高中人教版物理选修3-2讲义练习第六章第3节实验传感器的应用Word版含答案

第3节实验：传感器的应用一、实验目的1．利用斯密特触发器设计光控开关电路和温度报警器。2．提高电子技术方面的设计和制作能力。二、实验原理1．光控开关(1)电路如图所示。(2)斯密特触发器的工作原理：斯密特触发器是一个性能特殊的非门电路，当加在它的输入端A的电压逐渐上升到某个值(1.6V)时，输出端Y会突然从高电平跳到低电平(0.25V)，而当输入端A的电压下降到另一个值的时候(0.8V)，Y会从低电平跳到高电平(3.4V)。(3)光控开关的工作原理：白天，光照强度较大，光敏电阻RG阻值较小，加在斯密特触发器输入端A的电压较低，则输出端Y输出高电平，发光二极管LED不导通；当天暗到一定程度时，RG阻值增大到一定值，斯密特触发器的输入端A的电压上升到1.6V，输出端Y突然从高电平跳到低电平，则发光二极管LED导通发光(相当于路灯)，这样就达到了使路灯天明自动熄灭，天暗自动开启的目的。2．温度报警器(1)电路如图所示。(2)工作原理：常温下，调节R1的阻值使斯密特触发器输入端A处于低电平，则输出端Y处于高电平，无电流通过蜂鸣器，蜂鸣器不发声；当温度升高时，热敏电阻RT阻值减小，斯密特触发器输入端A的电压升高，当达到某一值(高电平)时，其输出端Y由高电平跳到低电平，蜂鸣器通电，从而发出报警声。R1的阻值不同，则报警温度不同，可以通过调节R1来调节蜂鸣器的灵敏度。三、实验器材1．光控开关实验斯密特触发器、发光二极管、二极管、继电器、灯泡(6V，0.3A)、可变电阻R1(最大阻值51kΩ)、电阻R2(330Ω)、光敏电阻、集成电路实验板、直流电源(5V)、导线若干、黑纸。2．温度报警器实验斯密特触发器、蜂鸣器、热敏电阻、可变电阻R1(最大阻值1kΩ)、集成电路实验板、直流电源(5V)、导线若干、烧杯(盛有热水)。四、实验步骤1．光控开关(1)按照电路图将各元件组装到集成电路实验板上。(2)检查各元件的连接，确保无误。(3)接通电源，调节电阻R1，使发光二极管或灯泡在普通光照条件下不亮。(4)用黑纸逐渐遮住光敏电阻，观察发光二极管或灯泡的状态。(5)逐渐撤掉黑纸，观察发光二极管或灯泡的状态。2．温度报警器(1)按照电路图将各元件组装到集成电路实验板上。(2)检查各元件的连接，确保无误。(3)接通电源，调节电阻R1，使蜂鸣器常温下不发声。(4)用热水使热敏电阻的温度升高，注意蜂鸣器是否发声。(5)将热敏电阻从热水中取出，注意蜂鸣器是否发声。五、注意事项1．安装前，对器材进行测试，确保各元件性能良好后，再进行安装。2．光控开关实验中，二极管连入电路的极性不能反接，否则继电器不能正常工作。3．光控开关实验中要想天更暗时“路灯”才会亮，应该把R1的阻值调大些。4．温度报警器实验中，要使蜂鸣器在更低的温度时报警，应该把R1的阻值调大些。[例1][多选]图甲表示斯密特触发器，当加在它的输入端A的电压逐渐上升到某个值(1.6V)时，输出端Y会突然从高电平跳到低电平(0.25V)，而当输入端A的电压下降到另一个值(0.8V)的时候，Y会从低电平跳到高电平(3.4V)。图乙为一光控电路，用发光二极管LED模仿路灯，RG为光敏电阻。下列关于斯密特触发器和光控电路的说法中正确的是()A．斯密特触发器的作用是将数字信号转换为模拟信号B．斯密特触发器是具有特殊功能的非门C．要想在天更暗时路灯才会亮，应该把R1的阻值调大些D．当输出端Y突然从高电平跳到低电平时，发光二极管发光[思路点拨]解答本题的关键：(1)知道斯密特触发器的工作原理，了解非门电路的特点及其表示符号。(2)明白光敏电阻RG的阻值的大小随光照强度的增强而减小。(3)知道二极管的单向导电性。[解析]斯密特触发器是一种特殊的非门，它能把连续变化的模拟信号转换为突变的数字信号，选项A错误，B正确；如果把R1的阻值调大些，则只有RG的阻值达到更大值时，才能使斯密特触发器的A端电压达到某个值(1.6V)，即达到天更暗时路灯才会亮的目的，选项C正确；当输出端Y突然从高电平跳到低电平时，发光二极管导通发光，选项D正确。[答案]BCD[例2]利用负温度系数热敏电阻制作的热敏传感器，一般体积很小，可以用来测量很小范围内的温度变化，反应快，而且精确度高。(1)如果将负温度系数热敏电阻与电源、电流表和其他元件串联成一个电路，其他因素不变，只要热敏电阻所处区域的温度降低，电路中电流将变________(选填“大”或“小”)。(2)上述电路中，我们将电流表中的电流刻度换成相应的温度刻度，就能直接显示出热敏电阻附近的温度。如果刻度盘正中的温度为20℃(如图甲所示)，则25℃的刻度应在20℃的刻度的________(选填“左”或“右”)侧。(3)为了将热敏电阻放置在某蔬菜大棚内检测大棚内温度变化，请用图乙中的器材(可增加元器件)设计一个电路。[解析](1)因为负温度系数热敏电阻温度升高时电阻减小，温度降低时，电阻增大。故电路中电流会减小。(2)由(1)的分析知，温度越高，电流越大，25℃的刻度应对应较大电流，故在20℃对应电流刻度的右侧。(3)如图所示。