高二物理传感器应用综合试题

高二物理传感器应用综合试题传感器作为现代信息技术的“感觉器官”，在工农业生产、智能家居、环境监测乃至航空航天等领域都扮演着不可或缺的角色。掌握传感器的基本原理与应用，是高中物理联系实际、提升科学素养的重要一环。本试题旨在综合考察高二学生对常见传感器的工作原理、特性曲线分析、电路应用及实际问题解决能力，希望能对同学们的学习有所助益。一、选择题（本题共5小题，每小题4分，共20分。在每小题给出的四个选项中，只有一项是符合题目要求的）1.下列关于传感器的说法中，正确的是（）A.传感器的作用是将非电学量转换为电学量，或转换为电路的通断B.光敏电阻是一种将光照强度转换为电阻变化的磁传感器C.霍尔元件能够把磁感应强度这个电学量转换为电压这个电学量D.所有传感器都是由敏感元件和转换电路两部分组成，没有其他元件2.某同学想用传感器设计一个自动控制装置，实现教室lights在光线较暗时自动开启，光线较亮时自动关闭。他应选择的核心传感器是（）A.温度传感器B.光敏传感器C.声传感器D.压力传感器3.如图所示是某一热敏电阻（阻值随温度升高而减小）的I-U关系曲线图。如果将该热敏电阻与一个阻值为R的定值电阻串联后接在电压为U的恒压电源两端，则下列说法正确的是（）（假设有图：热敏电阻的I-U曲线是非线性的，随电压增大，电流增大，但斜率逐渐减小，即电阻逐渐减小）A.当环境温度升高时，电路中的电流一定增大B.当环境温度降低时，热敏电阻两端的电压一定增大C.若仅增大电源电压U，热敏电阻的阻值一定减小D.若仅减小定值电阻R的阻值，热敏电阻的电功率一定增大4.在如图所示的电路中，R₁为定值电阻，R₂为光敏电阻，其阻值随光照强度的增强而减小。电源电动势为E，内阻为r。当光照强度发生变化时，下列说法正确的是（）（假设有图：电源E，内阻r，与R₁、R₂串联，电压表V并联在R₂两端，电流表A测总电流）A.光照增强时，电流表A的示数减小，电压表V的示数增大B.光照增强时，电流表A的示数增大，电压表V的示数减小C.光照减弱时，电流表A的示数增大，电压表V的示数增大D.光照减弱时，电流表A的示数减小，电压表V的示数减小5.关于位移传感器，下列说法不正确的是（）A.电容式位移传感器是通过改变两极板间的正对面积或距离来改变电容，从而实现对位移的测量B.电感式位移传感器利用了电磁感应原理，通过改变线圈的自感系数来反映位移变化C.霍尔元件可以用来制作位移传感器，其输出电压与位移量成线性关系D.利用打点计时器打出的纸带也可以测量位移，它是一种直接将位移转换为电信号的传感器二、实验题（本题共1小题，共15分）6.某实验小组要探究一种热敏电阻的温度特性，并将其应用于简单的温度报警电路。（1）该小组首先要测量该热敏电阻在不同温度下的阻值。实验室提供的器材有：*待测热敏电阻Rt（常温下约几千欧，阻值随温度升高而减小）*电源E（电动势3V，内阻不计）*毫安表A（量程0-1mA，内阻约100Ω）*电压表V（量程0-3V，内阻约10kΩ）*滑动变阻器R（0-10kΩ）*温度计*盛有水的烧杯、酒精灯等*开关S，导线若干①为了较准确地测量热敏电阻的阻值，且能方便地进行多次测量，实验电路应采用电流表________（填“内接法”或“外接法”），滑动变阻器应采用________（填“分压式”或“限流式”）接法。②请在虚线框内画出实验电路图。（2）该小组用正确的方法测量，得到了热敏电阻Rt随温度t变化的一组数据，并绘制了如图所示的Rt-t关系曲线。由图可知，该热敏电阻的阻值随温度升高而________（填“均匀”或“非均匀”）减小。（假设有图：Rt-t曲线，横坐标为温度t，纵坐标为Rt，曲线呈现随t增大，Rt逐渐减小，且斜率绝对值逐渐变小的趋势）（3）该小组想利用此热敏电阻设计一个温度报警电路，当温度高于某一设定值t₀时，蜂鸣器发声报警。