高考物理一轮复习第十章交变电流传感器实验十二传感器的简单使用 14页

实 验 十 二 传感器的简单使用 突破点(一) 热敏电阻的原理及应用 [典例 1] 某实验小组探究一种热敏电阻的温度特性。现有器材：直流恒流电源(在正 常工作状态下输出的电流恒定)、电压表、待测热敏电阻、保温容器、温度计、开关和导线 等。 (1)若用上述器材测量热敏电阻的阻值随温度变化的特性，请你在实物图上连线。 (2)实验的主要步骤： ①正确连接电路，在保温容器中注入适量冷水，接通电源，调节并记录电源输出的电流 值； ②在保温容器中添加少量热水，待温度稳定后，闭合开关，______，______，断开开关； ③重复第②步操作若干次，测得多组数据。 (3)实验小组算得该热敏电阻在不同温度下的阻值，并据此绘得 Rt 关系图线，请根据 图线写出该热敏电阻的 Rt 关系式：R＝________＋________t(Ω)。 [解析] 根据 R＝U I 就可求出不同温度下热敏电阻的阻值，并据此绘得 Rt 图线。在图 线上取两点，当 t1＝10 ℃时，R1＝104 Ω，当 t2＝60 ℃时，R2＝124 Ω，Rt 图线的斜率 为R2－R1 t2－t1 ＝0.4；将图线延长，图线交于原点，说明 t＝0 ℃时的电阻为 100 Ω，故 Rt 关系 式为 R＝100＋0.4t(Ω)。 [答案] (1)如图所示 (2)②读取温度计示数 读取电压表示数 (3)100 0.4 [由题引知·要点谨记] 1.考查实验原理及连线[对应第 1 题] 1 根据实验要求进行连线。 2 电压表应直接并联在待测热敏电阻两侧。 3 连线时注意电流的流向。 2. 考查实验步骤[对应第 2 题] 1 实验过程中应逐步升温，待温度稳定后再读数。 2 实验时应测多组数据，以减小实验误差。 3.考查识图能力和数据处理方法[对应第 3 题] 1 根据 R＝U I 求出不同温度下热敏电阻的阻值。 2 由 Rt 关系图线找出 R 与 t 的函数关系式。 3 本实验的主要误差来源于温度计和电压表的读数。 [集训冲关] 1．(2016·全国乙卷)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。 (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 至报警器开始报警为止。 答案：(1)连线见解析图 (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 2．(2016·北京高考)热敏电阻常用于温度控制或过热保护装置中。如图 为某种热敏电阻和金属热电阻的阻值 R 随温度 t 变化的示意图。由图可知， 这种热敏电阻在温度上升时导电能力________(选填“增强”或“减弱”)； 相对金属热电阻而言，热敏电阻对温度变化的响应更______(选填“敏感”或 “不敏感”)。 解析：由 Rt 图像可知，热敏电阻在温度上升时电阻减小，则导电能力增强。相对金属 热电阻，热敏电阻在相同的温度变化情况下电阻变化大，则热敏电阻对温度变化的响应更敏 感。 答案：增强 敏感 3．(2016·洛阳一模)某同学要研究一质地均匀，圆柱形的热敏电阻电阻率随温度的变 化规律，其部分步骤如下： (1)用游标为 20 分度的卡尺测量其长度如图所示，由图可知其长度为________mm； (2)用螺旋测微器测量其直径如图，由图可知其直径为________mm； (3)该同学利用以下实验器材设计实验研究热敏电阻阻值随温度的变化规律： A．热敏电阻(常温下约 300 Ω) B．温度计 C．电流表 A1(60 mA，约 10 Ω) D．电流表 A2(3 A，约 0.1 Ω) E．电压表 V(6 V，约 15 kΩ) F．滑动变阻器 R1(200 Ω，0.5 A) G．滑动变阻器 R2(5 Ω，2 A) H．蓄电池(9 V,0.05 Ω) I．