【物理】2020届一轮复习人教版实验十二传感器的简单使用学案 12页

实验十二 传感器的简单使用 [实验目的] 1．探究热敏电阻、光敏电阻的特性，了解传感器的工作原理． 2．了解传感器在技术上的应用． [实验原理] 1．传感器的作用 传感器能够将感受到的物理量(力、热、光、声等)转换成便于测量的量(一般是电学量)． 2．传感器的工作过程 通过对某一物理量敏感的元件将感受到的信号按一定的规律转换成便于测量的信号．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达到方便检测、自动控制、遥控等各种目的． 传感器工作的原理可用下图表示： [实验器材] 热敏电阻、光敏电阻、多用电表、铁架台、烧杯、冷水、热水、小灯泡、学生电源、滑动变阻器、开关、 导线等． [实验步骤及数据处理] 一、研究热敏电阻的热敏特性 1．实验步骤 (1)按图所示连接好电路，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出的热敏电阻的 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． 2．数据处理 (1)根据记录数据，把测量到的温度、电阻值填入下表中，分析热敏电阻的特性. 次数 待测量 1 2 3 4 5 6 温度/°C 电阻/Ω (2)在坐标系中，粗略画出热敏电阻的阻值随温度变化的图线． (3)根据实验数据和 R－t 图线，得出结论：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． 二、研究光敏电阻的光敏特性 1．实验步骤 (1)将光电传感器、多用电表、灯泡、滑动变阻器按如图所示电路连接好，其中多用电表置于“×100”的 欧姆挡． (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，观察表盘指针显示电阻阻值的情况，并记 录． (4)观察用手掌(或黑纸)遮光时电阻的阻值，并记录． 2．数据处理 把记录的结果填入下表中，根据记录数据分析光敏电阻的特性. 光照强度 弱 中 强 无光照射 阻值/Ω 结论：光敏电阻的阻值被光照射时发生变化，光照增强电阻变小，光照减弱电阻变大． [注意事项] 1．在做热敏实验时，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． 2．在做光敏实验时，如果效果不明显，可将电阻部分电路放入带盖的纸盒中，并通过盖上的小孔改变射 到光敏电阻上的光的多少． 3．欧姆表每次换挡后都要重新进行欧姆调零． [实验改进] 对于热敏电阻的特性，可用以下实验进行：如图所示，将多用电表的选择开关置于“欧姆”挡，再将电表 的两支表笔与负温度系数的热敏电阻 RT 的两端相连，这时表针指在某一刻度，观察下述操作下的指针偏转 情况： 情况 1：往 RT 上擦一些酒精． 情况 2：用吹风机将热风吹向电阻 RT. 根据指针偏转方向判定热敏电阻的特性． 实验分析： “情况 1”中指针左偏，说明 RT 的阻值增大．酒精蒸发吸热，温度降低，所以热敏电阻的阻值随温度的降 低而增大． “情况 2”中指针右偏，说明 RT 的阻值减小．电阻 RT 温度升高，故热敏电阻的阻值随温度的升高而减小． 优点：改进后的实验简单易操作，能很快得出结论． 热点一 温度传感器的应用 [典例 1] (2018·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)电路图连接如图所示． (2)报警器开始报警时，对整个回路有 U＝Ic(R 滑＋R 热) 代入数据可得 R 滑＝1 150.0 Ω，因此滑动变阻器应选择 R2. (3)①在调节过程中，电阻箱起到等效替代热敏电阻的作用，电阻箱的阻值应为报警器报警时热敏电阻的阻 值，即为 650.0 Ω.滑动变阻器在电路中为限流接法，滑片应置于 b 端附近，若置于另一端 a 时，闭合开关， 则电路中的电流 I＝ 18 650.0 A≈27.7 mA，超过报警器最大电流 20 mA，报警器可能损坏．②开关应先向 c 端 闭合，移动滑动变阻器的滑片，直至报警器开始报警． 答案：(1)连线如解析图所示 (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 1．(2018·江苏卷)小明同学通过实验探究某一金属电阻的阻值 R 随温度 t 的变化关系．已知该金属电阻在 常温下的阻值约 10 Ω，R 随 t 的升高而增大．实验电路如图所示，控温箱用以调节金属电阻的温度．实验 时闭合 S，先将开关 K 与 1 端闭合，调节金属电阻的温度，分别记下温度 t1，t2，…和电流表的相应示数 I1， I2，….然后将开关 K 与 2 端闭合，调节电阻箱使电流表的示数再次为 I1，I2，…分别记下电阻箱相应的示数 R1，R2，…. (1)有以下两种电流表，实验电路中应选用 ． A．量程 0～100 mA，内阻约 2 Ω B．