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章末总结
专题一　传感器的工作原理、常见敏感元件
[例1] (多选)如图所示,RT为正温度系数热敏电阻,R1为光敏电阻,R2和R3均为定值电阻,电源电动势为E,内阻为r,电压表为理想电压表,现发现电压表示数增大,可能的原因是(　　)
[A] 热敏电阻温度升高,其他条件不变
[B] 热敏电阻温度降低,其他条件不变
[C] 光照增强,其他条件不变
[D] 光照减弱,其他条件不变
【答案】 BD
【解析】 电压表示数增大,而R3为定值电阻,说明流经R3的电流增大,由电路结构可知,这可能是由于RT阻值减小或R1阻值增大,由热敏电阻和光敏电阻特性知,可能是由于温度降低或光照减弱,故B、D正确,A、C错误。
常见敏感电阻问题的处理方法
(1)明确各敏感电阻随所处环境的温度、光照、磁场、压力等物理量的变化而变化的情况,能从各自的特性曲线上了解或求得所需要的信息。
(2)明确所考查电学实验的原理及方法,这是解题的关键。
(3)将敏感电阻的特性与电学实验的原理方法相结合,运用所学的电学规律(如欧姆定律等)或力学规律(如牛顿运动定律等)解题。
[跟踪训练1] (多选)压敏电阻的阻值会随所受压力的增大而减小,小莉利用压敏电阻设计了判断电梯运动状态的装置,其装置示意图如图所示,将压敏电阻平放在电梯内,受压面朝上,在上面放一物体m,电梯静止时电流表示数为I0,电梯在不同的运动过程中,电流表的示数分别如图甲、乙、丙、丁所示,下列判断正确的是(　　)
[A] 图甲表示电梯可能做匀速直线运动
[B] 图乙表示电梯可能做匀加速上升运动
[C] 图丙表示电梯可能做匀加速上升运动
[D] 图丁表示电梯可能做匀减速下降运动
【答案】 AB
【解析】 题图甲中,电流不变且等于电梯静止时的读数I0,压敏电阻的电压不变,由欧姆定律和牛顿第三定律知,其阻值不变,压力等于mg不变,可能做匀速直线运动,故A符合题意;题图乙中,电流为静止时的两倍,而且不变,由欧姆定律知,其电阻减小且不变,则压力增大且大于mg不变,电梯可能做匀加速上升运动,故B符合题意;题图丙中,当电流均匀增大时,其电阻是逐渐变小的,则压力是逐渐变大的,电梯不可能做匀变速运动,故C不符合题意;同理,题图丁中电流均匀减小时,压力逐渐变小,电梯不可能做匀变速的运动,D不符合题意。
专题二　生活中传感器的实际应用
[例2] 小文利用压力传感器设计水库水位预警系统。如图所示,电路中的R1和R2,其中一个是定值电阻,另一个是压力传感器(可等效为可变电阻)。水位越高,对压力传感器的压力越大,压力传感器的电阻值越小。当a、b两端的电压大于U1时,控制开关自动开启低水位预警;当a、b两端的电压小于U2(U1、U2为定值)时,控制开关自动开启高水位预警。下列说法正确的是(　　)
[A] U1[B] R2为压力传感器
[C] 若定值电阻的阻值越大,开启高水位预警时的水位越低
[D] 若定值电阻的阻值越大,开启低水位预警时的水位越高
【答案】 C
【解析】 由题意可知,水位越高,对压力传感器的压力越大,压力传感器的电阻值越小。控制开关自动开启低水位预警时,水位较低,压力传感器的电阻值较大,由于a、b两端此时的电压大于U1,根据串联电路的特点可知,R1为压力传感器,故高水位时压力传感器的电阻值更小,R1两端电压变小,U1>U2,A、B错误;若定值电阻的阻值越大,则R1分到的电压越小,所以开启高水位预警时的水位越低,同时开启低水位预警时的水位越低,故C正确,D错误。
传感器应用问题的分析方法
(1)首先要分清哪部分是工作电路,哪部分是控制电路,例如题中的预警系统电路就是工作电路,控制开关电路就是控制电路。
(2)联系工作电路和控制电路的关键点就是传感器中的敏感元件。敏感元件感知外界环境所处的状态,做出相应的反应,促使控制电路工作,保证工作电路能在相应的设定状态之下工作。
[跟踪训练2] 交通警察在执行任务过程中,要使用一种酒精测试仪初步检测驾驶员是否属于酒后驾驶,这种酒精测试仪的内部结构如图所示,其中酒精气体传感器的电阻随酒精气体浓度的变化而变化,不同酒精浓度对应着传感器的不同电阻,这样显示仪器上的示数就与浓度有对应关系。如果酒精气体传感器的电阻的倒数与酒精气体的浓度成正比,那么电压表示数U与酒精气体浓度c之间的对应关系正确的是(　　)
[A] U越大,表示c越大,c与U成正比
[B] U越大,表示c越大,但c与U不成正比
[C] U越大,表示c越小,c与U成正比
[D] U越大,表示c越小,但c与U不成正比
【答案】 B
【解析】 设酒精气体传感器的电阻为Rc,则有E=I(r+R0+R+Rc),电压表示数U=IR0,可得U=·R0,又=kc,故有U=,故c越大,Rc越小,U越大,但c与U不成正比,选项B正确。
1.关于光敏电阻和热敏电阻,下列说法正确的是(　　)
[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
[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
【答案】 A
