3. 传感器的应用（分层作业）物理沪科版选择性必修第二册

3．传感器的应用 目 录 【攻核心·技能提升】 1 一、传感技术在轨道交通领域的应用 1 二、传感技术在汽车上的应用 1 三、传感技术在手机里的应用 4 【拓思维·重难突破】 6 【链高考·精准破局】 8 一、传感技术在轨道交通领域的应用 1.(多选)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．汽车前轮停在感应线上不动时，不会被电子眼拍照 B．汽车的前、后轮先后经过感应线，不会被电子眼拍照 C．汽车前轮刚越过感应线，又倒回到线内，不会被电子眼拍照 D．汽车前轮经过感应线，但后轮没有经过感应线后就立即停下，不会被电子眼拍照 答案　AD 解析　AD选项中只有一次压感应线，只能形成一个脉冲，不符合拍照的条件，所以不会被拍照，AD正确；B、C中有两次压感应线，形成两个脉冲，符合拍照的条件，所以会被拍照，所以BC错误。故选AD。 二、传感技术在汽车上的应用 2.如图所示为某汽车的加速度传感器的俯视图。金属块前、后侧分别连接轻质弹簧、电介质，弹簧与电容器固定在外框上，金属块可带动电介质相对于外框前后移动（不能沿其他方向移动），电容器与电源连接，并串联计算机的信号采集器。关于该传感器的说法正确的是(　　) A．汽车保持静止时，电容器不带电 B．汽车静止时与直线运动时，电容器的电容可能相同 C．汽车由静止突然向前加速，电路中有逆时针方向的电流 D．汽车向前做匀加速运动过程中，电路中始终有顺时针方向的电流 答案　B 解析　A．汽车保持静止时，由可知电容器带电，故A错误；B．汽车静止时与匀速直线运动时，弹簧都处于原长，电容器的电容相同，故B正确；C．汽车由静止突然向前加速，弹簧会伸长，电介质相对于电容器极板向后运动，增大，由可知电容变大，电容器的电荷量要变大，电容器充电，电路中有顺时针方向的电流，故C错误；D．汽车向前做匀加速运动过程中，加速度不变，弹簧的伸长量不变，电容器充电完成后，电路中不再有电流，故D错误。故选B。 3.电容式加速传感器常用于触发汽车安全气囊，简化图如图所示，平行板电容器的极板固定，可左右移动，通过测量电容器极板上的电量变化来确定汽车加速度。当汽车紧急刹车时，极板、间距减小，若极板两端电压不变，下列说法正确的是(　　) A．电容器的电容不变 B．电容器的电容变小 C．极板间的电场强度减小 D．极板间的电荷量增大 答案　D 解析　ABD．极板M、N间距d减小，由可得，电容C增大。根据可知若极板两端电压不变，则极板间的电荷量增大，故AB错误、D正确；C．若极板两端电压不变，极板M、N间距d减小，根据可知极板间的电场强度增大，故C错误。故选D。 4.霍尔传感器被广泛应用于汽车中的发动机控制、自动变速器控制、车辆稳定性控制、照明控制等领域。如图所示，长为、宽为、高为，载流子为电子的金属霍尔元件，从左向右通过元件的恒定电流为，垂直前后表面向后的磁感应强度大小为。下列说法正确的是(　　) A．元件上表面的电势高于下表面的电势 B．仅增大霍尔元件的高，上、下表面的电势差不变 C．仅增大霍尔元件的宽，上、下表面的电势差不变 D．其他条件一定时，磁感应强度越大，上下表面的电势差越小 答案　B 解析　A．由于载流子为电子，即负电荷，由左手定则可知上表面会聚集负电荷，则上表面电势低于下表面，故A错误；B．由电流微观表达式其中根据平衡条件，电场力等于洛伦兹力可得，则U与c无关，故B正确；C．由可知，增大b，则U减小，故C错误；D．由可知，B越大，U越大，故D错误。故选B。D．汽车向右做加速度增大的加速运动过程中，加速度方向向右，大小逐渐增大，弹簧处于拉伸状态，弹簧的长度增大，电介质插入极板间的深度增大，极板间的电介常数增大，根据A中分析可知极板所带的电荷量增大，即电路中有充电电流，根据图形可知电容器的上极板带正电，电荷量增多，则电路中有顺时针方向的充电电流，故D正确。 故选D。 5.