第五章　传感器

（时间：75分钟　分值：100分）

一、单项选择题（本题共7小题，每小题4分，共28分.每小题只有一个选项是正确的，选对得4分，错选、多选、不选均不得分）

1.光电式感烟探测器（简称烟感器）由光源、光电元件和电子开关组成，利用光散射原理对火灾初期产生的烟雾进行探测，并及时发出报警信号.该报警器利用的传感器是（　　）

A.力传感器　　　　　　　 B.声传感器

C.位移传感器   D.光传感器

答案：D

2.（2021·湖北武昌实验中学月考）居民楼的楼道里，夜里只是偶尔有人经过，电灯如果总是亮着会造成很大浪费.科研人员利用“光敏”材料制成“光控开关”，天黑时自动闭合，天亮时自动断开；利用“声敏”材料制成“声控开关”，当有人走动发出声音时自动闭合，无人走动时自动断开.若将这两种开关配合使用，下列电路符合要求的是（　　）

解析：根据题意可得，应将“声控开关”和“光控开关”串联后共同控制灯泡，即用导线将各元件依次连接起来，故选D.

答案：D

3.（2021·苏州中学期中）某温控电路的原理如图所示，RT是半导体热敏电阻（负温度系数），R是滑动变阻器，某种仪器要求在15～27 ℃的环境中工作，当环境温度偏高或偏低时，控制器会自动启动降温或升温设备，下列说法中正确的是（　　）

A.环境温度降低，RT的阻值减小

B.环境温度升高，Uab变大

C.滑片P向下移动时，Uab变大

D.调节滑片P的位置能改变降温和升温设备启动时的临界温度

解析：RT是负温度系数半导体热敏电阻，环境温度降低时，RT的阻值增大，故A错误；环境温度升高时，RT的阻值减小，根据串联电路中电压与电阻成正比，可知Uab变小，故B错误；滑片P向下移动时，R的阻值增大，总电流减小，则Uab变小，故C错误；调节滑片P时，可改变Uab，从而改变升温和降温设备启动时的临界温度，故D正确.

答案：D

4.（2021·佛山一中月考）温度传感器广泛应用于家用电器中，它是利用热敏电阻的阻值随温度变化的特性来工作的.如图甲为某装置中的传感器工作原理图，已知电源的电动势E＝9.0 V，内阻不计，G为灵敏电流表，其内阻Rg保持不变；R为热敏电阻，其阻值随温度的变化关系如图乙所示.闭合开关S，当R的温度等于20 ℃时，电流表示数I1＝2 mA；当电流表的示数I2＝3.6 mA时，热敏电阻的温度是（　　）

A.60 ℃   B.80 ℃

C.100 ℃   D.120 ℃

解析：由题图乙可知，当R的温度等于20 ℃时，热敏电阻的阻值R1＝4 kΩ，由I1＝，可得Rg＝0.5 kΩ；当电流I2＝3.6 mA时，由I2＝，可得R2＝2 kΩ，结合题图乙知此时热敏电阻的温度为120 ℃，故D正确.

答案：D

5.如图所示，电路中RT为热敏电阻，当温度升高时，RT阻值变小.R1和R2为定值电阻.开关S闭合后，RT的温度升高，则下列物理量中变小的是  （　　）

A.通过RT的电流

B.通过R1的电流

C.通过R2的电流

D.电容器两极板间的电场强度

解析：开关S闭合后，RT的温度升高，RT阻值变小，电路中总电阻变小，总电流增大，通过R1的电流增大，U1＝IR1增大，U2＝E－I（r＋R1）减小，通过R2的电流减小，通过RT的电流增大，电容器两极板间的电压增大，板间的电场强度增大，选项C正确.

答案：C

6.氧化锡传感器主要用于汽车尾气中一氧化碳浓度的检测，它的电阻随一氧化碳浓度的变化而变化.在如图甲所示的电路中，不同的一氧化碳浓度对应着传感器的不同电阻，这样，电压表的指针位置就与一氧化碳浓度有了对应关系，观察电压表指针就能判断一氧化碳浓度是否超标.有一种氧化锡传感器，其技术资料中给出的是电导（即电阻的倒数）—CO浓度曲线，如图乙所示.在表示一氧化碳浓度c与电压表示数U0之间关系的选项图像中正确的是  （　　）

解析：U0＝IR0＝，一氧化碳浓度c增大，电导增大，电阻R传减小，U0增大，但不是正比关系.选项A正确，B、C、D错误.