【解析】 光敏电阻是用半导体材料制成的,能把光照强度转换为电阻这个电学量,且其阻值随光照增强而减小,故A正确,B错误;热敏电阻也是用半导体材料制成的,能把温度这个热学量转换为电阻这个电学量,故C、D错误。
2.某小区新装了一批节能灯,如图甲所示,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。图乙为其内部电路简化原理图,电源电动势为E,内阻为r,RL为光敏电阻(光照强度增加时,其电阻值减小)。现减小光照强度,则下列判断不正确的是(　　)
[A] 电源的效率变大
[B] A灯和B灯都变亮
[C] R0两端电压变小
[D] 电源内部发热功率不变
【答案】 D
【解析】 电源的效率为η=×100%=×100%=×100%,减小光照强度,光敏电阻阻值增大,则外电阻增大,电源的效率增大,故A正确;减小光照强度,光敏电阻阻值增大,总电流减小,路端电压增大,通过A灯的电流增大,A灯变亮,通过R0的电流减小,其两端电压减小,则B灯两端电压增大,B灯变亮,故B、C正确;减小光照强度,外电阻增大,总电流减小,根据Pr=I2r知,电源内部发热功率减小,故D错误。
3.如图所示为一种温度自动报警器的原理图,其中改装的水银温度计的水银泡和某示数处引出了两个电极,要求该报警器温度升高到某一数值时报警。下列说法正确的是(　　)
[A] 温度升高至74 ℃时,灯L1亮报警
[B] 温度升高至74 ℃时,灯L2亮报警
[C] 温度升高至78 ℃时,灯L1亮报警
[D] 温度升高至78 ℃时,灯L2亮报警
【答案】 D
【解析】 当温度低于78 ℃时,继电器线圈中没有电流,此时灯L1亮,不应该报警;当温度升高到78 ℃时,继电器线圈中有电流,磁铁吸下衔铁,灯L2被接通,灯L2亮应该报警,温度升高至74 ℃时,只是灯L1亮,不会报警,故A、B、C选项错误,D选项正确。
4.氧化锡传感器主要用于燃油汽车尾气中一氧化碳浓度的检测,它的电阻随一氧化碳浓度的变化而变化。在如图甲所示的电路中,不同的一氧化碳浓度对应着传感器的不同电阻。这样,理想电压表的指针位置就与一氧化碳浓度有了对应关系,观察电压表指针就能判断一氧化碳浓度是否超标。有一种氧化锡传感器,其技术资料中给出的是电导(电阻的倒数)—一氧化碳浓度曲线,如图乙所示。下列表示一氧化碳浓度c与电压表示数U0之间关系的图像正确的是(　　)
[A] [B] [C] [D]
【答案】 A
【解析】 U0=IR0=,一氧化碳浓度c增大,电导增大,电阻R传减小,U0增大,但不是正比关系,选项A正确,B、C、D错误。
5.小春设计了一种“自动限重器”,如图甲所示。该装置由控制电路和工作电路组成,其主要元件有电磁继电器、货物装载机(实质是电动机)、压敏电阻R1和滑动变阻器R2等。压敏电阻R1的阻值随压力F变化的关系如图乙所示。当货架承受的压力达到限定值时,电磁继电器会自动控制货物装载机停止向货架上摆放物品。已知控制电路的电源电动势E=
6 V、r=2 Ω,电磁继电器线圈的阻值忽略不计。请你解答下列问题:
(1)用笔画线代替导线将图甲的电路连接完整。
(2)当电磁继电器线圈中的电流大小为 15 mA 时,衔铁被吸下。若货架能承受的最大压力为800 N,则所选滑动变阻器R2的最大阻值至少为　　　　Ω。
【答案】 (1)图见解析　(2)318
【解析】 (1)将货物装载机和上触点串联组成工作电路,将R1、滑动变阻器R2、电磁继电器线圈串联接入控制电路,连接电路如图所示。
(2)R1与R2串联,故I1=I2=Imax=15 mA=0.015 A,所以根据闭合电路欧姆定律得R1+R2+r=,由题图乙可知F=800 N时,R1=80 Ω,R2=-r-R1=(-2-80) Ω=318 Ω,即滑动变阻器R2的最大阻值至少为318 Ω。
6.一兴趣小组要组装一台酒精测试仪,它利用的是一种二氧化锡半导体型酒精气体传感器,此传感器的电阻Rx随酒精气体浓度的变化规律如图甲所示。目前我国交警常用酒精测试仪测量司机呼出气体中的酒精气体浓度,其中利用酒精测试仪测试初步认定的酒驾标准是“0.2 mg/mL≤酒精气体浓度<0.8 mg/mL”,醉驾标准是“酒精气体浓度≥0.8 mg/mL”。现能提供的器材有:
A.二氧化锡半导体型酒精气体传感器Rx
B.直流电源(电动势为5 V,内阻不计)
C.电压表(量程为0~3 V,内阻非常大,作为浓度表使用)
D.电阻箱(最大阻值为999.9 Ω)
E.定值电阻R1(阻值为20 Ω)
F.定值电阻R2(阻值为10 Ω)
G.单刀双掷开关一个,导线若干
(1)图乙是酒精测试仪电路图,请在图丙中完成实物连线。
(2)电路中R应选用定值电阻　　　　(选填“R1”或“R2”)。
(3)为便于识别,按照下列步骤调节此测试仪:
①电路接通前,先将电阻箱调为30.0 Ω,然后开关向　　　　(选填“a”或“b”)端闭合,将电压表此时指针对应的刻度线标记为 0.2 mg/mL。
②逐步减小电阻箱的阻值,电压表的示数不断变大,按照图甲数据将电压表上“电压”刻度线标为“酒精气体浓度”。当电阻箱调为　　　　 Ω时,将电压表此时指针对应的刻度线标记为0.8 mg/mL。
③将开关向另一端闭合,测试仪即可正常使用。
