高中物理选修2常见传感器工作原理及应用实验探究题专项训练姓名：__________班级：__________考号：__________
一、实验,探究题（共13题）
1、在日常生活中经常需要精确测量密闭容器内液体的体积，某研究小组做了如下研究：
如图所示，实验使用的长方体容器B内部的底面积为，高为．容器静止于水平面上．在容器顶部镶嵌一个利用超声波测量距离的传感器A，该传感器默认超声波在空气中的传播速度为．
（1）若通过传感器A竖直向下发出超声波与接收到反射波的时间间隔为，可知容器内液面到顶部的距离为___________，容器内液体的体积为__．
（2）研究小组在实验中发现，传感器测量的液面距顶部的高度与实际高度存在偏差，通过查资料发现超声波在空气中的传播速度与温度有关，并获得下表中的数据．
根据表中的数据可以判断，在环境温度为时超声波波速______，若测得液面距顶部的高度为，则实际液面距顶部的高度为_______．（结果保留三位有效数字）
2、图(a)是不同类型桥面模型，汽车过桥时，利用传感器对压力变化进行测量和比较，测量结果如图(b)中所示：
?
（1）图(a)中的传感器为________
A．力传感器??B．位移传感器??C．温度传感器
（2）图(a)中甲、乙、丙分别为三种不同类型的桥面．对于凸形桥甲，其相对应的压力图线应是图(b)电脑屏幕上的________(填a、b或c)；
（3）如增大小球在斜槽上的高度，则小球通过凹形桥丙时的压力与图(b)中图线a相比，最高点更______（填“高”或“低”）一些．
3、如图甲所示，斯密特触发器可以将连续变化的模拟信号转换为突变的数字信号，当加在它的输入端A的电势逐渐上升到1.6V，输出端Y会突然从高电平跳到低电平0.25V，而当输入端A的电势下降到0.8V时，输出端Y会从低电平跳到高电平3.4V．如图乙所示是一个温度报警器的简易电路图，RT为热敏电阻，R1为可变电阻(最大阻值为1kΩ)，蜂鸣器工作电压3～5V，热敏电阻的阻值随温度变化如图丙所示，若要求热敏电阻在感测到80℃时报警，则R1应调至________kΩ；若要求热敏电阻在感测到更高的温度时才报警，R1的阻值应________(选填“增大”、“减小”或“不变”)．
甲???????乙?????丙
4、某些固体材料受到外力后除了产生形变，其电阻率也要发生变化，这种由于外力的作用而使材料电阻率发生变化的现象称为“压阻效应”.现用如图所示的电路研究某长薄板电阻Rx的压阻效应，已知Rx的阻值变化范围为几欧到几十欧，实验室中有下列器材：
A．电源E(电动势3V，内阻约为1Ω)
B．电流表A1(0～0.6A，内阻r1＝5Ω)
C．电流表A2(0～0.6A，内阻r2≈1Ω)
D．开关S，定值电阻R0＝5Ω
(1)为了比较准确地测量电阻Rx的阻值，请完成虚线框内电路图的设计______.
(2)在电阻Rx上加一个竖直向下的力F(设竖直向下为正方向)，闭合开关S，记下电表读数，A1的读数为I1，A2的读数为I2，得Rx＝________.(用字母表示)
(3)改变力的大小，得到不同的Rx值，然后让力反向从下向上挤压电阻，并改变力的大小，得到不同的Rx值.最后绘成的图象如图所示，除观察到电阻Rx的阻值随压力F的增大而均匀减小外，还可以得到的结论是________________________.当F竖直向下时，可得Fx与所受压力F的数值关系是Rx＝________.
