(统考版)高考物理一轮复习 第十一章 交变电流 传感器 实验十二 传感器的简单应用学生用书

实验十二　传感器的简单应用
必备知识·自主排查基本原理与操作
装置图
操作要领
甲乙
①测量：欧姆表每次换挡后都要重新调零，测电阻时读数存在误差．②步骤：改变水温、改变光的强度并记录．
③结论：热敏电阻的阻值随温度的升高而减
小或增大，随温度的降低而增大或减小，半
导体热敏电阻也可以用作温度传感器．
光敏电阻的阻值随光照强度的增强而减小．
●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欧姆调零．
●误差分析
1．温度计读数带来误差．
2．多用电表读数带来误差．
3．热敏电阻与水温不同带来误差．
4．作R t 图象时的不规范易造成误差．
关键能力·分层突破
考点一　教材原型实验
例1. 传感器担负着信息的采集任务，在自动控制中发挥着重要作用，传感器能够将感受到的物理量(如温度、光、声等)转换成便于测量的量，通常是电学量，例如热敏传感器，主要是应用了半导体材料制成的热敏电阻将热学量转换为电学量，热敏电阻随温度变化的图象如图甲所示，图乙是由热敏电阻R 1作为传感器制作的简单自动报警器线路图，问：
(1)由图甲可知，热敏电阻R1的电阻随着温度的升高而________(选填“增大”或“减小”)．
(2)图乙中左侧回路不通电或电流过小时，金属片与b接触；电流过大时，电磁铁吸引金属片与a接触，为了使热敏电阻R1的温度过高时报警器铃响，开关S应接在________(选填“a”或“b”)．
(3)电源电动势E为18 V，内阻不计，电磁铁的线圈电阻R3为80 Ω，流过热敏电阻R1的电流大于或等于I c时就会报警，I c为10 mA，热敏电阻R1达到100 ℃时的电阻为600 Ω.若要求热敏电阻R1达到100 ℃时开始报警，则电阻箱R2的阻值应调为________Ω.若电源内阻不能忽略，调节电阻箱时未考虑电源内阻，当热敏电阻R1的温度缓慢升高到报警器开始报警时，热敏电阻R1的温度________100 ℃(选填“大于”或“小于”)．
跟进训练
1.[2022·云南昆明模拟]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照强度的变化曲线，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，设计了如图戊所示的电路进行测量，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，图丙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丁所示，此时灵敏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)．
2．(1)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________(选填“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 ℃(如图甲所示)，则25 ℃的刻度应在20 ℃的刻度的________(选填“左”或“右”)侧．
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，请在图乙中用图中的器材(可增加元器件)设计一个电路．
(2)图丙为一测量硫化镉光敏电阻特性的实验电路，电源电压恒定，内阻不计，开关闭合后，调节滑动变阻器滑片，使小灯泡发光逐渐增强，测得流过电阻的电流和光强的关系曲线如图丁所示，试根据这一特性，由图丙中给定的器材设计一个自动光控电路．
考点二　拓展创新实验
例2. [2022·重庆市模拟]某些固体材料受到外力作用后，除了产生形变，其电阻率也会发生变化，这种现象称为“压阻效应”．已知R x的阻值变化范围为几十欧姆到几百欧姆，某实验小组在室温下用伏安法探究压敏电阻阻值R x随压力F变化的规律，实验室提供了如下器材可供选择：
A．压敏电阻，无压力时阻值R0＝400 Ω；
B．直流电源，电动势为6 V，内阻不计；
C．电流表A，量程为0～100 mA，内阻不计；
D．电压表V，量程为0～3 V，内阻为3 kΩ；
E．定值电阻R1＝2 kΩ；
F．滑动变阻器R，最大电阻值约50 Ω；
G．开关S与导线若干．
(1)甲同学设计了图甲实验电路原理图，请在图乙中将实物连线图补充完整．
(2)某次压力测试，在电阻R x上施加力F，闭合开关S，测得两个电表的读数分别为U 和I，则压敏电阻的阻值R x＝________．
(3)改变F的大小、测得不同的R x值，绘成图象如图丙所示，可得其斜率k＝________Ω/N(结果保留2位有效数字)．R x的阻值和压力F的关系式是R x＝________(用F和k等表示)．
丙
(4)按图甲实验电路进行实验，调节滑动变阻器使电压表保持满偏，在电阻R x上施加力F，当电流表满偏时，压力F为________N(结果保留3位有效数字)．
跟进训练
3.某实验小组利用传感器来探究弹力与弹簧伸长的关系．如图甲所示，先将轻弹簧上端通过力传感器固定在水平的长木板A上，下端自由下垂，将距离传感器轻轻靠近轻弹簧下端，当力传感器示数为零时，距离传感器的示数为x0；然后再将轻弹簧下端与距离传感器固定，下面连接轻质木板B，距离传感器可以测量出其到力传感器的距离x，木板B下面用轻细绳挂住一小桶C.
