【备战2023高考】物理总复习——12.3《实验十三：传感器的简单应用》练习（全国通用）

专题12.3 实验十三：传感器的简单应用

1．如图甲所示为一利用光敏电阻测量储液罐中液面高度装置的示意图。当罐中装满液体时，液面与出液口高度差为h，罐外有一竖直放置的管，管内一侧有沿竖直线排列的多个光敏电阻，另一侧有一列光强稳定的光源。液面上一浮块与一块遮光板通过定滑轮相连，遮光板可随浮块的升降在管内上下运动，光敏电阻的总长度和遮光板的总长度都为h。当储液罐内装满液体时，遮光板的上沿与最下面的光敏电阻的下边缘等高，管内的光均匀地照射在光敏电阻上，光敏电阻和仪表相连。现要求设计一电路以利用上述装置测量液面的高度。

为将问题简化，假设管内只有3个光敏电阻R1、R2、R3，分别位于管的上端、下端和中央；它们的暗电阻均为R＝10kΩ，被管内光源照亮时电阻均为R′＝1.0kΩ。给定的仪器还有：直流电源E（电动势为9V，电阻不计），3个定值电阻，阻值分别为R4＝2.5kΩ，R5＝1.8kΩ，R6＝1.5kΩ；电压表V（量程为0~3V，内阻可视为无穷大），开关一个，导线若干。

要求：当罐内装满液体时，电压表恰好为满量程。

（1）如图乙所示为某次电压表的示数为________V。

（2）选择合适的定值电阻，在如图丙所示虚线框内画出电路图，并用题中给定的符号标明图中各元件________。

（3）液面与出液口等高时电压表的示数为________V。（结果保留两位有效数字）

（4）若管内的光强变暗，使得光敏电阻被照亮时的阻值变为1.2kΩ，则定值电阻的阻值应变为________kΩ，便可达到题目要求。（结果保留两位有效数字）

2．小明设计了一种“自动限重器”，如图甲所示。该装置由控制电路和工作电路组成，其主要元件有电磁继电器、货物装载机（实质是电动机）、压敏电阻R1和滑动变阻器R2等。压敏电阻R1的阻值随压力F变化的关系如图乙所示。当货架承受的压力达到限定值，电磁继电器会自动控制货物装载机停止向货架上摆放物品。已知控制电路的电源电压U=6 V，电磁继电器线圈的阻值忽略不计。请你解答下列问题：

（1）由图乙的图象可知，随着压力F的增大，压敏电阻R1的阻值将___________。

（2）用笔画线代替导线将图甲的电路连接完整。(      )

（3）随着控制电路电流的增大，电磁铁的磁性将___________，当电磁继电器线圈中的电流大小为30 mA时，衔铁被吸下。若货架能承受的最大压力为800 N，则所选滑动变阻器R2的最大阻值至少为___________Ω。

3．传感器在现代生活、生产和科技中有着相当广泛的应用，如图甲是一个压力传感器设计电路，要求从表盘上直接读出压力大小，其中是保护电阻，是调零电阻（总电阻200Ω），理想电流表量程为10mA，电源电动势（内阻不计），压敏电阻的阻值R与所受压力大小F的对应关系如图乙所示。

（1）有三个规格的保护电阻，应选的是________（填选项前的序号）。

A．200Ω       B．400Ω       C．800Ω

（2）选取、安装保护电阻后，要对压力传感器进行调零，调零电阻应调为________Ω。

（3）现对表盘进行重新赋值，原2mA刻度线应标注________N。

（4）由于电池老化，电动势降为9.8V，传感器压力读数会出现偏差，如果某次使用时，先调零、后测量，读出压力为1000N，此时电流大小为________mA，实际压力大小为________N。

4．学习了传感器之后，某物理兴趣小组找到了一个热敏电阻R，想利用热敏电阻的阻值随温度升高而减小的特点来制作一个简易的温度计。兴趣小组查到了该热敏电阻的阻值随温度变化的一些信息如图甲所示。他们准备的实验器材如下：干电池（电动势为1.5V，内阻不计），毫安表（量程为10mA、内阻为），滑动变阻器，开关、导线若干。

