专题104传感器元件性能探究实验（原卷版+解析版）-2023届高考物理一轮复习知识点精讲与最新高考题模拟题同步训练

2023高考一轮知识点精讲和最新高考题模拟题同步训练

第十七章  电学创新实验

专题104  传感器元件性能探究实验

第一部分  知识点精讲

传感器元件性能探究，重点是探究热敏电阻的热敏特性，光敏电阻的光敏特性，压敏电阻的受力特性，磁敏电阻的特性、霍尔元件的特性等等。

第二部分 最新高考题精选

1.（10分）（2019全国理综II卷23）某小组利用图（a）所示的电路，研究硅二极管在恒定电流条件下的正向电压U与温度t的关系，图中V1和V2为理想电压表；R为滑动变阻器，R0为定值电阻（阻值100 Ω）；S为开关，E为电源。实验中二极管置于控温炉内，控温炉内的温度t由温度计（图中未画出）测出。图（b）是该小组在恒定电流为50.0μA时得到的某硅二极管U—t关系曲线。回答下列问题：

（1）实验中，为保证流过二极管的电流为50.0μA，应调节滑动变阻器R，使电压表V1的示数为U1=      mV；根据图（b）可知，当控温炉内的温度t升高时，硅二极管正向电阻     （填“变大”或“变小”），电压表V1示数     （填“增大”或“减小”），此时应将R的滑片向     （填“A”或“B”）端移动，以使V1示数仍为U1。

（2）由图（b）可以看出U与t成线性关系，硅二极管可以作为测温传感器，该硅二极管的测温灵敏度为=     ×10-3V/℃（保留2位有效数字）。

【参考答案】（1）5.00  变小  增大  B  （2）2.8

【名师解析】（1）由欧姆定律，为保证流过二极管的电流为I=50.0μA，应调节滑动变阻器R，使电压表V1的示数为U1=IR0=5.00mV。根据图（b）可知，当控温炉内的温度t升高时，硅二极管两端电压U降低，由U=IR可知，硅二极管的正向电阻变小，电流增大，电压表V1示数增大，此时应将R的滑片向B端移动，以使V1示数仍为U1。

（2）由图（b）可以看出U与t成线性关系，硅二极管可以作为测温传感器，该硅二极管的测温灵敏度为= V/℃=2.8×10-3V/℃。

第三部分 最新模拟题精选

1. （2022河北重点中学期中素养提升）某同学为定性探究光敏电阻阻值随光照强度变化的关系，设计了如图（a）所示的电路。所用器材有：置于暗箱（图中虚线区域）中的光敏电阻RG、小灯泡和刻度尺；阻值为R的定值电阻；理想电压表V；电动势为E、内阻为r的电源；开关S；导线若干。

实验时，先按图（a）连接好电路，然后改变暗箱中光源到光敏电阻的距离d，记录电压表的示数U，获得多组数据如下表。

回答下列问题：

（1）光敏电阻阻值RG与电压表示数U的关系式为RG=___________（用E、r、R、U表示）；

（2）在图（b）的坐标纸上补齐数据表中所给的第二组数据点，并作出U-d的非线性曲线：（         ）

（3）依据实验结果可推断：光敏电阻的阻值随着光照强度的减小而___________（填“增大”或“减小”）；

（4）该同学注意到智能手机有自动调节屏幕亮度的功能，光照强度大时屏幕变亮，反之变暗。他设想利用光敏电阻的特性，实现“有光照射光敏电阻时，小灯泡变亮；反之变暗”的功能，设计了如图（c）所示电路，则电路中___________（填“R1”或“R2”）为光敏电阻，另一个为定值电阻。

【参考答案】    ①.     ②. 见解析    ③. 增大    ④. R2

【名师解析】

（1）[1]由闭合电路欧姆定律得

解得

（2）[2]作出第二组数据点，用平滑的曲线连起来,如图所示。

（3）[3]由题知，当d增大，光照强度减小，U减小，由

可得RG增大。

（4）[4]若R1为光敏电阻，因为光照强度变大，R1电阻减小，由“串反并同”可知灯泡变暗；若R2为光敏电阻，光照强度变大，R2电阻减小，通过灯泡的电流增大，灯泡变亮，故R2为光敏电阻。

