高考物理复习第十一章实验十二传感器的简单使用.docx

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高考物理复习第十一章实验十二传感器的简单使用

实验十二　传感器的简单使用

【基本要求】

一、实验目的

1．了解传感器的工作过程，探究敏感元件的特性．

2．学会传感器的简单使用．

二、实验原理

闭合电路欧姆定律，用欧姆表进行测量和观察．

三、实验器材

热敏电阻、光敏电阻、多用电表、铁架台、温度计、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．

四、实验步骤

1．研究热敏电阻的热敏特性

（1）将热敏电阻放入烧杯中的水中，测量水温和热敏电阻的阻值（如实验原理图甲所示）．

（2）改变水的温度，多次测量水的温度和热敏电阻的阻值，记录在表格中．

2．研究光敏电阻的光敏特性

（1）将光敏电阻、多用电表、灯泡、滑动变阻器连接好（如实验原理图乙所示），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）打开电源，让小灯泡发光，调节小灯泡的亮度使之逐渐变亮，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）遮光时，观察表盘指针显示电阻阻值的情况，并记录．

【方法规律】

一、数据处理

1．热敏电阻的热敏特性

（1）画图象：

在如图坐标系中，粗略画出热敏电阻的阻值随温度变化的图线．

（2）得结论：

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．光敏电阻的光敏特性

（1）探规律：

根据记录数据定性分析光敏电阻的阻值与光照强度的关系．

（2）得结论

①光敏电阻在暗环境下电阻值很大，强光照射下电阻值很小；

②光敏电阻能够把光照强弱这个光学量转换为电阻这个电学量．

二、误差分析

本实验误差主要来源于温度计和欧姆表的读数．

三、注意事项

1．在做热敏实验时，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．光敏实验中，如果效果不明显，可将电阻部分电路放入带盖的纸盒中，并通过盖上小孔改变射到光敏电阻上的光的强弱．

3．欧姆表每次换挡后都要重新调零．

　对热敏电阻的特性和应用的考查

　（2016·高考全国卷乙）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999.9Ω），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1000Ω），滑动变阻器R2（最大阻值为2000Ω），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18V，Ic约为10mA；流过报警器的电流超过20mA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650.0Ω.

（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）根据题述，应该采用滑动变阻器的限流接法，连接的电路如答案图所示．

（2）根据题述，流过报警器的工作电流超过10mA时，报警器就会报警，可知滑动变阻器的最大阻值至少为R＝

＝

Ω＝1800Ω，因此在电路中应选用最大阻值为2000Ω的滑动变阻器R2.

（3）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，这一阻值为热敏电阻在60℃时的阻值650.0Ω；滑动变阻器的滑片应置于接入电路的阻值最大处，即b端附近，不能置于另一端的原因是：

若置于a端，则导致闭合开关后，报警器中电流大于20mA，报警器可能损坏．

②将开关向c端闭合，缓慢移动滑动变阻器的滑片，直至报警器开始报警．

[答案]　

（1）连线如图所示

（2）R2　（3）①650.0　b　接通电源后，流过报警器的电流会超过20mA，报警器可能损坏

②c　报警器开始报警

　对光敏电阻的特点和应用的考查

　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．

（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

　力电传感器的应用

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________________________________________________________________________

________________________________________________________________________.

当F竖直向下时，可得Rx与所受压力F的数值关系是Rx＝________________．

[解析]　

（1）利用伏安法测量电阻阻值，但所给器材缺少电压表，可以用内阻已知的电流表A1代替，另一个电流表A2测量电流.

（2）电阻两端电压为Ux＝I1r1，流经的电流为Ix＝I2－I1，电阻Rx＝

.

（3）由题图可知，图象是一次函数图线，即Rx＝kF＋b，

k＝－

＝－

＝－

，b＝17，

则有Rx＝17－

F.

