高考物理一轮复习 第十一单元 交变电流 传感器 实验十二 传感器的简单应用学案 新人教版-新人教版高

实验十二传感器的简单应用
[实验目的]
1．认识热敏电阻、光敏电阻等传感器中的敏感元件．
2．了解传感器在科学技术上的简单应用．
[实验原理]
1．传感器能够将感受到的物理量(力、热、光、声等)转换成便于测量的量(一般是电学量)．
2．工作过程如图：
[实验器材]
热敏电阻、光敏电阻、多用电表、铁架台、烧杯、冷水、热水、小灯泡、学生电源、滑动变阻器、开关、导线等．
[实验过程]
1．研究热敏电阻的特性：
(1)如图所示连接好电路，将热敏电阻绝缘处理．
(2)把多用电表置于“欧姆”挡，并选择适当的倍率测出烧杯中没有热水时热敏电阻的阻值，并记下温度计的示数．
(3)向烧杯中注入少量的冷水，使热敏电阻浸没在冷水中，记下温度计的示数和热敏电
阻的阻值．
(4)将热水分几次注入烧杯中，测出不同温度下热敏电阻的阻值，并记录、填表．
(5)画出热敏电阻的阻值随温度变化的图线．
(6)根据实验数据和R­t图线，分析得到热敏电阻的特性．
2．研究光敏电阻的特性：
(1)将光敏电阻、多用电表、灯泡、滑动变阻器按所示电路连接，其中多用电表置于“欧姆”挡．
(2)测出在室内自然光的照射下光敏电阻的阻值，并记录数据．
(3)接通电源，让小灯泡发光，调节滑动变阻器使小灯泡的亮度逐渐增强，观察表盘指针显示电阻阻值的情况，并记录．
(4)用黑纸遮住光，观察并记录光敏电阻的阻值.
光照强度弱中强无光照射
阻值/Ω
(5)分析记录结果，得到光敏电阻的特性：光敏电阻的阻值被光照射时发生变化，光照增强时电阻减小，光照减弱时电阻增大．
[注意事项]
1．在做热敏电阻实验时，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、热敏电阻的阻值．
2．光敏电阻实验中，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照射到光敏电阻上的光的强度．
3．欧姆表每次换挡后都要重新调零．
命题点1 热敏电阻的性质
某实验小组利用如图(a)所示的电路探究在25 ℃～80 ℃范围内某热敏电阻的温度特性．所用器材有：置于温控室(图中虚线区域)中的热敏电阻R T，其标称值(25 ℃
时的阻值)为900.0 Ω；电源E(6 V，内阻可忽略)；电压表(量程150 mV)；定值电阻R0(阻值20.0 Ω)，滑动变阻器R1(最大阻值为1 000 Ω)；电阻箱R2(阻值范围0～999.9 Ω)；单刀开关S1，单刀双掷开关S2.
实验时，先按图(a)连接好电路，再将温控室的温度t升至80.0 ℃.将S2与1端接通，闭合S1，调节R1的滑片位置，使电压表读数为某一值U0；保持R1的滑片位置不变，将R2置于最大值，将S2与2端接通，调节R2，使电压表读数仍为U0；断开S1，记下此时R2的读数．逐步降低温控室的温度t，得到相应温度下R2的阻值，直至温度降到25.0 ℃.实验得到的R2­t 数据见下表.
t/℃25.030.040.050.060.070.080.0
R2/Ω900.0680.0500.0390.0320.0270.0240.0
(1)在闭合S1前，图(a)中R1的滑片应移动到________(填“a”或“b”)端；
(2)在图(b)的坐标纸上补齐数据表中所给数据点，并做出R2­t曲线；
(3)由图(b)可得到R T在25～80 ℃范围内的温度特性．当t＝44.0 ℃时，可得R T＝________Ω；
(4)将R T握于手心，手心温度下R2的相应读数如图(c)所示，该读数为________Ω，则手心温度为________℃.
【解析】(1)滑动变阻器采用限流式接法，在闭合开关前，从保护电路的角度考虑，滑动变阻器接入电路的阻值应调到最大值，故R1的滑片应移动到b端．
(2)先描点，之后在坐标纸上用平滑的曲线连接各点，如图所示．
(3)由图可知，当t＝44.0 ℃时，R T＝R2＝450 Ω.(数据合理即正确)
(4)由图(c)可知，电阻箱示数为R2＝6×100 Ω＋2×10 Ω＋0×1 Ω＋0×0.1 Ω＝620.0 Ω，由图可得当R T＝R2＝620.0 Ω时，手心的温度t＝32.0 ℃.(数据合理即正确) 【答案】(1)b(2)见解析(3)450
(4)620.0 32.0
高分技法
热敏电阻的特点
1热敏电阻：热敏电阻的特点相对金属热电阻，对温度变化更敏感.
