最新-2018高考物理单元卷 传感器的原理及应用 精品

第四模块 第十章 第三单元
一、选择题
1．在街旁的路灯，江海里的航标都要求在夜晚亮，白天熄，利用半导体的电学特性制成了自动点亮、熄灭的装置，实现了自动控制，这是利用半导体的
( )
A ．压敏性
B ．光敏性
C ．热敏性
D ．三种特性都利用
解析：街旁的路灯和江海里的航标，都是利用了半导体的光敏性，夜晚电阻大，白天电阻小．
答案：B
2．传感器是一种采集信息的重要器件，如图17所示是一种测定压力的电容式传感器，当待测压力F 作用于可动膜片电极时，可使膜片发生形变，引起电容的变化．将电容器、灵敏电流计和电源串联成闭合电路，那么
( )
图17
A ．当F 向上压膜片电极时，电容将减小
B ．当F 向上压膜片电极时，电容将增大
C ．若电流计有示数，则压力F 发生变化
D ．若电流计有示数，则压力F 不发生变化
解析：当待测压力作用于可动膜片电极上时，可使膜片发生形变，从而引起电容的变化，当F 向上压膜片电极时，相当于两极间距离减小，由C ＝εS 4πkd 可知电容器电容变大；将电
容器、灵敏电流计、电源串联组成闭合电路，如果有恒力F 的作用，电容变大，电容器充满电之后，电流计中无示数，如果力F 发生变化，电容器的电容不断变化，电源不断给电容器充电、放电， 电流计有示数，说明压力F 发生变化．
答案：BC
3．一中学生为发射的“神舟七号”载人飞船设计了一个可测定竖直方向加速度的装置，其原理可简化为如图18所示．连接在竖直弹簧上的重物与滑动变阻器的滑动触头连接，该
装置在地面上静止时其电压表的指针指在表盘中央的零刻度处，在零刻度的两侧分别标上对应的正、负加速度值．关于这个装置在“神舟七号”载人飞船发射、运行和回收过程中示数的判断正确的是
( )
图18
A．飞船在竖直加速升空的过程中，如果电压表的示数为正，则飞船在竖直减速返回地面的过程中，电压表的示数仍为正
B．飞船在竖直加速升空的过程中，如果电压表的示数为正，则飞船在竖直减速返回地面的过程中，电压表的示数为负
C．飞船在圆轨道上运行时，电压表的示数为零
D．飞船在圆轨道上运行时，电压表示数所对应的加速度大小应约为9.8 m/s2
解析：该装置在地面上静止时，kx＝mg，指针指在表盘中央的零刻度处；飞船在加速上升的过程中，kx>mg，滑动头下移，此时，电压表的示数为正；飞船在竖直减速返回地面的过程中，加速度方向向上，此时电压表示数仍为正，故A对B错；飞船在圆轨道上运行时，飞船中的物体处于完全失重状态，a＝g，弹簧恢复原长，电压表示数不为零，故C错D对．答案：AD
4．图19所示的是某工厂成品包装车间的光传感记录器，光敏电阻R1能接收到发光元件A发出的光，每当工件挡住A发出的光，光传感器B就输出一个电信号，并经信号处理器处理后在屏幕上显示出电信号与时间的关系，如图20所示．若传送带保持匀加速运动，每个工件均相对传送带静止，且相邻工件间距依次为5、10、15、20……(单位：cm)．则下列说法正确的是(不计工件挡住的时间)
( )
A．工件的加速度为0.1 m/s2
B ．工件的加速度为0.2 m/s 2
C ．当无光照射R 1时，光传感器就输出一次高电压
D ．当无光照射R 1时，光传感器就输出一次低电压
解析：由Δx ＝aT 2得，a ＝0.050.52 m/s 2＝0.2
m/s 2
，故A 错B 对．当无光照射R 1时，其阻值变大，R 1两端电压升高，R 2两端电压降低，故光传感器就输出一次低电压，C 错D 对．
答案：BD
