2024鲁科版高中物理选择性必修第二册同步练习--第5章 传感器及其应用拔高练

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2024鲁科版高中物理选择性必修第二册同步
综合拔高练
五年高考练
　　　　　　　　　　　　　　　
考点1　传感器
1.(2022全国乙,18)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,在手机上建立直角坐标系,手机显示屏所在平面为xOy面。某同学在某地对地磁场进行了四次测量,每次测量时y轴指向不同方向而z轴正向保持竖直向上。根据表中测量结果可推知 (　　)
测量序号 Bx/μT By/μT Bz/μT
1 0 21 -45
2 0 -20 -46
3 21 0 -45
4 -21 0 -45
A.测量地点位于南半球
B.当地的地磁场大小约为50 μT
C.第2次测量时y轴正向指向南方
D.第3次测量时y轴正向指向东方
考点2　敏感元件与电学实验综合
2.(2023湖南,12)某探究小组利用半导体薄膜压力传感器等元件设计了一个测量微小压力的装置,其电路如图(a)所示,R1、R2、R3为电阻箱,RF为半导体薄膜压力传感器,C、D间连接电压传感器(内阻无穷大)。
(1)先用欧姆表“×100”挡粗测RF的阻值,示数如图(b)所示,对应的读数是　　　Ω;
(2)适当调节R1、R2、R3,使电压传感器示数为0,此时,RF的阻值为　　　　(用R1、R2、R3表示);
(3)依次将0.5 g的标准砝码加载到压力传感器上(压力传感器上所受压力大小等于砝码重力大小),读出电压传感器示数U,所测数据如表所示:
次数 1 2 3 4 5 6
砝码质量m/g 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5
电压U/mV 0 57 115 168 220 280
根据表中数据在图(c)上描点,绘制U-m关系图线;
(4)完成前面三步的实验工作后,该测量微小压力的装置即可投入使用。在半导体薄膜压力传感器上施加微小压力F0,电压传感器示数为200 mV,则F0大小是　　　　N(重力加速度取9.8 m/s2,保留2位有效数字);
(5)若在步骤(4)中换用非理想毫伏表测量C、D间电压,在半导体薄膜压力传感器上施加微小压力F1,此时非理想毫伏表读数为200 mV,则F1　　　　F0(填“>”“=”或“<”)。
3.(2021广东,12)某小组研究热敏电阻阻值随温度的变化规律。根据实验需要已选用了规格和量程合适的器材。
(1)先用多用电表预判热敏电阻阻值随温度的变化趋势。选择适当倍率的欧姆挡,将两表笔　　　　,调节欧姆调零旋钮,使指针指向右边“0 Ω”处。测量时观察到热敏电阻温度越高,相同倍率下多用电表指针向右偏转角度越大,由此可判断热敏电阻阻值随温度的升高而　　　　。
(2)再按图连接好电路进行测量。
①闭合开关S前,将滑动变阻器R1的滑片滑到　　　　端(选填“a”或“b”)。
将温控室的温度设置为T,电阻箱R0调为某一阻值R01。闭合开关S,调节滑动变阻器R1,使电压表和电流表的指针偏转到某一位置。记录此时电压表和电流表的示数、T和R01。断开开关S。
再将电压表与热敏电阻C端间的导线改接到D端,闭合开关S。反复调节R0和R1,使电压表和电流表的示数与上述记录的示数相同。记录此时电阻箱的阻值R02。断开开关S。
②实验中记录的阻值R01　　　　R02(选填“大于”、“小于”或“等于”)。此时热敏电阻阻值RT=　　　　。
