【物理】2019届一轮复习人教版实验十二传感器的简单使用学案 22页

实验十二　传感器的简单使用 板块一　主干梳理·夯实基础 ‎1 ‎◆　实验步骤 ‎1．按下图连接好电路，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。‎ ‎◆　数据处理 ‎1．根据记录数据，把测量到的温度、电阻值填入表中，分析热敏电阻的特性。‎ ‎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，如图所示。‎ ‎3．根据实验数据和Rt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。‎ ‎2 ‎◆　实验步骤 ‎1．将光敏电阻、多用电表、小灯泡、滑动变阻器按如图所示电路连接好，其中多用电表置于“×100”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．用手掌(或黑纸)遮光，观察表盘指针显示电阻阻值的情况，‎ 并记录。‎ ‎◆　数据处理 把记录的结果填入表中，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。‎ ‎◆　误差分析 ‎1．温度计读数带来的误差，可以选用精度高的温度计读数三次取平均值。‎ ‎2．欧姆表的读数带来的误差，可以对同一温度、同一光照强度下的电阻读数三次取平均值。‎ ‎◆　注意事项 ‎1．在做热敏电阻实验时，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，并同时读出水温和电阻值。‎ ‎2．光敏电阻实验中，如果效果不明显，可将光敏电阻部分电路放入带盖的纸盒中，并通过盖上小孔改变照射到光敏电阻上的光的强度。‎ ‎3．欧姆表每次换挡后都要重新调零。‎ 板块二　考点细研·悟法培优　　　　　　　　　　　　　　　　　　‎ 考点1 热敏电阻的应用 例1　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。‎ ‎(1)画出实验电路图。‎ ‎(2)根据电路图，在上图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。‎ 尝试解答　(1)图见解析__(2)如图所示 ‎(3)完成接线后的主要实验步骤：①往保温杯里加一些热水，待温度计稳定时读出温度计值；②调节滑动变阻器，快速测出几组电压表和电流表的值；③重复①和②，测量不同温度下的数据；④绘出各测量温度下的热敏电阻的伏安特性曲线。‎ ‎(1)常温下待测热敏电阻的阻值(约4～5 Ω)较小，热敏电阻的阻值随温度的升高而减小，应该选用电流表外接法。题目中要求特性曲线尽可能完整，应使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。所以电路图如图。‎ ‎(2)按电路图，实物连线见尝试解答。‎ ‎(3)①往保温杯里加一些热水，待温度计稳定时读出温度计值；②调节滑动变阻器，快速测出几组电压表和电流表的值；③重复①和②，测量不同温度下的数据；④绘出各测量温度下的热敏电阻的伏安特性曲线。‎ 　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。如图甲所示，电源的电动势E＝9.0 V，内电阻不计；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，电流计示数I1＝2 mA；当电流计的示数I2＝3.6 mA时，热敏电阻的温度是________℃。‎ 答案　120‎ 解析　从题图乙查得t＝20 ℃时，R的阻值为4 kΩ 由E＝I1(R＋Rg)得 Rg＝－R＝ kΩ－4 kΩ＝0.5 kΩ 当I2＝3.6 mA时，设热敏电阻的阻值为R′，则 R′＝－Rg＝ kΩ－0.5 kΩ＝2 kΩ 从题图乙查得此时对应的温度t2＝120 ℃。‎ 考点2 光敏电阻传感器的应用 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，阻值见图表)‎ 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。‎ 尝试解答　(1)光敏电阻的阻值随光照变化的曲线如下图所示，光敏电阻的阻值随光的照度的增大非线性减小。‎ ‎(2)电路原理图见下图。‎ ‎(1)根据表中的数据，在坐标纸上描点连线，得到如尝试解答所示的变化曲线。‎ 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；此电路的原理图见尝试解答。‎ 　[2016·南京质检]A、B两块正对的金属板竖直放置，在金属板A的内侧表面系一绝缘细线，细线下端系一带电小球。两块金属板接在如图所示的电路中，电路中的R1为光敏电阻，R2为滑动变阻器，R3为定值电阻。