2024人教版高中物理选择性必修第二册同步
第四章 电磁振荡与电磁波
第五章 传感器
满分100分,限时90分钟
一、单项选择题(本大题共8小题,每小题3分,共24分。在每小题给出的四个选项中只有一个符合题目要求)
1.根据麦克斯韦电磁场理论,下列说法正确的是 ( )
A.电场周围一定产生磁场,磁场周围一定产生电场
B.变化的电场周围一定产生变化的磁场
C.变化的电场周围一定产生磁场,变化的磁场周围一定产生电场
D.所有电磁波的频率都相同
2.下列关于电磁波的说法正确的是 ( )
A.温度高于0 ℃的物体才会辐射出红外线
B.X射线的穿透能力强于紫外线
C.手机通信使用的电磁波的频率大于可见光的频率
D.麦克斯韦通过实验证实了电磁波的存在
3.关于传感器,下列说法正确的是 ( )
A.酒店大厅的自动门使用了力传感器
B.自动灌溉系统利用的是湿度传感器
C.传感器都是通过感知电压的变化来传递信号的
D.光敏电阻在传感器中的作用是将电信号转化为光信号
4.如图甲所示为收音机的调谐电路图,图乙为调谐电路中可变电容器对应的工作原理图。当调谐电路中可变电容器的电容为400 pF时,接收到波长为300 m的信号,如果要接收到波长为600 m的信号,则可变电容器的电容应调整为 ( )
A.1.6×10-9 F B.0.7×10-10 F
C.0.8×10-9 F D.1.9×10-10 F
5.如图所示,把线圈(内阻不计)、电容器、电源、电阻和单刀双掷开关连成图示电路。把电压传感器(图中未画出)的两端分别连在电容器的两个极板M、N上。先把开关置于a侧,一段时间后再把开关置于b侧,从此刻开始计时,电压uMN随时间t变化的图像正确的是 ( )
6.如图甲所示,条形码扫描笔的原理是扫描笔头在条形码上匀速移动时,遇到黑色线条,发光二极管发出的光线将被吸收,光敏三极管接收不到反射光,呈高阻抗;遇到白色间隔,光线被反射到光敏三极管,光敏三极管呈低阻抗。光敏三极管将条形码变成一个个电脉冲信号,信号经信号处理系统处理,即完成对条形码信息的识别,等效电路图如图乙所示,其中R为光敏三极管的等效电阻,R0为定值电阻,下列判断正确的是 ( )
A.当扫描笔头在黑色线条上移动时,信号处理系统获得高电压
B.当扫描笔头在白色间隔上移动时,信号处理系统获得高电压
C.扫描速度对信号处理系统接收到的电压信号无影响
D.扫描笔头外壳出现破损时仍然能正常工作
7.某小组利用压敏电阻制作了一台电子秤,其内部电路如图所示,R1是保护电阻,R2是调零电阻,压敏电阻阻值R随压力F变化规律为R=kF+C(k、C为常量,k>0)。现对理想电流表的刻度盘进行改装,使得电流表满偏时对应的物体质量为零,则 ( )
A.刻度盘标注的质量刻度均匀
B.若使用前质量示数大于零,应将R2的滑片向右滑动
C.电子秤的示数越大,电源的总功率越大
D.若电池的内阻增大,但仍能调零,则称量值仍准确
8.压敏电阻的阻值随所受压力的增大而减小,可以利用压敏电阻设计一个电路来判断升降机的运动情况,其工作原理图如图甲所示。将压敏电阻固定在升降机底板上,其上放置一个绝缘物块。0~t1时间内升降机匀速下降,从t=0时刻开始,电流表中电流随时间变化的情况如图乙所示,下列说法中正确的是 ( )
A.t1~t2时间内,升降机加速度的大小可能先减小后增大
B.t2~t3时间内,升降机处于静止状态
C.t3~t4时间内,升降机可能处于失重状态
D.t3~t4时间内,升降机可能一直减速下降
二、多项选择题(本大题共4小题,每小题4分,共16分。在每小题给出的四个选项中,有多个选项符合题目要求,全部选对的得4分,选对但不全的得2分,有选错或不答的得0分)