[答案](1)小(2)右(3)见解析图[例3]为了节能和环保，一些公共场所使用光控开关控制照明系统。光控开关可采用光敏电阻来控制，光敏电阻是阻值随着光的照度而发生变化的元件(照度可以反映光的强弱，光越强照度越大，照度单位为lx)。某光敏电阻RP在不同照度下的阻值如下表：照度(lx)0.20.40.60.81.01.2电阻(kΩ)754028232018(1)根据表中数据，请在图(1)中给定的坐标系中描绘出阻值随照度变化的曲线，并说明阻值随照度变化的特点。(2)如图(2)所示，当1、2两端所加电压上升至2V时，控制开关自动启动照明系统。请利用下列器材设计一个简单电路，给1、2两端提供电压，要求当天色渐暗照度降低至1.0lx时启动照明系统，在虚线框内完成电路原理图。(不考虑控制开关对所设计电路的影响)提供的器材如下：光敏电阻RP(符号，阻值见上表)；直流电源E(电动势3V，内阻不计)；定值电阻：R1＝10kΩ，R2＝20kΩ，R3＝40kΩ(限选其中之一并在图中标出)；开关S及导线若干。[解析](1)如图甲所示，光敏电阻的阻值随光的照度的增大非线性减小。(2)电路原理图如图乙所示，根据串联电阻的正比分压关系，E＝3V，当照度降低至1.0lx时，由图线知，此时光敏电阻RP＝20kΩ，URP＝2V，串联电阻分压UR＝1V，由eq\f(URP,UR)＝eq\f(RP,R)＝2得R＝eq\f(RP,2)＝10kΩ，故选定值电阻R1。[答案]见解析1.如图所示，将一光敏电阻连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，表针的偏角变为θ′，则可判断()A．θ′＝θ B．θ′＜θC．θ′＞θ D．不能确定θ和θ′的关系解析：选B光敏电阻的阻值随光照强度的增强而减小，开始时有光照射，光敏电阻的阻值较小，当手掌挡住部分光线时，光敏电阻的阻值增大，因为欧姆表的零刻度在表盘的右侧，所以欧姆表测电阻时，阻值越大，指针偏角越小，所以选项B正确。2.如图所示为小型电磁继电器的构造示意图，其中L为含铁芯的线圈，P为可绕O点转动的铁片，K为弹簧，S为一对触头，A、B、C、D为四个接线柱。电磁继电器与传感器配合，可完成自动控制的要求，其工作方式是()A．A与B接信号电压，C与D跟被控电路串联B．A与B接信号电压，C与D跟被控电路并联C．C与D接信号电压，A与B跟被控电路串联D．C与D接信号电压，A与B跟被控电路并联解析：选A由题图可知A、B是电磁继电器线圈，所以A、B应接信号电压，线圈随信号电压变化使电磁继电器相吸或排斥，从而使C、D接通或断开，进而起到控制作用，故正确答案为A。3.电流传感器可以清楚地演示一些电学元件对电路中电流的影响。如图所示，在电路中接入电感线圈，闭合开关时，计算机显示的电流随时间变化的图像是()解析：选B当闭合开关时，通过电感线圈的电流是逐渐增大但并不是均匀增大的，一段时间后电流恒定，故选项B正确。4．如图所示为一种温度自动报警器的原理图，在水银温度计的顶端封入一段金属丝，以下说法正确的是()A．温度升高至74℃时，L1亮灯报警B．温度升高至74℃时，L2亮灯报警C．温度升高至78℃时，L1亮灯报警D．温度升高至78℃时，L2亮灯报警解析：选D当温度低于78℃时，线圈中没有电流，此时仅灯L1亮；当温度升高到78℃时，线圈中有电流，磁铁吸引衔铁，灯L2被接通，所以灯L2亮报警；温度升高至74℃时，线圈中没有电流，只是灯L1亮。5.在制作光控电路实验中，某同学按图所示电路将元件安装完毕后，发现将装置置入黑暗环境中接通电源时，灯泡不发光，原因不可能是()A．二极管两极接反 B．R1与RG位置颠倒C．R1阻值太小 D．灯泡被断路解析：选C由题可知若二极管接反，光线暗时，二极管上为负向电压，无法导通，灯泡不亮，A项可能；若R1与RG位置颠倒，则光线较暗时，Y端为高电平，二极管不导通，灯泡不发光，B项可能；若R1阻值太小，Y端一直为低电平，灯泡一直发光，C项不可能；灯泡断路时无法发光，D可能。6．(2016·北京高考)热敏电阻常用于温度控制或过热保护装置中。如图为某种热敏电阻和金属热电阻的阻值R随温度t变化的示意图。由图可知，这种热敏电阻在温度上升时导电能力________(选填“增强”或“减弱”)；相对金属热电阻而言，热敏电阻对温度变化的响应更______(选填“敏感”或“不敏感”)。解析：由R­t图像可知，热敏电阻在温度上升时电阻减小，则导电能力增强。相对金属热电阻，热敏电阻在相同的温度变化情况下电阻变化大，则热敏电阻对温度变化的响应更敏感。答案：增强敏感7.目前有些居民区内楼道灯的控制，使用的是一种延时开关。该延时开关的简化原理如图所示。图中D是红色发光二极管(只要有很小的电流通过就能使其发出红色亮光)，R为限流电阻，K为按钮式开关，虚线框内S表示延时开关电路，当按下K接通电路瞬间，延时开关触发，相当于S闭合，这时释放K后，延时开关S约在1min后断开，电灯熄灭。根据上述信息和原理图，我们可推断：按钮开关K按下前，发光二极管是________(填“发光的”或“熄灭的”)，按钮开关K按下再释放后，电灯L发光持续时间约________min。