夜雨聆风【题目】现有一由柔性力敏薄膜和均压板构成的压力传感器，为探究该传感器的电阻变化规律，并用其测量压力，实验小组进行了如下实验。可用器材有：待测压力传感器（以下简称“传感器”，空载阻值约600Ω）直流稳压电源E（输出电压6.00V）定值电阻 (阻值80.0Ω)滑动变阻器 (最大阻值约15Ω),滑动变阻器 (最大阻值约1000Ω)电流表（量程0-30mA，内阻10.0Ω）砝码（质量为10g、20g、50g、100g、200g各2个）开关，导线若干计算机。 如图1所示。
(1) 为探究传感器电阻随压力的变化规律，实验小组将传感器水平放置并连接实验器材，如图1所示。
① 滑动变阻器应选用_________（选填“”或“”）。将滑动变阻器滑片P置于右端，闭合开关，将开关拨至b端，调节滑片P使电流表满偏，此时两端的电压为_________V（结果保留3位有效数字）。
② 保持滑片P位置不变，将开关拨至a端、传感器上砝码质量从零开始每次增加20g，记录多组电流表读数I和对应的砝码质量m，并绘制I-m图像如图2所示。
③ 根据I-m图像，结合图1电路分析可得，当m=460g时，传感器的阻值为_________Ω（结果保留3位有效数字）。用相同的方法处理数据，得到传感器电阻和压力的关系。
(2) 实验小组利用该传感器设计了如图3所示的压力测量电路。测量压力时，计算机采集c、d间电压值，处理数据得到此时传感器的电阻值，再根据实验(1)得到的传感器电阻和压力的关系显示出压力值。若在某次测量中，c、d间电压为2.00V，此时传感器的电阻为_________Ω，计算机显示的压力值为_________N。（结果均保留3位有效数字，当地重力加速度大小为9.80m/s²）
【答案】(1)①，2.40；③93.8 (2)160，1.62
【解析】 (1)①实验原理要求压力传感器阻值变化不影响并联部分电路两端电压，即此段电压需恒定。因此，需要滑动变阻器接入电路的阻值远小于压力传感器的阻值，使并联部分的总电阻主要由滑动变阻器决定。传感器空载阻值约600Ω，因此应选择最大阻值较小的 （约15Ω）。 电流表满偏电流为30mA，此时两端的电压为 。 ③由图2可知，当m=460g时，电流I=26mA。此时，电流表与传感器串联，再与并联。根据电路结构，并联部分（与传感器支路）两端电压相等。由第①问可知，该电压恒定为 。 因此，传感器支路的总电阻为 。 传感器的阻值 。
(2)在图3的测量电路中，传感器与定值电阻串联。根据串联分压原理，传感器两端电压为 。 流过传感器的电流 。 此时传感器的电阻为 。 当R=160Ω时，对照图1电路，流过传感器的电流 。对比图2的I-m图像，此时对应的砝码质量约为165g，因此压力值 。
【试题情境】
本题以柔性力敏薄膜压力传感器的特性探究与应用为背景，创设了“学习探索+科技应用”类情境。情境素材来源于现代传感器技术，属于实验类命题。试题包含“探究规律”和“应用测量”两个部分，融合了电路设计、实验操作、图像数据分析和公式推导，考查全面，属于较复杂情境，突出应用性与综合性。
【必备知识】
本题考查必修3中II级考点：欧姆定律、串并联电路规律、滑动变阻器的分压与限流接法；以及实验能力：数据处理、图像分析。欧姆定律、串并联电路特点属于陈述性知识；设计实验电路、选择器材、根据图像提取数据并计算电阻属于程序性知识；将实际压力测量问题转化为电路与欧姆定律模型属于策略性知识。
【课标要求】
必修3：3.2.2、3.2.3观察并认识电阻、欧姆定律，能通过实验描绘伏安特性曲线。
必修3：3.1.6观察常见电容器，了解电容器的构造，会看电容器铭牌上的主要参数。（此处为类比，该题考查电阻传感器）
必修3：4.2.3 能分析带电粒子在匀强电场中的运动问题。（此处为类比，该题考查实验探究能力）
【素养等级】
(1)本题考查物理观念中的物质观念与相互作用观念，能在科技情境中理解传感器的工作原理，并应用欧姆定律、串并联电路规律分析电路，达到学业质量水平2要求。
(2)本题考查科学思维中的模型建构与科学推理，能根据实验目的设计电路，并能从I-m图像中提取关键信息进行推理计算，达到学业质量水平2要求。
【能力要求】 本题着重考查实验探究能力、信息加工能力、逻辑推理能力。
(1)实验探究能力：能根据实验原理选择合适的滑动变阻器，理解实验操作的步骤和目的，掌握控制变量法的思想。
(2)信息加工能力：能从题干和图像中提取“空载阻值约600Ω”、“满偏电流30mA”、“I-m图像交点”等关键信息，并将其转化为计算依据。
(3)逻辑推理能力：能根据“探究规律”的电路图，推理出并联部分电压恒定的条件，并据此计算传感器电阻；能根据“测量压力”的电路图，推断出传感器与电阻串联，进而计算电阻和压力。
【问题复杂性分析】
【试题难度】
【命题综述】
【基于高考评价体系的多维命题细目表】
【拓展延伸】
拓展1：第(1)问中，若将滑动变阻器换为 ，实验结果会如何？请分析。
解析：若选用 ，其最大阻值（1000Ω）远大于传感器空载阻值（600Ω）。当传感器阻值变化时，并联部分的总电阻会发生明显变化，导致并联部分两端的电压不再恒定。这会导致实验规律不准确，因为无法通过简单的计算得到传感器的真实电阻值。因此，必须选择 来保证“恒压”条件。
拓展2：请分析图1电路中，电流表内阻对实验结果的影响。若电流表内阻未知，应如何改进？
解析：该实验利用恒定电压 除以电流表读数得到传感器支路总电阻，再减去电流表内阻得到传感器电阻。因此，电流表内阻 是必须已知的。若电流表内阻未知，可以在实验前先用欧姆表测量其内阻，或者在设计电路时，将电流表外接，并采用其他方法计算传感器电阻。
拓展3：第(2)问中，测量电路（图3）与探究电路（图1）有何不同？为什么测量电路可以直接用c、d间电压计算压力？
解析：图1中，传感器与滑动变阻器并联，并通过电流表测量电流，目的是探究传感器电阻与压力的关系。图3中，传感器与定值电阻 串联，形成一个简单的分压电路。计算机通过测量c、d两端的电压（即 两端电压），根据串联分压原理，可以计算出传感器电阻。因为图1的探究实验已经得到了“传感器电阻-压力”的对应关系，所以测量电路（图3）只需测出电阻，就能通过该关系换算得到压力。