现有如下器材：*上述热敏电阻Rt*电源E（电动势6V，内阻不计）*蜂鸣器B（额定电压3V，额定电流10mA，当通过电流大于等于5mA时即可发声）*定值电阻R₁、R₂（阻值可选范围100Ω-10kΩ）*开关S，导线若干①请利用上述器材设计一个简单的报警电路，要求：当温度升高到t₀时，蜂鸣器开始发声，且电路中元件参数选取要保证蜂鸣器工作在安全范围。在虚线框内画出设计的电路图（可以添加必要的保护电阻）。②若设定报警温度t₀对应的热敏电阻阻值为Rt₀，根据你设计的电路，推导出计算所需定值电阻阻值的表达式（用题目中给定的已知量和Rt₀表示），并说明选择定值电阻时应考虑的因素。三、计算题（本题共1小题，共15分）7.某同学为了测量某物体的重量，设计了一个基于应变片的简易电子秤。其核心部分是一个由四根完全相同的应变片（R₁、R₂、R₃、R₄）组成的惠斯通电桥，如图所示。应变片的特性是：当它受到拉力时，电阻增大；受到压力时，电阻减小，且电阻的相对变化量ΔR/R与应变成正比，即ΔR/R=kε，其中k为灵敏度系数（常量），ε为应变（无量纲）。（假设有图：惠斯通电桥电路，四个桥臂分别为R₁、R₂、R₃、R₄，对角线接电源E，另一对角线接灵敏电流计G，物体重量通过某机械结构施加在应变片上，使R₁、R₄受拉力，R₂、R₃受压力，或R₁、R₃受拉力，R₂、R₄受压力，具体应使电桥输出信号最大）已知：*每个应变片的初始电阻均为R=120Ω，灵敏度系数k=2.0。*当在秤盘上放置重物时，通过机械结构使得相对的两个应变片（如R₁和R₃）受到拉力，电阻增大ΔR；另外两个相对的应变片（如R₂和R₄）受到压力，电阻减小ΔR。*电桥所接电源电动势E=5.0V，内阻不计。*该电子秤的秤盘通过一个刚性杠杆与应变片所在的弹性梁相连，当秤盘上放置质量为m的物体时，每个受拉或受压的应变片产生的应变为ε=k'mg，其中k'为一与机械结构有关的常量，k'=1.0×10⁻⁶m²/(N·kg)，g取10m/s²。（1）请分析，当秤盘上放上重物后，电桥是否还处于平衡状态？若不平衡，输出电压U₀（即灵敏电流计G两端的电压）与ΔR的关系如何？（假设ΔR<<R，可利用近似计算：当x<<1时，1/(1+x)≈1-x）（2）若某次测量时，该电子秤的电桥输出电压U₀=1.0mV，求此时秤盘上物体的质量m。---参考答案与解析一、选择题1.A解析：传感器的核心功能就是实现信号的转换，通常是将非电学量（如温度、光强、力、位移等）转换为易于处理和传输的电学量（如电压、电流、电阻等），或者直接转换为电路的通断信号（如某些开关型传感器），A正确。光敏电阻是将光信号转换为电阻变化的光传感器，而非磁传感器，B错误。霍尔元件是将磁感应强度这个磁学量转换为电压这个电学量，C错误。传感器通常由敏感元件、转换元件和转换电路等部分组成，有些简单的传感器可能敏感元件和转换元件合二为一，但并非所有传感器都只有两部分，D错误。2.B解析：教室lights的自动控制依据光线强弱，因此核心传感器应为光敏传感器，它能感知光照强度的变化并转换为相应的电信号，从而控制电路的通断，B正确。温度传感器用于感知温度，声传感器用于感知声音，压力传感器用于感知压力，均与题意不符。3.C解析：题目中仅给出了热敏电阻的I-U关系曲线，并未明确其阻值随温度变化的单调关系（虽然通常热敏电阻是负温度系数，但题目未直接说明，且曲线本身是电压电流特性，可能受自身发热影响）。环境温度变化与热敏电阻自身因通电发热导致的温度变化是两个概念。A选项，若环境温度升高，但热敏电阻因电流减小导致自身发热减少，总阻值变化不确定，电流不一定增大，A错误。同理，环境温度降低，若电路中电流增大导致热敏电阻自身发热增加，其阻值变化也不确定，两端电压变化也不确定，B错误。若仅增大电源电压U，根据I-U曲线，通过热敏电阻的电流增大，其两端电压也增大，从曲线上看，对应点的斜率（1/R）增大，即电阻R减小，C正确。若仅减小定值电阻R的阻值，电路总电阻减小，总电流增大。热敏电阻的电功率P=I²Rt，Rt会因电流增大、自身发热而减小，但I增大、Rt减小，P的变化不确定，D错误。4.B解析：光照增强时，光敏电阻R₂的阻值减小，导致电路总电阻减小。