开关一个，带夹的导线若干 ①实验要求通过热敏电阻的电流从零开始增加，电流表应选择________，滑动变阻器选 择________。 ②为精确测量该热敏电阻，请在下图中完成实验器材连接。 [解析] (1)游标卡尺的读数为 52.55 mm。 (2)螺旋测微器的读数为 4.800 mm。 (3)①估算电路中电流值，电流表应选 C。滑动变阻器应选 G。 ②电路连结如图。 [答案] 见解析 突破点(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 RP 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，请在如图甲所示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：光敏电阻 RP(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。 [答案](1)图像如图(a)所示 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)电路如图(b)所示 [由题引知·要点谨记] 1.考查描点作图的方法和分析图像的能力[对应第(1)题] (1)描绘图像时，各点应均匀分布在图线两侧，且图线应是平滑的曲线，而不应成 为连接各点的折线。 (2)根据所描绘图像，会分析电阻阻值如何随光照强度的变化而变化。 2.考查实验电路的设计能力[对应第 2 题] 1 要结合题目所给条件及所给图像的数据进行分析设计。 2 通过分析可确定 RP 应接在 1、2 之间。 3 选择定值电阻，根据图线读出光照强度在 1.0 lx 时的光敏电阻的阻值为 20 kΩ，光敏电阻分压为 2 V，则串联定值电阻 R 分压 1 V，其阻值应为 10 kΩ。 [集训冲关] 4．(多选)(2017·聊城模拟)如图所示，R1、R2 为定值电阻，L 为小灯 泡，R3 为光敏电阻，当照射光强度增大时( ) A．电压表的示数增大 B．R2 中电流减小 C．小灯泡的功率增大 D．电路的路端电压增大 解析：选 ABC 当照射光强度增大时，R3 阻值减小，外电路电阻随 R3 的减小而减小，R1 两端电压因干路电流增大而增大，电压表的示数增大，同时内电压增大，故电路路端电压减 小，A 项正确，D 项错误；由路端电压减小，R1 两端电压增大知，R2 两端电压必减小，则 R2 中电流减小，故 B 项正确；结合干路电流增大知流过小灯泡的电流必增大，则小灯泡的功率 增大，故 C 项正确。 5．(2017·湖北荆州质量检测)如图甲为利用光敏电阻检测传送带上物品分布，从而了 解生产线运行是否正常的仪器。其中 A 是发光仪器，B 是一端留有小孔用绝缘材料封装的光 敏电阻。当传送带上没有物品挡住由 A 射向 B 的光信号时，光敏电阻阻值 R1＝50 Ω，当传 送带上有物品挡住由 A 射向 B 的光信号时，光敏电阻阻值 R2＝150 Ω。定值电阻 R3＝45 Ω。 C 为平行板电容器，虚线与两极板距离相等，极板长 L1＝8.0×10－2 m，两极板的间距 d＝ 1.0×10－2 m。D 为屏，与极板垂直，D 到极板的距离 L2＝0.16 m，屏上贴有用特殊材料做成 的记录纸，当电子打在记录纸上时会留下黑点，工作时屏沿图示方向匀速运动。有一细电子 束沿图中虚线以速度 v0＝8.0×106 m/s 连续不断地射入电容 C，虚线与屏交点为 O。图乙为 一段记录纸。已知电子电荷量 e＝1.6×10－19 C，电子质量 m＝9×10－31 kg。忽略细电子束的 宽度、电容器的充电放电时间及电子所受的重力。求：电源的电动势 E 和内阻 r。 解析：当没有物品挡光时，设电容器两端电压为 U1，此时电子在屏上的偏转 Y1＝0.02 m。 