无人驾驶汽车依赖多模态传感器（激光雷达、摄像头、毫米波雷达）实时感知环境，结合高精度地图和AI算法进行路径规划与决策控制。如图所示，车道宽，长的货车以的速度匀速行驶在右侧车道，距离斑马线60m时，一行人以的速度匀速通过斑马线，恰好垂直越过货车右侧分界线，左车道上有一无人驾驶轿车以的速度匀速行驶，此时轿车车头恰好和货车车尾齐平。已知货车在侧面遮挡轿车雷达波时，行人需完全越过货车左侧分界线，轿车雷达才能准确探测到前方行人。若要避免轿车与行人相撞，轿车制动的加速度至少为（注：结果保留小数点后一位，轿车制动时做匀减速直线运动，避撞安全条件：轿车车头到达斑马线时，行人恰好完全离开轿车所在左车道）(　　) A． B． C． D． 答案　D 解析　行人过路口的时间为，行人过路口时，轿车雷达可探测到前方行人的时间 此时轿车距路口的距离为，轿车在行人通过斑马线的剩余时间内制动，减速运动到路口时，行人恰好完全离开轿车所在左车道，设此时轿车速度为v,则有 解得加速度大小，故选D。 三、传感技术在手机里的应用 6.安装适当的软件后，利用智能手机中的磁传感器可以测量磁感应强度B。如图所示，在手机上建立直角坐标系，手机显示屏所在平面为xOy面。在某地对地磁场进行了测量，某次测量数据如下：，，。由此推知(　　) A．该次测量时x轴正向指向北方 B．该次测量时y轴正向指向南方 C．当地的地磁场与竖直方向夹角约为30° D．当地的地磁场的磁感应强度大小约为 答案　D 解析　AB．xOy平面为水平面，而地磁场的水平分量指向北方，则此次测量y轴正向指向北方，x轴正向指向东方，故AB错误；CD．测量地点地磁场的磁感应强度的水平分量为，竖直分量为，故此处的磁感应强度大小,当地的地磁场与竖直方向夹角正切值，则，故C错误，D正确。故选D。 7.(多选)某同学利用手机加速度传感器研究手机沿竖直方向的运动情况。该同学进行了如下操作：打开加速度传感器应用程序，将手机屏幕向上平放在手掌上，手掌迅速向下运动。让手机脱离手掌自由下落一段距离，再接住手机。加速度传感器记录了手机沿竖直方向运动的加速度随时间的变化图线，如图所示。下列说法正确的是(　　) A．时间内，手机做匀加速直线运动 B．时间内，手机处于失重状态 C．时刻，手机的速度达到最大值 D．时间内手掌对手机的冲量大于时间内手掌对手机的冲量 答案　BD 解析　A．时间内，手机向下的加速度逐渐变大，可知手机向下做变加速直线运动，A错误；B．时间内，手机的加速度向下，处于失重状态，B正确；C．时刻以后，手机仍有竖直向下的加速度，可知此时刻手机的速度没有达到最大值，C错误；D．向上为正，根据动量定理即 因时间内的时间间隔大于的时间间隔；时间内的速度变化量小于的速度变化量（a-t图像与坐标轴围成的面积等于速度的变化量），可知手掌对手机的冲量大于时间内手掌对手机的冲量，D正确。故选BD。 8.利用手机phyphox软件可定量探究向心加速度a与半径r、角速度ω的关系。装置如图甲所示，转盘连接在一个可调转速的电机上，在转盘上沿半径方向每隔相等距离打一个孔，测出每个孔到圆心的距离，手机可用支架固定在孔上。 (1)下列实验与本实验中采用的实验方法一致的是___________（填正确答案标号）。 A．探究弹簧弹力与形变量的关系 B．探究两个互成角度的力的合成规律 C．探究加速度与力、质量的关系 (2)将手机固定在转盘的某一孔位上，打开phyphox软件，调出测量向心加速度的界面，利用调速器改变转盘的转速，得到手机转动过程中向心加速度a与角速度ω的图像如图乙所示。为进一步探究a与ω的关系，改为以 为横坐标，可使图像变为过原点的直线。 (3)保持转盘的转速不变，将手机固定在不同的孔位上，测出不同半径r下手机的向心加速度大小a，得到a−r图像如图丙所示，由图可知手机内部传感器比手机中轴线 （填“靠近”或“远离”）转盘的圆心。 答案　(1)C (2)ω2 (3)靠近 解析 （1）A．探究弹簧弹力与形变量的关系没有涉及多个变量的相互影响，没有使用控制变量法，故A错误；B．探究两个互成角度的力的合成规律采用的是等效替代法，故B错误；C．