（1）若直接将干电池、开关、毫安表、热敏电阻R串接成一个电路作为测温装置，则该电路能测得的最高温度为______℃。

（2）现在该兴趣小组想让测温范围大一些，使该电路能测得的最高温度为100℃，他们又设计了如图乙所示的电路图，并进行了如下操作：

a．将该热敏电阻R做防水处理后放入100℃的沸水中，一段时间后闭合开关，调节滑动变阻器可以使毫安表指针满偏，则调节滑动变阻器应为______；

b．保持滑动变阻器接入电路的电阻不变，他们在实验室中找来了一瓶水，把热敏电阻R放入水中，一段时间后闭合开关，发现毫安表的示数为8.0mA，则测得水的温度为______℃。（结果保留两位有效数字）

c．毫安表的电流值I（单位：mA）和温度t（单位：℃）的关系式为______。-

d．根据关系式将毫安表刻度盘上的电流值改写为温度值。

5．某些固体材料受到外力作用后，除了产生形变，其电阻率也会发生变化，这种现象称为“压阻效应”。已知某压敏电阻的阻值的变化范围为几十欧姆到几百欧姆，某实验小组在室温下用伏安法探究压敏电阻阻值Rx随压力F变化的规律，实验室有如下器材可供选择；

A．压敏电阻（无压力时，阻值）；

B．直流电源（电动势为6V，内阻不计）；

C．电流表A（量程为0~100mA，内阻不计）；

D．电压表V（量程为，内阻为4kΩ）；

E．定值电阻

F．滑动变阻器R（最大阻值约50Ω）

C． 开关S、导线若干。

（1）某同学设计了图甲实验电路原理图，请在图乙中将实物连线图补充完整。(        )

（2）某次压力测试，在电阻Rx上施加力F，闭合开关S，电压表和电流表的示数分别为U和I，则压敏电阻的阻值为_______________。

（3）改变F的大小，测得不同的Rx值，绘成如图丙所示的图像，其斜率为k，和压力F的关系式为_______________（用F和k表示）。

（4）按图甲实验电路进行实验，调节滑动变阻器使电压表保持满偏，在电阻Rx上施加力F，当电流表满偏时，压力F为_________________N（结果保留到个位数）。

6．传感器可以感受光强、温度、力、磁感应强度等非电学量，并把它们转换为与之有确定对应关系的电学量输出。

（1）热敏电阻常用于温度控制或过热保护装置中，在图甲中，热敏电阻的阻值随温度变化对应的图线是___________（选填“1”或“2”）线。

（2）利用压敏电阻制作的传感器，可用于设计制作“车辆闯红灯违规记录仪”，仪器主要由控制电路和工作电路组成，如图乙所示，控制电路中的光控开关接收到红光时会自动闭合，接收到绿光或黄光时会自动断开。将控制电路中的压敏电阻埋在路面停止线前侧，压敏电阻阻值随压力的变化如图丙所示。控制电路中电源的电动势为，内阻为，继电器线圈电阻为，滑动变阻器连入电路的电阻为；当控制电路中的电流大于时，衔铁会被吸引，从而启动工作电路，电控照相机拍照记录违规车辆。

①当红灯亮时，若车辆越过停止线，电流表的示数会变___________（选填“小”或“大”）。

②只有车辆对压敏电阻的压力超过___________后，车辆闯红灯时才会被拍照记录。

7．热敏电阻是一种常见的感温元件。小明利用热敏电阻自制了一简易温度计，其内部电路由一个电动势为3V、内阻为5Ω的直流电源，一个量程为30mA、内阻为5Ω的毫安表，一个阻值为10Ω的定值电阻和一个热敏电阻构成，如图所示。已知所用热敏电阻阻值R随温度t变化的图像如图所示。

