【物理】2018届一轮复习人教版实验：传感器的简单应用学案 13页

第3讲　实验：传感器的简单应用 知|识|梳|理 微知识❶ 实验目的 ‎(1)了解传感器的工作过程，掌握敏感元件的特性。‎ ‎(2)学会传感器的简单使用。‎ 微知识❷ 实验原理 传感器是将它感受的物理量(如力、热、光、声等)转换成便于测量的量(一般是电学量)，其工作过程是通过对某一物理量敏感的元件将感受到的信号按一定规律转换成便于利用的信号。例如，光电传感器是利用光敏电阻将光信号转换成电信号，热电传感器是利用热敏电阻或金属热电阻将温度信号转换成电信号，转换后的信号经过电子电路的处理就可以达到自动控制、遥控等各种目的了。‎ 微知识❸ 实验器材 热敏电阻，光敏电阻，烧杯，温度计，热水，多用电表，小灯泡，学生电源，开关与导线，滑动变阻器，铁架台，光电计数器。‎ 微知识❹ 实验步骤 ‎(1)研究热敏电阻的热敏特性 ‎①按图所示连接好电路，将热敏电阻绝缘处理，多用电表的选择开关置于“×100”挡；‎ ‎②先用多用电表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；‎ ‎⑤根据记录数据，分析热敏电阻的特性。‎ ‎(2)研究光敏电阻的光敏特性 ‎①将光电传感器、多用电表、灯泡、滑动变阻器按图所示电路连接好，其中多用电表置于“×1 k”挡；‎ ‎②先测出小灯泡不发光时光敏电阻的阻值，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，观察表盘指针显示电阻阻值的情况，并记录；‎ ‎④根据记录数据，分析光敏电阻的特性。‎ ‎(3)将手掌或一个厚纸板插入光源和光电计数器之间，观察、分析光电计数器的工作原理。‎ 微知识❺ 数据处理 根据上面记录的数据，完成以下表格内容。‎ ‎(1)研究热敏电阻的热敏特性 热敏电阻的环境 冷水中 常温下 加少量热水 继续加热水 水温很高 实验结论 对应电阻/ (×102 Ω)‎ ‎(2)研究光敏电阻的光敏特性 光敏电阻的环境 灯泡不发光 灯泡刚发光 亮度增加 亮度增加 亮度增加 实验结论 对应电阻/ (×1 kΩ)‎ 微知识❻ 注意事项 ‎(1)热敏电阻、烧杯、温度计容易破损，实验中注意轻拿轻放。‎ ‎(2)光电计数器、小灯泡的额定电压比较小(不超过6 V)，实验中切忌超过其额定电压损坏器材。‎ ‎(3)烧杯中加水时，要等热敏电阻温度稳定后再测量其阻值。‎ 基|础|诊|断 一、思维诊断 ‎1．热敏电阻的阻值随温度的升高而减小(√)‎ ‎2．金属热电阻的阻值随温度的升高而减小(×)‎ ‎3．光敏电阻的阻值随光照强度的增大而增大(×)‎ 二、对点微练 ‎1．(传感器的原理)(多选)关于传感器的作用，下列说法正确的有(　　)‎ A．通常的传感器可以直接用来进行自动控制 B．传感器可以用来采集信息 C．传感器可以将感受到的一些信号转换为电学量 D．传感器可以将所有感受到的信号都转换为电学量 解析　传感器是将感受到的非电学量转化为电学量的仪器，不同的传感器感受不同的信号，B、C对。‎ 答案　BC ‎2．(热敏电阻)如图所示，R1为定值电阻，R2为负温度系数的热敏电阻(负温度系数热敏电阻是指阻值随温度的升高而减小的热敏电阻)，L为小灯泡，当温度降低时(　　)‎ A．R1两端的电压增大　 B．电流表的示数增大 C．小灯泡的亮度变强 D．小灯泡的亮度变弱 解析　温度降低时R2增加，干路电流减小，R1两端电压、电流表示数都减小，灯泡两端电压变大、亮度变强。‎ 答案　C ‎3．(光敏电阻)街旁的路灯、江海里的航标都要求在夜晚亮，白天熄，利用半导体的电学特性制成了自动点亮、熄灭的装置，实现了自动控制，这是利用半导体的(　　)‎ A．压敏性 B．光敏性 C．热敏性 D．三种特性都利用 解析　街旁的路灯和江海里的航标，都是利用了半导体的光敏性，夜晚电阻大，白天电阻小，控制了电路的通断。‎ 答案　B 核心微讲 ‎ 金属热电阻和热敏电阻 金属的电阻率随温度的升高而增大，用金属丝可以制作温度传感器，称为热电阻。