高中物理实验基础与实战16传感器的简单应用 含答案.docx

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高中物理实验基础与实战16传感器的简单应用含答案

设计与创新能力：

要求考生将教材中的实验原理、实验方法迁移到新的背景中，以完成新的实验要求的设计性实验，将逐步取代对原教材中实验的考查。

【实验目的】

1．了解传感器的工作原理和一般应用。

2．研究传感器的主要元件（热敏电阻和光敏电阻）的电阻特性

【实验原理】

传感器是将它感受到的物理量（如光、热、力等）转换成便于测量的量（一般是电学量）。

热电传感器主要利用热敏电阻将热信号转变成电信号，光电传感器则是利用光敏电阻将光信号转变成电信号。

热敏电阻是由半导体材料制成的，常态时其阻值约为10KΩ，其电阻率随温度的变化而迅速变化，温度升高时，其电阻率显著减小。

光敏电阻也是由半导体材料制成的，其电阻率在光照射下显著减小。

在没有光照射下其阻值可以达到几十兆欧，在一般室内光照射下，电阻可以降至几千欧。

利用多用电表的欧姆档测量不同温度下热敏电阻的阻值以及不同光照射条件下光敏电阻的阻值，就可以了解热敏电阻随温度的变化规律以及光敏电阻随光照的变化规律．

【实验器材】

铁架台（带铁夹）、温度计、烧杯、热敏电阻、光敏电阻、冷水、热水、多用电表、小灯泡、学生电源，导线、开关、滑动变阻器

【实验步骤】

1.研究热敏电阻的热敏特性。

①按图所示连接好电路，多用电表选择开关置于R×100档．

②先用多用电表测出烧杯中没有水时，热敏电阻的阻值，并记下温度计示数．

③向烧杯中注入少量冷水，记下温度计示数及万用电表显示的热敏电阻的阻值。

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。

⑤观察分析不同温度下热敏电阻的阻值，应看到随温度升高阻值减小。

2.研究光敏电阻的光敏特性

①将光电传感器、万用电表、灯泡、滑动变阻

器按图所示连接好电路。

其中万用电表置于“R×1K”档

②先测出小灯泡不发光时光敏电阻的阻值。

③打开电源，让小灯泡发光，调节小灯泡的亮度由暗变亮，观察表盘指针所显示电阻阻值由大到小变化快慢及变化范围。

（由几MΩ到几kΩ）

3.光电记数实验

①将光电传感器、小灯泡、计数器、学生电源按图所示的电路连接好。

②接通电源，使小灯泡发光，照射到光电传感器上。

③拿一厚纸板（或用手掌）插人光源与光电传感器之间，每插入一次，计数器就记下一次，即计

数器开始计数。

【注意事项】

1．热敏电阻、烧杯、温度计易破损，实验时务必小心。

2．温度自动报警器、光电计数器、小灯泡所需电压都很小（小于6V）勿超过其额定电压使用。

考点1。

传感器的含义

传感器是把非电学物理量（如位移、速度、压力、温度、湿度、流量、声强、光照度等）转换成易于测量、传输、处理的电学量（如电压、电流、电容等）的一种组件，起自动控制作用。

一般由敏感元件、转换器件、转换电路三个部分组成，如

考点2：

传感器的分类

1.力电传感器：

力电传感器主要是利用敏感元件和变阻器把力学信号（位移、速度、加速度等）转化为电学信号（电压、电流等）的仪器。

力电传感器广泛地应用于社会生产、现代科技中，如安装在导弹、飞机、潜艇和宇宙飞船上的惯性导航系统及ABS防抱死制动系统等。

2.热电传感器:

热电传感器是利用热敏电阻的阻值会随温度的变化而变化的原理把热学信号转化成电学信号制成的，如各种家用电器（空调、冰箱、热水器、饮水机、电饭煲等）的温度控制、火警报警器、恒温箱等。

３.光电传感器:

光电传感器中的主要部件是光敏电阻或光电管。

如果是光敏电阻的阻值随光照强度的变化而变化的原理把光信号转变成电信号制成的。

如自动冲水机、路灯的控制、光电计数器、烟雾报警器等都是利用了光电传感器的原理。

4.声电传感器:

声电传感器是利用电磁感应的原理把声音信号转变成电信号。

如动圈式话筒、电容式话筒等。

5.电容式传感器:

电容器的电容C决定于极板的正对面积S、极板间距离d以及极板间的电介质这几个因素。

如果某一物理量（如角度、位移、深度等）的变化能引起上述某个因素的变化，从而引起电容的变化，则通过测定电容器的电容就可以确定上述物理量的变化，起这种作用的电容器称为电容式传感器。

6.电感传感器:

电感式传感器是利用线圈的自感或互感的变化来测量或控制的一种装置把磁信号转变成电信号，一般要利用磁场作为媒介或利用磁体的某些现象。

【基础练习】

1．在热敏特性实验和光敏特性实验中，你总结出热敏电阻的阻值随温度的升高而；光敏电阻的阻值随光线的增强而。

2．

（1）如图是利用光敏电阻自动计数的示意图，其中A是，B中的主要元件是。

（2）自动计数原理是。

3．下图所示的是四种电容式传感器。

（1）图甲是测的电容式传感器，

原理是。

（2）图乙是测的电容式传感器，

原理是。

（3）图丙是测的电容式传感器，

原理是。

（4）图丁是测的电容式传感器，原理是。

4．如图所示是电阻式温度计，一般是利用金属铂做的，已知铂丝的电阻随温度的变化情况，测出铂丝的电阻就可以知道其温度。

这实际上是一个传感器，它是将转化为来进行测量的。

5．在如图所示的电路中，电源两端的电压恒定，L为小灯泡，R为光敏电阻，D为发光二极管（电流越大，发的光越强，且R与D的距离不变，下列说法正确的是（）

A．当滑动触头P向左移动时，L消耗的功率增大

B．当滑动触头P向左移动时，L消耗的功率减小

C．当滑动触头P向右移时，L消耗的功率可能不变

D．无论怎样移动触头P，L消耗的功率都不变

【基础练习答案】

1．减小；减小。

2．

（1）发光仪器；光敏电阻

（2）光传送带上没有物品挡住由A射向B的光信号时，光敏电阻的阻值变小，供给信号处理系统的电压变低；当传送带上有物品挡住由A射向B的光信号时，光敏电阻的阻值变大，供给信号处理系统的电压变高，这种高低交替变化的信号经过信号处理系统处理，就会自动将其转化为相应的数字，实现自动计数功能．

3．

（1）角度

；当动片与定片之间的角度

发生变化时，引起极板正对面积s的变化，使电容C发生变化．知道c的变化，就可以知道

的变化．

（2）液面高度h；液面高h发生变化时，引起正对面积s发生变化．使电容c发生变化．知道C的变化，就可以知道h的变化．

（3）压力F；待测压力F作用于可动膜片电极上的时候．膜片发生形变，使极板间距离d发生变化，引起电容C的变化．知道c的变化，就可以知道F的变化情况．

（4）位移x；随着电介质进入极板间的长度发生变化，电容C发生变化．知道c的变化，就可以知道X的变化情况．

4．温度；电阻

5．A

【实战提升】

1．知识：

考查传感器元件的基本常识。

（08江苏）【题号：

3200002365】2．207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．在下列有关其它电阻应用的说法中。

错误的是：

（）

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．知识：

传感器在现实生活中应用分析

用如图示的电磁继电器设计一个高温报警器，要求是：

正常情况绿灯亮，有险情时电铃报警。

可供选择的器材如下：

热敏电阻、绿灯泡、小电铃、学生用电源、继电器、滑动变阻器、开关、导线。

【解析】热敏电阻正常时电阻值大，ab间电流小，电磁继电器磁性弱，衔铁与上触点接触，绿灯泡亮。

受热时电阻值小，ab间电流大，电磁继电器磁性强，衔铁与下触点接触，电铃响。

【点评】提高灵敏度，应该如何调节滑动变阻器？

答：

应该把滑动变阻器接入电路的阻值调小。

在上图中滑片向右移动。

3．重难点：

测物体加速度（加速度计）

加速度计是测定物体加速度的仪器，它已成为导弹、飞机、潜艇后宇宙飞船制导系统的信息源。

如图为应变式加速度计示意图，当系统加速时，加速度计中的敏感元件也处于加速状态，敏感元件由弹簧连接并架在光滑支架上，支架与待测系统固定在一起，敏感元件下端的滑动臂可在滑动变阻器R上自由滑动，当系统加速运动时，敏感元件发生位移，并转化为电信号输出，已知：