（1）闭合开关S，该温度计开始工作，当毫安表示数为3.0mA时，待测物温度为___________°C。

（2）在图中的电流表表盘刻度上标记温度值，下列说法正确的是___________

A．10mA处标记的温度高于20mA处标记的温度

B．10mA处标记的温度低于20mA处标记的温度

C．毫安表相邻刻度对应温度的示数是均匀的

D．毫安表相邻刻度对应温度的示数是不均匀的

8．炎热的夏季，养殖户用自动控温通风系统对养殖场进行控温。要求当养殖场内的温度升高到27℃时，通风系统立即启动。某同学设计的通风系统工作原理如图甲所示：虚线框内的两接线柱间接测温电阻RT。当R1两端的电压升高到3V时，控制电路恰能启动通风系统，低于3V时，通风系统立即停止工作。

提供的器材为：

直流电源（电动势E=5V，内阻忽略不计）；

电阻箱R1、R2（阻值范围均为）；

控制电路模块（电阻可视为无穷大）；

两测温电阻RT1、RT2（工作特性分别如图乙、丙所示）。

根据原理，选择器材，并完成调试：

（1）图甲中测温电阻应选用______（选填“RT1”或“RT2”）；

（2）接好测温电阻后，为实现27℃时开启通风系统，对电路进行调试，先将开关K2拨到触点b，并将电阻箱R2的阻值调至______kΩ、电阻箱R1的阻值调至______kΩ，再闭合开关K1，测试通风系统能否正常工作。若能正常工作，再将开关K2拨回触点a即可。（本问结果均保留2位有效数字）

（3）若长时间使用电阻箱R1老化后的电阻率会变大，若不对其阻值进行调整，当通风系统再次启动时，养殖场内的实际温度要______（选填“高”或“低”）于设定的启动温度27℃。

1．（2022·山西·怀仁市第一中学校模拟）为了建设安全校园，某校物理教师带领学生兴趣小组，利用光敏电阻和电磁继电器，为学校教学楼内所有楼梯口的照明灯安装了亮度自动控制装置。如图所示（a）为他们设计的原理图，R0为光敏电阻（阻值随亮度的增加而减小），R1为滑动变阻器，电磁继电器的衔铁由软铁（容易磁化和消磁）制成，R2为电磁铁的线圈电阻，K为单刀双掷开关。

（1）为使楼内亮度降低到一定程度照明灯自动点亮，亮度升高到一定程度照明灯自动熄灭，单刀双掷开关应置于___________（选填“a”或“b"）。

（2）为了提升校园安全系数，使照明灯在不太暗的时候就点亮，滑动变阻器接入电路的电阻应____________（选填“调大”或“调小”）。

（3）已知直流电路中的电流达到10mA时电磁继电器的衔铁正好会被吸下，R0从正午最亮到夜晚最暗的阻值变化范围为50~200Ω，R2约为5Ω，直流电源电动势E＝3V，内阻r约为1Ω，现有三个最大电阻阻值分别为100Ω、300Ω.3000Ω的滑动变阻器，为实现调控目标R1最好应选择最大阻值为_______Ω的滑动变阻器。

（4）兴趣小组同学想要对原设计进行改进，使亮度降低到一定程度触发衔铁吸下，请你在图（b）的虚线框中用笔画线代替导线重新连接直流电路中c、d、e、f、g、h各点，以实现这一改进目标_______。

2．（2022·湖南·长郡中学模拟）某实验小组要利用热敏电阻制作一个温度计，设计的电路图如图甲所示。

实验室提供的器材如下：

A．电源（电动势为1.5V，内阻不计）

B．电源（电动势为6.0V，内阻不计）

C．电压表V（量程为3V，内阻为）

D．定值电阻（阻值为）

E．定值电阻（阻值为）

F．开关、导线若干

所用热敏电阻的阻值随温度变化的数据如下表：

（1）为使20℃~80℃范围内的温度在电压表的表盘上有最佳显示，电源应选用__________，定值电阻应选用___________（填器材前的字母序号）；

（2）请在如图乙所示的电压表表盘上标出20℃、50℃、70℃对应的位置。(    )