与金属不同的是有些半导体的导电能力随温度的升高而增强，故可以用半导体材料制成热敏电阻。‎ 与热敏电阻相比，金属热电阻的化学稳定性好，测温范围大，但灵敏度较差。‎ 题组突破 ‎1－1.如图所示是在温度为‎10 ℃‎左右的环境中工作的某自动恒温箱原理简图，箱内的电阻R1＝20 kΩ，R2＝10 kΩ，R3＝40 kΩ，Rt为热敏电阻，它的电阻随温度变化的图线如图所示，当a、b端电压Uab＜0时，电压鉴别器会令开关S接通，恒温箱内的电热丝发热，使箱内温度提高；当Uab＞0时，电压鉴别器使S断开，停止加热，则恒温箱内的温度大约恒定在__________℃，并简述其原理。‎ 解析　当Uab＝0时，设通过R1与R2的电流是I1，通过R3及Rt的电流是I2，则有I1R1＝‎ I2R3、I1R2＝I2Rt，两式相比得Rt＝R3＝20 kΩ，从图可得，Rt＝20 kΩ时对应的温度约是‎35 ℃‎。‎ 其原理为：当热敏电阻的温度(即恒温箱内的温度)高于‎35 ℃‎时，其电阻将小于20 kΩ，则I2将增大，R3两端电压增大，b点电势将降低，使得Uab＞0，据题意，此时电压鉴别器使S断开，电热丝停止工作，温度就逐渐降低；当热敏电阻的温度低于‎35 ℃‎时，其电阻将大于20 kΩ，则I2将减小，R3两端电压减小，b点电势将升高，使得Uab＜0，据题意，此时电压鉴别器使S闭合，电热丝工作，温度又逐渐升高。这样，就使得恒温箱内的温度大约恒定在‎35 ℃‎了。‎ 答案　35　原理见解析 ‎1－2.如图所示，图甲为热敏电阻的R－t图象，图乙为用此热敏电阻R和继电器组成的一个简单恒温箱温控电路，继电器的电阻为100 Ω。当线圈的电流大于或等于20 mA时，继电器的衔铁被吸合。为继电器线圈供电的电池的电动势E＝9.0 V，内阻不计。图中的“电源”是恒温箱加热器的电源。‎ 甲 ‎　‎ 乙 ‎(1)应该把恒温箱内的加热器接在________(填“A、B端”或“C、D端”)。‎ ‎(2)如果要使恒温箱内的温度保持在‎50 ℃‎，可变电阻R′的阻值应调节为________Ω。‎ 解析　恒温箱内的加热器应接在A、B端。当线圈中的电流较小时，继电器的衔铁在上方，恒温箱的加热器处于工作状态，恒温箱内温度升高。‎ 随着恒温箱内温度升高，热敏电阻R的阻值变小，则线圈中的电流变大，当线圈的电流大于或等于20 mA时，继电器的衔铁被吸到下方来，则恒温箱加热器与电源断开，加热器停止工作，恒温箱内温度降低。随着恒温箱内温度降低，热敏电阻R的阻值变大，则线圈中的电流变小，当线圈的电流小于20 mA时，继电器的衔铁又被释放到上方，则恒温箱加热器又开始工作，这样就可以使恒温箱内保持在某一温度。要使恒温箱内的温度保持在‎50 ℃‎，即‎50 ℃‎时线圈内的电流为20 mA。由闭合电路欧姆定律I＝，r为继电器的电阻。由题图甲可知，‎50 ℃‎时热敏电阻的阻值为90 Ω，所以R′＝－(r＋R)＝260 Ω。‎ 答案　(1)A、B端　(2)260‎ 核心微讲 光敏电阻在被光照射时电阻发生变化，光照增强电阻变小，光照减弱电阻变大。‎ 题组突破 ‎2－1.(多选)如图所示为光敏电阻自动计数示意图，被计数的制品放在传送带上，光源安装在传送带一侧，光电计数装置(信息处理系统)安装在传送带的另一侧，其中R1是光敏电阻，R2是定值电阻，每当有制品通过时，光被挡住，计数器就自动把制品数目记录下来。关于此光电计数器的运用，下列说法正确的是(　　)‎ A．当有光照射R1时，信号处理系统获得低电压 B．当有光照射R1时，信号处理系统获得高电压 C．信号处理系统每获得一次高电压就计数一次 D．信号处理系统每获得一次低电压就计数一次 解析　当有光照到R1时，R1电阻率降低，电阻变小，电路电流变大，定值电阻R2两端电压变大，所以R1分得的电压要变小，与之并联的信号处理系统电压也会变小；同理，当有制品通过时，照向R1的光被制品挡住，R1电阻率变大，其电阻随之变大，信号处理系统获得较高电压，所以正确答案是AC。‎ 答案　AC ‎2－2.