高二物理（人教版）教案 选择性必修二 第五章　传感器

第五章传感器第1、2节认识传感器常见传感器的工作原理及应用(强基课逐点理清物理观念)课标要求学习目标1.知道非电学量转换成电学量的技术意义。2.通过实验,了解常见传感器的工作原理。3.列举传感器在生产生活中的应用。1.知道力传感器、温度传感器、光传感器的应用。2.对传感器的应用实例理解分析。3.通过演示实验,探究电子秤、电熨斗、电饭锅、火灾报警器的工作原理。逐点清(一)认识传感器[多维度理解]1.传感器(1)传感器的定义:能够感受诸如力、温度、光、声、化学成分等被测量,并能把它们按照一定的规律转换为便于传送和处理的可用信号输出。通常转换成的可用信号是电压、电流等电学量,或转换为电路的通断。(2)把非电学量转换为电学量的意义:把非电学量转换为电学量,可以很方便地进行测量、传输、处理和控制。2.传感器的组成:传感器的基本部分一般由敏感元件、转换元件组成。3.传感器应用的一般模式[全方位练明]1.关于传感器,下列说法正确的是()A.所有传感器都是由半导体材料制成的B.金属材料也可以制成传感器C.传感器主要是通过感知电压的变化来传递信号的D.水银温度计是一种传感器解析:选B传感器材料分为半导体材料、陶瓷材料、金属材料和有机材料等,A错误,B正确;传感器是通过把非电学量转换成电学量来传递信号的,C错误;水银温度计不能向外输出信号,不是传感器,D错误。2.(多选)关于传感器的作用,下列说法正确的是()A.通常的传感器可以直接用来进行自动控制B.传感器可以用来采集信息C.传感器可以将感受到的一些信号转换为电学量D.传感器可以将感受到的所有信号都转换为电学量解析:选BC传感器一定是通过把非电学量转换成电学量来传递信号的,不能实现自动控制,故A错误;由于传感器可将非电学量转换成电学量,因此传感器也可以用来采集信息,故B正确;传感器可以将感受到的一些信号转换为电学量,但并不是将感受到的所有信号都转换为电学量,故C正确,D错误。3.某电容式话筒的原理示意图如图所示,E为电源,R为电阻,薄片P和Q为两金属极板。对着话筒说话时,P振动而Q可视为不动,在P向左运动的过程中()A.P、Q构成的电容器的电容增大B.P上电荷量保持不变C.M点的电势比N点的低D.M点的电势比N点的高解析:选D当P向左运动时,根据平行板电容器电容公式C=εrS4πkd知,d增加,则C变小,A错误;稳定后电容器两极板间的电压不变,则根据Q=CU知,C减小,U不变,则Q减少,B错误;电容器两极板的电荷量减少,产生放电电流,方向从M→N,因此M点的电势比N点的电势高,逐点清(二)常见传感器的工作原理及应用[多维度理解]1.光敏电阻(1)特点:光照越强,电阻越小。(2)原理:无光照时,载流子极少,导电性能差;随着光照的增强,载流子增多,导电性变好。(3)作用:把光照强弱这个光学量转换为电阻这个电学量。2.金属热电阻金属的电阻率随温度的升高而增大,用金属丝可以制作温度传感器,称为热电阻,如图所示为某金属导线电阻的温度特性曲线。3.热敏电阻热敏电阻由半导体材料制成,其电阻随温度的变化非常明显,如图所示为某一热敏电阻的电阻值随温度变化的特性曲线。4.电阻应变片(1)电阻应变片的工作原理①金属的电阻应变效应:金属导体在外力作用下发生机械形变(伸长或缩短)时,其电阻随着它所受机械形变的变化而发生变化。②半导体材料的压阻效应:当单晶半导体材料沿某一轴向受到外力作用时,其电阻率发生变化。(2)力传感器——电子秤①组成:由金属梁和电阻应变片组成。②工作原理③作用:力传感器将物体形变这个力学量转换为电压这个电学量。光敏电阻、金属热电阻和热敏电阻对比分析特性原因光敏电阻光照越强,电阻越小光照增强,载流子增多,电阻减小金属热电阻温度越高,电阻越大温度升高,金属电阻率增大,电阻增大热敏电阻负温度系数的热敏电阻温度越高,电阻越小温度升高,载流子增多,电阻减小正温度系数的热敏电阻温度越高,电阻越大温度升高,载流子减少,电阻增大[全方位练明]1.(多选)有定值电阻、热敏电阻、光敏电阻三只元件,将这三只元件分别接入如图所示电路中的A、B两点后,用黑纸包住元件或者把元件置入热水中,观察电阻表的示数,下列说法中正确的是()A.置入热水中与不置入热水中相比,电阻表示数变化较大的一定是热敏电阻B.置入热水中与不置入热水中相比,电阻表示数不变化的一定是定值电阻C.用黑纸包住与不用黑纸包住相比,电阻表示数变化较大的一定是光敏电阻D.用黑纸包住与不用黑纸包住相比,电阻表示数不变化的一定是定值电阻解析:选AC热敏电阻的阻值随温度的变化而变化,定值电阻和光敏电阻的阻值不随温度发生变化,故A正确,B错误;光敏电阻的阻值随光照强度的变化而变化,而定值电阻和热敏电阻的阻值不随光照强度的变化而变化,故C正确,D错误。2.(多选)下列关于电子秤中应变式力传感器的说法正确的是()A.应变片都是由半导体材料制成的B.当应变片拉伸时,其电阻变大;反之变小C.传感器输出的是应变片上的电压D.外力越大,输出的电压差值也越大解析:选BD常见的电阻应变片有金属电阻应变片和半导体电阻应变片,故A错误;当应变片拉伸时,其电阻变大,反之变小,故B正确;传感器输出的是上、下两应变片上电压的差值,并且随着外力的增大,输出的电压差值也增大,故C错误,D正确。3.(多选)如图所示,R1、R2为定值电阻,L为小灯泡,R3为光敏电阻,当入射光强度增大时()A.电压表的示数增大B.R2中电流减小C.小灯泡的功率增大D.电路的路端电压增大解析:选ABC当入射光强度增大时,R3阻值减小,外电路总电阻随R3的减小而减小,由闭合电路欧姆定律知,干路电流增大,R1两端电压增大,电压表的示数增大,同时电源内阻分压增大,故电路的路端电压减小,A正确,D错误;因电路的路端电压减小,且R1两端电压增大,故R2两端电压必减小,则R2中电流减小,B正确;因干路电流增大,且R2中电流减小,知流过小灯泡的电流必增大,故小灯泡的功率增大,C正确。逐点清(三)霍尔元件电容式传感器[多维度理解]1.霍尔元件及工作原理(1)霍尔元件如图所示,在一个很小的矩形半导体(如砷化铟)薄片上,制作四个电极E、F、M、N,它就成了一个霍尔元件。(2)工作原理外部磁场使运动的载流子受到洛伦兹力的作用,从而在导体板的一侧聚集,以致在导体板的另一侧会出现另一种电荷,从而形成电场;横向电场对载流子施加与洛伦兹力方向相反的静电力,当静电力与洛伦兹力达到平衡时,导体板左、右两侧会形成稳定的电压,设导体板左、右两侧的距离为l,导体板的厚度为d,则qUHl=qv根据电流的微观解释I=nqSv,得UH=IBnqd令k=1nq,因n为单位体积内载流子的个数,q为单个载流子的电荷量,它们均为常数,所以UH=kIBd。UH与B成正比2.常见电容式传感器名称示意图及原理分析测定角度θ的电容式传感器当动片与定片之间的角度θ发生变化时,引起极板正对面积S的变化,使电容C发生变化,知道电容C的变化情况,就可以知道角度θ的变化情况测定液面高度h的电容式传感器在导线芯的外面涂上一层绝缘物质,放入导电液体中,导线芯和导电液体构成电容器的两个极,导线芯外面的绝缘物质就是电介质,液面高度h发生变化时,引起正对面积变化,使电容C发生变化,知道电容C的变化情况,就可以知道液面高度h的变化情况测定压力F的电容式传感器待测压力F作用于可动膜片的电极上时,膜片发生形变,使极板间距离d发生变化,引起电容C的变化,知道电容C的变化情况,就可以知道压力F的变化情况测定位移x的电容式传感器随着电介质板进入极板间的长度发生变化,电容C发生变化,知道电容C的变化情况,就可以知道位移x的变化情况[典例]霍尔元件是实际生活中的重要元件之一,广泛应用于测量和自动化技术等领域。如图所示为一长度一定的霍尔元件,磁感应强度为B的匀强磁场垂直于霍尔元件的工作面向下,在元件中通入图示从E到F方向的电流I,元件中的载流子带负电,下列说法正确的是()A.该元件能把电学量转换为磁学量B.该元件C面的电势高于D面的C.如果用该元件测地球赤道处地磁场的磁感应强度,应保持工作面水平D.