一轮复习 实验十一 探究半导体热敏电阻的热敏特性.docx
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一轮复习实验十一探究半导体热敏电阻的热敏特性
实验十一 探究半导体热敏电阻的热敏特性
考纲解读
1.知道什么是传感器,知道光敏电阻和热敏电阻的作用.2.能够通过实验探究光敏电阻和热敏电阻的特性.3.了解常见的各种传感器的工作原理、元件特性及设计方案.
基本实验要求Ⅰ
研究热敏电阻的特性
1.实验原理
闭合电路欧姆定律,用欧姆表进行测量和观察.
2.实验器材
半导体热敏电阻、多用电表、温度计、烧杯、凉水和热水.
3.实验步骤
(1)按实验原理图连接好电路,将热敏电阻绝缘处理;
(2)把多用电表置于欧姆挡,并选择适当的量程测出烧杯中没有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.
4.数据处理
在图1坐标系中,粗略画出热敏电阻的阻值随温度变化的图线.
图1
5.实验结论
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.
6.注意事项
实验时,加热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.
基本实验要求Ⅱ
研究光敏电阻的光敏特性
1.实验原理
闭合电路欧姆定律,用欧姆表进行测量和观察.
2.实验器材
光敏电阻、多用电表、小灯泡、滑动变阻器、导线.
3.实验步骤
(1)将光敏电阻、多用电表、灯泡、滑动变阻器如实验原理图所示电路连接好,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)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.
4.数据处理
根据记录数据分析光敏电阻的特性.
5.实验结论
(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.
6.注意事项
(1)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多少来达到实验目的.
(2)欧姆表每次换挡后都要重新调零.
考点一 温度传感器的应用
例1
如图2所示,图甲为热敏电阻的R-t图像,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.
图2
(1)应该把恒温箱内的加热器接在________(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 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.要使恒温箱内的温度保持在50°C,即50°C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°C时热敏电阻的阻值为90Ω,所以R′=
-(r+R)=260Ω.
答案
(1)A、B端
(2)260
考点二 光电传感器的应用
例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ROS在不同照度下的阻值如下表所示:
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,请在图3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.
图3
图4
(2)如图4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ROS(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)根据表中的数据,在坐标系中描点连线,得到如图所示的变化曲线.
由图可知阻值随照度变化的特点:
光敏电阻的阻值随光照强度的增大非线性减小.
(2)因天色渐暗、照度降低至1.0lx时启动照明系统,此时光敏电阻阻值为20kΩ,两端电压为2V,电源电动势为3V,故应加上一个分压电阻,分压电阻阻值为10kΩ,即选用R1.此电路的原理图如图所示.
答案 见解析
考点三 力电传感器的实际应用
例3
某学生为了测量一个物体的质量,找到一个力电转换器,该转换器的输出电压正比于受压面的压力(比例系数为k),如图5所示,测量时先调节输入端的电压,使转换器空载时的输出电压为0;而后在其受压面上放一物体,即可测得与物体的质量成正比的输出电压U.图5
请完成对该物体质量的测量:
(1)设计一个电路,要求力电转换器的输入电压可调,并且使调节范围尽可能大,在虚线框中画出完整的测量电路图.
(2)简要说明测量步骤,求出比例系数k,并测出待测物体的质量m.
解析 力电转换器虽然是一个全新的仪器,但它与其他所有的测量仪器一样,要有一个“调零”的过程.仔细审题,题目中有很多重要的暗示,挖掘这些信息即是我们解决问题的关键.“测量时先调节输入端的电压,使转换器空载时的输出电压为0;而后在其受压面上放一物体,即可测得与物体的质量成正比的输出电压U”“该转换器的输出电压正比于受压面的压力(比例系数为k)”,所以输出电压U=kmg.题目要求“力电转换器的输入电压可调,并且使电压的调节范围尽可能大”,这就暗示我们滑动变阻器必须使用分压式,有了设计电路才可以进行测量步骤.
(1)设计电路如图所示.
(2)测量步骤如下:
①调节滑动变阻器,使转换器的输出电压为零;
②将质量为m0的砝码放在转换器的受压面上,记下输出电压U0;
③将待测物体放在转换器的受压面上,记下输出电压U1;
④因为U0=km0g、U1=kmg,所以可求m=
.
答案 见解析
1.关于传感器工作的一般流程,下列说法中正确的是( )
A.非电学量→敏感元件→转换电路→电学量→转换元件
B.电学量→敏感元件→转换电路→转换元件→非电学量
C.非电学量→敏感元件→转换元件→转换电路→电学量
D.非电学量→转换电路→转换元件→敏感元件→电学量
答案 C
解析 传感器工作的一般流程为:
非电学量被敏感元件感知,然后通过转换元件转换成电信号,再通过转换电路将此信号转换成易于传输或测量的电学量,因此A、B、D错,C对.
