2023新教材高中物理第五章传感器水平测评新人教版选择性必修第二册

第五章　水平测评

本试卷分第Ⅰ卷(选择题)和第Ⅱ卷(非选择题)两部分，满分100分，考试时间90分钟。

第Ⅰ卷(选择题，共48分)

一、选择题(本题共12小题，每小题4分，共48分。在每个小题给出的四个选项中，第1～8小题，只有一个选项符合题意；第9～12小题，有多个选项符合题意，全部选对的得4分，选对而不全的得2分，错选或不选的得0分)

1．很多汽车的车窗有防夹手功能，车窗在关闭过程中碰到障碍时会停止并打开，实现该功能可能使用的传感器是(　　)

A．生物传感器  B．气体传感器

C．温度传感器  D．压力传感器

答案　D

解析　汽车的车窗有防夹手功能，在关闭过程中碰到障碍时会停止并打开，这是因为使用了压力传感器，故D正确，A、B、C错误。

2．下列有关传感器的叙述中正确的是(　　)

A．自动门上安装了红外线传感器，红外线传感器就是温度传感器

B．干簧管是将磁感应强度转换为电阻的一种元件

C．与热敏电阻相比，金属热电阻的灵敏度差，测温范围小

D．压电晶的敏感元件就是转换元件

答案　D

解析　自动门上安装了红外线传感器，红外线传感器是依靠物体发出的红外线来工作的，与温度传感器不同，故A错误；干簧管能够感知磁场，相当于开关，故B错误；与热敏电阻相比，金属热电阻的灵敏度差，测温范围大，故C错误；压电晶的敏感元件同时兼为转换元件，故D正确。

3．传感器在日常生活中的应用越来越广泛，温度传感器(实质是自动开关)是其中的一种，某一食品消毒柜就是利用温度传感器来自动控制电路的。常温下，该温度传感器是闭合的，当温度达到某一设定值时，传感器自动断开，从而切断整个电路。下列关于该消毒柜的几种电路图中(图中S为电源开关)，连接正确的是(　　)

答案　A

解析　选项B、C、D的电路中，温度升高到设定值时，传感器会断开，但整个电路不会断开，选项A的电路中，电源开关S闭合后，消毒柜开始工作，当温度达到设定值时，传感器自动断开，整个电路也断开，A正确。

4．有一种自动恒温的电烤箱，其温度控制电路如图所示，控制的核心是一密封智能开关，内部结构不明，它有四个接线柱。a、b之间接的是两个相同的加热电阻R与220 V电源，c、d之间接有一个叫作“水银接点温度计”的温控组件，它比普通水银温度计多出了两个电极，温度升高时，水银膨胀，将两个电极接通；温度降低时，水银收缩，将两个电极断开。该智能开关会根据“水银接点温度计”的通断自动控制R的发热功率，稳定烤箱内的温度，用Uab表示a、b两点间的电压，UAb表示A、b两点间的电压，以下说法可能正确的是(　　)

A．当水银接点温度计接点接通时，Uab＝220 V，UAb＝110 V

B．当水银接点温度计接点接通时，Uab＝220 V，UAb＝220 V

C．当水银接点温度计接点断开时，Uab＝0，UAb＝220 V

D．当水银接点温度计接点断开时，Uab＝0，UAb＝0 V

答案　B

解析　由题意知，当温度升高使温度计接点接通时，电路断开，停止加热，故电路中的电流为零，Uab＝220 V，UAb＝220 V，A错误，B正确；当温度降低使温度计接点断开时，电路接通，开始加热，由于两加热电阻相同且串联，故每个电阻两端的电压均为110 V，Uab＝0，UAb＝110 V，C、D错误。

5．如图所示，R3是光敏电阻，R是负温度系数的热敏电阻(温度升高电阻减小)，R1、R2是两个定值电阻，电源的内电阻忽略不计。室温下开关S闭合后，在没有光照射时a、b两点等电势。则(　　)