3．（2022·重庆市江津第八中学校模拟）半导体薄膜压力传感器是一种常用的传感器，其阻值会随压力变化而改变。现有A和B两个压力传感器：

（1）利用如图甲所示的电路测量传感器在不同压力下的阻值，其阻值约几十千欧，实验室提供以下器材：

电源电动势为

电流表A（量程，内阻约为）

电压表V（量程，内阻约为）

滑动变阻器（阻值）

为了提高测量的准确性，开关应该接___________（填“①”或“②”），开关应该接___________（填“③”或“④”）。

（2）实验测得A和B两个压力传感器的阻值随压力F变化的关系图像如图乙所示。利用压力传感器设计了自动报警分拣装置如图丙所示，图中为压力传感器，R为滑动变阻器，电源电动势为（内阻不计）。当蜂鸣器（可视为断路）两端的电压大于时，会发出警报。分拣时将质量不同的物体用传送带运送到压力传感器上，若要将质量超过的货物实现报警分拣，则___________（填“A”或“B”）压力传感器的灵敏度更高（灵敏度指电阻值随压力的变化率，）。

（3）仍用图丙所示的自动报警分拣装置，某次分拣产品时选择B压力传感器，若R调为，该分拣装置可以实现将质量超过___________的物品进行分拣（结果保留两位有效数字），若要分拣质量更大的物品，应该将R的滑片向___________（填“上”或“下”）移动。

4．（2022·湖北·恩施市第一中学模拟）电子体温计（图1）正在逐渐替代水银温度计。电子体温计中常用的测温元器件是热敏电阻。某物理兴趣小组制作一简易电子体温计，其原理图如图2所示。

（1）兴趣小组测出某种热敏电阻的I－U图像如图3所示，那么他们应该选用图______电路（填“甲”或“乙”）；

（2）现将上述测量的两个相同的热敏电阻（伏安特性曲线如图3所示）和定值电阻、恒压电源组成如图4所示的电路，电源电动势为6V，内阻不计，定值电阻，热敏电阻消耗的电功率为______W（结果保留3位有效数字）；

（3）热敏电阻的阻值随温度的变化如图5所示，在设计的电路中（如图2所示），已知电源电动势为5.0V（内阻不计），电路中二极管为红色发光二极管，红色发光二极管的启动（导通）电压为3.0V，即发光二极管两端电压时点亮，同时电铃发声，红色发光二极管启动后对电路电阻的影响不计。实验要求当热敏电阻的温度高于时红灯亮且铃响发出警报，其中电阻______（填“”或“”）为定值电阻，其阻值应调为______Ω（结果保留3位有效数字）。

5．（2022·辽宁沈阳·三模）饮酒驾车，害人害己．目前查酒驾的常用办法是测量驾驶员呼出的气体酒精浓度，依据国家酒驾、醉驾处罚标准，驾驶员呼出的气体酒精浓度大于小于等于是酒驾，大于是醉驾。某实验小组要利用一种二氧化锡半导体气体酒精传感器组装一个气体酒精测试仪，现有器材如下：

A．二氧化锡半导体酒精传感器；

B．电压表（量程为3V，内阻非常大，作为浓度表使用）；

C．直流电源（电动势为4V，内阻不计）；

D．电阻箱（最大阻值为）；

E．定值电阻（阻值为）；

F．定值电阻（阻值为10Ω）；

G．单刀双掷开关一个，导线若干。

该传感器电阻随气体酒精浓度的变化而变化，具体数据见下表：

（1）请根据上表数据在坐标系中描绘出关系曲线______

（2）图乙是该小组设计的酒精测试仪的电路图，为使伏特表不超量程，图乙的定值电阻R应该选择______（或）。

（3）该实验小组首先按照下列步骤标注此测试仪刻度：开关向b端闭合，逐步减小电阻箱的阻值，电压表的示数不断变大。按照甲图数据将电压表上“电压”刻度线标为对应的“气体酒精浓度”，若电阻箱调为30Ω，电压表指针对应的刻度应标注为______；以此类推，逐一标注后再将开关向a端闭合，测试仪即可正常使用。

（4）一同学将标注好的酒精测试仪靠近某瓶口，发现电压表读数为0.80V，则测得的酒精浓度为______。

6．（2022·辽宁·沈阳二中三模）如图所示，图甲为热敏电阻的R-t图像，图乙为用此热敏电阻和继电器组成的简易温控开关，继电器的电阻为80Ω。当继电器电流超过10mA时，衔铁吸合，加热器停止加热，实现温控。为继电器线圈供电的电池E的内阻不计。图中“电源”是恒温箱加热器的电源。

