專題5-電容式傳感器模型-高考物理電場常用模型(解析版)

2023年高考物理靜電場常用物理模型最新模擬題精練專題5.電容式傳感器模型一．選擇題1．(2023廣東重點(diǎn)高中期末)微信運(yùn)動步數(shù)的測量是通過手機(jī)內(nèi)電容式加速度傳感器實(shí)現(xiàn)的。原理如圖，M和N為電容器兩極板，M極板固定，N板兩端與兩輕彈簧連接，當(dāng)手機(jī)的加速度變化時(shí)，N極板只能按圖中標(biāo)識的前后方向運(yùn)動。下列對傳感器描述正確的是（）A．保持向前勻速運(yùn)動，電阻R將以恒定功率發(fā)熱B．由勻速突然向前減速時(shí)，電容器所帶電荷量增加C．由靜止突然加速后退時(shí)，電流由a向b流過電流表D．保持向前勻減速運(yùn)動時(shí)，MN間的電場強(qiáng)度持續(xù)減小【參考答案】．BC【名師解析】勻速運(yùn)動時(shí)，N板不動，電容器的電容不變，則電荷量不變，所以回路無電流，電阻R沒有熱功率，故A錯誤；由勻速突然向前減速時(shí)，N板向前運(yùn)動，則板間距變小，據(jù)平行板電容器決定式C=可知，電容器的電容增大，電容器帶電量增大，B正確；C．由靜止突然加速后退時(shí)，N板向前運(yùn)動，則板間距d變小，據(jù)C=可知，電容器的電容C增大，由C=Q/U可知電容器帶電量增大，則電容器充電，電流由a向b流過電流表，故C正確；保持向前的勻減速運(yùn)動時(shí)，N板不動，電容器的板間距不變，而電容器的兩端電壓不變，則MN之間的電場強(qiáng)度不變，故D錯誤。2.（2022山東省煙臺重點(diǎn)高中期末）許多手機(jī)都有指紋解鎖功能，常用的指紋識別傳感器是電容式傳感器，如圖所示。指紋的凸起部分叫做“嵴”，凹下部分叫做“峪”，傳感器上有大量面積相同的小極板，當(dāng)手指貼在傳感器上時(shí)，這些小極板和與之正對的皮膚表面就形成了大量的小電容器，由于距離不同，所以這些小電容器的電容不同。此時(shí)傳感器給所有的電容器充電達(dá)到同一電壓值，然后開始放電，其中電容值較小的電容器放電較快，于是根據(jù)放電快慢的不同，就可以探測到嵴和峪的位置，從而形成指紋的圖像數(shù)據(jù)。根據(jù)以上信息，下列說法中正確的是A．電容器在充電過程中是把電能轉(zhuǎn)化成化學(xué)能B．在嵴處形成的電容器放電較快C．在峪處形成的電容器充電后帶電量較小D．潮濕的手指對指紋識別沒有任何影響【參考答案】C【名師解析】電容器在充電過程中是把電能轉(zhuǎn)化成電場能和磁場能，選項(xiàng)A錯誤；根據(jù)平行板電容器的決定式，在嵴處形成的電容器電容較大，在峪處形成的電容器電容較小，根據(jù)題述電容值較小的電容器放電較快，可知在嵴處形成的電容器放電較慢，選項(xiàng)B錯誤；由電容定義，C=Q/U可知，在峪處形成的電容器充電后帶電量較小，選項(xiàng)C正確；潮濕的手指“嵴”和“峪”與傳感器之間形成的電容發(fā)生變化，所以潮濕的手指對指紋識別有影響，選項(xiàng)D錯誤。3.（2022北京海淀二模）在生產(chǎn)紙張等絕緣材料過程中，為了實(shí)時(shí)監(jiān)控材料的厚度，流水線上設(shè)置了傳感器裝置，其簡化結(jié)構(gòu)如圖所示，、為平行板電容器的上、下兩個固定極板，分別接在直流恒壓電源的兩極上。已知電流從向流過電流表時(shí)，電流表指針偏向端。某次紙張從平行極板間穿過的過程中，發(fā)現(xiàn)電流表指針偏向端，下列判斷正確的是（）A.極板上的電荷量不變B.極板上的電荷量變小C.電容器的電容變大D.電容器的電容不變【參考答案】B【名師解析】電流表指針偏向端，說明電流從b向a流過電流表，而電容器上極板與正極相連，所以電容器放電，極板電荷量變小，故A錯誤，B正確；電容器與恒壓電源相連，兩極板間電勢差U不變，而Q減小，根據(jù)可知電容器的電容C減小，故CD錯誤。4.（2022北京海淀二模反饋題）如圖所示，當(dāng)被測物體在左、右方向發(fā)生位移時(shí)，電介質(zhì)板隨之在電容器兩極板之間移動。物體位置變化時(shí)，電容器電容也會發(fā)生變化。從圖中位置開始計(jì)時(shí)，關(guān)于物體的運(yùn)動則下列說法正確的是（）A.電容增大，說明物體在向右運(yùn)動B.電容減小，說明物體在向左運(yùn)動C.電容均勻增大，說明物體在向左勻速運(yùn)動D.電容均勻減小，說明物體在向左勻速運(yùn)動【參考答案】C【名師解析】當(dāng)物體向右運(yùn)動時(shí)，電介質(zhì)插入兩板間的長度減小，根據(jù)可知電容C減小；同理，物體向左運(yùn)動時(shí)，電容C變大，選項(xiàng)AB錯誤；根據(jù)可知，若電容C均勻增大，說明電介質(zhì)插入兩板間的長度均勻增加，說明物體在向左勻速運(yùn)動，選項(xiàng)C正確，D錯誤。5.（2022福建廈門四模）墻體探測儀是一種新型的建筑裝潢輔助工具，用于探測墻體內(nèi)水管、電線和鋼筋的位置。如圖所示為其探測水管的原理示意圖，主要感應(yīng)元件為電容器，當(dāng)探測儀靠近水管時(shí)，指示燈亮起，便可確定水管的位置。則探測儀靠近水管前后（）