A．当只用光照射电阻R3时，a点电势高于b点电势

B．当只用光照射电阻R3时，a点电势低于b点电势

C．当只对电阻R加热时，a点电势高于b点电势

D．a点电势一定等于b点电势，与光是否照射R3和是否加热R无关

答案　A

解析　由于电源的内电阻忽略不计，R1、R2是两个定值电阻，所以b点的电势不发生变化。当只用光照射电阻R3时，其电阻变小，所分得的电压变小，所以a点的电势升高，a点电势高于b点电势，A正确，B错误；当只对电阻R加热时，由于其电阻减小，所以分得的电压减小，所以a点的电势降低，a点电势低于b点电势，C错误；综上所述，D错误。

6．如图所示为某电容式话筒的原理示意图。Q为绝缘支架，薄金属膜M和固定电极N形成一个电容器，被直流电源充电。对着话筒说话时，M振动而N可视为不动。下列说法正确的是(　　)

A．该话筒的传感器是薄金属膜M

B．传感器的敏感元件是M、N组成的电容器

C．M、N间的电压始终等于电源电压

D．传感器将声波信号转换为电容器的电容

答案　D

解析　该话筒的传感器是M、N组成的电容器，传感器的敏感元件是薄金属膜M，传感器将声波信号转换为电容器的电容，A、B错误，D正确。话筒工作过程中，电容器的电容不断变化，电路中有充、放电电流，M、N间的电压不始终等于电源电压，C错误。

7．实际应用中，常用到一种双金属温度计，它是利用铜片与铁片铆合在一起的双金属片的弯曲程度随温度变化的原理制成的，如图乙所示。已知图甲中双金属片被加热时，其弯曲程度会增大，则下列叙述中不正确的是(　　)

A．该温度计的测温物质是铜、铁两种热膨胀系数不同的金属

B．该温度计是利用测温物质热胀冷缩的性质来工作的

C．由图甲可知，铜的热膨胀系数大于铁的热膨胀系数

D．由图乙可知，其双金属片的内层一定为铜，外层一定为铁

答案　D

解析　由题可知，该温度计的测温物质是铜、铁两种热膨胀系数不同的金属，双金属片的弯曲程度随温度变化而变化，故该温度计是利用测温物质热胀冷缩的性质来工作的，A、B正确；如题图甲所示，加热时双金属片的弯曲程度增大，即进一步向上弯曲，说明双金属片下层热膨胀系数较大，即铜的热膨胀系数大于铁的热膨胀系数，C正确；如题图乙所示，温度计示数沿顺时针方向增大，说明当温度升高时，温度计指针按顺时针方向转动，则其双金属片的弯曲程度在增大，故可知双金属片的内层一定是铁，外层一定是铜，D错误。

8．如图是煤气泄漏报警装置原理图，R1是对煤气敏感的半导体元件，其电阻随煤气浓度的升高而减小，R2是一可变电阻，在a、c间接12 V的恒定电压，当煤气浓度升高到一定值时报警器发出警告，则(　　)

A．减小R2的阻值，b点的电势升高

B．当煤气的浓度升高时，b点的电势降低

C．适当减小a、c间的电压，可以提高报警器的灵敏度

D．调节R2的阻值能改变报警器启动时煤气浓度的临界值

答案　D

解析　由电路图可以知道，R1与R2串联，b、c之间的电压等于可变电阻R2两端的电压，Ubc＝IR2＝R2＝，则当减小R2的阻值时，b点的电势降低，A错误；当煤气的浓度升高时，R1的阻值减小，根据电路知识可知b、c之间的电压升高，所以b点电势升高，B错误；Ubc即加在三极管基极b上的电压，它的大小决定了三极管是否导通，从而决定了报警器是否报警，所以要提高报警器的灵敏度，即煤气浓度更低、R1更大时，Ubc就达到了使三极管导通的临界值U0。由分压关系可知，可以采用的方法有：增大电源的电动势(a、c之间的电压)、增大可变电阻R2的阻值，故C错误，D正确。

9．计算机光驱的主要部分是激光头，它可以发射脉冲激光信号，激光扫描光盘信息时，激光头利用光敏电阻自动计数器将反射回来的脉冲信号传输给信号处理系统，再通过计算机显示出相应信息。光敏电阻自动计数器的示意图如图所示，其中R1为光敏电阻，R2为定值电阻，此光电计数器的基本工作原理是(　　)

