2023-2024学年鲁科版选择性必修第二册 第5章 传感器及其应用 单元测试

章末综合检测(五)　传感器及其应用

(时间：90分钟　满分：100分)

一、单项选择题：本题共8小题，每小题3分，共24分。在每小题给出的四个选项中，只有一项符合题目要求。

1．关于传感器，下列说法正确的是(　　)

A．传感器能将非电学量按一定规律转换成电学量

B．金属热电阻是一种可以将电学量转换为热学量的传感器

C．干簧管是能够感知电场的传感器

D．干簧管接入电路中相当于电阻的作用

解析：A　传感器作为一种将其他形式的信号与电信号之间的转换装置，能将非电学量按一定规律转换成电学量，选项A正确；金属热电阻是将热学量转化为电学量的传感器，选项B错误；干簧管是一种能够感知磁场的传感器，串联在电路中就成为一个由磁场控制的开关，选项C、D错误。

2．传感器已广泛应用在生产、生活中，下列关于传感器的说法正确的是(　　)

A．火警报警器使用了压力传感器

B．冰箱控温系统使用了温度传感器

C．商场里的自动门使用了光传感器

D．夜间自动打开的路灯使用了温度传感器

解析：B　火警报警器使用了温度传感器，故A错误；冰箱控温系统使用了温度传感器，故B正确；一般人体都有恒定的体温，一般在37 ℃，所以会发出特定波长10 μm左右的红外线，被动式红外探头就是靠探测人体发射的10 μm左右的红外线而进行工作的，人走向门口时，门会自动打开，是因为安装了红外线传感器，从而能感知红外线，导致门被打开，故C错误；灯要求夜晚亮、白天熄，而白天有光，黑夜没有光，则是由光导致电路的电流变化，所以电路中光传感器导致电阻变化，实现自动控制，因此是利用半导体的光敏性，即为光电传感器，故D错误。

3.某学习小组的同学在用多用电表研究热敏特性实验中，安装好如图所示的装置。向杯内加入冷水，温度计的示数为20 ℃，多用电表选择适当的倍率，读出热敏电阻的阻值R1。然后向杯内加入热水，温度计的示数为60 ℃，发现多用电表的指针偏转角度较大，则下列说法正确的是(　　)

A．多用电表应选用电流挡，温度升高换用大量程测量

B．多用电表应选用电流挡，温度升高换用小量程测量

C．多用电表应选用欧姆挡，温度升高时换用倍率大的挡

D．多用电表应选用欧姆挡，温度升高时换用倍率小的挡

解析：D　测电阻应选用欧姆挡。当温度升高时，热敏电阻受温度变化的影响，偏转角度增大，说明电阻阻值变小，所以应换用倍率小的挡。

4.利用现代信息技术进行的实验叫作DIS实验，DIS由传感器、数据采集器和计算机组成。如图所示为“用DIS测变速直线运动的瞬时速度”实验的装置图，图中①所示的器材为(　　)

A．位移传感器   B．速度传感器

C．时间传感器   D．光电门传感器

解析：D　光电门传感器能够测量并记录挡光片通过光电门的时间t。若挡光片的宽度为d，则瞬时速度v＝，故D正确。

5.压敏电阻的阻值会随所受压力的增大而减小，某位同学利用压敏电阻设计了判断电梯运动状态的装置，其装置示意图如图所示，将压敏电阻平放在电梯内，受压面朝上，在上面放一物体m，电梯静止时电流表示数为I0，电梯在不同的运动过程中，电流表的示数分别如图甲、乙、丙、丁所示，下列判断中不正确的是(　　)

A．甲图表示电梯可能做匀速直线运动

B．乙图表示电梯可能做匀加速上升运动

C．丙图表示电梯可能做匀加速上升运动

D．丁图表示电梯可能做变减速下降运动

解析：C　匀速时物体受力与静止时相同，电流应为I0，选项A正确；匀加速上升时物体超重，压力恒定，电流恒定且大于I0，选项B正确，C错误；丁图电流减小，电路中的电阻增大，故此过程压力减小，可能为变减速下降运动，选项D正确。