2. （2022江西南昌三模）某同学设计了如图甲所示的电路，测量并描绘某PTC热敏电阻的阻值随温度t变化的关系曲线，测量的PTC热敏电阻的阻值范围为。实验室提供的器材有：

A．待测PTC热敏电阻；

B．电池组：电动势约为3V，内阻可忽略不计；

C．电压表：量程为15V，内阻约为；

D．电压表：量程为3V，内阻约为；

E．电流表：量程为100mA，内阻约为；

F．电流表：量程为2mA，内阻约为；

G．滑动变阻器R：最大阻值为；

H．开关一个，导线若干。

（1）电压表应选用___________（选填“C”或“D”），电流表应选用___________（选填“E”或“F”）。

（2）请用笔画线代替导线将图甲电路补充完整。（       ）

（3）将PTC热敏电阻浸入不同温度的热水中，改变热敏电阻的温度，测出PTC热敏电阻在不同温度t下的阻值，描绘出的图像如图乙所示，图像过坐标为（60℃，）的点，则℃时PTC热敏电阻的真实值___________（选填“大于”、“等于”或“小于”）。

（4）将该PTC热敏电阻用于如图丙所示的火灾报警器电路中，报警器接在M、N两点。已知，，，当M点的电势高于N点的电势时报警器开始报警，若出现火灾，则PTC热敏电阻的温度为___________℃时报警器开始报警。（结果保留两位有效数字）

【参考答案】    ①. D    ②. F    ③.     ④. 小于    ⑤. 68##67##69

【名师解析】

（1）[1]因为电源电动势为3V，电压表应选用量程为3V的，故选填“D”；

[2]热敏电阻的最小阻值为，故电路中的最大电流不会超过

故电流表选用量程为2mA的，故选填“F”；

（2）[3]热敏电阻的阻值偏大，电流表内接，故电路图补充如下

（3）[4]电流表内接分压，电压表测量偏大，电流表测量值准确，根据电阻的表达式可知测量值偏大，故真实值偏小，真实值小于；

（4）[5]根据串并联电路电压特点可知，当M、N电势相等时则有

解得

观察图乙PTC热敏电阻的阻值随温度t变化的关系曲线可知，此时的温度为68℃，若温度高于此温度热敏电阻两端电压增大，M点的电势较高，高于N点的电势，故PTC热敏电阻的温度为68℃时报警器开始报警。

3. (2022北京石景山一模)材料的电阻随压力的变化而变化的现象称为“压阻效应”，利用这种效应可以测量压力大小。某同学计划利用压敏电阻测量物体的质量，他先测量压敏电阻处于不同压力F时的电阻值RF。

利用以下器材设计一个可以测量处于压力中的该压敏电阻阻值的电路，要求误差较小，提供的器材如下：

A．压敏电阻RF，无压力时阻值R0 = 600 Ω

B．滑动变阻器R1，最大阻值约为20 Ω

C．滑动变阻器R2，最大阻值约为200 Ω

D．灵敏电流计G，量程0～2.5 mA，内阻为30 Ω

E．电压表V，量程0～3 V，内阻约为3 kΩ

F．直流电源E，电动势为3 V，内阻很小

G．开关S，导线若干

（1）滑动变阻器应选用________（选填“R1”或“R2”），实验电路图应选用________（选填“图1”或“图2”）。

（2）实验中发现灵敏电流计量程不够，若要将其改装为量程30 mA的电流表，需要_______（选填“串联”或“并联”）一个电阻R＇，R＇=________Ω。

（3）多次改变压力F，在室温下测出对应电阻值RF，可得到如图3所示压敏电阻的 -F图线，其中RF表示压力为F时压敏电阻的阻值，R0表示无压力时压敏电阻的阻值。由图线可知，压力越大，压敏电阻的阻值________（选填“越大”或“越小”）。