(3)改变温控室的温度,测量不同温度时的热敏电阻阻值,可以得到热敏电阻阻值随温度的变化规律。
4.(2021山东,14)热敏电阻是传感器中经常使用的元件,某学习小组要探究一热敏电阻的阻值随温度变化的规律。可供选择的器材有:
待测热敏电阻RT(实验温度范围内,阻值约几百欧到几千欧);
电源E(电动势1.5 V,内阻r约为0.5 Ω);
电阻箱R(阻值范围0~9 999.99 Ω);
滑动变阻器R1(最大阻值20 Ω);
滑动变阻器R2(最大阻值2 000 Ω);
微安表(量程100 μA,内阻等于2 500 Ω);
开关两个,温控装置一套,导线若干。
图甲
同学们设计了如图甲所示的测量电路,主要实验步骤如下:
①按图示连接电路;
②闭合S1、S2,调节滑动变阻器滑片P的位置,使微安表指针满偏;
③保持滑动变阻器滑片P位置不变,断开S2,调节电阻箱,使微安表指针半偏;
④记录此时的温度和电阻箱的阻值。
回答下列问题:
(1)为了更准确地测量热敏电阻的阻值,滑动变阻器应选用　　　　(填“R1”或“R2”)。
(2)请用笔画线代替导线,将实物图(不含温控装置)连接成完整电路。
(3)某温度下微安表半偏时,电阻箱的读数为6 000.00 Ω,该温度下热敏电阻的测量值为　　　　 Ω(结果保留到个位),该测量值　　　　(填“大于”或“小于”)真实值。
(4)多次实验后,学习小组绘制了如图乙所示的图像。由图像可知,该热敏电阻的阻值随温度的升高逐渐　　　　(填“增大”或“减小”)。
三年模拟练
　　　　　　　　　　　　　　　
应用实践
1.(2023山东聊城三模)压电型传感器自身可以产生电压,某压电型传感器输出电压与所受压力成正比,利用该压电型传感器可以设计一个电路来判断升降机的运动情况,其工作原理如图1所示。将压电型传感器固定在升降机底板上,其上放置一个绝缘物块,0~t1时间内升降机匀速上升,从t=0时刻开始,电流表中电流随时间变化的情况如图2所示,图2中两段曲线为半径相同的半圆,下列判断正确的是 (　　)
图1
图2
A.t1~t2时间内,升降机的动能先增大后减小
B.t2~t3时间内,升降机处于静止状态
C.t3~t4时间内,物块机械能减小
D.t1、t4时刻,升降机速度相同
2.(2022浙江温州二模)图中光敏电阻RG没有受到光照射(或光较暗)时,阻值较大;有光照射(或光较强)时,阻值较小。如图所示,现利用该光敏电阻、低压直流电源和电磁继电器设计了自动控制电路,用于公路照明。下列说法正确的是 (　　)
A.白天光照越强,电磁铁的磁性越强
B.白天流过R2的电流大于晚上流过R2的电流
C.该电路能实现灯泡白天亮,晚上不亮
D.低压直流电源的总功率晚上比白天的大
3.(2022江苏苏州吴江高中期中)自行车速度计的工作原理主要依靠的就是安装在前轮上的一块磁铁,当磁铁运动到霍尔传感器附近时,就产生了霍尔电压,霍尔电压通过导线传入一个小型放大器中,放大器就能检测到霍尔电压,这样便可测出在某段时间内的脉冲数。当自行车以某个速度匀速直线行驶时,检测到单位时间内的脉冲数为N,已知磁铁和霍尔传感器到前轮轮轴的距离均为R1,前轮的半径为R2,脉冲的宽度为Δt,峰值为Um,下列说法正确的是(　　)
A.车速越快,脉冲的峰值Um越大
B.车速越快,脉冲的宽度Δt越大
C.车速为2πNR2
D.车速为2πNR1
4.(2021河南郑州一中月考)如图所示的火警报警装置,R1为热敏电阻,若温度升高,则R1的阻值会急剧减小,从而使电铃两端电压增加,当电铃两端电压达到一定值时,电铃会响。下列说法正确的是 (　　)
A.要使报警的临界温度升高,可以适当增大电源的电动势