答案：A

7.（2021·长沙雅礼中学单元检测）压敏电阻的阻值随所受压力的增大而减小，有位同学利用压敏电阻设计了判断小车运动状态的装置，其工作原理如图甲所示，将压敏电阻和一块挡板固定在绝缘小车上，中间放置一个绝缘重球.小车向右做直线运动过程中，电流表示数如图乙所示.下列判断正确的是（　　）

A.从t1到t2时间内，小车做匀速直线运动

B.从t1到t2时间内，小车做匀加速直线运动

C.从t2到t3时间内，小车做匀速直线运动

D.从t2到t3时间内，小车做匀加速直线运动

解析：在0～t1时间内，I恒定，压敏电阻阻值不变，由重球的受力不变可知，小车可能做匀速或匀加速直线运动，在t1～t2时间内，I变大，阻值变小，压力变大，小车做变加速直线运动，A、B错误.在t2～t3时间内，I不变，压力恒定，且大于0～t1时间内的压力，小车做匀加速直线运动，C错误，D正确.

答案：D

二、多项选择题（本题共3小题，每题6分，共18分.每个小题有多个选项是正确的，全选对得6分，少选得3分，错选、多选、不选均得0分）

8.在家用电热灭蚊器中，电热部分主要元件是PTC元件，PTC元件是由钛酸钡等半导体材料制成的电阻器，其电阻率ρ随温度t的变化关系如图所示（t0为室温）.正是由于这种特性，使PTC元件具有发热、保温双重功能.以下判断正确的是（　　）

A.通电后，其电功率先增大后减小

B.通电后，其电功率先减小后增大

C.当其产生的热量与散发的热量相等时，温度保持在t1不变

D.当其产生的热量与散发的热量相等时，温度保持在t1和t2之间的某一值不变

解析：当电热灭蚊器温度由t0升到t1的过程中，电阻器的电阻率ρ随温度的升高而减小，其电阻R随之减小，由于加在电热灭蚊器上的电压U保持不变，电热灭蚊器的电功率P随之增大，当t＝t1时，电功率P达到最大.当温度由t1升高到t2的过程中，ρ增大，R增大，P减小，而温度越高，其与外界环境温度的差别也就越大，高于环境温度的电热灭蚊器的散热功率P′也就越大.在这之间的某一温度t3会有P＝P3＝P′，当电功率P减小到等于散热功率时，即达到保温；当t<t3，P>P′时，使温度自动升高到t3；当t>t3，P<P′时，使温度自动降为t3，实现自动保温.

答案：AD

9.（2021·宝鸡中学月考）如图所示，电容式触摸屏的构造主要是在玻璃屏幕上镀一层透明的薄膜导体层，再在导体层外加上一块保护玻璃，电容式触摸屏在触摸屏四边均镀上狭长的电极，在导体层内形成一个低电压交流电场.在触摸屏幕时，由于人体是导体，手指与内部导体层间会形成一个特殊电容（耦合电容），四边电极发出的电流会流向触摸点，而电流强弱与手指到电极的距离成正比，位于触摸屏后的控制器便会计算电流的比例及强弱，准确算出触摸点的位置.由以上信息可知（　　）

A.电容式触摸屏的两极板分别是导体层和手指

B.当用手触摸屏幕时，手指与屏的接触面积越大，电容越大

C.当用手触摸屏幕时，手指与屏的接触面积越大，电容越小

D.如果用戴了绝缘手套的手触摸屏幕，照样能在触摸屏上进行触控操作

解析：根据题意知，人是导体，人的手指和内部导体层间会形成一个电容，故A正确；由平行板电容器的决定式，可知接触面积增大时，电容增大，故B正确，C错误；手戴了绝缘手套后，手指与内部导体层间不能形成一个电容器，所以不能在触摸屏上进行触控操作，故D错误.