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ROS在不同照度下的阻值如下表所示：‎ 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，请在图中给定的坐标系中描绘出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ROS(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，在坐标系中描点连线，得到如图所示的变化曲线。‎ 由图可知阻值随照度变化的特点：光敏电阻的阻值随光照强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 ‎1．(多选)如图，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，下列说法正确的是(　　)‎ 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．当用手触摸屏幕时，手指和屏的接触面积的大小影响电容的大小 解析　电容式触摸屏在原理上把人的手指当作一个电容器元件的一个极板，把导体层当作另一极板，故选项A正确；手指和屏的接触面积大小会影响到电容大小，接触面积越大，即两极板的正对面积越大，电容越大，故选项B、D正确，C错误。‎ 答案　ABD ‎2．(多选)一般的电熨斗用合金丝作发热元件，合金丝电阻随温度t变化的关系如图中实线①所示，由于环境温度以及熨烫的衣物厚度、干湿不同，熨斗的散热功率不同，因而熨斗的温度可能会在较大范围内波动，易损坏衣物。有一种用主要成分为BaTiO3、被称为“PTC”的特殊材料作发热元件的电熨斗。PTC材料的电阻随温度变化的关系如图中实线②所示。根据图线分析可知(　　)‎ A．原处于冷态的PTC电熨斗比普通电熨斗升温快 B．PTC电熨斗能自动控制温度，温度稳定在T0～T6之间 C．PTC电熨斗能自动控制温度，温度稳定在T6～T7之间 D．PTC电熨斗不能自动控制温度 解析　冷态时PTC材料电阻小，由P＝知其发热功率大、升温快，A对；由题图可知，温度较低时，PTC材料电阻小，热功率大，生热大于散热，温度升高，电阻迅速增大，发热功率会减小，当发热功率小于散热功率时，电阻温度降低，电阻减小，发热功率会增大，故发热功率等于散热功率时，温度会稳定在题图中T6～T7之间，实现自动控制温度，所以C对，B、D错。‎ 答案　AC ‎3．现有热敏电阻、电炉丝、电源、电磁继电器、滑动变阻器、开关和导线若干。如图所示，试设计一个温控电路，要求温度低于某一温度时，电炉丝自动通电供热，超过某一温度时，又可以自动断电，画出电路图并说明工作过程。‎ 解析　电路图如图所示。‎ 工作过程：闭合S，当温度低于设计值时热敏电阻阻值增大，通过电磁继电器的电流不能使它工作，K接通电炉丝加热；当温度达到设计值时，热敏电阻减小到某值，通过电磁继电器的电流达到工作电流，K断开，电炉丝断电，停止供热；当温度低于设计值，又重复前述过程。‎ 答案　见解析 ‎4．在开展研究性学习的过程中，某同学设计了一个利用线圈测量转轮转速的装置，如图所示，在轮子的边缘贴上小磁体，将小线圈靠近轮边放置，接上数据采集器和电脑(即DIS实验器材)。如果小线圈的面积为S，圈数为N匝，小磁体附近的磁感应强度最大值为B，回路的总电阻为R，实验发现，轮子转过θ角，小线圈的磁感应强度由最大值变为零。因此，他说“只要测得此时感应电流的平均值I，就可以测出转轮转速的大小。”请你运用所学的知识，通过计算对该同学的结论作出评价。‎ 解析　设转轮的角速度、转速分别为ω、n，轮子转过θ角所需时间为Δt，通过线圈的磁通量的变化量为ΔΦ，线圈中产生的感应电动势的平均值为E。‎ 根据法拉第电磁感应定律有E＝N＝N，‎ 由闭合电路欧姆定律得，感应电流的平均值 I＝，‎ 又Δt＝，n＝，‎ 联立以上各式，得n＝，‎ 由此可见，该同学的结论是正确的。‎ 答案　结论正确