【答案】 (1)图见解析　(2)R2　(3)①a　②10
【解析】 (1)根据题图乙电路图,实物连接如图所示。
(2)由题图甲可知,当酒精气体浓度≥0.8 mg/mL时,Rx=10 Ω,由于电压表量程为0~3 V,电源内阻不计,根据串联分压规律有=,又E=Ux+UR,可得R的最大阻值为15 Ω,故电路中R应选用定值电阻R2。
(3)①电压表指针对应的刻度线为0.2 mg/mL,由题图甲可知此时传感器阻值为30 Ω,故电路接通前,先将电阻箱调为30.0 Ω,然后开关向a端闭合。
②电压表指针对应的刻度线为0.8 mg/mL时,由题图甲可知此时传感器阻值为10 Ω,则电阻箱调为10 Ω。
模块检测试题
(分值: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.在中国空间站中,多种传感器担负着对舱内气压监测、温度监控、交会对接的距离监测、太阳帆板自动迎对日光等任务。下列有关传感器的说法不正确的是(　　)
[A] 热敏电阻可以作为温度传感器的敏感元件
[B] 对气压的监测可以利用压力传感器
[C] 光敏传感器通过将电信号转化为光信号实现太阳帆板对阳光的自动跟踪
[D] 红外测距传感器通过将电磁波信号转化为电信号实现对距离的监测
【答案】 C
【解析】 热敏电阻可以作为温度传感器的敏感元件,A正确;对气压的监测可以利用压力传感器,B正确;光敏传感器通过将光信号转化为电信号实现太阳帆板对阳光的自动跟踪,C错误;红外测距传感器通过将电磁波信号转化为电信号实现对距离的监测,D正确。
2.我国成功研发的反隐身先进米波雷达堪称隐身飞机的克星,它标志着我国雷达研究又走向了新的里程碑。米波雷达发射无线电波的波长在1~10 m,则对该无线电波的判断正确的是(　　)
[A] 米波的频率比厘米波频率高
[B] 和机械波一样需靠介质传播
[C] 同光波一样会发生反射现象
[D] 不可能产生干涉和衍射现象
【答案】 C
【解析】 由电磁波的公式v=λf可知,波长越长的波频率越低,而米波的波长比厘米波的波长长,故米波的频率较低,选项A错误;电磁波的传播不需要介质,在真空中就可以传播,选项B错误;电磁波是一种波,波的一些反射、干涉和衍射的现象它也具有,故它也可以发生反射现象,选项C正确,D错误。
3.电磁炉具有无明火、无污染、高效节能等优点,小华仿照电磁炉原理自己制作了一个简易电磁炉,其结构简图如图所示。在线圈上端放置一盛有冷水的金属杯,接通交流电源,一段时间后杯内的水就会沸腾起来。下列说法正确的是(　　)
[A] 若将交流电源改为恒定电流,则简易电磁炉仍能正常工作
[B] 若将金属杯换作陶瓷器皿,则简易电磁炉仍能正常工作
[C] 若仅提高交变电流的频率,则简易电磁炉的功率增大
[D] 在线圈和金属杯之间放一层绝缘垫片,简易电磁炉将不能正常工作
【答案】 C
【解析】 交流电源产生变化的磁场,变化的磁场使通过金属杯的磁通量发生变化而产生涡流来加热水,如果将交流电源改为恒定电流或者将金属杯换作陶瓷器皿,将不能再产生涡流,即简易电磁炉不能正常工作,A、B错误;仅提高交变电流的频率,磁通量变化率增大,根据法拉第电磁感应定律可知,涡流增大,简易电磁炉的功率增大,C正确;交流电源产生变化的磁场能穿过绝缘垫片,通过金属杯的磁通量仍会发生变化而产生涡流,故电磁炉仍能正常工作,D错误。
4.如图所示,L为电阻很小的线圈,G1和G2为内阻可不计、零点在表盘中央的电流计。当开关S处于闭合状态时,两表的指针皆偏向右方。那么,当开关S断开时,将出现(　　)
[A] G1和G2的指针都立即回到零点
[B] G1的指针立即回到零点,而G2的指针缓慢地回到零点
[C] G1的指针缓慢地回到零点,而G2的指针先立即偏向左方,然后缓慢地回到零点
[D] G1的指针先立即偏向左方,然后缓慢地回到零点,而G2的指针缓慢地回到零点
【答案】 D
【解析】 S断开后,线圈中产生瞬时感应电动势,阻碍电流变小,所以自感电流的方向与G1原电流方向相反,与G2原电流方向相同,故选D。
5.有一种自行车,它有能向自行车车头灯泡供电的小型发电机,其原理示意图如图甲所示,图中N、S是一对固定的磁极,磁极间有一固定在绝缘转轴上的矩形线圈,转轴的一端有一个与自行车后轮边缘接触的摩擦轮。如图乙所示,当车轮转动时,因摩擦而带动摩擦轮转动,从而使线圈在磁场中转动而产生电流给车头灯泡供电。下列说法正确的是(　　)
[A] 自行车匀速行驶时线圈中产生的电流大小恒定
[B] 自行车的速度加倍,线圈中产生的电流周期加倍
[C] 线圈匝数越多,穿过线圈的磁通量的变化率越大
[D] 知道摩擦轮和后轮的半径,就可以知道后轮转一周的时间里电流方向变化的次数
【答案】 D
【解析】 自行车匀速行驶时,线圈绕垂直于磁场的轴匀速转动,产生的是交变电流,A错误;自行车速度加倍,线圈转动一圈所用时间变为原来的一半,即产生的正弦式交变电流的周期变为原来的一半,B错误;穿过线圈的磁通量的变化快慢与线圈匝数无关,C错误;如果摩擦轮的半径为r,后轮的半径为R,设后轮转一周的时间为T,则角速度ω=,根据线速度相等,则rω'=Rω=R·,则ω'==2πn,解得n=,则摩擦轮在一周时间内转动的圈数n可求,则可知道交变电流的频率,电流方向变化的次数可求,D正确。
