第五章 传感器 综合拔高练（含答案解析）

综合拔高练
高考真题练
考点1　常见传感器及其应用
1.(多选题)(2022全国乙,18)安装适当的软件后,利用智能手机中的磁传感器可以测量磁感应强度B。如图,在手机上建立直角坐标系,手机显示屏所在平面为xOy面。某同学在某地对地磁场进行了四次测量,每次测量时y轴指向不同方向而z轴正向保持竖直向上。根据表中测量结果可推知(　　)
测量序号 Bx/μT By/μT Bz/μT
1 0 21 -45
2 0 -20 -46
3 21 0 -45
4 -21 0 -45
A.测量地点位于南半球
B.当地的地磁场大小约为50 μT
C.第2次测量时y轴正向指向南方
D.第3次测量时y轴正向指向东方
2.(2022北京,13)某同学利用压力传感器设计水库水位预警系统。如图所示,电路中的R1和R2,其中一个是定值电阻,另一个是压力传感器(可等效为可变电阻)。水位越高,对压力传感器的压力越大,压力传感器的电阻值越小。当a、b两端的电压大于U1时,控制开关自动开启低水位预警;当a、b两端的电压小于U2(U1、U2为定值)时,控制开关自动开启高水位预警。下列说法正确的是(　　)
A.U1B.R2为压力传感器
C.若定值电阻的阻值越大,开启高水位预警时的水位越低
D.若定值电阻的阻值越大,开启低水位预警时的水位越高
考点2　敏感元件与电学实验综合
3.(2022重庆,11)某兴趣小组研究热敏电阻在通以恒定电流时,其阻值随温度的变化关系。实验电路如图所示,实验设定恒定电流为50.0 μA,主要实验器材有:恒压直流电源E、加热器、测温仪、热敏电阻RT、可变电阻R1、电流表A、电压表V。
(1)用加热器调节RT的温度后,为使电流表的示数仍为50.0 μA,须调节　　　　(选填一种给定的实验器材)。当RT两端未连接电压表时,电流表示数为50.0 μA;连接电压表后,电流表示数显著增大,须将原电压表更换为内阻　　　　　　(选填“远大于”“接近”“远小于”)RT阻值的电压表。
(2)测得RT两端的电压随温度的变化如图所示,由图可得温度从35.0 ℃变化到40.0 ℃的过程中,RT的阻值随温度的平均变化率是　　　　kΩ·℃-1(保留2位有效数字)。
4.(2024河北,12)某种花卉喜光,但阳光太强时易受损伤。某兴趣小组决定制作简易光强报警器,以便在光照过强时提醒花农。该实验用到的主要器材如下:学生电源、多用电表、数字电压表(0~20 V),数字电流表(0~20 mA)、滑动变阻器R(最大阻值50 Ω,1.5 A)、白炽灯、可调电阻R1(0~50 kΩ)、发光二极管LED、光敏电阻RG、NPN型三极管VT、开关和若干导线等。
(1)判断发光二极管的极性
使用多用电表的“×10 k”欧姆挡测量二极管的电阻。如图1所示,当黑表笔与接线端M接触,红表笔与接线端N接触时,多用电表指针位于表盘中a位置(见图2);对调红、黑表笔后指针位于表盘中b位置(见图2)。由此判断M端为二极管的　　　　(填“正极”或“负极”)。
　　
(2)研究光敏电阻在不同光照条件下的伏安特性
①采用图3中的器材进行实验,部分实物连接已完成。要求闭合开关后电压表和电流表的读数从0开始。导线L1、L2和L3的另一端应分别连接滑动变阻器的　　　　、　　　　、　　　　接线柱(以上三空选填接线柱标号“A”“B”“C”或“D”)。