答案：AB

10.（2021·南京师大附中期中）为了锻炼身体，小明利用所学物理知识设计了一个电子拉力计，如图是原理图.轻质弹簧右端和金属滑片P固定在一起（弹簧的电阻不计，P与R1间的摩擦不计），弹簧劲度系数为100 N/cm.定值电阻R0＝5 Ω，ab是一根长为5 cm的均匀电阻丝，阻值R1＝25 Ω，电源输出电压恒为U＝3 V，理想电流表的量程为0～0.6 A.当拉环不受力时，滑片P处于a端.下列关于这个电路的说法正确的是（不计电源内阻）（　　）

A.小明在电路中连入R0的目的是保护电路

B.当拉环不受力时，闭合开关后电流表的读数为0.1 A

C.当拉力为400 N时，电流表指针指在0.3 A处

D.当拉力为400 N时，电流表指针指在0.5 A处

解析：若电路无电阻R0，且金属滑片P在b端时，回路短路，损坏电源跟电流表，R0的存在使电路不出现短路，故A正确；当拉环不受力时，滑片P在a端，由欧姆定律，得I＝＝0.1 A，故B正确；拉力为400 N时，由F＝kΔx，解得Δx＝4 cm，对应的电阻为RaP＝20 Ω，R1接入电路的电阻RPb＝5 Ω，由欧姆定律，得I′＝＝0.3 A，故D错误，C正确.

答案：ABC

三、非选择题（本题共5个小题，共54分.解答题应写出必要的文字说明、方程和重要演算步骤，答案中必须明确写出数值和单位）

11.（8分）有一种角速度计可以测量航天器的转动角速度，其结构如图所示，角速度计固定在待测装置上，元件A可在光滑杆上滑动，静止时，电压输出刚好为零.当装置绕竖直轴OO′转动时，元件A在光滑杆上发生位移并输出电压信号，成为航天器制导系统的信息源.已知A的质量为m，弹簧的劲度系数为k，自然长度为l0，电源的电动势为E，内阻不计，滑动变阻器B总长度为l，当系统以角速度ω转动时，求U与ω的函数关系.

解析：当系统以角速度ω转动时，对元件A，弹簧弹力提供做圆周运动的向心力为kx＝mω2（l0＋x），

电压表的读数U＝E，

解得U与ω的函数关系为U＝.

当x＝l时，U＝E，ω＝，

上式成立的条件是ω≤ .

答案：U＝

12.（10分）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.传感器能够将感受到的物理量（如温度、光、声等）转换成便于测量的量（通常是电学量），例如热敏传感器，主要是应用了半导体材料制成的热敏电阻.某热敏电阻RT阻值随温度变化的图线如图甲所示，图乙是由该热敏电阻RT作为传感器制作的简单自动报警器线路图.问：

（1）为了使温度过高时报警器铃响，开关c应接在　　　　（填“a”或“b”）处.

（2）若要使启动报警的温度提高些，应将滑动变阻器的滑片P向　　　　移动（填“左”或“右”）.

（3）如果在调试报警器达到最低报警温度时，无论如何调节滑动变阻器的滑片P都不能使报警器工作，且电路连接完好，各电路元件都能处于工作状态，则造成电路不能正常工作的原因可能是_______________________________________________________________

________________________________________________________________________.

解析：（1）由题图甲可知热敏电阻RT在温度升高时阻值变小，电路中电流变大，电磁铁磁性增强，把右侧衔铁吸引过来，与a接触，故c应接在a处.

（2）为使启动报警的温度提高，则应使电路中电阻更大，滑动变阻器的滑片应左移.

答案：（1）a　（2）左　（3）电源提供的电压太小以至于电磁铁磁性太弱，或弹簧劲度系数太大，电磁铁的吸引力小于弹力

13.（12分）某学生为测量一个物体的质量，找到一个力电转换器，该转换器的输出电压正比于受压面的压力（比例系数为k）.如图所示，测量时先调节输出端的电压，使转换器空载时的输出电压为0；然后在其受压面上放一物体，即可测得与物体的质量成正比的输出电压U.

现有下列器材：力电转换器、质量为m0的砝码、电压表、滑动变阻器、干电池各一个，开关及导线若干，待测物体（可置于力电转换器的受压面上）.请完成对该物体质量的测量：

（1）设计一个电路，要求力电转换器的输入电压可调.并且使调节范围尽可能大，画出这一完整的电路（包括力电转换器在内）.

（2）简要说明测量步骤，求出比例系数k，并测出待测物体的质量m.

（3）设想实验可能会出现的问题.

解析：（1）如图所示.

（2）测量步骤与结果如下：

①闭合开关S，调节变阻器的滑片P，使力电转换器的输出电压为零.

②将质量为m0的砝码放在力电转换器的受压面上，记下此时的输出电压U0.

③取下砝码，将待测物体放在力电转换器的受压面上，记下此时的输出电压U.

由以上测量可求出比例系数k及待测物体的质量m.

因为U0＝km0g，所以k＝.

又由于U＝kmg，所以待测物体的质量为m＝m0.

（3）实验中可能会出现的问题：待测物体的质量超过此力电转换器的量程.

