2021高三物理人教版一轮学案：第十一单元实验十二传感器的简单应用含解析

实验十二传感器的简单应用[实验目的]1．认识热敏电阻、光敏电阻等传感器中的敏感元件．2．了解传感器在科学技术上的简单应用．[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．工作过程如图：[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、滑动变阻器、开关、导线等．[实验过程]1．研究热敏电阻的特性：(1)如图所示连接好电路，将热敏电阻绝缘处理．(2)把多用电表置于“欧姆”挡，并选择适当的倍率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、填表．(5)画出热敏电阻的阻值随温度变化的图线．(6)根据实验数据和R-t图线，分析得到热敏电阻的特性．2．研究光敏电阻的特性：(1)将光敏电阻、多用电表、灯泡、滑动变阻器按所示电路连接，其中多用电表置于“欧姆”挡．(2)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增强，观察表盘指针显示电阻阻值的情况，并记录．(4)用黑纸遮住光，观察并记录光敏电阻的阻值.光照强度弱中强无光照射阻值/Ω(5)射时发生变化，光照增强时电阻减小，光照减弱时电阻增大．[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、热敏电阻的阻值．2．光敏电阻实验中，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照射到光敏电阻上的光的强度．3．欧姆表每次换挡后都要重新调零．命题点1热敏电阻的性质某实验小组利用如图(a)所示的电路探究在25 ℃～80 ℃范围内某热敏电阻的温度特性．所用器材有：置于温控室(图中虚线区域)中的热敏电阻R T，其标称值(25 ℃时的阻值)为900.0 Ω；电源E(6 V，内阻可忽略)；电压表(量程150 mV)；定值电阻R0(阻值20.0 Ω)，滑动变阻器R1(最大阻值为1 000 Ω)；电阻箱R2(阻值范围0～999.9 Ω)；单刀开关S1，单刀双掷开关S2.实验时，先按图(a)连接好电路，再将温控室的温度t升至80.0 ℃.将S2与1端接通，闭合S1，调节R1的滑片位置，使电压表读数为某一值U0；保持R1的滑片位置不变，将R2置于最大值，将S2与2端接通，调节R2，使电压表读数仍为U0；断开S1，记下此时R2的读数．逐步降低温控室的温度t，得到相应温度下R2的阻值，直至温度降到25.0 ℃.实验得到的R2-t数据见下表.t/℃25.030.040.050.060.070.080.0R2/Ω900.0680.0500.0390.0320.0270.0240.0(1)在闭合S1前，图(a)中R1的滑片应移动到________(填“a”或“b”)端；(2)在图(b)的坐标纸上补齐数据表中所给数据点，并做出R2-t曲线；(3)由图(b)可得到R T在25～80 ℃范围内的温度特性．当t＝44.0 ℃时，可得R T＝________Ω；(4)将R T握于手心，手心温度下R2的相应读数如图(c)所示，该读数为________Ω，则手心温度为________℃.【解析】(1)滑动变阻器采用限流式接法，在闭合开关前，从保护电路的角度考虑，滑动变阻器接入电路的阻值应调到最大值，故R1的滑片应移动到b端．(2)先描点，之后在坐标纸上用平滑的曲线连接各点，如图所示．(3)由图可知，当t＝44.0 ℃时，R T＝R2＝450 Ω.(数据合理即正确)(4)由图(c)可知，电阻箱示数为R2＝6×100 Ω＋2×10 Ω＋0×1 Ω＋0×0.1 Ω＝620.0 Ω，由图可得当R T＝R2＝620.0 Ω时，手心的温度t ＝32.0 ℃.(数据合理即正确)【答案】(1)b(2)见解析(3)450(4)620.032.0高分技法热敏电阻的特点(1)热敏电阻：热敏电阻的特点相对金属热电阻，对温度变化更敏感.(2)热敏电阻分为正温度系数和负温度系数两种热敏电阻，正温度系数的热敏电阻，温度越高，电阻越大；负温度系数的热敏电阻，温度越高，电阻越小.