探究加速度与力、质量的关系采用了控制变量法，故C正确。故选C。（2）由向心加速度的公式a=rω2可知，半径一定时，为了直观研究向心加速度和角速度的定量关系，得到过原点的直线，该组同学需要把横坐标改为ω2。（3）由图可知，半径r达到一定值时，才测得加速度，可知手机内部传感器比手机中轴线靠近转盘的圆心。 9.半导体指纹传感器，多用于手机、电脑、汽车等设备的安全识别，如图所示。传感器的半导体基板上有大量金属颗粒，基板上的每一点都是小极板，其外表面绝缘。当手指的指纹一面与绝缘表面接触时，由于指纹凹凸不平，凸点处与凹点处分别与半导体基板上的小极板形成正对面积相同的电容器。使每个电容器的电压保持不变，对每个电容器的放电电流进行测量，即可采集指纹。在指纹采集过程中，下列说法正确的是(　　) A．指纹的凹点处与小极板距离远，电容大 B．手指缓慢松开绝缘表面时，电容器带电量减小 C．手指用力挤压绝缘表面时，电容变小 D．手指挤压绝缘表面过程中，电容器两极板间的场强大小不变 答案　B 解析　A．根据电容器的电容决定式，指纹的凹点处与小极板距离远，电容小，A错误；B．手指缓慢松开绝缘表面，电容器两极间的距离增大，电容减小，由可知，不变，则电容器带电量减小，B正确；C．手指挤压绝缘表面过程中，电容器两极板间的间距减小，电容变大，C错误；D．电容器内部场强大小为，手指挤压绝缘表面过程中，电容器两极板间的间距减小，内部场强大小变大，故D错误。故选B。 10.(多选)运载火箭中装有加速度传感器，结构如图所示，传感器有一根装有配重的弹性横梁，一端固定在火箭体上，另一端装有金属材料霍尔元件，的长、宽、高分别为、、，如局部放大图所示。火箭静止时，霍尔元件处在上下正对的两个磁极的中央位置，此位置的磁感应强度为零。霍尔元件内外两端接有如图所示的恒压电源，左右两端接电压传感器检测霍尔电压，火箭在竖直方向运动，下列说法正确的是(　　) A．当火箭加速向上运动时，霍尔元件的左侧电势较高 B．飞行中火箭发动机突然失去动力时， C．仅增大霍尔元件的厚度，加速度传感器将更灵敏 D．仅减小霍尔元件的长度，加速度传感器将更灵敏 答案　AD 解析　A．当火箭加速向上运动时，金属材料霍尔元件H的加速度向上，则金属材料霍尔元件H向下运动，处于向上的磁场中，由图可知通过金属材料霍尔元件H的电流向里，根据左手定则可知，自由电子受到向右的洛伦兹力，所以霍尔元件的左侧电势较高，故A正确；B．飞行中火箭发动机突然失去动力时，将做减速运动，霍尔元件离开它的静止位置而向上偏移，则霍尔元件所处位置的磁场方向向下，UH不为0，故B错误；CD．霍尔电压稳定后，根据带电粒子所受洛伦兹力等于电场力可知解得,其中v是自由电荷的定向移动速率，又有微观电流表达式,电流,联立得仅减小霍尔元件的长度a，霍尔电压变大，加速度传感器将更灵敏，仅增大霍尔元件的厚度c，霍尔电压不变，故C错误，D正确。故选AD。 11.(2025·江西·高考真题)热敏电阻的阻值随温度的变化而改变，通过建立温度与热敏电阻两端电压的关系，可制作一简易的温度传感器，进而实现温度测量。如图（a）所示，为热敏电阻，为匹配电阻，电源电动势为E（内阻不计），数字电压表（内阻视为无穷大）用于测量热敏电阻两端的电压。 （1）由图（a）可得的表达式为_____。 （2）已知某热敏电阻从升温到时，其阻值从单调减小到。为了合理配置的阻值，用电阻箱代替该热敏电阻进行实验。经数据处理得到不同值对应的关系图线，如图（b）所示，分析可知应选图线_____对应的作为匹配电阻，可使在更宽范围内对变化的响应更灵敏。 （3）选定匹配电阻后，按图（a）连接电路，改变热敏电阻的温度T，测量其两端的电压，并尝试用二次多项式进行数据拟合，得到温度与的关系。 （4）用已标定的温度传感器进行实验，记录数据，如下表所示，其中T为测量温度，为标准温度，。表中绝对误差最大和最小的测量温度值T分别为_____和_____。除涉及元器件的精度和稳定性之外，分析该温度传感器测量误差的主要来源：_____。 