（4）若利用图4所示电路测量静置于压敏电阻上物体的质量，需要将电压表表盘刻度值改为对应的物体质量。若m1 > m2，则m1应标在电压值_____（选填“较大”或“较小”）的刻度上。请分析表示物体质量的示数是否随刻度均匀变化，并说明理由。_______

【参考答案】    ①. R1    ②. 图1    ③. 并联    ④. 2.7    ⑤. 越小    ⑥. 较小    ⑦. 物体质量m与电压U不是线性关系，因此物体质量示数随刻度不是均匀变化

【名师解析】

 (1)[1][2]实验要求误差较小，应该多测几组数据，即采用分压式接法，滑动变阻器选用最大阻值较小的R1，又因为压敏电阻的阻值较大，所以电流表采用内接法。故电路图选择图1。

(2)[3][4]灵敏电流计并联分流电阻可以增大其量程，由电路的串并联关系可得

解得

(3)[5]由图像可得

图线的斜率为定值，即随着压力越大，压敏电阻的阻值越小。

(4)[6]静置于压敏电阻上物体的质量越大，其对压敏电阻的压力越大，则压敏电阻的阻值越小，电压表的示数越小，所以质量较大的m1应标在电压值较小的刻度上。

[7]物体质量m与电压U不是线性关系，因此物体质量示数随刻度不是均匀变化。

4. （2022广州培正中学三模）某同学了解到，给大货车“称重”，是利用了如压阻应变片这样的元件，当改变对压阻应变片压力时，其阻值发生变化，这种效应称为“压阻效应”。现用如图甲所示的电路研究某压阻应变片的压阻效应。已知的阻值变化范围为几欧姆到几十欧姆，所用电源的电动势为3V，内阻忽略。除图甲中的器材外，实验室还提供了如下器材可供选择：

电压表V（量程为0～15V，内阻约为20k，其读数用U表示）

电流表A1（量程为0～0.6A，内阻=1.5，其读数用I1表示）

电流表A2（量程为0～0.6A，内阻约为2，其读数用I2表示）

（1）请完成电路图甲中虚线框内的部分，并用相应的符号标注元件________。

（2）在电阻上加压力F，闭合开关S，记下电表读数，可得_________（用题目中给出的字母表示）。

（3）改变压力F，得到不同的值，绘成图像如图乙所示，可得与所受压力F的数值关系是_________。

（4）该同学用提供的器材设计了如图丙所示电路，想把电流表改成简单压力表，即直接在电流表盘上对应电流位置处标上压力大小。在0.15A处标0，则调零电阻_________，此压力表最大能测压力_________。（结果均保留两位有效数字）

【参考答案】    ①. 见解析    ②.     ③. 18-2F    ④. 0.50    ⑤. 7.5N

【名师解析】

（1）[1]由于电压表V量程过大，读数精确度低，所以将电流表A1作电压表使用（A1内阻已知，可以由两电流表读数表示出Rx上电流），如图所示。

（2）[2]根据欧姆定律得

（3）[3]与所受压力F成一次函数，根据图线与坐标轴的截距以及斜率可知结合图像中（0,18）与（4,10）两点可知

=18-2F

（4）[4][5]由闭合电路欧姆定律

若F=0，I=0.15A，代入得

R0=0.5Ω

当I=0.6A时，代入得

Fm=7.5N

5.（10分）（2021新高考八省大联考）．温度传感器的核心部分是一个热敏电阻。某课外活动小组的同学在学习了伏安法测电阻之后，利用所学知识来测量由某种金属制成的热敏电阻的阻值。可供选择的实验器材如下：

