【物理】2020届一轮复习人教版实验传感器的简单使用学案 12页

实验十二　传感器的简单使用 ‎1．研究热敏电阻的热敏特性 ‎2．研究光敏电阻的光敏特性 ‎◆ 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．‎ 热点一　热敏电阻的特性及应用 ‎[典例赏析]‎ ‎[典例1]　(2018·全国卷Ⅰ)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RT，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V(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.‎ 图(a)‎ 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R2－t数据见下表．‎ t/℃‎ ‎25.0‎ ‎30.0‎ ‎40.0‎ ‎50.0‎ ‎60.0‎ ‎70.0‎ ‎80.0‎ R2/Ω ‎900.0‎ ‎680.0‎ ‎500.0‎ ‎390.0‎ ‎320.0‎ ‎270.0‎ ‎240.0‎ 回答下列问题：‎ ‎(1)在闭合S1前，图(a)中R1的滑片应移动到　________　(选填“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RT在‎25 ℃‎～‎80 ℃‎范围内的温度特性．当t＝‎44.0 ℃‎时，可得RT＝　________　Ω；‎ ‎(4)将RT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)滑片在b端可以使R1的阻值全部接进电路，保证安全．(2)将(60.0,320.0)和(70.0,270.0)两个点画进图中并连出圆滑的R2－t曲线如图所示 ‎(3)从R2－t曲线中可读出t＝‎44.0 ℃‎时，‎ R2＝450.0 Ω，所以RT＝R2＝450.0 Ω.‎ ‎(4)R2－t曲线中找到纵坐标为620.0 Ω的点，其横坐标为‎33.0 ℃‎.‎ ‎[答案]　(1)b　(2)图见解析　(3)450　(4)620.0　33.0‎ ‎[题组巩固]‎ ‎1．(2016·全国卷Ⅰ)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‎60 ℃‎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Ic时就会报警)，电阻箱(最大阻值为999.9 Ω)，直流电源(输出电压为U，内阻不计)，滑动变阻器R1(最大阻值为1 000 Ω)，滑动变阻器R2(最大阻值为2 000 Ω)，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18 V，Ic约为10 mA；流过报警器的电流超过20 mA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‎60 ℃‎时阻值为650.0 Ω.‎ ‎(1)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“R‎1”‎或“R‎2”‎)．‎ ‎(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．‎ 解析：(1)热敏电阻工作温度达到‎60 ℃‎时，报警器报警，故需通过调节电阻箱使其电阻为‎60 ℃‎时的热敏电阻的阻值，即调节到阻值650.0 Ω，使报警器能正常报警，电路图如图．‎ ‎(2)U＝18 V，当通过报警器的电流10 mA≤Ic≤20 mA，电路中总电阻R＝，900 Ω≤R≤1 800 Ω，故滑动变阻器选R2.‎ ‎(3)热敏电阻为650.0 Ω时，报警器开始报警，模拟热敏电阻的电阻器阻值也应为650.0 Ω.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．‎ 答案：(1)图见解析 ‎(2)R2　(3)①650.0　b　接通电源后，流过报警器的电流会超过20 mA，报警器可能损坏　②c　报警器开始报警 ‎2．