6.如图所示，由电源、小灯泡、电阻丝、开关组成的电路中，当闭合开关S后，小灯泡正常发光。若用酒精灯加热电阻丝时，发现小灯泡亮度变暗，发生这一现象的主要原因是(　　)

A．小灯泡的电阻发生了变化

B．小灯泡灯丝的电阻率随温度发生了变化

C．电阻丝的电阻率随温度发生了变化

D．电源的电压随温度发生了变化

解析：C　电阻丝的电阻率随温度的升高而增大，电阻增大。根据I＝和P＝UI知，通过小灯泡的电流减小，功率减小，所以小灯泡亮度变暗，C正确。

7．如图甲所示的电路中，光敏电阻R2受到的光照随时间变化的图像如图乙所示，R2两端的电压随时间的变化规律是(　　)

解析：B　光敏电阻随光照的增强电阻减小，电路中电流增大，电阻R1两端电压增大，R2两端电压减小，但不会减小到零，故选项B正确。

8.某种角速度计的结构如图所示。当整个装置绕竖直轴OO′转动时，元件A相对于转轴发生位移并通过滑动变阻器输出电压，电压传感器(传感器内阻无限大)接收相应的电压信号。已知A的质量为m，弹簧的劲度系数为k、自然长度为l，电源的电动势为E、内阻不计。滑动变阻器总长也为l，电阻分布均匀，装置静止时滑片P在变阻器的最左端B处，当系统以角速度ω转动时，则(　　)

A．电路中电流随角速度的增大而增大

B．弹簧的伸长量为x＝

C．输出电压U与ω的函数关系为U＝

D．此装置能测量的角速度最大不超过

解析：D　系统在水平面内以角速度ω转动时，无论角速度增大还是减小，BC的电阻不变，根据闭合电路欧姆定律可知，电路中电流保持不变，与角速度无关，故A错误；设系统在水平面内以角速度ω转动时，弹簧伸长的长度为x，则对元件A，根据牛顿第二定律得kx＝mω2(l＋x)，解得x＝，故B错误；输出电压U＝E＝E，解得U＝，故C错误；当x＝l时角速度最大，则由kl＝mω(l＋l)，解得ωmax＝ ，故D正确。

二、多项选择题：本题共4小题，每小题4分，共16分。在每小题给出的四个选项中，有多项符合题目要求。全部选对的得4分，选对但不全的得2分，有选错的得0分。

9．下列有关传感器的说法正确的是(　　)

A．大地震时用的生命探测仪利用了生物传感器

B．“嫦娥三号”卫星星载的CCD立体相机获取月球数据利用了光传感器

C．电子秤称量物体质量是利用了力传感器

D．火灾报警器能够在发生火灾时报警是利用了温度传感器

解析：ABC　生命探测仪是利用生物传感器，立体相机是利用光传感器，电子秤是利用力传感器，火灾报警器是在烟雾浓度达到一定程度时能够输出电信号，使警铃发声或使红灯闪烁，自动报警，利用了光传感器而不是利用了温度传感器，故A、B、C正确，D错误。

10.电子电路中常用到一种称为“干簧管”的元件(如图所示)，它的结构很简单，只是玻璃管内封入的两个软磁性材料制成的簧片。当磁体靠近干簧管时，两个簧片被磁化而接通，所以干簧管能起到开关的作用，操纵开关的是磁场这只看不见的“手”。关于干簧管，下列说法正确的是(　　)

A．干簧管接入电路中相当于电阻的作用

B．干簧管是根据热胀冷缩的原理制成的

C．两个磁性材料制成的簧片接通的原因是被磁化后相互吸引

D．干簧管接入电路中相当于开关的作用

解析：CD　当磁体靠近干簧管时，两个簧片被磁化相互吸引而接通，选项B错误，C正确；当磁体远离干簧管时，软磁性材料制成的簧片失去磁性，所以两簧片又分开，因此干簧管在电路中相当于开关的作用，选项A错误，D正确。

11．如图所示是一种电感式微小位移传感器的原理图。1是待测位移的物体，3是空心线圈，软铁芯2插在线圈3中并且可以随着物体1在线圈中左右平移。关于这种传感器的工作原理，下列说法正确的是(　　)

