专题227 传感器元件性能的探究解析版.docx
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专题227传感器元件性能的探究解析版
2021年高考物理100考点最新模拟题千题精练(物理实验)
第二部分电学实验
专题2.27传感器元件性能的探究
1.(10分)(2020河北保定一模)某同学看到某种规格热敏电阻的说明书,知悉其阻值随温度变化的图线如图甲所示。
为验证这个图线的可信度,某同学设计了一个验证性实验,除热敏电阻R之外,实验室还提供如下器材:
电源E(电动势为4.5V,内阻约1Ω)、电流表A(量程1mA,内阻约200Ω)、电压表V(量程3V,内阻约10kΩ)、滑动变阻器R(最大阻值为20Ω)、开关S、导线若干、烧杯、温度计和水。
(l)从图甲可以看出该热敏电阻的阻值随温度变化的规律是____。
(2)图乙是实验器材的实物图,图中已连接了部分导线,请用笔画线代替导线把电路连接完整。
(3)闭合开关前,滑动变阻器的滑动触头P应置于端(填“a”或“b”)。
(4)该小组的同学利用测量结果,采用描点作图的方式在说明书原图的基础上作出该热敏电阻的Rt-t图象,如图丙所示,跟原图比对,发现有一定的差距,关于误差的说法和改进措施中正确的是
A.在温度逐渐升高的过程中电阻测量的绝对误差越来越大
B.在温度逐渐升高的过程中电阻测量的相对误差越来越大
C.在温度比较高时,通过适当增大电阻两端的电压值可以减小两条曲线的差距
D.在温度比较高时,通过改变电流表的接法可以减小两条曲线的差距
【参考答案】
(1)热敏电阻的阻值随温度的升高而减小
(2)如图。
(3)a(4)BD
【命题意图】本题考查探究验证热敏电阻的阻值随温度变化曲线及其相关知识点,考查的核心素养是“实验探究”、科学思维能力。
【实验攻略】
(1)根据图甲图线特点得出热敏电阻的阻值Rt随温度t的升高而减小。
(2)根据所给器材设计电路,进行实物图连接。
(3)根据滑动变阻器分压接法电路,闭合开关前,应该使测量电路部分电压最小,确定滑动变阻器的滑动触头位置。
(4)根据毫安表内阻与热敏电阻的大小关系分析误差。
确定正确选项。
【解题思路】
(1)由图甲可以看出,热敏电阻的阻值Rt随温度t的升高而减小。
(2)由于热敏电阻的阻值几千欧姆,而滑动变阻器的最大阻值只有20欧姆,所以电路只能设计为滑动变阻器分压接法。
由于毫安表的量程只有1mA,内阻约为200欧姆,电压表内阻约为10kΩ,通过电压表的电流将达到0.45mA,所以采用电流表内接电路。
连接电路如图。
(3)对于滑动变阻器分压接法电路,闭合开关前,应该使测量电路部分电压最小,所以滑动变阻器的滑动触头P应该置于a端。
(4)在温度逐渐升高的过程中,热敏电阻的阻值减小,其毫安表的内阻约200Ω已经不可忽略,导致电阻的测量的绝对误差不变,相对误差越来越大,选项A错误B正确;在温度比较高时,适当增大电阻两端的电压不可以减小两条曲线的差距,可以通过把电路改接为电流表外接电路可以减小两条曲线的差距,选项C错误D正确。
10.(10分)(2020福建厦门外国语学校最后模拟)传感器在现代生活、生产和科技中有着相当广泛的应用,如图甲是一个压力传感器设计电路,要求从表盘上直接读出压力大小,其中R1是保护电阻,R2是调零电阻(总电阻100Ω),理想电流表量程为10mA,电源电动势E=3V(内阻不计),压敏电阻的阻值R与所受压力大小F的对应关系如图乙所示。
(1)有三个规格的保护电阻,R1应选哪一个 B 。
A.25Ω
B.250Ω
C.2500Ω
(2)选取、安装保护电阻后,要对压力传感器进行调零。
调零电阻R2应调为 20 Ω。
(3)现对表盘进行重新赋值。
原3mA刻度线应标注 2800 N。
(4)由于电池老化,电动势降为2.8V,传感器压力读数会出现偏差,如果某次使用时,先调零、后测量,读出压力为1200N,此时电流大小为 5 mA,实际压力大小为 1040 N。
