高考物理一轮实验11《传感器的简单使用》教学案含答案.docx

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高考物理一轮实验11《传感器的简单使用》教学案含答案

实验十一

传感器的简单使用

　　　　前期准备·明确原理——知原理抓住关键

【实验目的】

1．认识热敏电阻、光敏电阻等敏感元器件的特性。

2．了解传感器的简单应用。

【实验原理】

1．传感器能够将感受到的物理量（力、热、光、声等）转换成便于测量的量（一般是电学量）。

2．其工作过程如图所示。

【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。

【实验过程】

1．研究热敏电阻的热敏特性

（1）实验步骤

①按如图所示连接好实物，将热敏电阻绝缘处理；

②将多用电表置于“欧姆”挡，选择适当的量程测出烧杯中没有热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。

（2）数据处理

①根据记录数据，把测量到的温度、电阻值填入下表中，分析热敏电阻的特性。

　　　次数

待测量　　　

温度（℃）

电阻（Ω）

　　②在如图所示坐标系中，粗略画出热敏电阻的阻值随温度变化的图线。

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．研究光敏电阻的光敏特性

（1）实验步骤

①将光敏电阻、多用电表、灯泡、滑动变阻器按如图所示的电路连接好，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接通电源，让小灯泡发光，调节滑动变阻器使小灯泡的亮度逐渐变亮，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）遮住光，观察光敏电阻的阻值又是多少，并记录。

（2）数据处理

把记录的结果填入下表中，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：

光敏电阻被光照射时阻值发生变化，光照增强电阻变小，光照减弱电阻变大。

【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。

2．在做光敏电阻实验时，如果效果不明显，可将电阻部分电路放入带盖的纸盒中，并通过盖上的小孔改变射到光敏电阻上的光的多少。

3．欧姆表每次换挡后都要重新调零。

　　　　剖析考点·瞄准热点——析考点强化认识

考点一

热敏电阻的原理及应用

[典题1]　对温度敏感的半导体材料制成的某热敏电阻RT，在给定温度范围内，其阻值随温度的变化是非线性的。

某同学将RT和两个适当的固定电阻R1、R2连成图甲虚线框内所示的电路，以使该电路的等效电阻RL的阻值随RT所处环境温度的变化近似为线性的，且具有合适的阻值范围。

为了验证这个设计，他采用伏安法测量在不同温度下RL的阻值，测量电路如图甲所示，图中电压表内阻很大。

RL的测量结果如表所示。

甲

温度t（℃）

30.0

40.0

50.0

60.0

70.0

80.0

90.0

阻值RL（Ω）

54.3

51.5

48.3

44.7

41.4

37.9

34.7

回答下列问题：

（1）根据图甲所示的电路，在图乙所示的实物图上连线。

（2）为了验证RL与t之间近似为线性关系，在图丙坐标纸上作RLt关系图线。

丙

（3）在某一温度下，电路中的电流表、电压表的示数如图丁所示。

电流表的读数为________，电压表的读数为________。

此时等效电阻RL的阻值为________；热敏电阻所处环境的温度约为________。

丁

[解析]　

（1）根据电路图连接实物图。

（2）根据数据描出点，作出直线。

乙

（3）电流表读数：

I＝115mA，电压表读数：

U＝5.00V。

RL＝

＝

Ω≈43.5Ω，对照图乙找出相应温度约为64.0℃。

[答案]　

（1）见解析图甲　

（2）见解析图乙　（3）115mA　5.00V　43.5Ω64．0℃

1．温度传感器广泛应用于家用电器中，它是利用热敏电阻的阻值随温度变化的特性来工作的。

如图甲所示为某装置中的传感器工作原理图，已知电源的电动势E＝9.0V，内阻不计；G为灵敏电流表，其内阻Rg保持不变；R为热敏电阻，其阻值随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，电流表示数I1＝2mA；当电流表的示数I2＝3.6mA时，热敏电阻的温度是（　　）

A．60℃　　　B．80℃　　　C．100℃　　　D．120℃

解析：

选D　由题中图乙知，温度为20℃时，R的阻值R1＝4kΩ。

由欧姆定律知E＝I1（R1＋Rg），E＝I2（R2＋Rg），两式联立，解得R2＝2kΩ，由图乙中查得此时温度为120℃，D正确。

2．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）电阻箱的最大阻值与热敏电阻的最大阻值相差不大，因此电阻箱应与热敏电阻串联，电路图如图所示。

（2）本实验原理是当电路的两种状态的电流相等时，外电路的总电阻相等。

95℃和RT时对应的电路的电阻相等，有150＋R0＝RT＋R1，即RT＝R0－R1＋150Ω。

答案：

（1）见解析图

（2）d.电阻箱的读数R0

e．仍为I0　电阻箱的读数R1f．R0－R1＋150Ω

考点二

光敏电阻传感器的应用

[典题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。

甲　　　　　　　　　　　　乙

[解析]　