(1)逐渐往小桶C 内添加细沙，记录相应的力传感器的示数F 和距离传感器的示数x ，作出Fx 图象如图乙所示．由图及相关信息可知，弹簧的劲度系数k ＝______ N/m ，弹簧原长L 0＝________ cm.
(2)将该弹簧应用到电子秤上，如图丙所示(两根弹簧)．闭合开关S ，称不同物体的质量时，滑片P 上下滑动，通过电子显示器得到示数．弹簧处于自然伸长状态时，滑片P 位于R 的最上端，通过验证可知，电子显示器的示数I 与物体质量m 的关系为m ＝ak －bk
I
(a 、b 均为常数，k 为轻弹簧的劲度系数)，则滑动变阻器R 的长度L ＝__________，电源电动势E ＝__________．(保护电阻和滑动变阻器最大阻值均为R 0，电源内阻不计，已知当地重力加速度为g )
实验十二　传感器的简单应用
关键能力·分层突破
例1　解析：(1)根据图甲的坐标系中曲线的趋势可以得出，电阻随温度的升高而减小，因此热敏电阻的阻值随温度的升高而减小．
(2)为使温度过高时发送报警信息，则热敏电阻阻值最小，开关S 应该接在a 处．
(3)热敏电阻R 1达到100 ℃时开始报警，此时流过热敏电阻R 1的电流恰好为I c ＝10mA ，根据闭合电路欧姆定律I c ＝E R 1+R 2+R 3，带入数据解得R 2＝1 120 Ω，若电源内阻可以忽略，则I c ＝E R 1+R 2+R 3
，此时温度恰好为100 ℃；若电源内阻不能忽略，调节电阻箱时未考虑电源内阻，当热敏电阻R 1的温度缓慢升高到100 ℃时，电路中的实际电流为I 实＝E R 1+R 2+R 3+r <I c
可知，报警器此时还未报警，故报警时热敏电阻R 1的温度大于100℃.
答案：(1)减小　(2)a (3)1 120　大于
1．解析：(1)电阻R 1和R 0串联，R 0R 1＝U 0U 1＝21
，当照度为1.0(lx)时，电阻R 0＝20kΩ，则R 1＝10 kΩ.
(2)由图可知，图丙的电阻为R 2＝62.5 kΩ，图丁的电阻R ′2＝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，则电路中的电阻相等，则有R 2＝R 0＋R ′2，所以R 0＝40.0 kΩ.
答案：(1)10　(2)62.5　40.0
2．解析：(1)①因为温度降低时，负温度系数热敏电阻的阻值增大，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 ℃的刻度应对应较大电流，故在20 ℃的刻度的右侧．③电路如答图所示．
(2)由光敏电阻的特性曲线可以看出，当入射光增强时，流过光敏电阻的电流增大，光敏电阻的阻值减小．根据题意设计一个自动光控电路，如图所示：
控制过程是：当有光照时，放大器输出一个较大的电流，驱动电磁继电器吸引衔铁使两个触点断开；当无光照时，放大器输出电流减小，电磁继电器释放衔铁，使两个触点闭合，工作电路接通，电灯开始工作．
答案：(1)①小　②右③
(2)见解析
例2　解析：(1)图甲中滑动变阻器采用的是分压式接法，电流表是内接法，根据电路图可得实物图如图所示．
(2)由题可知R x 两端电压为U ′＝U R V (R V ＋R 1)＝5U 3
，电流表测量流过R x 的电流，所以R x ＝U 'I ＝5U 3I .(3)根据题意，设R x 阻值和压力F 的关系式为R x ＝kF ＋b ，将图丙上的特殊点(0，400Ω)和(210 N ，0)代入可求得k ＝－1.9 Ω/N ，b ＝400 Ω.故R x ＝kF ＋400 Ω.
(4)电压表、电流表均满偏时，R x ＝
5U 3I ＝5×33×100×10−3Ω＝50 Ω，则F ＝R x −400Ωk ＝184 N.
答案：(1)见解析图　(2)
5U 3I
　(3)－1.9(－1.9～－1.7均对)　kF ＋400 Ω　(4)184(184～205均对)
3．解析：(1)由弹簧的弹力与其形变量的关系可得
F＝k(L－L0)，
由表达式结合图象可知图象斜率表示弹簧的劲度系数，而横截距表示弹簧的原长，
故弹簧的劲度系数k＝ΔF
Δx
＝
16
0.16
N/m＝100 N/m；
弹簧原长L0＝4 cm；
(2)当所称的物体质量为零时，有ak＝bk I
，
此时由电路结构可得E＝2IR0，
联立解得电源电动势：E＝2bR
a
；
当所称的物体质量最大时，弹簧被压缩L，
此时有：I′＝E
R
，mg＝2kL，
联立解得：L＝1
4 ag.
答案：(1)100　4　(2)1
4
ag　
2bR
a。