答案：见解析

14.（12分）某实验小组探究一种热敏电阻的温度特性.现用直流恒流电源（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、开关和导线连成如图所示的实物图.

甲

乙

（1）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压值；

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.

（2）实验小组算得该热敏电阻在不同温度下的阻值，并据此绘得如图所示的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）.

解析：（1）因本实验是探究热敏电阻的阻值随温度变化的特性，所以实验需要测出热敏电阻的阻值及相应的温度，热敏电阻的阻值用R＝间接测量，故需要记录的数据是温度计的示数和电压表的示数.

（2）设热敏电阻R＝R0＋kt，k＝＝0.400.由图乙知，温度为10 ℃时，热敏电阻R＝104 Ω，则R0＝R－kt＝（104－0.400×10） Ω＝100 Ω，所以R＝100＋0.400t（Ω）.

答案：（1）记录温度计的示数　记录电压表的示数

（2）100　0.400

15.（江苏卷）（12分）某同学通过实验制作一个简易的温控装置，实验原理电路图如图甲所示，继电器与热敏电阻RT、滑动变阻器R串联接在电源E两端，当继电器的电流超过15 mA时，衔铁被吸合，加热器停止加热，实现温控.继电器的电阻约20 Ω，热敏电阻的阻值RT与温度t的关系如下表所示.

（1）提供的实验器材有：电源E1（3 V，内阻不计）、电源E2（6 V，内阻不计）、滑动变阻器R1（0～200 Ω）、滑动变阻器R2（0～500 Ω）、热敏电阻RT、继电器、电阻箱（0～999.9 Ω）、开关S、导线若干.

为使该装置实现对30～80 ℃之间任一温度的控制，电源E应选用　　　　（选填“E1”或“E2”），滑动变 阻器R应选用　　　　（选填“R1”或“R2”）.

（2）实验发现电路不工作.某同学为排查电路故障，用多用电表测量各接点间的电压，则应将如图乙所示的选择开关旋至　　　　（选填“A”“B”“C”或“D”）.

（3）合上开关S，用调节好的多用电表进行排查.在图甲中，若只有b、c间断路，则应发现表笔接入a、b时指针　　　　（选填“偏转”或“不偏转”），接入a、c时指针　　　　（选填“偏转”或“不偏转”）.

（4）排除故障后，欲使衔铁在热敏电阻为50 ℃时被吸合，下列操作步骤的正确顺序是　　　　　　　.（填写各步骤前的序号）

①将热敏电阻接入电路

②观察到继电器的衔铁被吸合

③断开开关，将电阻箱从电路中移除

④合上开关，调节滑动变阻器的阻值

⑤断开开关，用电阻箱替换热敏电阻，将阻值调至108.1 Ω

解析：（1）因通过继电器的电流超过15 mA时加热器停止加热，为使该装置实现对30 ℃～80 ℃之间任一温度的控制，要求电路在30 ℃～80 ℃之间的任一温度下的电流能通过调节达到15 mA.当控制到30 ℃时，电路的最小阻值为Rmin＝199.5 Ω＋20 Ω＝219.5 Ω，要使电流达到15 mA，则所需电源电动势至少为Emin＝IRmin＝3.29 V，故电源只能选用电动势为6 V的E2.为使温度控制在80 ℃，则在6 V电源下电路中的电流能达到15 mA，故此时滑动变阻器接入电路中的阻值为R＝－（Rt＋R继）＝ Ω－49.1 Ω－20 Ω＝330.9 Ω，故滑动变阻器应选用R2.

（2）由于是用多用电表测直流电压，且电源电动势为6 V，故应选择直流电压10`V挡.

（3）若只有b、c间断路，电路中无电流，a、b间电压为0，a、c间电压等于电源两端电压，故表笔接入a、b时指针不偏转，接入a、c时指针偏转，且示数等于电源电动势.

（4）欲使衔铁在50`℃时被吸合，则要求温度达到50`℃时电路中电流达到15 mA，而此时热敏电阻的阻值为108.1 Ω.为确定滑动变阻器应接入电路中的阻值，先将电阻箱调到108.1`Ω并替代热敏电阻接入电路，调节滑动变阻器使衔铁恰好被吸合，然后再保持滑动变阻器滑片位置不动，将热敏电阻再替换电阻箱即可，故合理的顺序应为⑤④②③①.

答案：（1）E2 R2 （2）C （3）不偏转 偏转 （4）⑤④②③①