（1）描绘图象应注意：

各点均匀分布在图线两侧，且图线应用平滑曲线，而不能成为各点的连线。

光敏电阻的阻值随照度变化的曲线如图甲所示，电阻的阻值随光照度的增大而减小。

甲

（2）根据串联电阻的正比分压关系，E＝3V，当照度降低至1.0lx时，其电压升至2V，由图线甲知，此时光敏电阻RP＝20kΩ，URP＝2V，串联电阻分压UR＝1V，由

＝

＝2得R＝

＝10kΩ，故选定值电阻R1，电路原理图如图乙所示。

乙

[答案]　见解析

1.[多选]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，同时内电压增大，故电路路端电压减小，电压表的示数增大，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。

2．[多选]利用光敏电阻制作的光传感器，记录了传送带上工件的输送情况，如图甲所示为某工厂成品包装车间的光传感记录器，光传感器B能接收到发光元件A发出的光，每当工件挡住A发出的光时，光传感器就输出一个电信号，并在屏幕上显示出电信号与时间的关系，如图乙所示。

若传送带始终匀速运动，每两个工件间的距离为0.2m，则下列说法正确的是（　　）

A．传送带运动的速度是0.1m/s

B．传送带运动的速度是0.2m/s

C．该传送带每小时输送3600个工件

D．该传送带每小时输送7200个工件

解析：

选BC　从乙图可以知道：

每间隔1秒的时间光传感器就输出一个电信号，而在这一段时间内传送带运动了两个工件之间的距离，所以传送带运动的速度是v＝

m/s＝0.2m/s，故A错误，B正确；传送带每小时传送的距离为：

s＝vt＝0.2×3600m，工件个数为：

n＝

＝3600个，C正确，D错误。

考点三

传感器在日常生活中的应用

[典题3]　如图甲所示装置可以用来测量硬弹簧（即劲度系数较大的弹簧）的劲度系数k。

电源的电动势为E，内阻可忽略不计；滑动变阻器全长为L，重力加速度为g。

为理想电压表，当木板上没有放重物时，滑动变阻器的触头位于图中a点，此时电压表示数为零。

在木板上放置质量为m的重物，滑动变阻器的触头随木板一起下移。

由电压表的示数U及其他给定条件，可计算出弹簧的劲度系数k。

（1）写出m、U与k之间所满足的关系式：

_________________________________。

（2）已知E＝1.50V，L＝12.0cm，g＝9.80m/s2。

测量结果如下表：

m/kg

1.00

1.50

3.00

4.50

6.00

7.50

U/V

0.108

0.154

0.290

0.446

0.608

0.740

①在图乙给出的坐标纸上利用表中数据描出mU图线；

乙

②mU图线的斜率为________kg/V；

③弹簧的劲度系数k＝________N/m。

（结果均保留三位有效数字）

[解析]　

（1）设放置质量m的物体时弹簧压缩量为x，则有mg＝kx

又U＝

E

解得m＝

U

（2）①用描点法作图，作出的图象如图所示。

②选取（0，0）、（0.90，9）两点，则斜率为

＝

kg/V＝10.0kg/V

③因m＝

U，故

＝

k＝

·

＝10.0×

N/m≈1.23×103N/m

[答案]　

（1）m＝

U　

（2）①见解析图②10.0　③1.23×103

1．（·海淀模拟）某种角速度计，其结构如图所示。

当整个装置绕轴OO′转动时，元件A相对于转轴发生位移并通过滑动变阻器输出电压，电压传感器（传感器内阻无限大）接收相应的电压信号。

已知A的质量为m，弹簧的劲度系数为k、自然长度为l，电源的电动势为E、内阻不计。

滑动变阻器总长也为l，电阻分布均匀，装置静止时滑片P在变阻器的最左端B端，当系统以角速度ω转动时，则（　　）

A．电路中电流随角速度的增大而增大

B．电路中电流随角速度的增大而减小

C．弹簧的伸长量为x＝

D．输出电压U与ω的函数式为U＝

解析：

选D　系统在水平面内以角速度ω转动时，无论角速度增大还是减小，BC的总电阻不变，根据闭合电路欧姆定律得知，电路中电流保持不变，故A、B错误；设系统在水平面内以角速度ω转动时，弹簧伸长的长度为x，则对元件A，根据牛顿第二定律得kx＝mω2（l＋x），又输出电压U＝

E＝

E，联立两式得x＝

，U＝

，故C错误，D正确。

2．（·上海联考）压敏电阻的阻值会随所受压力的增大而减小。

一同学利用压敏电阻设计了判断升降机运动状态的装置，如图甲所示，将压敏电阻平放在升降机内，受压面朝上，在上面放一物体m，当升降机静止时电流表示数为I0。

某过程中电流表的示数为2I0，如图乙所示，则在此过程中（　　）

A．物体处于失重状态

B．物体可能处于匀速运动状态

C．升降机一定向上做匀加速运动

D．升降机可能向下做匀减速运动

解析：

选D　升降机静止时电流表示数为I0，而某过程中电流表示数为2I0，说明该过程中物体对压敏电阻的压力大于G，根据牛顿第三定律，物体受向上的力也大于G，故物体存在向上的加速度，处于超重状态，但不能判定物体是做向上的匀加速运动还是做向下的匀减速运动，D正确。