【思路分析】
(1)根据闭合电路欧姆定律求出电流表满偏时对应的总阻值,调零电阻R2应该和总电阻差不多才适合。
(2)由R总=R1+R2+R,对压力传感器进行调零时,R1=250Ω,R=30Ω,代入总电阻表达式就可以求出R2。
(3)先求出电流表为3mA时对应的总电阻,代入R总=R1+R2+R,可以求出R的值,再根据R﹣F图象写出一次函数R与F一次函数表达式,根据解析式可以求出对应的压力。
(4)不考虑电源电压减小的情况,根据R与F一次函数关系可以求出F=1200N时对应的电阻R,再根据闭合电路欧姆定律I=
,可以求出对应的电流;因为电池老化,电动势E=2.8V,根据闭合电路欧姆定律可以求出实际的总电阻R实总,从而求出压敏电阻实际值,再代入R与F一次函数关系式可以求出对应的压力。
【名师解析】
(1)电流表满偏时,电路的总电阻R总=
=
Ω=300Ω,而R总=R1+R2+R,由调零电阻R2最大为100Ω,故只要大于200Ω即可,A太小,C太大,故选B。
(2)选取、安装保护电阻后,对压力传感器进行调零,则R1=250Ω,R=30Ω,代入R总=R1+R2+R=300Ω,解得R2=20Ω。
(3)当电流表示数为3mA时,电路中的总电阻:
R总=
=1000Ω
即:
R=R总﹣R1﹣R2=730Ω
由乙图一次函数为:
R=
F+30
经计算当R=730Ω时,压力F=2800N。
(4)根据R与F一次函数关系:
R=
F+30
当F=1200N时,R=330Ω
再由:
I=
=
=5mA
因为电池老化,电动势E=2.8V,电路中实际电阻:
R实总=
=560Ω
则R的实际阻值为:
R实=R实总﹣R1﹣R2=290Ω
再将R实代入
R=
F+30
求得:
F=1040N。
【参考答案】
(1)B;
(2)20;(3)2800;(4)5,1040。
【点评】本题考查了电阻的测量、闭合电路欧姆定律等知识点。
本题类似于欧姆表的改装问题,正确利用闭合电路欧姆定律及一次函数知识是解决本题的关键点。
4.(2018·郑州模拟)电控调光玻璃能根据光照强度自动调节玻璃的透明度,将光敏电阻Rx和定值电阻R0接在9V的电源上,光敏电阻阻值随光强变化关系如表所示:
光强E/cd
1
2
3
4
5
电阻值/Ω
18
9
6
3.6
[“光强”表示光强弱程度的物理量,符号为E,单位坎德拉(cd)]
(1)当光照强度为4坎德拉(cd)时光敏电阻Rx的大小为________Ω。
(2)其原理是光照增强,光敏电阻Rx阻值变小,施加于玻璃两端的电压降低,玻璃透明度下降,反之则玻璃透明度上升。
若电源电压不变,R0是定值电阻,则下列电路图中符合要求的是________(填序号)。
【名师解析】:
(1)由表格数据可知,光敏电阻Rx与光强E的乘积均为1.8Ω·cd不变,则当E=4cd时,光敏电阻的阻值:
Rx=
=4.5Ω。
(2)由题意可知,光敏电阻Rx与定值电阻R0串联连接,光照增强时,光敏电阻Rx阻值减小,电路中的总电阻减小,由I=
可知,电路中的电流增大,由U=IR可知,R0两端的电压增大,因串联电路中总电压等于各分电压之和,所以Rx两端的电压减小,反之,光照减弱时,光敏电阻Rx阻值增大,R0两端的电压减小,Rx两端的电压增大,则玻璃并联在R0两端时不符合,玻璃并联在Rx两端时符合,故A项错误,C项正确;若玻璃与电源并联,光照变化时,玻璃两端的电压不变,故B、D项错误。
【参考答案】:
(1)4.5
(2)C
6.(2019山东济南三模)(9分)摄影中常用测光表来测定光的强度以便确定合适的曝光时间。
光的强弱可以用照度来计量,光越强照度越大,照度单位为lx。
光敏电阻是阻值随着光的照度而发生变化的元件,如图甲所示为某光敏电阻Rp在不同照度下的阻值变化情况。
某同学按照图乙所示的电路图连成电路,测出在不同照度值下对应的电流值,将照度值标在电流表对应的刻线上,就将电流表改装成一个简易的测光表。
