高考物理一轮第11章 实验十二 传感器的简单应用.docx

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高考物理一轮第11章实验十二传感器的简单应用

实验十二　传感器的简单应用

1．实验目的

（1）了解常见传感器元件的作用。

（2）探究热敏电阻、光敏电阻的特性。

2．实验原理

传感器将感受到的非电学量（力、热、光、声等），转换成便于测量的电学量。

3．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、继电器、滑动变阻器、开关、导线等。

4．实验过程

（1）研究热敏电阻的特性

①按如图所示连接好实物。

②将热水分几次注入烧杯中，测量每次水的温度、热敏电阻的阻值。

③总结：

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）研究光敏电阻的特性

①将光敏电阻、多用电表、灯泡、滑动变阻器按如图所示正确连接，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。

③打开电源，让小灯泡发光，调节灯泡的亮度使之逐渐变亮，观察光敏电阻的变化情况。

④用黑纸遮光时，观察光敏电阻的变化情况。

⑤总结：

光照增强光敏电阻阻值变小，光照减弱光敏电阻阻值变大。

考点一|热敏电阻的特性与应用

1．热敏电阻的特性

热敏电阻的阻值随温度升高而减小，随温度降低而增大。

2．热敏电阻的作用

将温度这个热学量转换为电阻这个电学量。

1．利用负温度系数热敏电阻（温度越高，电阻越小）制作的热传感器，一般体积很小，可以用来测量很小范围内的温度变化，反应快，而且精确度高。

（1）如果将负温度系数热敏电阻与电源、电流表和其他元件串联成一个电路，其他因素不变，只要热敏电阻所处区域的温度降低，电路中电流将变________（选填“大”或“小”）。

（2）上述电路中，我们将电流表中的电流刻度换成相应的温度刻度，就能直接显示出热敏电阻附近的温度。

如果刻度盘正中的温度为20℃（如图甲所示），则25℃的刻度应在20℃的刻度的________（选填“左”或“右”）侧。

甲　　　　　　　　　乙

（3）为了将热敏电阻放置在某蔬菜大棚内检测大棚内温度变化，请用图乙中的器材（可增加元器件）设计一个电路。

解析：

（1）因为温度降低时，负温度系数热敏电阻的阻值增大，故电路中电流会减小。

（2）由

（1）的分析知，温度越高，电流越大，25℃的刻度应对应较大电流，故在20℃的刻度的右侧。

（3）电路如图所示

答案：

（1）小　

（2）右　（3）见解析

2．（2019·佛山模拟）如图甲表示某电阻R随摄氏温度t变化的关系，图中R0表示0℃时的电阻，K表示图线的斜率。

若用该电阻与电池（E，r）、电流表Rg、变阻器R′串联起来，连接成如图乙所示的电路，用该电阻做测温探头，把电流表的电流刻度改为相应的温度刻度，于是就得到了一个简单的“电阻测温计”。

甲　　　　　　　　乙

（1）实际使用时要把电流表的刻度值改为相应的温度刻度值，若温度t1

（2）在标识“电阻测温计”的温度刻度时，需要弄清所测温度和电流的对应关系。

请用E、R0、K等物理量表示所测温度t与电流I的关系式：

t＝________________。

（3）由

（2）知，计算温度和电流的对应关系，需要测量电流表的内阻（约为200Ω）。

已知实验室有下列器材：

A．电阻箱（0～99.99Ω）；B．电阻箱（0～999.9Ω）；C.滑动变阻器（0～20Ω）；D.滑动变阻器（0～20kΩ）。

此外，还有电动势合适的电源、开关、导线等。

请在虚线框内设计一个用“半偏法”测电流表内阻Rg的电路；在这个实验电路中，电阻箱应选________；滑动变阻器应选________。

（只填代码）

解析：

（1）由题图甲可知，金属温度升高电阻增大，电流计电流减小，可知t1刻度应在t2的右侧。

（2）由闭合电路欧姆定律知

E＝I（R＋R′＋Rg＋r）

由题图甲知R＝R0＋Kt

解得t＝

－

（Rg＋r＋R′＋R0）。

（3）采用半偏法测电阻值，电阻箱的最大阻值应该大于电流表的内阻，同时滑动变阻器应该选择阻值较大的，故电阻箱选择B，滑动变阻器选择D。

电路图如图所示。

答案：

（1）右　

（2）

－

（Rg＋r＋R′＋R0）　（3）电路图见解析　B　D

3.如图所示，一热敏电阻RT放在控温容器M内；

为毫安表，量程6mA，内阻为数十欧姆；E为直流电源，电动势约为3V，内阻很小；R为电阻箱，最大阻值为999.9Ω，S为开关。

已知RT在95℃时的阻值为150Ω，在20℃时的阻值约为550Ω。

现要求在降温过程中测量在20～95℃之间的多个温度下RT的阻值。

（1）在图中画出连线，完成实验原理电路图。

（2）完成下列实验步骤中的填空：

a．依照实验原理电路图连线。

b．调节控温容器M内的温度，使得RT的温度为95℃。

c．将电阻箱调到适当的阻值，以保证仪器安全。

d．闭合开关，调节电阻箱，记录电流表的示数I0，并记录________。

e．将RT的温度降为T1（20℃

f．温度为T1时热敏电阻的电阻值RT1＝________。

g．逐步降低T1的数值，直到20℃为止；在每一温度下重复步骤e、f。

解析：

（1）根据所给器材，要测量在不同温度下RT的阻值，只能将电阻箱、热敏电阻、毫安表与电源串联形成测量电路，如图所示。

（2）依照实验原理电路图连线；调节控温容器M内的温度，使得RT的温度为95℃，此时RT阻值为150Ω，将电阻箱调到适当的阻值，以保证仪器安全；闭合开关，调节电阻箱，记录毫安表的示数I0，并记录电阻箱的读数R0，根据欧姆定律有I0＝