2热敏电阻分为正温度系数和负温度系数两种热敏电阻，正温度系数的热敏电阻，温度越高，电阻越大；负温度系数的热敏电阻，温度越高，电阻越小.
命题点2 光敏电阻的性质
为了节能和环保，一些公共场所用光控开关控制照明系统，光控开关可用光敏电阻控制，如图甲所示是某光敏电阻阻值随光的照度变化曲线，照度可以反映光的强弱，光越强照度越大，照度单位为勒克斯(lx)．
(1)如图乙所示，电源电动势为3 V，内阻不计，当控制开关两端电压上升至2 V时控制开关自动启动照明系统．要求当天色渐暗照度降至1.0 lx时控制开关接通照明系统，则R1＝________kΩ.
(2)某同学为了测量光敏电阻在不同照度下的阻值，设计了如图丙所示的电路进行测量，所用器材有电源(E＝3 V，内阻未知)，电阻箱(0～99 999 Ω)．实验时将电阻箱阻值置于最大，闭合S1，将S2与1相连，减小电阻箱阻值，使灵敏电流计的示数为I，图丁为实验时电阻箱的阻值，其读数为________kΩ；然后将S2与2相连，调节电阻箱的阻值如图戊所示，此时电流计的示数恰好为I，则光敏电阻的阻值R0＝________kΩ(结果保留三位有效数字)．
【解析】(1)当照度为1.0 lx时，电阻R0＝20 kΩ，电阻R1和R0串联，则有R0
R1
＝
U0
U1
＝
2
1
，则R1＝10 kΩ.
(2)图丁的电阻为R2＝62.5 kΩ，图戊的电阻R2′＝22.5 kΩ，本题采用等效法测电阻，前后两次电路中的电流相等，则电路总电阻相等，则有R2＝R0＋R2′，所以R0＝40.0 kΩ.
【答案】(1)10 (2)62.5 40.0
高分技法
光敏电阻的特点
1光敏电阻在暗环境下电阻值很大，强光照射下电阻值很小；
2光敏电阻能够把光照强弱这个光学量转换为电阻这个电学量.
命题点3 实验拓展创新
命题角度1：温度传感器的原理和应用
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1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：
t/℃30.040.050.060.070.080.0
R T/Ω199.5145.4108.181.862.949.1
(1)提供的实验器材有：电源E1(3 V，内阻不计)、电源E2(6 V，内阻不计)、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 ℃之间任一温度的控制，电源E应选用________(填“E1”或“E2”)，滑动变阻器R应选用________(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2所示的选择开关旋至________(填“A”“B”“C”或“D”)．
(3)合上开关S，用调节好的多用电表进行排查．在图1中，若只有b、c间断路，则应发现表笔接入a、b时指针________(填“偏转”或“不偏转”)，接入a、c时指针________(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________．(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)由表格数据知，当温度为30 ℃时，热敏电阻阻值为199.5 Ω，继电器线圈的阻值R0＝20 Ω，当电流为15 mA时，E＝I(R T＋R0)＝3.3 V，所以电源选E2，当温度为80 ℃时，热敏电阻阻值R T＝49.1 Ω，则E2＝I(R T＋R0＋R)，此时变阻器阻值R＝330.9 Ω，
所以变阻器选择R2；
(2)多用电表测量直流电压时，旋钮旋至直流电压挡C处；
(3)若只有b、c间断路，表笔接入a、b时，整个回路断路，电表指针不偏转，接入a、c时有电流流经电表，故指针偏转；
(4)50 ℃时，热敏电阻阻值为108.1 Ω，所以应将电阻箱阻值调至108.1 Ω代替热敏电阻接入电路中，调节变阻器，使衔铁能吸合，再将电阻箱换成热敏电阻，故顺序为⑤④②③①.