②图4为不同光照强度下得到的光敏电阻伏安特性曲线,图中曲线Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ对应光敏电阻受到的光照由弱到强。由图像可知,光敏电阻的阻值随其表面受到光照的增强而　　　(填“增大”或“减小”)。
(3)组装光强报警器电路并测试其功能
图5为利用光敏电阻、发光二极管、三极管(当b、e间电压达到一定程度后,三极管被导通)等元件设计的电路。组装好光强报警器后,在测试过程中发现,当照射到光敏电阻表面的光强达到报警值时,发光二极管并不发光,为使报警器正常工作,应　　　　(填“增大”或“减小”)可调电阻R1的阻值,直至发光二极管发光。
高考模拟练
应用实践
1.如图所示是一种水位自动报警器的原理示意图,当杯中的水位到达金属块B时,出现的情况是(　　)
A.灯L1亮　　　　B.灯L2亮
C.L1、L2两灯同时亮　　　　D.L1、L2两灯都不亮
2.(多选题)图中为传感器的应用,下列说法正确的是(　　)
A.干簧管是利用磁场来控制电路的通断
B.当有烟雾进入火灾报警器罩内时,光电三极管上就会因烟雾的散射而有光的照射,表现出电阻的变化
C.红外测温仪向人体发射红外线,从而测量人体温度
D.电容式位移传感器能把物体的位移这个力学量转换成电容这个电学量
3.酒精测试仪用于对机动车驾驶人员是否酒后驾车的现场检测,它利用的是一种二氧化锡半导体型酒精气体传感器。酒精气体传感器的电阻随酒精气体浓度的变化而变化,在如图所示的电路中,不同的酒精气体浓度对应着传感器的不同电阻,这样,显示仪表的示数就与酒精气体浓度有了对应关系。如果二氧化锡半导体型酒精气体传感器电阻r'的倒数与酒精气体的浓度成正比,那么,关于电压表示数U与酒精气体浓度c之间的对应关系,正确的是(　　)
A.U越大,表示c越大,U与c成正比
B.U越大,表示c越大,但是U与c不成正比
C.U越大,表示c越小,U与c成反比
D.U越大,表示c越小,但是U与c不成反比
4.某种光电式火灾报警器的原理如图所示,由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S1、S2,当烟雾浓度达到一定值时,干簧管中的两个簧片被磁化而接通,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.增大电阻箱R2的阻值
C.增大电源E3的电动势
D.增大干簧管上线圈的匝数
5.小明利用热敏电阻设计了一个“过热自动报警电路”,如图甲所示(虚线框内的连接没有画出)。将热敏电阻R安装在需要探测温度的地方,当环境温度正常时,继电器的衔铁与上触点接触,与下触点分离,指示灯亮;当环境温度超过某一值时,继电器的衔铁与下触点接触,与上触点分离,警铃响,指示灯灭。图甲中继电器的供电电压U1=3 V,继电器线圈用漆包线绕成,其电阻R0=30 Ω。当线圈中的电流大于等于50 mA时,继电器的衔铁将被吸合,警铃响。图乙是热敏电阻的阻值随温度变化的图像。
甲
乙
(1)由图乙可知,当环境温度为40 ℃时,热敏电阻阻值为　　　　 Ω。
(2)由图乙可知,当环境温度升高时,热敏电阻阻值将　　　　,继电器的磁性将　　　　(均选填“增大”“减小”或“不变”)。
(3)图甲中警铃的接线柱C应与接线柱　　相连(选填“A”或“B”)。
(4)请计算说明,环境温度在　　　　范围内时,警铃报警。
迁移创新
6.测温仪的核心部件是金属热敏电阻。
图(a)
图(b)
图(c)
(1)某同学想利用如图(a)所示电路测量热敏电阻在不同温度时的阻值,在闭合电路开关前应该把滑动变阻器的滑片滑到　　　　(选填“a”或“b”)端。