如果流过霍尔元件的电流大小不变,则元件C、D面的电势差与磁场的磁感应强度成正比[解析]霍尔元件是能够把磁学量转换为电学量的传感器,A错误;根据左手定则可知,带负电的载流子向C面偏转,C面带负电,D面带正电,所以D面的电势高,B错误;在测定地球赤道处的地磁场的磁感应强度时,应将元件的工作面保持竖直,让磁场垂直通过元件的工作面,C错误;载流子最终在静电力和洛伦兹力的作用下处于平衡状态,设霍尔元件的长、宽、高分别为a、b、d,则有qUb=qvB,电流的微观表达式为I=nqvS=nqvbd,所以U=BInqd,因n、q、d均为定值,如果流过霍尔元件的电流大小不变,则元件C、D面的电势差与磁场的磁感应强度成正比,[答案]D[全方位练明]1.(多选)传感器是智能设备的基础元件。如图为电容式位移传感器的示意图,观测电容C的变化即可知道物体位移x的变化,ΔCΔx表示该传感器的灵敏度。电容器极板和电介质板长度均为L,测量范围为-L2≤x≤L2。下列说法正确的是A.电容器的电容变大,物体向-x方向运动B.电容器的电容变大,物体向+x方向运动C.电介质的介电常数越大,传感器灵敏度越高D.电容器的板间电压越大,传感器灵敏度越高解析:选AC根据电容决定式C=εrS4πkd可知,电容器的电容变大,说明电容器极板间的电介质板长度增加,则物体沿-x方向运动,A正确,B错误;电介质的介电常数εr越大,电介质板移动相同的位移,电容的变化量ΔC越大,传感器灵敏度越高,C正确;电容器的板间电压变化,电容不发生变化2.(选自鲁科版教材课后练习)压敏电阻的阻值随所受压力的增大而减小,有位同学设计了利用压敏电阻判断升降机运动状态的装置,其工作原理如图所示。将压敏电阻固定在升降机底板上,其上放置一个物块,在升降机运动过程的某一段时间内,发现电流表的示数I不变,且I大于升降机静止时电流表的示数I0,在这段时间内()A.升降机可能匀速上升B.升降机一定匀减速上升C.升降机一定处于失重状态D.通过压敏电阻的电流一定比电梯静止时大解析:选CI>I0,说明R两端分压变大,电源内阻分压变小,总电流变小,总电阻变大,则压敏电阻的阻值变大了,其所受压力减小,物块所受支持力小于重力,处于失重状态,可能加速下降或减速上升,A、B错误,C正确;由于总电流变小,电流表示数变大,则通过压敏电阻的电流比电梯静止时小,D错误。[课时跟踪检测]A级——基础达标1.当你走近某些宾馆、酒楼的大门时,门就会自动为你打开;当你走进门之后,门又在你身后自动关上。你觉得这可能是将下列哪种外界信息转换为有用的信息()A.温度 B.运动C.人 D.光线解析:选D自动门的自动控制要求灵敏、可靠,若以温度控制,人的体温与夏季气温接近,则在夏季自动门将无法使用。自动门实际使用的是红外线传感器,人在白天或黑夜均发出红外线,传感器接收到人体发出的红外线后传给自动控制装置的电动机,实现自动开、关门,D正确。2.某楼梯口的电灯开关装有传感器,天黑时,出现声音才能发光,而白天即使有声音,电灯也不能发光,该开关中有两种传感器,它们可能是()A.热敏电阻和光敏电阻B.金属热电阻和光敏电阻C.热敏电阻和霍尔元件D.光敏电阻和驻极体话筒解析:选D两种传感器分别把声音信号转换为电信号、把光信号转换为电信号,D正确。3.(多选)如图为握力器原理示意图,握力器把手上的连杆与弹簧一起上下移动,握力的大小可通过一定的换算关系由电流表的示数获得。当人紧握握力器时,如果握力越大,下列判断正确的有()A.电路中电阻越大 B.电路中电阻越小C.电路中电流越小 D.电路中电流越大解析:选BD由题图可知,握力越大,滑动变阻器接入电路的电阻越小,外电路的总电阻越小,根据闭合电路欧姆定律可知,电路中电流越大,B、D正确,A、C错误。4.(2024·陕西咸阳期中)关于传感器及其应用,下列说法中正确的是()A.传感器都是利用敏感元件的电阻变化来工作的B.电脑所用的光电鼠标主要采用声传感器C.霍尔元件是把磁感应强度这个磁学量转换成电压这个电学量D.话筒是一种常用的声传感器,其作用是将电信号转换为声信号解析:选C传感器都是利用敏感元件将非电学量转化为电学量,但不一定是电阻变化,故A错误;电脑所用的光电鼠标主要采用光传感器,故B错误;霍尔元件是把磁感应强度这个磁学量转换成电压这个电学量,故C正确;话筒是一种常用的声传感器,其作用是将声信号转换为电信号,故D错误。5.(多选)如图所示是“电容式加速度传感器”原理图,电容器的一个金属极板固定在绝缘底座上,另一块极板用弹性金属片制成,当这种加速度传感器用在上下移动的升降机中时,通过测量电容C的变化就能感知升降机加速度的变化情况。设升降机加速度为零时电容器的电容为C0,下列说法正确的是()A.当升降机加速上升时,C>C0B.当升降机减速上升时,C>C0C.当升降机减速下降时,C<C0D.当升降机加速下降时,C<C0解析:选AD升降机加速度向上时,弹性金属片向下弯曲,升降机加速度向下时,弹性金属片向上弯曲;根据C=εrS4πkd知,弹性金属片向下弯曲,d减小,电容变大;弹性金属片向上弯曲,d增大,电容变小。当升降机加速上升或减速下降时,加速度向上,电容变大,即C>C0,A正确,C错误;当升降机减速上升或加速下降时,加速度向下,电容变小,即C<C0,6.传感器广泛应用在我们的生产生活中,常用的计算机键盘就是一种传感器。如图所示,键盘上每一个键的下面都连有一小金属片,与该金属片隔有一定空气间隙的是另一小的固定金属片,这两个金属片组成一个小电容器,当键被按下时,此小电容器的电容发生变化,与之相连的电子线路就能够检测出哪个键被按下,从而给出相应的信号。这种计算机键盘使用的是()A.温度传感器 B.压力传感器C.磁传感器 D.光传感器解析:选B由题意可知,电容器通过受压后变形从而将压力信号转换为电信号,所以计算机键盘使用的是压力传感器,B正确,A、C、D错误。7.(2024·新疆乌鲁木齐期中)在电喷汽车的进气管道中,广泛地使用着一种叫“电热丝式空气流量传感器”的部件,其核心部分是一种用特殊的合金材料制作的电热丝。如图所示,当进气管道中的冷空气流速越大时,电阻R两端的电压U0就变得越高,反之,电压U0就越低。这样管道内空气的流量就转变成了可以测量的电压信号,便于汽车内的电脑系统实现自动控制。如果将这种电热丝从汽车的进气管道中取出,放在实验室中测量,得到的伏安特性曲线正确的是()解析:选D当进气管道中的冷空气流速越大时,电阻R两端的电压U0就变得越高,根据电路图可知,温度越低,这种电热丝的电阻越小;温度越高,这种电热丝的电阻越大;根据欧姆定律可得R=UI,则有I=1RU,可知I-U图像上的点与原点连线的斜率表示电阻的倒数,随着U、I的增大,温度升高,电热丝的电阻增大,则I-U图像上的点与原点连线的斜率减小。故选B级——综合应用8.(2024·河北石家庄期末)(多选)电容式加速度传感器是常见的手机感应装置,结构如图所示。质量块的上端连接轻质弹簧,下端连接电介质,弹簧与电容器固定在外框上,质量块带动电介质移动改变电容,则下列说法正确的是()A.电介质插入极板越深,电容器电容越大B.当传感器处于静止状态时,电容器不带电C.当传感器由静止突然向前加速时,会有电流由a流向bD.当传感器以恒定加速度向前运动,达到稳定后电流表指针不偏转解析:选AD电介质插入极板越深,根据电容的决定式C=εrS4πkd可知,εr越大,电容器电容越大,A正确;当传感器处于静止状态时,电容器左极板带正电,右极板带负电,且两极板之间电势差大小恒等于电源电动势,B错误;当传感器由静止突然向前加速时,弹簧会伸长,电介质插入极板深度增加,根据电容的决定式C=εrS4πkd可知,电容器电容增大,因电容器两端的电压不变,根据Q=CU可知,两极板间的电荷量增大,会有电流由b流向a,C错误;当传感器以恒定加速度向前运动,达到稳定后弹簧长度不变,电介质插入极板深度不变,9.(多选)如今智能手机中普遍安装了陀螺仪,它是一种加速度传感器,可集成于手机内部,用来检测手机的姿态。