【物理】2020届一轮复习人教版实验：传感器的简单应用学案 15页

第3讲　实验：传感器的简单应用 一、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。‎ 二、实验原理 ‎　传感器是将它感受到的物理量(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。‎ 三、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。‎ 四、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。‎ 五、数据处理 根据上面记录的数据，完成以下表格内容。‎ 六、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。‎ ‎(判断正误，正确的画“√”，错误的画“×”。)‎ ‎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。(×)‎ ‎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两项正确。‎ 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，C项正确。‎ 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，B项正确。‎ 答案　B 考点　1　热敏电阻的原理及应用 考|点|速|通 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。‎ 典|例|微|探 ‎【例1】　某同学尝试把一个灵敏电流表改装成温度表，他所选用的器材有：‎ 灵敏电流表(待改装)，学生电源(电动势为E，内阻不计)，滑动变阻器，单刀双掷开关，导线若干，导热性能良好的防水材料，标准温度计，PTC热敏电阻Rt(PTC线性热敏电阻的阻值与摄氏温度t的关系为Rt＝a＋kt，a>0，k>0)。‎ 设计电路图如图所示，并按如下步骤进行操作。‎ ‎(1)按电路图连接好实验器材。‎ ‎(2)将滑动变阻器滑片P滑到________(填“a”或“b”)端，单刀双掷开关S掷于________(填“c”或“d”)端，调节滑片P使电流表________，并在以后的操作中保持滑片P位置不动，设此时电路总电阻为R，断开电路。‎ ‎(3)容器中倒入适量开水，观察标准温度计，每当标准温度计示数下降‎5 ℃‎，就将开关S置于d端，并记录此时的温度t和对应的电流表的示数I，然后断开开关。请根据温度表的设计原理和电路图，写出电流与温度的关系式I＝________(用题目中给定的符号表示)。‎ ‎(4)根据对应温度记录的电流表示数，重新刻制电流表的表盘，改装成温度表。根据改装原理，此温度表表盘刻度线的特点：低温刻度在________(填“左”或“右”)侧，刻度线分布是否均匀？________(填“是”或“否”)。‎ 解析　(2)分析电路可知滑动变阻器为限流式接法，所以闭合开关前，使它的阻值处于最大值状态，即将滑片P滑到a端。为了设计表盘刻度，应使开关掷于c处，调节滑片，使电流表满偏。‎ ‎(3)把开关置于d端，根据闭合电路欧姆定律得I＝，又Rt＝a＋kt，联立得出电流与温度的关系式为I＝。‎ ‎(4)因为Rt＝a＋kt(且a>0，k>0)，所以温度越低，电阻越小，回路中I越大，所以低温 度刻度在右侧，由(3)中关系式可知电流与温度不是线性关系，所以刻度线分布不均匀。‎ 答案　(2)a　c　满偏　(3)　(4)右　否 题|组|冲|关 ‎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 ‎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。‎ ‎ ‎ ‎(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 考点　2　光敏电阻的原理及应用 考|点|速|通 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。‎ 典|例|微|探 ‎【例2】　为了节能环保，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，照度的单位为lx)。