(2)通过测量得出了电阻随温度变化的规律如图(b)所示,其中一条直线对应的是理论值,则测量值对应的是直线　　　　(选填“Ⅰ”或“Ⅱ”)。
(3)该同学用上述热敏电阻连接成如图(c)所示电路,制作一简易的测温仪,其中电源电动势E=1.5 V,内阻r=1 Ω,理想电压表V2满偏电压为1.2 V,定值电阻R0=1 000 Ω,为了使热敏电阻在0 ℃时电压表满偏,电阻箱R应该调成　　　　 Ω。
(4)利用上述方法可以将理想电压表V2刻度线改成温度刻度线,则温度刻度线是　　　　(选填“均匀”“左疏右密”或“左密右疏”)的。
(5)该测温计使用较长时间后,电源电动势减小,内阻变大,导致测量结果　　　　(选填“大于”“小于”或“等于”)真实值。
答案与分层梯度式解析
高考真题练
1.BC　依题意,z轴正向保持竖直向上,测量结果表明z轴方向的磁感应强度为负,即测量地点的磁感应强度的竖直分量是向下的,说明测量地点位于北半球,A错误;每次测量得到的地磁场的两个分量互相垂直,任选一组数据根据平行四边形定则可以求出当地的地磁场磁感应强度大小约为50 μT,B正确;在北半球,地磁场的水平分量是由南向北的,第2次测量时Bx为零,说明x轴沿东西方向,By是负值,说明y轴正向与地磁场的水平分量方向相反,即指向南方,C正确;第3次测量时By为零,说明y轴沿东西方向,又因Bx为正,即x轴正向指北方,则y轴正向应指向西方,D错误。
2.C　由于低水位预警要求a、b两端电压大于U1,高水位预警要求a、b两端电压小于U2,可知水位越高时,即压力传感器的阻值越小时,a、b两端电压越低,而阻值越小,电路中电流越大,定值电阻两端电压越高,故R1是压力传感器,R2是定值电阻,且U1>U2,A、B均错误。假设恰好开启水位预警,若此时定值电阻的阻值增大,则电路中电流会随之减小,从而导致a、b两端电压变小,若想恢复原本电压,则需增大传感器电阻,即降低水位,C正确,D错误。
3.答案　(1)可变电阻R1　远大于　(2)1.2
解析　(1)电源E的电动势不变,用加热器调节RT的温度后,整个回路的总电阻改变。要确保电流表的示数仍为50.0 μA,需控制整个回路的总电阻不变,故需要调节的器材是可变电阻R1。
RT两端连接电压表后,电流表示数显著增大,说明电压表与RT并联后R总减小,由并联电阻的关系,R并==,要保证R总不变须将原电压表更换为内阻远大于RT阻值的电压表。
(2)由题图可得温度为35.0 ℃时RT两端电压为1.6 V,实验设定恒定电流为50.0 μA,此时热敏电阻的阻值RT1==32 kΩ;温度为40.0 ℃时RT两端电压为1.3 V,此时热敏电阻的阻值RT2==26 kΩ,所以温度从35.0 ℃变化到40.0 ℃的过程中,RT的阻值随温度的平均变化率是k===-1.2 kΩ·℃-1,负号表示随着温度升高RT的阻值减小。
4.答案　(1)负极　(2)①A　A　D(或C)　②减小　(3)增大
解析　(1)对调红、黑表笔前,电阻无穷大,对调红、黑表笔后,红表笔接M,黑表笔接N,此时电阻相对较小,说明测量的是二极管的正向电阻,由“红进黑出”知,此时黑表笔接二极管的正极,红表笔接二极管的负极,即M端为二极管的负极。
(2)①实验要求电压表和电流表的示数从0开始,所以滑动变阻器采用分压式接法,则L2的另一端应接在A接线柱;由于滑片位于左端,闭合开关后电压表和电流表的示数为0,则L1的另一端应接在A接线柱,L3的另一端应接在D或C接线柱。
②I-U图线的斜率越大,说明电阻越小,所以由图像可知,光敏电阻的阻值随其表面受到光照的增强而减小。