其工作原理如图所示,当手机运动状态改变时,固连在手机上的A部分随手机一起运动,质量块B通过弹性物体连接手机,由于惯性,运动状态不会随手机立刻发生变化,出现运动滞后,这样电容器电容值就发生了变化,变化的电容值会通过电信号传输给处理单元,就可测量手机的姿态,铺三层这种结构,就可以测出手机的前后、左右、上下以及旋转的加速度,这样就可以360°无死角检测手机运动。以下说法中正确的是()A.在外太空完全失重的情况下,这种传感器仍然可以使用B.可以测量出任意情况下手机相对地面的速度C.这种探测器可以测量地磁场强度,进而进行卫星定位D.改变电容值是通过改变正对面积和板间距d来实现的解析:选AD这种传感器的使用原理是惯性,跟重力无关,所以在外太空完全失重的情况下,这种传感器仍然可以使用,故A正确;这种探测器可以测出手机的前后、左右、上下以及旋转的加速度,不可以测量出任意情况下手机相对地面的速度,也不可以测量地磁场强度,进行卫星定位,故B、C错误;由题图可知,手机上的A部分与质量块B发生相对移动时,电容器的正对面积和板间距d发生变化,所以改变电容值是通过改变正对面积和板间距d来实现的,故D正确。10.(2024·广东广州期中)物理学中用照度描述光的强弱,光越强照度越大,照度的单位为lx。某实验室采用光敏电阻制作光控开关来控制照明系统,使照度小时照明系统可以自动启动,光敏电阻在不同照度下的阻值如下表。控制电路原理如图甲所示,电路中的电阻R1和R2,其中一个是定值电阻,另一个是光敏电阻。已知直流电源电动势E=3V、内阻不计,实验室某日的光照强度随时间变化曲线如图乙,当控制开关两端电压U≥2V时,控制开关自动启动照明系统。则下列说法正确的是()照度/lx0.20.40.60.81.01.2电阻/kΩ754024201815A.R1为定值电阻,R2为光敏电阻B.照度越大,该电路控制开关两端的电压越大C.若将定值电阻的阻值变为20kΩ,该天18:00后照明系统即可工作D.该电路中定值电阻的阻值越大,该天的照明系统工作的时间越长解析:选C当控制开关两端电压U≥2V时,控制开关自动启动照明系统,可知照度小时,控制开关两端电压大,根据表格数据可知,照度小时,光敏电阻阻值大,则R1为光敏电阻,R2为定值电阻;照度越大,光敏电阻R1的阻值越小,该电路控制开关两端的电压越小,故A、B错误;若将定值电阻的阻值变为20kΩ,则控制开关自动启动时光敏电阻的阻值为40kΩ,此时对应照度为0.4lx,根据题图乙可知,该天照明系统工作时间段为0~6:00、18:00~24:00,故C正确;该电路中定值电阻的阻值越大,控制开关自动启动时光敏电阻的阻值越大,此时对应照度越小,该天的照明系统工作的时间越短,故D错误。11.(2024·江西宜春期中)按照新国标的规定,电动自行车总重量(含电池)不得超过55公斤。某地交警在部分路口设置了称重点,对过往的可疑车辆进行称重,一款电子秤的工作原理如图所示。电子秤空载时变阻器滑片P位于A点,电子秤满载时滑片P位于B点,电压表为理想电压表,弹簧始终处于弹性限度内,下列说法正确的是()A.电动自行车的质量越大,电压表的示数越小B.若称量值比实际值偏大,可将R0的滑片向右滑动少许C.将一电阻与电压表串联,称量值会变小D.电子秤的电池长时间使用后,内阻增大,称量值会偏大解析:选B电动自行车的质量越大,则滑片P的位置越偏向下,则电压表的示数越大,A错误;若称量值比实际值偏大,说明电压表读数偏大,电路中电流偏大,可将R0的滑片向右滑动少许,从而减小电流,B正确;将一电阻与电压表串联,电压表读数不变,则称量值不变,C错误;电子秤的电池长时间使用后,内阻增大,则回路电流会减小,则电压表读数减小,则称量值会偏小,D错误。12.(2024·北京昌平期末)利用热敏电阻作为感温元件可以制作简易温度计,电路图如图甲所示。用热敏电阻RT作为测温探头,把电流表的电流刻度改为相应的温度刻度,可以直接读出温度值。已知电源电动势E为6.0V、内阻不计;电流表量程为300mA、内阻为10Ω;保护电阻R0为5Ω;热敏电阻RT的阻值随温度t变化的关系如图乙所示。下列说法正确的是()A.电流表示数越大,对应温度越低B.该温度计测量的最高温度为50℃C.电流表零刻度线处对应温度为0℃D.该温度计表盘上温度的刻度是均匀的解析:选B由闭合回路欧姆定律有I=ERT+R0+r,可知电流表示数越大,RT越小,由题图乙可知,RT越小,对应温度越高,故A错误;根据以上分析可知,当电流表满偏时,RT最小,此时温度最高,则有RTmin=EIm-R0+r=5Ω,由题图乙可知,此时的温度为50℃,故B正确;由题图乙可知,当温度为0℃时,RT1=28Ω,此时电流表的示数为I1=ERT1+R0+r≈0.14A,故C错误;由上述分析可知,第3节利用传感器制作简单的自动控制装置(实验课基于经典科学探究)实验(一)门窗防盗报警装置1.实验目的(1)了解门窗防盗报警装置的工作原理。(2)了解干簧管和继电器的特点及在装置中的作用。2.实验器材和装置干簧管SA、继电器、发光二极管LED、电阻R(330Ω)、蜂鸣器H、电源(干电池6V)、小磁体M、开关。装置电路图如图所示。3.电路工作原理闭合电路开关S,系统处于防盗状态。当门窗紧闭时,磁体M靠近干簧管SA,干簧管两个簧片被磁化相吸而接通继电器线圈K,使继电器工作。继电器的动触点c与常开触点a接触,发光二极管LED发光,显示电路处于正常工作状态。当门窗开启时,磁体离开干簧管,干簧管失磁断开,继电器被断电。继电器的动触点c与常闭触点b接通,蜂鸣器H发声报警。干簧管在电路中起传感器和控制开关的作用,继电器则相当于一个自动的双向开关。4.实验操作(1)连接电路前,要先判断一下干簧管是否可以正常工作。用磁体直接靠近干簧管,观察簧片能否正常工作。(2)确定各元件可以正常工作后,按照上图所示连接电路。(3)接通电源后,将磁体靠近和离开干簧管,分别观察实验现象。实验(二)光控开关1.实验目的(1)了解光控开关的工作原理。(2)练习利用光控开关制作自动控制设备。2.实验器材和装置可调电阻R1(最大电阻为51kΩ)、限流电阻R2(330Ω)、光敏电阻RG、三极管VT、发光二极管LED、继电器、小灯泡L(6V,0.3A)、二极管D、电源等。3.电路工作原理(1)光控开关①电路图②工作原理当光照较强时,RG较小,加在基极上电压较小,三极管不导通,发光二极管LED不亮;当光线较弱时,RG阻值增大,加在基极上电压增大,当达到一定程度后,三极管被导通,发光二极管LED开始发光。(2)光控开关控制电路①电路图②工作原理当环境光比较强时,光敏电阻RG的阻值很小,三极管不导通,继电器所在的回路相当于断路,继电器处于常开状态,小灯泡L不亮;当环境光比较弱时,光敏电阻RG阻值较大,三极管导通,集电极电流较大,驱动继电器吸合开关S,点亮灯泡L。(注:与继电器并联的二极管D,提供自感电流释放通路,以保护三极管不被烧坏。)4.实验操作(1)按照实验电路图连接电路,检查无误后,接通电源。(2)让光敏电阻RG受到白天较强的自然光照射,调节电阻R1使发光二极管LED或小灯泡L刚好不发光。(3)遮挡RG,当光照减弱到某种程度时,就会看到发光二极管LED或小灯泡L发光。(4)让光照加强,当光照增强到某种程度时,则发光二极管LED或小灯泡L熄灭。5.注意事项(1)安装前,对器材进行测试,确保各元件性能良好后,再进行安装。(2)光控开关实验中,二极管连入电路的极性不能反接,否则将烧坏门电路集成块。(3)光控开关实验中,要想天更暗时灯才会亮,应该把R1的阻值调大些。考法(一)热敏电阻的应用[例1](2024·河北石家庄期中)已知热敏电阻的阻值随温度的升高而减小。某同学利用图甲的电路测量其阻值随温度变化的关系,其中电压表的量程为0~3V、内阻为1200Ω,电流表的量程为0~6.0mA、内阻未知。(1)实验中需要利用电压表和定值电阻串联,使量程扩大为5V。现有两个定值电阻R1=600Ω、R2=800Ω,为达到上述要求,定值电阻应选择(选填“R1”或“R2”);