9.5G通信即将推广普及,我国自主研发设计的5G通信技术走在了世界的前列。5G信号所使用的电磁波按照频率划分可以分为两种,一种是频率在6 GHz以下的电磁波,这和我们目前的2/3/4G差别不算太大,还有一种是频率在24 GHz以上的电磁波。对于电磁波,下面说法正确的有 ( )
A.频率为24 GHz的电磁波的波长大约为0.1 cm
B.波长越短,准直性越好,绕射能力越弱
C.频率越高,可能加载的信息密度也越高
D.频率越高的电磁波传播速度越大
10.用如图所示的电路做电磁振荡实验,下列说法正确的是 ( )
A.单刀双掷开关S拨到1时,电容器C充电,其上极板带正电
B.单刀双掷开关S拨到2,电容器放电过程中,电感线圈L产生的自感电动势造成电路中电流减小
C.电容器C放电的过程中,线圈L产生的磁场增强
D.减小电容器C两极板正对面积,振荡电流的周期将变大
11.如图所示是一种常见的身高体重测量仪。测量仪顶部向下发射波速为v的超声波,超声波遇障碍物经反射后返回,被测量仪接收,测量仪记录发射和接收超声波的时间间隔。测量仪底部有一质量为M0的测重面板置于压力传感器上,传感器输出电压与作用在其上的压力成正比。当测重台没有站人时,测量仪记录的时间间隔为t0,传感器输出电压为U0=kM0g(g是重力加速度,k是比例常数)。当某同学站上测重台时,测量仪记录的时间间隔为t,输出电压为U,则 ( )
A.该同学的身高为v(t0-t)
B.该同学的身高为v(t0-t)
C.该同学的质量为
D.该同学的质量为(U-U0)
12.如图所示,R0为热敏电阻(温度降低,电阻增大),D为理想二极管(正向电阻为零,反向电阻无穷大),C为平行板电容器,C中央有一带电液滴刚好静止,M点接地,开关K闭合。下列各项单独操作可能使带电液滴向上运动的是 ( )
A.滑动变阻器R的滑片P向上移动
B.将热敏电阻R0加热
C.开关K断开
D.电容器C的上极板向上移动
三、非选择题(本大题共6小题,共60分)
13.(8分)某小组利用如图所示的电路测量一只毫安表的量程和内阻,同时研究光敏电阻的阻值与光照强度之间的关系。所提供的实验器材如下:
A.毫安表(表盘共有30格,未标数值)
B.学生电源(输出电压可调,内阻不计)
C.电阻箱R(最大阻值9 999.9 Ω)
D.光敏电阻R'
E.单刀双掷开关
F.导线若干
(1)实验时将学生电源输出电压调至1 V,电阻箱的阻值调至最大,单刀双掷开关接至a端,开始调节电阻箱,发现电阻箱的阻值为1 800.0 Ω时,毫安表的指针刚好从零开始偏转一个格;电阻箱的阻值为300.0 Ω时,毫安表指针刚好从零开始偏转四个格,据此得到毫安表的最大测量值为 mA,内阻为 Ω。
(2)单刀双掷开关调至b端,实验中发现光照强度稍大时,电流超过毫安表量程,为了安全该小组将毫安表改装成量程为0~0.6 A的电流表,应在毫安表上并联的定值电阻阻值为 Ω。(计算结果保留2位有效数字)
(3)该小组将改装后的电流表接入电路中,电源输出电压不变,单刀双掷开关调至b端,通过实验发现,流过原毫安表的电流为I(单位:A)且电流I与光照强度E(单位:lx)之间的关系为I=kE,由此可得光敏电阻的阻值R'与光照强度E之间的关系式为R'= 。
14.(9分)某同学利用如图甲所示的电路测量一个热敏电阻的阻值。所用器材:电源E、开关S、滑动变阻器R、电压表(可视为理想电表)和毫安表(内阻较小)。
甲
(1)实验时,将热敏电阻置于温度控制室中,记录不同温度下电压表和毫安表的示数,计算出相应的热敏电阻阻值。若某次测量中电压表和毫安表的示数分别为5.7 V和3.0 mA,则此时热敏电阻的阻值为 kΩ。
