幕變亮，反之變暗。他設(shè)想利用光敏電阻的特性，實現(xiàn)“有光照射光敏電阻時，小燈泡變亮；反之變暗”的功能，設(shè)計了如圖（c）所示電路，則電路中R2（選填“R1”或“R2”）為光敏電阻，另一個為定值電阻。（5）若用該光敏電阻和電磁繼電器設(shè)計自動光控照明電路，電磁繼電器的構(gòu)造示意圖如圖（d）所示。a.其中L為含有鐵芯的線圈，P為可繞O點轉(zhuǎn)動的銜鐵，K為彈簧，S為一對觸頭，A、B、C、D為四個接線柱。工作時，應(yīng)將C、D（選填“A、B”或“C、D”）接照明電路。b.請用筆畫線代替導(dǎo)線連接圖（d）中的實物圖。答案：（5）b.見解析圖2c.已知控制電路電源電動勢為3V，內(nèi)阻很小可忽略，電磁鐵線圈電阻R'＝20Ω，電流超過50mA時可吸合銜鐵。如果要求光照使得光敏電阻阻值為18Ω時，照明電路恰好接通，則圖（d）中定值電阻R＝22Ω。解析：（1）根據(jù)題圖示電路，利用閉合電路歐姆定律和串聯(lián)電路規(guī)律，可得Er＋R＋RGR＝U，解得RG＝E（2）先描出第2個數(shù)據(jù)點，然后過盡可能多的點，用平滑曲線連線，不在平滑曲線上的點盡可能分布在平滑曲線的兩側(cè)，如圖1所示。（3）光源距離光敏電阻越遠(yuǎn)，光照強度越小，電壓表示數(shù)越小，根據(jù)RG＝EUR－r－R可知，光敏電阻的阻值RG（4）如果R1為光敏電阻，有光照射光敏電阻時，外電路總電阻變小，總電流變大，路端電壓降低，燈泡變暗；如果R2為光敏電阻，有光照射光敏電阻時，外電路總電阻變小，整個電路電流增大，內(nèi)電壓升高，路端電壓降低，流過R1的電流減小，因此流過燈泡的電流增大，燈泡變亮。因此R2為光敏電阻。（5）a.由電磁繼電器的工作原理可知，電磁鐵連接的是控制電路，銜鐵連接的是工作電路，故工作時，應(yīng)將“C、D”接照明電路。b.由題意可知實物圖如圖2所示。c.由題意可知，照明電路恰好接通時光敏電阻阻值R光敏＝18Ω，由閉合電路歐姆定律可知I＝ER光敏＋R'＋五種敏感元件的作用和特點1.熱敏電阻：將溫度這個熱學(xué)量轉(zhuǎn)換為電阻這個電學(xué)量，一般情況下，熱敏電阻的阻值隨溫度的升高而減小，隨溫度的降低而增大。2.金屬熱電阻：將溫度這個熱學(xué)量轉(zhuǎn)換為電阻這個電學(xué)量，一般情況下，金屬熱電阻的阻值隨溫度的升高而增大，隨溫度的降低而減小。3.光敏電阻：將光照強度這個光學(xué)量轉(zhuǎn)換為電阻這個電學(xué)量，一般情況下，光敏電阻的阻值隨光照強度的增強而減小，隨光照強度的減弱而增大。4.霍爾元件：將磁感應(yīng)強度這個磁學(xué)量轉(zhuǎn)換為電壓這個電學(xué)量，對于某個確定的霍爾元件，它的厚度d、霍爾系數(shù)k為定值，如果保持電流I恒定，則霍爾電壓UH就與磁感應(yīng)強度B成正比UH5.壓敏電阻：將壓力這個力學(xué)量轉(zhuǎn)換為電阻這個電學(xué)量，壓敏電阻的阻值隨壓力的變化而變化。（2024·山東威海模擬）在實際應(yīng)用中有多種自動控溫裝置，以下是其中兩種控溫裝置：（1）圖（a）為某自動恒溫箱原理圖，箱內(nèi)的電阻R1＝2kΩ，R2＝1.5kΩ，R3＝4kΩ，Rt為熱敏電阻，其電阻隨溫度變化的圖像如圖（b）所示。當(dāng)a、b兩點電勢φa＜φb時，電壓鑒別器會令開關(guān)S接通，恒溫箱內(nèi)的電熱絲發(fā)熱，使箱內(nèi)溫度提高；當(dāng)φa≥φb時，電壓鑒別器會使S斷開，停止加熱，則恒溫箱內(nèi)的穩(wěn)定溫度為25℃，恒溫箱內(nèi)的電熱絲加熱時Rt的取值范圍為Rt＞3kΩ。