A．直流电源，电动势E=6V，内阻不计；

B．毫安表A1，量程为600mA，内阻约为0.5；

C．毫安表A2，量程为10mA，内阻RA=100；

D．定值电阻R0=400；

E．滑动变阻器R=5；

F．被测热敏电阻Rt，开关、导线若干。

(1)实验要求能够在0~5V范围内，比较准确地对热敏电阻的阻值Rt进行测量，请在图甲的方框中设计实验电路______。

(2)某次测量中，闭合开关S，记下毫安表A1的示数I1和毫安表A2的示数I2，则计算热敏电阻阻值的表达式为Rt=______（用题给的物理量符号表示）。

(3)该小组的同学利用图甲电路，按照正确的实验操作步骤，作出的I2－I1图象如图乙所示，由图可知，该热敏电阻的阻值随毫安表A2的示数的增大而____（填“增大”“减小”或“不变”）。

(4)该小组的同学通过查阅资料得知该热敏电阻的阻值随温度的变化关系如图丙所示。将该热敏电阻接入如图丁所示电路，电路中电源电压恒为9V，内阻不计，理想电流表示数为0.7A，定值电阻R1=30，则由以上信息可求出定值电阻R2的阻值为______，此时该金属热敏电阻的温度为______℃。

12．（共10分）【参考答案】（1）电路如图。  

（2）     （3）增大   （4） 17.5    55   

【名师解析】

(1)．题目中没有电压表，可用已知内阻的电流表A2与定值电阻R0串联构成量程为的电压表；滑动变阻器用分压电路，电路如图：

(2)．由电流可知

(3)．根据可得

则该热敏电阻的阻值随毫安表A2的示数的增大，斜率 变大，可知Rt变大。

(4)．通过R1的电流

则通过R2和Rt的电流为0.4A；由I2-I1图像可知，I2=4mA，此时Rt两端电压为2V，则R2两端电压为7V，则,

根据Rt-t图像可知

解得t=55℃

6. 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lx)。某光敏电阻R的阻值随照度变化的曲线如图甲所示。

甲

乙

丙

(1)如图乙所示是街道路灯自动控制模拟电路所需元件。利用直流电源给电磁铁供电,利用220 V交流电源给路灯供电。为达到天亮灯熄、天暗灯亮的效果,请用笔画线代替导线,正确连接电路元件。

(2)用多用电表“×100”欧姆挡,测量图中电磁铁线圈电阻时,指针偏转角度太大,为了更准确地测量其阻值,接下来应选用　　　　欧姆挡(填“×1 k”或“×10”),进行欧姆调零后,重新测量其示数如图丙所示,则线圈的电阻为　　　　 Ω。 

(3)已知当线圈中的电流大于或等于2 mA时,继电器的衔铁将被吸合。图中直流电源的电动势E=6 V,内阻忽略不计,滑动变阻器有三种规格可供选择,R1(0~10 Ω,2 A)、R2(0~200 Ω,1 A)、R3(0~1 750 Ω,1 A),要求天色渐暗照度降低至1.0 lx时点亮路灯,滑动变阻器应选择　　　　(填“R1”“R2”或“R3”)。为使天色更暗时才点亮路灯,应适当地　　　　(填“增大”或“减小”)滑动电阻器的电阻。 

【参考答案】　(1)见解析　(2)×10　140

(3)R3　减小

【名师解析】　(1)光敏电阻的阻值随光照强度的增大而减小,所以白天时光敏电阻的阻值小,电路中的电流值大,电磁铁将被吸住;静触点与C接通;晚上时的光线暗,光敏电阻的阻值大,电路中的电流值小,所以静触点与B接通。所以要达到天暗灯亮,天亮灯熄,则路灯应接在A、B之间。电路图如图。

(2)欧姆表指针偏转角度太大,说明电阻太小,应换为小倍率的“×10”欧姆挡;读数时先读出表盘的刻度,然后乘以倍率,表盘的刻度是14,倍率是“×10”欧姆,所以电阻值是14×10 Ω=140 Ω。

(3)天色渐暗照度降低至1.0 lx时点亮路灯,此时光敏电阻的阻值是2 kΩ,电路中的电流是2 mA,R'=-R= Ω-2 000 Ω=1 000 Ω,所以要选择滑动变阻器R3。

光变暗时,光敏电阻阻值变大,所以为使天色更暗时才点亮路灯,应适当地减小滑动变阻器的电阻。