高中物理人教版 (2019)选择性必修 第二册3 利用传感器制作简单的自动控制装置精品课后测评

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基础篇
一、单选题
1.如图，某学校创建绿色校园，甲为新装的一批节能路灯，该路灯通过光控开关实现自动控制：电灯的亮度可自动随周围环境的亮度改变而改变。如图乙为其内部电路简化原理图，电源电动势为E，内阻为r，R1为光敏电阻（光照强度增大时，其电阻值减小）。现增大光照强度，则下列判断正确的是（ ）
A．路端电压不变B．R0两端电压变大
C．B灯变暗，A灯变亮 D．电源总功率不变
【答案】B
【解析】增大光照强度，光敏电阻的阻值减小，电路总电阻减小，总电流增大，电源内电压增大，路端电压减小，A错误；通过A灯上的电流减小，则通过R0的电流增大，R0两端的电压变大，B灯上的电压减小，A、B两灯均变暗，B正确，C错误；电源的总功率P＝EI会随着总电流的增大而增大，D错误。
故选：B。
2.温度传感器广泛应用于家用电器中，它是利用热敏电阻的阻值随温度变化的特性来工作的.图甲所示为某装置中的传感器工作原理图，已知电源的电动势，内电阻不计，G为灵敏电流表，其内阻保持不变；R为热敏电阻，其阻值随温度的变化关系如图乙所示.闭合开关S，当R的温度等于时，电流表示数；当电流表的示数时，热敏电阻的温度是（ ）

A．B．C．D．
【答案】D
【解析】由题图乙可知，当R的温度等于时，热敏电阻的阻值，由可得
当电流时，由，可得，结合题图乙知此时热敏电阻的温度为。
故选：D。
3.如图所示是温度自动报警器的工作原理图，图中1是电磁铁、2是衔铁、3是触点、4是水银温度计（水银导电）。则下列说法正确的是（ ）
A．温度高于警戒温度时，电铃不报警、指示灯亮
B．温度低于警戒温度时，电铃报警、指示灯熄灭
C．温度高于警戒温度时，指示灯亮、电铃报警
D．温度低于警戒温度时，指示灯亮、电铃不响
【答案】D
【解析】温度低于警戒温度时，水银柱下降，控制电路处于断路状态，电磁铁没有电流通过，电磁铁没有磁性，此时指示灯通过常闭触点与工作电路接通，通路状态指示灯亮，电铃不报警，故B错误，D正确；温度高于警戒温度时，水银柱上升，控制电路处于接通状态，电磁铁中有电流通过，电磁铁有磁性，此时电铃通过触点3与工作电路接通，电铃报警，此通路状态，指示灯的电路中没有电流，灯不亮，故A、C错误。
故选：D。
4.如图是电熨斗的结构图，下列说法不正确的是（ ）
A．双金属片上层金属的膨胀系数小于下层金属
B．常温下，上下触点接触；温度过高时，双金属片发生弯曲使上下触点分离
C．需要较高温度熨烫时，要调节调温旋钮，使升降螺丝下移并推动弹性铜片下移
D．双金属片温度传感器的作用是控制电路的通断
【答案】A
【解析】由电路可知：温度过高时，双金属片发生弯曲使上下触点分离，因此双金属片上层金属的膨胀系数应大于下层金属，A错误，B正确；需要较高温度熨烫时，要调节调温旋钮，双金属片虽发生弯曲但不使触点分离，应使升降螺丝下移并推动弹性铜片下移，C正确；利用双金属片热胀冷缩控制电路的通断，D正确。
故选：A。
5.如图所示为某居住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（ ）
①当有人通过而遮蔽光线时，A、B间的电压增大
②当有人通过而遮蔽光线时，A、B间的电压减小
③当仅增大R2的阻值时，A、B间的电压增大
④当仅减小R2的阻值时，A、B间的电压增大
A．①③B．①④C．②③ D．②④
【答案】C
【解析】由电路图可知，两电阻串联，监控装置与R2并联。当有人通过通道而遮蔽光线时，R1阻值变大，电路中的总电阻变大，电路中的电流变小，根据U＝IR可知，R2阻值不变时，其两端的电压变小，即A、B间电压降低，故①错误，②正确；当仅增大R2的阻值时，电路中的总电阻变大，电路中的电流变小，电源的内阻和R1阻值不变时，内阻和R1两端的电压变小，则R2上的电压变大，即A、B间电压变大，故③正确；当仅减小R2的阻值时，电路中的总电阻变小，电路中的电流变大，电源的内阻和R1阻值不变时，内阻和R1两端的电压变大，即A、B间电压减小，故④错误。