‎ ‎(1)某光敏电阻R在不同照度下的阻值如下表，根据表中已知数据，在如图甲的坐标系中描绘出了阻值随照度变化的曲线。由图象可求出照度为1.0 lx时的电阻约为________kΩ。‎ ‎ ‎ ‎(2)如图乙所示是街道路灯自动控制模拟电路，利用直流电源为电磁铁供电，利用照明电源为路灯供电。为达到天亮灯熄、天暗灯亮的效果，路灯应接在________(填“A、B”或“B、C”)之间，请用笔画线代替导线，正确连接电路元件。‎ ‎ ‎ ‎(3)用多用电表的欧姆挡选“×‎10”‎的倍率，按正确步骤测量图中电磁铁线圈电阻时，指针示数如图丙所示，则线圈的电阻为________Ω。已知当线圈中的电流大于或等于2 mA时，继电器的衔铁将被吸合。图中直流电源的电动势E＝6 V，内阻忽略不计，滑动变阻器有三种规格可供选择：R1(0～10 Ω，‎2 A)、R2(0～200 Ω，‎1 A)、R3(0～1 750 Ω，‎0.1 A)。要求天色渐暗照度降低至 1.0 lx时点亮路灯，滑动变阻器应选择________(填“R‎1”‎“R‎2”‎或“R‎3”‎)。为使天色更暗时才点亮路灯，应适当地________(填“增大”或“减小”)滑动变阻器的电阻。‎ 解析　(1)从图中读出对应于照度为1.0 lx时的纵坐标可得对应电阻值。(2)天亮时光照强度增大，光敏电阻的阻值减小，电磁铁中电流增大，磁场增强，吸引衔铁向下与C接通，灯熄灭，故灯泡应接在A、B之间。实验连接图见答案。(3)多用电表读数为 140 Ω。路灯点亮时电磁铁中电流小于2 mA，则电路中总阻值R＝>3 kΩ，此时光敏电阻的阻值小于2 kΩ，则滑动变阻器接入电路中的阻值应不小于1 kΩ，故应选用R3。由于电磁铁中电流在减小到2 mA时才能放开衔铁，路灯才能发光，故路灯发光时控制电路中总电阻是一定的，要使天色更暗时才点亮路灯，则要求在控制电路中的电流达到2 mA时光敏电阻的阻值更大，故滑动变阻器接入电路中的阻值应减小。‎ 答案　(1)2.0　(2)A、B　如图所示 ‎(3)140　R3　减小 题|组|冲|关 ‎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，A、C两项正确。‎ 答案　AC ‎2．光敏传感器是常见的传感器之一，主要应用于灯具的自动控制、电视机亮度自动调节、人工智能等。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．传感器担负着信息采集的任务，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)，例如热传感器，主要是应用了半导体材料制成的热敏电阻，热敏电阻随温度变化的图线如图甲所示，图乙是用热敏电阻R1作为传感器制作的简单自动报警器原理图。则：‎ ‎(1)为了使温度过高时报警器铃响，开关应接在______(填“a”或“b”)端。‎ ‎(2)若使启动报警的温度提高些，应将滑动变阻器的滑片P向________(填“左”或“右”)移动。‎ 解析　温度升高时，热敏电阻阻值减小，图乙中通电螺线管的磁性增强，将与弹簧相连的金属导体向左吸引，要使报警器所在电路接通并报警，开关应接在a端。要实现温度更高时，即热敏电阻阻值更小时才将报警器电路接通，应该将滑动变阻器连入电路的阻值调大，即P向左移动。‎ 答案　(1)a　(2)左 ‎2.图甲所示是大型机械厂里用来称重的电子吊秤，其中实现称重的关键元件是拉力传感器。其工作原理是：挂钩上挂上重物，传感器中拉力敏感电阻丝在拉力作用下发生形变，拉力敏感电阻丝的电阻也随着发生变化，再经相应的测量电路把这一电阻变化转换为电信号(电压或电流)，从而完成将所称物体重量变换为电信号的过程。‎ ‎ ‎ ‎(1)简述拉力敏感电阻丝的阻值随拉力变化的原因。‎ ‎_______________________________________________‎ ‎(2)某同学找到一根拉力敏感电阻丝RL ‎，其阻值随拉力变化的图象如图乙所示，再按图丙所示电路制作了一个简易“吊秤”。电路中电源电动势E约15 V，内阻约2 Ω；灵敏毫安表量程为10 mA，内阻约5 Ω；R是电阻箱，最大阻值是9 999 Ω；RL接在A、B两接线柱之间，通过光滑绝缘滑环可将重物吊起，接通电路完成下列操作。‎ a．滑环下不吊重物时，调节电阻箱，当电流表为某一合适示数I时，读出电阻箱的读数R1‎ b．滑环下吊上待测重物，测出电阻丝与竖直方向的夹角为θ c．