高考物理一轮复习 实验增分 专题12 传感器的简单使用

实验十二 传感器的简单使用
知识梳理·夯实基础
一、研究热敏电阻的热敏特性
二、研究光敏电阻的光敏特性
三、注意事项
1．在做热敏实验时，加开水后要等一会儿再测其阻值，以使电阻温度与水的温度相同，并同时读出水温．
2．光敏实验中，如果效果不明显，可将电阻部分电路放入带盖的纸盒中，并通过盖上小孔改变射到光敏电阻上的光的多少．
3．欧姆表每次换挡后都要重新调零．
核心考点·分层突破
考点1 温度传感器
[例1](2017·江苏卷)某同学通过实验制作一个简易的温控装置，实验原理电路图如图甲所示，继电器与热敏电阻R t、滑动变阻器R串联接在电源E两端，当继电器的电流超过15 mA时，衔铁被吸合，加热器停止加热，实现温控．继电器的电阻约20 Ω，热敏电阻的
阻值R t与温度t的关系如下表所示.
(1)12)、滑动变阻
器R1(0～200 Ω)、滑动变阻器R2(0～500 Ω)、热敏电阻R t、继电器、电阻箱(0～999.9 Ω)、
开关S、导线若干．
为使该装置实现对30～80 °C之间任一温度的控制，电源E应选用__E2__(选填“E1”
或“E2”)，滑动变阻器R应选用__R2__(选填“R1”或“R2”)．
(2)实验发现电路不工作，某同学为排查电路故障，用多用电表测量各接点间的电压，则应将如图乙所示的选择开关旋至__C __(选填“A ”“B ”“C ”或“D ”)．
(3)合上并关S ，用调节好的多用电表进行排查．在图甲中，若只有b 、c 间断路，则应发现表笔接入a 、b 时指针__不偏转__(选填“偏转”或“不偏转”)，接入a 、c 时指针__偏转__(选填“偏转”或“不偏转)．
(4)排除故障后，欲使衔铁在热敏电阻为50 ℃时被吸合，下列操作步骤的正确顺序是__⑤④②③①__(填写各步骤前的序号)．
①将热敏电阻接入电路 ②观察到继电器的衔铁被吸合 ③断开开关，将电阻箱从电路中移除 ④合上开关，调节滑动变阻器的阻值
⑤断开开关，用电阻箱替换热敏电阻，将阻值调至108.1 Ω
解析 (1)因通过继电器的电流超过15 mA 时加热器停止加热，为使该装置实现对30～80 ℃之间任一温度的控制，要求电路在30～80 ℃之间的任一温度下的电流能通过调节达到15 mA ．当控制到30 ℃时，电路的最小阻值为R min ＝199.5 Ω＋20 Ω＝219.5 Ω，要使电流达到15 mA ，则所需电源的电动势至少为E min ＝IR min ＝3.29 V ，故电源只能选用电动势为6 V 的E 2.为使温度控制在80 ℃，则在6 V 电源下电路中的电流能达到15 mA ，故此时滑
动变阻器接入电路中的阻值为R ＝E 2I －(R 1＋R 继)＝6
0.015
Ω－49.1 Ω－20 Ω＝330.9 Ω，
故滑动变阻器应选用R 2．
(2)由于是用多用电表测直流电压，且电源电动势为6 V ，故应选择直流电压10 V 挡． (3)若只有b 、c 间断路，电路中无电流，a 、b 间电压为0，a 、c 间电压等于电源电压，故表笔接入a 、b 时指针不偏转，接入a 、c 时指针偏转，且示数等于电源电动势．
(4)欲使衔铁在50 ℃时被吸合，则要求温度达到50 ℃时电路中电流达到15 mA ，而此时热敏电阻的阻值为108.1 Ω.为确定滑动变阻器应接入电路中的阻值，先将电阻箱调到108.1 Ω并替代热敏电阻接入电路，调节滑动变阻器使衔铁恰好被吸合，然后再保持滑动变阻器滑片位置不动，将热敏电阻再替换回电阻箱即可，故合理的顺序应为⑤④②③①．
考点2 光电传感器
[例2]为了研究光敏电阻在室内正常光照射和室外强光照射时电阻的大小关系，某同学
用如图甲所示的电路进行实验，得出两种U －I 图线，如图乙所示．
(1)根据U －I 图线可知正常光照射时光敏电阻的阻值为__3_000__Ω，强光照射时电阻为__200__Ω；
(2)若实验中所用电压表的内阻约为5 k Ω，毫安表的内阻约为100 Ω，考虑到电表内阻对实验结果的影响，此实验中__强光照射时__(选填“正常光照射时”或“强光照射时”)测得的电阻误差较大．若测量这种光照下的电阻，则需将实物图中毫安表的连接方式采用__外接__(选填“内接”或“外接”)法进行实验，实验结果较为准确．
解析 (1)光敏电阻的阻值随光照的增强而减小，结合图乙知正常光照射时R 1＝U 1
I 1
＝2.4 V 0.8×10－3
A ＝3 000 Ω，强光射时R 2＝U 2I 2＝0.8 V
4.0×10－3 A ＝200 Ω；(2)实验电路采用的是毫安表内接法，测得的结果比真实值偏大，当待测电阻远大于毫安表电阻时实验误差较小，所以强光照射时误差较大；强光照射时采用毫安表外接法实验结果较为准确．
考点3 力传感器
[例3]传感器是把非电学量(如速度、温度、压力等)的变化转换成电学量的变化的一种元件，在自动控制中有着相当广泛的应用．有一种测量人的体重的电子秤，其测量部分的原理图如图中的虚线框所示，它主要由压力传感器R (电阻值会随所受压力大小发生变化的可变电阻)和显示体重大小的仪表A(实质是理想电流表)组成．压力传感器表面能承受的最大压强为1×107