[答案]　

（1）如图所示

（2）

　（3）压力反向，阻值不变　17－

F

1．（2016·高考浙江卷）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），

U

B．

v（t0－t），

U

C．v（t0－t），

（U－U0）

D．

v（t0－t），

（U－U0）

解析：

选D.设测量仪高度和人的身高分别为H和h，根据题意，没有站人时有H＝v

，站人时有H－h＝v

，得h＝

v；又由传感器输出的电压与作用在其上的压力成正比，则没有站人时U0＝kM0g，站人时U＝k（M0＋m）g，得m＝

（U－U0），故D项正确．

2.酒精测试仪用于机动车驾驶人员是否酗酒及其他严禁酒后作业人员的现场检测．它利用的是一种二氧化锡半导体型酒精气体传感器，酒精气体传感器的电阻随酒精气体浓度的变化而变化．在如图所示的电路中，酒精气体的不同浓度对应着传感器的不同电阻．这样，电压表的指针就与酒精气体浓度有了对应关系．如果二氧化锡半导体型酒精气体传感器电阻的倒数与酒精气体的浓度成正比，那么，电压表示数U与酒精气体浓度C之间的对应关系正确的是（　　）

A．U越大，表示C越大，C与U成正比

B．U越大，表示C越大，但是C与U不成正比

C．U越大，表示C越小，C与U成反比

D．U越大，表示C越小，但是C与U不成反比

解析：

选B.设二氧化锡半导体型酒精气体传感器的电阻为Rx，由闭合电路欧姆定律得，干路的电流I＝

，电压表示数U＝IR0＝

，而RxC＝k（定值），由以上关系式可见U越大，表示C越大，但是C与U不成正比，故B项正确．

3.A、B两块正对的金属板竖直放置，在金属板A的内侧表面系一绝缘细线，细线下端系一带电小球，两块金属板接在如图所示的电路中，电路中的R1为光敏电阻，R2为滑动变阻器，R3为定值电阻．当R2的滑动触头P在a端时闭合开关S.此时电流表A和电压表V的示数分别为I和U，带电小球静止时绝缘细线与金属板A的夹角为θ，电源电动势E和内阻r一定．则以下说法正确的是（　　）

A．若将R2的滑动触头P向b端移动，则I不变，U增大

B．保持滑动触头P不动，用更强的光线照射R1，则I增大，U增大

C．保持滑动触头P不动，用更强的光照射R1，则小球重新达到稳定后θ变大

D．保持滑动触头P不动，用更强的光照射R1，则U的变化量的绝对值与I的变化量的绝对值的比值不变

解析：

选D.由题中电路图看出，电压表V测量的是路端电压大小，电路稳定时R2支路中无电流，R2两端电压为零，将R2的滑动触头向b端移动不会影响电压表V和电流表A的读数，故选项A错误；两极板A、B之间的电压等于光敏电阻R1两端的电压，用更强的光照射R1，R1的阻值变小，电路电流I变大，路端电压U变小，R3两端电压变大，R1两端电压变小，则小球重新达到稳定后θ变小，故选项B、C均错误；设强光照射R1前电压表V和电流表A的示数分别为U1、I1，强光照射R1后电压表V和电流表A的示数分别为U2、I2，则E＝U1＋I1r，E＝U2＋I2r，解得r＝

＝

，可见，选项D正确．

4．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．M是贴在针口处的传感器，接触到药液时其电阻RM发生变化，导致S两端电压U增大，装置发出警报，此时（　　）

A．RM变大，且R越大，U增大越明显

B．RM变大，且R越小，U增大越明显

C．RM变小，且R越大，U增大越明显

D．RM变小，且R越小，U增大越明显

解析：

选C.当RM变大时，回路的总电阻R总变大，根据I总＝

，得干路中的电流变小，S两端的电压U＝I总RS变小，故选项A、B错误；当RM变小时，回路的总电阻R总＝

＋RS变小，根据I总＝

，得干路中的电流变大，S两端的电压U＝I总RS变大，而且R越大，RM变小时，对回路的总电阻变化的影响越明显，故选项C正确，选项D错误．

5．（2016·高考北京卷）热敏电阻常用于温度控制或过热保护装置中．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：