（1）提供以下实验器材：电源E1(3V)，电源E2(6V)，滑动变阻器R1（0~20Ω），滑动变阻器R2（0~200Ω），热敏电阻Rt，电阻箱（0~999.9Ω），开关S，导线若干。

为使该装置实现对20~60℃之间任意温度的控制，电源E应选______（填“E1”或“E2”）；滑动变阻器应选______（填“R1”或“R2”）。

（2）为了实现恒温系统保持温度为30℃，实验时进行了以下操作：

①断开开关，滑动变阻器调节至最大，将电阻箱调节到一固定的阻值______Ω；

②将单刀双掷开关向c端闭合；

③缓慢调节滑动变阻器的阻值观察到继电器的衔铁恰好被吸合；

④保持滑动变阻器的位置不变，将单刀双掷开关另一端闭合，恒温箱系统正常工作；

（3）若恒温箱系统要保持温度为30℃，则需把滑动变阻器调节到______Ω；若恒温箱系统要保持温度为35℃，则滑动变阻器正常工作时必须向______（填“左”或“右”）移动滑动触头。

1．（2020·全国·高考真题）已知一热敏电阻当温度从10℃升至60℃时阻值从几千欧姆降至几百欧姆，某同学利用伏安法测量其阻值随温度的变化关系。所用器材：电源E、开关S、滑动变阻器R（最大阻值为20 Ω）、电压表（可视为理想电表）和毫安表（内阻约为100 Ω）。

(1)在答题卡上所给的器材符号之间画出连线，组成测量电路图________________。

(2)实验时，将热敏电阻置于温度控制室中，记录不同温度下电压表和毫安表的示数，计算出相应的热敏电阻阻值。若某次测量中电压表和毫安表的示数分别为5.5 V和3.0 mA，则此时热敏电阻的阻值为_____kΩ（保留2位有效数字）。实验中得到的该热敏电阻阻值R随温度t变化的曲线如图（a）所示。

(3)将热敏电阻从温控室取出置于室温下，测得达到热平衡后热敏电阻的阻值为2.2kΩ。由图（a）求得，此时室温为_____℃（保留3位有效数字）。

(4)利用实验中的热敏电阻可以制作温控报警器，其电路的一部分如图（b）所示。图中，E为直流电源（电动势为10 V，内阻可忽略）；当图中的输出电压达到或超过6.0 V时，便触发报警器（图中未画出）报警。若要求开始报警时环境温度为50℃，则图中_________（填“R1”或“R2”）应使用热敏电阻，另一固定电阻的阻值应为_________kΩ（保留2位有效数字）。

2．（2008·四川·高考真题）图1中所示装置可以用来测量硬弹簧（即劲度系数较大的弹簧）的劲度系数k．电源的电动势为E，内阻可忽略不计．滑动变阻器全长为l，重力加速度为g，V为理想电压表．当木板上没有放重物时，滑动变阻器的触头位于图1中a点，此时电压表示数为零．在木板上放置质量为m的重物，滑动变阻器的触头随木板一起下移．由电压表的示数U及其它给定条件，可计算出弹簧的劲度系数k．

（1）写出m、U与k之间所满足的关系式．________

（2）已知E = 1.50V，l =12.0cm，g=9.80m/s2．测量结果如下表：

①在图2中给出的坐标纸上利用表中数据描出m－U直线．______

②m－U直线的斜率为______________kg/V．

③弹簧的劲度系数k=______________N/m．（保留3位有效数字）

3．（2019·全国·高考真题）某小组利用图（a）所示的电路，研究硅二极管在恒定电流条件下的正向电压U与温度t的关系，图中V1和V2为理想电压表；R为滑动变阻器，R0为定值电阻（阻值100 Ω）；S为开关，E为电源．实验中二极管置于控温炉内，控温炉内的温度t由温度计（图中未画出）测出．图（b）是该小组在恒定电流为50.0μA时得到的某硅二极管U-t关系曲线．回答下列问题：