（2）有一種由PTC元件做成的加熱器，它產(chǎn)生的焦耳熱功率PR隨溫度t變化的圖像如圖（c）所示。該加熱器向周圍散熱的功率為PQ＝k（t－t0），其中t為加熱器的溫度，t0為室溫（本題中取20℃），k＝0.1W/℃。①當(dāng)PR＝PQ時加熱器的溫度即可保持穩(wěn)定，則該加熱器工作的穩(wěn)定溫度為68～72均可℃；②某次工作中，該加熱器從室溫升高至穩(wěn)定溫度的過程中，下列溫度變化過程用時最短的是B。（填選項前的字母序號）A.20℃～24℃B.32℃～36℃C.48℃～52℃D.60℃～64℃解析：（1）由題圖（a）可知，當(dāng)滿足R1R3＝R2Rt時，即Rt＝3kΩ時φa＝φb，此時由題圖（b）可知溫度為25℃，即恒溫箱內(nèi)的穩(wěn)定溫度為25℃；恒溫箱內(nèi)的電熱絲加熱時Rt（2）①PQ＝0.1W/℃（t－20℃），PQ與溫度t之間關(guān)系的圖像如圖所示，由圖可知，當(dāng)溫度為70℃左右時，發(fā)熱功率和散熱功率相等，即此時物體的溫度不再變化；②發(fā)熱和散熱功率差值越大，升溫越快。故選B?！镜淅浚?023·湖南高考12題）某探究小組利用半導(dǎo)體薄膜壓力傳感器等元件設(shè)計了一個測量微小壓力的裝置，其電路如圖（a）所示，R1、R2、R3為電阻箱，RF為半導(dǎo)體薄膜壓力傳感器，C、D間連接電壓傳感器（內(nèi)阻無窮大）。（1）先用歐姆表“×100”擋粗測RF的阻值，示數(shù)如圖（b）所示，對應(yīng)的讀數(shù)是Ω；（2）適當(dāng)調(diào)節(jié)R1、R2、R3，使電壓傳感器示數(shù)為0，此時，RF的阻值為（用R1、R2、R3表示）；（3）依次將0.5g的標(biāo)準(zhǔn)砝碼加載到壓力傳感器上（壓力傳感器上所受壓力大小等于砝碼重力大?。x出電壓傳感器示數(shù)U，所測數(shù)據(jù)如下表所示：次數(shù)123456砝碼質(zhì)量m/g0.00.51.01.52.02.5電壓U/mV057115168220280根據(jù)表中數(shù)據(jù)在圖（c）上描點，繪制U－m關(guān)系圖線；（4）完成前面三步的實驗工作后，該測量微小壓力的裝置即可投入使用。在半導(dǎo)體薄膜壓力傳感器上施加微小壓力F0，電壓傳感器示數(shù)為200mV，則F0大小是N（重力加速度取9.8m/s2，保留2位有效數(shù)字）；（5）若在步驟（4）中換用非理想毫伏表測量C、D間電壓，在半導(dǎo)體薄膜壓力傳感器上施加微小壓力F1，此時非理想毫伏表示數(shù)為200mV，則F1（選填“＞”“＝”或“＜”）F0。三步穩(wěn)解題（1）分析實驗?zāi)康模豪冒雽?dǎo)體薄膜壓力傳感器等元件設(shè)計了一個測量微小壓力的裝置。（2）確定實驗原理：實驗采用電橋法測量壓力傳感器的電阻；確定傳感器受到的壓力與對應(yīng)電壓的關(guān)系。（3）制定數(shù)據(jù)處理方案：當(dāng)電壓傳感器示數(shù)為0時，根據(jù)電橋中各電阻間的比例關(guān)系確定壓力傳感器的電阻。答案：（1）1000（2）R1R2R3（3）見解析圖（4）0.018（解析：（1）由題圖（b）可知，對應(yīng)的讀數(shù)為10×100Ω＝1000Ω。（2）根據(jù)電壓傳感器示數(shù)為0可得I1R1＝I2R2，I1RF＝I2R3，解得RF＝R1R2（3）把表格中的數(shù)據(jù)在圖（c）上進(jìn)行描點，然后用一條直線擬合，使盡可能多的點落在直線上，不在直線上的點均勻分布在直線的兩側(cè)，離直線較遠(yuǎn)的點舍棄，如圖所示。