现有的器材及规格如下:
光敏电阻Rp
电流表μA(量程0~500μA,内阻等于500Ω);
两节干电池E(每节的电动势1.5V,内阻内阻约0.5Ω);
定值电阻R1(阻值等于5500Ω);
定值电阻R2(阻值等于4500Ω);
开关K;
(1)根据所给的表格数据可知光敏电阻Rp的阻值随光的照度增大而__________(选填“增大”或“减小”)。
(2)此简易测光表上较小的照度值应该对应_________(选填“较大”或“较小”)的电流值。
(3)若此简易测光表测量量程的最大照度值为1200lx,电路中串联的保护电阻R应该选择____________(选填“R1”或“R2”)。
(4)随着干电池使用时间变长,干电池的内阻会变很大。
若不及时更换干电池,会导致测得的光的照度值比真实值____________(选填“大”或“小”)。
【参考答案】
(1)减小(2分)
(2)较小(2分)
(3)R2(3分)(4)小(2分)
【命题意图】本题以光敏电阻Rp的阻值随光的照度变化曲线给出解题信息,考查闭合电路欧姆定律、图像分析、仪器选择、误差分析及其相关知识点。
【实验攻略】利用闭合电路欧姆定律估算出保护电阻阻值。
【解题思路】
(1)由图甲可知,光敏电阻Rp的阻值随光的照度增大而减小。
(2)由于照度减小,光敏电阻Rp的阻值增大,根据闭合电路欧姆定律可知,电流减小,所以此简易测光表上较小的照度值应该对应较小的电流值。
(3)由图甲可知,最大照度值为1200lx对应的光敏电阻Rp的阻值为1kΩ。
由闭合电路欧姆定律E=I(r+Rg+Rp+R),解得R=4499Ω,所以电路中串联的保护电阻R应该选择阻值等于4500Ω的R2..。
(4)干电池内阻r增大,会导致简易测光表中电流减小,测得的光的照度值比真实值小。
7.(8分)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10Ω,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)有以下两电流表,实验电路中应选用________。
A.量程0~100mA,内阻约2Ω
B.量程0~0.6A,内阻可忽略
(2)实验过程中,要将电阻箱的阻值由9.9Ω调节至10.0Ω,需旋转图中电阻箱的旋钮“a”、“b”、“c”,正确的操作顺序是________。
①将旋钮a由“0”旋转至“1”
②将旋钮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,在答题卡的方格纸上作出R-t图线。
由图线求得R随t的变化关系为R=________Ω。
【名师解析】
(1)电路中的最大电流约I=
≈100mA,故电流表应选用A。
(2)调节电阻箱时按照先调大再调小的原则,旋转各旋钮的正确操作顺序①②③。
(3)R-t图象如图所示
由R-t图象知,R=0.04t+8.8(Ω)。
【参考答案】
(1)A
(2)①②③ (3)见解析 0.04t+8.8
8.(2018福建质检)某同学要把电压表改装成可直接测量压力的仪表,设计的电路如图(a)所示。
实验器材如下:
待改装电压表(量程0~3V,可视为理想电压表),定值电阻R0,压敏电阻Rx,电源(4V,内阻不计),开关S,导线。
选用的压敏电阻阻值Rx随压力F变化的规律如图(b)。
(1)实验中随着压力F的增大,电压表的示数__________。
(填“变大”“不变”或“变小”)
(2)为使改装后仪表的量程为0~160N,且压力160N对应电压表3V刻度,则定值电阻阻值R0=__________Ω,压力0N对应电压表__________V刻度。
(3)他发现这样改装后的仪表压力刻度分布不均匀,想进一步把
(2)中的压力刻度改成均匀分布,应选用另一压敏电阻,其阻值Rx随压力F变化的关系式为__________。
【参考答案】
(1)变大
(2)2401.5(3)
