某探究小组利用半导体薄膜压力传感器等元件设计了一个测量微小…——2023 高考物理第 12 题答案解析

2023_湖南卷 (2023·物理)

2023 全国 第 12 题 填空题 区分题
2023_湖南卷 (2023·物理)

12.
某探究小组利用半导体薄膜压力传感器等元件设计了一个测量微小压力的装置,其电路如图(a)所示,$R_{1} , R_{2} , R_{3}$ 为电阻箱,$R_{F}$ 为半导体薄膜压力传感器,$C , D$ 间连接电压传感器(内阻无穷大).


图(a)


图(b)

(1)先用欧姆表"$\times 100$"挡粗测 $R_{F}$ 的阻值,示数如图(b)所示,对应的读数是 $\_\_\_\_$$\Omega$ ;
(2)适当调节 $R_{1} , R_{2} , R_{3}$ ,使电压传感器示数为 0 ,此时,$R_{F}$ 的阻值为 $\_\_\_\_$(用 $R_{1} , R_{2} , R_{3}$ 表示);
(3)依次将 0.5g 的标准砝码加载到压力传感器上(压力传感器上所受压力大小等于砝码重力大小),读出电压传感器示数 $U$ ,所测数据如下表所示:

次数123456
砝码质量 $m / \mathrm{g}$0.00.51.01.52.02.5
电压 $U / \mathrm{mV}$057115168220280

根据表中数据在图(c)上描点,绘制 $U-m$ 关系图线 $\_\_\_\_$;


(4)完成前面三步的实验工作后,该测量微小压力的装置即可投入使用。在半导体薄膜压力传感器上施加微小压力 $F_{0}$ ,电压传感器示数为 200 mV ,则 $F_{0}$ 大小是 $\_\_\_\_$N(重力加速度取 $9.8 \mathrm{~m} / \mathrm{s}^{2}$ ,保留2位有效数字);

(5)若在步骤(4)中换用非理想毫伏表测量 $C , D$ 间电压,在半导体薄膜压力传感器上施加微小压力$F_{1}$ ,此时非理想毫伏表读数为 200 mV ,则 $F_{1}$ $\_\_\_\_$$F_{0}$(填">""="或"<")。

参考答案

(1) 1000#1000.0; (2) $\frac{R_{1} R_{3}}{R_{2}}$; (3) ; (4) $1.7 \times 10^{-2} \quad$; (5) $>$

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核心知识
实验设计与器材选择
核心考法
等效替代图像法
关键能力
应用实验题
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隐含条件忽略有效数字不规范
难度
区分题

完整解析 · 逐步详解

【答案】
①.1000#1000.0
②.$\frac{R_{1} R_{3}}{R_{2}}$
③.


$1.7 \times 10^{-2} \quad(5) .>$
【解析】
【详解】(1)[1]欧姆表读数为 $10 \times 100 \Omega=1000 \Omega$
(2)[2]当电压传感器读数为零时,$C D$ 两点电势相等,即
$$ U_{C B}=U_{D B} $$

$$ \frac{U_{A B}}{R_{1}+R_{F}} R_{F}=\frac{U_{A B}}{R_{2}+R_{3}} R_{3} $$

解得

$$ R_{F}=\frac{R_{1} R_{3}}{R_{2}} $$

(3)[3]绘出 $U-m$ 图像如图

(4)[4]由图像可知,当电压传感器的读数为200mV 时,所放物体质量为1.75g,则

$$ F_{0}=m g=1.75 \times 10^{-3} \times 9.8 \mathrm{~N}=1.7 \times 10^{-2} \mathrm{~N} $$

(5)[5]可将 $C D$ 以外的电路等效为新的电源,$C D$ 两点电压看做路端电压,因为换用非理想电压传感器当读数为200mV 时,实际 $C D$ 间断路(接理想电压传感器时)时的电压大于 200 mV ,则此时压力传感器的读数 $F_{1}>F_{0}$ 。

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