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 ℃‎(如图甲所示)，则‎25 ℃‎的刻度应在 ‎20 ℃‎的刻度的　________　(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，请用图乙中的器材(可增加元器件)设计一个电路．‎ 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 ℃‎的刻度应对应较大电流，故在‎20 ℃‎的刻度的右侧．‎ ‎(3)如图所示．‎ 答案：(1)小 　(2)右　(3)见解析 热点二　光敏电阻的特性及应用 ‎[典例赏析]‎ ‎[典例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RP在不同照度下的阻值如下表：‎ 照度/lx ‎0.2‎ ‎0.4‎ ‎0.6‎ ‎0.8‎ ‎1.0‎ ‎1.2‎ 电阻/kΩ ‎75‎ ‎40‎ ‎28‎ ‎23‎ ‎20‎ ‎18‎ ‎(1)根据表中数据，请在图甲所示的坐标系中描绘出光敏电阻值随照度变化的曲线，并说明阻值随照度变化的特点．‎ ‎(2)如图乙所示，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)‎ 提供的器材如下：‎ 光敏电阻RP，(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，在坐标纸上描点连线，得到如图所示的变化曲线．阻值随照度变化的特点：光敏电阻的阻值随光的照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 ‎[题组巩固]‎ ‎3．(2019·兰州模拟)(多选)某温度检测、光电控制加热装置原理如图所示．图中RT为热敏电阻(随温度升高，阻值减小)，用来探测加热电阻丝R的温度，RG为光敏电阻(随光照强度增大，阻值减小)，接收小灯泡L的光照，除RT、RG外，其他电阻均为定值电阻．当R处温度升高时(　　)‎ A．L变亮 B．R3的电流减小 C．E2的路端电压增大 D．R的功率减小 解析：AD　[当R处温度升高时，RT阻值变小，小灯泡L的光照强度增大，RG阻值变小，通过R2的电流变大，E2的路端电压变小，R两端电压变小，通过的电流也变小，功率变小，通过R3的电流变大，选项A、D正确，B、C错误．]‎ ‎4．(2019·湖北荆州质量检测)如图甲为利用光敏电阻检测传送带上物品分布，从而了解生产线运行是否正常的仪器．其中A是发光仪器，B是一端留有小孔用绝缘材料封装的光敏电阻．当传送带上没有物品挡住由A射向B的光信号时，光敏电阻阻值R1＝50 Ω，当传送带上有物品挡住由A射向B的光信号时，光敏电阻阻值R2＝150 Ω.定值电阻R3＝45 Ω.C为平行板电容器，虚线与两极板距离相等，极板长L1＝8.0×10－‎2 m，两极板的间距d＝1.0×10－‎2 m．D为屏，与极板垂直，D到极板的距离L2＝‎0.16 m，屏上贴有用特殊材料做成的记录纸，当电子打在记录纸上时会留下黑点，工作时屏沿图示方向匀速运动．有一细电子束沿图中虚线以速度v0＝8.0×‎106 m/s连续不断地射入电容器C，虚线与屏交点为O.图乙为一段记录纸．已知电子电荷量e＝1.6×10－‎19 C，电子质量m＝9×10－‎31 kg.忽略细电子束的宽度、电容器的充电放电时间及电子所受的重力．求：电源的电动势E和内阻r.‎ 解析：当没有物品挡光时，设电容器两端电压为U1，此时电子在屏上的偏转Y1＝‎0.02 m.‎ 电子在平行板间运动时，加速度a＝，L1＝v0t1‎ 侧移量y1＝at，解得y1＝ 电子射出平行板后做匀速直线运动，vy＝at1，tan θ＝＝ 所以Y1＝y1＋L2tan θ，解得U1＝4.5 V 同理可得，当有物品挡光时，电容器两端电压U2＝2.25 V 在闭合电路中，U1＝R3，U2＝R3，解得E＝10 V，r＝5 Ω.‎ 答案：10 V　5 Ω 热点三　压力传感器的应用 ‎[典例赏析]‎ ‎[典例3]　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RF，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中的电阻值RF.