5、图甲所示是大型机械厂里用来称重的电子吊秤，其中实现称重的关键元件是拉力传感器。其工作原理是：挂钩上挂上重物，传感器中拉力敏感电阻丝在拉力作用下发生形变，拉力敏感电阻丝的电阻也随着发生变化，再经相应的测量电路把这一电阻变化转换为电信号（电压或电流），从而完成将所称物体重量变换为电信号的过程。
(1)简述拉力敏感电阻丝的阻值随拉力变化的原因_______________________________。
(2)小明找到一根拉力敏感电阻丝RL，其阻值随拉力变化的图像如图乙所示，再按图丙所示电路制作了一个简易“吊秤”。电路中电源电动势E约15V，内阻约2Ω；灵敏毫安表量程为10mA，内阻约5Ω；R是电阻箱，最大阻值是9999Ω；RL接在A、B两接线柱上，通过光滑绝缘滑环可将重物吊起，接通电路完成下列操作．
a．滑环下不吊重物时，调节电阻箱，当电流表为某一合适示数I时，读出电阻箱的读数R1；
b．滑环下吊上待测重物，测出电阻丝与竖直方向的夹角为θ；
c．调节电阻箱，使_______，读出此时电阻箱的读数R2；
d．算得图乙直线的斜率k和截距b；
则待测重物的重力G的表达式为G=_____（用以上测得的物理量表示），测得θ=53°（sin53°=0.8，cos53°=0.6），R1、R2分别为1052Ω和1030Ω，结合乙图信息，可得待测重物的重力G=_____N（结果保留三位有效数字）。
(3)针对小明的设计方案，为了提高测量重量的精度，你认为下列措施可行的是____________。
A．将毫安表换成量程不同，内阻更小的毫安表
B．将毫安表换成量程为10μA的微安表
C．将电阻箱换成精度更高的电阻箱
D．适当增大A、B接线柱之间的距离
6、超导磁体的研究使得超强磁场的获得比以前更容易。如今，美国高场实验室研制的稳态超导磁体中心磁场的磁感应强度达到45T。超导磁体通常是浸泡在液氦中的超导带材绕成的线圈，根据带材表面层是否绝缘分为绝缘线圈超导磁体和非绝缘线圈超导磁体两种。
(1)对磁体充电后，磁体才能运行。某科研机构研究非绝缘线圈超导磁体充电规律时，记录了0~320s内若干时刻加在磁体两端的电压U、磁体中的电流I的数据，并在如图甲、图乙所示的坐标纸中画出了I－t图象和U－t图象的一部分。请你根据下面表格中的数据，在图乙中标注后5组数据点，并将图象补画完整_______；
t/s 142 150 160 170 180 200 220 240 260 280 300 320 I/A 60 60 60 60 60 60 60 60 60 60 60 60 U/mA 2.55 2.30 2.00 1.75 1.50 1.15 0.80 0.70 0.50 0.41 0.31 0.25
(2)根据甲、乙两个图象可知，在0~140s内电流I和电压U的关系为电流I随电压U的增大而增大，在140~320s内电流I和电压U的关系为____；
(3)超导磁体运行中，局部失超（失去超导性）可能带来整体失超，会造成超导磁体损坏。对超导磁体进行失超保护是必要的。绝缘线圈超导磁体需要采用主动失超保护系统。图丙是绝缘线圈超导磁体充电、运行和失超保护电路原理图。闭合开关S，超导磁体被充电后，正常运行。当失超探测器检测到超导磁体失超后，能自动迅速切断开关S并通过二极管（符号见图丁，当“＋”端的电势高于“－”端的电势时，二极管导通，电阻几乎为0；反之，电阻几乎为无穷大）将超导磁体储存的能量迅速转换到耗能电阻中，保护超导磁体不会被损坏。那么，图丙中接入的二极管的连接方式应该是图丁中的__（填“A”或“B”）。当失超保护系统工作时，流过耗能电阻中的电流方向为___（填“由c到d”或“由d到c”）。
7、货运交通事故往往是由车辆超载引起的，因此我国交通运输部对治理货运超载有着严格规定。监测站都安装有称重传感器，图甲是一种常用的力传感器，由弹簧钢和应变片组成，弹簧钢右端固定，在其上、下表面各贴一个相同的应变片，应变片由金属制成。若在弹簧钢的自由端施加一向下的作用力F，则弹簧钢会发生弯曲，上应变片被拉伸，下应变片被压缩。力越大，弹簧钢的弯曲程度越大，应变片的电阻变化就越大，输出的电压差ΔU＝|U1－U2|也就越大。已知传感器不受压力时的电阻约为19Ω，为了准确地测量该传感器的阻值，设计了以下实验，实验原理图如图乙所示。