命题点2光敏电阻的性质为了节能和环保，一些公共场所用光控开关控制照明系统，光控开关可用光敏电阻控制，如图甲所示是某光敏电阻阻值随光的照度变化曲线，照度可以反映光的强弱，光越强照度越大，照度单位为勒克斯(lx)．(1)如图乙所示，电源电动势为3 V，内阻不计，当控制开关两端电压上升至2 V 时控制开关自动启动照明系统．要求当天色渐暗照度降至1.0 lx 时控制开关接通照明系统，则R 1＝________kΩ.(2)某同学为了测量光敏电阻在不同照度下的阻值，设计了如图丙所示的电路进行测量，所用器材有电源(E ＝3 V ，内阻未知)，电阻箱(0～99 999 Ω)．实验时将电阻箱阻值置于最大，闭合S 1，将S 2与1相连，减小电阻箱阻值，使灵敏电流计的示数为I ，图丁为实验时电阻箱的阻值，其读数为________kΩ；然后将S 2与2相连，调节电阻箱的阻值如图戊所示，此时电流计的示数恰好为I ，则光敏电阻的阻值R 0＝________kΩ(结果保留三位有效数字)．【解析】 (1)当照度为1.0 lx 时，电阻R 0＝20 kΩ，电阻R 1和R 0串联，则有R 0R 1＝U 0U 1＝21，则R 1＝10 kΩ.(2)图丁的电阻为R2＝62.5 kΩ，图戊的电阻R2′＝22.5 kΩ，本题采用等效法测电阻，前后两次电路中的电流相等，则电路总电阻相等，则有R2＝R0＋R2′，所以R0＝40.0 kΩ.【答案】(1)10(2)62.540.0高分技法光敏电阻的特点(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.命题点3实验拓展创新命题角度1：温度传感器的原理和应用某同学通过实验制作一个简易的温控装置，实验原理电路图如图1所示，继电器与热敏电阻R t、滑动变阻器R串联接在电源E两端，当继电器的电流超过15 mA时，衔铁被吸合，加热器停止加热，实现温控．继电器的电阻约20 Ω，热敏电阻的阻值R T与温度t的关系如下表所示：t/℃30.040.050.060.070.080.0R T/Ω199.5145.4108.181.862.949.1(1)1E2(6 V，内阻不计)、滑动变阻器R1(0～200 Ω)、滑动变阻器R2(0～500 Ω)、热敏电阻R T、继电器、电阻箱(0～999.9 Ω)、开关S、导线若干．为使该装置实现对30～80 ℃之间任一温度的控制，电源E应选用________(填“E1”或“E2”)，滑动变阻器R应选用________(填“R1”或“R2”)．(2)实验发现电路不工作．某同学为排查电路故障，用多用电表测量各接点间的电压，则应将如图2所示的选择开关旋至________(填“A”“B”“C”或“D”)．(3)合上开关S，用调节好的多用电表进行排查．在图1中，若只有b、c间断路，则应发现表笔接入a、b时指针________(填“偏转”或“不偏转”)，接入a、c时指针________(填“偏转”或“不偏转”)．(4)排除故障后，欲使衔铁在热敏电阻为50 ℃时被吸合，下列操作步骤的正确顺序是________．(填写各步骤前的序号)①将热敏电阻接入电路②观察到继电器的衔铁被吸合③断开开关，将电阻箱从电路中移除④合上开关，调节滑动变阻器的阻值⑤断开开关，用电阻箱替换热敏电阻，将阻值调至108.1 Ω【解析】(1)由表格数据知，当温度为30 ℃时，热敏电阻阻值为199.5 Ω，继电器线圈的阻值R0＝20 Ω，当电流为15 mA时，E＝I(R T ＋R0)＝3.3 V，所以电源选E2，当温度为80 ℃时，热敏电阻阻值R T ＝49.1 Ω，则E2＝I(R T＋R0＋R)，此时变阻器阻值R＝330.9 Ω，所以变阻器选择R2；(2)多用电表测量直流电压时，旋钮旋至直流电压挡C处；(3)若只有b、c间断路，表笔接入a、b时，整个回路断路，电表指针不偏转，接入a、c时有电流流经电表，故指针偏转；(4)50 ℃时，热敏电阻阻值为108.1 Ω，所以应将电阻箱阻值调至108.1 Ω代替热敏电阻接入电路中，调节变阻器，使衔铁能吸合，再将电阻箱换成热敏电阻，故顺序为⑤④②③①.