(2)要求热敏电阻两端的电压从零开始调节,则甲图中的A、B之间(选填“应该”或“不应该”)用导线相连;

(3)利用该热敏电阻制作高温温控报警器,其电路的一部分如图乙,M、N其中一处连接热敏电阻,另外一处连接电阻箱,当输出电压增大到某一数值,便触发报警器(图中未画出)报警,则(选填“M”或“N”)处连接热敏电阻。为了提高报警器的灵敏度,即要把报警温度调低,电阻箱的阻值应调(选填“大”或“小”)。

[解析](1)电压表的量程为0~3V,内阻为1200Ω,可知电压表的最大电流为Imax=31200A使量程扩大为5V,则需要串联的电阻的阻值为R=2Imax=21400Ω=800(2)要求热敏电阻两端的电压从零开始调节,可知滑动变阻器应用分压式接法,因此题图甲中的A、B之间应该用导线相连。(3)当温度升高时,热敏电阻的阻值减小,则电路中的电流增大,电阻箱两端的电压增大,若使报警器能正常工作,M处应连接热敏电阻,N处应连接电阻箱。为了提高报警器的灵敏度,即要把报警温度调低,则对应的热敏电阻的阻值增大,同时热敏电阻、电阻箱两端的电压不变,由闭合电路欧姆定律可知,电阻箱的阻值应调大。[答案](1)R2(2)应该(3)M大考法(二)光敏电阻的应用[例2](2024·重庆九龙坡期中)(1)一光敏电阻(图乙中RL)的阻值随照度变化的图像如图甲所示,由图像可知,该光敏电阻的阻值随照度的增加做(选填“线性”或“非线性”)变化。

(2)王同学利用该光敏电阻设计了图乙所示光控电路控制三盏路灯,图中交流电源电压为220V,三盏路灯规格相同,均为“110V,110W”。他进行了如下操作:①闭合干路开关,将单刀双掷开关置于b处,将R2调至1200Ω。②滑动R1的滑片,使三盏路灯正常发光。③将单刀双掷开关置于a处。则当照度低到1.0lx(lx为照度的单位,读作“勒克斯”)时,路灯会正常发光。若有“50Ω,5A”及“5kΩ,1A”两个滑动变阻器可供选择,则图乙中R1应选择规格。安装该电路时,光敏电阻RL应(选填“远离”或“靠近”)路灯。

(3)图乙光控电路的缺点较多,从节能和实际操作的角度分析均有不足,通过你的观察,请指出一种不足:(写出一条即可)。

[解析](1)由题图甲可知,该光敏电阻的阻值随照度的增加而非均匀减小,即做非线性变化。(2)路灯正常发光时,流经路灯的电流为I=PU=110110A则电路正常工作时干路电流大于3A,又因为电路正常工作时R1两端电压为110V,则R1的接入电阻R1<110V3A≈37Ω,故选“50Ω,若光敏电阻靠近路灯,容易受到路灯灯光的影响,导致照度增大而使路灯停止工作,停止工作后照度减小,路灯又开始工作,使得路灯时亮时暗,不能达到使用要求。所以安装该电路时,光敏电阻RL应远离路灯。(3)如果干路开关常闭合,则白天黑夜均消耗电能;如果利用人工在白天断开干路开关,又无法真正实现自动控制。[答案](1)非线性(2)“50Ω,5A”远离(3)见解析考法(三)压力传感器的应用[例3](2024·湖北武汉期末)图2为一个自动筛选鸡蛋重量的装置,可以筛选出两类重量不同的鸡蛋。当不同重量的鸡蛋传送到压力秤上时,压力秤作用在压力传感器R1上,其电阻值随压力秤所受压力的变化图像如图1所示。R2是可调节电阻,其两端电压经放大电路放大后可以控制电磁铁是否吸动衔铁并保持一段时间。当电压超过某一数值时,电磁铁可以吸动衔铁使弹簧下压,鸡蛋就进入B通道。已知电源电动势E=12V、内阻不计,R2调节为10Ω。(1)由图1可知,压力传感器的电阻值R1随压力的增大而(填“增大”或“减小”)。

(2)从B通道通过的是鸡蛋(填“重”或“轻”)。

(3)若R2两端的电压超过6V时,电磁铁可以吸动衔铁向下,则选择的重鸡蛋对压力秤的压力要大于N。(保留两位有效数字)

(4)要想选择出更重的鸡蛋,需要把电阻R2的阻值调(填“大”或“小”)。

[解析](1)由题图1可知,F越大,R1越小,即压力传感器的电阻值R1随压力的增大而减小。(2)当鸡蛋质量较大时,压力秤作用于R1的压力F较大,则R1较小,通过R2的电流较大,故R2两端电压较大,经过放大电路放大后电压超过某一数值时,电磁铁可以吸动衔铁使弹簧下压,鸡蛋就进入B通道。所以从B通道通过的是重鸡蛋。(3)根据闭合电路欧姆定律,有E=U(R1+R2)R2由题图1,当R1=10Ω时,F≈0.43N,所以选择的重鸡蛋对压力秤的压力要大于0.43N。(4)要选出更重的鸡蛋,即相同的鸡蛋送到压力秤上时,R2两端的电压较原来的小,所以需要把R2的阻值调小。[答案](1)减小(2)重(3)0.43(4)小1.如图所示是一位同学设计的防盗门报警器的简化电路示意图。门打开时,红外光敏电阻R3受到红外线照射,电阻减小;门关闭时会遮蔽红外线源(红外线源没有画出)。经实际试验,可知灯的亮灭情况能反映门的开关状态。门打开时两灯的发光情况及R2两端电压UR2与门关闭时相比的变化情况为()A.红灯亮,UR2变大 B.绿灯亮,UR2变大C.绿灯亮,UR2变小 D.红灯亮,UR2变小解析:选D当门打开时,R3受红外线照射,电阻减小,则电路中总电阻减小,总电流I增大,R2两端电压UR2=E-I(R1+r)减小,R2中电流IR2=UR2R2减小,所以R3中电流IR3=I-IR2增大,电磁继电器产生的磁场增强,把衔铁吸下,2.(多选)如图所示是某小区门口利用光敏电阻设计的行人监控装置,R1为光敏电阻,R2为定值电阻,A、B接监控装置。则下列说法正确的是()A.当有人通过而遮住光线时,A、B之间电压变大B.当有人通过而遮住光线时,A、B之间电压减小C.当仅增大R2的阻值时,可增大A、B之间的电压D.当仅减小R2的阻值时,可增大A、B之间的电压解析:选BCR1是光敏电阻,当有人通过而遮住光线时,R1的阻值变大,回路中的电流I减小,A、B间的电压U=IR2减小,故A错误,B正确;由闭合电路欧姆定律,得U=E-I(R1+r),当仅增大R2的阻值时,电路中的电流减小,A、B间的电压U增大,故C正确;当仅减小R2的阻值时,电路中的电流增大,A、B间的电压U减小,故D错误。3.(2024·河南驻马店期末)某学校高二物理兴趣小组用交流电源、干电池、电磁继电器、热敏电阻、滑动变阻器、开关、导线等元件设计了一个自动开关暖风机,其电路原理图如图所示。设计要求是:一旦温度低于某一预定温度t0时,暖风机就开始工作。图中元件名称标注还不完整。请完成以下问题:(1)图中的“甲”应该接入的元件是。

A.阻值随温度升高而增大的热敏电阻B.阻值随温度升高而减小的热敏电阻C.阻值不随温度变化而变化的定值电阻(2)正确选取元件和正确连接电路之后,该组同学在调试过程中,发现暖风机开始工作时的温度比t0偏低了一点。要使温度达到t0时暖风机能够开始工作,则需要将滑动变阻器的滑片向(选填“左”或“右”)适当地移动一点。

(3)已知旧干电池与新干电池相比,电动势基本相同,而内阻却大得多。如果长时间没有更换电池,表面上暖风机仍然能正常工作,但暖风机开始工作的温度将t0(选填“高于”或“低于”)。

