高考物理一轮复习精品学案：第十章 实验十一 传感器的简单使用

实验十一传感器的简单使用
考纲解读1.知道什么是传感器，知道光敏电阻和热敏电阻的作用.2.能够通过实验探究光敏电阻和热敏电阻的特性.3.了解常见的各种传感器的工作原理、元件特性及设计方案．
图1
考点一温度传感器的应用
例1如图2所示，图甲为热敏电阻的R－t图象，图乙为用此热敏电阻R和继电器组成的一个简单恒温箱温控电路，继电器的电阻为100 Ω.当线圈的电流大于或等于20 mA时，继电器的衔铁被吸合．为继电器线圈供电的电池的电动势E＝9.0 V，内阻不计．图中的“电源”是恒温箱加热器的电源．
图2
(1)应该把恒温箱内的加热器接在________(填“A、B端”或“C、D端”)．
(2)如果要使恒温箱内的温度保持在50℃，可变电阻R′的阻值应调节为________Ω.
解析恒温箱内的加热器应接在A、B端．当线圈中的电流较小时，继电器的衔铁在上
方，恒温箱的加热器处于工作状态，恒温箱内温度升高．
随着恒温箱内温度升高，热敏电阻R 的阻值变小，则线圈中的电流变大，当线圈的电流大于或等于20 mA 时，继电器的衔铁被吸到下方来，则恒温箱加热器与电源断开，加热器停止工作，恒温箱内温度降低．随着恒温箱内温度降低，热敏电阻R 的阻值变大，则线圈中的电流变小，当线圈的电流小于20 mA 时，继电器的衔铁又被释放到上方，则恒温箱加热器又开始工作，这样就可以使恒温箱内保持在某一温度．要使恒温箱内的温度保持在50°C ，即50°C 时线圈内的电流为20 mA.由闭合电路欧姆定律I ＝E
r ＋R ＋R ′
，r 为继电器的电阻．由题图甲可知，50°C 时热敏电阻的阻值为90 Ω，所以R ′＝E
I －(r ＋R )＝260 Ω.
答案 (1)A 、B 端 (2)260 考点二 光电传感器的应用
例2 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R OS 在不同照度下的阻值如下表所示：
(1)值随照度变化的特点．
图3
(2)如图4所示，当1、2两端所加电压上升至2 V 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1.0 lx 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)
图4
提供的器材如下：
光敏电阻R OS(符号，阻值见上表)
直流电源E(电动势3 V，内阻不计)；
定值电阻：R1＝10 kΩ，R2＝20 kΩ，R3＝40 kΩ (限选其中之一并在图中标出)
开关S及导线若干．
解析(1)根据表中的数据，在坐标系中描点连线，得到如图所示的变化曲线．
由图可知阻值随照度变化的特点：光敏电阻的阻值随光照强度的增大非线性减小．
(2)因天色渐暗、照度降低至1.0 lx时启动照明系统，此时光敏电阻阻值为20 kΩ，两端
电压为2 V，电源电动势为3 V，故应加上一个分压电阻，分压电阻阻值为10 kΩ，即
选用R1.此电路的原理图如图所示．
答案见解析
考点三力电传感器的实际应用
例3某学生为了测量一个物体的质量，找到一个力电转换器，该转换器的输出电压正比于受压面的压力(比例系数为k)，如图5所示，测量时先调节输入端的电压，使转换器空载时的输出电压为0；而后在其受压面上放一物体，即可测得与物体的质量成正比的输
出电压U.
图5
请完成对该物体质量的测量：
(1)设计一个电路，要求力电转换器的输入电压可调，并且使调节范围尽可能大，在虚线框中画出完整的测量电路图．
(2)简要说明测量步骤，求出比例系数k ，并测出待测物体的质量m .
解析 力电转换器虽然是一个全新的仪器，但它与其他所有的测量仪器一样，要有一个“调零”的过程．仔细审题，题目中有很多重要的暗示，挖掘这些信息即是我们解决问题的关键．“测量时先调节输入端的电压，使转换器空载时的输出电压为0；而后在其受压面上放一物体，即可测得与物体的质量成正比的输出电压U ”“该转换器的输出电压正比于受压面的压力(比例系数为k )”，所以输出电压U ＝kmg .题目要求“力电转换器的输入电压可调，并且使电压的调节范围尽可能大”，这就暗示我们滑动变阻器必须使用分压式，有了设计电路才可以进行测量步骤． (1)设计电路如图所示．
(2)测量步骤如下：
①调节滑动变阻器，使转换器的输出电压为零；
②将质量为m 0的砝码放在转换器的受压面上，记下输出电压U 0； ③将待测物体放在转换器的受压面上，记下输出电压U 1； ④因为U 0＝km 0g 、U 1＝kmg ，所以可求m ＝m 0U 1U 0.