(2)实验中得到该热敏电阻阻值Rt随温度t变化的曲线如图乙所示。利用该热敏电阻可以制作温控报警器,其电路的一部分如图丙所示。图中E为直流电源(电动势为12 V,内阻不计),当环境温度升高导致图中的输出电压达到或超过9.0 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60 ℃,则图中定值电阻的阻值应为 kΩ(保留2位有效数字),若电源电动势大于12 V,则开始报警时的温度 (填“高于”或“低于”)60 ℃。
15.(8分)如图甲所示,LC电路中,周期T=4 s。已充电的平行板电容器两极板水平放置。开关S断开时,极板间有一带电灰尘恰好处于静止状态。当开关S闭合时开始计时,电路中的振荡电流的i-t图像如图乙所示,不计电路产生的内能及电磁辐射。
(1)2 s时,电容器内灰尘的加速度大小为 m/s2;
(2)线圈中电流最大时,灰尘的加速度大小为 m/s2;
(3)电路的磁场能在减小,且电容器上极板带负电,则电路对应 时间段(选填“Oa”“ab”“bc”或“cd”);
(4)灰尘在遇到极板之前,它的速度 (选填“不断增大”“不断减小”或“周期性增大、减小”)。
16.(10分)某同学制作恒温室,室温保持在45 ℃左右。他设计了如图所示的控温装置,通过电磁继电器的电流达到一定值时,电磁继电器将把衔铁吸下,触点C、D断开,结合水银温度计可以控制室温。
(1)为实现温度高于45 ℃时,电热丝停止加热,温度低于45 ℃时,电热丝开始加热,请连接电路图。
(2)E1内阻不计,当滑动变阻器调至最左端、E1=6 V时,电接点水银温度计达到45 ℃,电磁继电器达到工作电流值;当滑动变阻器调至R=20 Ω、E1'=8 V时,电接点水银温度计达到45 ℃,电磁继电器达到工作电流值,求水银温度计达到45 ℃时的等效电阻的阻值。
(3)当电源E2=24 V、内阻r2=2 Ω时,为使电热丝的发热功率最大,应将电热丝调到多大 最大功率是多少
17.(12分)一位同学制作了一种电容式位移传感器,用来测定物体的微小位移。如图所示,平行板电容器的左极板固定,右极板与待测物体连接,可以左右移动,两个极板用导线与电流传感器、开关、电源相连,电流传感器可以像电流表一样测量电流,它的反应非常快,可以捕捉到瞬间的电流变化。此外,由于它与计算机相连,还能显示出电流随时间变化的图像,从而计算电荷量。已知空气的相对介电常数为εr,电源电压恒定为U,静电力常量为k。初始时,极板间距离为L,极板正对面积为S。
(1)根据题目信息,该电容器初始时的电容大小是多少(用题目中所给物理量的字母表示)
(2)实验操作中发现当极板距离变化时,有电流从右往左流过电流传感器,与物体相连的右极板向左还是向右移动
(3)第(2)问中当极板距离变化时,测量出经过电流传感器的电荷量为q,求与物体相连的右极板移动的距离为多少(用题目中所给物理量的字母表示)。
18.(13分)学习了传感器之后,某物理兴趣小组找到了一个热敏电阻R,想利用热敏电阻的阻值随温度升高而减小的特点来制作一个简易的温度计。兴趣小组查到了该热敏电阻的阻值随温度变化的一些信息如图甲所示。他们准备的实验器材如下:干电池(电动势为1.5 V,内阻不计),毫安表(量程为0~10 mA,内阻RA为40 Ω),滑动变阻器R1,开关、导线若干。
(1)若直接将干电池、开关、毫安表、热敏电阻R串接成一个电路作为测温装置,求该电路能测得的最高温度。
(2)现在该兴趣小组想让测温范围大一些,使该电路能测得的最高温度为100 ℃,他们又设计了如图乙所示的电路图。