解析:(1)根据题意要求,一旦温度低于某一预定温度t0时,暖风机能够开始工作,即温度较低时,热敏电阻阻值较小,控制电路电流较大,电磁铁磁性较强,将衔铁吸下,暖风机开始工作,则题图中的“甲”应该接入的元件是阻值随温度升高而增大的热敏电阻。故选A。(2)发现暖风机开始工作时的温度比t0偏低了一点,此时热敏电阻阻值更低,则需将滑动变阻器的阻值调低,即需要将滑动变阻器的滑片向右适当地移动一点。(3)如果长时间没有更换电池,电池内阻变大,则控制电路要达到需要的电流,热敏电阻的阻值要求更低,即暖风机开始工作的温度将低于t0。答案:(1)A(2)右(3)低于4.(2024·山东东营期末)小明利用热敏电阻设计了一个“过热自动报警电路”,如图甲所示(虚线框内的连接没有画出)。将热敏电阻R安装在需要探测温度的地方,当环境温度正常时,继电器的上触点接触、下触点分离,指示灯亮;当环境温度超过某一值时,继电器的下触点接触、上触点分离,警铃响。图甲中继电器的供电电源E1=5V、内阻不计,继电器线圈用漆包线绕成,其电阻R0=30Ω。当线圈中的电流大于等于50mA时,继电器的衔铁将被吸合,警铃响。图乙是热敏电阻的阻值随温度变化的图像。(1)由图乙可知,当环境温度为80℃时,热敏电阻阻值为Ω;

(2)由图乙可知,当环境温度升高时,热敏电阻阻值将(选填“增大”“减小”或“不变”),继电器的磁性将(选填“增强”“减弱”或“不变”);

(3)图甲中指示灯的接线柱D应与接线柱相连(选填“A”或“B”);

(4)当环境温度大于等于℃时,警铃报警。

解析:(1)由题图乙可知,当环境温度为80℃时,热敏电阻阻值为30Ω。(2)由题图乙可知,当环境温度升高时,热敏电阻阻值将减小。热敏电阻阻值减小,则流过继电器的电流增大,磁性增强。(3)由于继电器的上触点接触、下触点分离时,指示灯亮,所以题图甲中指示灯的接线柱D应与接线柱A相连。(4)当线圈中的电流大于等于50mA时,继电器的衔铁将被吸合,警铃响,根据闭合电路欧姆定律得E1=I(R0+R),解得R=70Ω,由题图乙知,此时温度为40℃,则环境温度大于等于40℃时,警铃报警。答案:(1)30(2)减小增强(3)A(4)405.(2024·山东德州期中)为节能减排,保护环境,公共场所使用声、光控照明系统,声、光控开关需要同时满足光线较暗、有活动声音时才接通电路的工作要求,其示意图如图甲所示。

(1)声控开关和光控开关的连接方式为(选填“串联”或“并联”)。

(2)其中光控开关内部示意图如图乙所示,光敏电阻的阻值随照度(照度可以反映光的强弱,光越强,照度越大,单位为lx)的变化关系如图丙所示,由图丙可知随着照度的减弱,光敏电阻的阻值(选填“增大”或“减小”)。

(3)已知光控开关中的电源电动势为3.0V、内阻不计,电阻箱的阻值调为8Ω,电磁开关的电阻为2Ω。设计要求当流过电磁开关的电流小于0.06A,即照度低于lx时(保留一位小数),光控开关接通。