A．这种传感器输入的物理量是位移，输出的物理量是自感系数

B．通过这种传感器线圈的电流是交流电

C．软铁芯是敏感元件，线圈是转换元件

D．当物体1向右移动时，线圈的自感系数增大

解析：BC　这种传感器输入的物理量是位移，输出的物理量是电流，选项A错误；当软铁芯插入或拔出线圈时，在线圈中产生方向相反的电流，则通过这种传感器线圈的电流是交流电，选项B正确；因软铁芯的移动导致线圈中产生感应电流，则软铁芯是敏感元件，线圈是转换元件，选项C正确；当物体1向右移动时，软铁芯插入线圈的深度减小，则线圈的自感系数减小，选项D错误。

12．某磁敏电阻的阻值R随外加磁场的磁感应强度B变化图线如图甲所示。学习小组使用该磁敏电阻设计了保护负载的电路如图乙所示，U为直流电压，下列说法正确的有(　　)

A．增大电压U，负载电流不变

B．增大电压U，电路的总功率变大

C．抽去线圈铁芯，磁敏电阻的阻值变小

D．抽去线圈铁芯，负载两端电压变小

解析：BC　增大电压U，为保护负载，磁敏电阻两端需要分压，即电压增大，磁敏电阻的阻值增大，根据甲图可知磁感应强度增大，所以通过线圈的电流增大，根据P＝UI可知，电路的总功率P变大，故A错误，B正确；抽去线圈铁芯，线圈产生的磁感应强度减小，故磁敏电阻的阻值变小，则磁敏电阻两端的电压变小，而U不变，所以负载两端电压变大，故C正确，D错误。

三、非选择题：本题共5小题，共60分。

13．(8分)在温度为10 ℃左右的环境中，工作的自动恒温箱简图如图甲所示，箱内电阻R1＝20 kΩ，R2＝10 kΩ，R3＝40 kΩ，Rt为热敏电阻，它的电阻随温度变化的图像如图乙所示。当a、b端电压Uab<0时，电压鉴别器会令开关S接通，恒温箱内的电热丝发热，使箱内温度升高；当Uab>0时，电压鉴别器使S断开，停止加热，恒温箱内的温度恒定在________ ℃。

解析：根据图甲求出热敏电阻的阻值，然后从图乙的图像中找出所对应的温度。设电路路端电压为U，当Uab＝0时，有＝，代入数据解得Rt＝20 kΩ，由图乙可知，当Rt＝20 kΩ时，t＝35 ℃。

答案：35

14．(10分)(1)某宾馆的房卡如图甲所示，只有把房卡插入槽中，房间内的灯和插座才会有电。房卡的作用相当于一个________(填电路元件名称)接在干路上。

(2)如图乙所示，当房客进门时，只要将带有磁铁的卡P插入盒子Q中，这时由于磁铁吸引簧片，开关B就接通，通过继电器J使整个房间的电路的总开关接通，房客便能使用室内各种用电器。当继电器工作时，c、d相吸，a、b便接通。请你将各接线端1、2、3、4、5、6、7、8、9、10适当地连接起来，构成正常的电门卡电路。

解析：(1)房卡可以控制房间内的灯和插座，不插入槽中，所有房间内的灯和插座都不工作，所以房卡相当于干路上的开关。

(2)将开关B与电源E、线圈连成一个回路；将三个灯泡所在电路与交流电流接成回路，构成正常的电门卡电路。如图所示。

答案：(1)开关　(2)见解析图

15．(12分)热敏电阻是传感电路中常用的电子元件，现用伏安法研究热敏电阻在不同温度下的伏安特性曲线，要求特性曲线尽可能完整。已知常温下待测热敏电阻的阻值为40～50 Ω。热敏电阻和温度计插入带塞的保温杯中，杯内有一定量的冷水，其他备用的仪表和器材有：盛有热水的热水瓶(图中未画出)、电源(3 V、内阻可忽略)、直流电流表(内阻约1 Ω)、直流电压表(内阻约5 kΩ)、滑动变阻器(0～10 Ω)、开关、导线若干。

