专题5-电容式传感器模型-高考物理电场常用模型(解析版)

2023年高考物理静电场常用物理模型最新模拟题精练专题5.电容式传感器模型一．选择题1．(2023广东重点高中期末)微信运动步数的测量是通过手机内电容式加速度传感器实现的。原理如图，M和N为电容器两极板，M极板固定，N板两端与两轻弹簧连接，当手机的加速度变化时，N极板只能按图中标识的前后方向运动。下列对传感器描述正确的是（）A．保持向前匀速运动，电阻R将以恒定功率发热B．由匀速突然向前减速时，电容器所带电荷量增加C．由静止突然加速后退时，电流由a向b流过电流表D．保持向前匀减速运动时，MN间的电场强度持续减小【参考答案】．BC【名师解析】匀速运动时，N板不动，电容器的电容不变，则电荷量不变，所以回路无电流，电阻R没有热功率，故A错误；由匀速突然向前减速时，N板向前运动，则板间距变小，据平行板电容器决定式C=可知，电容器的电容增大，电容器带电量增大，B正确；C．由静止突然加速后退时，N板向前运动，则板间距d变小，据C=可知，电容器的电容C增大，由C=Q/U可知电容器带电量增大，则电容器充电，电流由a向b流过电流表，故C正确；保持向前的匀减速运动时，N板不动，电容器的板间距不变，而电容器的两端电压不变，则MN之间的电场强度不变，故D错误。2.（2022山东省烟台重点高中期末）许多手机都有指纹解锁功能，常用的指纹识别传感器是电容式传感器，如图所示。指纹的凸起部分叫做“嵴”，凹下部分叫做“峪”，传感器上有大量面积相同的小极板，当手指贴在传感器上时，这些小极板和与之正对的皮肤表面就形成了大量的小电容器，由于距离不同，所以这些小电容器的电容不同。此时传感器给所有的电容器充电达到同一电压值，然后开始放电，其中电容值较小的电容器放电较快，于是根据放电快慢的不同，就可以探测到嵴和峪的位置，从而形成指纹的图像数据。根据以上信息，下列说法中正确的是A．电容器在充电过程中是把电能转化成化学能B．在嵴处形成的电容器放电较快C．在峪处形成的电容器充电后带电量较小D．潮湿的手指对指纹识别没有任何影响【参考答案】C【名师解析】电容器在充电过程中是把电能转化成电场能和磁场能，选项A错误；根据平行板电容器的决定式，在嵴处形成的电容器电容较大，在峪处形成的电容器电容较小，根据题述电容值较小的电容器放电较快，可知在嵴处形成的电容器放电较慢，选项B错误；由电容定义，C=Q/U可知，在峪处形成的电容器充电后带电量较小，选项C正确；潮湿的手指“嵴”和“峪”与传感器之间形成的电容发生变化，所以潮湿的手指对指纹识别有影响，选项D错误。3.（2022北京海淀二模）在生产纸张等绝缘材料过程中，为了实时监控材料的厚度，流水线上设置了传感器装置，其简化结构如图所示，、为平行板电容器的上、下两个固定极板，分别接在直流恒压电源的两极上。已知电流从向流过电流表时，电流表指针偏向端。某次纸张从平行极板间穿过的过程中，发现电流表指针偏向端，下列判断正确的是（）A.极板上的电荷量不变B.极板上的电荷量变小C.电容器的电容变大D.电容器的电容不变【参考答案】B【名师解析】电流表指针偏向端，说明电流从b向a流过电流表，而电容器上极板与正极相连，所以电容器放电，极板电荷量变小，故A错误，B正确；电容器与恒压电源相连，两极板间电势差U不变，而Q减小，根据可知电容器的电容C减小，故CD错误。4.（2022北京海淀二模反馈题）如图所示，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。物体位置变化时，电容器电容也会发生变化。从图中位置开始计时，关于物体的运动则下列说法正确的是（）A.电容增大，说明物体在向右运动B.电容减小，说明物体在向左运动C.电容均匀增大，说明物体在向左匀速运动D.电容均匀减小，说明物体在向左匀速运动【参考答案】C【名师解析】当物体向右运动时，电介质插入两板间的长度减小，根据可知电容C减小；同理，物体向左运动时，电容C变大，选项AB错误；根据可知，若电容C均匀增大，说明电介质插入两板间的长度均匀增加，说明物体在向左匀速运动，选项C正确，D错误。5.（2022福建厦门四模）墙体探测仪是一种新型的建筑装潢辅助工具，用于探测墙体内水管、电线和钢筋的位置。如图所示为其探测水管的原理示意图，主要感应元件为电容器，当探测仪靠近水管时，指示灯亮起，便可确定水管的位置。则探测仪靠近水管前后（）