故选：C。
6.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( )
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
【答案】D
【解析】当门打开时，R3受红外线照射，电阻减小，则总电阻减小，总电流I增大，R2两端电压UR2＝E－I(R1＋r)减小，R2中电流IR2＝eq \f(UR2,R2)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，红灯亮，选项D正确。
故选：D。
7.如图是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
【答案】B
【解析】由电源极性及电流方向可知,A、B、C构成的电容器上的电荷量减小,根据C=QU,电容C在减小,故正对面积S减小,即h在减小,B正确。
故选：B。
提升篇
一、多选题
1.据统计交通事故逐年增加，造成交通事故的一个主要原因就是酒后驾驶，“严查酒驾”成为全国交通部门的一项重要任务．酒精测试仪是用于现场检测机动车驾驶人员是否酗酒的一种仪器，它的主要元件是由二氧化锡半导体制成的酒精气体传感器，该传感器的电阻随酒精气体浓度的变化而变化．在如图所示的电路中，不同的酒精气体浓度对应着传感器的不同电阻，这样，显示仪表的指针就与酒精气体浓度有了对应关系．如果二氧化锡半导体型酒精气体传感器电阻r′的倒数与酒精气体的浓度c成正比，则以下说法正确的是（ ）
A．U越大，表示c越小
B．U越大，表示c越大
C．检测到驾驶员喝了酒时，U的示数变小
D．U越大，表示检测到驾驶员喝酒越多
【答案】BD
【解析】AB．图中酒精传感器与R、R0串联，电压表测R0两端的电压，U越大，说明电路中电流越大，酒精传感器的电阻减小，由题：酒精气体传感器电阻r´的倒数与酒精气体的浓度c成正比，可知，c越大，故A错误，B正确；
C．检测到驾驶员喝了酒时，c增大，r´减小，电路中总电阻减小，电路中电流增大，则U的示数增大，故C错误；
D．由上分析可知，U越大，c越大，表示检测到驾驶员喝酒越多，故D正确。
故选：BD。
2.某一热敏电阻的阻值随温度的变化关系如图（a）所示，利用此热敏电阻制作温控报警器，其电路的一部分如图（b）所示，E为直流电源（电动势为9 V，内阻可忽略），当输出电压达到或超过6.0 V时，便触发报警器（图中未画出）报警。若要求开始报警时环境温度为50 ℃，则下列说法中正确的是（ ）
A.R1应使用热敏电阻
B．R2应使用热敏电阻
C．R1为固定电阻，阻值为0.4 kΩ
D．R2为固定电阻，阻值为1.6 kΩ
【答案】AD
【解析】温度升高时，该热敏电阻阻值减小，分得电压减少。而温度高时要求输出电压升高，以触发报警，所以R1为热敏电阻，R2为固定电阻；由图线可知，温度为50 ℃时，R1＝0.8 kΩ，由欧姆定律可得E＝I（R1＋R2），U＝IR2，代入数据解得R2＝1.6 kΩ，故A、D正确，B、C错误。
故选：AD。
3.某压力传感器输出的电阻的阻值会随所受压力的增大而减小。一同学利用该传感器设计了判断升降机运动状态的装置,如图甲所示,将该传感器平放在升降机内,受压面朝上,在上面放一物体M,升降机静止时电流表示数为I0。某过程中电流表的示数如图乙所示,则在此过程中( )
A.物体处于失重状态
B.物体处于超重状态
C.升降机一定向上做匀加速运动
D.升降机可能向下做匀减速运动
【答案】BD
【解析】升降机静止时电流表示数为I0,而此过程中电流表示数为2I0,由欧姆定律分析电阻的阻值变小,说明压力增大,则物体处于超重状态,故A错误,B正确。物体处于超重状态时,速度方向可能向下,也可能向上,则升降机可能向下做匀减速运动,也可能向上做匀加速运动,故C错误,D正确。
故选：BD。