实验室提供以下器材：
A．定值电阻R0（R0＝5Ω）
B．滑动变阻器（最大阻值为2Ω，额定功率为50W）
C．电流表A1（0.6A，内阻r1＝1Ω）
D．电流表A2（0.6A，内阻r2约为5Ω）
E．直流电源E1（电动势3V，内阻约为1Ω）
F．直流电源E2（电动势6V，内阻约为2Ω）
G．开关S及导线若干。
（1）外力F增大时，下列说法正确的是________；
A．上、下应变片电阻都增大
B．上、下应变片电阻都减小
C．上应变片电阻减小，下应变片电阻增大
D．上应变片电阻增大，下应变片电阻减小
（2）图乙中①、②为电流表，其中电流表①选________（选填“A1”或“A2”），电源选________（选填“E1”或“E2”）；
（3）为了准确地测量该阻值，在图丙中，将B、C间导线断开，并将滑动变阻器与原设计电路的A、B、C端中的一些端点连接，调节滑动变阻器，测量多组数据，从而使实验结果更准确，请在图丙中正确连接电路______；
（4）结合上述实验步骤可以得出该传感器的电阻的表达式为________（A1、A2两电流表的电流分别用I1、I2表示）。
8、现代飞机、导弹、火箭等在研制定型及生产中需通过风洞试验模拟空中各种复杂的飞行环境，获取实验数据．在一个风洞实验室中，一架飞机模型用弹性片固定在托盘测力计上（如图所示）．无风时，托盘测力计示数为30N；当有风吹过时，飞机仍静止不动，托盘测力计的示数减小．下面是某小组研究该力F的大小与风速关系的实验数据；
（1）根据上面的实验数框可知：飞机受到的风为方向___（填“竖直向上”、“竖直向下”“水平向左”或“水平向右”），风力大小随若风速的增大而____（填“增大”、“减小”或“不变”）；
（2）根据以上数据、通过分析推理写出风力F与风速的关系式___________________．
9、热敏电阻常用于温度控制或过热保护装置中。某种热敏电阻和金属热电阻的阻值随温度变化的关系如图甲所示。
???
（1）由图甲可知，在较低温度范围内，相对金属热电阻而言，该热敏电阻对温度变化的响应更________（选填“敏感”或“不敏感”）。
（2）某同学利用上述热敏电阻制作了一个简易的温控装置，实验原理如图乙所示。现欲实现衔铁在某温度时（此时热敏电阻的阻值为）被吸合，下列操作步骤正确的顺序是_______。（填写各步骤前的序号）
a.将热敏电阻接入电路
b.观察到继电器的衔铁被吸合
c.断开开关，将电阻箱从电路中移除
d.合上开关，调节滑动变阻器的阻值
e.断开开关，用电阻箱替换热敏电阻，将阻值调至
（3）若热敏电阻的阻值与温度的关系如下表所示，
/℃ 30.0 40.0 50.0 60.0 70.0 80.0 199.5 145.4 108.1 81.8 62.9 49.1 当通过继电器的电流超过时，衔铁被吸合，加热器停止加热，实现温控。已知继电器的电阻，为使该裝置实现对30~80之间任一温度的控制，电源应选用_______，滑动变阻器应选用_______。（填选项前的字母）
A．电源（，内阻不计）???B．电源（，内阻不计）?C．滑动变阻器???D．滑动变阻器
10、某研究性学习小组为探究热敏电阻的特性而进行了如下实验．他们分若干次向如图所示的烧杯中倒入开水，观察不同温度下热敏电阻的阻值，并把各次的温度值和对应的热敏电阻的阻值记录在表格中．
?
(1)将表格中的实验数据在如图给定的坐标纸上描绘出热敏电阻的阻值R随温度t变化的图象________．可以看出该热敏电阻的阻值随温度的升高而________(填“增大”或“减小”)．
(2)他们用该热敏电阻作为温度传感器设计了一个温度控制电路，如图所示，请在虚线框中正确画出斯密特触发器________．图中二极管的作用是：_____________.