A.電容器的電介質(zhì)發(fā)生變化B.電容器的兩板間距離發(fā)生變化C.電容器極板的正對面積發(fā)生變化D.電容器的電容發(fā)生變化【參考答案】AD【名師解析】探測儀靠近水管后，電容器的兩板間距離和極板正對面積均未變，而指示燈亮起說明電容器發(fā)生了充電或放電，即電容發(fā)生改變，根據(jù)可知電容器的電介質(zhì)發(fā)生變化，故AD正確，BC錯誤。6.(2023·安徽省宿州名校聯(lián)考)如圖為某一機(jī)器人上的電容式位移傳感器工作時(shí)的簡化模型圖．當(dāng)被測物體在左右方向發(fā)生位移時(shí)，電介質(zhì)板隨之在電容器兩極板之間移動，連接電容器的靜電計(jì)會顯示電容器電壓的變化，進(jìn)而能測出電容的變化，最后就能探測到物體位移的變化，若靜電計(jì)上的指針偏角為θ，則被測物體()A．向左移動時(shí)，θ增大 B．向右移動時(shí)，θ增大C．向左移動時(shí)，θ減小 D．向右移動時(shí)，θ減小【參考答案】BC【名師解析】由公式C＝eq\f(εrS,4πkd)，可知當(dāng)被測物體帶動電介質(zhì)板向左移動時(shí)，導(dǎo)致兩極板間電介質(zhì)增大，則電容C增大，由公式C＝eq\f(Q,U)可知電荷量Q不變時(shí)，U減小，則θ減小，故A錯誤，C正確；由公式C＝eq\f(εrS,4πkd)，可知當(dāng)被測物體帶動電介質(zhì)板向右移動時(shí)，導(dǎo)致兩極板間電介質(zhì)減小，則電容C減少，由公式C＝eq\f(Q,U)可知電荷量Q不變時(shí)，U增大，則θ增大，故B正確，D錯誤．7.如圖所示是電容式話筒的示意圖，它是利用電容制作的傳感器，話筒的振動膜表面鍍有薄薄的金屬層，膜后距膜幾十微米處有一金屬板，金屬板和振動膜上的金屬層構(gòu)成電容器的兩極，在兩極間加一電壓U，人對著話筒說話時(shí)，振動膜前后振動，使電容發(fā)生變化，導(dǎo)致話筒所在電路中的其他量發(fā)生變化，聲音信號被話筒轉(zhuǎn)化為電信號，導(dǎo)致電容變化的原因可能是電容器（

）

A.

兩板間的距離變化

B.

兩板的正對面積變化

C.

兩板間的介質(zhì)變化

D.