2.如图6所示为光敏电阻自动计数器的示意图,图中虚线表示激光,圆柱体表示随传送带运动的货物,其中R1为光敏电阻,R2为定值电阻,此光电计数器的基本工作原理是( )
A.当光照射R1时,信号处理系统获得高电压
B.当光照射R1时,信号处理系统获得低电压
C.信号处理系统每获一次低电压就计数一次图6
D.信号处理系统每获一次高电压就计数一次
答案 BD
解析 激光是照在光敏电阻R1上,信号处理系统与R1并联,其电压就是R1上的电压,当货物挡光时R1阻值大,电压高,货物挡光一次,就计数(货物的个数)一次,故B、D正确.
3.(2013·江苏·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7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
答案 C图7
解析 由题意知,S两端的电压增大,则电路中的电流增大,接触药液的传感器的电阻变小,则A、B选项是错误的;将S看做外电路,其余看做等效电源,根据U=E-Ir可判断,同样的变化电流,则内阻越大电压变化越大,因此答案为C.
4.如图8所示,R1、R2为定值电阻,L为小灯泡,R3为光敏电阻,当入射光强度增大时( )
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图8
答案 ABC
解析 当入射光强度增大时,R3阻值减小,外电路总电阻随R3的减小而减小,R1两端电压因干路电流增大而增大,电压表的示数增大,同时内电压增大,故电路路端电压减小,A项正确,D项错误;由路端电压减小,R1两端电压增大知,R2两端电压必减小,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.
5.温度传感器广泛应用于室内空调、电冰箱等家用电器中,它是利用热敏电阻的阻值随温度变化的特性工作的.如图9甲所示,电源的电动势E=9.0V,内电阻不计;G为灵敏电流计,内阻Rg保持不变;R为热敏电阻,其电阻值与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°C时,电流表示数I1=2mA时,当电流表的示数I2=3.6mA时,热敏电阻的温度是________°C.
图9
答案 120
解析 从题图乙查得t=20°C时,R的阻值为4kΩ
由E=I1(R+Rg)得
Rg=
-R=
kΩ-4kΩ=0.5kΩ
当I2=3.6mA时,设热敏电阻的阻值为R′,则
R′=
-Rg=
kΩ-0.5kΩ=2kΩ
从题图乙查得此时对应的温度t2=120°C.
6.一些材料的电阻随温度的升高而变化.如图10甲是由某金属材料制成的电阻R随摄氏温度t变化的图像,若用该电阻与电池(电动势E=1.5V,内阻不计)、电流表(量程为5mA,内阻不计)、电阻箱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,就得到了一个简单的“金属电阻温度计”.
图10
(1)电流刻度较大处对应的温度刻度________;(选填“较大”或“较小”)
(2)若电阻箱阻值R′=150Ω,当电流为5mA时对应的温度数值为________°C.
答案
(1)较小
(2)50
解析
(1)由题图甲可知,温度升高,电阻阻值增大,电路中电流减小,因此电流刻度较大处对应的温度刻度较小.
(2)电流为5mA时,电路总电阻为300Ω,电阻箱阻值R′=150Ω,则R=150Ω,由题图甲得对应的温度为50°C.
7.利用负温度系数热敏电阻制作的热传感器,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________(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°C(如图11甲所示),则25°C的刻度应在20°C的刻度的________(填“左”或“右”)侧.
甲 乙
图11
(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.
答案
(1)小
(2)右 (3)见解析图
解析
(1)因为负温度系数热敏电阻温度降低时,电阻增大.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°C的刻度应对应较大电流,故在20°C的刻度的右侧.
(3)电路如图所示.
8.热敏电阻是传感电路中常用的电子元件,现用伏安法研究热敏电阻在不同温度下的伏安特性曲线,要求该特性曲线尽可能完整.已知常温下待测热敏电阻的阻值约4Ω~5Ω.将热敏电阻和温度计插入带塞的保温杯中,杯内有一定量的冷水,其他备用的仪表和器具有:
盛有热水的热水瓶(图中未画出)、电源(3V、内阻可忽略)、直流电流表(内阻约1Ω)、直流电压表(内阻约5kΩ)、滑动变阻器(0~20Ω)、开关、导线若干.
(1)在下面的虚线框中画出实验电路图,要求测量误差尽可能小.
(2)根据电路图,在图12的实物图上连线.
图12
(3)简要写出完成接线后的主要实验步骤.
答案 见解析
解析
(1)为获得更多的数据,应使电压从零开始变化,故应采用分压电路.由于待测热敏电阻阻值约4Ω~5Ω,故应采用电流表外接法,电路图如图所示.
(2)按电路图连接实物图如图所示.
(3)①往保温杯中加入一些热水,待温度稳定时读出温度计示数;
②调节滑动变阻器,快速测出几组电流表和电压表的值并记录;
③重复①、②,测量不同温度下的电流表和电压表的值并作记录;
④绘出各测量温度下热敏电阻的伏安特性曲线.