【物理】2018届二轮复习传感器及其应用学案(1) 11页

传感器及其应用 学习目标 ‎1.知道什么是传感器，知道光敏电阻和热敏电阻的作用.‎ ‎2.能够通过实验探究光敏电阻和热敏电阻的特性.‎ ‎3.了解常见的各种传感器的工作原理、元件特性及设计方案．‎ 重点知识梳理 一、研究热敏电阻的特性 ‎1．实验原理 闭合电路欧姆定律，用欧姆表进行测量和观察．‎ ‎2．实验器材 半导体热敏电阻、多用电表、温度计、铁架台、烧杯、凉水和热水．‎ ‎3．实验步骤 ‎(1)按实验原理图甲连接好电路，将热敏电阻绝缘处理；‎ ‎(2)把多用电表置于欧姆挡，并选择适当的量程测出烧杯中没有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多用电表测量的热敏电阻的阻值；‎ ‎(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．‎ ‎4．数据处理 在图1坐标系中，粗略画出热敏电阻的阻值随温度变化的图线．‎ 图1‎ ‎5．实验结论 热敏电阻的阻值随温度的升高而减小，随温度的降低而增大．‎ ‎6．注意事项 实验时，加热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．‎ 二、研究光敏电阻的光敏特性 ‎1．实验原理 闭合电路欧姆定律，用欧姆表进行测量和观察．‎ ‎2．实验器材 光敏电阻、多用电表、小灯泡、滑动变阻器、导线、电源．‎ ‎3．实验步骤 ‎(1)将光敏电阻、多用电表、灯泡、滑动变阻器如实验原理图乙所示电路连接好，其中多用电表置于“×100”挡；‎ ‎(2)先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)打开电源，让小灯泡发光，调节小灯泡的亮度使之逐渐变亮，观察多用电表表盘指针显示电阻阻值的情况，并记录．‎ ‎(4)用手掌(或黑纸)遮光时，观察多用电表表盘指针显示电阻阻值的情况，并记录．‎ ‎4．数据处理 根据记录数据分析光敏电阻的特性．‎ ‎5．实验结论 ‎(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．‎ ‎6．注意事项 ‎(1)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来达到实验目的；‎ ‎(2)欧姆表每次换挡后都要重新调零．‎ 高频考点突破：‎ 一　温度传感器的应用 例1．温度传感器广泛应用于室内空调、电冰箱等家用电器中，它是利用热敏电阻的阻值随温度变化的特性工作的．如图2甲所示，电源的电动势E＝9.0 V，内阻不计；G为灵敏电流计，内阻Rg保持不变；R为热敏电阻，其电阻值与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I1＝2 mA；电流表的示数I2＝3.6 mA时，热敏电阻的温度是________ ℃.‎ 图2‎ 答案　120‎ 解析　E＝I(R＋Rg)代入I1＝2 mA得Rg＝0.5 kΩ 代入I2＝3.6 mA得R＝2 kΩ 读图可得温度为120 ℃.‎ ‎【变式探究】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3甲所示)，则25 ℃的刻度应在20 ℃的刻度的________(选填“左”或“右”)侧．‎ 图3‎ ‎(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．‎ 答案　(1)小　(2)右　(3)见解析图 ‎【举一反三】如图4，一热敏电阻Rt放在控温容器M内；为毫安表，量程6 mA，内阻为数十欧姆；E为直流电源，电动势约为3 V，内阻很小；R为电阻箱，最大阻值为999.9 Ω；S为开关．已知Rt在95 ℃时的阻值为150 Ω，在20 ℃时的阻值约为550 Ω.现要求在降温过程中测量在95～20 ℃之间的多个温度下Rt的阻值．‎ 图4‎ ‎(1)在图中画出连线，完成实验原理电路图．‎ ‎(2)完成下列实验步骤中的填空．‎ ‎①依照实验原理电路图连线．‎ ‎②调节控温容器M内的温度，使得Rt温度为95 ℃.‎ ‎③将电阻箱调到适当的阻值，以保证仪器安全．‎ ‎④闭合开关．