这一过程中发光二极管是________。限流电阻R的阻值和灯丝电阻RL相比，应满足R________RL的条件。解析：开关K按下前，S为断开，有电流经过发光二极管，故发光二极管是发光的。当按下开关K后，延时开关S闭合，二极管和R被短路，二极管不发光，由于延时开关S约1min后断开，故电灯L能持续发光1min，由于R为限流电阻，且二极管只要有很小的电流通过就能发光，故应满足R≫RL。答案：发光的1熄灭的≫8．(2017·江苏高考)某同学通过实验制作一个简易的温控装置，实验原理电路图如图1所示，继电器与热敏电阻Rt、滑动变阻器R串联接在电源E两端，当继电器的电流超过15mA时，衔铁被吸合，加热器停止加热，实现温控。继电器的电阻约20Ω，热敏电阻的阻值Rt与温度t的关系如下表所示。t/℃30.040.050.060.070.080.0Rt/Ω199.5145.4108.181.862.949.1(1)提供的实验器材有：电源E1(3V，内阻不计)、电源E2(6V，内阻不计)、滑动变阻器R1(0～200Ω)、滑动变阻器R2(0～500Ω)、热敏电阻Rt、继电器、电阻箱(0～999.9Ω)、开关S、导线若干。为使该装置实现对30～80℃之间任一温度的控制，电源E应选用________(选填“E1”或“E2”)，滑动变阻器R应选用________(选填“R1”或“R2”)。(2)实验发现电路不工作。某同学为排查电路故障，用多用电表测量各接点间的电压，则应将如图2所示的选择开关旋至________(选填“A”“B”“C”或“D”)。(3)合上开关S，用调节好的多用电表进行排查。在图1中，若只有b、c间断路，则应发现表笔接入a、b时指针________(选填“偏转”或“不偏转”)，接入a、c时指针________(选填“偏转”或“不偏转”)。(4)排除故障后，欲使衔铁在热敏电阻为50℃时被吸合，下列操作步骤的正确顺序是________。(填写各步骤前的序号)①将热敏电阻接入电路②观察到继电器的衔铁被吸合③断开开关，将电阻箱从电路中移除④合上开关，调节滑动变阻器的阻值⑤断开开关，用电阻箱替换热敏电阻，将阻值调至108.1Ω解析：(1)如果电源用E1，则在t＝30℃时电路中的最大电流Im＝eq\f(3,199.5＋20)A≈13.67mA<15mA，故不能实现对此温度的控制，因此电源应选用E2；为了在t＝80℃时实现对温度的控制，设滑动变阻器阻值的最大值至少为R′，则eq\f(6V,R′＋20Ω＋49.1Ω)＝0.015A，解得R′＝330.9Ω，因此滑动变阻器应选用R2。(2)要用多用电表的直流电压挡检测故障，应将选择开关旋至C。(3)如果只有b、c间断路，说明b点与电源的负极间没有形成通路，a、b间的电压为零，表笔接在a、b间时，指针不偏转；c点与电源的负极间形成通路，a与电源的正极相通，a、c间有电压，因此两表笔接入a、c间时指针发生偏转。(4)排除故障后，欲使衔铁在热敏电阻为50℃时被吸合，应先断开开关，用电阻箱替换热敏电阻，并将阻值调至108.1Ω，合上开关，调节滑动变阻器的阻值，直至观察到继电器的衔铁被吸合，这时断开开关，将电阻箱从电路中移除，将热敏电阻接入电路。因此操作步骤的正确顺序是⑤④②③①。答案：(1)E2R2(2)C(3)不偏转偏转(4)⑤④②③①第六章传感器(时间：50分钟满分：100分)一、选择题(本题共8小题，每小题6分，共48分，第1～5小题中只有一个选项符合题意，第6～8小题中有多个选项符合题意，全选对的得6分，选对但不全的得3分，有选错的得0分)1．如图所示，由电源、小灯泡、电阻丝、开关组成的电路中，当闭合开关S后，小灯泡正常发光。若用酒精灯加热电阻丝时，发现小灯泡亮度变暗，发生这一现象的主要原因是()A．小灯泡的电阻发生了变化B．小灯泡灯丝的电阻率随温度发生了变化C．电阻丝的电阻率随温度发生了变化D．电源的电压随温度发生了变化解析：选C电阻丝的电阻率随温度的升高而增大，电阻增大，根据I＝eq\f(U,R)知，通过小灯泡的电流减小，功率减小，所以变暗，C正确。2.如图所示是会议室和宾馆房间的天花板上装有的火灾报警器的结构原理图：罩内装有发光二极管LED、光电三极管和不透明的挡板。平时光电三极管接收不到LED发出的光，呈现高电阻状态，发生火灾时，下列说法正确的是()A．进入罩内的烟雾遮挡了光线，使光电三极管电阻更大，检测电路检测出变化发出警报B．发生火灾时，光电三极管温度升高，电阻变小，检测电路检测出变化发出警报C．发生火灾时，进入罩内的烟雾对光有散射作用，部分光线照到光电三极管上，电阻变小，发出警报D．以上说法均不正确解析：选C平时光电三极管收不到LED发出的光呈高阻值状态。发生火灾时，由于烟雾对光的散射作用，部分光线照射到光电三极管上，光电三极管导通，就会发出警报，C正确。3.如图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，把传感器接到如图所示电路中，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：选B由电源极性及电流方向可知，ABC构成的电容器上的电荷量正在减小，由Q＝CU可知C减小，根据C＝eq\f(εrS,4πkd)可知正对面积减小，即h在减小。