根据闭合电路欧姆定律I=E/(R总+r)，总电流I增大，即电流表A的示数增大。定值电阻R₁两端的电压U₁=IR₁增大，由于电源电动势E不变，路端电压U路=E-Ir，I增大，U路可能减小（若r不可忽略），但R₂两端的电压U₂=U路-U₁，U路减小且U₁增大，故U₂一定减小，即电压表V的示数减小，B正确，A错误。光照减弱时，情况与上述相反，电流表示数减小，电压表示数增大，C、D错误。5.D解析：电容式位移传感器利用电容C=εS/(4πkd)，通过改变S或d来改变C，A正确。电感式位移传感器利用线圈自感系数L与线圈几何尺寸、磁介质等的关系，通过位移改变L，B正确。霍尔元件的霍尔电压UH=kHIB/d，若保持I、B、d不变，则UH与磁感应强度B成正比，若B的分布与位移x成线性关系，则UH与x成线性关系，可用于制作位移传感器，C正确。打点计时器是利用打点来记录时间间隔，通过测量纸带上点迹间的距离来间接得到位移，它本身不直接输出电信号，也不是将位移直接转换为电信号的传感器，D错误。二、实验题6.（1）①外接法，分压式解析：待测热敏电阻Rt常温下约几千欧，电压表内阻约10kΩ，电流表内阻约100Ω。Rt与电压表内阻相比，Rt/(RV)≈(几千欧)/(10kΩ)可能接近1，而Rt远大于电流表内阻RA，故采用电流表外接法可减小系统误差。滑动变阻器阻值0-10kΩ，与Rt阻值相当，若采用限流式，调节范围有限，不易获得多组数据，故采用分压式接法，以获得更宽的电压调节范围。②（电路图略，描述：电源、开关、滑动变阻器（分压接法）、热敏电阻Rt与电流表A串联后并联在滑动变阻器分压输出端，电压表V并联在Rt两端）（2）非均匀解析：由Rt-t曲线可知，其斜率（ΔRt/Δt）不是恒定的，随着温度升高，斜率的绝对值逐渐变小，说明阻值随温度升高的减小速率在变慢，因此是非均匀减小。（3）①（电路图略，合理即可，例如：Rt与一个定值电阻R₁串联接电源，蜂鸣器B与另一个定值电阻R₂串联后并联在Rt两端。或者Rt与R₁串联，蜂鸣器B与R₂并联后串联在电路中，确保温度升高到t₀时，蜂鸣器两端电压或通过电流达到阈值。此处提供一种常见方案：Rt与R₁串联接6V电源，蜂鸣器B与限流保护电阻R₂串联后并联在Rt两端。当温度升高，Rt减小，其两端电压URt=[Rt/(Rt+R₁)]E，要使URt在高温时达到蜂鸣器工作电压，Rt应较小，URt较大，故该方案可行。或者Rt与R₁串联，蜂鸣器与R₂串联后并联在R₁两端，温度升高，Rt减小，R₁两端电压增大，当超过3V时，需R₂分压保护。）②以方案一为例：Rt与R₁串联接电源E，蜂鸣器B（额定电压3V）与保护电阻R₂串联后并联在Rt两端。当温度为t₀时，Rt=Rt₀，此时蜂鸣器开始发声，通过蜂鸣器的电流I≥5mA。蜂鸣器两端电压UB≥3V（此时I=10mA为额定值，取此值计算保护电阻）。则URt=UB+IR₂=3V+0.01A×R₂又URt=[Rt₀/(Rt₀+R₁)]×E同时，流过Rt的电流I总=I+IRt=I+URt/Rt₀而I总=E/(Rt₀+R₁)联立可得：[Rt₀/(Rt₀+R₁)]×E=3V+0.01A×R₂为简化，若忽略流过Rt的电流（即认为I总≈I，当Rt₀较大时可近似），则E/(Rt₀+R₁)≈I，即Rt₀+R₁≈E/I=6V/0.01A=600Ω，所以R₁≈600Ω-Rt₀。但此近似需Rt₀远小于R₁，实际可能不成立，故更准确的是根据分压关系，若要UB=3V，则URt≥3V，即[Rt₀/(Rt₀+R₁)]E≥3V，解得R₁≤Rt₀。R₂的作用是保护蜂鸣器，当Rt更小时，URt更大，流过蜂鸣器电流可能超过额定值，故R₂=(URt-UB)/I额=(ERt₀/(Rt₀+R₁)-3V)/0.01A。选择定值电阻时应考虑：R₁的选择要保证在t₀时，Rt₀两端电压能使蜂鸣器获得足够电压和电流；R₂的选择要保证在温度最高时，流过蜂鸣器的电流不超过其额定电流，起到限流保护作用。同时，电阻的额定功率也应考虑，确保其不会过热。三、计算题7.（1）电桥