（1）实验中，为保证流过二极管的电流为50.0μA，应调节滑动变阻器R，使电压表V1的示数为U1=______mV；根据图（b）可知，当控温炉内的温度t升高时，硅二极管正向电阻_____（填“变大”或“变小”），电压表V1示数_____（填“增大”或“减小”），此时应将R的滑片向_____（填“A”或“B”）端移动，以使V1示数仍为U1．

（2）由图（b）可以看出U与t成线性关系，硅二极管可以作为测温传感器，该硅二极管的测温灵敏度为=_____×10-3V/℃（保留2位有效数字）．

4．（2009·山东·高考真题）为了节能和环保，一些公共场所使用光控开关控制照明系统．光控开头可采用光敏电阻来控制，光敏电阻是阻值随着光的照度而发生变化的元件（照度可以反映光的强弱，光越强照度越大，照度单位为Lx）．某光敏电阻Rp在不同照度下的阻值如下表：

①根据表中数据，请在给定的坐标系（见答题卡）中描绘出阻值随照度变化的曲线___________，并说明阻值随照度变化的特点_________．

②如图所示，当1、2两端所加电压上升至2V时，控制开关自动启动照明系统，请利用下列器材设计一个简单电路．给1、2两端提供电压，要求当天色渐暗照度降低至1.0(1x)时启动照明系统，在虚线框内完成电路原理图_________．（不考虑控制开关对所设计电路的影响）

提供的器材如下：

光敏电源E(电动势3V，内阻不计)；

定值电阻：R1=10k，R2=20k，R3=40k（限选其中之一并在图中标出）

开关S及导线若干．

5．（2018·全国·期末）某实验小组探究一种热敏电阻的温度特性,现有器材：直流恒流电源(在正常工作状态下输出的电流恒定)、电压表、待测热敏电阻、保温容器、温度计、开关和导线等。

(1)若用上述器材测量热敏电阻的阻值随温度变化的特性，请你在图中的实物图上连线___；

(2)实验的主要步骤

①正确连接电路,在保温容器中注入适量冷水,接通电源,调节并记录电源输出的电流值；

②在保温容器中添加少量热水，待温度稳定后，闭合开关_________、_________断开开关；

③重复第②步操作若干次，测得多组数据

(3)实验小组算得该热敏电阻在不同温度下的阻值，并据此绘得如图R－t关系图线，请根据图线写出该热敏电阻的R－t关系式R=________+________t(Ω)(保留三位有效数字)。

6．（2009·宁夏·高考真题）青岛奥运会帆船赛场采用风力发电给蓄电池充电，为路灯提供电能。用光敏电阻作为传感器控制路灯电路的开关，实现自动控制。光敏电阻的阻值随照射光的强弱而变化，作为简化模型，可以近似认为，照射光较强（如白天）时电阻几乎为0；照射光较弱（如黑天）时电阻接近于无穷大。利用光敏电阻作为传感器，借助电磁开关，可以实现路灯自动在白天关闭，黑天打开。电磁开关的内部结构如图所示。1、2两接线柱之间是励磁线圈，3、4两接线柱分别与弹簧片和触点连接。当励磁线圈中电流大于50 mA时，电磁铁吸合铁片，弹簧片和触点分离，3、4断开；电流小于50 mA时，3、4接通。励磁线圈中允许通过的最大电流为100 mA。

（1）利用以下器材设计一个自动控制路灯的电路，画出电路原理图   _______________________________。

光敏电阻R1，符号

灯泡L，额定功率40 W，额定电压36 V，符号

保护电阻R2，符号

电磁开关，符号

蓄电池E，电压36 V，内阻很小；开关S，导线若干。

（2）回答下列问题：

①如果励磁线圈的电阻R线为200 Ω，励磁线圈允许加的最大电压为________ V，保护电阻R2的阻值范围为________ Ω。

②在有些应用电磁开关的场合，为了安全，往往需要在电磁铁吸合铁片时，接线柱3、4之间从断开变为接通。为此，电磁开关内部结构应如何改造？请结合本题中电磁开关内部结构图说明   _______________________________________________________________________________________。

③任意举出一个其他的电磁铁应用的例子_______________________________。