A．当有光照射R1时，信号处理系统获得高电压

B．当有光照射R1时，信号处理系统获得低电压

C．信号处理系统每获得一次低电压就计数一次

D．信号处理系统每获得一次高电压就计数一次

答案　AD

解析　由题知，R1与R2串联在电路中，当有光照射R1时，R1的阻值减小、电路的总电阻R总减小，电源电动势不变，由闭合电路欧姆定律I＝可知，电路中的电流增大，因R2是定值电阻，U2＝IR2，因此R2两端电压增大，信号处理系统获得高电压，A正确，B错误；当有光照射时，R2两端电压增大，所以信号处理系统每获得一次高电压就计数一次，C错误，D正确。

10．电子眼系统通过路面下埋设的感应线来感知汽车的压力。感应线是一个压电薄膜传感器，压电薄膜在受压时两端产生电压，压力越大电压越大，压电薄膜与电容器C、电阻R组成图甲所示的回路。红灯亮时，如果汽车的前、后轮先后经过感应线，回路中产生两脉冲电流，如图乙所示，即视为“闯红灯”，电子眼拍照，则红灯亮时(　　)

A．车轮停在感应线上时，电阻R上有恒定电流

B．车轮经过感应线的过程中，电容器先充电后放电

C．车轮经过感应线的过程中，电阻R上的电流先增大后减小

D．汽车前轮刚越过感应线，又倒回到线内，仍会被电子眼拍照

答案　BD

解析　车轮停在感应线上时，压力不变，则电压不变，电容器不充电也不放电，电阻R上没有电流，A错误；由题图乙可知，当车轮经过感应线的过程中，电流先增大后减小，然后再反向增大减小，故电容器先充电后放电，B正确，C错误；若汽车前轮越过感应线，又倒回线内，则前轮两次压线，仍形成两个脉冲电流，符合拍照条件，汽车仍被电子眼拍照，D正确。

11．如图所示的火警报警装置，R1为热敏电阻，若温度升高，则R1的阻值会急剧减小，从而引起电铃两端的电压增大，当电铃两端的电压达到一定值时，电铃会响。下列说法正确的是(　　)

A．要使报警的临界温度升高，可以适当增大电源的电动势

B．要使报警的临界温度降低，可以适当增大电源的电动势

C．要使报警的临界温度升高，可以把R2的滑片P适当向下移

D．要使报警的临界温度降低，可以把R2的滑片P适当向下移

答案　BD

解析　若报警的临界温度升高，R1对应的阻值减小，电路中电流会增大，电铃两端的电压会增大，而电铃两端的电压达到一定值时，电铃就会响。要使电铃的电压仍为原来的值，可以适当减小电源的电动势；或把R2的滑片P适当向上移，以减小R2的阻值。相反，要使报警的临界温度降低，可以适当增大电源的电动势，或把R2的滑片P适当向下移。故B、D正确，A、C错误。

12. 如图所示为一种微小位移传感器的原理图。1是待测物体，软铁芯2插在线圈3中并且可以随着物体1在线圈中平移，Y为频率一定的正弦交流信号源，A为交流电流表。现将开关S闭合，下列说法正确的是(　　)

A．该传感器可以将待测物体位移的变化量转换成电路中电流的变化量

B．若待测物体向右平移，交流电流表的示数将减小

C．若待测物体向左平移，交流电流表的示数将减小

D．若将信号源换成电压一定的直流电源，该传感器仍可测量出待测物体位移的变化量

答案　AC

解析　线圈对交流电有阻碍作用，在其他条件不变的情况下，线圈自感系数越大其感抗也越大，待测物体的位移变化会引起线圈自感系数变化从而使得电路中的电流变化，所以该传感器将待测物体位移的变化量转换成电路中电流的变化量，A正确；当待测物体向右平移时，线圈中软铁芯的插入深度减小，线圈自感系数减小，感抗减小，交流电流表的示数将增大，当待测物体向左平移时，交流电流表的示数将减小，B错误，C正确；由于线圈对直流电的阻碍作用不随线圈自感系数的变化而变化，所以若将信号源换成电压一定的直流电源时，该传感器不能工作，D错误。