5．图21是一火警报警器电路的示意图．其中R 3为用半导体热敏材料制成的传感器，这种半导体热敏材料的电阻率随温度的升高而增大．值班室的显示器为电路中电流表，电源两极之间接一报警器．当传感器R 3所在处出现火情时，显示器的电流I 、报警器两端的电压
U 的变化情况是
( )
A ．I 变大，U 变小
B ．I 变小，U 变大
C ．I 变小，U 变小
D ．I 变大，U 变大
解析：当R 3处出现火情时，其电阻增大，电路中的总电阻增大，总电流减小，路端电压增大，所以报警器两端的电压增大，其中电流表支路的电流也增大．
答案：D
6．(2018年广州毕业综合测试)如图22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R 3受到红外线照射，电阻减小；门关闭会遮蔽红外线源(红外线源没有画出)．经实际试验，灯的亮灭能反映门的开、关状态．门打开时两灯的发光情况以及R 2两端电压UR 2与门关闭时相比
( )
A ．红灯亮，UR 2变大
B ．绿灯亮，UR 2变大
C ．绿灯亮，UR 2变小
D ．红灯亮，UR 2变小
解析：门打开R 3减小，导致R 总减小和I 总增加，U r 和UR 1变大，UR 2＝E －(UR 1＋U r )减小，
IR 3＝I 总－UR 2
R 2
增加，电磁继电器磁性增强把衔铁拉下，红灯亮，绿灯灭，A 错误，D 正确．
答案：D
7．如图23是电容式话筒的示意图，它是利用电容制作的传感器，话筒的振动膜前面镀有薄薄的金属层，膜后距膜几十微米处有一金属板，振动膜上的金属层和这个金属板构成电容器的两极，在两极间加一电压U ，人对着话筒说话时，振动膜前后振动，使电容发生变化，导致话筒所在电路中的其它量发生变化，使声音信号被话筒转化为电信号，其中导致电容变化的原因可能是电容器两板间的
( )
A ．距离变化
B ．正对面积变化
C ．介质变化
D ．电压变化
解析：人对着话筒说话时，使振动膜前后振动，使电容器两极间距离变化，由C ＝εs
4πkd
，可导致电容C 变化．
答案：A
8．如图24所示为一测定液面高低的传感器示意图，A 为固定的导体芯，B 为导体芯外面的一层绝缘物质，C 为导电液体，把传感器接到图示电路中，已知灵敏电流表指针偏转方向与电流方向相同．如果发现指针正向右偏转，则导电液体的深度h 变化为( )
A ．h 正在增大
B ．h 正在减小
C ．h 不变
D ．无法确定
解析：由电源极性及电流方向可知，A 、B 构成的电容器上的电荷量减小，据C ＝Q U
，电容C 在减小，可推知正对面积S 减小，即h 在减小．
答案：B
9．家用电热灭蚊器中电热部分的主要部件是PTC 元件，PTC 元件是由酞酸钡等半导体材料制成的电阻器，其电阻率与温度的关系如图25所示，由于这种特性，PTC 元件具有发热、控温两重功能，对此以下说法中正确的是
( )
A ．通电后其功率先增大后减小
B ．通电后其功率先减小后增大
C ．当其产生的热量与散发的热量相等时，温度保持在t 1到t 2的某一值不变
D ．当其产生的热量与散发的热量相等时，温度保持在t 1或t 2不变
解析：根据PTC 元件的电阻率随温度变化的曲线可知：在常温下，它的电阻是相当小的，通入电流以后，随着温度的升高，其电阻率先变小后增大，那么它的功率先变大，后变小，
温度保持在t1到t2的某一值不变，这时候电路处于稳定状态，如果温度再升高，电阻率变大，导致电流变小，温度就会降下来；如果温度降低，电阻率减小，导致电流变大，温度就会升上去，所以本题正确答案为A、C.