4．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，它们组成的电容器的电容增大，选项A错误；由C＝eq\f(Q,U)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＝eq\f(U,d)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。5．如图甲所示为一种电容式位移传感器的原理图，当被测物体在左右方向发生位移时，电介质板随之在电容器两极板之间移动，已知电容器的电容与电介质板进入电容器的长度x之间的关系如图乙所示，其中C0为电介质没有插入电容器时的电容，为判断被测物体是否发生微小移动，将该电容式位移传感器与电源、电流表、开关组成串联回路(图中未画出)，被测物体的初始位置如图甲所示，电路闭合一段时间后，下列说法正确的是()A．若电源为直流电源且直流电流表示数不为零，说明物体一定在发生移动B．若电源为交流电源且交流电流表示数不为零，说明物体一定在发生移动C．若电源为直流电源且直流电流表示数变大，说明物体一定在向右发生移动D．若电源为交流电源且交流电流表示数变大，说明物体一定在向右发生移动解析：选A根据平行板电容器的电容公式C＝eq\f(εS,4πkd)，当电介质插入极板间的深度发生变化时，则电容器电容发生变化，根据Q＝CU可知，电容器极板上的电荷量发生变化，会有电流“通过”电容器。所以若电源为直流电源且直流电流表示数不为零，说明物体一定在发生移动，故A正确；电容具有“隔直流、通交流”的特点，所以若电源为交流电源，则交流电流表示数不为零，不能说明物体一定在发生移动，故B错误；若电源为直流电源且直流电流表示数变大，但没有说明电流的方向，不能判断出物体一定在向右发生移动，故C错误；若电源为交流电源且交流电流表示数变大，可能是电路中的电动势发生了变化，物体不一定在向右发生移动，故D错误。6．如图甲所示的电路中电源电动势E＝8V，电阻R与一个电流传感器相连，传感器可以将电路中的电流随时间变化的曲线显示在计算机屏幕上，先将S接2给电容器C充电，再将S接1，结果在计算机屏幕上得到如图乙所示的曲线，B为图线上的一点，将该曲线描绘在坐标纸上(坐标纸上的小方格图中未画出)，电流坐标轴每小格表示0.1mA，时间坐标轴每小格表示0.1s，曲线与AOD所围成的面积约为80个小方格，则下列说法正确的是()A．充电电流由a极板穿过电容器内部流向b极板B．B点的坐标乘积表示电容器放电过程中流过电流传感器的电荷量C．电容器充电完毕时，所带电荷量约为8×10－4CD．电容器的电容约为10－4F解析：选CD充电电流由电源正极流向a极板，而不是由a极板穿过电容器内部流向b极板，选项A错误；B点的坐标乘积不表示电容器放电过程中放出的电荷量，选项B错误；根据图像的含义，因Q＝It，所以曲线与AOD所围方格的面积表示电容器放出的电荷量，也为充电的总电荷量，Q＝0.1×10－3×0.1×80C＝8×10－4C，选项C正确；C＝eq\f(Q,U)＝eq\f(8×10－4,8)F＝10－4F，选项D正确。7.如图所示为某实验小组同学设计的拉力传感器，将劲度系数为k＝100N/cm的弹簧的一端固定在竖直墙壁上，另一端与导电性能良好的刚性拉杆相连接，在拉杆上固定一滑片。已知电路中定值电阻R0＝5Ω，R1是阻值为25Ω、长度为5cm且分布均匀的电阻丝，忽略滑片与电阻丝之间的摩擦，理想电流表允许的最大电流为0.6A，电源电动势为E＝3V(内阻不计)。当拉杆不受力时滑片位于电阻丝的最左端。则()A．定值电阻的作用是分压B．当滑片位于电阻丝的最左端时，电流表的示数为0.1AC．如果在拉杆上施加大小为400N的力，电流表的示数为0.3AD．如果在拉杆上施加大小为400N的力，电流表的示数为0.5A解析：选ABC开关闭合后，电源外电路的总阻值不能为零，接入R0的目的是为了保护电路，A正确；当滑片位于电阻丝的最左端时，电路中的电流I1＝eq\f(E,R0＋R1)＝0.1A，所以选项B正确；当拉杆上施加大小为400N的力时，由F＝kx得x＝4cm，则接入电路的R1的阻值为R1′＝eq\f(R1,L)·(L－x)＝5Ω，此时电流表示数I2＝eq\f(E,R0＋R1′)＝0.3A，C正确，D错误。8.小强在用恒温箱进行实验时，发现恒温箱的温度持续升高，无法自动控制。经检查，恒温箱的控制器没有故障。参照图，下列对故障判断错误的是()A．只可能是热敏电阻出现故障B．只可能是温度设定装置出现故障C．热敏电阻和温度设定装置都可能出现故障D．可能是加热器出现故障解析：选ABD由恒温箱原理图可知，若热敏电阻出现故障或温度设定出现故障都会向控制器传递错误信息，导致控制器发出错误指令，故C正确，A、B错误。若加热器出现故障，只有一种可能，即不能加热，而题中加热器一直加热才会使温度持续升高，故D错误。