传感器融入实际应用情境的高考试题赏析-《中学生数理化》高考理化2026年3月刊.rbm

中学生数理化贺：奇箭高名贺析 传感器融入实际应用情境的高考试题赏析 四物②8②心心● ■四川省成都市航天中学校王晔 随着新课程与新高考的全面实施，涉及 B.电压表的示数随物体加速度的增大而 数宇化的考查频率也逐年增加。传感器是数 增大，但不成正比 字化实验的核心部件，传感器的敏感元件有 C.若电压表指针位于表盘左侧，侧物体 热敏电阻、光敏电阻、霍尔元件、压敏电阻、气 的速度方向向右 敏电阻、光电管、弹簧等，常见的传感器有力 D.若电压表指针位于表盘左侧，则物体 传感器、位移传感器、热传感器、光传感器、声 的加速度方向向右 传感器等。在近两年的各地高考试卷中，将 解析：当M位于R的中点时，理想电压 传感器融入实际应用情境题目的考查角度主 表的指针位于表盘中央，P端电势等于Q端 要包括以下三个。 电势，因为从滑动变阻器R的右端向左端电 一、直接考查传感器的性能 势逐渐降低，所以当M位于R的中点右侧 将传感器的敏感元件接入电路中，随着 时，P端电势高于Q端电势，选项A错误。 外界条件的变化，敏感元件将非电学物理量 设被测物体水平方向的加速度为α时，滑块 转化为电学物理量，利用电路知识直接进行 移动的距离为x,弹簧的劲度系数为k,滑块 分析与讨论即可得到最终结果。 的质量为，则对滑块应用牛顿第二定律得 例1(2024·北京卷)如图1所示为 2k.x=ma。设滑动电阻器R单位长度的电 一个加速度计的原理图。滑块可沿光滑杆移 阻为r,滑动电阻器R的总长度为L,则电路 动，滑块两侧与两根相同的轻弹簧连接；固定 中的电流1-器，电压表的示数U=Ir,解 2E 在滑块上的滑动片M下端与滑动变阻器R 接触良好，且不计摩擦；两个电源的电动势E 得U=mE a,可知U与a成正比，选项B错 相同，内阻不计。两弹簧处于原长时，M位 误。若电压表指针位于表盘左侧，则P端电 于R的中点，理想电压表的指针位于表盘中 势低于Q端电势，M位于R的中点左侧，滑 央。当P端电势高于Q端时，指针位于表盘 块所受弹簧弹力的合力向右，因此滑块具有 右侧。将加速度计固定在水平运动的被测物 向右的加速度，但滑块的速度方向不一定向 体上，则下列说法正确的是( 右，选项C错误，D正确。 答案：D W W 评注：本题通过滑块移动，将位移参量转 滑块 光滑杆 化为直流电路中电流的变化、电势的变化，意 在考查电路分析、物体的受力分析、牛顿第二 定律等核心知识。 例2(2025·黑吉辽蒙卷)如图2所 图1 示，某压力传感器中平行板电容器内的绝缘 A.若M位于R的中点右侧，则P端电 弹性结构是模仿犰徐设计的，逐渐增大施加 势低于Q端电势 于两极板压力F的过程中，当F较小时，弹 16 加理夜音真赞牵赞折中学生款理化 性结构易被压缩，极板间距d容易减小；当F 如图4所示的实验电路研究热敏电阻的温度 较大时，弹性结构闭合，极板间距准以诚 特性。 小。将该电容器充电后断开电源，图3中描 述极板间电势差U与F的关系曲线可能正 确的是( ）。 888▣℃ 热敏电阻 温控加热装置 弹性结构 2 图4 (1)闭合开关S,观察到温度改变时电流 表示数也随之改变。定量研究热敏电阻的阻 值R随温度t变化的规律时，将欧姆表两表 笔分别接到热敏电阻α、b两端测量其阻值， 这时开关S应（填“断开”或“闭合”）。 图3 (2)按照正确方法测出不同温度下热敏 解析：根据公式Q=CU和电容的决定 电阻的阻值。电阻R1、R2与温度t的关系分 a,可得U=红e.d。根据题意 式C=S ES 别对应图5中的曲线I、Ⅱ。设计电路时，为 可知，当F较小时，弹性结构易被压缩，随着 防止用电器发生故障引起电流异常增大，导 F的增大，d在减小，且减小得越来越慢，电 致个别电子元件温度过高而损坏，可串联一 个热敏电阻抑制电流异常增大，起到过热保 容器充电断开电源后，Q不变，随着极板间距 d的减小，极板间的电势差U在减小，且诚小 护作用。这种热敏电阻与电阻（填“R” 或“R,”)具有相同的温度特性。 得越来越慢；当F增大到一定程度时，继续 tR/kO 增大F,d难以减小，U保持不变。最符合上 8.00 述情境的图像是图3中的D。 7.00 答案：D 6.00 评注：本题利用电容式传感器，将力的变 5.00 化转化为电容器极板间距的变化，从而导致 4.00 电容器电容的改变，意在考查电容器的特性。 