a.将该热敏电阻R做防水处理后放入100 ℃的沸水中,一段时间后闭合开关,调节滑动变阻器使毫安表指针满偏,此时滑动变阻器R1接入电路的阻值是多少
b.保持滑动变阻器R1接入电路的电阻不变,他们在实验室中找来了一瓶水,把热敏电阻R水平放入水中,一段时间后闭合开关,发现毫安表的示数为8.0 mA,则测得水的温度是多少
c.写出毫安表的电流值I(单位:mA)和温度t(单位:℃)的关系式。
答案与解析
1.C 2.B 3.B 4.A 5.C 6.B
7.D 8.D 9.BC 10.AC 11.BD 12.BC
1.C 根据麦克斯韦电磁场理论,变化的电场周围产生磁场,变化的磁场周围产生电场,A错误,C正确;均匀变化的电场周围产生恒定的磁场,B错误;不同电磁波具有不同的频率,具有不同的特性,D错误。故选C。
2.B 所有物体都能辐射红外线,A错误;X射线的穿透能力强于紫外线,B正确;手机通信使用无线电波,其波长大于可见光的波长,频率小于可见光的频率,C错误;赫兹通过实验证实了电磁波的存在,D错误。故选B。
3.B 酒店大厅的自动门使用了红外线传感器,A错误;自动灌溉系统利用的是湿度传感器,B正确;传感器的种类很多,不一定是通过感知电压来实现信号传递的,C错误;光敏电阻在传感器中的作用是将光信号转化为电信号,D错误。故选B。
4.A 电磁波的波长λ=,调谐电路的频率f=,联立得C=,所以有C2=C1×=1.6×10-9 F,选项A正确。
5.C 由于电路有能量损耗,有一部分能量转化为内能,还有一部分能量以电磁波的形式辐射出去,故电压会逐渐减小,而周期不变,且开始计时时,电容器两极板间电压最大,故选C。
6.B 信号处理系统获得的电压是R0两端的电压,当扫描笔头在黑色线条上移动时,光敏三极管相当于大电阻,根据闭合电路欧姆定律,回路中的电流较小,R0两端的电压较低,信号处理系统获得低电压;当扫描笔头在白色间隔上移动时,光敏三极管相当于小电阻,回路中的电流较大,R0两端的电压较高,信号处理系统获得高电压,A错误,B正确。如果扫描速度发生变化,在信号处理系统中高低电压的时间间隔就会发生变化,可能出现错误识别信息,C错误;扫描笔头外壳出现破损时,外面的光照射到光敏三极管,从而出现错误信息,不能正常工作,D错误。
7.D 由闭合电路欧姆定律得电路中的电流I==,I与压力F不是线性关系,刻度盘标注的质量刻度不均匀,A错误;若使用前质量示数大于零,电流偏小,应减小电阻,故应将R2的滑片向左滑动,B错误;电子秤的示数越大,电路中电流越小,电源的总功率P=EI越小,C错误;电池的内阻增大,电动势不变,若能调零,电流表仍可以满偏,称量值仍准确,D正确。故选D。
8.D 0~t1时间内升降机匀速下降,物块受力平衡;t1~t2时间内电路中电流比升降机匀速下降时小,说明压敏电阻的阻值比升降机匀速下降时大,所受的压力比升降机匀速下降时小,所受压力小于物块的重力,对物块有mg-FN=ma,由于电流先减小后增大,可知压敏电阻的阻值先增大后减小,压力的大小先减小后增大,升降机加速度的大小先增大后减小,A错误。t2~t3时间内电路中的电流等于升降机匀速运动时的电流,由于t1~t2时间内升降机在加速运动,所以t2~t3时间内升降机处于匀速运动状态,B错误。t3~t4时间内电路中的电流大于升降机匀速运动时的电流,说明压敏电阻的阻值比升降机匀速运动时小,所受的压力大于物块的重力,物块处于超重状态,升降机可能一直减速下降,C错误,D正确。故选D。