当R2的滑片P在a端时闭合开关S，此时电流表A和电压表V的示数分别为I和U，带电小球静止时绝缘 细线与金属板A的夹角为θ，电源电动势E和内阻r一定。则以下说法正确的是(　　)‎ A．若将R2的滑片P向b端移动，则I不变，U增大 B．保持滑片P不动，用更强的光照射R1，则I增大，U增大 C．保持滑片P不动，用更强的光照射R1，则小球重新达到稳定后θ变大 D．保持滑片P不动，用更强的光照射R1，则U的变化量的绝对值与I的变化量的绝对值的比值不变 答案　D 解析　由题中电路图看出，电压表V测量的是路端电压大小，电路稳定时R2支路中无电流，R2两端电压为零，将R2的滑片向b端移动不会影响电压表V和电流表A的读数，故选项A错误。两极板A、B之间的电压等于光敏电阻R1两端的电压，用更强的光照射R1，R1的阻值变小，电路电流I变大，路端电压U变小，R3两端电压变大，R1两端电压变小，则小球重新达到稳定后θ变小，故选项B、C均错误。设强光照射R1前电压表V和电流表A的示数分别为U1、I1，强光照射R1后电压表V和电流表A的示数分别为U2、I2，则E＝U1＋I1r，E＝U2＋I2r，解得r＝＝，可见，选项D正确。‎ 考点3 传感器在日常生活中的应用 例3　某学生为了测量一物体的质量，找到一个力电转换器，该转换器的输出电压正比于受压面的压力(比例系数为k)。如图所示，‎ 测量时先调节输入端的电压，使转换器空载时的输出电压为0；而后在其受压面上放一物体，即可测得与物体的质量成正比的输出电压U。现有下列器材：力电转换器、质量为m0的砝码、电压表、滑动变阻器、干电池各一个，开关及导线若干，待测物体(可置于力电转换器的受压面上)。‎ ‎(1)设计一个电路，要求力电转换器的输入电压可调，并且使电压的调节范围尽可能大，画出完整的测量电路图。‎ ‎(2)简要说明测量步骤，求出比例系数k，并测出待测物体的质量m。‎ 尝试解答　(1)设计电路如图所示 ‎(2)测量步骤如下：‎ ‎①调节滑动变阻器，使转换器的输出电压为零；‎ ‎②将质量为m0的砝码放在转换器的受压面上，记下输出电压U0；‎ ‎③将待测物体放在转换器的受压面上，记下输出电压U1；‎ ‎④因为U0＝km0g，U1＝kmg，所以可求m＝。‎ 本题是传感器的应用问题，考查实验与探究能力，完成简单的实验设计。力电转换器虽然是一个全新的仪器，但它与其他所有的测量仪器一样，要有一个“调零”‎ 的过程。仔细审题，题目中有很多重要的暗示，挖掘这些信息即是我们解决问题的关键。“测量时先调节输入端的电压，使转换器空载时的输出电压为0；而后在其受压面上放一物体，即可测得与物体的质量成正比的输出电压U”，“该转换器的输出电压正比于受压面的压力(比例系数为k)”所以输出电压U＝kmg。题目要求“力电转换器的输入电压可调，并且使电压的调节范围尽可能大”，这就暗示我们滑动变阻器必须使用分压式，有了设计电路才可以进行测量步骤。‎ 　如图所示为一测定液面高低的传感器示意图，A为固定的导体芯，B为导体芯外面的一层绝缘物质，C为导电液体，把传感器接到图示电路中，已知灵敏电流表指针偏转方向与电流方向相同。如果发现指针正向右偏转，则导电液体的深度h的变化情况为(　　)‎ A．h正在增大 B．h正在减小 C．h不变 D．无法确定 答案　B 解析　由电源极性及电流方向可知，A、B构成的电容器上的电荷量减小，据C＝，电容C在减小，可知正对面积S减小，即h在减小，故选项B正确。‎ 一、选择题 ‎1.[2017·天津高考](多选)在匀强磁场中，一个100‎ 匝的闭合矩形金属线圈，绕与磁感线垂直的固定轴匀速转动，穿过该线圈的磁通量随时间按图示正弦规律变化。设线圈总电阻为2 Ω，则(　　)‎ A．t＝0时，线圈平面平行于磁感线 B．t＝1 s时，线圈中的电流改变方向 C．t＝1.5 s时，线圈中的感应电动势最大 D．一个周期内，线圈产生的热量为8π2 J 答案　AD 解析　t＝0时，Φ＝0，故线圈平面平行于磁感线，A正确。线圈每经过一次中性面电流的方向改变一次，线圈经过中性面时，磁通量最大，故在t＝0.5 s、1.5 s时线圈中的电流改变方向；在t＝1 s时线圈平面平行于磁感线，线圈中的电流方向不变，B错误。线圈在磁场中转动，磁通量最大时，感应电动势为0，磁通量为0时，感应电动势最大，故t＝1.5 s时，感应电动势为0，C错误。线圈中感应电动势的最大值Em＝nBωS＝nωΦm＝nΦm＝100××0.04 V＝4π V，有效值E＝＝2π V，故在一个周期内线圈产生的热量Q＝T＝×2 J＝8π2 J，D正确。‎ ‎2．[2016·全国卷Ⅲ](多选)如图，M为半圆形导线框，圆心为OM；N是圆心角为直角的扇形导线框，圆心为ON；两导线框在同一竖直面(纸面)内；两圆弧半径相等；过直线OMON的水平面上方有一匀强磁场，磁场方向垂直于纸面。现使线框M、N在t＝0时从图示位置开始，分别绕垂直于纸面、且过OM和ON的轴，以相同的周期T 逆时针匀速转动，则(　　)‎ A．