(3)当加在斯密特触发器输入端的电压逐渐上升到某个值(1.6V)时，输出端电压会突然从高电平跳到低电平，而当输入端的电压下降到另一个值(0.8V)时，输出端电压会从低电平跳到高电平，从而实现温度控制．已知可变电阻R1＝12.6kΩ，则温度可控制在________℃到________?℃之间(结果保留整数，不考虑斯密特触发器的分流影响)．
11、(1)传感器担负着信息采集的任务，在自动控制中发挥着重要作用，传感器能够将感知到的非电信息（如温度、光、声等）转换成对应的电信息。下列元件可用作感温的敏感元件有_____。
A．干簧管????B．热电阻????C．热敏电阻????D．光敏电阻
(2)唱卡拉OK用的话筒内有传感器，其中有一种是动圈式的，它的工作原理是在弹性膜片后面粘接一个很小的金属线圈，线圈处于永磁体的磁场中，当声波使膜片前后振动时，就将声音信号转变为电信号，下列说法正确的是_____。
A．该传感器是根据电流的磁效应工作的
B．该传感器是根据电磁感应原理工作的
C．膜片振动时，穿过金属线圈的磁通量不变
D．膜片振动时，金属线圈会产生感应电动势
12、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，光控开关采用光敏电阻来进行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，照度单位为勒克斯，记为lx）。某光敏电阻RP在不同照度下的阻值如下表所示：
照度（lx） 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 电阻（kΩ） 75 40 28 23 20 18 (1)根据表中数据，请在图甲给定的坐标系中描绘出阻值随照度变化的曲线_______。根据图像可以发现，光敏电阻的阻值随照度的增大而___________（只要求定性回答）。
(2)如图乙所示，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。提供的器材如下：
性能如上表所示的光敏电阻RP；
电源E（电动势3V，内阻不计）；
滑动变阻器R（最大阻值为30kΩ）；
定值电阻R1=5kΩ，R2=10kΩ，R3=15kΩ；
开关S及导线若干。
要求当滑动变阻器的滑动触头处于正中位置，天色渐暗，照度降低至1.0lx时自动启动照明系统，在图丙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），并在图中标明各元器件字母，定值电阻只能选取一个_________。
（3）若在乙的基础上，要求照度降低为0.8lx时，照明系统才启动，则应将滑动变阻器接入电路的阻值________（填“调大”或调小”）一些。
13、由门电路构成的一简单路灯控制电路如图所示，其中R’为光敏电阻，光照时电阻很小，R为变阻器，L为灯泡．其工作情况是：当光敏电阻受到光照时，灯L不亮，不受光照时，灯L亮．虚框内该逻辑电路是_____门电路．若路灯系统发生了故障，无论有无光照灯L都亮，经检查发现光敏电阻工作正常，则发生该故障的原因是______________．
============参考答案============
一、实验,探究题
1、0.255???0.745???354???0.501???
【详解】
（1）容器内液面到顶部的距离为
，
则容器内液体的体积为
．
（2）根据表中的数据以及数学关系可以得到速度与温度的函数关系为
则在环境温度为时超声波波速
当测得液面距顶部的高度为时，设时间为，实际高度为，则
，
联立可以得到：。
2、A???c???高???
【解析】
（1）图（a）中的传感器是测量压力大小的，故是力传感器，故选A；（2）甲图是凸形桥，根据牛顿第二定律有：，则有：，失重状态，故应是图(b)电脑屏幕上的c，（3）如增大小球在斜槽上的高度，则速度v变大，根据根据牛顿第二定律有：，解得：，速度v变大，故增大，故最高点更高一些．
【点睛】测量力大小的传感器是力传感器；根据重力和支持力的合力提供向心力，比较支持力大小，得到图象与轨道的对应关系．熟悉汽车过三种桥时的力学原理，能够通过牛顿第二定律求解出弹力的表达式进行分析讨论．
3、0.42???减小???