二、非选择题(本题共4小题，共52分)9.(8分)如图所示是热水器的恒温集成电路，R0是热敏电阻，温度较低时其阻值很大，温度较高时阻值很小。如果热水器中没有水或水温较高时，继电器会放开簧片，发热器断路，反之会吸住簧片接通发热器。如果热水器中没有水时，电路中BC部分就处于________(选填“断路”或“短路”)状态，则在电路图的虚线框内的门电路应是________门，当温度较低时，门电路的输入端A是________(选填“高”或“低”)电势。解析：热水器中没有水，BC部分相当于断路。热水器中没有水或水温较高时，继电器都能使发热器断路，故可判断虚线框内应是“与”门，当温度较低时，R0阻值较大，故门电路输入端A是高电势。答案：断路与高10.(12分)(1)如图甲所示为某宾馆的房卡，只有把房卡插入槽中，房间内的灯和插座才会有电。房卡的作用相当于一个________(填电路元件名称)接在干路上。(2)如图乙所示，当房客进门时，只要将带有磁铁的卡P插入盒子Q中，这时由于磁铁吸引簧片，开关B就接通，通过继电器J使整个房间的电器的总开关接通，房客便能使用室内各种用电器。当继电器工作时，cd相吸，ab便接通。请你将各接线端1、2、3、4、5、6、7、8、9、10适当地连接起来，构成正常的电门卡电路。解析：(1)房卡可以控制房间内的灯和插座，不插入槽中，所有房间内的灯和插座都不工作，所以房卡相当干路上的电键。(2)将开关B与电源E、线圈连成一个回路；将三个灯泡所在电路与交流电流接成回路，即按8－7,4－5,6－9，1－3，2－10连接起来，构成正常的电门卡电路。如图。答案：(1)电键(2)见解析图11．(14分)热敏电阻是传感电路中常用的电子元件，现用伏安法研究热敏电阻在不同温度下的伏安特性曲线，要求特性曲线尽可能完整。已知常温下待测热敏电阻的阻值为40～50Ω。热敏电阻和温度计插入带塞的保温杯中，杯内有一定量的冷水，其他备用的仪表和器材有：盛有热水的热水瓶(图中未画出)、电源(3V、内阻可忽略)、直流电流表(内阻约1Ω)、直流电压表(内阻约5kΩ)、滑动变阻器(0～10Ω)、开关、导线若干。(1)图中a、b、c三条图线能反映热敏电阻的伏安特性曲线的是____。(2)在虚线框中画出实验电路图，要求测量误差尽可能小。(3)根据电路图，在图中的实物图上连线。解析：(1)随温度的升高，热敏电阻阻值减小，在I­U图线中，任一点的eq\f(I,U)＝eq\f(1,R)，故在I­U图像中图线的斜率应变大，可见c正确。(2)热敏电阻阻值为40～50Ω。由电压表、电流表内阻知临界阻值R0＝eq\r(RVRA)＝eq\r(5000)Ω＝50eq\r(2)Ω，即热敏电阻属于小电阻，应用外接法，由于要描绘伏安特性曲线电压从0开始连续变化，因此用滑动变阻器的分压式接法，电路图如图所示。(3)实物连线如图所示：答案：(1)c(2)、(3)见解析图12．(18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2mm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＝1.0×10－3s，Δt2＝0.8×10－3s。(1)利用图乙中的数据求1s时圆盘转动的角速度。(2)说明激光器的传感器沿半径移动的方向，并说理由。解析：(1)由图线读得，转盘的转动周期T＝0.8s，角速度ω＝eq\f(2π,T)＝eq\f(2×3.14,0.8)rad/s＝7.85rad/s。(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。答案：(1)7.85rad/s(2)见解析(时间：90分钟满分：110分)一、选择题(本题共14小题，每小题4分，共56分，第1～8小题中只有一个选项符合题意，第9～14小题中有多个选项符合题意，全选对的得4分，选对但不全的得2分，有选错的得0分)1．在物理学发展过程中，观测、实验、假说和逻辑推理等方法都起到了重要作用。下列叙述不符合史实的是()A．奥斯特在实验中观察到电流的磁效应，该效应揭示了电和磁之间存在联系B．安培根据通电螺线管的磁场和条形磁铁的磁场的相似性，提出了分子电流假说C．法拉第在实验中观察到，在通有恒定电流的静止导线附近的固定导线圈中，会出现感应电流D．楞次在分析了许多实验事实后提出，感应电流应具有这样的方向，即感应电流的磁场总要阻碍引起感应电流的磁通量的变化解析：选C通有恒定电流的静止导线附近产生的磁场是不变的，在其附近的固定导线圈中没有磁通量的变化，因此，不会出现感应电流，选项C错误。2.如图所示，螺线管CD的导线绕向不明，当磁铁AB插入螺线管时，电路中有图示方向的电流产生，下列关于螺线管极性的判断正确的是()A．C端一定是N极B．C端一定是S极C．C端的极性一定与磁铁B端的极性相同D．无法判断极性，因螺线管的绕法不明解析：选CAB的插入使螺线管磁通量增大而产生感应电流，根据楞次定律知，感应电流的磁场阻碍AB插入，因此，C端极性一定和B端极性相同。3．