9.BC 根据波长与频率的关系可得c=λf,解得λ== m=0.012 5 m=1.25 cm,故A错误;波长越短,准直性越好,反射性越强,绕射能力越弱,B正确;频率越高,可能加载的信息密度也越高,C正确;电磁波在真空中的波速等于光速,电磁波在介质中的波速与介质性质及电磁波的频率有关,在同一介质中,电磁波的频率越高,其波速越小,故D错误。
10.AC 单刀双掷开关S拨到1时,电容器C充电,其上极板带正电,A正确;单刀双掷开关S拨到2,电容器放电过程中,电流逐渐增大,B错误;电容器C放电的过程中,电场能减小,磁场能增大,线圈L产生的磁场增强,C正确;根据C=可知,减小电容器C两极板正对面积,电容减小,根据T=2π可知振荡电流的周期将变小,D错误。故选A、C。
11.BD 当测重台没有站人时,有2x=vt0,站人时,有2(x-h)=vt,解得人的身高h=v(t0-t),A错误,B正确;测重台没有站人时,U0=kM0g,站人时,U=k(M0g+mg),解得人的质量m=(U-U0),C错误,D正确。故选B、D。
12.BC 滑动变阻器R的滑片P向上移动时,R接入电路的阻值减小,则电容器两端的电压减小,电容器放电,但是由于二极管具有单向导电性使得电容器上的电荷量不变,场强不变,则液滴不动,选项A错误;液滴受向上的电场力和向下的重力作用,将热敏电阻R0加热,则阻值减小,滑动变阻器R两端电压变大,则电容器两端的电压变大,两板间场强变大,则液滴向上运动,选项B正确;开关K断开后,电容器两端的电压等于电源的电动势,则电容器两板间的场强变大,液滴向上运动,选项C正确;电容器C的上极板向上移动,d增大,则电容C减小,若U不变,则由Q=CU得Q应变小,即电容器应放电,但由于二极管具有单向导电性,电容器只能充电,无法放电,则电容器的电荷量不变,由U=知电容器两端的电压增大,由C=,E=,U=得,E=,因为极板上的电荷量不变,所以电场强度E不变,液滴仍然静止,选项D错误。
13.答案 (1)15(2分) 200(2分) (2)5.1(2分) (3)-5(Ω)(2分)
解析 (1)设毫安表的内阻为Rg,毫安表一个格对应的电流为I0,根据题意有I0=,4I0=,联立解得I0=0.5 mA,Rg=200 Ω,则毫安表的最大测量值为Ig=30I0=15 mA。
(2)设在毫安表上并联的定值电阻阻值为R1,则有Im=Ig+
解得R1== Ω≈5.1 Ω
(3)改装后的电流表的内阻为RA== Ω≈5 Ω,
当流过原毫安表的电流为I时,电路总电流为I总=I=40I,
由欧姆定律可得I总===40I,
可得光敏电阻的阻值R'与光照强度E之间的关系式为R'=-5=-5(Ω)
14.答案 (1)1.9(3分) (2)1.8(3分) 低于(3分)
解析 (1)由欧姆定律得,此时热敏电阻的阻值为Rt== kΩ=1.9 kΩ
(2)当环境温度为60 ℃时,由题图乙可得此时热敏电阻的阻值约为0.6 kΩ,由于热敏电阻的阻值随着温度升高而降低,而题意要求R2两端的输出电压随温度升高而增大,所以R1为热敏电阻。开始报警时,R1=0.6 kΩ,输出电压U=9 V,由闭合电路欧姆定律得I==5×10-3 A,则定值电阻的阻值为R2== Ω=1.8 kΩ。开始报警时热敏电阻阻值是R1=,若电源电动势E大于12 V,则R1>0.6 kΩ,故开始报警时的温度低于60 ℃。
15.答案 (1)20(2分) (2)10(2分) (3)cd(2分) (4)不断增大(2分)
解析 (1)开关S断开时,极板间有一带电灰尘恰好处于静止状态,所受电场力与重力平衡;当开关S闭合时开始计时,由于振荡周期为T=4 s,2 s时,电容器极板电性与0时刻时相反,但电荷量大小与0时刻时相同,带电灰尘受到的电场力方向竖直向下,大小等于重力,则灰尘的加速度大小为a==2g=20 m/s2。