【详解】
(1)．热敏电阻在80°C时的电阻是RT＝80Ω，斯密特触发器输入端A的电势是0.8V时，输出端Y的电压为3.4V，这时蜂鸣器开始工作．由串联电路分压特点知
可得
R1＝0.42kΩ
(2)．由热敏电阻的阻值随温度变化的图象可知，温度升高时，热敏电阻的阻值减小，而斯密特触发器输入端的电压仍保持不变，则电阻R1的阻值应减小．
4、????压力方向改变，其阻值不变????
【解析】
（1）由于题目中没有电压表，为了比较准确测量电阻，知道电流表的阻值，所以用电流表作为电压表使用，电流表连在干路上，即可求出电阻的阻值，电路图的设计：
（2）根据串并联和欧姆定律得：，得到：．
（3）从图象上可以看出压力方向改变，其阻值不变，其电阻与压力关系为一次函数，由图象可得：．
5、电阻丝受拉力时，长度增加而横截面积减小，根据电阻定律知其阻值增大???电流表的示数仍为I????132N???CD???
【详解】
(1)电阻丝受拉力时，长度增加而横截面积减小，根据电阻定律知其阻值增大；
(2)根据等效替代法测电阻，调节电阻箱，使电流表的示数仍为I；由其阻值随拉力变化的图像可得：
由平衡条件得：
由等效替代法测电阻得：
联立解得：
可得待测重物的重力
(3)为了提高测量重量的精度，将电阻箱换成精度更高的电阻箱，适当增大A、B接线柱之间的距离，根据闭合电路欧姆定理得电流
只有几毫安，所以不能将毫安表换成量程为10μA的微安表，或不能将毫安表换成其他量程，故选CD。
6、???电压U逐渐减小而电流I保持不变???B???由d到c???
【详解】
(1)如图所示
(2)根据图甲可知，随着电压U逐渐减小，电流I保持不变；
(3)给磁体充电时，二极管不能导通；当失超检测器检测到磁体失超、切断开关S后，线圈中的电流要减小，线圈要产生自感电动势维持电流继续流动，此时，加在二极管两端的电压为正向电压，使二极管导通，线圈跟二极管和加热器组成了闭合回路。所以要连接成B连接方式。此时线圈中的电流方向仍然向右，所以，流过加热器的电流为由d向c。
7、D???A1???E2?????
【详解】
(1)外力F增大时，上应变片长度变长，电阻变大，下应变片长度变短，电阻变小
故选D。
(2)题图乙中的①要当电压表使用，因此内阻应已知，故应选电流表A1；
因回路总阻值接近11Ω，满偏电流为0.6A，所以电源电动势应接近6.6V，故电源选E2。
(3)滑动变阻器应采用分压式接法，将B、C间导线断开，A、B两端接全阻值，C端接在变阻器的滑动端，如图所示。
(4)由题图乙知，通过该传感器的电流为I2－I1，加在该传感器两端的电压为I1r1，故该传感器的电阻为
8、竖直向上???增大????
【详解】
(1)飞机模型无风时受重力，当迎面有风吹过时，托盘测力计的示数减小，说明受的升力与重力方向相反，竖直向上；风速越大，托盘测力计的示数越小，说明风力大小随着风速的增大而增大；
(2)根据表格数据发现：风速为4m/s时，升力为30N-29.2N=0.8N；风速为8m/s时，升力为30N-26.8N=3.2N；风速为12m/s时，升力为30N-22.8N=7.2N；风速为16m/s时，升力为30N-17.2N=12.8N；风速为20m/s时，升力为30N-10.0N=20N；风速为24m/s时，升力为30N-0.02N=29.98N；故这个新的力与风速的关系式
F=0.05v2．
【点睛】
首先对飞机进行受力分析，无风时的受力情况和有风时的受力情况不一样，然后根据表格中的数据来判断风速和升力的关系．
9、敏感???edbca???B???D???