调节电阻箱，记录电流表的示数I0，并记录_______________________．‎ ‎⑤将Rt的温度降为t1(20 ℃＜t1＜95 ℃)；调节电阻箱，使得电流表的读数________________，记录________________________．‎ ‎⑥温度为t1时热敏电阻的电阻值Rt1＝__________________________.‎ ‎⑦逐步降低t1的数值，直至20 ℃为止；在每一温度下重复步骤⑤⑥.‎ 答案　(1)见解析图　(2)④电阻箱的读数R0　⑤仍为I0　电阻箱的读数为R1　⑥R0－R1＋150 Ω 解析　(1)根据所给器材，要测量在不同温度下Rt的阻值，只能将电阻箱、热敏电阻、毫安表与电源串联形成测量电路，如图所示．‎ ‎【变式探究】热敏电阻是传感电路中常用的电子元件，现用伏安法研究热敏电阻在不同温度下的伏安特性曲线，要求特性曲线尽可能完整．已知常温下待测热敏电阻的阻值为40～50 ‎ Ω.热敏电阻和温度计插入带塞的保温杯中，杯内有一定量的冷水，其他备用的仪表和器具有：盛有热水的热水瓶(图中未画出)、电源(3 V、内阻可忽略)、直流电流表(内阻约1 Ω)、直流电压表(内阻约5 kΩ)、滑动变阻器(0～10 Ω)、开关、导线若干．‎ ‎(1)图5中，a、b、c三条图线能反映出热敏电阻的伏安特性曲线的是________．‎ 图5‎ ‎(2)在虚线框中画出实验电路图，要求测量误差尽可能小．‎ ‎(3)根据电路图，在图6中的实物图上连线．‎ 图6‎ 答案　(1) c　(2)、(3)见解析图 ‎ (3)实物连线如图所示 高频考点二　光电传感器的应用 例5．(多选)如图7所示为光敏电阻自动计数器的示意图，图中虚线表示激光，圆柱体表示随传送带运动的货物，其中R1为光敏电阻，R2为定值电阻，此光电计数器的基本工作原理是(　　)‎ 图7‎ A．当光照射R1时，信号处理系统获得高电压 B．当光照射R1时，信号处理系统获得低电压 C．信号处理系统每获得一次低电压就计数一次 D．信号处理系统每获得一次高电压就计数一次 答案　BD ‎【变式探究】一台臭氧发生器P的电阻为10 kΩ，当供电电压等于24 V时能正常工作，否则不产生臭氧．现要用这种臭氧发生器制成自动消毒装置，要求它在有光照时能产生臭氧，在黑暗时不产生臭氧，拟用一个光敏电阻R1对它进行控制，R1的阻值在有光照时为100 Ω，黑暗时为1 000 Ω、允许通过的最大电流为3 mA；电源E的电压为36 V、内阻不计；另有一个滑动变阻器R2，阻值为0～100 Ω、允许通过的最大电流为0.4 A；一个开关S和导线若干．臭氧发生器P和光敏电阻R1的符号如图8所示．‎ 图8‎ 设计一个满足上述要求的电路图，图中各元件要标上字母代号，其中滑动变阻器两固定接线柱端分别标上字母A、B(电路图画在虚线框内)．‎ 答案　见解析图 ‎【举一反三】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ROS在不同照度下的阻值如表所示：‎ 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9给定的坐标系中描绘出光敏电阻阻值随照度变化的曲线，并说明光敏电阻阻值随照度变化的特点．‎ 图9‎ ‎(2)如图10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)‎ 图10‎ 提供的器材如下：‎ 光敏电阻ROS(符号，阻值见上面表格)‎ 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．‎ 答案　见解析 高频考点三　传感器在实验中的应用 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11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(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/s2.请作答：‎ 图11‎ 压力F/N ‎0‎ ‎250‎ ‎500‎ ‎750‎ ‎1 000‎ ‎1 250‎ ‎1 500‎ ‎…‎ 电压R/Ω ‎300‎ ‎270‎ ‎240‎ ‎210‎ ‎180‎ ‎150‎ ‎120‎ ‎…‎ ‎(1)该秤零点(即踏板空载时)的刻度线应标在电流表刻度盘______A处．