3.00 利用电容器的两个公式得到极板间电势差U 2.00 与极板间距d的关系式，即可判断U与F关 1.00 0.00 系曲线的大致形状。 40.0 50.060.070.080.0t/C 二、探究传感器敏感元件的性能 图5 设计实验装置探究传感器敏感元件的性 解析：(1)使用欧姆表测量电路中某个电 能属于探究性实验，需要认真分析题意，明确 阻的阻值时，必须将该电阻与电源断开。因 实验原理，采用合适的分析方法，获得非电学 此测热敏电阻的阻值时应该让热敏电阻与电 量与电学量之间的关系，进而探究传感器敏 源断开，即开关S应该断开。 感元件的性能。 (2)由题意可知，要串联的热敏电阻的阻 例3(2025·河北卷)某学习小组把 值应该随温度的增大而快速增大，从而抑制 热敏电阻置于带有温控的加热装置中，利用 电路中电流的异常增大。观察图5中的曲线 17 中学生款理化架声意真舞名贺析 I、Ⅱ可知，电阻R1在温度为65℃左右的阻 “左”或“右”)侧。 值变化较大，因此为防止用电器故障而引起 (5)若电压表是非理想电压表，则金属丝 电流异常增大，可串联一个与电阻R1具有相 阻值的测量值（填“大于”“小于”或“等 同温度特性的热敏电阻。 于”)真实值。 答案：(1)断开(2)R 解析：(1)电压表的量程为0一3V,分度 评注：本题考查电阻测量的基本常识，传 值为0.1V,则电压表读数需估读一位，其读 感器敏感元件热敏电阻的温度特性。要求考 数为1.24V。根据欧姆定律可知，金属丝阻 生掌握直流电路的电流与电阻的分析方法。 例4(2024·湖南卷)某实验小组要 值的测量值R-号=12.40 探究一金属丝的阻值随气压变化的规律，搭 (4)根据图7乙可知，压强越小，电阻越 建了如图6甲所示的装置。电阻测量原理如 大。根据U=IR可知，压强p减小，电阻R 图6乙所示，E为电源，V为电压表，A为电 增大，电流I不变，则电压U增大，即电压表 流表。 指针应该在图7甲中指针位置的右侧 (5)若电压表是非理想电压表，则电流表 气压计 采用外接法会导致电压表分流，即尺%一， 止属丝 玻璃管 1=I十名，即1偏大，故Ra<R U 答案：(1)1.24（填1.23~1.25均可） 电阻测量系统 抽气泉 12.4(填12.3~12.5均可)(4)右(5)小 图6 评注：本题以实验为栽体，设置实验情 (1)保持玻璃管内压强为1个标准大气 景，利用数字化装置和信息技术手段，探究金 压，电流表的示数为100mA,电压表的量程 属丝的电阻随气压变化的规律。要求考生应 为0一3V,表盘如图7甲所示，则其示数为 用数字化手段分析R-p关系图像，从而得出 V,此时金属丝阻值的测量值R= 非电学量与电学量之间的关系。 2(保留3位有效数字)。 三、制作自动控制装置 R 利用传感器制作自动控制装置属于设计 2 wLLEll山w,/ 性实验，需要分析实验装置结构，明确实验原 理，厘清实验操作步骤，逐步完成实验设计和 实验操作。 例5(2025·广东卷)科技小组制作 的涡流制动演示装置由电磁铁和圆盘控制部 图7 分组成。如图8所示是电磁铁磁感应强度的 (2)打开抽气泵，降低玻璃管内的压强 测量电路。所用器材有：电源E(电动势为 p,保持电流I不变，读出电压表的示数U,计 15V,内阻不计)；电流表A(量程有0~ 算出对应的金属丝阻值。 0.6A和0一3A两挡，内阻不计)；滑动变阻 (3)根据测量数据绘制R-p关系图像， 器Rp(最大阻值为1002)；定值电阻R。(阻 如图7乙所示。 值为102)；开关S;磁传感器和测试仪；电磁 (4)如果玻璃管内压强为0.5个标准大 铁（线圈电阻为162）：导线若干。如图9所 气压，保持电流表示数为100mA,那么电压 示是实物图，图中电机和底座相固定，圆形铝 表指针应该在图7甲中指针位置的（填 盘和电机转轴相固定。 18 加理夜音真赞牵赞折中学生款理化 P tB/m'T aR万 ④ 测试仪 18.0 R 磁传感器 16. 电磁铁 14.0 图8 12. 请完成下列实验操作和计算。 10.0 (1)量程选择和电路连接。 ①由器材参数可得，电路中的最大电流 为A(结果保留2位有效数字)，为减小 6.0 测量误差，电流表的量程选择00.6A挡。 