（4）根據(jù)U－m圖像可知，當(dāng)U＝200mV時，m＝1.80g，故F0＝mg≈0.018N。（5）可將C、D以外的電路等效為新的電源，C、D兩點電壓看作路端電壓，因為換用非理想毫伏表后，當(dāng)示數(shù)為200mV時，實際上C、D間斷路（接理想毫伏表時）時的電壓大于200mV，則在壓力傳感器上施加微小壓力F1時，C、D間的電壓大于在壓力傳感器上施加微小壓力F0時C、D間的電壓，結(jié)合U－m關(guān)系圖線可知F1＞F0。（2022·廣東高考12題）彈性導(dǎo)電繩逐步成為智能控制系統(tǒng)中部分傳感器的敏感元件。某同學(xué)測量彈性導(dǎo)電繩的電阻與拉伸后繩長之間的關(guān)系，實驗過程如下：（1）裝置安裝和電路連接如圖甲所示，導(dǎo)電繩的一端固定，另一端作為拉伸端，兩端分別用帶有金屬夾A、B的導(dǎo)線接入如圖乙所示的電路中。（2）導(dǎo)電繩拉伸后的長度L及其電阻Rx的測量①將導(dǎo)電繩拉伸后，用刻度尺測量并記錄A、B間的距離，即為導(dǎo)電繩拉伸后的長度L。②將滑動變阻器R的滑片滑到最右端。斷開開關(guān)S2，閉合開關(guān)S1，調(diào)節(jié)R，使電壓表和電流表的指針偏轉(zhuǎn)到合適位置。記錄兩表的示數(shù)U和I1。③閉合S2，電壓表的示數(shù)變?。ㄟx填“變大”或“變小”）。調(diào)節(jié)R使電壓表的示數(shù)仍為U，記錄電流表的示數(shù)I2，則此時導(dǎo)電繩的電阻Rx＝UI2－I1（用I1、I2④斷開S1，增大導(dǎo)電繩拉伸量，測量并記錄A、B間的距離，重復(fù)步驟②和③。（3）該電壓表內(nèi)阻對導(dǎo)電繩電阻的測量值無（選填“有”或“無”）影響。（4）圖丙是根據(jù)部分實驗數(shù)據(jù)描繪的RxL圖線。將該導(dǎo)電繩兩端固定在某種機械臂上，當(dāng)機械臂彎曲后，測得導(dǎo)電繩的電阻Rx為1.33kΩ，則由圖線可讀出導(dǎo)電繩拉伸后的長度為51.80cm，即為機械臂彎曲后的長度。解析：（2）斷開開關(guān)S2，根據(jù)歐姆定律可得定值電阻的阻值R0＝UI1。閉合開關(guān)S2，導(dǎo)電繩與定值電阻并聯(lián)，并聯(lián)后的總電阻小于定值電阻的阻值R0，電流表示數(shù)增大，電壓表示數(shù)變小。調(diào)節(jié)滑動變阻器R使電壓表的示數(shù)仍為U，則有UR0＋URx＝I2，（3）考慮電壓表內(nèi)阻時，有I1U＝1R0＋1RV，I2U＝1R0＋1Rx＋1RV（4）由RxL圖線可知，導(dǎo)電繩電阻Rx＝1.33kΩ對應(yīng)的導(dǎo)電繩拉伸后的長度L＝51.80cm。跟蹤訓(xùn)練·鞏固提升1.（2024·湖北宜昌模擬）傳感器擔(dān)負(fù)著信息采集的任務(wù)，在自動控制中發(fā)揮著重要作用，傳感器能夠?qū)⒏惺艿降奈锢砹浚ㄈ鐪囟?、光、聲等）轉(zhuǎn)換成便于測量的量（電學(xué)量），例如熱敏傳感器。某熱敏電阻RT阻值隨溫度變化的圖線如圖甲所示，圖乙是由該熱敏電阻RT作為傳感器制作的簡單自動報警器線路圖。（1）為了使溫度過高時報警器響鈴，c應(yīng)接在a（選填“a”或“b”）處。（2）若要使啟動報警的溫度降低些，應(yīng)將滑動變阻器的滑片P向右（選填“左”或“右”）移動。（3）如果在調(diào)試報警器報警溫度時，發(fā)現(xiàn)將報警器放在預(yù)定的報警溫度的環(huán)境時，報警器一直報警，無論如何調(diào)節(jié)滑動變阻器的滑片P，報警器都一直報警，可能的原因和解決的辦法是在預(yù)定的報警溫度的環(huán)境時該熱敏電阻RT和滑動變阻器的總電阻之和過小，可以換一個阻值大一點的滑動變阻器。