(1)图中a、b、c三条图线能反映热敏电阻的伏安特性曲线的是________。

(2)在虚线框中画出实验电路图，要求测量误差尽可能小。

(3)根据电路图，在实物图上连线。

解析：(1)随温度的升高，热敏电阻阻值减小，在I-U图像中，任一点的＝，故在I-U图像中图线上的点与坐标原点连线的斜率应变大，可见c图线正确。

(2)热敏电阻阻值为40～50 Ω，由电压表、电流表内阻知临界阻值R0＝＝ Ω＝50 Ω，即热敏电阻属于小电阻，应用外接法。由于要描绘伏安特性曲线电压从0开始连续变化，因此用滑动变阻器的分压式接法。电路图如图所示。

(3)实物连线如图所示。

答案：(1)c　(2)见解析图　(3)见解析图

16．(14分)如图所示为大型电子地磅电路图，电源电动势为E，内阻不计，不称物体时，滑动触头P在A端，滑动变阻器接入电路中的有效电阻最大，电流较小；称重物时，在压力作用下滑动触头下移，滑动变阻器有效电阻变小，电流变大。这样把电流对应的质量值刻在刻度盘上，就可以读出被称物体的质量，若滑动变阻器上A、B间长度为l，最大阻值为R0，保护电阻R的最大阻值也为R0，已知两弹簧的总弹力与形变量成正比，比例系数为k。

(1)试导出所称重物重力G与电路中电流I的函数关系；

(2)该装置达到最大量程时电流表示数是多少？

解析：(1)设所称重物重力为G时弹簧的压缩量为x，由题意得G＝kx ①

此时，滑动触头P距B端距离为l－x，滑动变阻器有效电阻为R0－R0，由闭合电路欧姆定律有

I＝   ②

由①②式解得G＝2kl－。

(2)该装置达到最大量程时，弹簧形变量最大，A、B间电阻被短路，故此时电流表示数为Im＝。

答案：(1)G＝2kl－　(2)

17．(16分)为了比赛的公平公正，学校短跑比赛设计安装了一款防抢跑装置，该装置安装在起跑线前，如图甲所示，丙图是其工作原理图：起跑发令枪发令前，开关S1、S2、S3都闭合，K与A端相连，绿灯亮；发令枪扳机和开关S2相连动，扣动扳机，枪响同时开关S2断开；当电流表示数小于或等于30 mA时，在弹簧弹力作用下，K与A端相连，绿灯亮，无人抢跑；当电流表示数大于30 mA时，衔铁被吸下，K与B端相连，红灯亮同时铃声响，有人抢跑。已知两电路电源电压均为6 V，保持不变，压力传感器R的阻值随所受压力变化的图像如图乙所示，压板重力不计，电磁铁线圈电阻不计。

(1)起跑发令枪发令前，开关S1、S2、S3都闭合，压力传感器R压板上无人(压力F＝0)时，左端电路消耗的电功率为多少？

(2)比赛时，起跑发令枪发令前，抢跑同学踩在压板上的压力F为900 N时，左端电路电流表读数为多少？

(3)比赛时，枪声响起后，若某同学踩在压板上的力为1 500 N时，要使得红灯不亮，电阻R0至少为多大？

解析：(1)当开关S1、S2、S3都闭合，压力传感器R压板上无人时，由图像知，压力传感器的电阻为R＝300 Ω，所以左端电路消耗的电功率为P＝＝ W＝0.12 W。

(2)当有人抢跑时，对传感器的压力为900 N，由图像知，此时压力传感器的电阻为R′＝100 Ω，所以左端电路电流表读数为I′＝＝ A＝0.06 A。

(3)由题意知，红灯不亮时的电路最大电流为

I最大＝30 mA＝0.03 A

此时的电路电阻为R总＝＝ Ω＝200 Ω

由图像知，当传感器受到的压力是1 500 N时，此时的电阻为Rmin＝50 Ω

所以保护电阻的阻值最小为

R0＝R总－Rmin＝200 Ω－50 Ω＝150 Ω。

答案：(1)0.12 W　(2)0.06 A　(3)150 Ω