(4)为了节约用电,需要在更弱照度时,光控开关才接通,应该把电阻箱的阻值调(选填“大”或“小”)。

解析:(1)根据题意可知,声、光控开关需要同时满足光线较暗、有活动声音时才接通电路的工作要求,则声控开关和光控开关的连接方式为串联。(2)由题图丙可知,随着照度的减弱,光敏电阻的阻值增大。(3)根据题意,由闭合回路欧姆定律有I=ER+R光+R开,解得R光=40Ω,结合题图丙可知,照度低于0(4)为了节约用电,需要在更弱照度时,即光敏电阻更大时,光控开关才接通,则应该把电阻箱的阻值调小。答案:(1)串联(2)增大(3)0.4(4)小[阶段质量检测](第四、五章)一、单项选择题(本题共8小题,每小题3分,共24分。每小题只有一个选项符合题目要求)1.下列关于电磁波的说法正确的是()A.电磁波无法在真空中传播B.赫兹通过一系列实验,证实了麦克斯韦的电磁场理论C.只要有电场和磁场,就能产生电磁波D.电磁波可以携带信息,但是不具有能量解析:选B电磁波传播不需要介质,所以可以在真空中传播,故A错误;赫兹通过一系列实验,证实了麦克斯韦的电磁场理论,故B正确;周期性变化的电场和磁场才能产生电磁波,故C错误;电磁波可以携带信息,同时具有能量,故D错误。2.电磁波包含了γ射线、红外线、紫外线、无线电波、X射线等,下列按频率由高到低排列顺序正确的是()A.无线电波、红外线、紫外线、X射线、γ射线B.γ射线、X射线、紫外线、红外线、无线电波C.γ射线、X射线、红外线、紫外线、无线电波D.X射线、γ射线、紫外线、无线电波、红外线解析:选B由电磁波谱可知,按频率由高到低排列顺序为:γ射线、X射线、紫外线、红外线、无线电波,故选B。3.下列关于几种传感器的说法正确的是()A.电子秤所使用的测力器件是力传感器B.光敏电阻在光照射下其电阻会显著变大C.话筒是一种常用的声传感器,其作用是将电信号转换为声信号D.当半导体热敏电阻所在位置温度升高时,热敏电阻阻值明显增大解析:选A电子秤所使用的测力装置是力传感器,A正确;光敏电阻在光照射下其电阻会显著变小,B错误;话筒是一种常用的声传感器,其作用是将声信号转换为电信号,C错误;半导体热敏电阻常用作温度传感器,因为温度越高,它的电阻值越小,D错误。4.蓝牙是一种使用2.4GHz频段的无线电波支持设备短距离通信的技术,能在手机、无线耳机、智能手环、打印机等众多设备之间进行信息交换,则()A.这个频段的电磁波比γ射线能量更高B.这个频段的电磁波比紫外线的波长要短C.蓝牙信号“穿墙”时,在墙壁中的传播速率大于3×108m/sD.智能手机中集成的蓝牙模块有发射和接收电磁波的功能解析:选D这个频段的电磁波的频率小于γ射线的频率,则这个频段的电磁波比γ射线能量更低,故A错误;这个频段的电磁波比紫外线的波长要长,故B错误;蓝牙信号“穿墙”时,在墙壁中的传播速率小于3×108m/s,故C错误;智能手机中集成的蓝牙模块有发射和接收电磁波的功能,故D正确。5.我国北斗导航系统的电磁波频率约1561MHz,家用WiFi的电磁波频率约5725MHz。则()A.这两种电磁波不会产生偏振现象B.北斗导航系统的电磁波更容易产生明显的衍射现象C.家用WiFi的电磁波穿墙壁进入另一个房间时频率会减小D.家用WiFi与北斗导航系统的电磁波叠加时将会产生干涉现象解析:选B电磁波是横波,可以产生偏振现象,这两种电磁波都会产生偏振现象,故A错误;北斗导航系统的电磁波频率约为1561MHz,家用WiFi所使用的电磁波频率约5725MHz,根据c=λf可知,北斗导航系统的波长更长,故北斗导航系统的电磁波更容易产生明显的衍射现象,故B正确;电磁波频率由波源决定,从一个房间穿越墙壁进入另一个房间时其频率不变,故C错误;家用WiFi所使用的电磁波与北斗导航系统所使用的电磁波频率不同,不会产生干涉现象,故D错误。6.如图所示的电路中,线圈L的电阻不计。开关S先闭合,等电路稳定后再断开开关S,从此时开始计时,t=0.02s时,电容器下极板带正电,且电荷量第一次达到最大值。下列说法正确的是()A.t=0.07s时,回路中电流最大B.t=0.04s时,线圈L的磁场能最大C.t=0.08s时,线圈L的感应电动势最大D.t=0.03s时,电容器的上极板带正电解析:选BLC回路中,在一个周期内,电容器充电两次,放电两次,线圈L及导线电阻均不计,先闭合开关S稳定后,线圈L两端没有电压,电容器不带电,线圈L具有磁场能。在t=0时刻,断开开关S,线圈产生自感电动势,对电容器充电,使下极板带正电;t=0.02s时,电容器下极板带正电,且电荷量第一次达到最大值,则LC回路的振荡周期为T=0.08s。t=0.07s=78T时,电容器正在放电,且未放电结束,回路中电流没有达到最大,故A错误;t=0.04s=T2时,电容器放电结束,线圈L的磁场能最大,故B正确;t=0.08s=T时,电容器放电结束,线圈L的感应电动势最小,故C错误;t=0.03s=38T时,电容器正在放电,电容器的上极板带负电,7.在图(a)的LC振荡演示电路中,开关先拨到位置“1”,电容器充满电后,在t=0时刻开关拨到位置“2”。若电流从传感器的“+”极流入,电流显示为正,图(b)为振荡电流随时间变化的图线,则下面有关说法正确的是()A.若电阻R减小,电流变化如图(c)中实线B.若电阻R减小,电流变化如图(c)中虚线C.在图(b)中A点时刻电容器上极板带正电D.电容器内有感应磁场解析:选D若电阻R减小,电流值应该比对应时刻原来的电流值大,故A错误;若电阻R减小,振荡周期不变,故B错误;在题图(b)中A点时刻,磁场能正在向电场能转化,且方向为正,则电容器上极板带负电,故C错误;电容器内电场不断变化,有感应磁场,故D正确。8.某同学自制了一台电子秤,原理示意图如图所示。用理想电压表的示数指示物体的质量,托盘与电阻可忽略的金属弹簧相连,托盘与弹簧的质量均不计,滑动变阻器R的滑动端与弹簧上端连接。当托盘中没有放物体时,滑片恰好指在滑动变阻器的最上端,此时调整电压表示数等于0。设滑动变阻器总电阻为R、长度为L,电源电动势为E、内阻为r,限流电阻阻值为R0,弹簧劲度系数为k,重力加速度为g,不计一切摩擦和其他阻力。则电压表示数U与所称物体质量m的关系式正确的是()A.U=mgERB.U=mgEC.U=mgERD.U=mgE解析:选C由闭合电路的欧姆定律可得I=Er+Rx+R0,由电阻定律R=ρLS,可知当弹簧形变量增加x时,滑动变阻器接入电路的阻值为Rx=ρxS=xLR,由受力分析知kx=mg,又有U=IR二、多项选择题(本题共4小题,每小题4分,共16分。在每小题给出的四个选项中,有多项符合题目要求。全部选对的得4分,选对但不全的得2分,有选错的得0分)9.在运行的火车车厢里,你若打开收音机是不能听清声音的,你若打移动电话是丝毫不受影响的。收音机、手机都是靠无线电传递信号的,所不同的是,收音机利用的无线电信号频率低,手机利用的无线电信号频率高,下列说法正确的是()A.低频无线电信号传播的速度小,追不上火车B.低频无线电信号传播的速度大,已经超过了火车C.高频无线电信号衍射能力差,穿透能力强,可以进入火车车厢D.低频无线电信号衍射能力强,穿透能力弱,不能进入火车车厢解析:选CD无线电信号在空气中的传播速度约等于光速,它的频率越低,则波长越长,穿透能力越弱,衍射能力越强,C、D正确。10.某人设计了如图所示的装置,用来检测车辆是否超载。车辆底座上装有电容器,电容器承受的压力随车辆重力的增大而增大,且电容器两极板之间的距离随压力的增大而减小。电容器接在如图甲所示的电路上,将开关从a拨到b时,构成LC振荡电路而向外辐射电磁波,再使用调谐电路来接收图甲振荡电路辐射的电磁波,这样就可通过测量乙中接收到的频率而获知甲中的发射频率,以确定电容器的电容C的值(L值已知),从而测量车辆重力。下列分析判断正确的是()A.当装置中的电源使用很久,电动势减小时,频率的测量值偏小B.当装置中的电源使用很久,电动势减小时,频率的测量值不变C.车辆重力增大时,LC振荡电路中电流的振荡频率变小D.车辆重力增大时,LC振荡电路中电流的振荡频率变大解析:选BC根据LC振荡电路的振荡频率公式f=12πLC,L和C与电动势无关,可知电动势减小时,对频率的测量值没有影响,故A错误,B正确;车辆重力增大时,电容器两极板之间的距离减小,根据电容的决定式C=εrS4πkd可知,此时电容增大,故LC11.某同学设计的散热排风控制电路如图所示,M为排风扇,R0是半导体热敏电阻,其阻值随温度升高而减小,R是可变电阻。控制电路具有下列特性:当电压表示数小于某一数值U时,控制开关处于断路状态;当电压表示数大于U时,控制开关接通电路,M开始运转。电路两端的电压U0恒定,下列说法中正确的是()A.环境温度升高时,电压表示数变大B.可变电阻R阻值调大时,电压表示数变大C.可变电阻R阻值调大时,排风扇开始工作的临界温度降低D.若用金属热电阻代替半导体热敏电阻,电路仍能正常工作解析:选ABC当环境温度升高时,半导体热敏电阻R0阻值减小,则电路中的电流增大,则可变电阻R两端的电压增大,电压表示数变大,故A正确;可变电阻R阻值调大时,可变电阻R的分压变大,则电压表示数变大,当电压表示数大于U时,控制开关接通电路,M开始运转,故排风扇会提前工作,即排风扇开始工作的临界温度降低,故B、C正确;若用金属热电阻代替半导体热敏电阻,当温度升高时,其阻值增大,导致电压表示数变小,则开关会处于断开状态,起不到散热排风的作用,故D错误。12.某软件中运动步数的测量是通过手机内电容式加速度传感器实现的。如图所示,电容器M极板固定,N极板可运动,当手机的加速度变化时,N极板只能按图中标识的“前后”方向运动。图中R为定值电阻。下列对传感器的描述正确的是()A.静止时,电容器两极板带电B.保持向前匀减速运动时,电路中存在恒定电流C.由静止突然向后加速,电流由a向b流过电流表D.由向前加速突然停下,电流由b向a流过电流表解析:选AC静止时,N板不动,电容器与电源保持相连,两极板带电,故A正确;保持向前匀减速运动时,加速度恒定不变,则N板相对M板在某位置不动,电容器电容C不变,电容器保持与电源相连,电压U不变,由Q=CU知电容器所带的电荷量Q不变,则电路中无电流,故B错误;由静止突然向后加速,N板相对M板向前移动,则板间距离d减小,根据平行板电容器电容的决定式C=εrS4πkd知电容C增大,电压U不变,由Q=CU知,电容器所带的电荷量增大,电容器充电,电流由a向b流过电流表,故C正确;由向前加速突然停下,N板相对M板向前移动,则板间距离d减小,根据C=εrS4πkd知电容C增大,电压U不变,由Q=CU知电容器所带的电荷量增大,电容器充电三、非选择题(本题共5小题,共60分)13.(6分)在汛期,降水对水库、河流等水源的补给具有重要的影响,对水库、河流水位的实时监测至关重要。某物理兴趣小组计划利用压力传感器设计水库水位预警系统,已知水位越高,压力传感器受到的压力越大,压力与水位高度成正比,满足F=kh,k=2N/m,通过查阅资料得到压力传感器的电阻和受到的压力之间的关系图像如图甲所示。(1)根据图甲可知压力传感器的电阻随着水位的升高而(填“增大”或“减小”)。

(2)压力传感器的电阻用R0表示,现提供如下器材:①电源E(电源电动势为3V,不考虑内阻);②定值电阻R1=1kΩ;③定值电阻R2=1.2kΩ;④定值电阻R3=2kΩ;⑤开关S及导线若干。请在上述器材中选择合适的器材,设计一个简单电路,要求当水位达到150m时,a、b之间的电压降至1.8V时,控制开关开启高水位预警,在如图乙所示的框内完成电路原理图(标明器材的代号,不考虑控制开关对所设计电路的影响)。(3)若要求在设计的电路中,开启预警系统的水位降低,则定值电阻应选(填“R1”“R2”或“R3”)。

解析:(1)根据F=kh可知,水位越高压力越大,根据题图甲可知,压力越大,压力传感器的电阻越小,故压力传感器的电阻随着水位的升高而减小。(2)当水位达到150m时,压力传感器受到的压力大小为300N,由题图甲可知,压力大小为300N时,压力传感器的电阻为1.8kΩ,电源电动势为3V,应串联一个分压电阻,分压电阻两端的电压为1.2V,根据串联电路的特点,可得1.8kΩR=1.8V1.2V,解得R=1(3)开启预警系统的水位降低,则压力传感器受到的压力减小,压力传感器的电阻增大,根据串联电路特点,电压比值不变,则电阻比值不变,故定值电阻的阻值要增大,满足条件的为电阻R3。答案:(1)减小(2)见解析图(3)R314.(8分)温控箱内部结构如图所示,它是由热敏电阻Rt、滑动变阻器R、电磁继电器、电源E、开关S串联组成的控制电路和另一电源与电热丝串联组成的工作电路两部分构成。热敏电阻Rt的阻值与温度t的关系如下表。当电磁继电器的电流达到或者超过10mA时,衔铁被吸合,电热丝停止加热,实现温度控制。实验室提供的器材有:电源E(电动势9V,内阻不计);滑动变阻器R1(0~600Ω);滑动变阻器R2(0~1000Ω);热敏电阻Rt;电磁继电器(线圈电阻r=50Ω);电阻箱R0(0~999.9Ω);开关S、导线若干。t/℃30.040.050.060.070.080.0Rt/Ω220.0165.0130.0100.080.070.0(1)若要电磁继电器吸合衔铁、控制温度,则控制电路中的总电阻应满足r+R+Rt≤Ω。为使该装置实现对30~80℃之间任一温度的控制,滑动变阻器R应选择(选填“R1”或“R2”)。