B.要使报警的临界温度升高,可以把R2的滑片P适当向下移
C.要使报警的临界温度降低,可以适当增大电源的电动势
D.要使报警的临界温度降低,可以把R2的滑片P适当向下移
5.(2021湖北武汉期末)
甲
我国《道路交通安全法》规定驾驶员的血液酒精含量达到20 mg/100 mL(含20 mg/100 mL)属于酒驾,达到80 mg/100 mL(含80 mg/100 mL)属于醉驾。只要酒驾就属于违法行为,可能被处以行政拘留或者罚款。某种半导体型呼出气体酒精含量检测仪采用氧化锡半导体作为传感器,该仪器能粗略测量驾驶员的血液酒精含量。当驾驶员向仪器吹气时,仪器中的检测电路能检测出呼出气体酒精含量(BrAC),按照一定的对应关系可得出血液酒精含量(BAC),本题中可近似认为BAC=BrAC。如图甲所示是该测试仪的原理图,图中电源电动势为4.8 V,内阻可忽略不计;电压表V量程为0~5 V,内阻很大;定值电阻R1的阻值为60 Ω;实验测得酒精气体传感器R2的电阻值随呼出气体酒精含量变化的关系曲线如图乙所示。
乙
(1)醉驾时R2的阻值小于等于　　　　 Ω;
(2)按图甲所示电路图把电压表改装成呼出气体酒精含量表,则呼出气体酒精含量为0的刻度线应刻在电压刻度线为　　　　V处。(计算结果保留三位有效数字)
6.货运交通事故往往是由车辆超载引起的,因此我国交通运输部对治理货运超载有着严格规定。监测站都安装有称重传感器,图甲是一种常用的力传感器,由弹簧钢和应变片组成,弹簧钢右端固定,在其上、下表面各贴一个相同的应变片,应变片由金属制成。若在弹簧钢的自由端施加一向下的作用力F,则弹簧钢会发生弯曲,上应变片被拉伸,下应变片被压缩。力越大,弹簧钢的弯曲程度越大,应变片的电阻变化就越大,输出的电压差ΔU=|U1-U2|也就越大。已知传感器不受压力时的电阻约为19 Ω,为了准确地测量该传感器的阻值,设计了以下实验,实验原理图如图乙所示。
图甲
图乙　　　图丙
实验室提供以下器材:
A.定值电阻R0(R0=5 Ω)
B.滑动变阻器(最大阻值为2 Ω,额定功率为50 W)
C.电流表A1(0.6 A,内阻r1=1 Ω)
D.电流表A2(0.6 A,内阻r2约为5 Ω)
E.直流电源E1(电动势3 V,内阻约为1 Ω)
F.直流电源E2(电动势6 V,内阻约为2 Ω)
G.开关S及导线若干
(1)外力F增大时,下列说法正确的是　　　　;
A.上、下应变片电阻都增大
B.上、下应变片电阻都减小
C.上应变片电阻减小,下应变片电阻增大
D.上应变片电阻增大,下应变片电阻减小
(2)图乙中①、②为电流表,其中电流表①选　　　　(选填“A1”或“A2”),电源选
　　　　(选填“E1”或“E2”);
(3)为了准确地测量该阻值,在图丙中,将B、C间导线断开,并将滑动变阻器与原设计电路的A、B、C端中的一些端点连接,调节滑动变阻器,测量多组数据,从而使实验结果更准确,请在图丙中正确连接电路;
(4)结合上述实验步骤可以得出该传感器的电阻的表达式为　　　　(A1、A2两电流表的电流分别用I1、I2表示)。
迁移创新
7.一般的电熨斗用合金丝作发热元件,合金丝电阻随温度T变化的关系如图中实线①所示。由于环境温度以及熨烫的衣服厚度、干湿等情况不同,熨斗的散热功率不同,因而熨斗的温度可能会在较大范围内波动,易损坏衣物。
有一种用主要成分为BaTiO3被称为“PTC”的特殊材料作发热元件的电熨斗,具有升温快、能自动控制温度的特点,PTC材料的电阻随温度变化的关系如图中实线②所示,根据图线分析:
(1)为什么处于冷态的PTC电熨斗刚通电时比普通电熨斗升温快