A.电容器的电介质发生变化B.电容器的两板间距离发生变化C.电容器极板的正对面积发生变化D.电容器的电容发生变化【参考答案】AD【名师解析】探测仪靠近水管后，电容器的两板间距离和极板正对面积均未变，而指示灯亮起说明电容器发生了充电或放电，即电容发生改变，根据可知电容器的电介质发生变化，故AD正确，BC错误。6.(2023·安徽省宿州名校联考)如图为某一机器人上的电容式位移传感器工作时的简化模型图．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，连接电容器的静电计会显示电容器电压的变化，进而能测出电容的变化，最后就能探测到物体位移的变化，若静电计上的指针偏角为θ，则被测物体()A．向左移动时，θ增大 B．向右移动时，θ增大C．向左移动时，θ减小 D．向右移动时，θ减小【参考答案】BC【名师解析】由公式C＝eq\f(εrS,4πkd)，可知当被测物体带动电介质板向左移动时，导致两极板间电介质增大，则电容C增大，由公式C＝eq\f(Q,U)可知电荷量Q不变时，U减小，则θ减小，故A错误，C正确；由公式C＝eq\f(εrS,4πkd)，可知当被测物体带动电介质板向右移动时，导致两极板间电介质减小，则电容C减少，由公式C＝eq\f(Q,U)可知电荷量Q不变时，U增大，则θ增大，故B正确，D错误．7.如图所示是电容式话筒的示意图，它是利用电容制作的传感器，话筒的振动膜表面镀有薄薄的金属层，膜后距膜几十微米处有一金属板，金属板和振动膜上的金属层构成电容器的两极，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他量发生变化，声音信号被话筒转化为电信号，导致电容变化的原因可能是电容器（

）

A.

两板间的距离变化

B.

两板的正对面积变化

C.

两板间的介质变化

D.

两板间的电压变化【参考答案】A【名师解析】振动膜前后振动，金属层和金属板之间的距离发生变化，导致电容变化．故A正确．振动膜前后振动，金属层和金属板正对面积没有变化．故B错误．金属层和金属板之间电介质是空气，没有变化，不会导致电容变化．故C错误．电容与电压无关，电压的变化不会导致电容变化．故D错误．【分析】人对着话筒说话时，振动膜前后振动，使电容发生变化，根据电容的决定因素分析导致电容变化的原因．8.（2021年高考河南适应性考试）手机触摸屏多数采用的是电容式触摸屏，其原理可简化为如图所示的电路。平行板电容器的上、下两极板A、B分别接在一恒压直流电源的两端，上极板A为两端固定的可动电极，下极板B为固定电极。当用手指触压屏幕上某个部位时，可动电极的极板会发生形变，从而改变电容器的电容。当压力F增大时（）

A.电容器所带电荷量不变 B.直流电源对电容器充电C.极板间的电场强度增大 D.电阻R上有从a到b的电流【参考答案】BC【名师解析】由公式可知，当压力F增大时两板间距离减小，电容增大，由公式可知，电容器所带电荷量增大，即直流电源对电容器充电，电阻R上有从b到a的电流，由公式可知，极板间的电场强度增大。故选BC。9.目前智能手机普遍采用了电容触摸屏。电容触摸屏是利用人体的电流感应进行工作的，它是一块四层复合玻璃屏，玻璃屏的内表面和夹层各涂一层ITO（纳米铟锡金属氧化物），夹层ITO涂层作为工作面，四个角引出四个电极，当用户手指（肉）触摸电容触摸屏时，手指（肉）和工作面形成一个电容器，因为工作面上接有高频信号，电流通过这个电容器分别从屏的四个角上的电极中流出，且理论上流经四个电极的电流与手指到四个角的距离成比例，控制器通过对四个电流比例的精密计算来确定手指位置。寒冷的冬天，人们也可以用触屏手套进行触控操作。下列说法正确的是（）A．使用绝缘笔压电容触摸屏也能进行触控操作B．为了安全，触屏手套指尖处应该采用绝缘材料C．手指按压屏的力变大，手指（肉）和工作面形成的电容器电容变大D．手指与屏的接触面积变大，手指（肉）QUOTE)和工作面形成的电容器电容变小本题考查电容器及其相关知识点。当用户手指（肉）触摸电容触摸屏时，手指（肉）和工作面形成一个电容器，而使用绝缘笔压电容触摸屏，或触屏手套指尖处采用绝缘材料，绝缘笔（或绝缘材料）和工作面不能形成一个电容器，所以不能进行触控操作，选项AB错误；手指按压屏的力变大，二者接触面积增大，距离减小，手指（肉）和工作面形成的电容器电容变大，选项C正确D错误。【关键点拨】.利用平行板电容器的相关知识解答。10. 如图所示是电容式话筒的原理图，膜片与固定电极构成一个电容器，用直流电源供电，当