第Ⅱ卷(非选择题，共52分)

二、实验题(本题共4小题，共40分)

13．(8分)(1)如图甲为斯密特触发器的符号，当加在它的输入端A的电压逐渐上升到某个值(1.6 V)时，输出端Y会突然从高电平跳到低电平(0.25 V)，而当输入端A的电压下降到另一个值的时候(0.8 V)，Y会从低电平跳到高电平(3.4 V)。如图乙、丙是某同学设计的两个电路图。图中R1是可调电阻，RT是热敏电阻，其阻值会随温度的升高而减小。能作为温度报警器的电路图是______(填“乙”或“丙”)。

(2)把蜂鸣器、光敏电阻、干簧管继电器、开关、电源按如图所示电路连接，制成光电报警装置。当有光照射报警装置且光照不是很弱时，蜂鸣器发声，当没有光照或者光照很弱时，蜂鸣器不发声。①光敏电阻：受光照射后，阻值会变小；②干簧管继电器：由干簧管和绕在干簧管外的线圈组成，当线圈中有一定的电流时，线圈产生的磁场使密封在干簧管内的两个铁质簧片磁化，两个簧片在磁力作用下由原来的分离状态变成闭合状态；当线圈中没有电流或者电流很微弱时，磁场消失，簧片在弹力的作用下恢复到分离状态。请用笔画线将下面的电路完整连接好。

答案　(1)乙　(2)图见解析

解析　(1)温度升高时，热敏电阻阻值减小，其两端电压减小，题图乙中，斯密特触发器的输入端A的电压升高，输出端Y跳到低电平，蜂鸣器两端电压增大，蜂鸣器报警；而题图丙中，温度升高时，热敏电阻两端电压减小，斯密特触发器的输入端A的电压降低，输出端Y跳到高电平，蜂鸣器两端电压减小，蜂鸣器不工作。故能作为温度报警器的电路图是乙。

(2)如图所示，当有光照且光照不是很弱时，光敏电阻的阻值变小，使得干簧管继电器线圈中有较大的电流，从而产生磁场，导致两个铁质簧片闭合，使得蜂鸣器发声；当没有光照或光照很弱时，光敏电阻的阻值变大，干簧管继电器线圈中的电流很微弱，磁场消失，两簧片分离，蜂鸣器不发声。故光敏电阻和干簧管继电器串联组成控制电路，电路如图所示：

14．(10分)温度传感器是一种将温度变化转换为电学量变化的装置，它通过测量传感器元件的电学量随温度的变化来实现温度的测量，其核心部件是由半导体材料制成的热敏电阻。在某次实验中，为了测量热敏电阻RT在0 ℃到100 ℃之间多个温度下的阻值，一实验小组设计了如图甲所示电路。

其实验步骤如下：

①正确连接电路，在保温容器中加入适量开水；

②加入适量的冰水，待温度稳定后，测量不同温度下热敏电阻的阻值；

③重复第②步操作若干次，测得多组数据。

(1)该小组用多用电表“×100”挡测热敏电阻在100 ℃时的阻值，发现表头指针偏转的角度很大，为了准确地进行测量，应换到________挡(选填“×10”或“×1 k”)；如果换挡后就用表笔连接热敏电阻进行读数，那么欠缺的实验步骤是________；补上该步骤后，表盘的示数如图乙所示，则它的电阻是________ Ω。实验小组测得该热敏电阻在不同温度下的阻值，并据此绘得图丙的RT­t关系图线，取电阻的单位为“Ω”，温度的单位为“℃”。请根据图线写出该热敏电阻阻值与温度的数值关系式：________。

(2)若把该热敏电阻与电源(电动势E＝1.5 V，内阻不计)、电流表(量程为5 mA，内阻Rg＝100 Ω)、电阻箱R0串联起来，连成如图丁所示的电路，用该电阻作测温探头，把电流表的电流刻度改为相应的温度刻度，就得到了一个简单的“热敏电阻测温计”。