电子在平行板间运动时，加速度 a＝eU1 md ，L1＝v0t1 侧移量 y1＝1 2 at1 2 解得 y1＝eU1L1 2 2mdv0 2 电子射出平行板后做匀速直线运动， vy＝at1，tan θ＝vy v0 ＝eU1L1 mdv0 2 所以 Y1＝y1＋L2tan θ 解得 U1＝4.5 V 同理可得，当有物品挡光时，电容器两端电压 U2＝2.25 V 在闭合电路中，U1＝ E R1＋R3＋r R3 U2＝ E R2＋R3＋r R3 解得 E＝10 V，r＝5 Ω。 答案：10 V 5 Ω 突破点(三) 传感器在实验中的应用 [典例 3] 利用传感器可以探测、感受外界的信号、物理条件等。图甲所示为某同学用 传感器做实验得到的小灯泡的 UI 关系图线。 (1)实验室提供的器材有：电流传感器、电压传感器、滑动变阻器 A(阻值范围 0～10 Ω)、 滑动变阻器 B(阻值范围 0～100 Ω)、电动势为 6 V 的电源(不计内阻)、小灯泡、开关、导 线若干。该同学做实验时，滑动变阻器选用的是________(选填“A”或“B”)；请在图乙的 方框中画出该实验的电路图。 (2)如果将该小灯泡接入丙图所示的电路中，已知电流传感器的示数为 0.3 A，电源电 动势为 3 V。则此时小灯泡的电功率为________W，电源的内阻为________Ω。 [答案] (1)A 实验电路图如图所示 (2)0.69(0.66～0.72 均可) 2.33(2.00～2.67 均可) [由题引知·要点谨记] 1.考查实验器材的创新[对应题干部分] 1 用电压传感器、电流传感器替代电压表和电流表。 2 能快速、准确取得实验数据，及时地把图像呈现在电脑屏幕上。 2.考查滑动变阻器及分压、限流电路的选择[对应第(1)题] (1)根据实验原理，本实验应采用分压电路。 (2)为便于调节，滑动变阻器应选择 A。 3.考查实验数据的处理[对应第 2 题] 1 利用小灯泡的 UI 图像 甲 结合电流传感器的示数读出丙中小灯泡的电压值。 2 利用闭合电路欧姆定律计算电源的内电阻。 [集训冲关] 6．(2016·浙江高考)如图所示为一种常见的身高体重测量仪。测量仪顶部 向下发射波速为 v 的超声波，超声波经反射后返回，被测量仪接收，测量仪记 录发射和接收的时间间隔。质量为 M0 的测重台置于压力传感器上，传感器输出 电压与作用在其上的压力成正比。当测重台没有站人时，测量仪记录的时间间 隔为 t0，输出电压为 U0，某同学站上测重台，测量仪记录的时间间隔为 t，输出 电压为 U，则该同学身高和质量分别为( ) A．v(t0－t)，M0 U0 U B.1 2 v(t0－t)，M0 U0 U C．v(t0－t)，M0 U0 (U－U0) D.1 2 v(t0－t)，M0 U0 (U－U0) 解析：选 D 设人的身高为 x，质量为 m。 当测重台没有站人时：H v ＝t0 2 ① 当人站在测重台上时：H－x v ＝t 2 ② 由①②两式得人的身高 x＝1 2 v(t0－t) 当测重台上没站人时：M0g＝kU0③ 当人站在测重台上时：(M0＋m)g＝kU④ 由③④两式得人的质量 m＝M0 U0 (U－U0) 可知选项 D 正确。 7．(2017·郑州模拟)实验室备有以下器材：电压传感器、电流传感器、滑动变阻器 R1(阻 值变化范围 0～20 Ω)、滑动变阻器 R2(阻值变化范围 0～1 000 Ω)、电动势适当的电源、 小灯泡(4 V,2 W)、开关、导线若干。 (1)要完整地描绘小灯泡的 UI 曲线，请在方框中画出实验电路图，并标出所用滑动变 阻器的符号。 (2)实验中描绘出的小灯泡 UI 曲线如图所示，由图可知，小灯泡灯丝电阻随温度升高 而____________。(填“增大”“减小”或“不变”) (3)如果用上述器材测量所给电源的电动势和内电阻，实验电路如图甲所示，图中 R0 是 阻值为 9.0 Ω的保护电阻，实验中测得多组数据记录在下表中，试在同一坐标系中画出等 效电源的 UI 图像，由图像可求出电源自身内阻约为____________ Ω。 