6.一电子和一α粒子从铅盒上的小孔O竖直向上射出后,打到铅盒上方水平放置的屏幕P上的a和b两点,a点在小孔O的正上方,b点在a点的右侧,如图所示。已知α粒子的速度约为电子速度的,铅盒与屏幕之间存在匀强电场和匀强磁场,则电场和磁场方向分别可能为(　　)
[A] 电场方向水平向左,磁场方向垂直于纸面向里
[B] 电场方向水平向左,磁场方向垂直于纸面向外
[C] 电场方向水平向右,磁场方向垂直于纸面向里
[D] 电场方向水平向右,磁场方向垂直于纸面向外
【答案】 C
【解析】 带电粒子在电场和磁场中运动,打到a点的粒子静电力和洛伦兹力平衡,当电场方向水平向左,磁场方向垂直于纸面向里时,α粒子受到向左的静电力和洛伦兹力,电子受到向右的静电力和洛伦兹力,均不能满足受力平衡打到a点,A错误。电场方向水平向左,磁场方向垂直于纸面向外,此时如果α粒子打在a点,则受到向左的静电力和向右的洛伦兹力,受力平衡有qE=qvB,解得v=,由于电子速度大,受到向左的洛伦兹力大于向右的静电力,故电子向左偏转,同理,如果电子打在a点,则α粒子受到向左的静电力大于向右的洛伦兹力,故向左偏转,均不会打在b点,B错误。电场方向水平向右,磁场方向垂直于纸面向里,如果α粒子打在a点,即受到向右的静电力和向左的洛伦兹力,受力平衡有qE=qvB,解得v=,由于电子速度大,受到向右的洛伦兹力大于向左的静电力,故向右偏转,同理,如果电子打在a点,则α粒子受到向右的静电力大于向左的洛伦兹力,故向右偏转,均会打在b点;电场方向水平向右,磁场方向垂直于纸面向外时,α粒子受到向右的静电力和洛伦兹力,电子受到向左的静电力和洛伦兹力,均不能受力平衡打到a点,C正确,D错误。
7.如图所示为一理想变压器输电网络,输入端接入的交流电源电压的有效值恒为U,R1为定值电阻,三个灯泡L1、L2、L3的阻值始终不变。在滑动变阻器R2的滑片从a端滑向b端的过程中,三个灯泡始终发光且电压均未超过额定电压。下列说法正确的是(　　)
[A] L1亮度不变,L2变亮,L3变暗
[B] L1变暗,L2变亮,L3变暗
[C] R1消耗的电功率增大
[D] 变压器的输出电压减小
【答案】 B
【解析】 设变压器原、副线圈的匝数比为k,次级电流为I2,次级总电阻为R,则初级电流I1=,初级电压为U1=U-I1RL1=U-RL1,次级电压U2==-RL1=I2R,解得I2=,在滑动变阻器R2的滑片从a端滑向b端的过程中,R2阻值变大,则次级总电阻R变大,根据I2=可知,次级电流I2减小,R1消耗的电功率减小,选项C错误;根据U2==-RL1,可知次级电流I2减小,U2变大,即变压器的输出电压变大,选项D错误;根据I1=,可知次级电流I2减小,则初级电流I1减小,则L1变暗,根据上述分析可知U2变大,R1电压减小,则L2两端电压变大,即L2变亮,次级电流I2减小,L2电流变大,则L3电流减小,即L3变暗,故选项A错误,B正确。
8.如图所示,一根长导线弯曲成“∏”形,通以直流电I,正中间用绝缘线悬挂一金属环C,环与导线处于同一竖直平面内。在电流I增大的过程中,下列判断正确的是(　　)
[A] 金属环中无感应电流产生
[B] 金属环中有逆时针方向的感应电流
[C] 金属环C所受安培力方向向上
[D] 悬挂金属环C的绝缘线的拉力小于环的重力
【答案】 B
【解析】 Φ=BS,S不变,I增大,B增大,所以金属环中有感应电流产生,A错误;由楞次定律和安培定则得,感应电流沿逆时针方向,B正确;由于金属环的上半部分的平均磁感应强度大于下半部分,因此安培力以金属环上半部分为主,I方向向左,B垂直于纸面向里,F安方向向下,所以F拉=mg+F安,拉力大于重力,C、D错误。
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,全部选对得4分,选对但不全的得2分,有选错的得0分。
9.如图所示,某手机采用磁吸式无线充电,将充电器和手机紧密结合在一起,可以降低能量损耗。充电时充电器的发射线圈接在电压有效值为220 V的正弦式交流电源上,手机的接收线圈的电压有效值为12 V,功率为44 W,不计充电过程中的能量损耗,下列说法正确的是(　　)
[A] 接收线圈的工作原理是电磁感应现象
[B] 发射线圈的工作原理是电流的热效应
[C] 发射线圈和接收线圈的匝数比为11∶3
[D] 正常充电时,充电器发射线圈的输入电流为0.2 A
【答案】 AD
【解析】 接收线圈的工作原理是电磁感应现象,A正确;发射线圈的原理是电流的磁效应,B错误;根据变压器原、副线圈电压与匝数的关系可知===,C错误;因为不计能量损耗,所以发射线圈的输入功率等于接收线圈的输出功率,因此正常充电时,充电器发射线圈的输入电流I== A=0.2 A,D正确。
10.如图所示,金属棒ab质量为m,通过电流为I,处在磁感应强度为B的匀强磁场中,磁场方向与导轨平面夹角为θ,ab静止于宽为L的水平导轨上。下列说法正确的是(　　)
[A] 金属棒受到的安培力大小为F=BILsin θ
[B] 金属棒受到的摩擦力大小为f=BILcos θ
[C] 若只改变电流方向,金属棒对导轨的压力将增大