声波使膜片振动时，电容发生变化，电路中形成变化的电流，于是电阻R两端就输出了与

声音变化规律相同的电压.下列说法正确的是（）A.电容式话筒是通过改变正对面积来改变电容的

B.电阻R两端电压变化的频率与电流的频率相同

C.当膜片靠近固定电极时，电流从b流向a

D.当膜片靠近固定电极时，电容器处于放电状态【参考答案】B【名师解析】由图可知，电容式话筒是通过改变板间距来改变电容的，故A错误；根据欧姆定律可知，电阻R两端电压变化的频率与电流的频率相同，故B正确；当膜片靠近固定电极时，根据电容的决定式C=ɛS4πkd知，电容变大，因始终和电源相连，故U不变，由Q=UC可知，电量增大，电容器充电，电流由a到b，故CD错误。

【方法归纳】根据电容的决定式C=ɛS4πkd判断电容的变化，电容始终接在电源的两端，电势差不变，根据Q=CU，判断电量的变化，从而得出电流的流向．解决本题的关键是掌握电容的决定式以及知道电容始终接在电源的两端，电势差不变；同时掌握好电容的决定式和定义式的准确应用．A．曲线与坐标轴所围面积将增大B．曲线与坐标轴所围面积将减小C．曲线与纵轴交点的位置将向上移动D．曲线与纵轴交点的位置将向下移动【参考答案】D【名师解析】根据知I-t图象的面积表示电容器所带电荷量，在滑动变阻器电阻变化前后电容器所带电荷量相同，所以曲线与坐标轴所围面积将不变，A、B错误；因滑动变阻器电阻电阻增大，则电容器放电电流将减小，曲线与纵轴交点的位置将向下移动。12.如图所示，心脏除颤器用于刺激心脏恢复正常的跳动，它通过皮肤上的电极板使电容器放电．已知某款心脏除颤器，在短于一分钟内使70μF电容器充电到5000V，存储875J能量，抢救病人时一部分能量在2ms脉冲时间通过电极板放电进入身体，此脉冲的平均功率为100kW.下列说法正确的是()A．电容器放电过程中电压不变B．电容器充电至2500V时，电容为35μFC．电容器充电至5000V时，电荷量为35CD．电容器所释放出的能量约占存储总能量的23%【参考答案】D【名师解析】电容器放电过程，电荷量减少，电压减小，选项A错误；电容不随电压、电荷量的变化而变化，选项B错误；由C＝eq\f(Q,U)知Q＝CU＝70×10－6×5×103C＝0.35C，选项C错误；由η＝eq\f(Pt,E总)知，η＝eq\f(2×10－3×100×103,875)×100%＝23%，选项D正确．13.（2021广州一模）如图为电容式话筒的原理图，E为电源，R为电阻，薄片P和Q为电容器两金属极板。人对着P说话，P振动而Q不动。在P、Q间距离减小的过程中A.电容器的电容不变B.通过R的电流为零C.Q极板的带电量变大D.R中有从M流向N的电流【参考答案】C【命题思路】本题考查电容器及其相关知识点。【解题思路】在P、Q间距离减小的过程中，电容增大，由C=Q/U可知，Q极板的带电量变大，电容器充电，R中有从N流向M的电流，选项C正确。14.电容式加速度传感器的原理结构如图，质量块右侧连接轻质弹簧，左侧连接电介质，弹簧与电容器固定在外框上。质量块可带动电介质移动改变电容。则QUOTE(  )A.电介质插入极板间越深，电容器电容越小

B.当传感器由静止突然向右加速瞬间，电路中有顺时针方向电流

C.若传感器原来向右匀速运动，突然减速时弹簧会伸长

D.当传感器以恒定加速度运动时，电路中有恒定电流【参考答案】B【名师解析】根据电容器的电容公式C=ɛS4kπd，当电介质插入极板间越深，即电介质增大，则电容器电容越大，故A错误；当传感器由静止突然向右加速瞬间，质量块要向左运动，导致插入极板间电介质加深，因此电容会增大，由于电压不变，根据Q=CU，可知，极板间的电量增大，电容器处于充电状态，因此电路中有顺时针方向电流，故B正确；若传感器原来向右匀速运动，突然减速时，因惯性，则继续向右运动，从而压缩弹簧，故C错误；当传感器以恒定加速度运动时，根据牛顿第二定律可知，弹力大小不变，则电容器的电容不变，因两极的电压不变，则电容器的电量不变，因此电路中没有电流，故D错误；

15.传感器在各种领域中有着广泛应用，是自动控制设备中不可缺少的元件。如下图所示为几种电容式传感器，其中通过改变电容器两极间距离而引起电容变化的是：（

A.

B.

C.

D.

【参考答案】C【名师解析】A图是可