①电流表刻度较大处对应的温度刻度应该________(填“较大”或“较小”)；

②若电阻箱的阻值取R0＝220 Ω，则电流表3 mA处所对应的温度刻度为________ ℃。

答案　(1)“×10”　欧姆调零　200　RT＝100＋t

(2)①较小　②80

解析　(1)用多用电表的“×100”倍率的挡位测热敏电阻的阻值，发现表头指针偏转的角度很大，说明电阻较小，应换小倍率的挡位，即应换到“×10”挡；换挡后，需重新进行欧姆调零；由题图乙知电阻的阻值为20×10 Ω＝200 Ω；从题图丙中取相距较远的两点，代入RT＝R0＋kt，计算得R0＝100 Ω，k＝1，故取电阻的单位为“Ω”，温度的单位为“℃”，则该热敏电阻阻值与温度的数值关系式为：RT＝100＋t。

(2)①由闭合电路欧姆定律有：E＝I(RT＋R0＋Rg)，可知电路中电流越大则热敏电阻阻值越小；由题图丙可知，热敏电阻阻值越小则温度越低，即电流表刻度较大处对应的温度刻度应该较小；②若电阻箱的阻值R0＝220 Ω，电流表示数I′＝3 mA，代入E＝I′(RT＋R0＋Rg)，可解得热敏电阻的阻值RT＝180 Ω；又由热敏电阻阻值与温度的数值关系式RT＝t＋100，知此时对应的温度为80 ℃。

15．(10分)用压敏电阻可制成压力传感器，它受到的压力越大，输出的电压就越大，用它可以对汽车称重。经实测，某压力传感器输出电压与压力的关系如下表：

将该压力传感器水平放置，并和电阻箱R′(最大电阻999.9 Ω)及部分其他器材组成了图a所示的电路，闭合开关S，当线圈中的电流I≥20 mA时，电磁继电器的衔铁被吸合。已知继电器线圈的电阻为25 Ω，继电器控制电路的电压由传感器的输出电压U提供。(假设U不受继电器电路影响)

(1)根据表格中数据，请在图b给定的坐标系中描绘出压力传感器的输出电压随压力变化的图像。

(2)当压力增加到一定程度时，电铃报警，说明汽车超载，则图甲中电铃应接在________(选填“A、B”或“C、D”)两端。

(3)为使车重G≥3.0×105 N时启动报警系统，则电阻箱R′的电阻应调节到________ Ω。

(4)通过调整电阻箱R′的阻值，可以调整报警车重，能使该装置报警的最小车重为________ N。

答案　(1)图见解析　(2)C、D　(3)100　(4)6.0×104

解析　(1)横坐标表示压力，纵坐标表示输出电压，对应表中数据，绘制图像如下：

(2)当压力增大到一定程度时，压力传感器输出电压达到一定数值，线圈中的电流大于或等于20 mA时，电磁继电器的衔铁被吸合，C、D间的电路就会被接通，电铃报警，因此电铃应接在C、D之间。

(3)从图中可知当FN＝3.0×105 N时压力传感器的输出电压U＝2.5 V，而使得电磁继电器的衔铁被吸合的最小电流为20 mA，故当电路中电流为20 mA时，电路总电阻R总＝ Ω＝125 Ω，所以电阻箱接入电路的阻值R′＝R总－R线＝125 Ω－25 Ω＝100 Ω。

(4)当报警车重最小时输出电压最小，根据U＝I(R′＋R线)，可知此时R′＝0，电压加在线圈两端，压力传感器输出电压的最小值为U最小＝IR线＝0.02×25 V＝0.5 V，由输出电压—压力图像可知，输出电压为0.5 V时，对应的压力为6.0×104 N，即能使该装置报警的最小车重为6.0×104 N。