(2)如果要实现40℃的温度控制,其步骤是:①先用电阻箱R0替代热敏电阻,把电阻箱R0调至Ω;②闭合开关,调节滑动变阻器,直至电磁继电器的衔铁被吸合;③保持滑动变阻器滑片位置不变,断开开关,再用热敏电阻替换电阻箱;④闭合开关,即可实现40℃的温度控制。

(3)在完成(2)的操作步骤后,与电磁继电器相连的电源E,因为长时间使用导致内阻变大(电动势几乎不变),电磁继电器吸合衔铁时的实际温度(选填“大于”“小于”或“等于”)40℃。

解析:(1)根据闭合电路的欧姆定律,有r+R+Rt≤EI0=900当温度处于30~80℃,临界电阻依然为900Ω,由题意70Ω≤Rt≤220Ω,r=50Ω故滑动变阻器阻值630Ω≤R≤780Ω故选R2。(2)该过程应用等效替代法,电阻箱R0的阻值应与40℃时热敏电阻Rt的阻值相等,由表格可知R0=165.0Ω。(3)根据闭合电路欧姆定律,有E=I0(r+R+Rt+r0)电动势E不变,电源内阻r0增大,电磁继电器临界电流不变,故热敏电阻的临界阻值减小,即电磁继电器吸合衔铁的实际温度大于40℃。答案:(1)900R2(2)165.0(3)大于15.(12分)实验室里有一水平放置的平行板电容器,其电容C=10-6F。在两极板带有一定电荷量时,发现一带负电的粉尘恰好静止在两极板间。还有一个自感系数L=10-4H的电感线圈,现连成如图所示的电路,试求:(重力加速度为g)(1)振荡电路周期和开关S闭合瞬间电流的方向;(只填写“顺时针”或“逆时针”)(2)从开关S闭合时开始计时,经过2π×10-5s时,电容器内粉尘的加速度大小是多少(假设此时粉尘未到达极板);(3)当粉尘的加速度为多大时,线圈中电流最大(假设此时粉尘未到达极板)。解析:(1)振荡电路周期T=2πLC=2π×10-4×10-6s=2π因开始时带负电的粉尘恰好静止在两极板间,可知上板带正电,则开关S闭合瞬间电流的方向为逆时针。(2)t=2π×10-5s时,LC振荡电路恰好经历一个周期,此时电容器两极板间场强的大小、方向均与初始时刻相同,所以此时粉尘所受合外力为0,加速度大小为0。(3)电容器放电过程中,两极板带电荷量减小,电路中的电流增大,当电流最大时,两极板带电荷量为0,极板间电场强度为0,此时粉尘只受重力,其加速度大小为g。答案:(1)2π×10-5s逆时针(2)0(3)g16.(16分)如图所示,线圈的自感系数为0.1H,电容器的电容为160μF,电阻R的阻值为4Ω,电源电动势为3V、内阻为1Ω。规定线圈中的电流方向从a到b为正,当单刀双掷开关S由A端拨到B端时开始计时,除电阻R和电源内阻外,其他电阻均可忽略,忽略电磁辐射消耗的能量。(1)在第一个周期内,求线圈中的电流为正的最大值的时刻t1;(2)请画出一个周期内,电容器上极板的带电量Q随时间t变化的图像,并标明关键点的坐标值。解析:(1)根据题意可知,T=2πLC=8π×10-3s当电容器放电完毕,即电场能全部转化为磁场能时,电路中电流有最大值,又开始时电容器上极板带正电,则0~T2时间内电流为正方向,所以线圈中电流正向最大值出现的时刻为t1=2π×10-3s。(2)根据题意可知,Qm=CE=4.8×10-4C一个周期内电容器经历放电、反向充电、反向放电、正向充电,其带电量随时间变化的图像如图所示。答案:(1)2π×10-3s(2)见解析图17.(18分)图甲虚线框内所示是电子秤测量部分的原理图,压力传感器的电阻R随压力F的变化如图乙所示。开关闭合后,压力传感器两端的电压恒为6.0V。电流表的量程为0.6A。电流表的内阻、踏板和压杆的质量可以忽略不计。求:(1)空载时,电流表的读数;(2)可以称量物体的压力的最大值;(3)试写出电流表示数I与压力F的变化关系式。解析:(1)空载时F0=0根据图像可知,此时电阻为R0=300Ω可得电流表的读数为I0=UR0=6.0300A=0.0(2)当电流表读数最大时,压力传感器的阻值最小,根据欧姆定律可得Rmin=UImax=6.00.6Ω由R-F图像可得R=300-0.2F联立可得Fmax=1450N。(3)根据R-F图像可得R=300-0.2F根据欧姆定律可得R=UI=联立可得电流表示数I与压力F的关系式为I=6300-0.2F(0≤F≤1450答案:(1)0.02A(2)1450N(3)I=6300-0.2F(0≤F≤选择性必修第二册模块综合检测A卷——基本能力评价(本试卷满分:100分)一、单项选择题(本题共8小题,每小题3分,共24分。每小题只有一个选项符合题目要求)1.通讯技术的发展离不开电磁波。下列关于电磁波的说法正确的是()A.水波、声波和电磁波的传播都离不开介质B.不同频率的电磁波在真空中的传播速度不同C.所有物体都在不断发射出波长比可见光的波长更短的红外线D.赫兹通过实验捕捉到了电磁波,证实了麦克斯韦的电磁场理论解析:选D水波、声波属于机械波,其传播需要介质,但电磁波的传播不需要介质,故A错误;不同频率的电磁波在真空中的传播速度均相同,故B错误;所有物体都在不断发射出波长比可见光的波长更长的红外线,故C错误;赫兹通过实验捕捉到了电磁波,证实了麦克斯韦的电磁场理论,故D正确。2.“中国天眼”位于贵州的大山深处,是500m口径球面射电望远镜(FAST)。它通过接收来自宇宙深处的电磁波探索宇宙。下列关于电磁波的说法正确的是()A.电磁波在任何介质中传播速度均为3×108m/sB.麦克斯韦认为均匀变化的电场能激发出变化的磁场,空间将产生电磁波C.在真空中,紫外线的波长比红外线小D.电磁波只能沿直线传播,不能发生干涉、衍射现象解析:选C电磁波只有在真空中传播时速度才为3×108m/s,在介质中传播时速度小于3×108m/s,故A错误;麦克斯韦认为周期性变化的电场在周围能够激发出周期性变化的磁场,周期性变化的磁场又会在较远的空间激发出新的周期性变化的电场,这样周期性变化的电场和磁场由近及远地向周围传播,形成了电磁波,而均匀变化的电场只能激发出恒定的磁场,不能产生电磁波,故B错误;在真空中,紫外线的波长比红外线小,故C正确;电磁波在同种均匀介质或真空中只能沿直线传播,并且能够发生干涉、衍射现象,故D错误。3.传感器的功能与人的视觉、听觉、触觉、嗅觉等功能相似。不只在科研领域,在人们的日常生活中,也会用到传感器以实现某种功能。如图中关于传感器的应用,说法正确的是()A.图甲中,干簧管是利用电磁感应的原理控制电路的通断的B.图乙中,机器人“眼睛”利用了光传感器C.图丙中,红外测温仪向人体发射红外线,从而测量人体温度D.图丁中,火灾报警器是通过感知温度触发报警的解析:选B干簧管是利用磁场控制电路的通断,不是利用电磁感应原理工作的,A错误;机器人“眼睛”利用了光传感器,B正确;人体向红外测温仪发射红外线,从而测量人体温度,C错误;火灾报警器是利用烟雾对光的反射工作的,利用的是光传感器,D错误。4.如图,是一种电感式微小位移传感器的原理图。1是待测位移的物体,3是空心线圈,软铁芯2部分插在线圈3中,并且可以随着物体1在线圈中左右平移。要能够准确反映出物体1的左右位置变化,那么应该在a、b间连接的是()A.干电池和灵敏电流计 B.灵敏电流计C.交流电源和灵敏电流计 D.电压表解析:选C根据题意可知,软铁芯2随着物体1向左平移,可以使线圈3的自感系数增大,同理软铁芯2随着物体1向右平移,可以使线圈3的自感系数减小,这一变化通过转换电路和检测电路输出电流,就得到了被测物体位移的变化,则应将线圈3与灵敏电流计串联后与交流电源相连,线圈自感系数的变化将使它对交变电流的感抗发生变化,从而引起电路中电流的变化,再由灵敏电流计显现出来。故选C。5.工业上常利用感应电炉冶炼合金,装置如图所示。