由题图可知，热敏电阻在温度上升时，阻值下降，故其导电能力增强；相对金属热电阻而言，热敏电阻在温度变化时，阻值变化明显，故对温度更敏感．

答案：

增强　敏感

6．传感器是把非电学量（如速度、温度、压力等）的变化转换成电学量的变化的一种元件，在自动控制中有着相当广泛的应用．有一种测量人的体重的电子秤，其测量部分的原理图如图中的虚线框所示，它主要由压力传感器R（电阻值会随所受压力大小发生变化的可变电阻），显示体重大小的仪表A（实质是理想的电流表）组成．压力传感器表面能承受的最大压强为1×107Pa，且已知压力传感器R的电阻与所受压力的关系如下表所示．设踏板和压杆的质量可以忽略不计，接通电源后，压力传感器两端的电压恒为4.8V，g取10m/s2.请回答：

压力F/N

0

250

500

750

1000

1250

1500

…

电阻R/Ω

300

270

240

210

180

150

120

…

（1）该秤零起点（即踏板空载时）的刻度线应标在电流表刻度盘________A处．

（2）如果某人站在该秤踏板上，电流表刻度盘的示数为20mA，这个人的体重是________kg.

解析：

（1）由图表知，踏板空载时，压力传感器电阻R＝300Ω，此时A中电流I＝

＝

A＝1.6×10－2A.

（2）当电流I＝20mA＝20×10－3A时，压力传感器的电阻R＝

＝

Ω＝240Ω，对应表格中，这个人的质量为50kg.

答案：

（1）1.6×10－2　

（2）50

7．如图所示，图甲为热敏电阻的R－t图象，图乙为用此热敏电阻R和继电器组成的一个简单恒温箱温控电路，继电器的电阻为100Ω.当线圈的电流大于或等于20mA时，继电器的衔铁被吸合．为继电器线圈供电的电池的电动势E＝9.0V，内阻不计．图中的“电源”是恒温箱加热器的电源．

（1）应该把恒温箱内的加热器接在__________（选填“A、B端”或“C、D端”）．

（2）如果要使恒温箱内的温度保持在50℃，可变电阻R′的阻值应调节为________Ω.

解析：

（1）恒温箱内的加热器应接在A、B端．当线圈中的电流较小时，继电器的衔铁在上方，恒温箱的加热器处于工作状态，恒温箱内温度升高．随着恒温箱内温度升高，热敏电阻R的阻值变小，则线圈中的电流变大，当线圈的电流大于或等于20mA时，继电器的衔铁被吸到下方来，则恒温箱加热器与电源断开，加热器停止工作，恒温箱内温度降低．随着恒温箱内温度降低，热敏电阻R的阻值变大，则线圈中的电流变小，当线圈的电流小于20mA时，继电器的衔铁又被释放到上方，则恒温箱加热器又开始工作，这样就可以使恒温箱内保持在某一温度．

（2）要使恒温箱内的温度保持在50℃，即50℃时线圈内的电流为20mA.由闭合电路欧姆定律I＝

，r为继电器的电阻．由题图甲可知，50℃时热敏电阻的阻值为90Ω，所以R′＝

－（r＋R）＝260Ω.

答案：

（1）A、B端　

（2）260

8.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和两个适当的定值电阻R1、R2连成如图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，测量电路如图所示，图中的电压表内阻很大．实验中的部分实验数据测量结果如表所示．

温度t/℃

30.0

40.0

50.0

60.0

70.0

80.0

90.0

RL阻值/Ω

54.3

51.0

47.5

44.3

41.0

37.9

34.7

I/mA

93.3

97.6

102.9

109.7

116.7

125.2

134.2

U/V

5.07

5.02

4.97

4.90

4.83

4.75

4.66

回答下列问题：

（1）根据上图所示的电路，在如图所示的实物图上连线．

（2）为了检验RL与t之间近似为线性关系，在坐标纸上作出RL－t关系图线．

（3）在某一温度下，电路中的电流表、电压表的示数如图所示，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________．

解析：

（3）因为电流表的最小刻度为5mA，故读数时只需要精确到1mA，所以电流表的读数为115mA，而电压表的最小刻度为0.1V，故读数时要估读到0.01V，所以电压表的读数为5.00V．等效电阻RL＝

≈43.5Ω，结合RL－t图象可知热敏电阻所处环境的温度约为62.5℃.

答案：

（1）连线如图所示

（2）RL－t关系图线如图所示

（3）115mA　5.00V　43.5Ω　62.5℃