答案　 乙 38.0 70.2 匹配电阻的阻值不太合适或选用二次多项式进行数据拟合不够精确 解析　（1）[1]由闭合电路的欧姆定律可得电路中电流，可得。（2）[2]由图（b）可知，图线乙在相同的R1变化区间，变化范围更大，即图线乙对应的R0作为匹配电阻，可使在更宽范围内对R1变化的响应更灵敏。（4）[3][4]结合表格数据分析，可知测量的绝对误差最大和最小对应的测量温度分别为和。[5]误差的主要来源除去涉及元器件的精度和稳定性之外，可能是匹配电阻R0的阻值不太合适或选用二次多项式进行数据拟合不够精确。 / 学科网（北京）股份有限公司 $ 3．传感器的应用 目 录 【攻核心·技能提升】 1 一、传感技术在轨道交通领域的应用 1 二、传感技术在汽车上的应用 1 三、传感技术在手机里的应用 3 【拓思维·重难突破】 5 【链高考·精准破局】 6 一、传感技术在轨道交通领域的应用 1.(多选)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．汽车前轮停在感应线上不动时，不会被电子眼拍照 B．汽车的前、后轮先后经过感应线，不会被电子眼拍照 C．汽车前轮刚越过感应线，又倒回到线内，不会被电子眼拍照 D．汽车前轮经过感应线，但后轮没有经过感应线后就立即停下，不会被电子眼拍照 二、传感技术在汽车上的应用 2.如图所示为某汽车的加速度传感器的俯视图。金属块前、后侧分别连接轻质弹簧、电介质，弹簧与电容器固定在外框上，金属块可带动电介质相对于外框前后移动（不能沿其他方向移动），电容器与电源连接，并串联计算机的信号采集器。关于该传感器的说法正确的是(　　) A．汽车保持静止时，电容器不带电 B．汽车静止时与直线运动时，电容器的电容可能相同 C．汽车由静止突然向前加速，电路中有逆时针方向的电流 D．汽车向前做匀加速运动过程中，电路中始终有顺时针方向的电流 3.电容式加速传感器常用于触发汽车安全气囊，简化图如图所示，平行板电容器的极板固定，可左右移动，通过测量电容器极板上的电量变化来确定汽车加速度。当汽车紧急刹车时，极板、间距减小，若极板两端电压不变，下列说法正确的是(　　) A．电容器的电容不变 B．电容器的电容变小 C．极板间的电场强度减小 D．极板间的电荷量增大 4.霍尔传感器被广泛应用于汽车中的发动机控制、自动变速器控制、车辆稳定性控制、照明控制等领域。如图所示，长为、宽为、高为，载流子为电子的金属霍尔元件，从左向右通过元件的恒定电流为，垂直前后表面向后的磁感应强度大小为。下列说法正确的是(　　) A．元件上表面的电势高于下表面的电势 B．仅增大霍尔元件的高，上、下表面的电势差不变 C．仅增大霍尔元件的宽，上、下表面的电势差不变 D．其他条件一定时，磁感应强度越大，上下表面的电势差越小 5.无人驾驶汽车依赖多模态传感器（激光雷达、摄像头、毫米波雷达）实时感知环境，结合高精度地图和AI算法进行路径规划与决策控制。如图所示，车道宽，长的货车以的速度匀速行驶在右侧车道，距离斑马线60m时，一行人以的速度匀速通过斑马线，恰好垂直越过货车右侧分界线，左车道上有一无人驾驶轿车以的速度匀速行驶，此时轿车车头恰好和货车车尾齐平。已知货车在侧面遮挡轿车雷达波时，行人需完全越过货车左侧分界线，轿车雷达才能准确探测到前方行人。若要避免轿车与行人相撞，轿车制动的加速度至少为（注：结果保留小数点后一位，轿车制动时做匀减速直线运动，避撞安全条件：轿车车头到达斑马线时，行人恰好完全离开轿车所在左车道）(　　) A． B． C． D． 三、传感技术在手机里的应用 6.安装适当的软件后，利用智能手机中的磁传感器可以测量磁感应强度B。如图所示，在手机上建立直角坐标系，手机显示屏所在平面为xOy面。在某地对地磁场进行了测量，某次测量数据如下：，，。由此推知(　　) A．该次测量时x轴正向指向北方 B．该次测量时y轴正向指向南方 C．当地的地磁场与竖直方向夹角约为30° D．当地的地磁场的磁感应强度大小约为 7.