兩板間的電壓變化【參考答案】A【名師解析】振動膜前后振動，金屬層和金屬板之間的距離發(fā)生變化，導(dǎo)致電容變化．故A正確．振動膜前后振動，金屬層和金屬板正對面積沒有變化．故B錯誤．金屬層和金屬板之間電介質(zhì)是空氣，沒有變化，不會導(dǎo)致電容變化．故C錯誤．電容與電壓無關(guān)，電壓的變化不會導(dǎo)致電容變化．故D錯誤．【分析】人對著話筒說話時(shí)，振動膜前后振動，使電容發(fā)生變化，根據(jù)電容的決定因素分析導(dǎo)致電容變化的原因．8.（2021年高考河南適應(yīng)性考試）手機(jī)觸摸屏多數(shù)采用的是電容式觸摸屏，其原理可簡化為如圖所示的電路。平行板電容器的上、下兩極板A、B分別接在一恒壓直流電源的兩端，上極板A為兩端固定的可動電極，下極板B為固定電極。當(dāng)用手指觸壓屏幕上某個部位時(shí)，可動電極的極板會發(fā)生形變，從而改變電容器的電容。當(dāng)壓力F增大時(shí)（）

A.電容器所帶電荷量不變 B.直流電源對電容器充電C.極板間的電場強(qiáng)度增大 D.電阻R上有從a到b的電流【參考答案】BC【名師解析】由公式可知，當(dāng)壓力F增大時(shí)兩板間距離減小，電容增大，由公式可知，電容器所帶電荷量增大，即直流電源對電容器充電，電阻R上有從b到a的電流，由公式可知，極板間的電場強(qiáng)度增大。故選BC。9.目前智能手機(jī)普遍采用了電容觸摸屏。電容觸摸屏是利用人體的電流感應(yīng)進(jìn)行工作的，它是一塊四層復(fù)合玻璃屏，玻璃屏的內(nèi)表面和夾層各涂一層ITO（納米銦錫金屬氧化物），夾層ITO涂層作為工作面，四個角引出四個電極，當(dāng)用戶手指（肉）觸摸電容觸摸屏?xí)r，手指（肉）和工作面形成一個電容器，因?yàn)楣ぷ髅嫔辖佑懈哳l信號，電流通過這個電容器分別從屏的四個角上的電極中流出，且理論上流經(jīng)四個電極的電流與手指到四個角的距離成比例，控制器通過對四個電流比例的精密計(jì)算來確定手指位置。寒冷的冬天，人們也可以用觸屏手套進(jìn)行觸控操作。下列說法正確的是（）A．使用絕緣筆壓電容觸摸屏也能進(jìn)行觸控操作B．為了安全，觸屏手套指尖處應(yīng)該采用絕緣材料C．手指按壓屏的力變大，手指（肉）和工作面形成的電容器電容變大D．手指與屏的接觸面積變大，手指（肉）QUOTE)和工作面形成的電容器電容變小本題考查電容器及其相關(guān)知識點(diǎn)。當(dāng)用戶手指（肉）觸摸電容觸摸屏?xí)r，手指（肉）和工作面形成一個電容器，而使用絕緣筆壓電容觸摸屏，或觸屏手套指尖處采用絕緣材料，絕緣筆（或絕緣材料）和工作面不能形成一個電容器，所以不能進(jìn)行觸控操作，選項(xiàng)AB錯誤；手指按壓屏的力變大，二者接觸面積增大，距離減小，手指（肉）和工作面形成的電容器電容變大，選項(xiàng)C正確D錯誤?！娟P(guān)鍵點(diǎn)撥】.利用平行板電容器的相關(guān)知識解答。10. 如圖所示是電容式話筒的原理圖，膜片與固定電極構(gòu)成一個電容器，用直流電源供電，當(dāng)

聲波使膜片振動時(shí)，電容發(fā)生變化，電路中形成變化的電流，于是電阻R兩端就輸出了與

聲音變化規(guī)律相同的電壓.下列說法正確的是（）A.電容式話筒是通過改變正對面積來改變電容的

B.電阻R兩端電壓變化的頻率與電流的頻率相同

C.當(dāng)膜片靠近固定電極時(shí)，電流從b流向a

D.當(dāng)膜片靠近固定電極時(shí)，電容器處于放電狀態(tài)【參考答案】B【名師解析】由圖可知，電容式話筒是通過改變板間距來改變電容的，故A錯誤；根據(jù)歐姆定律可知，電阻R兩端電壓變化的頻率與電流的頻率相同，故B正確；當(dāng)膜片靠近固定電極時(shí)，根據(jù)電容的決定式C=?S4πkd知，電容變大，因始終和電源相連，故U不變，由Q=UC可知，電量增大，電容器充電，電流由a到b，故CD錯誤。