量程 0～0.6 A，内阻可忽略 (2)实验过程中，要将电阻箱的阻值由 9.9 Ω调节至 10.0 Ω，需旋转图中电阻箱的旋钮“a”“b”“c”， 正确的操作顺序是 ． ①将旋转 a 由“0”旋转至“1” ②将旋转 b 由“9”旋转至“0” ③将旋钮 c 由“9”旋转至“0” (3)实验记录的 t 和 R 的数据见下表. 温度 t/℃ 20.0 40.0 60.0 80.0 100.0 阻值 R/Ω 9.6 10.4 11.1 12.1 12.8 请根据表中数据，在方格纸上作出 R－t 图象． 由图线求得 R 随 t 的变化关系为 R＝ Ω. 解析：(1)电路中电源电动势为 1.5 V，金属电阻阻值约为 10 Ω，滑动变阻器最大阻值为 10 Ω，所以电路 中的电流的范围约为 75 mA 到 150 mA，所以量程为 0.6 A 的电流表的指针偏角偏小，误差较大，故应选择 A. (2)实验中电路的电阻的变化应从大到小变化． (3)根据表中数据，描点连线可知，R 与 t 呈线性关系，在图中任取两点，将坐标值代入 R＝kt＋R0，可得 k ＝0.04，R0＝8.8，所以 R 与 t 的关系式为 R＝0.04t＋8.8. 答案：(1)A (2)①②③(或①③②) (3)如图所示 0.04t＋8.8(0.04t＋8.6～0.04t＋9.0 都算对) 热点二 光敏电阻的应用 [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 RG 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，请在下图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，要求当天色渐暗且照度降低至 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 RG(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)光敏电阻的阻值随光照度变化的曲线如图所示． 特点：光敏电阻的阻值随光照度的增大非线性减小． (2) 根据串联电阻的正比分压关系及 E＝3 V 知，当照度降低至 1.0 lx 时，其电压升至 2 V，由图线知，此时 光敏电阻 RG＝20 kΩ，UG＝2 V，串联电阻分压 UR＝1 V，由UG UR ＝RG R ＝2 得 R＝RG 2 ＝10 kΩ，故选定值电阻 R1， 电路原理图如图所示． 答案：见解析 2. 如图所示，将多用电表的选择开关置于欧姆挡，再将电表的两支表笔分别与光敏电阻 RT 的两端相连， 这时表针恰好指在刻度盘的中央．若用不透光的黑纸将 RT 包裹起来，表针将向 (填“左”或“右”)转 动；若用手电筒光照射 RT，表针将向 (填“左”或“右”)转动． 解析：光敏电阻受光照越强，电阻越小，所以用不透光的黑纸将 RT 包起来，电阻增大，指针左偏，若用手 电筒光照射 RT，电阻减小，表针将向右偏． 答案：左 右 热点三 其他传感器的应用 [典例 3] 霍尔效应是电磁基本现象之一，近期我国科学家在该领域的实验研究上取得了突破性进展．如图 甲所示，在一矩形半导体薄片的 P、Q 间通入电流 I，同时外加与薄片垂直的磁场 B，在 M、N 间出现电压 UH，这个现象称为霍尔效应，UH 称为霍尔电压，且满足 UH＝kIB d ，式中 d 为薄片的厚度，k 为霍尔系数．某 同学通过实验来测定该半导体薄片的霍尔系数． (1)若该半导体材料是空穴(可视为带正电粒子)导电，电流与磁场方向如图甲所示，该同学用电压表测量 UH 时，应将电压表的“＋”接线柱与 (填“M”或“N”)端通过导线相连． (2)已知薄片厚度 d＝0.40 mm，该同学保持磁感应强度 B＝0.10 T 不变，改变电流 I 的大小，测量相应的 UH 值，记录数据如下表所示. I/(×10－3 A) 3.0 6.0 9.0 12.0 15.0 18.0 UH/(×10－3 V) 1.1 1.9 3.4 4.5 6.2 6.8 根据表中数据在图乙中画出 UH－I 图线，利用图线求出该材料的霍尔系数为 ×10－3 V·m·A－1·T－1(保 留两位有效数字)． (3)该同学查阅资料发现，使半导体薄片中的电流反向再次测量，取两个方向测量的平均值，可以减小霍尔 系数的测量误差，为此该同学设计了如图丙所示的测量电路，S1、S2 均为单刀双掷开关，虚线框内为半导 体薄片(未画出)．为使电流从 Q 端流入，P 端流出，应将 S1 掷向 (填“a”或“b”)，S2 掷向 (填“c” 或“d”)． 为了保证测量安全，该同学改进了测量电路，将一合适的定值电阻串联在电路中．在保持其他连接不变的 情况下，该定值电阻应串联在相邻器件 和 (填器件代号)之间． 解析：(1)由电流方向和磁场方向结合左手定则可判断出带正电粒子向 M 板偏转，故 M 板的电势高，电压 表的“＋”接线柱应与 M 端用导线连接． (2)由题意知 UH＝kIB d ，得UH I ＝kB d ，即图线的斜率表示 kB d ＝0.38，将已知数据代入可求得 k＝1.5×10－3 V·m·A －1·T－1. (3)外电路中，电流由电源正极流出，经用电器流入电源负极，故 S1 接 b，S2 接 c 时，电流自 Q 端流入 P 端 流出；为了避免开关接错位置导致电源短路而被烧坏，应在开关 S1 和电源 E 之间(或 S2 和 E 之间)串联一保 护电阻． 