；将RT的温度降为T1（20℃

I0＝

，则

＝

，解得RT1＝R0－R1＋150Ω。

答案：

（1）见解析　

（2）d.电阻箱的读数R0　e．仍为I0　电阻箱的读数R1　f．R0－R1＋150Ω

考点二|光敏电阻的特性与应用

1．光敏电阻的特性

光照增强光敏电阻变小，光照减弱光敏电阻变大。

2．光敏电阻的作用

将光照强弱这个光学量转换为电阻这个电学量。

1．一台臭氧发生器P的电阻为10kΩ，当供电电压等于24V时能正常工作，否则不产生臭氧。

现要用这种臭氧发生器制成自动消毒装置，要求它在有光照时能产生臭氧，在黑暗时不产生臭氧，拟用一个光敏电阻R1对它进行控制，R1

的阻值在有光照时为100Ω，黑暗时为1000Ω、允许通过的最大电流为3mA；电源E的电压为36V、内阻不计；另有一个滑动变阻器R2，阻值为0～100Ω、允许通过的最大电流为0.4A；一个开关S和导线若干。

臭氧发生器P和光敏电阻R1的符号如图所示。

设计一个满足上述要求的电路图，图中各元件要标上字母代号，其中滑动变阻器两固定接线柱端分别标上字母A、B（电路图画在虚线框内）。

解析：

因变阻器最大阻值100Ω远小于臭氧发生器P的电阻10kΩ，为了能控制臭氧发生器，应该使用滑动变阻器的分压式连接，有光照时P能正常工作，无光照时P不工作，电路如图所示。

答案：

见解析

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2V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1.0lx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

，阻值见上表）；

直流电源E（电动势3V，内阻不计）；

定值电阻：

R1＝10kΩ，R2＝20kΩ，R3＝40kΩ（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甲所示。

特点：

光敏电阻的阻值随光照度的增大非线性减小。

甲乙

（2）控制开关自动启动照明系统，给1、2两端提供电压，要求当天色渐暗照度降低至1.0lx时启动照明系统，即此时光敏电阻阻值为20kΩ，两端电压为2V，电源电动势为3V，所以应加上一个分压电阻，分压电阻阻值为10kΩ，即选用R1，电路原理图如图乙所示。

答案：

见解析

考点三|传感器的实验拓展

除了热敏电阻和光敏电阻外，还有一些常用的传感器元件如下：

（1）压敏电阻：

将压力转换为电学量（电阻）。

（2）气敏电阻：

将气体浓度转换电学量（电阻）。

（3）光电管：

将所收到的光信号转换成电信号。

（4）电容器：

将位移、角度、压力转换为电学量（电容）。

（5）霍尔元件：

将磁感应强度转换为电学量（电压）。

（6）弹簧：

将弹力、加速度转换为电学量（电流）。

1．（多选）（2019·南通模拟）霍尔传感器测量转速的原理图如图所示，传感器固定在圆盘附近，圆盘上固定4个小磁体，在a、b间输入方向由a到b的恒定电流，圆盘转动时，每当磁体经过霍尔元件，传感器c、d端输出一个脉冲电压，检测单位时间内的脉冲数可得到圆盘的转速。

关于该测速传感器，下列说法中正确的有（　　）

A．在图示位置时刻d点电势高于c点电势

B．圆盘转动越快，输出脉动电压峰值越高

C．c、d端输出脉冲电压的频率是圆盘转速的4倍

D．增加小磁体个数，传感器转速测量更准确

CD　[霍尔元件有电子或空穴导电，根据左手定则，载流子向上表面偏转，即c点，所以c点电势不一定高于d点，故A项错误；最终电子或空穴在电场力和洛伦兹力的作用下处于平衡，设霍尔元件的长、宽、厚分别为a、b、c，电子或空穴定向移动的速度为v，有q

＝qvB，所以U＝Bbv，输出脉冲电压峰值与圆盘转动快慢无关，故B项错误；当小磁体靠近霍尔元件时，就是会产生一个脉冲电压，因此c、d端输出脉冲电压的频率是圆盘转动频率的4倍，即为转速的4倍，故C项正确；当增加小磁体个数，传感器c、d端输出一个脉冲电压频率变高，那么传感器转速测量更准确，故D项正确。

]

2.某些固体材料受到外力后除了产生形变，其电阻率也要发生变化，这种由于外力的作用而使材料电阻率发生变化的现象称为“压阻效应”。

现用如图所示的电路研究某长薄板电阻Rx的压阻效应，已知Rx的阻值变化范围为几欧到几十欧，实验室中有下列器材：

A．电源E（3V，内阻约为1Ω）

B．电流表A1（0～0.6A，内阻r1＝5Ω）

C．电流表A2（0～0.6A，内阻r2约为1Ω）

D．开关S，定值电阻R0＝5Ω

（1）为了比较准确地测量电阻Rx的阻值，请完成虚线框内电路图的设计。

（2）在电阻Rx上加一个竖直向下的力F（设竖直向下为正方向），闭合开关S，记下电表读数，A1的读数为I1，A2的读数为I2，得Rx＝________（用字母表示）。

（3）改变力的大小，得到不同的Rx值，然后让力反向从下向上挤压电阻，并改变力的大小，得到不同的Rx值。

最后绘成的图象如图所示，除观察到电阻Rx的阻值随压力F的增大而均匀减小外，还可以得到的结论是

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