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2021-2022版高中物理 第六章 传感器 单元评价新人教版选修3-2

2021-2022版高中物理 第六章 传感器 单元评价新人教版选修3-2

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- 15 -

单元素养评价(三)(第六章)
(90分钟　100分)
一、选择题(本题共12小题,每小题4分,共48分。其中1～10题为单选,11、12题为多选)
1.关于光敏电阻和热敏电阻,下列说法中正确的是 (　　)
A.光敏电阻是用半导体材料制成的,其阻值随光照增强而减小,随光照的减弱而增大
B.光敏电阻是能把光照强度这个光学量转换为电流这个电学量的传感器
C.热敏电阻是用金属铂制成的,它对温度感知很灵敏
D.热敏电阻是把热量这个热学量转换为电阻这个电学量的传感器
【解析】选A。光敏电阻是把光照强度转换为电阻的元件,热敏电阻是把温度转换为电阻的元件,故B、D错误;热敏电阻与金属热电阻是两个不同的概念,热敏电阻和光敏电阻都是用半导体材料制成的,某些半导体具有光敏性和热敏性,金属热电阻随温度升高电阻增大,但灵敏度不高,故C错误。
2.如图所示是一种水位自动报警器的原理示意图,当杯中水的水位到达金属块B时,出现的情况是 (　　)

A.L1灯亮　　　　　　　　B.L2灯亮
C.L1、L2两灯同时亮 D.L1、L2 两灯都不亮
【解析】选B。由电路结构可以看出,当杯中的水位到达B时,左端电路被接通,这样螺线管就产生磁场,相当于一个磁铁,对与弹簧相连的金属片产生吸引作用,使之向下移动,这样L2电路被接通。
【加固训练】
　　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,如图所示,将压敏电阻固定在升降机底板上并接入电路,其上放置物块;合上电键后,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.升降机一定在匀减速上升
C.升降机一定处于失重状态　
D.升降机一定在匀加速上升
【解析】选C。在升降机运动过程中发现I大于升降机静止时电流表的示数I0,则说明不可能匀速运动,故A错误;在升降机运动过程中发现电流表示数不变,则说明是匀变速运动,且I大于升降机静止时电流表的示数I0,则可知外电压变大,内电压变小,说明电流变小,所以是电阻变大,由压敏电阻的阻值随所受压力的增大而减小,则压力变小,因此加速度方向向下,可能向下匀加速,也可能向上匀减速,故B、D错误,C正确。
3.如图所示为某电容传声器结构示意图,膜片和极板组成一个电容器,当人对着传声器讲话时,膜片会振动。若某次膜片振动时,膜片与极板间的距离减小,则在此过程中 (　　)

A.膜片与极板所组成的电容器的电容变小
B.极板的带电荷量增大
C.膜片与极板间的电场强度变小
D.电阻R中无电流通过
【解析】选B。某次膜片振动时,膜片与极板间的距离减小,由C=,它们组成的电容器的电容增大,选项A错误;由C=知,U不变的情况下,电容增大,则电容器极板所带电荷量Q增大,选项B正确;由E=知,U不变,d减小,则场强E增大,选项C错误;极板的带电荷量增大,电容器充电,电阻R中有电流通过,选项D错误。
4.如图所示,将一光敏电阻接入多用电表两表笔上,将多用电表的选择开关置于欧姆挡,用光照射光敏电阻时,表针的偏角为θ;现用手掌挡住部分光线,表针的偏角为θ′,则可判断 (　　)

A.θ′=θ　　　　　　　B.θ′<θ
C.θ′>θ D.不能确定
【解析】选B。光敏电阻的阻值随光照强度的增强而减小,用手掌挡住部分光线,阻值变大,指针自左向右偏转角度变小。
5.如图所示是利用电容器测量角度的传感器示意图。当动片和定片之间的角度θ发生变化时,电容C便发生变化,测出C的变化情况,就可知道θ的变化情况。选项图的四个图象中,能正确反映C和θ间函数关系的是 (　　)