序号 1 2 3 4 5 6 U/V 4.00 3.40 2.80 2.00 1.50 0.80 I/A 0.20 0.25 0.33 0.40 0.46 0.52 (4)若将上述小灯泡直接与电源和保护电阻组成串联电路，如图乙所示，此时小灯泡消 耗的电功率约为________ W。 解析：(1)描绘灯泡的伏安特性曲线，电压与电流应从零开始变化，滑动变压器要采用 分压接法，由于灯泡的阻值较小，电流应用外接法，电路图如图所示。 (2)由图示 UI 图像可知，随电压和电流的增大，灯泡实际功率增大，灯丝温度升高， 电压与电流的比值增大，由此可知，灯泡灯丝电阻随温度升高而增大。 (3)根据表中数据作出电源 UI 图像如图所示，由图示图像可知，电源内阻 r＝ΔU ΔI －R0 ＝ 6 0.6 Ω－9 Ω＝1 Ω。 (4)由图示图像可知，灯泡两端电压为 2.1 V，电流为 0.39 A，灯泡的电功率为 P＝UI ＝2.1×0.39 W≈0.82 W。 答案：见解析 [真题集训·章末验收] 高考真题集中演练——把脉命题规律和趋势 命题点一：交变电流的产生及其描述 1．(多选)(2016·全国丙卷)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＝T 8 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 解析：选 BC 两导线框匀速转动切割磁感线产生感应电动势的大小不变，选项 A 错误； 导线框的转动周期为 T，则感应电流的周期也为 T，选项 B 正确；在 t＝T 8 时，切割磁感线的 有效长度相同，两导线框中产生的感应电动势相等，选项 C 正确；M 导线框中一直有感应电 流，N 导线框中只有一半时间内有感应电流，所以两导线框的电阻相等时，感应电流的有效 值不相等，选项 D 错误。 命题点二：理想变压器、远距离输电 2．(多选)(2016·全国丙卷)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， 两灯泡均能正常发光。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 解析：选 AD 设灯泡的额定电压为 U0，输入电压为灯泡额定电压的 10 倍时灯泡正常发 光，则变压器原线圈的电压为 9U0，变压器原、副线圈的匝数比为 9∶1，选项 A 正确，选项 B 错误；由 9U0Ia＝U0Ib 得，流过 b 灯泡的电流是流过 a 灯泡电流的 9 倍，根据 P＝UI，a、b 灯泡的电功率之比为 1∶9，选项 C 错误，选项 D 正确。 3.(2016·全国乙卷)一含有理想变压器的电路如图所 示，图中电阻 R1、R2 和 R3 的阻值分别为 3 Ω、1 Ω和 4 Ω， ○为理想交流电流表，U 为正弦交流电压源，输出电压的有 效值恒定。当开关 S 断开时，电流表的示数为 I；当 S 闭合 时，电流表的示数为 4I。该变压器原、副线圈匝数比为( ) A．2 B．3 C．4 D．5 解析：选 B 设原、副线圈的匝数比为 k，根据变压器匝数比与电流成反比的关系，则 原线圈电流为 I 时，副线圈电流为 kI；原线圈电流为 4I 时，副线圈电流为 4kI。 根据变压器的输入功率等于输出功率得 UI－I2R1＝(kI)2(R2＋R3) 4UI－(4I)2R1＝(4kI)2R2 联立两式代入数据解得 k＝3 选项 B 正确。 4．(2015·全国卷Ⅰ)一理想变压器的原、副线圈的匝 数比为 3∶1，在原、副线圈的回路中分别接有阻值相同的 电阻，原线圈一侧接在电压为 220 V 的正弦交流电源上，如 图所示。设副线圈回路中电阻两端的电压为 U，原、副线圈 回路中电阻消耗的功率的比值为 k，则( ) A．