Pa ，且已知压力传感器R 的电阻与所受压力的关系如表所示．设踏板和压杆的质量可以忽略不计，接通电源后，压力传感器两端的电压恒为4.8 V ，取g ＝10 m/s 2
．
请作答：
__1.6×10__A (2)如果某人站在该秤踏板上，电流表刻度盘的示数为20 mA ，这个人的质量是__50__kg ．
解析 (1)由题表格知，踏板空载时，压力传感器的电阻R ＝300 Ω，此时Ⓐ中电流I
＝U R ＝4.8300
A ＝1.6×10－2 A ．(2)当电流I ′＝20 mA ＝2×10－2
A 时，压力传感器的电阻R ′＝
U I ′＝ 4.82×10－2
Ω＝240 Ω，由表格可知，这个人受到的重力为500 N ，此人质量为50 kg ． 考点4 电容式传感器
[例4]如图所示为一测定液面高低的传感器示意图，A 为固定的导体芯，B 为导体芯外
面的一层绝缘物质，C 为导电液体，把传感器接到图示电路中，已知灵敏电流表指针偏转方向与电流方向相同．如果发现指针正向右偏转，则导电液体的深度h 的变化情况为( B )
A ．h 正在增大
B ．h 正在减小
C ．h 不变
D ．无法确定
解析 由电源极性及电流方向可知，A 、B 构成的电容器上的电荷量减小，据C ＝Q U
，电容C 在减小，可知正对面积S 减小，即h 在减小．故选项B 正确．
对应演练·迁移运用
1．(多选)如图所示，R 1、R 2为定值电阻，L 为小灯泡，R 3为光敏电阻，当照射光强度增大时( ABC )
A ．电压表的示数增大
B ．R 2中电流减小
C ．小灯泡的功率增大
D ．电路的路端电压增大
解析 当照射光强度增大时，R 3阻值减小，外电路电阻随R 3的减小而减小，R 1两端电压因干路电流增大而增大，同时内电压增大，故电路路端电压减小，电压表的示数增大，选项A 正确，D 错误；由路端电压减小、R 1两端电压增大知，R 2两端电压减小，则R 2中电流减小，故选项B 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，故选项C 正确．
2．(多选)利用光敏电阻制作的光传感器，记录了传送带上工件的输送情况，如图甲所示为某工厂成品包装车间的光传感记录器，光传感器B 能接收到发光元件A 发出的光，每当工件挡住A 发出的光时，光传感器就输出一个电信号，并在屏幕上显示出电信号与时间的关系，如图乙所示．若传送带始终匀速运动，每两个工件间的距离为0.2 m ，则下列说法正确
的是( BC )
A ．传送带运动的速度是0.1 m/s
B ．传送带运动的速度是0.2 m/s
C ．该传送带每小时输送3 600个工件
D ．该传送带每小时输送7 200个工件
解析 从乙图可以知道，每间隔1秒的时间光传感器就输出一个电信号，而在这一段时间内传送带运动了两个工件之间的距离，所以传送带运动的速度是v ＝0.2
1 m/s ＝0.
2 m/s ，
故选项A 错误，B 正确；传送带每小时传送的距离为s ＝vt ＝0.2×3 600 m，工件个数为n ＝s L
＝3 600个，选项C 正确，D 错误．
3．温度传感器广泛应用于家用电器中，它是利用热敏电阻的阻值随温度变化的特性来工作的．如图甲所示为某装置中的传感器工作原理图，已知电源的电动势E ＝9.0 V ，内阻不计，G 为灵敏电流表，其内阻R g 保持不变；R 为热敏电阻，其阻值随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 ℃时，电流表示数I 1＝2 mA ；当电流表的示数I 2＝3.6 mA 时，热敏电阻的温度是( D )
A ．60 ℃
B ．80 ℃
C ．100 ℃
D ．120 ℃
解析 由题中图乙知，温度为20℃时，R 的阻值R 1＝4 k Ω.由欧姆定律知E ＝I 1(R 1＋R g )，
E ＝I 2(R 2＋R g )，两式联立，解得R 2＝2 k Ω，由图乙中查得此时温度为120℃，选项D 正确．
4．压敏电阻的阻值随所受压力的增大而减小，有位同学利用压敏电阻设计了判断小车运动状态的装置，其工作原理如图甲所示，将压敏电阻和一块挡板固定在绝缘小车上，中间放置一个绝缘重球．小车向右做直线运动过程中，电流表示数如图乙所示，下列判断正确的是( D )
A．从t1到t2时间内，小车一定做匀速直线运动
B．从t1到t2时间内，小车做匀加速直线运动
C．从t2到t3时间内，小车做匀速直线运动
D．从t2到t3时间内，小车做匀加速直线运动
解析在0～t1内，I恒定，压敏电阻阻值不变，由重球的受力不变可知，小车可能做匀速或匀加速直线运动，在t1～t2内，I变大，阻值变小，压力变大，小车做变加速直线运动，选项A、B均错误．在t2～t3内，I不变，压力恒定，小车做匀加速直线运动，选项C
错误，D正确．。