[D] 若只增大磁感应强度B,金属棒对导轨的压力将减小
【答案】 CD
【解析】 金属棒与磁场方向垂直,其受到的安培力大小F=BIL,故A错误;电流方向从a到b,对金属棒受力分析如图所示,
根据平衡条件有f=Fsin θ=BILsin θ,N=G-Fcos θ=G-BILcos θ,若只增大磁感应强度B,导轨对金属棒的支持力减小,所以金属棒对导轨的压力减小,故B错误,D正确;若只改变电流方向,安培力方向将变为斜向右下,安培力在竖直方向上的分力竖直向下,所以金属棒对导轨的压力将增大,故C正确。
11.如图所示,在磁感应强度B=2 T的匀强磁场中,有一个半径r=0.5 m 的金属圆环,圆环所在的平面与磁感线垂直。OA是一根金属棒,它沿着顺时针方向以20 rad/s的角速度绕圆心O匀速转动,且A端始终与圆环相接触,OA棒的电阻R=0.1 Ω,图中定值电阻R1=100 Ω,
R2=4.9 Ω,电容器的电容C=100 pF,圆环和连接导线的电阻忽略不计,则(　　)
[A] 电容器上极板带负电
[B] 稳定后电容器所带电荷量为4.9×10-7 C
[C] 电路中消耗的电功率为5 W
[D] 稳定后的金属棒转动一周时在棒上产生的焦耳热为 J
【答案】 CD
【解析】 根据右手定则知,感应电流的方向由O →A,由题中图示电路图可知,电容器上极板电势高,下极板电势低,电容器上极板带正电,下极板带负电,A错误;感应电动势E=
Br2ω=×2×0.52×20 V=5 V,电路电流I==1 A,电路消耗的电功率P=EI=5×1 W=5 W,稳定后电容器所带电荷量为Q=CUc=CIR2=100×10-12×1×4.9 C=4.9×10-10 C,B错误,C正确;根据ω=,解得T= s,稳定后的金属棒转动一周时在棒上产生的焦耳热Q=I2RT= J,
D正确。
12.如图所示,在平面直角坐标系中有一个垂直于纸面向里的圆形匀强磁场(图中未画出),其边界过原点O和y轴上的点a(0,L),一质量为m、电荷量为e的电子从a点以初速度v0平行于x轴正方向射入磁场,并从x轴上的b点射出磁场,此时速度方向与x轴正方向的夹角为60°。下列说法正确的是(　　)
[A] 电子在磁场中运动的时间为
[B] 电子在磁场中运动的时间为
[C] 磁场区域的圆心坐标为(,)
[D] 电子在磁场中做圆周运动的圆心坐标为(0,-2L)
【答案】 BC
【解析】 作出几何关系图如图所示,电子在磁场中做圆周运动的半径 r=2L,圆心角为,则弧长为·2L=L,故运动时间为t=,A错误,B正确;连接ab,ab的中点必为圆形匀强磁场的圆心,O'b=2L,则Ob=L,故磁场区域的圆心坐标为(L,),C正确;电子在磁场中做圆周运动的圆心O'坐标为(0,-L),D错误。
三、非选择题:本题共6小题,共60分。
13.(8分)某兴趣小组用如图甲所示的可拆变压器进行“探究变压器原、副线圈电压与匝数的关系”实验。
(1)下列说法正确的是　　　　　。(多选)
A.变压器工作时,通过铁芯导电把电能由原线圈输送到副线圈
B.变压器工作时,在原线圈上将电能转化为磁场能,在副线圈上将磁场能转化为电能
C.理想变压器的输入功率等于输出功率,没有能量损失
D.变压器副线圈上不接负载时,原线圈两端电压为零
(2)实际操作中将电源接在原线圈的“0”和“800”两个接线柱之间,测得副线圈的“0”和“400”两个接线柱之间的电压为3.0 V,则可推断原线圈的输入电压可能为　　　　　。
A.3.0 V B.5.3 V C.6.0 V D.6.2 V
(3)图乙为某电学仪器原理图,图中变压器为理想变压器。左侧虚线框内的交流电源与串联的定值电阻R0可等效为该电学仪器电压输出部分,该部分与一理想变压器的原线圈连接;一可变电阻R与该变压器的副线圈连接,原、副线圈的匝数分别为n1、n2。在交流电源的电压有效值U0不变的情况下,调节可变电阻R的过程中,当=　　 　时,R获得的功率最大。
【答案】 (1)BC　(2)D　(3)()2
【解析】 (1)变压器是通过互感工作,而不是通过铁芯导电把电能由原线圈输送到副线圈,故A错误;变压器工作时,在原线圈上将电能转化为磁场能,在副线圈上将磁场能转化为电能,故B正确;理想变压器忽略能量损失,原线圈输入功率全部转化为副线圈输出功率,故C正确;变压器的原线圈两端电压由发电机提供,则副线圈上不接负载时,原线圈两端电压不变,不为零,故D错误。
(2)若是理想变压器,则变压器原、副线圈两端的电压与匝数的关系为=,根据题意可知原、副线圈匝数比为2∶1,副线圈两端电压为3.0 V,则原线圈两端电压应该为6.0 V;实际操作中,不是理想变压器,需要考虑损失部分,则原线圈所接电压大于6.0 V。故选D。
(3)把变压器和R等效为一个电阻R1,R0当作电源内阻,当内、外电阻相等时,即R1=R0时,输出功率最大,根据=得=,将公式=代入上式,可得=()2,从而得出=()2,此时R获得的功率最大。
14.(10分)小东想通过实验探究一个热敏电阻的特性。
(1)为探究热敏电阻的特性,设计了如图甲所示的电路,R0为电阻箱,R为热敏电阻,开关S、S1、S2先断开,滑动变阻器的滑片移到最　　　 　(选填“左”或“右”)端。