当线圈中通有交变电流时,下列说法正确的是()A.金属中产生恒定感应电流B.金属中产生交变感应电流C.若线圈匝数增加,则金属中感应电流减小D.若线圈匝数增加,则金属中感应电流不变解析:选B当线圈中通有交变电流时,感应电炉金属内的磁通量也不断随之变化,金属中产生交变感应电流,A错误,B正确;若线圈匝数增加,根据法拉第电磁感应定律可知,感应电动势增大,则金属中感应电流变大,C、D错误。6.在如图所示电路中接入正弦交流电,灯泡L1的电阻是灯泡L2的2倍。假设两个二极管正向电阻为0、反向电阻无穷大。闭合开关S,灯泡L1、L2的电功率之比P1∶P2为()A.2∶1 B.1∶1C.1∶2 D.1∶4解析:选C两个二极管正向电阻为0,反向电阻无穷大,二极管导通则与它并联的灯泡短路,此时另一个灯泡与电源串联,根据题示电路图可知在一个完整的周期内,两个灯泡有电流通过的时间相等,都为半个周期,则电压有效值相等,根据P=U2R,可知灯泡L1、L2的电功率之比P1∶P2=RL2∶RL1=1∶2,故选7.电磁俘能器可在汽车发动机振动时利用电磁感应发电实现能量回收,结构如图甲所示。两对永磁铁可随发动机一起上下振动,每对永磁铁间有水平方向的匀强磁场,磁感应强度大小均为B。磁场中,边长为L的正方形线圈竖直固定在减震装置上。某时刻磁场分布与线圈位置如图乙所示,永磁铁振动时磁场分界线不会离开线圈。关于图乙中的线圈,下列说法正确的是()A.穿过线圈的磁通量为BL2B.永磁铁相对线圈上升越高,线圈中感应电动势越大C.永磁铁相对线圈上升越快,线圈中感应电动势越小D.永磁铁相对线圈下降时,线圈中感应电流的方向为顺时针方向解析:选D根据题图乙可知,两对永磁铁穿过线圈的磁场方向相反,且磁场分界线不会离开线圈,故穿过线圈的磁通量不可能为BL2,故A错误;根据法拉第电磁感应定律可知,永磁铁相对线圈上升越快,穿过线圈的磁通量变化越快,线圈中感应电动势越大,故B、C错误;永磁铁相对线圈下降时,根据楞次定律结合安培定则可知,线圈中感应电流的方向为顺时针方向,故D正确。8.手机无线充电技术越来越普及,图(a)是某款手机无线充电装置,其工作原理如图(b)所示。送电线圈ab间接入如图(c)所示的正弦交变电流。快充时,将S与1合上,送电线圈和受电线圈的匝数比n1∶n2=4∶1,手机两端的电压为11V,充电功率为44W;慢充时,将S与2合上,送电线圈和受电线圈的匝数比n1∶n3=5∶1,手机两端的电压为5V,充电功率为10W。装置线圈视为理想变压器,则下列说法正确的是()A.R1的阻值为10Ω B.R2的阻值为20ΩC.R1的阻值为11Ω D.R2的阻值为22Ω解析:选C由题图(c)可知,输入交流电的有效值U1=22022V=220V,S与1接通,此时次级线圈电流I2=4411A=4A,次级线圈电压U2=n2n1U1=55V,则R1=55-114Ω=11Ω,C正确,A错误;S与2接通,此时次级线圈电流I3=105A=2A,次级线圈电压U3=n3n1U1=44V,则R2=44-5二、多项选择题(本题共4小题,每小题4分,共16分。每小题有多个选项符合题目要求,全部选对的得4分,选对但不全的得2分,有选错的得0分)9.LC振荡电路既可产生特定频率的信号,也可从复杂的信号中分离出特定频率的信号,是许多电子设备中的关键部件。如图所示,某时刻线圈中磁场方向向上,且电路中的电流正在增加,下列说法正确的是()A.电容器上极板带负电B.电路中的电场能正在增大C.电路中的电流方向为由a到bD.电容器两极板间的电场强度正在减小解析:选AD根据安培定则可知,电流方向从b流向a,此时电流正在增加,表明电容器正在放电,所以上极板带负电,下极板带正电,故A正确,C错误;由于电容器正在放电,根据能量守恒定律分析,能量正在从电场能转化为磁场能,电场能减小,磁场能增大,故B错误;电容器正在放电,电场能减小,两极板间的电场强度正在减小,故D正确。10.如图所示,D形盒半径为R,垂直D形盒底面的匀强磁场的磁感应强度为B,两盒分别与交流电源相连。设质子的质量为m、电荷量为q,则下列说法正确的是()A.D形盒之间交变电场的周期为2B.质子被加速后的最大速度随B、R的增大而增大C.质子被加速后的最大速度随加速电压的增大而增大D.只要R足够大,质子的速度可以被加速到任意值解析:选AB质子每个运动周期内被加速两次,交流电每个周期方向改变两次,所以交流电的周期等于质子的运动周期T,根据牛顿第二定律有qvB=mv2πT,解得T=2πmBq,故A正确;设质子获得的最大速度为vm,根据牛顿第二定律有qvmB=mvm2R,解得vm=BqRm,故质子被加速后的最大速度随B、R的增大而增大,与加速电压无关,故B正确,C错误11.如图,两条“”形的光滑平行金属导轨固定在绝缘水平面上,间距为L,左、右两导轨面与水平面夹角均为30°,均处于竖直向上的匀强磁场中,磁感应强度大小分别为2B和B。将有一定阻值的导体棒ab、cd放置在导轨上,同时由静止释放,两棒在下滑过程中始终与导轨垂直并接触良好。ab、cd的质量分别为2m和m,长度均为L。导轨足够长且电阻不计,重力加速度大小为g,两棒在下滑过程中()A.回路中的电流方向为abcdaB.ab中电流趋于3C.ab与cd加速度大小之比始终为2∶1D.两棒产生的电动势始终相等解析:选AB由于ab和cd均沿导轨下滑,则通过abcd回路的磁通量向上增大,根据楞次定律结合安培定则可知,回路中的电流方向为abcda,A正确;对ab和cd分别受力分析,如图所示,根据牛顿第二定律分别有2mgsin30°-2BILcos30°=2ma1、mgsin30°-BILcos30°=ma2,可得a1=a2=g2-3BIL2m,则ab与cd加速度大小之比始终为1∶1,C错误;当加速度趋于零时,两导体棒中的电流趋于稳定,结合C项分析可知,ab中的电流趋于3mg3BL,B正确;由于ab和cd加速度大小始终相等,则两导体棒的速度大小始终相等,则由法拉第电磁感应定律可知,12.漏电断路器是家庭电路中必不可少的一种安全保护装置,如图为其基本原理图。电源线的火线与零线并行绕在铁芯上,当与放大器相连的线圈有微小电流时,即刻会驱动电磁继电器断开电源,实现安全保护。下列相关说法正确的是()A.当与地不绝缘的人不小心触碰到火线时,漏电断路器会即刻断开电源B.当与地绝缘的人不小心同时触碰到火线与零线时,漏电断路器会即刻断开电源C.当外接电网是恒定直流电源时,漏电断路器不能正常工作D.在相同条件下,放大器绕在铁芯上的线圈匝数越多,越能检测到更微小的漏电解析:选AD由于火线和零线并行绕制,所以在家庭电路正常工作时,火线和零线的电流大小相等、方向相反,因此合磁通量为0,线圈中的磁通量为0,而当地面上的人接触火线发生触电时,火线的电流突然变大,即线圈中的磁场发生变化,导致线圈中的磁通量变化,产生感应电流,从而使电磁继电器工作,电磁铁将开关吸起,断开电源,A正确;当与地绝缘的人不小心同时触碰到火线与零线时,火线和零线的电流仍大小相等、方向相反,从而不会引起电磁感应现象,故漏电断路器不会断开电源,B错误;当外接电网是恒定直流电源时,如果有人触电仍会产生电磁感应现象,故能正常工作,C错误;在相同条件下,放大器绕在铁芯上的线圈匝数越多,产生的感应电动势越大,越能检测到更微小的漏电,D正确。三、非选择题(本题共5小题,共60分)13.(6分)某物理小组欲探究变压器线圈两端电压与匝数的关系,提供的实验器材有:学生电源、可拆变压器、交流电压表、若干导线。图甲为实验原理图,在原线圈A、B两端加上电压,用电压表分别测量原、副线圈两端的电压,测量数据如表所示。实验序号原线圈匝数n1=400原线圈两端电压U1/