【考查内容】本题以“传感器的简单应用”实验为基础,理解改装电表原理。
主要考查闭合电路欧姆定律、电阻的串联、并联等知识。
主要考查实验能力,要求能把电压表改装成可直接测量压力的仪表的实验原理和方法,能运用已学过改装电表的原理和方法去处理新的问题,制定解决新问题的方案。
体现设计实验与制订方案等物理核心素养的考查。
【名师解析】
(1)根据闭合电路欧姆定律可知,电压表的示数U=
,由图(b)可知,压力越大Rx越小,U越大,故电压表的示数变大。
(2)由图(b)可知,当F1=160N时,Rx1=80Ω,此时电压表的示数U1=3V,由U1=
得R0=
=
=240Ω;由图(b)可知,当F2=0N时,Rx2=400Ω,此时电压表的示数为U2=
=
V=1.5V,可见压力0N对应电压表1.5V刻度。
(3)若选用图(b)的压敏电阻,则Rx与压力F的关系式为Rx=400-2F,代入U=
可得U与F的关系式为U=
,这样改装后的仪表压力刻度分布是不均匀的。
为了使压力刻度分布均匀,则应另选用压敏电阻,而且仍然要满足量程为0~160N,F=0N标在1.5V刻度,F=160N标在3V刻度。
由于电压表的电压刻度是均匀分布的,所以电压和压力一定要满足线性关系,设U=kF+b,由F1=0N时、U1=1.5V,F2=160N时、U2=3V可得b=1.5,k=
,又U=
=
,解得
。
本题的解题关键是会根据闭合电路欧姆定律结合图像进行分析,理解压力表的改装原理,明确电压表读数和压力大小成线性关系的数学表达形式,能解出正确的结果。
9.(2016·河南郑州高三二检)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,在如图甲所示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1.0lx时的电阻约为________kΩ。
照度/lx
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
电阻/kΩ
5.8
3.7
2.8
2.3
1.8
(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“AB”或“BC”)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“×10Ω”挡,按正确步骤测量图乙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2mA时,继电器的街铁将被吸合。
图中直流电源的电动势E=6V,内阻忽略不计,滑动变阻器有三种规格可供选择:
R1(0~10Ω,2A)、R2(0~200Ω,1A)、R3(0~1750Ω,0.1A)。
要求天色渐暗照度降低至1.0lx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。
【名师解析】
(1)根据题图甲直接读出对应的照度为1.0lx时的电阻约为2.0kΩ。
(2)光敏电阻的阻值随光照强度的增大而减小,所以白天光敏电阻的电阻值小,电路中的电流值大,电磁铁将被吸住;动触点与C接触;晚上的光线暗,光敏电阻的电阻值大,电路中的电流值小,所以动触点与A接通。
所以要达到晚上灯亮、白天灯灭的效果,路灯应接在AB之间。
电路图如答案图所示。
(3)欧姆表的读数是先读出表盘的刻度,然后乘以倍率,表盘的刻度是14,倍率是“×10Ω”,所以电阻值是14×10Ω=140Ω;天色渐暗照度降低至1.0lx时点亮路灯,此时光敏电阻的电阻值是2kΩ,电路中的电流是2mA,R=
-R光=1000Ω,所以要选择滑动变阻器R3。
由于光变暗时,光敏电阻变大,分得的电压变大,所以为使天色更暗时才点亮路灯,应适当地减小滑动变阻器的电阻。
【参考答案】
(1)2.0
(2)AB 如图所示
(3)140 R3 减小