请按要求完成下列实验．‎ ‎(1)设计一个可以测量处于压力中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(压敏电阻及所给压力已给出，待测压力大小约为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，全电阻阻值约200 Ω C．电流表A，量程2.5 mA，内阻约30 Ω D．电压表V，量程3 V，内阻约3 kΩ E．直流电源E，电动势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．(计算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RF＝－RA≈1.5×103 Ω，＝4，由题图甲可知，对应的待测压力F＝60 N.‎ ‎[答案]　(1)图见解析　(2)2.00　(3)1.5×103　60‎ ‎[题组巩固]‎ ‎5．某些固体材料受到外力后除了产生形变，其电阻率也要发生变化，这种由于外力的作用而使材料电阻率发生变化的现象称为“压阻效应”．现用如图所示的电路研究某长薄板电阻Rx的压阻效应，已知Rx的阻值变化范围为几欧到几十欧，实验室中有下列器材：‎ A．电源E(电动势3 V，内阻约为1 Ω)‎ B．电流表A1(0～‎0.6 A，内阻r1＝5 Ω)‎ C．电流表A2(0～‎0.6 A，内阻r2≈1 Ω)‎ D．开关S，定值电阻R0＝5 Ω ‎(1)为了比较准确地测量电阻Rx的阻值，请完成虚线框内电路图的设计．‎ ‎(2)在电阻Rx上加一个竖直向下的力F(设竖直向下为正方向)，闭合开关S，记下电表读数，A1的读数为I1，A2的读数为I2，得Rx＝　________　.(用字母表示)‎ ‎(3)改变力的大小，得到不同的Rx值，然后让力反向从下向上挤压电阻，并改变力的大小，得到不同的Rx值．最后绘成的图象如图所示，除观察到电阻Rx的阻值随压力F的增大而均匀减小外，还可以得到的结论是　________________________　.当F竖直向下时，可得Fx与所受压力F的数值关系是Rx＝　________　.‎ 解析：(1)利用伏安法测量电阻阻值，但所给器材缺少电压表，可以用内阻已知的电流表A1代替，另一个电流表A2测量电流．电路图如图所示．‎ ‎(2)电阻Rx两端电压为Ux＝I1r1，流经的电流为Ix＝I2－I1，电阻Rx＝.‎ ‎(3)由题图可知，图象是一次函数图线，即Rx＝kF＋b，k＝＝－＝－2，b＝17，则有Rx＝17－‎2F；由题图可知，由于图线对称，不管力F如何增加，Rx均线性减小．‎ 答案：(1)图见解析　(2)　(3)压力反向，阻值不变　17－‎‎2F ‎6．如图所示装置可以用来测量硬弹簧(即劲度系数较大的弹簧)的劲度系数k.电源的电动势为E，内阻可忽略不计；滑动变阻器全长为L，重力加速度为g.为理想电压表．当木板上没有放重物时，滑动变阻器的触头位于图中a点，此时电压表示数为零．在木板上放置质量为m的重物，滑动变阻器的触头随木板一起下移．由电压表的示数U及其他给定条件，可计算出弹簧的劲度系数k.‎ ‎(1)写出m、U与k之间所满足的关系式_________________________________________．‎ ‎(2)已知E＝1.50 V，L＝‎12.0 cm，g取‎9.80 m/s2.测量结果如下表：‎ m/kg ‎1.00‎ ‎1.50‎ ‎3.00‎ ‎4.50‎ ‎6.00‎ ‎7.50‎ U/V ‎0.108‎ ‎0.154‎ ‎0.290‎ ‎0.446‎ ‎0.608‎ ‎0.740‎ ‎①在下图中给出的坐标纸上利用表中数据描出m－U直线．‎ ‎②m－U直线的斜率为　________　kg/V(结果保留三位有效数字)；‎ ‎③弹簧的劲度系数k＝　________　N/m(结果保留三位有效数字)．‎ 解析：(1)设放置质量为m的物体时弹簧的压缩量为x，则有mg＝kx又U＝E，解得m＝U.‎ ‎(2)①用描点法作图，作出的图象如图所示．‎ ‎②选取(0,0)、(0.90,9)两点，则斜率为＝ kg/V＝‎10.0 kg/V.‎ ‎③因m＝U，故＝，k＝·＝10.0× N/m≈1.23×103 N/m.‎ 答案：(1)m＝U　(2)①图见解析　②10.0‎ ‎③1.23×103‎