【解析】选A。因为电容和两块极板之间正对面积的大小是成正比的。而θ的增大使得动片和定片的正对面积减小,所以使得C减小,又因为θ增大导致正对面积减小是按照线性规律变化的,所以A正确。
6.如图所示是某种汽车上的一种自动测定油箱内油面高度的装置。R是滑动变阻器,它的金属滑片是杠杆的一端,从油量表(由电流表改装而成)指针所指的刻度,就可以知道油箱内油面的高度。当滑动变阻器的金属滑片向下移动时,则 (　　)

A.电路中的电流减小,油箱油面降低
B.电路中的电流减小,油箱油面升高
C.电路中的电流增大,油箱油面降低
D.电路中的电流增大,油箱油面升高
【解析】选D。当油箱油面升高时,由于浮力作用使金属滑片向下移动,回路电阻减小,电流增大,故选项D正确。
7.如图所示是一个路灯自动控制门电路。天黑了,路灯自动接通,天亮了,路灯自动熄灭。RG是光敏电阻(有光照射时,阻值会显著减小),R是分压电阻,J是路灯总开关控制继电器(路灯电路未画),虚线框内应安装的门电路是 (　　)

A.“与”门电路　　　　 B.“非”门电路
C.“或”门电路 D.前面三种电路都可以
【解析】选B。有光照时,RG变小,R两端电压增大,即输入的为高电势,而J上电压必须足够小继电器才不工作,路灯是不亮的,所以应为“非”门电路。
8.2007年诺贝尔物理学奖授予了两位发现“巨磁电阻”效应的物理学家。某探究小组查到某磁敏电阻在室温下的电阻随磁感应强度变化的曲线如图甲所示,其中R、R0分别表示有、无磁场时磁敏电阻的阻值。为检验其磁敏特性设计了图乙所示电路。关于这个实验,下列说法中正确的是 (　　)

A.闭合开关S,图乙中只增加磁感应强度的大小时,伏特表的示数增大
B.闭合开关S,图乙中只增加磁感应强度的大小时,安培表的示数增大
C.闭合开关S,图乙中只将磁场方向改为与原来方向相反时,伏特表的示数减小
D.闭合开关S,图乙中只将磁场方向改为与原来方向相反时,安培表的示数减小
【解析】选A。由图甲可以看出,磁敏电阻的阻值与磁感应强度的方向无关,只与磁感应强度的大小有关,随着磁感应强度变大,电阻变大;闭合开关S,图乙中只增加磁感应强度的大小时,磁敏电阻的阻值变大,则干路总电流减小即安培表示数减小,由内电压和滑动变阻器RP电压减小,根据闭合电路欧姆定律可知伏特表的示数增大,故A正确,B错误;磁敏电阻的阻值与磁感应强度的方向无关,所以闭合开关S,图乙中只改变磁场方向与原来方向相反时,伏特表和安培表的示数不变,故C、D错误。
9.如图所示是一种加速度计的设计图。较重的滑块2可以在光滑的框架1中平移,滑块两侧用两根相同的弹簧3拉着;R为滑动变阻器,4是滑动片,它与变阻器任一端间的电阻值都与它到这端的距离成正比。两个电池E的电压相同。按图连接电路后,调电压表指针恰好在中央的零点。已知当P端的电势高于Q端时,指针向零点右侧偏转。将框架固定在运动的物体上,则下列说法正确的是 (　　)