答案：(1)M (2)如图所示 1.5(1.4 或 1.6) (3)b c S1 E(或 S2 E) 3. 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； ③弹簧的劲度系数 k＝ N/m.(结果均保留三位有效数字) 解析：(1)设放置质量 m 的物体时弹簧压缩量为 x，则有 mg＝kx， 又 U＝x LE， 解得 m＝Lk EgU. (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 Δm ΔU ＝ 9－0 0.90－0 kg/V＝10.0 kg/V. ③因 m＝Lk Eg U，故Lk Eg ＝Δm ΔU ， k＝Δm ΔU ·Eg L ＝10.0×1.50×9.80 0.120 N/m＝ 1.23×103 N/m. 答案：(1)m＝Lk Eg U (2)①图见解析 ②10.0(9.00～11.0 均正确) ③1.23×103(1.10×103～1.35×103 均正确) 1．2007 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( D ) 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 2．(多选)如图所示，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( AB ) 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．如果用戴了手套的手触摸屏幕，照样能引起触摸屏动作 3．如图所示，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)． 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＝ E R＋r 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 4．热敏电阻是传感电路中常用的电子元件．现用伏安法测绘出热敏电阻分别在温度为 t1＝45 ℃和温度为 t2＝75 ℃时的伏安特性曲线，要求特性曲线尽可能完整．先用欧姆表粗测出常温下待测热敏电阻的阻值大 约 5 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： a．电流表 A1，量程 0.6 A，内阻约 2 Ω b．电流表 A2，量程 3 A，内阻约 0.4 Ω c．电压表 V1，量程 15 V，内阻约 50 kΩ d．电压表 V2，量程 3 V，内阻约 10 kΩ e．滑动变阻器 R1(0～100 Ω) f．滑动变阻器 R2(0～20 Ω) g．电源 E(3 V、内阻可忽略) h．盛有热水的热水杯(图中未画出) i．开关、导线若干 (1)实验中应选用的电流表为 (填“A1”或“A2”)，应选用的电压表为 (填“V1”或“V2”)，应选用 的滑动变阻器为 (填“R1”或“R2”)． (2)将实物图连线补充成完整的测量电路(实线代表导线)，要求测量误差尽可能小． (3)实验过程主要有如下操作步骤，合理的顺序是 ．(填写步骤前的字母) A．接通电路，调节滑动变阻器，多次记录电压表和电流表的示数 B．往保温杯中缓慢加入热水，并同步搅动均匀，直到温度稳定在 t1 C．往保温杯中缓慢加入一定量的冷水，将热敏电阻和温度计插入保温杯中 D．往保温杯中加入一些热水，待温度稳定在 t2 E．在同一个坐标系中绘出两个温度下热敏电阻的伏安特性曲线 解析：(1)通过热敏电阻的最大电流值为：Imax＝E R ＝3 5 A＝0.6 A，若电流表选 A2，量程较大，指针偏转角过 小，(指针一般在2 3 满偏左右误差较小)误差较大，故应选 A1，因为提供的电源的电动势为 3 V，选用的电压 表 V2 即可．要研究热敏电阻在不同温度下的伏安特性曲线，则需要电压的变化范围要尽可能的大，故滑动 变阻器应采用分压接法，应选择总电阻较小的变阻器为方便调节，变阻器应选 R2. (2)电路连接如图所示． (3)由题意可知，本实验是研究热敏电阻在不同温度下的伏安特性曲线，故应测出温度及电流、电压值；并 做多次实验，故实验的步骤应为开始让电阻处于低温状态，所以先进行的步骤是 C；接下来往保温杯中缓 慢加入热水，并同步搅动均匀，直到温度稳定在 t1 时，即 B 步骤；接通电路，调节滑动变阻器，多次记录 电压表和电流表的示数，即 A 步骤；往保温杯中加入一些热水，待温度稳定在 t2，即步骤 D；再进行电阻 的测量，步骤 A 数据测完后，在同一个坐标系中绘出两个温度下热敏电阻的伏安特性曲线，即步骤 E.所以 正确顺序为：CBADAE. 答案：(1)A1 V2 R2 (2)图见解析 (3)CBADAE