两导线框中均会产生正弦交流电 B．两导线框中感应电流的周期都等于T C．在t＝时，两导线框中产生的感应电动势相等 D．两导线框的电阻相等时，两导线框中感应电流的有效值也相等 答案　BC 解析　两导线框在进磁场的过程中，只有一个半径切割磁感线，属于旋转切割，产生的感应电动势E＝BR2ω，大小不变，不是正弦交流电，故A错误；它们以相同的周期T逆时针匀速转动，故线框中感应电流的周期相同，B正确；在t＝时，它们都在进入磁场的过程中，两导线框中产生的感应电动势相等，都等于E＝BR2ω，C正确；M在整个周期中都产生感应电动势，而N只在进磁场和出磁场的时候即0～、～时才产生感应电动势，故电动势的有效值不相等，则两导线框电阻相等时，电流的有效值不相等，D错误。‎ ‎3.[2015·四川高考]小型手摇发电机线圈共N匝，每匝可简化为矩形线圈abcd，磁极间的磁场视为匀强磁场，方向垂直于线圈中心轴OO′，线圈绕OO′匀速转动，如图所示。矩形线圈ab边和cd边产生的感应电动势的最大值都为e0，不计线圈电阻，则发电机输出电压(　　)‎ A．峰值是e0 B．峰值是2e0‎ C．有效值是Ne0 D．有效值是Ne0‎ 答案　D 解析　发电机输出电压峰值是2Ne0，A、B选项错误。有效值是·2Ne0＝Ne0，C选项错误，D选项正确。‎ ‎4．[2014·天津高考](多选)如图1所示，在匀强磁场中，一矩形金属线圈两次分别以不同的转速，绕与磁感线垂直的轴匀速转动，产生的交变电动势图象如图2中曲线a、b所示，则(　　)‎ A．两次t＝0时刻线圈平面均与中性面重合 B．曲线a、b对应的线圈转速之比为2∶3‎ C．曲线a表示的交变电动势频率为25 Hz D．曲线b表示的交变电动势有效值为10 V 答案　AC 解析　由题图2知t＝0时两次转动产生的瞬时电动势都等于零，‎ 故A选项正确。由图2知两次转动所产生的交变电动势的周期之比Ta∶Tb＝2∶3，再由周期与转速的关系n＝得na∶nb＝3∶2，故B选项错误。因Ta＝4×10－2 s，故fa＝＝25 Hz，C选项正确。因Ema＝15 V，而Em＝NBSω＝，故Emb＝Ema＝10 V，Eb＝＝5 V，D选项错误。‎ ‎5．[2017·北京高考]如图所示，理想变压器的原线圈接在u＝220sin100πt(V)的交流电源上，副线圈接有R＝55 Ω 的负载电阻，原、副线圈匝数之比为2∶1，电流表、电压表均为理想电表。下列说法正确的是(　　)‎ A．原线圈的输入功率为220 W B．电流表的读数为1 A C．电压表的读数为110 V D．副线圈输出交流电的周期为50 s 答案　B 解析　理想变压器原线圈两端电压的有效值为U1＝220 V，由＝得U2＝＝110 V，即电压表的读数为110 V，通过负载电阻的电流I2＝＝ A＝2 A，则副线圈的输出功率P＝U2I2＝110×2 W＝220 W，原线圈的输入功率等于副线圈的输出功率，为220 W，故选项A、C错误。由n1I1＝n2I2得I1＝＝1 A，即电流表的读数为1 A ‎，选项B正确。由u＝220sin100πt(V)可知，角速度ω＝100π rad/s，原线圈所接交流电的周期T＝＝0.02 s，副线圈输出交流电的周期不变，仍为0.02 s，选项D错误。‎ ‎6．[2016·四川高考]如图所示，接在家庭电路上的理想降压变压器给小灯泡L供电，如果将原、副线圈减少相同匝数，其他条件不变，则(　　)‎ A．小灯泡变亮 B．小灯泡变暗 C．原、副线圈两端电压的比值不变 D．通过原、副线圈电流的比值不变 答案　B 解析　根据变压器电压与匝数关系：＝，因为是降压变压器，则n1>n2，当原、副线圈减少相同匝数时，由数学知识可知变大，则U2减小，故灯泡变暗，A、C错误，B正确；根据＝可知通过原、副线圈电流的比值变小，D错误。故选B。‎ ‎7.[2016·全国卷Ⅲ](多选)如图，理想变压器原、副线圈分别接有额定电压相同的灯泡a和b。当输入电压U为灯泡额定电压的10倍时，两灯均能正常发光，下列说法正确的是(　　)‎ A．原、副线圈匝数比为9∶1‎ B．原、副线圈匝数比为1∶9‎ C．此时a和b的电功率之比为9∶1‎ D．此时a和b的电功率之比为1∶9‎ 答案　AD 解析　设灯泡的额定电压为U0，两灯均能正常发光，所以原线圈两端电压为U1＝9U0，副线圈两端电压为U2＝U0，故＝，＝＝，A正确，B错误；根据公式＝可得＝，由于小灯泡两端的电压相等，所以根据公式P＝UI可得两者的电功率之比为1∶9，C错误，D正确。‎ ‎8.[2016·江苏高考]一自耦变压器如图所示，环形铁芯上只绕有一个线圈，将其接在a、b间作为原线圈。通过滑动触头取该线圈的一部分，接在c、d间作为副线圈。在a、b间输入电压为U1的交变电流时，c、d间的输出电压为U2。在将滑动触头从M点顺时针旋转到N点的过程中(　　)‎ A．U2>U1，U2降低 B．U2>U1，U2升高 C．U2