A.当框架和物体一起向右匀速运动时,电压表的指针将向右偏转
B.当框架和物体一起向左匀速运动时,电压表的指针将向右偏转
C.当框架和物体一起向右加速运动时,电压表的指针将向右偏转
D.当框架和物体一起向左加速运动时,电压表的指针将向右偏转
【解析】选D。当框架和物体一起向右或向左匀速运动时,物块处于正中央平衡,电压表两端点P与Q间的电势相等,则电压表示数为零,则A、B均错误。当物体具有向右的加速度时,滑块所受的弹簧的拉力的合力向右,滑块向左移动,根据顺着电流方向电势降低,可知P端的电势低于Q端的电势,则电压表的指针将向零点左侧偏转,故C错误。当物体有向左的加速度时,滑块所受的弹簧的合力向左,滑块向右移动,根据顺着电流方向电势降低,可知P端的电势高于Q端的电势,则电压表的指针将向零点右侧偏转,故D正确。
10.如图所示为一种常见的身高体重测量仪。测量仪顶部向下发射波速为v的超声波,超声波经反射后返回,被测量仪接收,测量仪记录发射和接收的时间间隔。质量为M0的测重台置于压力传感器上,传感器输出电压与作用在其上的压力成正比。当测重台没有站人时,测量仪记录的时间间隔为t0,输出电压为U0,某同学站上测重台,测量仪记录的时间间隔为t,输出电压为U,则该同学身高和质量分别为 (　　)

A.v(t0-t),U　　　 B.v(t0-t),U
C.v(t0-t),(U-U0) D.v(t0-t),(U-U0)
【解析】选D。设人的身高为x,质量为m,当测重台没有站人时:=,当人站在测重台上时:=,解得人的身高x=v(t0-t),当测重台上没站人时:M0g=kU0,当人站在测重台上时:(M0+m)g=kU,解得人的质量m=(U-U0),可知选项D正确。
11.电吉他中电拾音器的基本结构如图所示,磁体附近的金属弦被磁化,因此弦振动时,在线圈中产生感应电流,电流经电路放大后传送到音箱发出声音。下列说法正确的有 (　　)

A.选用铜质弦,电吉他仍能正常工作
B.取走磁体,电吉他将不能正常工作
C.增加线圈匝数可以增大线圈中的感应电动势
D.弦振动过程中,线圈中的电流方向不断变化
【解析】选B、C、D。铜质弦无法被磁化,不能产生磁场引起线圈中磁通量的变化,从而产生感应电流,所以铜质弦不能使电吉他正常工作,选项A错误;取走磁体,金属弦无法被磁化,线圈中不会产生感应电流,选项B正确;由E=n知,选项C正确;金属弦来回振动,线圈中磁通量不断增加或减少,电流方向不断变化,选项D正确。
12.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,回路中产生两个脉冲电流,如图乙所示,即视为“闯红灯”,电子眼拍照。则红灯亮时 (　　)

A.车轮停在感应线上时电阻R上有恒定电流
B.车轮经过感应线的过程中,电容器先充电后放电
C.车轮经过感应线的过程中,电阻R上的电流一直增大
D.汽车前轮刚越过感应线,又倒回到线内,仍会被电子眼拍照
【解析】选B、D。车轮停在感应线上时,压力不变,则电压不变,电容器不充电,也不放电,电阻R上没有电流,故A错误。由乙图可知,当车轮经过时电流先增大后减小,然后再反向增大、减小;因电压是在受压时产生的,故说明电容器先充电后放电;故B正确,C错误。若汽车前轮越过感应线,又倒回线内,则前轮两次压线,仍形成两个脉冲电流,符合拍照条件,电子眼仍可拍照,故D正确。
二、实验题(本题共2小题,共12分)
13.(6分)在实际应用中有多种自动控温装置,以下是其中两种控温装置:

(1)图(a)为某自动恒温箱原理图,箱内的电阻R1= 2 kΩ,R2 = 1.5 kΩ,R3 = 4 kΩ,Rt为热敏电阻,其电阻随温度变化的图象如图(b)所示。当a、b两点电势φa<φb时,电压鉴别器会令开关S接通,恒温箱内的电热丝发热,使箱内温度提高;当φa≥φb时,电压鉴别器会使S断开,停止加热,则恒温箱内的稳定温度为____℃,恒温箱内的电热丝加热时Rt的取值范围为____。 
(2)有一种由PTC元件做成的加热器,它产生的焦耳热功率PR随温度t变化的图象如图(c)所示。该加热器向周围散热的功率为PQ =k(t-t0),其中t为加热器的温度,t0为室温(本题中取20 ℃),k=0.1 W/℃。
①当PR=PQ时加热器的温度即可保持稳定,则该加热器工作的稳定温度为____℃; 
②(单选)某次工作中,该加热器从室温升高至稳定温度的过程中,下列温度变化过程用时最短的是____(填选项前的字母序号) 
A.20～24 ℃　　　　　B.32～36 ℃
C.48～52 ℃ D.60～64 ℃
【解析】(1)由电路图可知,当满足=时,即Rt=3 kΩ时φa=φb,此时由图(b)可知温度为25 ℃,即恒温箱内的稳定温度为25 ℃;恒温箱内的电热丝加热时Rt的取值范围为Rt>3 kΩ。
(2)①PQ=0.1(t-t0),PQ与温度t之间关系的图象如图

由图可知,当温度为70 ℃左右时,发热功率和散热功率相等,即此时加热器的温度不再变化;②当温度稍高于稳定温度时:加热器电阻增大,产生的焦耳热的功率小于散热的功率,温度将下降;当温度稍低于稳定温度时:加热器电阻减小,产生的焦耳热的功率大于散热的功率,温度将上升。当温度为34 ℃时两功率差值最大,加热时间最短,故选B。
答案:(1)25　Rt>3 kΩ　(2)①71(70～72均可)
②B
14.(6分)(2019·全国卷Ⅱ)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50.0 μA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50.0 μA,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____(选填“变大”或“变小”),电压表V1示数____(选填“增大”或“减小”),此时应将R的滑片向____(选填“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||=____×10-3 V/℃。(保留2位有效数字) 

【解析】(1)U1=IR0=50×10-6×100 V=5.00×10-3 V=5.00 mV;由于R=, I不变,据图(b)可知,当t升高时,正向电压U减小,故二极管电阻变小;由于二极管电阻变小,总电阻减小,电流增大;R0两端电压增大,即V1表示数变大;只有增大电阻才能使电流减小,故滑动变阻器滑片向右调节,即向B端调节。
(2)由图(b)可得图线的斜率||= V/℃=2.8×10-3 V/℃。
答案:(1)5.00　变小　增大　B　(2)2.8
三、计算题(本题共4小题,共40分。要有必要的文字说明和解题步骤,有数值计算的要注明单位)
15.(8分)一水平放置的圆盘绕竖直固定轴转动,在圆盘上沿半径开有一条宽度为2 mm的均匀狭缝。将激光器与传感器上下对准,使二者间连线与转轴平行,分别置于圆盘的上下两侧,且可以同步地沿圆盘半径方向匀速移动,激光器连续向下发射激光束。在圆盘转动过程中,当狭缝经过激光器与传感器之间时,传感器接收到一个激光信号,并将其输入计算机,经处理后画出相应图线。图甲为该装置示意图,图乙为所接收的光信号随时间变化的图线,横坐标表示时间t,纵坐标表示接收到的激光信号强度I,图中Δt1=1.0×10-3 s,Δt2=0.8×10-3 s。

(1)利用图乙中的数据求1 s时圆盘转动的角速度。
(2)说明激光器和传感器沿半径移动的方向,并说理由。
【解析】(1)由图乙可知,转盘的转动周期T=0.8 s,
角速度ω== rad/s=7.85 rad/s。 (4分)
(2)激光器和传感器沿半径由中心向圆盘边缘移动。
理由:由于脉冲宽度在逐渐变窄,表明光信号能通过狭缝的时间逐渐减少,即圆盘上对应传感器所在位置的线速度逐渐增加,因此激光器和传感器沿半径由中心向边缘移动。 (4分)
答案:(1)7.85 rad/s　(2)见解析
16.(8分)(2020·宣城高二检测)有一种角速度计可以测量航天器的转动角速度,其结构如图所示,角速度计固定在待测装置上,元件A可在光滑杆上滑动,静止时,电压输出刚好为零。当装置绕竖直轴OO′转动时,元件A在光滑杆上发生位移并输出电压信号,成为航天器制导系统的信息源。已知A的质量为m,弹簧的劲度系数为k,自然长度为l0,电源的电动势为E,滑动变阻器B总长度为l,当系统以角速度ω转动时,求U与ω的函数关系。