4.如图是电容式声波传感器的示意图,该电路可将声音信号转化为电信号。该电路中右侧金属板b固定不动,左侧是能在声波驱动下沿水平方向左右往复运动的镀有金属层的振动膜a,a、b构成了一个平行板电容器,且通过导线与稳压电源正、负极相接,a随声源S振动而左右往复运动。下列有关分析正确的是( )
A.a左右往复运动过程中,a、b板构成的电容器的电容不变
B.a左右往复运动过程中,b板所带的电荷量不断变化
C.a左右往复运动过程中,a、b板之间的电场强度不断变化
D.a左右往复运动过程中,灵敏电流计中始终有方向不变的电流
【答案】BC
【解析】由于平行板电容器两极板与电池两极始终连接,两板间的电压U保持不变,根据电场强度公式E=Ud、电容的决定式C=εrS4πkd,可判断出A错,C对;a、b板所带电荷量Q=CU,电容C变化导致Q变化,B对;由于声源S振动,电容C不断变化导致电荷量Q不断变化,所以电容器出现反复性的充电、放电现象。显然,电流计中电流方向不断变化,D错。
故选：BC。
5.某同学设计了一个探究电容器所带电荷量与电容器两极间电压关系的实验,实验电路如图甲所示,其中P为电流传感器,V为电阻很大的电压表。实验时,先将开关S1闭合,单刀双掷开关S2掷向a,调节滑动变阻器的滑片到某位置使电容器C充电,当电路达到稳定后记录理想电压表的示数。再迅速将开关S2掷向b,使电容器放电。电流传感器P将电容器充、放电过程中的电流数据传送给计算机,在计算机上可显示出电流i随时间t变化的图像如图乙所示。然后改变滑动变阻器滑片的位置,重复上述步骤,记录多组电流随时间变化的图像和电压表的示数。对于这个实验过程和由图像及数据所得出的结果,下列说法正确的是( )
甲
乙
A.流过电流传感器P的充电电流和放电电流方向相同
B.图乙中的第①段(充电阶段)电流曲线与横轴所围图形的面积表示电容器充电结束时所带的电荷量
C.电容器充电结束时所带电荷量随电容器充电结束时两极间电压变化的关系图像应为一条过原点的倾斜直线
D.电容器充电结束时所带电荷量与滑动变阻器滑片的位置无关
【答案】BC
【解析】流过电流传感器P的充电电流和放电电流方向相反,选项A错误;题图乙中的第①段(充电阶段)电流曲线与横轴所围图形的面积表示电容器充电结束时所带的电荷量,选项B正确;由C=QU可知,电容器充电结束时所带电荷量随电容器充电结束时两极间电压变化的关系图像应为一条过原点的倾斜直线,选项C正确;电容器充电结束时所带电荷量与滑动变阻器滑片的位置有关,选项D错误。
故选：BC。
二、非选择题：
1.一块N型半导体薄片（称霍尔元件），其横截面为矩形，体积为b×c×d，如图所示．已知其单位体积内的电子数为n、电阻率为ρ、电子电荷量e，将此元件放在匀强磁场中，磁场方向沿z轴方向，并通有沿x轴方向的电流I．
(1)此元件的CC/两个侧面中，哪个面电势高？
(2)试证明在磁感应强度一定时，此元件的CC/ 两个侧面的电势差与其中的电流成正比；
(3)磁强计是利用霍尔效应来测量磁感应强度B的仪器．其测量方法为：将导体放在匀强磁场之中，用毫安表测量通以电流I，用毫伏表测量C、C/间的电压U， 就可测得B．若已知其霍尔系数，并测得U =0.6mV，I=3mA．试求该元件所在处的磁感应强度B的大小．
【答案】（1）电势较高，（2）由I=nebdv和得，所以侧面的电势差与其中的电流成正比，（3）0.02T
【解析】（1）电子在洛伦兹力作用下向侧面C移动，故电势较高
（2）假设定向移动速度为v，
由，q=nebdvt 可得 I=nebdv
稳定时有：
可得·
由于B、n、e、d均为定值 ，所以侧面的电势差与其中的电流成正比
（3）由上可知
代入数据可得：B=0.02。
２.如图甲所示是大型机械厂里用来称重的电子吊秤，其中实现称重的关键元件是拉力传感器。其工作原理是：挂钩上挂上重物，传感器中拉力敏感电阻丝在拉力作用下发生形变，拉力敏感电阻丝的电阻也随着发生变化，再经相应的测量电路把这一电阻变化转换为电信号（电压或电流），从而完成将所称物体重量变换为电信号的过程。