答案：AC
二、计算、论述题
10．一热敏电阻阻值随温度变化的图象如图26甲所示，请应用这一热敏电阻自行设计一控制电路，当温度高于某一值后红色指示灯亮，而温度低于这一值时绿色指示灯亮，并且说明滑动变阻器的作用．
给你的器材有：如图乙所示的继电器一只(a、b为常闭触点，c、d为常开触点)、热敏电阻一只、滑动变阻器一只、红绿指示灯各一个、两个独立的电池组、开关两个、导线若干．答案：设计的电路图如下图27所示．
图27
此方案中滑动变阻器的作用：主要是通过调节满足对热敏电阻的要求．
11．如图28示是电饭煲的电路图，S1是一个控温
开关，手动闭合后，当此开关温度达到居里点(118℃)时，会自动断开．S2是一个自动控温开关，当温度低于70℃时，会自动闭合；温度高于80℃时，会自动断开．红灯是加热时的指示灯，黄灯是保温时的指示灯．分流电阻R1＝R2＝500 Ω，加热电阻丝R3＝50 Ω，两灯电阻不计．
图28
(1)分析电饭煲的工作原理．
(2)计算加热和保温两种状态下，电饭煲消耗的电功率之比．
解析：(1)电饭煲盛上食物后，接上电源，S 2自动闭合，同时手动闭合S 1，这时黄灯短路，红灯亮，电饭煲处于加热状态．加热到80℃时，S 2自动断开，S 1仍闭合；水烧开后，温度升高到居里点118℃时，开关S 1自动断开，这时饭已煮熟，黄灯亮，电饭煲处于保温状态．由于散热，待温度降至70℃时，S 2自动闭合，电饭煲重新加热，温度达到80℃时，S 2又自动断开，再次处于保温状态．
(2)加热时电饭煲消耗的电功率P 1＝U 2R 并，保温时电饭煲消耗的电功率P 2＝U 2
R 1＋R 并
，两式
中
R 并＝R 2R 3R 2＋R 3＝500×50500＋50 Ω＝500
11
Ω.
从而有P 1P 2＝R 1＋R 并
R 并＝500＋
500
1150011＝121
.
答案：(1)略 (2)12∶1
12．如图29所示是一种悬球式加速度仪，它可以用来测定沿水平轨道运动的列车的加速度，m 是一个金属球，它系在金属丝的下端，金属丝的上端悬挂在O 点，AB 是一根长为L 的电阻丝，其电阻值为R .金属丝与电阻丝接触良好，摩擦不计，电阻丝的中点C 焊接一根导线．从O 点也引出
一根导线，两线之间接入一个电压表V(金属丝和导线电阻不计)；图中虚线OC 与AB 垂直，且OC ＝h ，电阻丝AB 接在电压为U 的直流稳压电源上，整个装置固定在列车中使AB 沿着前进的方向，列车静止时金属丝呈竖直状态，当列车加速或减速前进时，金属丝将偏离竖直方向，从电压表的读数变化可以测出加速度的大小．
图29
(1)当列车向右匀加速运动时，试写出加速度a 与电压表读数U ′的关系式，以便重新刻制电压表表面使它成为直接可读出加速度数值的加速计．
(2)用此装置测得的最大加速度是多少？
(3)为什么C 点设置在电阻丝AB 的中间？对电压表的选择有什么特殊要求？
解析：(1)设列车加速度为a 时悬挂小球的金属丝偏离竖直方向θ角，这时小球受到的合外力为F ＝mg tan θ，根据牛顿第二定律F ＝ma 得这时的加速度表达式为a ＝g tan θ，因为tan θ＝DC
h ，将此式代入上式得a ＝g ·DC h
该式就是触点D 的位移跟加速度的关系式．从电路部分看，设此时电压表的读数为U ′，根据串联电路的电压与电阻成正比，对均匀电阻丝来说，应有电压与电阻丝长度成正比，即：
U U ′＝R AB R DC ＝l DC
∴DC ＝
U ′U l 故a ＝g U ′l Uh
上式中g 、U 、l 、h 都是常数，表明U ′与a 成正比；根据上式可以将电压表上的电压读数一一对应改写成加速度的数值，电压表便改制成了加速度计．
(2)这个装置测得最大加速度的情况是D 点移到A 点，这时的电压表读数U ′＝U
2
，所以
a max ＝gl 2h
.
(3)C 点设置在AB 的中间的好处是：利用这个装置还可以测定列车做匀减速运动的加速度，这时小球偏向OC 线的右方．电压表要零点在中间，量程大于U
2
.
答案：(1)a ＝g
U ′l Uh (2)gl
2h
(3)还可以测定列车做匀减速运动时的负加速度 电压表的零点在中间，量程大于U
2。