【方法歸納】根據(jù)電容的決定式C=?S4πkd判斷電容的變化，電容始終接在電源的兩端，電勢差不變，根據(jù)Q=CU，判斷電量的變化，從而得出電流的流向．解決本題的關(guān)鍵是掌握電容的決定式以及知道電容始終接在電源的兩端，電勢差不變；同時(shí)掌握好電容的決定式和定義式的準(zhǔn)確應(yīng)用．A．曲線與坐標(biāo)軸所圍面積將增大B．曲線與坐標(biāo)軸所圍面積將減小C．曲線與縱軸交點(diǎn)的位置將向上移動D．曲線與縱軸交點(diǎn)的位置將向下移動【參考答案】D【名師解析】根據(jù)知I-t圖象的面積表示電容器所帶電荷量，在滑動變阻器電阻變化前后電容器所帶電荷量相同，所以曲線與坐標(biāo)軸所圍面積將不變，A、B錯誤；因滑動變阻器電阻電阻增大，則電容器放電電流將減小，曲線與縱軸交點(diǎn)的位置將向下移動。12.如圖所示，心臟除顫器用于刺激心臟恢復(fù)正常的跳動，它通過皮膚上的電極板使電容器放電．已知某款心臟除顫器，在短于一分鐘內(nèi)使70μF電容器充電到5000V，存儲875J能量，搶救病人時(shí)一部分能量在2ms脈沖時(shí)間通過電極板放電進(jìn)入身體，此脈沖的平均功率為100kW.下列說法正確的是()A．電容器放電過程中電壓不變B．電容器充電至2500V時(shí)，電容為35μFC．電容器充電至5000V時(shí)，電荷量為35CD．電容器所釋放出的能量約占存儲總能量的23%【參考答案】D【名師解析】電容器放電過程，電荷量減少，電壓減小，選項(xiàng)A錯誤；電容不隨電壓、電荷量的變化而變化，選項(xiàng)B錯誤；由C＝eq\f(Q,U)知Q＝CU＝70×10－6×5×103C＝0.35C，選項(xiàng)C錯誤；由η＝eq\f(Pt,E總)知，η＝eq\f(2×10－3×100×103,875)×100%＝23%，選項(xiàng)D正確．13.（2021廣州一模）如圖為電容式話筒的原理圖，E為電源，R為電阻，薄片P和Q為電容器兩金屬極板。人對著P說話，P振動而Q不動。在P、Q間距離減小的過程中A.電容器的電容不變B.通過R的電流為零C.Q極板的帶電量變大D.R中有從M流向N的電流【參考答案】C【命題思路】本題考查電容器及其相關(guān)知識點(diǎn)?！窘忸}思路】在P、Q間距離減小的過程中，電容增大，由C=Q/U可知，Q極板的帶電量變大，電容器充電，R中有從N流向M的電流，選項(xiàng)C正確。14.電容式加速度傳感器的原理結(jié)構(gòu)如圖，質(zhì)量塊右側(cè)連接輕質(zhì)彈簧，左側(cè)連接電介質(zhì)，彈簧與電容器固定在外框上。質(zhì)量塊可帶動電介質(zhì)移動改變電容。則QUOTE(??)A.電介質(zhì)插入極板間越深，電容器電容越小

B.當(dāng)傳感器由靜止突然向右加速瞬間，電路中有順時(shí)針方向電流

C.若傳感器原來向右勻速運(yùn)動，突然減速時(shí)彈簧會伸長

D.當(dāng)傳感器以恒定加速度運(yùn)動時(shí)，電路中有恒定電流【參考答案】B【名師解析】根據(jù)電容器的電容公式C=?S4kπd，當(dāng)電介質(zhì)插入極板間越深，即電介質(zhì)增大，則電容器電容越大，故A錯誤；當(dāng)傳感器由靜止突然向右加速瞬間，質(zhì)量塊要向左運(yùn)動，導(dǎo)致插入極板間電介質(zhì)加深，因此電容會增大，由于電壓不變，根據(jù)Q=CU，可知，極板間的電量增大，電容器處于充電狀態(tài)，因此電路中有順時(shí)針方向電流，故B正確；若傳感器原來向右勻速運(yùn)動，突然減速時(shí)，因慣性，則繼續(xù)向右運(yùn)動，從而壓縮彈簧，故C錯誤；當(dāng)傳感器以恒定加速度運(yùn)動時(shí)，根據(jù)牛頓第二定律可知，彈力大小不變，則電容器的電容不變，因兩極的電壓不變，則電容器的電量不變，因此電路中沒有電流，故D錯誤；

15.傳感器在各種領(lǐng)域中有著廣泛應(yīng)用，是自動控制設(shè)備中不可缺少的元件。如下圖所示為幾種電容式傳感器，其中通過改變電容器兩極間距離而引起電容變化的是：（

A.

B.

C.

D.

【參考答案】C【名師解析】A圖是可