‎ ‎(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______kg.‎ 答案　(1)1.6×10－2　(2)50‎ ‎【变式探究】如图13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.‎ 图13‎ ‎(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在图14中给出的坐标纸上利用表中数据描出m－U直线．‎ 图14‎ ‎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)．‎ 答案　(1)m＝U　(2)①见解析图　②10.0　③1.23×103‎ 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.‎ 押题专练 ‎1．美国科学家Willard S．Boyle与George E．Smith因电荷耦合器件(CCD)的重要发明荣获2009年度诺贝尔物理学奖．CCD是将光学量转变成电学量的传感器．下列器件可作为传感器的有(　　)．‎ A．发光二极管 B．热敏电阻 C．霍尔元件 D．干电池 答案　BC ‎2．2007年度诺贝尔物理学奖授予了法国和德国的两位科学家，以表彰他们发现“巨磁电阻效应”，基于巨磁电阻效应开发的用于读取硬盘数据的技术，被认为是纳米技术的第一次真正应用．在下列有关其他电阻应用的说法中，错误的是(　　)．‎ A．热敏电阻可应用于温度测控装置中 B．光敏电阻是一种光电传感器 C．电阻丝可应用于电热设备中 D．电阻在电路中主要起到通过直流、阻碍交流的作用 解析　电阻在电路中对直流电和交流电都有阻碍作用，将电能转换为热能，故D项错．‎ 答案　D ‎3‎ ‎．如图2所示，电容式触摸屏的构造主要是在玻璃屏幕上镀一层透明的薄膜导体层，再在导体层外加上一块保护玻璃，电容式触摸屏在触摸屏四边均镀上狭长的电极，在导体层内形成一个低电压交流电场．在触摸屏幕时，由于人体是导体，手指与内部导体层间会形成一个特殊电容(耦合电容)，四边电极发出的电流会流向触点，而电流强弱与手指到电极的距离成正比，位于触摸屏后的控制器便会计算电流的比例及强弱，准确算出触摸点的位置．由以上信息可知(　　)．‎ 图2‎ A．电容式触摸屏的两极板分别是导体层和手指 B．当用手触摸屏幕时，手指与屏的接触面积越大，电容越大 C．当用手触摸屏幕时，手指与屏的接触面积越大，电容越小 D．如果用带了手套的手触摸屏幕，照样能引起触摸屏动作 答案　AB ‎4. 如图3所示，由电源、小灯泡、电阻丝、开关组成的电路中，当闭合开关S后，小灯泡正常发光，若用酒精灯加热电阻丝时，发现小灯泡亮度变化是________，发生这一现象的主要原因是________(填字母代号)．‎ 图3‎ A．小灯泡的电阻发生了变化 B．小灯泡灯丝的电阻率随温度发生了变化 C．电阻丝的电阻率随温度发生了变化 D．电源的电压随温度发生了变化 解析　电阻丝的电阻率随温度的升高而增大，电阻也增大，根据闭合电路欧姆定律I＝可知，电流减小，小灯泡的实际功率减小，所以变暗．‎ 答案　变暗　C ‎5．热敏电阻是传感电路中常用的电子元件，现用伏安法研究电阻在不同温度下的伏安特性曲线，要求特性曲线尽可能完整．已知常温下待测热敏电阻的阻值约4～5 Ω.将热敏电阻和温度计插入带塞的保温杯中，杯内有一定量的冷水，其他备用的仪表和器具有：盛有热水的热水瓶(图中未画出)、电源(3 V、内阻可忽略)、直流电流表(内阻约1 Ω)、直流电压表(内阻约5 kΩ)、滑动变阻器(0～20 Ω)、开关、导线若干．‎ 图4‎ ‎(1)在图4(a)中画出实验电路图．‎ ‎(2)根据电路图，在图4(b)所示的实物图上连线．‎ ‎(3)简要写出完成接线后的主要实验步骤．‎ 解析　‎ 图甲 常温下待测热敏电阻的阻值(约4～5 Ω)较小，应该选用安培表外接法．热敏电阻的阻值随温度的升高而减小，热敏电阻两端的电压由零逐渐增大，滑动变阻器选用分压式．‎ ‎(1)实验电路如图甲所示．‎ ‎(2)根据电路图，连接实物图如图乙所示．‎ ‎ ‎ 图乙 答案　见解析