(2)线圈中电流最大时,线圈的磁场能最大,电容器的电场能最小,电容器内的电场强度刚好为零,则灰尘的加速度大小为a'==g=10 m/s2。
(3)电路的磁场能在减小,则电容器的电场能增大,电容器正在充电,由于电容器上极板带负电,则电路对应cd时间段。
(4)由于灰尘受到向上的最大电场力大小等于重力,灰尘不可能向上运动,且灰尘的加速度不可能向上,灰尘在遇到极板之前,灰尘的速度方向向下且不断增大。
16.答案 (1)图见解析 (2)60 Ω (3)2 Ω 72 W
解析 (1)要求温度高于45 ℃时,电热丝停止加热,温度低于45 ℃时,电热丝开始加热,所以电磁铁应与温度计连接,温度高于45 ℃,温度计与电路接通,电磁铁将衔铁吸下,电热丝所在的电路立刻断开,停止加热;当温度低于45 ℃时,温度计液面下降,电路断开,电磁铁失去磁性,衔铁被松开,C、D触点会接触,加热电路会接通,电热丝加热。电路图如下:
(2分)
(2)当滑动变阻器调至最左端时,接入电路的电阻为零,此时电路中只有水银温度计达到45 ℃时的等效电阻,根据欧姆定律,此时电路中的电流为I== (1分)
当滑动变阻器调至R=20 Ω、E1'=8 V时,电接点水银温度计达到45 ℃,电路中的电流为I== (2分)
联立解得R等=60 Ω(1分)
(3)当电源E2=24 V、内阻r2=2 Ω时,
电热丝的发热功率为P=I2R热=R热= (2分)
当电热丝的电阻R热=r2=2 Ω时,电热丝的功率最大, (1分)
最大功率为Pm== W=72 W(1分)
17.答案 (1) (2)左 (3)
解析 (1)已知空气的相对介电常数为εr,静电力常量为k,初始时,极板距离为L,极板正对面积为S,该电容器初始时的电容大小为C= (2分)
(2)实验操作中发现当距离变化时,有电流从右往左流过电流传感器,可知电容器在充电。 (2分)
电容器所带电荷量增大,根据C=,可知电容器的电容增大。 (1分)
根据C=可知极板间距离减小,则与物体相连的右极板向左移动。 (1分)
(3)设与物体相连的右极板移动的距离为x,则有Q1=C1U=U (2分)
Q2=C2U=U (2分)
又q=Q2-Q1 (1分)
联立解得x= (1分)
18.答案 (1)80 ℃ (2)a.10 Ω b.25 ℃ c.I=
解析 (1)电流表的最大测量值为10 mA,电路的总电阻最小值为Rmin== Ω=150 Ω(1分)
可知此时热敏电阻的阻值为R=Rmin-RA=150 Ω-40 Ω=110 Ω(1分)
由R-t图像可知R=150-0.5t(Ω) (1分)
解得所能测的最高温度t=80 ℃(1分)
(2)a.将该热敏电阻R做防水处理后放入100 ℃的沸水中,由图像可知此时热敏电阻R的阻值为100 Ω; (1分)
过一段时间后闭合开关,调节滑动变阻器R1,使毫安表指针满偏,
此时滑动变阻器接入电路的阻值为
R1=Rmin-RA-R=150 Ω-40 Ω-100 Ω=10 Ω(2分)
b.当毫安表的示数为8.0 mA时,电路的总电阻R总== Ω=187.5 Ω(1分)
热敏电阻的阻值为R=187.5 Ω-40 Ω-10 Ω=137.5 Ω(1分)
可得温度为t= ℃=25 ℃(1分)
c.由题意可得-40 Ω-10 Ω=150 Ω-0.5t (1分)
毫安表的电流值I(单位:mA)和温度t(单位:℃)的关系式为
I= (2分)
精品试卷·第 2 页 （共 2 页）
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