高中物理实验 传感器的简单使用

高中物理实验传感器的简单使用

1．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．

2．实验原理

闭合电路欧姆定律，用欧姆表进行测量和观察．

3．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．

4．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．1．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

光敏电阻在暗环境下电阻值很大，强光照射下电阻值很小；

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．2．误差分析

本实验误差主要来源于温度计和欧姆表的读数．

3．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多少．

(3)欧姆表每次换挡后都要重新调零．

热敏电阻的特性和应用

用对温度敏感的半导体材料制成的某热敏电阻R T，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R T和两个适当的固定电阻R1、R2连成如图甲虚线框内所示的电路，以使电路的等效电阻R L的阻值随R T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R L的阻值，测量电路如图乙所示，图中的电压表内阻很大．R L 的测量结果如下表所示.

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)为了检验R L与t之间近似为线性关系，在坐标纸上作出R L－t关系图线．

(3)在某一温度下，电路中的电流表、电压表的示数如图丙、丁所示．电流表的读数为________，电压表的读数为________．此时等效电阻R L的阻值为________；热敏电阻所处环境的温度约为____________．

[解析](1)根据电路图连接实物图，R1与R T并联，再与R2串联，滑动变阻器为限流接法，注意各电表的极性，开关控制整个电路．

(2)根据表中数据，在R L－t图象中描点，作出R L－t图象为一条直线．

(3)读出电压U＝5.00 V，电流I＝115 mA.R L＝

U

I＝43.5 Ω，再由R L－t关系图线找出R L＝43.5 Ω对应的温度t ＝64.0 ℃.

[答案](1)连线如图所示

(2)作出R L—t图象为一条直线

(3)115 mA 5.00 V43.5 Ω64.0 ℃(62～66 ℃均正确)

1．(2016·吉林长春模拟)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＝9.0 V，内阻不计；G为灵敏电流表，其内阻R g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＝2 mA；当电流表的示数I2＝3.6 mA时，热敏电阻的温度是()

A．60 ℃B．80 ℃C．100 ℃D．120 ℃

解析：选D.由题图乙知，温度为20 ℃时，R的阻值R1＝4 kΩ.由欧姆定律知E＝I1(R1＋R g)，E＝I2(R2＋R g)，两式联立解得R2＝2 kΩ，由图乙中查得此时温度为120 ℃，D正确．

2．(2016·山东淄博调研)暑假开学之后流感在各地爆发，山东半岛也出现病例．为了做好防范，需要购买大量的体温表，市场体温表出现供货不足的情况，某同学想到自己制作一个金属温度计，为此该同学从实验室找到一个热敏电阻，并通过查资料获得该热敏电阻的阻值R随温度t变化的图线，如图甲所示．该同学进行了如下设计：将一电动势E＝1.5 V(内阻不计)的电源、量程0～5 mA(内阻R g＝100 Ω)的电流表、电阻箱R′及用作测温探头的电阻R，串联成如图乙所示的电路，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”．

(1)电流刻度较小处对应的温度刻度________(选填“较高”或“较低”)；

(2)若电阻箱阻值R′＝70 Ω，图丙中5 mA刻度处对应的温度数值为________℃.

解析：电流刻度较小时，电阻较大，温度较高；R′＝70 Ω时，5 mA电流对应的热敏电阻值为

1.5

100＋70＋R

＝5×10－3 A，得R＝130 Ω，题图甲的函数方程为R＝100＋t，可知当热敏电阻为130 Ω时，温度为30 ℃.

答案：(1)较高(2)30

3．如图，一热敏电阻R T放在控温容器M内；A为毫安表，量程6 mA，内阻R A为数十欧姆；E为直流电源，电动势约为3 V，内阻不计；R为电阻箱，最大阻值为999.9 Ω；S为开关．已知R T在95 ℃时的阻值为150 Ω，在20 ℃时的阻值约为550 Ω.现要求在降温过程中测量在95～20 ℃之间的多个温度下R T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．

①依照实验原理电路图连线．

②调节控温容器M内的温度，使得R T的温度为95 ℃.

③将电阻箱调到适当的阻值，以保证仪器安全．

④闭合开关．调节电阻箱，记录电流表的示数I0，并记录________________．

⑤将R T的温度降为T1(20 ℃

⑥温度为T1时热敏电阻的电阻值R T1＝__________．

⑦逐步降低T1的数值，直至20 ℃为止；在每一温度下重复步骤⑤⑥.

解析：(1)根据所给器材，要测量在不同温度下R T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R T温度为95 ℃，此时R T阻值为150 Ω，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＝E

R0＋150 Ω＋R A

；将R T的温度降为T1(20 ℃

读数仍为I0，记录电阻箱的读数为R1，根据欧姆定律：I0＝E

R1＋R T1＋R A ，则：

E

R0＋150 Ω＋R A

＝

E

R1＋R T1＋R A

，解

得：R T1＝R0－R1＋150 Ω.

答案：(1)见解析(2)④电阻箱的读数R0⑤仍为I0电阻箱的读数为R1⑥R0－R1＋150 Ω

光敏电阻的特性和应用

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R

(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2 V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1.0 lx 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R P(符号，阻值见上表)

直流电源E(电动势3 V，内阻不计)；

定值电阻：R1＝10 kΩ，R2＝20 kΩ，R3＝40 kΩ(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1.0 lx时启动照明系统，即此时光敏电阻阻值为20 kΩ，两端电压为2 V，电源电动势为3 V，所以应加上一个分压电阻，分压电阻阻值为10 kΩ，即选用R1，电路原理图如图乙所示．

[答案]见解析

4．(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0.2 m ，则下列说法正确的是( )

A ．传送带运动的速度是0.1 m/s

B ．传送带运动的速度是0.2 m/s

C ．该传送带每小时输送3 600个工件

D ．该传送带每小时输送7 200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 ＝0.2

1 m/s ＝0.