(3)当光照射到光敏电阻表面的光强达到报警值时,发光二极管并不发光,说明三极管没有导通,b、e间的电压即R1两端电压偏小,所以应增大可调电阻R1的阻值,直至发光二极管发光。
高考模拟练
1.B 2.ABD 3.B 4.D
1.B　当杯中的水位到达金属块B时,控制电路形成闭合回路,此时电磁铁具有磁性,将衔铁吸下,使灯L2所在电路接通,所以灯L2亮,灯L1所在电路断开,所以灯L1不亮,故B正确,A、C、D错误。
2.ABD　干簧管是利用磁场来控制电路的通断,故A正确;当有烟雾进入火灾报警器罩内时,光电三极管上就会因烟雾的散射而有光的照射,表现出电阻的变化,故B正确;红外测温仪是通过测量人体发射的红外线来测量人体温度的,故C错误;电容式位移传感器能把物体的位移这个力学量转换成电容这个电学量,故D正确。
3.B　由题意可知=kc,电压表测R0两端的电压,U=×R0=×R0,由此式可以看出U越大,表示c越大,但是U与c不成正比,选项B正确。
4.D　增大电阻箱R1的阻值,则红外光源发出的红外线强度减小,若烟雾浓度降低,则光敏电阻接收到的红外线的光强减小,光敏电阻的阻值变大,则干簧管上线圈中的电流减小,则干簧管中的两个簧片不能接通,蜂鸣器不能报警,选项A错误;同理,若烟雾浓度降低,则光敏电阻接收到的红外线的光强减小,光敏电阻的阻值变大,若再增大电阻箱R2的阻值,则干簧管上线圈中的电流减小,则干簧管中的两个簧片不能接通,蜂鸣器不能报警,选项B错误;增大电源E3的电动势,对干簧管的通断无影响,选项C错误;增大干簧管上线圈的匝数,在干簧管线圈中电流较小时,可使干簧管中的两个簧片被磁化而接通,蜂鸣器报警,此时对应的光敏电阻的阻值增大了,则光敏电阻接收到的红外线的光强减小了,故烟雾的浓度降低了,选项D正确。
5.答案　(1)70　(2)减小　增大　(3)B　(4)大于等于80 ℃
解析　(1)由图乙可知,当环境温度为40 ℃时,热敏电阻阻值为70 Ω。
(2)由图乙可知,当环境温度升高时,热敏电阻阻值减小,则继电器线圈中的电流增大,继电器的磁性增大。
(3)由于继电器的衔铁与下触点接触,与上触点分离时,警铃响。所以图甲中警铃的接线柱C应与接线柱B相连。
(4)当线圈中的电流大于等于50 mA时,继电器的衔铁将被吸合,警铃响。根据欧姆定律可得U1=I(R0+R),当线圈中的电流等于50 mA时解得R=30 Ω,由图乙可知此时温度为80 ℃,则环境温度大于等于80 ℃时,警铃报警。
6.答案　(1)b　(2)Ⅰ　(3)149　(4)左密右疏
(5)大于
解析　(1)在闭合电路开关前应该把滑动变阻器的滑片滑到电阻最大的位置,即b端。
(2)由电路可知,采用电流表外接,电阻测量值偏小,即相同温度下的测量值小于真实值,则测量值对应的是直线Ⅰ。
(3)热敏电阻在0 ℃时电阻为Rt=100 Ω,电路中的电流I== A=1.2 mA,
则电阻箱的阻值
R==-(Rt+r)=149 Ω。
(4)电压表读数U2=,
而Rt=0.4t+100(Ω),
则t=-3 125(℃),
描绘出大致的t-U2图像如图,由数学关系可知,将电压表刻度线改成温度刻度线之后,温度刻度线左密右疏。
(5)该测温计使用较长时间后,电源电动势减小,内阻变大,根据U2=可知U2偏小,电压表表盘指针偏左,则读出的t值偏大,即导致测量结果大于真实值。
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