【答案】(1)E2R2(2)C(3)不偏转偏转
(4)⑤④②③①
命题角度2：光传感器的原理和应用
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的阻值随照度变化的曲线如图丙所示．
(1)如图甲所示是街道路灯自动控制电路所需的元件．利用直流电源给电磁铁供电，利用220 V交流电源给路灯供电．为达到天亮灯熄、天暗灯亮的效果，请用笔画线代替导线，正确连接电路元件．
(2)用多用电表“×100”欧姆挡，测量图甲中电磁铁线圈的电阻时，指针偏转角度太大，为了更准确地测量其阻值，接下来应选用________(填“×1 k”或“×10”)欧姆挡，进行欧
姆调零后重新测量，其示数如图乙所示，则线圈的电阻为________Ω.
(3)已知当线圈中的电流大于或等于2 mA 时，继电器的衔铁将被吸合．图甲中直流电源的电动势E ＝6 V ，内阻忽略不计，滑动变阻器有三种规格可供选择：R 1(阻值范围0～10 Ω，允许通过最大电流2 A)、R 2(阻值范围0～200 Ω，允许通过最大电流1 A)、R 3(阻值范围0～1 750 Ω，允许通过最大电流1 A)．要求天色渐暗照度降低至1.0 lx 时点亮路灯，滑动变阻器应选择________(填“R 1”“R 2”或“R 3”)．为使天色更暗时才点亮路灯，应适当地________(填“增大”或“减小”)滑动变阻器的电阻．
【解析】 (1)光敏电阻的阻值随照度的增大而减小，所以白天时光敏电阻的阻值小，电路中的电流值大，衔铁将被吸住，静触点与C 接通；晚上时的光线暗，光敏电阻的阻值大，电路中的电流值小，所以静触点与A 接通，要达到晚上灯亮，白天灯灭，则路灯应接在AB 之间，电路图如图；(2)用多用电表“×100”欧姆挡，测量题图甲中电磁铁线圈电阻时，指针偏转角度太大，说明电阻较小，应换用小量程挡，接下来应选用“×10”欧姆挡，进行欧姆调零后重新测量，欧姆表的读数是先读出表盘的刻度，然后乘以倍率，表盘的刻度是14，倍率是10，所以电阻值是14×10 Ω＝140 Ω；(3)天色渐暗照度降低至1.0 lx 时点亮路灯，
此时光敏电阻的阻值是2 kΩ，电路中的电流是2 mA ，R ＝E I －R 光＝62×10
－3 Ω－2 000 Ω＝1 000 Ω，所以要选择滑动变阻器R 3；由于光变暗时，光敏电阻变大，分的电压变大，所以为使天色更暗时才点亮路灯，应适当地减小滑动变阻器的电阻．
【答案】 (1)如图所示 (2)×10 140 (3)R 3 减小
命题角度3：力传感器的原理和应用
材料的电阻随压力的变化而变化的现象称为“压阻效应”，利用这种效应可以测量压力大小．若图甲为某压敏电阻在室温下的电阻—压力特性曲线，其中R F、R0分别表示有、无压力时压敏电阻的阻值．为了测量压力F，需先测量压敏电阻处于压力作用下的电阻值R F.请按要求完成下列问题．
(1)设计一个可以测量处于压力作用下的该压敏电阻阻值的电路，在图乙的虚线框中画出实验电路原理图(压敏电阻及所加压力已给出，待测压力大小为0.4×102 N～0.8×102 N，不考虑压力对电路其他部分的影响)，要求误差较小，提供的器材如下：
A．压敏电阻(无压力时阻值R0＝6 000 Ω)；
B．滑动变阻器R(总阻值约为200 Ω)；
C．电流表A(量程0～2.5 mA，内阻约为30 Ω)；
D．电压表V(量程0～3 V，内阻约为3 kΩ)；
E．直流电源E(电动势为3 V，内阻很小)；
F ．开关S ，导线若干．
(2)正确接线后，将压敏电阻置于待测压力下，通过压敏电阻的电流是1.33 mA ，电压表的示数如图丙所示，则电压表的读数为________V.
(3)此时压敏电阻的阻值为________Ω；结合图甲可知待测压力的大小F ＝________N ．(结果均保留两位有效数字)
【解析】 (1)根据题述对实验电路的要求，应该采用分压式接法、电流表内接的电路，原理图如图所示．
(2)根据电压表读数规则，电压表读数为2.00 V.
(3)由欧姆定律，此时压敏电阻的阻值为R F ＝U I ≈1.5×103 Ω，R 0R F
＝4，由图象可知，对应的待测压力F ＝60 N.
【答案】 (1)如图所示
(2)2.00 (3)1.5×103 60。