【详解】
（1）图甲中横轴表示温度，纵轴表示电阻，随着温度的升高，金属热电阻的阻值略微增大，而该热敏电阻的阻值明显减小，所以这种热敏电阻在较低温度范围内，相对金属热电阻而言，该热敏电阻对温度变化的响应更敏感
（2）要实现衔铁在某温度时（此时热敏电阻的阻值为）被吸合，而衔铁被吸合时的电流是一定的，所以关键是找到此时滑动变阻器的阻值。实现方法是：断开开关，用电阻箱替换热敏电阻，将阻值调至，合上开关，调节滑动变阻器的阻值，观察到继电器的衔铁被吸合，则此时滑动变阻器连入电路的阻值就是衔铁在某温度（此时热敏电阻的阻值为）被吸合时滑动变阻器应连入电路的阻值，找到之后，再用热敏电阻替换掉电阻箱即可，正确顺序为edbca；
（3）在30时，电源电动势的最小值
所以电源应选用，故选B；
在80时，选用电源，滑动变阻器的最小阻值为
所以滑动变阻器应选用，故选D。
10、???减小????为了防止电磁继电器释放衔铁时线圈中产生的自感电动势损坏集成电路；???38???82???
【详解】
(1)运用描点法作出热敏电阻的阻值R随温度t变化的图象，
由图象可看出，温度升高热敏电阻的阻值减小；
(2)施密特触发器如图乙，二极管的作用是为了防止电磁继电器释放衔铁时线圈中的自感电动势损坏集成电路，二极管提供自感电流的通路；
(3)设斯密特触发器输入端电压U’=1.6V时，热敏电阻的阻值为R’，则
将E=5V，R1=12.6kΩ代入，求得R’=5.9kΩ，对应图甲中R?t图象，t’=38℃；
同理，触发器输入端电压U”=0.8V时，求出热敏电阻的阻值为R”=2.4kΩ，对应图甲中R?t图象，t”=82℃；
11、BC???BD???
【详解】
（1）A．干簧管是将磁信号转化为电信号的仪器，不能用作感温的敏感元件，A错误；
B．热电阻的电阻值随温度发生变化，可以用作感温的敏感元件，B正确；
C．热敏电阻的电阻值随温度发生变化，可以用作感温的敏感元件，C正确；
D．光敏电阻的电阻值随光学的变化发生变化，不能用作感温的敏感元件，D错误。
故选BC。
（2）AB．当声波使膜片前后振动时，线圈切割磁感线产生感应电流，将声音信号变化电信号，是根据电磁感应原理工作的，A错误B正确；
C．膜片随着声波而周期性振动，穿过金属线圈的磁通量是周期性变化的，C错误；
D．膜片振动时，金属线圈切割磁感线，会产生感应电动势，D正确。
故选BD。
12、见解析???减小????调大???
【详解】
（1）根据表中实验数据在坐标系内描出对应点，然后根据描出的点作出图象，如图所示：
由图示图象可知，光敏电阻阻值随光照强度的增加而减小。
（2）滑动变阻器R（最大阻值为30kΩ）应串联在电路中分压，滑动触头处于正中位置时，R=15kΩ；
电源电动势为E=3V，1、2两端所加电压上升至2V时，滑动变阻器R两端电压UR=1V
根据串联电阻分压关系有：
所以
当照度降低至1.0lx时，由图线知，此时光敏电阻为RP=20kΩ，则应串联一定值电阻，定值电阻阻值
故选定值电阻R2。
电路图如图所示：
（3）要求照度降低为0.8lx时，光照强度减小，光敏电阻阻值变大，照明系统才启动，则应将滑动变阻器接入电路的阻值调大。
13、非???变阻器短路???
【详解】
根据题意，R′为光敏电阻，光照时电阻很小，分压较小，门电路输入为高，小灯L不亮，不受光照时，电阻很大，分压较大，门电路输入为低，小灯L亮，故为非逻辑关系，非门电路；
无论有无光照灯L都亮，即输出端始终是高电势，则输入端始终为低电势，所以故障的原因是变阻器短路．
…………○…………外…………○…………装…………○…………订…………○…………线…………○…………
※※请※※不※※要※※在※※装※※订※※线※※内※※答※※题※※
…………○…………内…………○…………装…………○…………订…………○…………线…………○…………
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