(2)实验时,温控室的温度为t0,闭合S、S1,调节滑动变阻器的滑片,使电流表有合适的示数I0,现断开S1、闭合S2,滑动变阻器的滑片不动,调节电阻箱R0的阻值,R0=90 Ω时,电流表的示数也为I0,则此温度t0下的热敏电阻阻值为　　 　　 Ω。多次改变温控室的温度,重复上述实验过程,测得多组热敏电阻在不同温度t下对应的电阻值R,作出R-t图像,如图乙所示,温控室温度t0为　　　　　 ℃。
(3)把这个热敏电阻接入如图丙所示的电路中,可以制作温控报警器。已知电源电动势为
9 V,内阻r=2 Ω,R2=50 Ω;当图丙中的电流表A达到或超过0.5 A时,便触发报警器(图丙中未画出)报警。若要求开始报警时环境温度为80 ℃,图丙中R1阻值为　　　　　 Ω。(结果保留2位有效数字)
【答案】 (1)左　(2)90　30　(3)20
【解析】 (1)为保护用电器的使用安全,滑动变阻器的滑片移到最左端,确保闭合开关瞬间,流过电流表的电流为零。
(2)实验中,用电阻箱代替热敏电阻,二者阻值相等。在题图乙中找到纵轴坐标为90 Ω的图线上对应的横轴坐标为30 ℃。
(3)在题图乙中读出环境温度为80 ℃时热敏电阻的阻值为30 Ω,根据闭合电路欧姆定律有I==,代入数据解得R1=20 Ω。
15.(8分)如图所示,一根足够长的光滑绝缘杆MN,与水平面夹角为37°,固定在竖直平面内,垂直于纸面向里的匀强磁场B充满杆所在的空间,杆与B垂直,质量为m的带电小环沿杆下滑到图中的P处时,对杆有垂直于杆向下的压力作用,压力大小为0.4mg,已知小环的带电荷量为q,取cos 37°=0.8,sin 37°=0.6。问:
(1)小环带什么电
(2)小环滑到P处时的速度为多大
【答案】 (1)负电　(2)
【解析】 (1)小环重力在垂直于杆方向上的分力G1=Gcos 37°=0.8mg,
根据题意,小环对杆的压力小于0.8mg,所以,小环受到洛伦兹力的方向应垂直于杆向上,根据左手定则,小环带负电。
(2)在垂直于杆的方向上,根据平衡条件有F+N=G1,
又洛伦兹力F=qvB,
可得P处的小环速度v=。
16.(10分)在探究变压器的两个线圈电压的关系时,小亮自己绕制了两个线圈套在可拆变压器的铁芯上,组成了一个新变压器,如图甲所示,线圈a匝数为90,线圈a作为原线圈连接到学生电源的交流输出端,电源输出的电压如图乙所示。线圈b匝数为10,线圈b接小灯泡,小灯泡电阻为 4 Ω。若他组成的新变压器可视为理想变压器,线圈及导线电阻不计。
(1)求电源输出的电压的表达式。
(2)求小灯泡两端的电压有效值。
(3)在小灯泡旁边并联一个电阻也为4 Ω的定值电阻,流过线圈a的电流是多少
【答案】 (1)u=36sin 100πt(V)　(2)4 V (3) A
【解析】 (1)由题图乙可知,电源输出电压的峰值为Um=36 V,
周期T=0.02 s,
电源输出的电压的表达式u=Umsin t,
代入数据可得u=36sin 100πt(V)。
(2)电源输出的电压有效值为U1==36 V,
由理想变压器电压与线圈匝数的关系有==,
解得小灯泡两端的电压有效值为U2=4 V。
(3)在小灯泡旁边并联一个电阻也为4 Ω的定值电阻,则副线圈中负载总电阻为R总=2 Ω,
由欧姆定律可得,通过副线圈的电流为I2== A=2 A,
由理想变压器电流与匝数的关系有==,
解得流过线圈a的电流是I1= A。
17.(12分)在范围足够大、方向竖直向下的匀强磁场中,磁感应强度B=0.2 T,有一水平放置的光滑框架,宽度L=0.4 m,如图所示,框架上放置一质量m=0.05 kg、电阻R=1 Ω的金属杆cd,框架电阻不计。若杆cd在水平外力F的作用下以恒定加速度 a=2 m/s2由静止开始做匀变速运动,以杆cd刚开始做匀变速运动时为零时刻,求:
(1)在0~5 s内平均感应电动势;
(2)第5 s末回路中的电流I;
(3)第5 s末作用在杆cd上的水平外力F的大小。
【答案】 (1)0.4 V　(2)0.8 A　(3)0.164 N
【解析】 (1)t=5 s内金属杆的位移x=at2=25 m,
0~5 s内的平均速度==5 m/s,
故平均感应电动势=BL=0.4 V。
(2)第5 s末杆的速度v=at=10 m/s,
此时感应电动势E=BLv=0.8 V,
则回路中的电流为I==0.8 A。
(3)第5 s末cd杆所受安培力F安=BIL,由牛顿第二定律得F-F安=ma,
由以上两式得F=ma+BIL=0.05×2 N+0.2×0.8×0.4 N=0.164 N。
18.(12分)如图所示,在直角坐标系平面第一象限内有以虚线OP为理想边界的匀强电场和匀强磁场区域,OP与x轴夹角为α=45°,OP与y轴之间的电场平行于y轴向上,OP与x轴之间的磁场垂直于纸面向里。在y轴上有一点M,M到O点的距离为3d。现有一个质量为m、电荷量为q的带负电粒子,从M点以速度v0垂直于y轴向右进入电场区域,粒子离开电场后从OP上的N点进入磁场区域,已知N点到x轴的距离为2d。粒子经过磁场后从x轴上C点离开,且速度方向与x轴垂直,不计带电粒子所受到的重力。求:
(1)电场强度大小E;