答案 见解析
1．关于传感器工作的一般流程，下列说法中正确的是() A．非电学量→敏感元件→转换电路→电学量→转换元件
B．电学量→敏感元件→转换电路→转换元件→非电学量
C．非电学量→敏感元件→转换元件→转换电路→电学量
D．非电学量→转换电路→转换元件→敏感元件→电学量
答案 C
解析传感器工作的一般流程为：非电学量被敏感元件感知，然后通过转换元件转换成电信号，再通过转换电路将此信号转换成易于传输或测量的电学量，因此A、B、D错，C对．
2．如图6所示为光敏电阻自动计数器的示意图，图中虚线表示激光，圆柱体表示随传送带运动的货物，其中R1为光敏电阻，R2为定值电阻，此光电计数器的基本工作原理是()
图6
A．当光照射R1时，信号处理系统获得高电压
B．当光照射R1时，信号处理系统获得低电压
C．信号处理系统每获一次低电压就计数一次
D．信号处理系统每获一次高电压就计数一次
答案BD
解析激光是照在光敏电阻R1上，信号处理系统与R1并联，其电压就是R1上的电压，当货物挡光时R1阻值大，电压高，货物挡光一次，就计数(货物的个数)一次，故B、D 正确．
3．在输液时，药液有时会从针口流出体外，为了及时发现，设计了一种报警装置，电路如图7所示．M是贴在针口处的传感器，接触到药液时其电阻R M发生变化，导致S两端电压U增大，装置发出警报，此时()
图7
A．R M变大，且R越大，U增大越明显
B．R M变大，且R越小，U增大越明显
C．R M变小，且R越大，U增大越明显
D．R M变小，且R越小，U增大越明显
答案 C
解析由题意知，S两端的电压增大，则电路中的电流增大，接触药液的传感器的电阻变小，则A、B选项是错误的；将S看做外电路，其余看做等效电源，根据U＝E－Ir 可判断，同样的变化电流，则内阻越大电压变化越大，因此答案为C.
4．如图8所示，R1、R2为定值电阻，L为小灯泡，R3为光敏电阻，当入射光强度增大时()
图8
A．电压表的示数增大
B．R2中电流减小
C．小灯泡的功率增大
D．电路的路端电压增大
答案ABC
解析当入射光强度增大时，R3阻值减小，外电路总电阻随R3的减小而减小，R1两端电压因干路电流增大而增大，电压表的示数增大，同时内电压增大，故电路路端电压减小，A项正确，D项错误；由路端电压减小，R1两端电压增大知，R2两端电压必减小，则R2中电流减小，故B项正确；结合干路电流增大知流过小灯泡的电流必增大，则小灯泡的功率增大，故C项正确．
5．温度传感器广泛应用于室内空调、电冰箱等家用电器中，它是利用热敏电阻的阻值随温度变化的特性工作的．如图9甲所示，电源的电动势E＝9.0 V，内电阻不计；G为灵敏电流计，内阻R g保持不变；R为热敏电阻，其电阻值与温度的变化关系如图乙所示．闭
合开关S ，当R 的温度等于20°C 时，电流表示数I 1＝2 mA 时，当电流表的示数I 2＝3.6 mA 时，热敏电阻的温度是________°C.
图9
答案 120
解析 从题图乙查得t ＝20°C 时，R 的阻值为4 kΩ 由E ＝I 1(R ＋R g )得
R g ＝E I 1－R ＝9
2
kΩ－4 kΩ＝0.5 kΩ
当I 2＝3.6 mA 时，设热敏电阻的阻值为R ′，则 R ′＝E I 2－R g ＝9
3.6 kΩ－0.5 kΩ＝2 kΩ
从题图乙查得此时对应的温度t 2＝120°C.
6．一些材料的电阻随温度的升高而变化．如图10甲是由某金属材料制成的电阻R 随摄氏
温度t 变化的图象，若用该电阻与电池(电动势E ＝1.5 V ，内阻不计)、电流表(量程为5 mA ，内阻不计)、电阻箱R ′串联起来，连接成如图乙所示的电路，用该电阻做测温探头，把电流表的电流刻度改为相应的温度刻度，就得到了一个简单的“金属电阻温度计”．
图10
(1)电流刻度较大处对应的温度刻度________；(选填“较大”或“较小”) (2)若电阻箱阻值R ′＝150 Ω，当电流为5 mA 时对应的温度数值为________°C. 答案 (1)较小 (2)50
解析 (1)由题图甲可知，温度升高，电阻阻值增大，电路中电流减小，因此电流刻度较大处对应的温度刻度较小．
(2)电流为5 mA时，电路总电阻为300 Ω，电阻箱阻值R′＝150 Ω，则R＝150 Ω，由
题图甲得对应的温度为50°C.
7．利用负温度系数热敏电阻制作的热传感器，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________(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°C(如图11甲所示)，则25°C的刻度应在20°C的刻度的________(填“左”或“右”)侧．
甲乙
图11
(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．
答案(1)小(2)右(3)见解析图
解析(1)因为负温度系数热敏电阻温度降低时，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°C的刻度应对应较大电流，故在20°C的
刻度的右侧．
(3)电路如图所示．
8．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，要求该特性曲线尽可能完整．已知常温下待测热敏电阻的阻值约4 Ω～5 Ω.
将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具有：盛有热水的热水瓶(图中未画出)、电源(3 V、内阻可忽略)、直流电流表(内阻约1 Ω)、直流电压表(内阻约5 kΩ)、滑动变阻器(0～20 Ω)、开关、导线若干．
(1)在下面的虚线框中画出实验电路图，要求测量误差尽可能小．
(2)根据电路图，在图12的实物图上连线．
图12
(3)简要写出完成接线后的主要实验步骤．
答案见解析
解析(1)为获得更多的数据，应使电压从零开始变化，故应采用分压电路．由于待测热敏电阻阻值约4 Ω～5 Ω，故应采用电流表外接法，电路图如图所示．
(2)按电路图连接实物图如图所示．
(3)①往保温杯中加入一些热水，待温度稳定时读出温度计示数；
②调节滑动变阻器，快速测出几组电流表和电压表的值并记录；
③重复①、②，测量不同温度下的电流表和电压表的值并作记录；
④绘出各测量温度下热敏电阻的伏安特性曲线．。