高中物理实验12传感器的简单使用

高中物理实验十二、传感器的简单使用
江苏省特级教师 戴儒京
一、 实验
光敏电阻
（课程标准教科书人教版选修3－2第57页） 实验原理：
当光辐射到光敏电阻的表面，使载流子浓度增加，从而降低了材料的电阻。

两端的金属电极之间加上电压，其中便有电流通过，受到适当波长的光线照射时，电流就会随光强的增加而变大，从而实现光电转换。

光敏电阻没有极性，纯粹是一个电阻器件，使用时既可以加直流电压，也可以加交流电压。

图 1
将G R 的感光面朝上，然后按图1连接电路，分别用2个电压传感
器测量1R 和G R 两端的电压，假设两电压传感器测到的电压分别为1U ，2U ，那么11
2R U U R G ，只要预先知道1R 的大小就能计算出光敏电阻的阻值来。

为了定量地观测光敏电阻的电阻值随光照强度的变化，实验
中还需要使用光强传感器同时测量光照的强度。

实验目的：
观察光敏电阻
实验装置：
计算机，数据采集器，光强传感器，两个电压传感器，电阻箱，光敏电阻，学生直流电源，导线若干。

实验步骤：
1．调节1R 电阻箱的阻值，选择合适的电阻（例如Ω=40001R ），将两
个电压传感器与数据采集器的1，2通道连接，把光强传感器连接到3或4通道，然后将数据采集器与计算机连接，进入“TriE iLab ”数字化信息系统；
2．把两个电压传感器的两个信号输入端的导线分别短接，对电压传
感器进行校零，然后把连接1通道的电压传感器接到1R 两端，把
连接2通道的电压传感器接到G R 两端。

3．将光敏电阻的感应面朝上，将光强传感器与光敏电阻放置在一起，
打开实验模板“光敏电阻”，在采集间隔和采集时间窗口输入合适的数值，在“公式编辑”中建立物理量电流1
1R U I =
;光敏电阻1122R U U I U R ⋅==； 4．点击“开始”按钮，用一块大的挡光物将光敏电阻附近的光线慢
慢挡住，然后再慢慢把挡光物撤掉，观察实验数据曲线，最后结束实验。

实验数据记录与分析：
1．光敏电阻的阻值随时间的变化
2．光敏电阻的阻值与光照强度的关系
此次实验选择
14000
R=Ω，通过上面的数据曲线可以看出，光照变强以后，电阻的确变小了。

二、例题和习题
1.探究热敏电阻的温度特性
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（6V，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°C，实验得到的R2-t数据见下表。

回答下列问题：
（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R2-t曲线：
（3）由图（b）可得到R1，在25℃-80°C范围内的温度特性，当t=44.0℃时，可得R1= 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℃。

【答案】23．（10分）（1）b （2）如图所示（3）450 （4）620.0 33.0
【解析】本题探究在25℃~80℃范围内某热敏电阻的温度特性，实际上是用比较法测量电阻（不是通常的伏安法），通过热敏电阻与电阻箱的比较（电路中固定电阻的电压相等），来确定热敏电阻的阻值，并且用图象把电阻阻值与温度对应起来，从而已知温度求电阻，或已知电阻求温度。

所以说，本题具有开放性和探究性。

2.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11-1图所示，继电器与热敏电阻R1、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。

继电器的电阻约为20 Ω，热敏电阻的阻值R t与温度t的关系如下表所示
（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（0~200Ω）、滑动变阻器R2（0~500Ω）、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（选填“E1”或“E2”），滑动变阻器R应选用（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11-2图所示的选择开关旋至（选填“A”、“B”、“C”或“D”）
（3）合上开关S，用调节好的多用电表进行排查，在题11-1图中，若只有b、c 间断路，则应发现表笔接入a、b时指针（选填“偏转”或“不偏转”），接入a、c时指针（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108.1Ω
【解析】(1)根据滑
R R E I t ++=20，若mA I 15=，t R 取最大值，则E 约3.3V ，大于3V ，所以电源选E 2，当t R 取最小值，R 滑约330Ω，所以R 滑选R 2.
(2)直流10V 挡（因大于6V ）
(3) a 、b 短路，所以不偏转，a 、c 断路，接电压表后偏转。

（4）先用滑动变阻器调试，后换上热敏电阻。

【答案】
11．（1）E 2 R 2
（2）C
（3）不偏转 偏转
（4）⑤④②③①
3.现要组装一个由热敏电阻控制的报警系统，要求当热敏电阻的温度达到或超过60C ︒时，系统报警。

提供的器材有：热敏电阻，报警器（内阻很小，流过的电流超过c I 时就会报警），电阻箱（最大阻值为999.9Ω），直流电源（输出电压为U ，内阻不计），滑动变阻器1R （最大阻值为1000Ω），滑动变阻器2R （最大阻值为2000Ω），单刀双掷开关一个，导线若干。

在室温下对系统进行调节。

已知U 约为18V ，c I 约为10mA ；流过报警器的电流超过20mA 时，报警器可能损坏；该热敏电阻的阻值随温度升高而减小，在60C ︒时阻值为650.0Ω。

(1) 在答题卡上完成待调节的报警系统原理电路图的连线。

(2) 电路中应选用滑动变阻器_____________（填“1R ”或“2R ”）。

(3) 按照下列步骤调节此报警系统：
①电路接通前，需将电阻箱调到一固定的阻值，根据实验要求，这一阻值为______Ω；滑动变阻器的滑片应置于_______（填“a”或“b”）端附近，不能置于另一端的原因是________________________________。

②将开关向_______（填“c”或“d”）端闭合，缓慢移动滑动变阻器的滑片，直至________________________________。

(4) 保持滑动变阻器滑片的位置不变，将开关向另一端闭合，报警系统即可正常使用。

【答案】(1)如下图
(2)2R
(3)①650.0，b ，
接通电源后，流过报警器的电流会超过20mA ，报警器可能损坏
②c ，报警器开始报警
【解析】①热敏电阻工作温度达到60C ︒时，报警器报警。

故需通过调节电阻箱使其电阻为60C ︒时的热敏电阻的阻值，即调节到阻值650.0Ω，光使报警器能正常报警，电路图如上图
②18V U =，当通过报警器的电流10mA 20mA c I ≤≤，故电路中总电阻c U R I =， 9001800R Ω≤≤Ω，故滑动变阻器选2R 。

③热敏电阻为650.0Ω时，报警器开始报警，模拟热敏电阻的电阻器阻值也应为650.0Ω为防止通过报警器电流过大，造成报警器烧坏，应使滑动变阻器的滑片置于b 端．
4.热敏电阻常用于温度控制或过热保护装置中。

图1为某种热敏电阻和金属热电阻的阻值R 随温度t 变化的示意图。

由图可知，这种热敏电阻在温度上升时导电能力__________（选填“增强”或“减弱”）；相对金属热电阻而言，热敏电阻对温度变化的影响更__________（选填“敏感”或“不敏感”）。

【解析】（1）由于温度越高，热敏电阻越小，即对电流的阻碍作用越小，则导电
能力越强，根据图像可知热敏电阻在相同的温度范围变化时，阻值变大，则越敏感。