解析：（1）由題圖甲可知，熱敏電阻RT在溫度升高時阻值變小，電路中電流變大，電磁鐵磁性增強，把右側(cè)銜鐵吸引過來，與a接觸，故c應(yīng)接在a處。（2）若要使啟動報警的溫度降低些，熱敏電阻的阻值增大，滑動變阻器的滑片P向右移動。（3）在預(yù)定的報警溫度的環(huán)境時該熱敏電阻RT和滑動變阻器的總電阻之和過小，電流過大，可以換一個阻值大一點的滑動變阻器。2.（2024·湖南常德模擬）某同學(xué)利用下列實驗器材設(shè)計一個電路來研究某壓敏電阻Rx的壓阻效應(yīng)，然后將該壓敏電阻改裝為壓力傳感器測量壓力。已知該電阻Rx的阻值變化范圍為50～250Ω。供選擇的實驗器材如下：A.電源E：電動勢為3V，內(nèi)阻不計B.電流表A1：量程為3mA，內(nèi)阻r1＝10ΩC.電流表A2：量程為30mA，內(nèi)阻r2約為1ΩD.電阻箱R1：阻值范圍0～9999.9ΩE.定值電阻R0：R0＝50ΩF.開關(guān)S、導(dǎo)線若干（1）為了較準(zhǔn)確地測量電阻Rx，某同學(xué)設(shè)計了如圖甲所示的實驗電路圖，根據(jù)所設(shè)計的電路圖，設(shè)電流表A1、A2的示數(shù)分別為I1、I2，電阻箱的電阻為R1，則Rx的測量值為Rx＝I1（（2）該同學(xué)根據(jù)實驗測量結(jié)果，作出壓敏電阻Rx隨所加壓力F的Rx－F圖像，如圖乙所示，則由此圖像可知，隨壓力F的增大，壓敏電阻Rx的阻值減小（選填“增大”“減小”或“不變”）。（3）該同學(xué)將這種壓敏電阻Rx與一個量程為3V的理想電壓表按如圖丙所示電路改裝成測量壓力的儀表，已知電源E＝4V，內(nèi)阻不計，為了使改裝后的壓力表的量程為100N，壓力為100N時對應(yīng)電壓表3V的刻度，則定值電阻R應(yīng)取R＝150Ω，電壓表2V刻度對應(yīng)壓力表50N的刻度。解析：（1）對局部電路分析，電阻Rx＝UxIx，其中Ux＝I1（R1＋r1），Ix＝I2－I1，得Rx的測量值為Rx（2）由題圖乙可知，隨壓力F的增大，壓敏電阻Rx的阻值減小。（3）由題圖乙Rx＝250－250－50100F＝250由圖丙，根據(jù)歐姆定律得E＝U＋URRx＝U＋UR（250－2當(dāng)F＝100N時，Rx＝50Ω，此時電壓表電壓為3V，定值電阻的阻值為R＝150Ω將U＝2V代入得F＝50N。3.（2024·遼寧沈陽模擬）某同學(xué)利用熱敏電阻自制了一個簡易溫度計，其內(nèi)部電路裝置如圖甲所示，使用的器材有：直流電源（E＝4.5V，內(nèi)阻不計）、毫安表（量程未知）、電阻箱R（最大阻值為999.9Ω）、熱敏電阻一個、開關(guān)S1和S2、導(dǎo)線若干。（1）為了確定毫安表的量程和內(nèi)阻，先把電阻箱的阻值調(diào)到最大，然后將開關(guān)S2接至a端，閉合開關(guān)S1，逐漸調(diào)節(jié)電阻箱的阻值，發(fā)現(xiàn)當(dāng)毫安表指針剛好偏轉(zhuǎn)至滿偏刻度的12處，電阻箱的示數(shù)如圖乙所示，此時電阻箱的阻值R＝840.0Ω。將電阻箱的阻值調(diào)為540.0Ω時，毫安表指針剛好偏轉(zhuǎn)至滿偏刻度的34處，由此知毫安表的滿偏電流Ig＝10mA，內(nèi)阻Rg＝60Ω。