【答案】(1)E2R2(2)C(3)不偏转偏转(4)⑤④②③①命题角度2：光传感器的原理和应用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的阻值随照度变化的曲线如图丙所示．(1)如图甲所示是街道路灯自动控制电路所需的元件．利用直流电源给电磁铁供电，利用220 V交流电源给路灯供电．为达到天亮灯熄、天暗灯亮的效果，请用笔画线代替导线，正确连接电路元件．(2)用多用电表“×100”欧姆挡，测量图甲中电磁铁线圈的电阻时，指针偏转角度太大，为了更准确地测量其阻值，接下来应选用________(填“×1 k”或“×10”)欧姆挡，进行欧姆调零后重新测量，其示数如图乙所示，则线圈的电阻为________Ω.(3)已知当线圈中的电流大于或等于2 mA时，继电器的衔铁将被吸合．图甲中直流电源的电动势E＝6 V，内阻忽略不计，滑动变阻器有三种规格可供选择：R1(阻值范围0～10 Ω，允许通过最大电流2 A)、R 2(阻值范围0～200 Ω，允许通过最大电流1 A)、R 3(阻值范围0～1 750 Ω，允许通过最大电流1 A)．要求天色渐暗照度降低至1.0 lx 时点亮路灯，滑动变阻器应选择________(填“R 1”“R 2”或“R 3”)．为使天色更暗时才点亮路灯，应适当地________(填“增大”或“减小”)滑动变阻器的电阻．【解析】 (1)光敏电阻的阻值随照度的增大而减小，所以白天时光敏电阻的阻值小，电路中的电流值大，衔铁将被吸住，静触点与C 接通；晚上时的光线暗，光敏电阻的阻值大，电路中的电流值小，所以静触点与A 接通，要达到晚上灯亮，白天灯灭，则路灯应接在AB 之间，电路图如图；(2)用多用电表“×100”欧姆挡，测量题图甲中电磁铁线圈电阻时，指针偏转角度太大，说明电阻较小，应换用小量程挡，接下来应选用“×10”欧姆挡，进行欧姆调零后重新测量，欧姆表的读数是先读出表盘的刻度，然后乘以倍率，表盘的刻度是14，倍率是10，所以电阻值是14×10 Ω＝140 Ω；(3)天色渐暗照度降低至1.0 lx 时点亮路灯，此时光敏电阻的阻值是2 kΩ，电路中的电流是2 mA ，R ＝E I －R 光＝62×10－3 Ω－2 000 Ω＝1 000 Ω，所以要选择滑动变阻器R 3；由于光变暗时，光敏电阻变大，分的电压变大，所以为使天色更暗时才点亮路灯，应适当地减小滑动变阻器的电阻．【答案】 (1)如图所示 (2)×10 140 (3)R 3 减小命题角度3：力传感器的原理和应用材料的电阻随压力的变化而变化的现象称为“压阻效应”，利用这种效应可以测量压力大小．若图甲为某压敏电阻在室温下的电阻—压力特性曲线，其中R F、R0分别表示有、无压力时压敏电阻的阻值．为了测量压力F，需先测量压敏电阻处于压力作用下的电阻值R F.请按要求完成下列问题．(1)设计一个可以测量处于压力作用下的该压敏电阻阻值的电路，在图乙的虚线框中画出实验电路原理图(压敏电阻及所加压力已给出，待测压力大小为0.4×102 N～0.8×102 N，不考虑压力对电路其他部分的影响)，要求误差较小，提供的器材如下：A．压敏电阻(无压力时阻值R0＝6 000 Ω)；B．滑动变阻器R(总阻值约为200 Ω)；C ．电流表A(量程0～2.5 mA ，内阻约为30 Ω)；D ．电压表V(量程0～3 V ，内阻约为3 kΩ)；E ．直流电源E (电动势为3 V ，内阻很小)；F ．开关S ，导线若干．(2)正确接线后，将压敏电阻置于待测压力下，通过压敏电阻的电流是 1.33 mA ，电压表的示数如图丙所示，则电压表的读数为________V .(3)此时压敏电阻的阻值为________Ω；结合图甲可知待测压力的大小F ＝________N ．(结果均保留两位有效数字)【解析】 (1)根据题述对实验电路的要求，应该采用分压式接法、电流表内接的电路，原理图如图所示．(2)根据电压表读数规则，电压表读数为2.00 V .(3)由欧姆定律，此时压敏电阻的阻值为R F ＝U I ≈1.5×103 Ω，R 0R F＝4，由图象可知，对应的待测压力F ＝60 N.【答案】 (1)如图所示(2)2.00 (3)1.5×103 60。