（1）简述拉力敏感电阻丝的阻值随拉力变化的原因_______________。
（2）小明找到一根拉力敏感电阻丝RL，其阻值随拉力变化的图像如图乙所示，再按图丙所示电路制作了一个简易“吊秤”。电路中电源电动势E约15 V，内阻约2 Ω；灵敏毫安表量程为10 mA，内阻约5 Ω；R是电阻箱，最大阻值是9 999 Ω；RL接在A、B两接线柱上，通过光滑绝缘滑环可将重物吊起，接通电路完成下列操作。
a．滑环下不吊重物时，调节电阻箱，当电流表为某一合适示数I时，读出电阻箱的读数R1；
b．滑环下吊上待测重物，测出电阻丝与竖直方向的夹角为θ；
c．调节电阻箱，使__________，读出此时电阻箱的读数R2；
d．算得图乙直线的斜率k和截距b；则待测重物的重力G的表达式为G＝__________（用以上测得的物理量表示），测得θ＝53°（sin53°＝0.8，cs53°＝0.6），R1、R2分别为1 052 Ω和1 030 Ω，结合乙图信息，可得待测重物的重力G＝________N（结果保留三位有效数字）。
（3）针对小明的设计方案，为了提高测量重量的精度，你认为下列措施可行的是__________。
A．将毫安表换成量程不同，内阻更小的毫安表
B．将毫安表换成量程为10 μA的微安表
C．将电阻箱换成精度更高的电阻箱
D．适当增大A、B接线柱之间的距离
【答案】（1）电阻丝受拉力时，长度增加而横截面积减小，根据电阻定律知其阻值增大 （2）c.电流表的示数仍为I
d． eq \f(2（R1－R2）cs θ,k) 132 （3）C、D
【解析】（1）电阻丝受拉力时，长度增加而横截面积减小，根据电阻定律知其阻值增大；
（2）根据等效替代法测电阻，调节电阻箱，使电流表的示数仍为I；由其阻值随拉力变化的图像可得：
k＝ eq \f(ΔR,ΔF) ＝ eq \f(1 040－1 000,200) Ω/N＝0.2 Ω/N
由平衡条件得：2ΔF cs θ＝G
由等效替代法测电阻得：ΔR＝R1－R2
联立解得：G＝ eq \f(2（R1－R2）cs θ,k)
可得待测重物的重力
G＝ eq \f(2×（1 052－1 030）×0.6,0.2) N＝132 N
（3）为了提高测量重量的精度，将电阻箱换成精度更高的电阻箱，适当增大A、B接线柱之间的距离，使得拉力敏感电阻丝的受力大一些。根据闭合电路欧姆定律得电流I＝ eq \f(E,R总) 只有几毫安，所以不能将毫安表换成量程为10 μA的微安表，或不能将毫安表换成其他量程，故选C、D。
3.为了节能和环保，一些公共场所用光控开关控制照明系统，光控开关可用光敏电阻控制，如图甲所示是某光敏电阻阻值随光照强度变化曲线，照度可以反映光的强弱，光越强照度越大，照度单位为：勒克斯（lx）。
（1）如图乙所示，电源电动势为3 V，内阻不计，当控制开关两端电压上升至2 V时控制开关自动启动照明系统。要求当天色渐暗照度降至1.0 lx时控制开关接通照明系统，则R1＝________kΩ。
（2）某同学为了测量光敏电阻在不同照度下的阻值，设计了如图戊所示的电路进行测量，电源（E＝3 V，内阻未知），电阻箱（0～99 999 Ω）。实验时将电阻箱阻值置于最大，闭合S1，将S2与1相连，减小电阻箱阻值，使灵敏电流计的示数为I，图丙为实验时电阻箱的阻值，其读数为__________kΩ；然后将S2与2相连，调节电阻箱的阻值如图丁所示，此时灵敏电流计的示数恰好为I，则光敏电阻的阻值R0＝__________kΩ（结果保留3位有效数字）。
【答案】（1）10 （2）62.5 40.0
【解析】（1）电阻R1和R0串联， eq \f(R0,R1) ＝ eq \f(U0,U1) ＝ eq \f(2,1) ，当照度为1.0 lx时，电阻R0＝20 kΩ，则R1＝10 kΩ；
（2）由图可知，图丙的电阻为R2＝62.5 kΩ，图丁的电阻R′2＝22.5 kΩ，本题采用等效替代法测电阻，前后两次电路中的电流相等，则电路中的电阻相等，则有R2＝R0＋R′2，所以R0＝40.0 kΩ。