(2)通电一段时间后电熨斗温度T自动稳定在哪个范围之内。
本章达标检测见增分测评卷　　　期末学业水平检测见增分测评卷
综合拔高练
五年高考练
1.BC　依题意,z轴正向保持竖直向上,测量结果表明z轴方向的磁感应强度为负,即测量地点的磁感应强度的竖直分量是向下的,说明测量地点位于北半球,A错误;每次测量得到的地磁场的两个分量互相垂直,任选一组数据根据平行四边形定则可以求出当地的地磁场磁感应强度大小约为50 μT,B正确;在北半球,地磁场的水平分量是由南向北的,第2次测量时得到的水平分量即By是负值,说明y轴正向与地磁场的水平分量方向相反,即指向南方,C正确;第3次测量时By为零,说明y轴沿东西方向,又因Bx为正,即x轴正向指北方,则y轴正向应指向西方,D错误。
2.答案　(1)1 000　(2)　(3)如图所示
(4)0.018　(5)>
解析　(1)欧姆表选择“×100”挡,由题图(b)可知读数为1 000 Ω。
(2)由题图(a)可知,要使电压传感器示数为0,上、下两条支路中R1和R2的分压应相等,即=,可得RF=。
(3)根据题表中数据描点作图,注意使图线通过尽量多的点,如答案图所示。
(4)由图可得200 mV的电压对应砝码的质量约为1.8 g,则F0=mg≈0.018 N。
(5)非理想毫伏表测得的电压偏小,即要达到相同的电压,所需压力会偏大,则F1>F0。
3.答案　(1)短接　减小　(2)①b　②大于　R01-R02
解析　(1)多用电表使用前,需进行欧姆调零,调零时需将红、黑表笔短接;多用电表表盘最右侧为电阻零刻度线,故当指针向右侧偏转越大时,代表所测电阻越小。
(2)①对于滑动变阻器的限流式接法,为保护电路,闭合开关前要使其接入电路的阻值最大,故应将滑动变阻器R1的滑片滑到b端。
②两次操作中电压表和电流表的示数分别相等,根据欧姆定律可知,导线接C端时有U=IR01;导线接D端时有U=I(R02+RT),则有R01=R02+RT,故R01大于R02,RT=R01-R02。
4.答案　(1)R1　(2)如图所示
(3)3 500　大于　(4)减小
解析　(1)对于分压式电路,滑动变阻器应选用总阻值较小的,以保证测量电路所在支路电阻发生变化时对电压的影响较小。
(2)实物连线图见答案。
(3)由实验步骤可知R=RT+RμA,解得RT=3 500 Ω,断开S2后,支路总电阻增大,电压增大,有U2>U1,U2=+R>U1,R>RT+RμA,则热敏电阻的测量值偏大。
(4)增大时,T减小,此时lnRT增大,即RT增大,说明热敏电阻的阻值随温度的升高逐渐减小。
三年模拟练
1.D 2.B 3.C 4.CD
1.D　因为传感器输出电压与所受压力成正比,根据欧姆定律I=可知回路中的电流与传感器所受到的压力也成正比,结合题图2,可知t1~t2时间内,传感器所受到的压力先增大后减小,又因为0~t1时间内升降机匀速上升,物块对升降机的压力等于重力,所以t1~t2时间内传感器所受到的压力始终大于重力,即物块受到的支持力大于重力,根据牛顿第二定律,有FN-mg=ma,物块先做加速度增大的加速运动,后做加速度减小的加速运动,故升降机的动能一直增大,A错误;t2~t3时间内电流已经减小到与0~t1时间段内相同,又因为t1~t2时间内升降机一直加速运动,所以在t2~t3时间内升降机匀速运动,B错误;t3~t4时间内,升降机先做加速度增大的减速运动,后做加速度减小的减速运动,又因为题图2中两段曲线为半径相同的半圆,所以升降机始终在向上运动,物块受到的支持力始终做正功,所以物块的机械能增大,C错误;根据上述分析,回路中的电流与传感器所受到的压力成正比,可根据题图2画出物块所受到的合力与时间的图像,如图所示,两段曲线为半径相同的半圆,根据动量定理可知t1~t4时间内合外力的冲量为零,t1、t4时刻,物块的速度相同,即t1、t4时刻,升降机速度相同,D正确。故选D。