(多选)某同学利用手机加速度传感器研究手机沿竖直方向的运动情况。该同学进行了如下操作：打开加速度传感器应用程序，将手机屏幕向上平放在手掌上，手掌迅速向下运动。让手机脱离手掌自由下落一段距离，再接住手机。加速度传感器记录了手机沿竖直方向运动的加速度随时间的变化图线，如图所示。下列说法正确的是(　　) A．时间内，手机做匀加速直线运动 B．时间内，手机处于失重状态 C．时刻，手机的速度达到最大值 D．时间内手掌对手机的冲量大于时间内手掌对手机的冲量 8.利用手机phyphox软件可定量探究向心加速度a与半径r、角速度ω的关系。装置如图甲所示，转盘连接在一个可调转速的电机上，在转盘上沿半径方向每隔相等距离打一个孔，测出每个孔到圆心的距离，手机可用支架固定在孔上。 (1)下列实验与本实验中采用的实验方法一致的是___________（填正确答案标号）。 A．探究弹簧弹力与形变量的关系 B．探究两个互成角度的力的合成规律 C．探究加速度与力、质量的关系 (2)将手机固定在转盘的某一孔位上，打开phyphox软件，调出测量向心加速度的界面，利用调速器改变转盘的转速，得到手机转动过程中向心加速度a与角速度ω的图像如图乙所示。为进一步探究a与ω的关系，改为以 为横坐标，可使图像变为过原点的直线。 (3)保持转盘的转速不变，将手机固定在不同的孔位上，测出不同半径r下手机的向心加速度大小a，得到a−r图像如图丙所示，由图可知手机内部传感器比手机中轴线 （填“靠近”或“远离”）转盘的圆心。 9.半导体指纹传感器，多用于手机、电脑、汽车等设备的安全识别，如图所示。传感器的半导体基板上有大量金属颗粒，基板上的每一点都是小极板，其外表面绝缘。当手指的指纹一面与绝缘表面接触时，由于指纹凹凸不平，凸点处与凹点处分别与半导体基板上的小极板形成正对面积相同的电容器。使每个电容器的电压保持不变，对每个电容器的放电电流进行测量，即可采集指纹。在指纹采集过程中，下列说法正确的是(　　) A．指纹的凹点处与小极板距离远，电容大 B．手指缓慢松开绝缘表面时，电容器带电量减小 C．手指用力挤压绝缘表面时，电容变小 D．手指挤压绝缘表面过程中，电容器两极板间的场强大小不变 10.(多选)运载火箭中装有加速度传感器，结构如图所示，传感器有一根装有配重的弹性横梁，一端固定在火箭体上，另一端装有金属材料霍尔元件，的长、宽、高分别为、、，如局部放大图所示。火箭静止时，霍尔元件处在上下正对的两个磁极的中央位置，此位置的磁感应强度为零。霍尔元件内外两端接有如图所示的恒压电源，左右两端接电压传感器检测霍尔电压，火箭在竖直方向运动，下列说法正确的是(　　) A．当火箭加速向上运动时，霍尔元件的左侧电势较高 B．飞行中火箭发动机突然失去动力时， C．仅增大霍尔元件的厚度，加速度传感器将更灵敏 D．仅减小霍尔元件的长度，加速度传感器将更灵敏 11.(2025·江西·高考真题)热敏电阻的阻值随温度的变化而改变，通过建立温度与热敏电阻两端电压的关系，可制作一简易的温度传感器，进而实现温度测量。如图（a）所示，为热敏电阻，为匹配电阻，电源电动势为E（内阻不计），数字电压表（内阻视为无穷大）用于测量热敏电阻两端的电压。 （1）由图（a）可得的表达式为_____。 （2）已知某热敏电阻从升温到时，其阻值从单调减小到。为了合理配置的阻值，用电阻箱代替该热敏电阻进行实验。经数据处理得到不同值对应的关系图线，如图（b）所示，分析可知应选图线_____对应的作为匹配电阻，可使在更宽范围内对变化的响应更灵敏。 （3）选定匹配电阻后，按图（a）连接电路，改变热敏电阻的温度T，测量其两端的电压，并尝试用二次多项式进行数据拟合，得到温度与的关系。 （4）用已标定的温度传感器进行实验，记录数据，如下表所示，其中T为测量温度，为标准温度，。表中绝对误差最大和最小的测量温度值T分别为_____和_____。除涉及元器件的精度和稳定性之外，分析该温度传感器测量误差的主要来源：_____。 / 学科网（北京）股份有限公司 $