(2)磁感应强度大小B和粒子从M点运动到C点所用的总时间t。
【答案】 (1)　(2)　
【解析】 (1)由题意知,粒子从M到N做类平抛运动,轨迹如图所示,
在沿y轴方向,有qE=ma,
位移大小为Δy1=d=t,
沿x轴正方向做匀速运动,
Δx1=2d=v0t,
解得vy=v0,
又vy=at,
联立求得电场强度大小为E=。
(2)由题意知,粒子从N点垂直于OP进入磁场,到从C点垂直于x轴离开磁场,则粒子在磁场中做圆周运动的半径R=LON=2d,
在N点粒子速度与OP垂直,大小为v=v0,
由牛顿第二定律qvB=m,
解得B=,
由运动规律知,粒子在电场和磁场中运动的总时间为t=+=。(共32张PPT)
章末总结
知识整合·构建网络
专题研析·拓展提升
专题一　传感器的工作原理、常见敏感元件
[例1] (多选)如图所示,RT为正温度系数热敏电阻,R1为光敏电阻,R2和R3均为定值电阻,电源电动势为E,内阻为r,电压表为理想电压表,现发现电压表示数增大,可能的原因是(　 　)
[A] 热敏电阻温度升高,其他条件不变
[B] 热敏电阻温度降低,其他条件不变
[C] 光照增强,其他条件不变
[D] 光照减弱,其他条件不变
BD
【解析】 电压表示数增大,而R3为定值电阻,说明流经R3的电流增大,由电路结构可知,这可能是由于RT阻值减小或R1阻值增大,由热敏电阻和光敏电阻特性知,可能是由于温度降低或光照减弱,故B、D正确,A、C错误。
常见敏感电阻问题的处理方法
(1)明确各敏感电阻随所处环境的温度、光照、磁场、压力等物理量的变化而变化的情况,能从各自的特性曲线上了解或求得所需要的信息。
(2)明确所考查电学实验的原理及方法,这是解题的关键。
(3)将敏感电阻的特性与电学实验的原理方法相结合,运用所学的电学规律
(如欧姆定律等)或力学规律(如牛顿运动定律等)解题。
·规律总结·
[跟踪训练1] (多选)压敏电阻的阻值会随所受压力的增大而减小,小莉利用压敏电阻设计了判断电梯运动状态的装置,其装置示意图如图所示,将压敏电阻平放在电梯内,受压面朝上,在上面放一物体m,电梯静止时电流表示数为I0,电梯在不同的运动过程中,电流表的示数分别如图甲、乙、丙、丁所示,下列判断正确的是(　 　)
[A] 图甲表示电梯可能做匀速直线运动
[B] 图乙表示电梯可能做匀加速上升运动
[C] 图丙表示电梯可能做匀加速上升运动
[D] 图丁表示电梯可能做匀减速下降运动
AB
【解析】 题图甲中,电流不变且等于电梯静止时的读数I0,压敏电阻的电压不变,由欧姆定律和牛顿第三定律知,其阻值不变,压力等于mg不变,可能做匀速直线运动,故A符合题意;题图乙中,电流为静止时的两倍,而且不变,由欧姆定律知,其电阻减小且不变,则压力增大且大于mg不变,电梯可能做匀加速上升运动,故B符合题意;题图丙中,当电流均匀增大时,其电阻是逐渐变小的,则压力是逐渐变大的,电梯不可能做匀变速运动,故C不符合题意;同理,题图丁中电流均匀减小时,压力逐渐变小,电梯不可能做匀变速的运动,D不符合题意。
专题二　生活中传感器的实际应用
[例2] 小文利用压力传感器设计水库水位预警系统。如图所示,电路中的R1和R2,其中一个是定值电阻,另一个是压力传感器(可等效为可变电阻)。水位越高,对压力传感器的压力越大,压力传感器的电阻值越小。当a、b两端的电压大于U1时,控制开关自动开启低水位预警;当a、b两端的电压小于U2(U1、U2为定值)时,控制开关自动开启高水位预警。下列说法正确的是(　　)
[A] U1[B] R2为压力传感器
[C] 若定值电阻的阻值越大,开启高水位预警时的水位越低
[D] 若定值电阻的阻值越大,开启低水位预警时的水位越高
C
【解析】 由题意可知,水位越高,对压力传感器的压力越大,压力传感器的电阻值越小。控制开关自动开启低水位预警时,水位较低,压力传感器的电阻值较大,由于a、b两端此时的电压大于U1,根据串联电路的特点可知,R1为压力传感器,故高水位时压力传感器的电阻值更小,R1两端电压变小,U1>U2,A、B错误;若定值电阻的阻值越大,则R1分到的电压越小,所以开启高水位预警时的水位越低,同时开启低水位预警时的水位越低,故C正确,D错误。
传感器应用问题的分析方法
(1)首先要分清哪部分是工作电路,哪部分是控制电路,例如题中的预警系统电路就是工作电路,控制开关电路就是控制电路。
(2)联系工作电路和控制电路的关键点就是传感器中的敏感元件。敏感元件感知外界环境所处的状态,做出相应的反应,促使控制电路工作,保证工作电路能在相应的设定状态之下工作。
·规律总结·
[跟踪训练2] 交通警察在执行任务过程中,要使用一种酒精测试仪初步检测驾驶员是否属于酒后驾驶,这种酒精测试仪的内部结构如图所示,其中酒精气体传感器的电阻随酒精气体浓度的变化而变化,不同酒精浓度对应着传感器的不同电阻,这样显示仪器上的示数就与浓度有对应关系。如果酒精气体传感器的电阻的倒数与酒精气体的浓度成正比,那么电压表示数U与酒精气体浓度c之间的对应关系正确的是(　　)
[A] U越大,表示c越大,c与U成正比
[B] U越大,表示c越大,但c与U不成正比
[C] U越大,表示c越小,c与U成正比