40 ②图9中已正确连接了部分电路，请在 0.1 0.2 0.30.4 0.5 0.6/A 虚线框中完成Rp、R。和A间的实物图连线。 图11 0.58A。 计时器 转轴 ②根据电路图，并考虑电流表A的量程 圆盘 选择，虚线框内实物图连线如图12所示。 底座 计时器 电源 专轴 圆盘 图9 机 (2)磁感应强度B和电流I关系测量 底座 ①将图8中的磁传感器置于电磁铁中 电源 心，滑动变阻器Rp的滑片P置于b端。滑 图12 片P置于b端的目的是使电路中的电流 (2)①当滑片P置于b端时，滑动变阻器 ,保护电路安全。 R。接入电路的电阻最大，电路中的电流最 ②将滑片P缓慢滑 到某一位置，闭合开关s,。叫 小，能够保护电路安全。 ②根据电流表的读数方法可得，电流表 0 0.6 此时电流表A的示数如 A的读数为0.48A。 图10所示，其读数为 图10 ④选择B-I图像中相距较远的两个点的 A。分别记录测试 数指计算其斜率长=。是 mT/A= 仪示数B和电流表示数I,断开开关S。 ③保持磁传感器位置不变，重复步骤②。 31mT/A。 ④如图11所示是根据部分实验数据描 答案：(1)①0.58②如图12所示 绘的B-I图像，其斜率为一mT/A(结果保 (2)①最小②0.48④31 留2位有效数字)。 评注：本题的涡流制动演示装置的实验 (3)制动时间t测量 原理是直流电路中电流的变化导致线圈中磁 利用如图9所示的装置测量制动时间t, 场变化，应用磁传感器和测试仪记录磁感应 结果表明B越大，t越小。 强度。重，点考查直流闭合电路的欧姆定律、 解析：(1)①电源内阻不计、电流表内阻 电表的读数、线路连接的注意事项，以及考生 不计，当滑动变阻器Rp连入电路的阻值为 应用数学方法处理物理问题的能力。 零时，电路中有最大电流I一R。十R E 例6(2024·江西卷)某小组欲设计 一种电热水器防触电装置，其原理是：当电热 19 中学生款理化架声意真舞贺析 管漏电时，利用自来水自身的电阻，可使漏电 保证出水量不变，选用内直径为8.0×10m 电流降至人体安全电流以下。为此，需先测 的水管。若人体的安全电流为1.0×103A, 量自来水的电阻率，再进行合理设计。 热水器出水温度最高为65℃，忽略其他电阻 (1)如图13所示，在绝缘长方体容器左 的影响（相当于将热水器220V的工作电压 右两侧安装可移动的薄金属板电极，将自来 直接加在水管两端)，则该水管的长度至少应 水倒入其中，测得水的截面宽d=0.07m和 设计为一m。(保留2位有效数字) 高h=0.03m。 解析：(2)直流电源电动势为3V,故电 电极板 压表量程应选择0一3V;电流表的内阻已 知，故采用电流表内接法可消除系统误差。 实物图连接如图15所示。 图13 (2)现有实验器材：电流表（量程为0 300uA,内阻RA=25002)、电压表（量程为 0~一3V或0~一15V,内阻未知)、直流电源（电 图15 动势为3V)、滑动变阻器、开关和导线。请 在图13中用笔画线代替导线完成实物图 4)根据电阻定律得R,=P六一品 ·l, 连接。 (3)连接好电路，测量26℃的水在不同 故k=品，即p=dh。电阻率越小更容易导 长度1时的阻值R。将水温升到65℃，重 电，根据Rl图像可知，65℃水对应的图像 复测量。绘出26℃和65℃水的R,l图像 乙斜率更小，电阻率更小，因此温度高的水更 分别如图14中甲、乙所示。 容易导电。 R/10'2) 14 (5)65℃水的电阻率p=kdh=8X10 0.7 0.07×0.032·m=242·m,当选用内直 径d。=8.0×103m的水管时，若人体的安 全电流I。=1.0×103A,则接人电压U= U 220V时，有尺=L,R=p l min ,解得 d. 出 0.1 020.30.40.50.60.7m lmim=0.46m。 答案：(2)如图15所示 (4)kdh 高 图14 (5)0.46 (4)若R,-l图像的斜率为k,则水的电阻 总之，数字化进教材、进课堂、入考题，促 率表达式p=(用k、d、h表示)。实验结 进数字化技术与高中物理实验的深度融合， 果表明，温度（填“高”或“低”）的水更容 将传统实验和数宇化实验相结合，能够加强 易导电。 同学们对理论知识的理解，从而有效提高同 (5)测出水的电阻率后，拟将一段塑料水 学们的实验能力。 管安装在热水器出水口作为防触电装置。为 (责任编辑 张巧) 20