（后兩問計算結(jié)果均保留2（2）將開關(guān)S2接至b端，閉合開關(guān)S1，該溫度計可開始工作，為了得到攝氏溫度與電流之間的關(guān)系，該同學(xué)通過查閱資料，發(fā)現(xiàn)自己使用的熱敏電阻為負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻，其阻值在測量范圍（包括0℃）內(nèi)隨攝氏溫度的降低而線性增加，比例系數(shù)為k（k＜0），已知該電阻在0℃時的阻值為R0，則該簡易溫度計所測攝氏溫度t與電流I之間滿足t＝EkI－R0＋Rgk（用E、k、R0、R解析：（1）電阻箱的阻值R＝8×100Ω＋4×10Ω＋0×1Ω＋0×0.1Ω＝840.0Ω由閉合電路歐姆定律可得E＝12Ig（Rg＋840.0Ω），E＝34Ig（Rg＋解得Ig＝10mA，Rg＝60Ω。（2）熱敏電阻的阻值Rt＝R0＋kt由閉合電路歐姆定律可得I＝E解得t＝EkI－R4.（2024·福建龍巖模擬）如圖甲所示為蘋果自動分揀裝置的示意圖，該裝置把大小不同的蘋果，按一定質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)自動分揀為大蘋果和小蘋果。該裝置的托盤秤壓在一個以O(shè)1為轉(zhuǎn)動軸的杠桿上，杠桿末端壓在壓力傳感器R上，R的阻值隨壓力變化的曲線如圖乙所示。調(diào)節(jié)托盤秤壓在杠桿上的位置，使質(zhì)量等于分揀標(biāo)準(zhǔn)（0.15kg）的大蘋果經(jīng)過托盤秤時，杠桿對R的壓力為1N。調(diào)節(jié)可調(diào)電阻R0，可改變R、R0兩端的電壓比，使質(zhì)量等于分揀標(biāo)準(zhǔn)的大蘋果通過托盤秤時，R0兩端的電壓恰好能使放大電路中的電磁鐵吸動分揀開關(guān)的銜鐵，此電壓叫作放大電路的激勵電壓。該放大電路中包含保持電路，能夠確保大蘋果在銜鐵上運動時電磁鐵始終保持吸動狀態(tài)。（1）當(dāng)大蘋果通過托盤秤時，R所受的壓力較大，電阻較?。ㄟx填“較大”或“較小”）。（2）自動分揀裝置正常工作時，大蘋果通過通道B（選填“通道A”或“通道B”）。（3）若電源電動勢為5V，內(nèi)阻不計，放大電路的激勵電壓為2V。①為使該裝置達(dá)到上述分揀目的，R0的阻值等于20kΩ。（結(jié)果保留2位有效數(shù)字）②某同學(xué)想在托盤秤壓在杠桿上的位置不變的情況下，利用一塊電壓表測出每個蘋果的質(zhì)量，電壓表的示數(shù)隨蘋果質(zhì)量的增大而增大，則電壓表應(yīng)該并聯(lián)在電阻R0（選填“R”“R0”或“電源”）兩端。③若要提高分揀標(biāo)準(zhǔn)到0.33kg，僅將R0的阻值調(diào)為16kΩ即可實現(xiàn)。（結(jié)果保留2位有效數(shù)字）（提示：托盤秤壓在杠桿上的位置不變的情況下，壓力傳感器受到的壓力與蘋果的質(zhì)量成正比）解析：（1）由題圖乙可知當(dāng)大蘋果通過托盤秤時，R所受的壓力較大，電阻較小。（2）大蘋果通過托盤秤時，R0兩端的電壓達(dá)到放大電路的激勵電壓，使放大電路中的電磁鐵吸動分揀開關(guān)的銜鐵，大蘋果進(jìn)入下面的通道B。（3）①杠桿對R的壓力為1N，R阻值為30kΩ，為使該裝置達(dá)到上述分揀目的，R0的阻值需滿足RR0＝（5－2）V②隨著蘋果質(zhì)量增大，R阻值減小，分壓減小，電源電動勢不變，R0分壓增大，為了滿足電壓表的示數(shù)隨蘋果質(zhì)量的增大而增大，需要將電壓表并聯(lián)在R0兩端。③根據(jù)m1m2＝F1F2可知分揀標(biāo)準(zhǔn)到0.33kg時，壓力為2.2N，此時R的阻值為24kΩ，根據(jù)①5.（2024·陜西咸陽模擬）某同學(xué)根據(jù)所學(xué)知識制作了一臺簡易電