[D] U越大,表示c越小,但c与U不成正比
B
达标训练·检测效果
1.关于光敏电阻和热敏电阻,下列说法正确的是(　　)
[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
[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
A
【解析】 光敏电阻是用半导体材料制成的,能把光照强度转换为电阻这个电学量,且其阻值随光照增强而减小,故A正确,B错误;热敏电阻也是用半导体材料制成的,能把温度这个热学量转换为电阻这个电学量,故C、D错误。
2.某小区新装了一批节能灯,如图甲所示,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。图乙为其内部电路简化原理图,电源电动势为E,内阻为r,RL为光敏电阻(光照强度增加时,其电阻值减小)。现减小光照强度,则下列判断不正确的是(　　)
[A] 电源的效率变大
[B] A灯和B灯都变亮
[C] R0两端电压变小
[D] 电源内部发热功率不变
D
3.如图所示为一种温度自动报警器的原理图,其中改装的水银温度计的水银泡和某示数处引出了两个电极,要求该报警器温度升高到某一数值时报警。下列说法正确的是(　　)
[A] 温度升高至74 ℃时,灯L1亮报警
[B] 温度升高至74 ℃时,灯L2亮报警
[C] 温度升高至78 ℃时,灯L1亮报警
[D] 温度升高至78 ℃时,灯L2亮报警
D
【解析】 当温度低于78 ℃时,继电器线圈中没有电流,此时灯L1亮,不应该报警;当温度升高到78 ℃时,继电器线圈中有电流,磁铁吸下衔铁,灯L2被接通,灯L2亮应该报警,温度升高至74 ℃时,只是灯L1亮,不会报警,故A、B、C选项错误,D选项正确。
4.氧化锡传感器主要用于燃油汽车尾气中一氧化碳浓度的检测,它的电阻随一氧化碳浓度的变化而变化。在如图甲所示的电路中,不同的一氧化碳浓度对应着传感器的不同电阻。这样,理想电压表的指针位置就与一氧化碳浓度有了对应关系,观察电压表指针就能判断一氧化碳浓度是否超标。有一种氧化锡传感器,其技术资料中给出的是电导(电阻的倒数)—一氧化碳浓度曲线,如图乙所示。下列表示一氧化碳浓度c与电压表示数U0之间关系的图像正确的是(　　)
[A] [B] [C] [D]
A
5.小春设计了一种“自动限重器”,如图甲所示。该装置由控制电路和工作电路组成,其主要元件有电磁继电器、货物装载机(实质是电动机)、压敏电阻R1和滑动变阻器R2等。压敏电阻R1的阻值随压力F变化的关系如图乙所示。当货架承受的压力达到限定值时,电磁继电器会自动控制货物装载机停止向货架上摆放物品。已知控制电路的电源电动势E=6 V、r=2 Ω,电磁继电器线圈的阻值忽略不计。请你解答下列问题:
(1)用笔画线代替导线将图甲的电路连接完整。
【答案及解析】 (1)将货物装载机和上触点串联组成工作电路,将R1、滑动变阻器R2、电磁继电器线圈串联接入控制电路,连接电路如图所示。
(2)当电磁继电器线圈中的电流大小为 15 mA 时,衔铁被吸下。若货架能承受的最大压力为800 N,则所选滑动变阻器R2的最大阻值至少为　 　　Ω。
318
6.一兴趣小组要组装一台酒精测试仪,它利用的是一种二氧化锡半导体型酒精气体传感器,此传感器的电阻Rx随酒精气体浓度的变化规律如图甲所示。目前我国交警常用酒精测试仪测量司机呼出气体中的酒精气体浓度,其中利用酒精测试仪测试初步认定的酒驾标准是“0.2 mg/mL≤酒精气体浓度<
0.8 mg/mL”,醉驾标准是“酒精气体浓度≥0.8 mg/mL”。现能提供的器材有:
A.二氧化锡半导体型酒精气体传感器Rx
B.直流电源(电动势为5 V,内阻不计)
C.电压表(量程为0~3 V,内阻非常大,作为浓度表使用)
D.电阻箱(最大阻值为999.9 Ω)
E.定值电阻R1(阻值为20 Ω)
F.定值电阻R2(阻值为10 Ω)
G.单刀双掷开关一个,导线若干
(1)图乙是酒精测试仪电路图,请在图丙中完成实物连线。
【答案及解析】 (1)根据题图乙电路图,实物连接如图所示。
(2)电路中R应选用定值电阻　　　　(选填“R1”或“R2”)。
R2
(3)为便于识别,按照下列步骤调节此测试仪:
①电路接通前,先将电阻箱调为30.0 Ω,然后开关向　　　　(选填“a”或“b”)端闭合,将电压表此时指针对应的刻度线标记为 0.2 mg/mL。
a
【解析】 (3)①电压表指针对应的刻度线为0.2 mg/mL,由题图甲可知此时传感器阻值为30 Ω,故电路接通前,先将电阻箱调为30.0 Ω,然后开关向a端闭合。
②逐步减小电阻箱的阻值,电压表的示数不断变大,按照图甲数据将电压表上“电压”刻度线标为“酒精气体浓度”。当电阻箱调为　　　　 Ω时,将电压表此时指针对应的刻度线标记为0.8 mg/mL。
10
【解析】 ②电压表指针对应的刻度线为0.8 mg/mL时,由题图甲可知此时传感器阻值为10 Ω,则电阻箱调为10 Ω。
③将开关向另一端闭合,测试仪即可正常使用。
感谢观看

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