如图甲所示，水平放置的平行金属导轨连接一个平行板电容器C和电阻R，导体棒MN放在导轨上且接触良好，整个装置放于垂直于导轨平面的磁场中，磁感应强度B的变化情况如图乙所示(如图甲所示磁感应强度方向为正)，MN始终保持静止，则0～t2时间内()A．电容器C所带的电荷量先减小后增加B．电容器C的a板先带正电后带负电C．MN所受安培力的大小始终没变D．MN所受安培力的方向先向右后向左解析：选D磁感应强度均匀变化，产生恒定感应电动势，电容器的电荷量大小始终没变，选项A、B错误；由于磁感应强度变化，MN所受安培力的大小变化，由安培定则判断得知，MN中感应电流方向一直向上，由左手定则可知，MN所受安培力的方向先向右后向左，选项C错误，D正确。4.用柔软的细金属丝弯成一个矩形闭合线框，用绝缘细线将其悬挂起来，如图所示，若匀强磁场与线框平面垂直，开始时磁场很强，当磁场均匀减弱时eq\f(ΔB,Δt)＝k，k＜0，下列说法正确的是()A．细线可能断掉B．线框将会收缩C．线框可能变成圆形D．线框绕过a的竖直轴转动解析：选C准确理解“阻碍”含义，当磁场减弱时，线框内产生感应电流，感应电流产生的磁场阻碍磁通量变化，线框面积将扩大，而最大即为圆形，故选项B错误，C正确。线框悬线拉力未变，A错误。线框绕过a的竖直轴转动时通过线框的磁通量减小，故D错误。5.物理学家霍尔于1879年在实验中发现，当电流垂直于磁场通过导体或半导体材料左右两个侧面时，在材料的上下两个表面之间产生电势差。这一现象被称作霍尔效应，产生这种效应的元件叫霍尔元件，在现代技术中被广泛应用。如图为霍尔元件的原理示意图，其霍尔电压U与电流I和磁感应强度B的关系可用公式UH＝kHeq\f(IB,d)表示，其中kH叫该元件的霍尔系数。根据你所学过的物理知识，判断下列说法正确的是()A．霍尔元件上表面电势一定高于下表面电势B．公式中的d指元件上下表面间的距离C．霍尔系数kH是一个没有单位的常数D．霍尔系数kH的单位是m3·s－1·A－1解析：选D由于通过侧面的载流子的电性是不确定的，无法判断上表面的电性故无法比较上下表面的电势高低，A错误；对于载流子，静电力和洛伦兹力平衡，故qvB＝qeq\f(UH,h)，其中h为上下两个表面的距离，电流微观表达式为I＝nqSv，则UH＝Bhv＝eq\f(hIB,nSq)，由于S＝hd，故UH＝eq\f(IB,nqd)＝kHeq\f(IB,d)，公式中的d指元件前后侧面(磁场垂直穿过的表面)间的距离，B错误；依据公式UH＝kHeq\f(IB,d)中UH、I、B、d的单位，可知系数kH的单位是m3·s－1·A－1，故C错误，D正确。6.如图所示的区域内有垂直于纸面的匀强磁场，磁感应强度为B。电阻为R、半径为L、圆心角为45°的扇形闭合导线框绕垂直于纸面的O轴以角速度ω匀速转动(O轴位于磁场边界)。则线框内产生的感应电流的有效值为()A.eq\f(BL2ω,2R) B.eq\f(\r(2)BL2ω,2R)C.eq\f(\r(2)BL2ω,4R) D.eq\f(BL2ω,4R)解析：选D扇形闭合导线框切割磁感线的有效长度始终是半径L，各点的平均速度v＝eq\f(Lω,2)，导线框进磁场和出磁场时有感应电流产生，由法拉第电磁感应定律和有效值的定义有：E＝eq\f(BL2ω,2)，eq\f(E2,R)×eq\f(T,4)＝I2RT，可得I＝eq\f(BL2ω,4R)，故D正确，A、B、C错误。7.如图所示为含有理想变压器的电路，图中的三个灯泡L1、L2、L3都标有“5V5W”字样，L4标有“5V10W”字样，若它们都正常发光，不考虑导线的能耗，则该电路的输入功率Pab和输入电压Uab应为()A．20W25V B．20W20VC．25W25V D．25W20V解析：选C该电路的输入功率为4盏灯的功率总和，即Pab＝5W＋5W＋5W＋10W＝25W。通过L1的电流I1＝1A，根据输入功率等于输出功率可得U1I1＝20W，解得U1＝20V，故电源输入电压Uab＝U1＋UL1＝25V。本题选C。8．如图甲所示是型交流发电机供电原理图，两磁极N、S间的磁场可视为水平方向匀强磁场，理想变压器原、副线圈分别与发电机和灯泡连接，灯泡标有“6V3W”字样且正常发光。从某时刻开始计时，发电机输出端的电流随时间变化的图像如图乙所示，则以下说法正确的是()A．t＝0.04s时发电机内线圈平面与磁场方向平行B．电路中的电流方向每秒钟改变50次C．变压器原、副线圈匝数之比为1∶4D．交流发电机输出电流的函数表达式i＝eq\r(2)sin50πt(A)解析：选Bt＝0.04s时电流最小为零，产生的感应电动势最小，故发电机内线圈平面与磁场方向垂直，A错误；由题图乙可知，周期T＝0.04s，一个周期内电流方向改变2次，故1s内改变的次数n＝eq\f(1,0.04)×2＝50次，B正确；流过灯泡的电流为I＝eq\f(P,U)＝0.5A，最大值Im′＝eq\r(2)I＝eq\f(\r(2),2)A，故eq\f(n1,n2)＝eq\f(Im′,Im)＝eq\f(\f(\r(2),2),0.2)＝eq\f(5\r(2),2)，C错误；交流电的角速度ω＝eq\f(2π,T)＝50πrad/s，交流发电机输出电流的函数表达式i＝0.2sin50πt(A)，D错误。