2.B　光照增强,则光敏电阻阻值减小,电路的总阻值减小,电路中总电流增大,R1两端电压增大,根据闭合电路欧姆定律可知,路端电压减小,因此电磁铁和R3两端电压减小,流过该支路的电流减小,电磁铁的磁性减弱,选项A错误;光照增强,总电流增大,流过R3的电流减小,因此流过R2的电流增大,故白天流过R2的电流大于晚上流过R2的电流,选项B正确;白天光照较强,流过电磁铁的电流较小,电磁铁的磁性减弱,因此灯泡所在电路断开,白天灯泡不亮,选项C错误;光照增强,回路中总电流增大,根据P=EI可知电源的总功率增大,因此白天功率较大,选项D错误。
3.C　根据qvB=q得,Um=Bdv,由电流的微观定义式I=neSv,n是单位体积内的电子数,e是单个导电粒子所带的电荷量,S是导体的横截面积,v是导电粒子定向运动的速度,整理得v=。联立解得Um=,可知保持电流不变,霍尔电压Um与车速大小无关,故A错误;车速越快,脉冲的宽度Δt应越小,故B错误;由题意知在单位时间t=1 s内测得的脉冲数为N时,则自行车的转速为n0=,则车速为v=2πNR2,故C正确,D错误。
4.CD　要使报警的临界温度升高,R1对应的阻值减小,电路中电流会增大,电铃两端的电压会增大,而电铃电压达到一定值时,电铃会响,要使电铃两端的电压仍为原来的值,可以适当减小电源的电动势,相反,要使报警的临界温度降低,可以适当增大电源的电动势,选项A错误,C正确;要使报警的临界温度升高,R1对应的阻值减小,根据串联电路的特点可知,将使电铃两端的电压增大,要使电铃两端的电压仍为原来的值,可以把R2的滑片P适当向上移,以减小R2,相反,要使报警的临界温度降低,可以把R2的滑片P适当向下移,选项B错误,D正确。
5.答案　(1)30　(2)2.40
解析　(1)醉驾时血液酒精含量(BAC)达到80 mg/100 mL,则对应的呼出气体酒精含量(BrAC)达到80 mg/100 mL,由图乙可知,R2的阻值小于等于30 Ω;
(2)由图乙可知,呼出气体酒精含量为0时,R2为60 Ω,此时== V=2.40 V
则刻度线应刻在电压刻度线为2.40 V处。
6.答案　(1)D　(2)A1　E2　(3)图见解析　(4)
解析　(1)外力F增大时,上应变片长度变长,电阻变大,下应变片长度变短,电阻变小,选项D正确。
(2)题图乙中的①要当电压表使用,因此内阻应已知,故应选电流表A1;因回路总阻值接近11 Ω,满偏电流为0.6 A,所以电源电动势应接近6.6 V,故电源选E2。
(3)滑动变阻器应采用分压式接法,将B、C间导线断开,A、B两端接全阻值,C端接在变阻器的滑动端,如图所示。
(4)由题图乙知,通过该传感器的电流为I2-I1,加在该传感器两端的电压为I1r1,根据欧姆定律可知该传感器的电阻为。
7.答案　(1)见解析　
(2)T6解析　(1)由于冷态时PTC材料电阻较小,根据公式P=,其发热功率较大,故升温快;
(2)在T6温度以下范围时,电阻较小,发热功率较大,由于温度较低,与环境温差小,故升温快;在T7温度以上时,电阻较大,发热功率较小,由于温度较高,与环境温差大,故降温快,故通电一段时间后电熨斗温度T自动地稳定在T6~T7之内。
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