U＝66 V，k＝1 9 B．U＝22 V，k＝1 9 C．U＝66 V，k＝1 3 D．U＝22 V，k＝1 3 解析：选 A 设原、副线圈中的电流分别为 I1、I2，则I1 I2 ＝n2 n1 ＝1 3 ，故 k＝I1 2R I2 2R ＝1 9 。设原 线圈两端的电压为 U1，则U1 U ＝n1 n2 ＝3 1 ，故 U1＝3U，而原线圈上电阻分担的电压为 1 3 U，故U 3 ＋3U ＝220 V，解得 U＝66 V。选项 A 正确。 5.(多选)(2014·全国卷Ⅱ)如图，一理想变压器原、副线圈的匝数 分别为 n1、n2。原线圈通过一理想电流表○ 接正弦交流电源，一个二极 管和阻值为 R 的负载电阻串联后接到副线圈的两端。假设该二极管的正 向电阻为零，反向电阻为无穷大。用交流电压表测得 a、b 端和 c、d 端的电压分别为 Uab 和 Ucd，则( ) A．Uab∶Ucd＝n1∶n2 B．增大负载电阻的阻值 R，电流表的读数变小 C．负载电阻的阻值越小，cd 间的电压 Ucd 越大 D．将二极管短路，电流表的读数加倍 解析：选 BD 根据变压器的工作原理、交流电的有效值解题。变压器的变压比U1 U2 ＝n1 n2 ， 其中 U1、U2 是变压器原、副线圈两端的电压。U1＝Uab，由于二极管的单向导电特性，Ucd≠U2， 选项 A 错误。增大负载电阻 R 的阻值，负载的电功率减小，由于 P 入＝P 出，且 P 入＝I1Uab，所 以原线圈上的 电流 I1 减小，即电流表的读数变小，选项 B 正确。c、d 端的电压由输入电压 Uab 决定， 负载电阻 R 的阻值变小时，Ucd 不变，选项 C 错误。根据变压器上的能量关系有 E 输入＝E 输出， 在一个周期 T 的时间内，二极管未短路时有 UabI1T＝U2 R ·T 2 ＋0(U 为副线圈两端的电压)，二极 管短路时有 UabI2T＝U2 R T，由以上两式得 I2＝2I1，选项 D 正确。 6．(2012·全国卷)自耦变压器铁芯上只绕有一个线圈，原、副线圈都 只取该线圈的某部分。一升压式自耦调压变压器的电路如图所示，其副线圈 匝数可调。已知变压器线圈总匝数为 1 900 匝；原线圈为 1 100 匝，接在有 效值为 220 V 的交流电源上。当变压器输出电压调至最大时，负载 R 上的功 率为 2.0 kW。设此时原线圈中电流有效值为 I1，负载两端电压的有效值为 U2，且变压器是 理想的，则 U2 和 I1 分别约为( ) A．380 V 和 5.3 A B．380 V 和 9.1 A C．240 V 和 5.3 A D．240 V 和 9.1 A 解析：选 B 对理想变压器，原、副线圈功率相同，故通过原线圈的电流 I1＝ P U1 ＝ 2 000 220 A≈9.1 A，负载两端电压即为副线圈电压，由U1 n1 ＝U2 n2 ，即 220 1 100 ＝ U2 1 900 ，可得 U2＝380 V， 故 B 对。 7．(2011·全国卷)如图，一理想变压器原副线圈的匝数比为 1∶ 2；副线圈电路中接有灯泡，灯泡的额定电压为 220 V，额定功率为 22 W；原线圈电路中接有电压表和电流表。现闭合开关，灯泡正常 发光。若用 U 和 I 分别表示此时电压表和电流表的读数，则( ) A．U＝110 V，I＝0.2 A B．U＝110 V，I＝0.05 A C．U＝110 2 V，I＝0.2 A D．U＝110 2 V，I＝0.2 2 A 解析：选 A 交流电压表、电流表测得的是交变电流的有效值，由灯泡正常发光可知， 变压器的输出电压为 220 V，而变压器的输入与输出电压之比等于原副线圈的匝数比，故变 压器的输入电压为 110 V, 电压表的示数为 110 V，又因为变压器的输入功率等于输出功率， 因此可知变压器的输入电流为 0.2 A，故选项 A 正确。