敏感元件的质量为m，两弹簧的劲度系数为k，电源的电动势为E，内电阻不计，滑动变阻器的总电阻为R，有效长度为L，静态时输出电压为U0。

试求加速度a与输出电压U的关系式。

【解析】假设a向右为正，位置向左△x

由牛顿第二定律：

由分压原理：

由①②得：

【答案】

4.（变式改编）惯性制导系统已广泛应用于导弹工程中，这个系统的重要元件是加速度计。

加速度计的构造和原理的示意图如图示，沿导弹长度方向按装的固定光滑杆上套一个质量为m的滑块，滑块的两侧分别与劲度系数均为k的弹簧相连，两弹簧的另一端与固定壁相连。

滑块原来静止，弹簧处于自然长度。

滑块上有指针，可通过标尺测出滑块的位移，然后通过控制系统进行制导。

若电位器（可变电阻）总长度为L，其电阻均匀，两端接在稳压电源U0上，当导弹以加速度a沿水平方向运动时，与滑块连接的滑动片P产生位移，此时可输出一个电信号U，作为导弹惯性制导系统的信息源，为控制导弹运动状态输入信息，试写出U与a的函数关系式。

【解析】由分压原理：

U=U0Rx/R=U0Δx/L①

由牛顿第二定律：

Δx=ma/2k②

由①②得：

U=mU0a/2kL③

【答案】U=mU0a/2kL

【点评】像这样的两条情景分析题，理清思路知晓原理很重要。

然后寻找突破口列举方程，就迎刃而解。

5．分析以下几种传感器

⑴图甲是测量的电容式传感器，原理是

【解析】角度θ，由于C∝S，动片与定片间的角度θ发生变化时，引起S的变化，通过测出C的变化，测量动片与定片间的夹角θ

⑵图乙是测量的电容式传感器，原理是

【解析】液面高度h，由于C∝S，h发生变化，金属芯线和导电液体组成的电容发生变化，通过测定C的变化，可以测量液面高度h的变化。

⑶图丙是测量的电容式传感器，原理是

【解析】压力F，由于C∝1/d，压力F作用在可动电极上，引起极板间距d的变化，通过测出C的变化，测量压力F的变化。

⑷图丁是测量的电容式传感器，原理是

【解析】位移x，由于C随着电介质进入极板间的长度发生变化，通过测出C的变化，测量位移x的变化。

【点评】电容器的电容C决定于极板的正对面积S、极板间距离d以及极板间的电介质这几个因素。

如果某一物理量（如角度、位移、深度等）的变化能引起上述某个因素的变化，从而引起电容的变化，则通过测定电容器的电容就可以确定上述物理量的变化。

6.【2016·贵州凯里一中高二下期期中】生活中离不开物理，物理知识在生活中应用非常广泛，下列说法正确的是（）

A、电饭锅是利用力传感器原理B、光控路灯是利用光敏电阻传感器

C、变压器是利用了互感现象原理D、电磁炉是利用交流电的涡流现象原理

【答案】BCD

考点：

传感器

【名师点睛】传感器是能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成；传感器能满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求，它是实现自动检测和自动控制的首要环节。

7、（2013年江苏物理）【题号：

3200001278】在输液时，药液有时会从针口流出体外，

为了及时发现，设计了一种报警装置，电路如图所示。

是贴在针口处的传感器，接触

到药液时其电阻

发生变化，导致S两端电压U增大，装置发出警报，此时

A．

变大，且R越大，U增大越明显B．

变大，且R越小，U增大越明显

C．

变小，且R越大，U增大越明显D．

变小，且R越小，U增大越明显