9.如图所示的电路中，a、b、c为三个相同的灯泡，线圈L的自感系数很大，电阻不计，电源E内阻不计，下列判断正确的有()A．S闭合的瞬间，b、c两灯一样亮B．S闭合的瞬间，b灯最亮C．电路稳定后，将S断开的瞬间，a、c两灯立即熄灭D．电路稳定后，将S断开，a、c两灯亮度相同且逐渐变暗解析：选AD由于通过线圈L的电流会缓慢变化，当开关S闭合的瞬间，L中的电流为零，电路的结构为b、c串联后与a并联，所以a支路的电阻值小，流过a的电流大，而流过b、c的电流相等，所以S闭合的瞬间，b、c两灯一样亮，a灯最亮，A正确，B错误；当电流逐渐稳定时，线圈不产生感应电动势，此时b被短路，a、c并联，电路稳定后，将S断开，此时线圈L产生感应电动势，相当于电源，电路的结构是a、c串联后与b并联，所以a、c两灯亮度相同且逐渐变暗，C错误，D正确。10．漏电断路器是家庭电路中必不可少的一种安全保护装置，如图为其基本原理图。电源线的火线与零线并行绕在铁芯上，当与放大器相连的线圈有微小电流时，即刻会驱动电磁继电器断开电源，实现安全保护。下列相关说法正确的是()A．当与地不绝缘的人不小心触碰到火线时，漏电断路器会即刻断开电源B．当与地绝缘的人不小心同时触碰到火线与零线时，漏电断路器会即刻断开电源C．当外接电网是恒定直流电源时，漏电断路器不能正常工作D．在相同条件下，放大器绕在铁芯上的线圈匝数越多，则能检测到更微小的漏电解析：选AD由于火线和零线并行绕制，所以在家庭电路正常工作时，火线和零线的电流大小相等，方向相反，因此合磁通量为零，线圈中的磁通量为零，而当地面上的人接触火线发生触电时，火线的电流突然变大，即线圈中的磁场发生变化，导致线圈中的磁通量变化，产生感应电流，从而使继电器工作，电磁铁将开关吸起，A正确；当与地绝缘的人不小心同时触碰到火线与零线时，不会形成电流变化，从而不会引起电磁感应现象，故漏电断路器不会断开电源，B错误；当外接电网是恒定直流电源时，如果有人触电仍会产生电磁感应现象，故能正常工作，C错误；在相同条件下，放大器绕在铁芯上的线圈匝数越多，产生的感应电动势越大，则能检测到更微小的漏电，D正确。11．如图甲所示，一个圆形线圈的匝数n＝100，线圈面积S＝200cm2，线圈的电阻r＝1Ω，线圈外接一个阻值R＝4Ω的电阻，把线圈放入一方向垂直于线圈平面向里的匀强磁场中，磁感应强度随时间变化规律如图乙所示。下列说法中正确的是()A．电阻R两端的电压保持不变B．初始时刻穿过线圈的磁通量为0.4WbC．线圈电阻r消耗的功率为4×10－4WD．前4s内通过R的电荷量为4×10－4C解析：选AC根据法拉第电磁感应定律，可知磁通量的变化率恒定，所以电动势恒定，则电阻两端的电压恒定，故A正确；初始时刻穿过线圈的磁通量Φ＝BS＝0.2×200×10－4Wb＝0.004Wb，故B错误；由法拉第电磁感应定律有E＝neq\f(ΔΦ,Δt)＝neq\f(ΔB·S,Δt)＝100×eq\f(0.4－0.2,4)×0.02V＝0.1V，由闭合电路欧姆定律，可知电路中的电流为I＝eq\f(E,r＋R)＝eq\f(0.1,1＋4)A＝0.02A，所以线圈电阻r消耗的功率P＝I2r＝0.022×1W＝4×10－4W，故C正确；前4s内通过R的电荷量Q＝It＝0.02×4C＝0.08C，故D错误。12．图甲中的变压器为理想变压器，原线圈与副线圈的匝数之比n1∶n2＝10∶1，变压器的原线圈接如图乙所示的正弦式电压，两个20Ω的定值电阻串联接在副线圈两端，电压表为理想电表。则()A．原线圈上电压的有效值为100VB．原线圈上电压的有效值约为70.7VC．交变电流的周期为50HzD．电压表的读数约为3.54V解析：选BD原线圈上电压的最大值为100V，有效值约为70.7V，选项B正确A错误。交变电流的周期为0.04s，频率为25Hz，选项C错误。根据变压器变压公式，副线圈电压为7.07V，电压表的读数约为3.54V，选项D正确。13．如图所示电路中，电源电压u＝311sin100πt(V)，A、B间接有“220V，440W”的电暖宝、“220V,220W”的抽油烟机、交流电压表及保险丝。下列说法正确的是()A．交流电压表的示数为311VB．电路要正常工作，保险丝的额定电流不能小于3AC．电暖宝发热功率是抽油烟机发热功率的2倍D．1min抽油烟机消耗的电能为1.32×104J解析：选BD交流电压表的示数为220V，选项A错误。电暖宝中电流为2A，抽油烟机中电流为1A，电路要正常工作，保险丝的额定电流不能小于3A，选项B正确。电暖宝发热功率远大于抽油烟机发热功率的2倍，1min抽油烟机消耗的电能为W＝Pt＝220×60J＝1.32×104J，选项C错误D正确。14．如图所示，L1、L2为水平面上足够长的金属导轨，左端连接定值电阻R＝0.5Ω，其间有足够多等间隔反向分布的磁场区域Ⅰ和Ⅱ，磁感应强度大小均为B＝0.5T，方向垂直于导轨所在平面，每个磁场Ⅰ或Ⅱ的两个直边界的间距为L＝0.4m，长直边界在Ox上，左右曲边界恰好可以组合成相同的eq\f(1,2)周期的正弦曲线，其他边界均为直线段。