调节电阻箱，使_______________，读出此时电阻箱的读数R2。‎ 设R－F图象斜率为k，则待测重物的重力G的表达式为G＝________________(用以上测得的物理量表示)，测得θ＝53°(sin53°＝0.8，cos53°＝0.6)，R1、R2分别为1 052 Ω和1 030 Ω，则待测重物的重力G＝________N。(结果保留三位有效数字)‎ ‎(3)(多选)针对该同学的设计方案，为了提高测量重量的精度，你认为下列措施可行的是________。(填选项字母)‎ A．将毫安表换成量程不变，内阻更小的毫安表 B．将毫安表换成量程为10 μA的微安表 C．将电阻箱换成精度更高的电阻箱 D．适当增大A、B接线柱之间的距离 解析　(1)电阻丝受拉力时，长度增加而横截面积减小，根据电阻定律知其阻值增大。‎ ‎(2)根据等效替代法测电阻，调节电阻箱，使电流表的示数仍为I；由其阻值随拉力变化的图象可得k＝＝＝0.2，由平衡条件得2ΔFcosθ＝G，由等效替代法测电阻得ΔR＝R1－R2，联立解得G＝，可得待测重物的重力G＝ N＝132 N。‎ ‎(3)为了提高测量重量的精度，将电阻箱换成精度更高的电阻箱，适当增大A、B接线柱之间的距离，根据闭合电路欧姆定律得电流I＝只有几毫安，所以不能将毫安表换成量程为10 μA的微安表，或不能将毫安表换成其他量程，C、D两项正确。‎ 答案　(1)电阻丝受拉力时，长度增加而横截面积减小，根据电阻定律知其阻值增大　(2)电流表的示数仍为I　　132　(3)CD ‎3．(2019·日照校际联合期中)某同学想根据学习的知识，估测一个电容器的电容。他从实验室找到8 V的稳压直流电源、单刀双掷开关、电流传感器(与电脑相连，能描绘出电流i随时间t变化的图线)、定值电阻和导线若干，连成如图甲所示的电路。实验过程如下，完成相应的填空。‎ ‎(1)先使开关S与1端相连，电源给电容器充电(充满)。‎ ‎(2)开关S掷向2端，电容器放电，此时电路中有短暂的电流。流过电阻R的电流方向为________(填“从右向左”或“从左向右”)。‎ ‎(3)传感器将电流信息传入计算机，屏幕上显示出电流随时间变化的i－t曲线如图乙所示。‎ ‎(4)根据图象估算出电容器在全部放电过程中释放的电荷量为________C。‎ ‎(5)根据前面的信息估算出该电容器的电容为______F。‎ ‎(所有结果均保留两位有效数字)‎ 解析　(2)开关S与1端相连，电源给电容器充电，电容器上极板与电源正极相连，上极板带正电；开关S掷向2端，电容器放电，流过电阻R的电流方向为从右向左。(电流从电容器正极板出发经R到负极板)‎ ‎(4)i－t曲线与坐标轴围成面积表示对应的电荷量，大于半格的算一格，小于半格的不算。则电荷量为Q＝31×0.2 mA×0.4 s≈2.5×10－‎3 C。‎ ‎(5)电容器的电容为C＝＝ F≈3.1×10－‎4 F。‎ 答案　(2)从右向左 ‎(4)2.5×10－3(2.4×10－3～2.6×10－3)‎ ‎(5)3.1×10－4(3.0×10－4～3.3×10－4)‎ ‎4．(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)在下图中完成待调节的报警系统原理电路图的连线。‎ ‎(2)在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)电路连线如图。‎ ‎(2)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，可知外电阻的阻值范围大约是 Ω＝900 Ω≤R≤ Ω＝1 800 Ω，报警器的电阻是650.0 Ω，所以滑动变阻器的取值范围在250 Ω 到1 150 Ω之间，所以滑动变阻器应该选R2。‎ ‎(3)①本题采用的是等效替换法，先用电阻箱来代替热敏电阻，所以电阻箱的阻值要调节到热敏电阻的临界电阻也就是在‎60 ℃‎时阻值为650.0 Ω；为防止接通电源后，流过报警器的电流会超过20 mA，报警器可能损坏，滑动变阻器的滑片应置于b端；②先把电阻箱的电阻接入电路，调节滑动变阻器的电阻，调至报警器开始报警时，保持滑动变阻器的阻值不变，接到热敏电阻上，当热敏电阻的阻值是650.0 Ω时，也就是温度达到了‎60 ℃‎，报警器开始报警。‎ 答案　(1)见解析图　(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