【解析】当系统以角速度ω转动时,对元件A,弹簧弹力提供做圆周运动的向心力为
kx=mω2(l0+x) (2分)
电压表的读数U=E (1分)
解得U与ω的函数关系为U= (2分)
当x=l时,U=E,ω= (2分)
上式成立的条件是:ω≤ (1分)
答案:U=[ω≤]
17.(12分)有一种测量压力的电子秤,其原理如图甲所示。E是内阻不计、电动势为6 V的电源。R0是一个阻值为400 Ω的限流电阻。G是由理想电流表改装成的指针式测力显示器。R是压敏电阻,其阻值可随压力大小变化而改变,其关系如表所示。C是一个用来保护显示器的电容器。秤台的重力忽略不计。
压力F/N
0
50
100
150
200
250
300
……
电阻R/Ω
300
280
260
240
220
200
180
……

(1)在图乙坐标系中画出电阻R随压力F变化的图线,并归纳出电阻R随压力F变化的函数关系式;
(2)写出压力随电流变化的关系式,说明该测力显示器的刻度是否均匀;
(3)若电容器的耐压值为5 V,该电子秤的量程是多少牛顿?
【解析】(1)把压力大小作为横坐标,把电阻大小作为纵坐标,在坐标系中描点连线即可得压敏电阻R的阻值随压力F的大小变化的图象,如图:

根据R的阻值随压力F的大小变化的图象可知压敏电阻R的阻值与压力F成一次函数关系,设它们的关系式为R=kF+b
把F=50 N,R=280 Ω和F=100 N,R=260 Ω代入得:280=50k+b ①,260=100k+b ②
解得k=-0.4,b=300
所以它们的关系式为R=300-0.4F。 (4分)
(2)根据欧姆定律得I=,把R=-0.4F+300,U=6 V,R0=400 Ω代入上式化简得:F=1 750-
所以压力和电流不成一次函数关系,故该测力显示器的刻度是不均匀的 (4分)
(3)从上式可知,压力增大时,压敏电阻值减小
当电阻R0两端的电压为5 V时,压敏电阻两端的电压为U1=U-U0=6 V-5 V=1 V,根据串联电路特点可得
==,即=得 R=80 Ω
把R=80 Ω代入R=300-0.4F得80=-0.4F+300
解得F=550 N(4分)
答案:(1)图线见解析　R=300-0.4F
(2)F=-+1 750,该测力显示器的刻度不均匀,但满足电流越大,力越大　
(3)550 N
18.(12分)如图所示为一实验小车中利用光电脉冲测量车速和行程的示意图,A为光源,B为光电接收器,A、B均固定在小车上,C为小车的车轮。D为与C同轴相连的齿轮,车轮转动时,A发出的光束通过旋转齿轮上齿的间隙后变成脉冲光信号,被B接收并转换成电信号,由电子电路记录和显示。若实验显示单位时间的脉冲数为n,累积脉冲数为N。试完成下列问题。

(1)要测出小车的速度和行程,还必须测量的物理数据有哪些?
(2)推导小车速度的表达式;
(3)推导小车行程的表达式。
【解析】(1)小车的速度等于车轮的周长与单位时间内车轮转动圈数的乘积。所以还要测量车轮的半径R和齿轮的齿数p。 (4分)
(2)齿轮转一圈电子电路显示的脉冲数即为p。已知单位时间内的脉冲数为n,所以单位时间内齿轮转动圈数为。则有小车速度的表达式v=。 (4分)
(3)小车行程的表达式s=。 (4分)
答案:(1)车轮半径R、齿轮的齿数p　(2)v=
(3)s=