导体棒MN与两导轨接触良好且始终与导轨垂直，不计导体棒及导轨的电阻。当导体棒从x＝0处沿导轨以速度v＝10m/s匀速向右滑动时，下列说法正确的是()A．通过电阻R的是交变电流B．电阻R两端电压的最大值为4VC．通过电阻R的电流有效值为2eq\r(3)AD．导体棒从x＝0处运动到x＝1.2m处的过程中电阻R上产生的热量为7.2J解析：选AC当导体棒运动时，根据E＝BLv可知随有效长度L及磁场方向的变化会产生交变电流，选项A正确；感应电动势的最大值Em＝BLmv＝2V，故电阻R两端电压的最大值为2V，选项B错误；根据有效值的定义可知eq\f(\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(Um,\r(2))))2,R)×eq\f(1,2)＋eq\f(Um2,R)×eq\f(1,2)＝eq\f(U2,R)，解得U＝eq\r(3)V，通过电阻R的电流有效值为2eq\r(3)A，选项C正确；导体棒从x＝0处运动到x＝1.2m处的过程中电阻R上产生的热量Q＝eq\f(U2,R)·eq\f(x0,v)＝0.72J，选项D错误。二、实验题(共1小题，共8分)15．(8分)有一种测量压力的电子秤，其原理图如图所示。E是内阻不计、电动势为6V的电源。R0是一个阻值为300Ω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是一个压敏电阻，其阻值可随压力大小变化而改变，其关系如下表所示。C是一个用来保护显示器的电容器。秤台的重力忽略不计。试分析：压力F/N050100150200250300…电阻R/Ω300280260240220200180…(1)利用表中的数据可知电阻R随压力F变化的函数表达式为：________________。(2)若电容器的耐压值为5V，则该电子秤的最大称量值为______N。(3)如果把电流表中电流的刻度变换成压力刻度，则该测力显示器的刻度是________的。(选填“均匀”或“不均匀”)解析：(1)由表中数据可知k＝eq\f(ΔR,ΔF)＝eq\f(20Ω,50N)＝0.4Ω/N。所以电阻R随压力F变化的函数表达式为R＝(300－0.4F)Ω。(2)R上受到的压力越大，R的阻值越小，电容器两端电压越大，但不能超过5V，所以eq\f(5V,6V)＝eq\f(R0,R0＋R)，解得R＝60Ω，又因为R＝(300－0.4F)Ω，得出F＝600N。(3)电流表中的电流I＝eq\f(E,R0＋R)＝eq\f(E,600－0.4F)，电流I与压力F不是线性关系，则该测力显示器的刻度不均匀。答案：(1)R＝(300－0.4F)Ω(2)600(3)不均匀三、计算题(共4小题，共46分)16．(10分)水力发电具有防洪、防旱、减少污染等多项功能，是功在当代，利在千秋的大事，现在水力发电已经成为我国的重要能源之一。某河流水流量Q＝40m3/s，现在欲在此河段上筑坝安装一台发电功率为1000kW的发电机，采用高压输电，高压输电线的总电阻为5Ω，损耗占总功率的5%。(1)设发电机输出电压为500V，则所用理想升压变压器原、副线圈匝数比应是多大；(2)若所用发电机总效率为50%，则拦河坝要建多高。(水的密度ρ＝1.0×103kg/m3，重力加速度g取10m/s2，设坝高与水位落差相等)解析：(1)根据输电线上的功率损耗等于输电线电阻的热功率可得0.05P＝I22R，解得升压变压器副线圈的电流I2＝100A又P＝U1I1，解得原线圈的电流I1＝2000A根据升压变压器匝数和电流的关系得eq\f(n1,n2)＝eq\f(I2,I1)＝eq\f(1,20)。(2)时间t内通过发电机的水流体积V＝Qt，又m＝ρV由能量关系可得P＝eq\f(50%mgh,t)，联立各式代入数据解得h＝5m。答案：(1)eq\f(1,20)(2)5m17．(12分)(2016·全国卷Ⅲ)如图，两条相距l的光滑平行金属导轨位于同一水平面(纸面)内，其左端接一阻值为R的电阻；一与导轨垂直的金属棒置于两导轨上；在电阻、导轨和金属棒中间有一面积为S的区域，区域中存在垂直于纸面向里的均匀磁场，磁感应强度大小B1随时间t的变化关系为B1＝kt，式中k为常量；在金属棒右侧还有一匀强磁场区域，区域左边界MN(虚线)与导轨垂直，磁场的磁感应强度大小为B0，方向也垂直于纸面向里。某时刻，金属棒在一外加水平恒力的作用下从静止开始向右运动，在t0时刻恰好以速度v0越过MN，此后向右做匀速运动。金属棒与导轨始终相互垂直并接触良好，它们的电阻均忽略不计。求：(1)在t＝0到t＝t0时间间隔内，流过电阻的电荷量的绝对值；(2)在时刻t(t＞t0)穿过回路的总磁通量和金属棒所受外加水平恒力的大小。解析：(1)在金属棒越过MN之前，t时刻穿过回路的磁通量为Φ＝ktS①设在从t时刻到t＋Δt的时间间隔内，回路磁通量的变化量为ΔΦ，流过电阻R的电荷量为Δq。由法拉第电磁感应定律有E＝eq\f(ΔΦ,Δt)②由欧姆定律有