2 m/s ，故A 错误、B 正确；传送带每小时运

动的距离为s ＝v t ＝0.2×3 600 m ，工件个数为n ＝s

L

＝3 600个，C

正确、D 错误． 5.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R 1为光敏电阻，R 2为滑动变阻器，R 3为定值电阻．当R 2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R 2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R 1，则I 增大，U 增大

C ．保持滑动触头P 不动，用更强的光照射R 1，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R 1，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R 2支路中无电流，R 2两端电压为零，将R 2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R 1两端的电压，用更强的光照射R 1，R 1的阻值变小，电路电流I 变大，路端电压U 变小，R 3两端电压变大，R 1两端电压变小，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R 1前电压表V 和电流表A 的示数分别为U 1、I 1，强光照射R 1后电压表V 和电流表A 的示数分别为U 2、I 2，则

E ＝U 1

＋I 1r ，E ＝U 2＋I 2r ，解得r ＝

U 2－U 1I 1－I 2

＝ΔU

ΔI ，可见，选项D 正确． 6．图甲为一测量硫化镉光敏电阻特性的实验电路，电源电压恒定，电流表内阻不计，开关闭合后，调节滑

动变阻器滑片，使小灯泡发光逐渐增强，测得流过电阻的电流和光强的关系曲线如图所示，试根据这一特性，由图丙中给定的器材设计一个自动光控电路．

解析：由光敏电阻的特性曲线可以看出，当入射光增强时，流过光敏电阻的电流增大，光敏电阻的阻值减小．根据题意设计一个自动光控电路，如图所示．

控制过程是：当有光照时，放大器输出一个较大的电流，驱动电磁继电器吸引衔铁使两个触点断开；当无光照时，放大器输出电流减小，电磁继电器释放衔铁，使两个触点闭合，工作电路接通，电灯开始工作．答案：见解析

力传感器的应用

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R x的压阻效应，已知R x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(3 V，内阻约为1 Ω)

B．电流表A1(0～0.6 A，内阻r1＝5 Ω)

C．电流表A2(0～0.6 A，内阻r2约为1 Ω)

D．开关S，定值电阻R0＝5 Ω

(1)为了比较准确地测量电阻R x的阻值，请完成虚线框内电路图的设计．

(2)在电阻R x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R x＝________(用字母表示)．

(3)改变力的大小，得到不同的R x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R x值．最后绘成的图象如图所示，除观察到电阻R x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R x 与所受压力F 的数值关系是R x ＝________________．

[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A 1代替，另一个电流表A 2测量电流．

(2)电阻两端电压为U x ＝I 1r 1，流经的电流为I x ＝I 2－I 1，电阻R x ＝I 1r 1

I 2－I 1

； (3)由题图可知，图象是一次函数图线，即R x ＝kF ＋b ， k ＝－ΔR x ΔF ＝－94.5＝－2，b ＝17，

则有R x ＝17－2F . [答案] (1)如图所示

(2)I 1r 1I 2－I 1

(3)压力反向，阻值不变 17－2F

7．如图所示为某种电子秤的原理示意图，AB 为一均匀的滑动变阻器，阻值为R ，长度为L ，两边分别有P 1、P 2两个滑动头，与P 1相连的金属细杆可在被固定的竖直光滑绝缘杆MN 上保持水平状态，金属细杆与托盘相连．金属细杆所受重力忽略不计，弹簧处于原长时P 1刚好指向A 端．若P 1、P 2间出现电压时，该电压经过放大通过信号转换器后在显示屏上显示出质量的大小．已知弹簧的劲度系数为k ，托盘自身质量为m 0，电源的电动势为E ，电源的内阻忽略不计，信号放大器、信号转换器和显示器的分流作用忽略不计．求：

(1)托盘上未放物体时在托盘的自身重力作用下P 1距A 端的距离x 1；

(2)在托盘上放有质量为m 的物体时P 1距A 端的距离x 2；

(3)在托盘上未放物体时通常先校准零点，其方法是调节P 2，从而使P 1、P 2间的电压为零，校准零点后将被称物体放在托盘上．试推导出被称物体的质量m 与P 1、P 2间电压U 的函数关系式．

解析：(1)由力的平衡知识知

m 0g ＝kx 1，x 1＝m 0g

k .

(2)放上重物重新平衡后

m 0g ＋mg ＝kx 2，x 2＝(m ＋m 0)g

k

.

(3)设电路中的电流为I ，则E ＝IR ， 设P 1、P 2间的电阻为R x ，距离为x ，则 U ＝IR x ，R x R ＝x L ，x ＝x 2－x 1，解得m ＝kL

gE U .

答案：(1)m 0g k (2)(m ＋m 0)g k (3)m ＝kL

gE

U

8．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1×107 Pa ，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4.8 V ，g 取10 m/s 2.请回答：

(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20 mA ，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 ＝300 Ω，此时A 中电流I ＝U R ＝4.8300 A ＝1.6×10－

2 A.

(2)当电流I ＝20 mA ＝20×10－

3 A 时，压力传感器的电阻R ＝U I ＝ 4.820×10－3

Ω＝240 Ω，对应表格中，这个人

的质量为50 kg.

答案：(1)1.6×10－

2 (2)50