16．(12分)国家有关酒驾的裁量标准如下：

酒精检测仪是交警执法时通过呼气来检测司机饮酒多少的检测工具。现有一个酒精检测仪的主要元件“酒精气体传感器”，其阻值随气体酒精浓度变化的情况如下表。

(1)请根据上表数据在图中描绘出“R­气体酒精浓度”的关系曲线。

(2)已知人体血液酒精浓度是所呼出气体酒精浓度的2200倍。若某司机小明经过气体酒精浓度测试，显示呼气酒精浓度为120 mg/m3，则司机小明应该是属于________驾驶，此时R的阻值为________ Ω。

(3)现有一个电源，电动势为4.5 V，内阻约为1 Ω；电压表V，量程为3 V，内阻约为2000 Ω；电流表A，量程为3 A，内阻约为5 Ω；滑动变阻器R1，阻值0～50 Ω；滑动变阻器R2，阻值0～500 Ω；开关、导线若干。

若要用以上器材和上述“酒精气体传感器”组成一个测定气体酒精浓度的电路。该电路只使用一个电表，且正常工作时，被测气体酒精浓度若为0，则电表指针满偏。且该电路可以在电源老化，内阻变大的情况下，通过调节变阻器，保证被测气体酒精浓度为0时，电表指针仍能满偏。则该电路应选用的电表是________(填字母代号，下同)，应选用的滑动变阻器是________。请在虚线框中完成设计电路图。

答案　(1)图见解析　(2)饮酒　24(22～26均可)

(3)V　R1　图见解析

解析　(1)根据表中数据描绘出“R­气体酒精浓度”的关系曲线如图：

(2)司机小明经过气体酒精浓度测试，显示呼气酒精浓度为120 mg/m3＝＝，人体血液酒精浓度为2200×＝，由裁量标准可知司机小明属于饮酒驾驶；由图线可知，此时R的阻值为24 Ω。

(3)要求气体酒精浓度为0时电表示数最大，即电路的总电阻最大时电表示数最大，则电表只能选用电压表V，且并联在传感器两端。滑动变阻器与传感器串联，根据＝，且传感器阻值0<R≤60 Ω，电压表的量程为3 V，可得滑动变阻器接入电路中的最大值R滑≈29 Ω，则应选用的滑动变阻器是R1。电路如图：

三、计算题(本题共1小题，共12分。解答中应写出必要的文字说明、证明过程或演算步骤，只写出最后答案的不给分)

17．(12分)如图是电饭煲的电路图，S1是一个温控开关，手动闭合后，当温度达到居里点(103 ℃)时，此开关会自动断开。S2是一个自动温控开关，当温度低于70 ℃时，会自动闭合；温度高于80 ℃时，会自动断开，红灯是加热时的指示灯，黄灯是保温时的指示灯，电阻R1＝R2＝500 Ω，加热电阻丝R3＝50 Ω，两灯电阻不计。

(1)分析电饭煲的工作原理；

(2)计算加热和保温两种状态下，电饭煲消耗的电功率之比；

(3)简要回答，如果不闭合开关S1，能将饭煮熟吗？

答案　(1)见解析　(2)12∶1　(3)见解析

解析　(1)电饭煲内盛上食物后，接上电源，S2自动闭合，同时手动闭合S1，这时黄灯被短路，红灯亮，电饭煲处于加热状态，加热到80 ℃时，S2自动断开，S1仍闭合；当温度升高到103 ℃时，开关S1自动断开，这时饭已煮熟，黄灯亮，电饭煲处于保温状态；由于散热，待温度降至70 ℃时，S2自动闭合，电饭煲重新加热，温度达到80 ℃时，S2又自动断开，再次处于保温状态。

(2)加热时电饭煲消耗的电功率P1＝，

保温时电饭煲消耗的电功率P2＝，

两式中R并＝＝ Ω＝ Ω，

则＝＝＝。

(3)如果不闭合开关S1，开始时S2闭合，R1被短路，电饭煲消耗的功率为P1，处于加热状态；当温度升高到80 ℃时，S2自动断开，功率降为P2，电饭煲处于保温状态；当温度降低到70 ℃，S2自动闭合……电饭煲内的温度只能在70～80 ℃之间变化，不能将饭煮熟。