第8章 第7讲 传感器的简单使用—2022届高中物理一轮复习讲义（机构专用）学案

第7讲  传感器的使用

一、传感器的工作原理

1．概念：能够感受外界信息，并将其按照一定的规律转换成电信号的器件或装置，叫传感器．

2．组成：一般由敏感元件、转换器件、转换电路三个部分组成．

3．原理：通过对某一物理量敏感的元件，将感受到的物理量按一定规律转换成便于测量的量．例如，光电传感器利用光敏电阻将光信号转换成电信号；热电传感器利用热敏电阻将温度信号转换成电信号．

4．流程：

考点一  热敏电阻的原理及应用

例1、某实验小组探究一种热敏电阻的温度特性。现有器材：直流恒流电源（在正常工作状态下输出的电流恒定）、电压表、待测热敏电阻、保温容器、温度计、开关和导线等。

（1）若用上述器材测量热敏电阻的阻值随温度变化的特性，请你在实物图上连线。

（2）实验的主要步骤：

①正确连接电路，在保温容器中注入适量冷水，接通电源，调节并记录电源输出的电流值；

②在保温容器中添加少量热水，待温度稳定后，闭合开关，               ，               ，断开开关；

③重复第②步操作若干次，测得多组数据。

（3）实验小组算得该热敏电阻在不同温度下的阻值，并据此绘得R­t关系图线，请根据图线写出该热敏电阻的R­t关系式：R＝_______＋______t（Ω）。

变式1．（2018·广东佛山一中模拟）如图甲表示某电阻R随摄氏温度t变化的关系，图中R0表示0 ℃时的电阻，K表示图线的斜率。若用该电阻与电池（E，r）、电流表Rg、变阻器R′串连起来，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，于是就得到了一个简单的“电阻测温计”。

（1）实际使用时要把电流表的刻度值改为相应的温度刻度值，若温度t1＜t2，则t1的刻度应在t2的________侧（填“左”或“右”）。

（2）在标识“电阻测温计”的温度刻度时，需要弄清所测温度和电流的对应关系。请用E、R0、K等物理量表示所测温度t与电流I的关系式：t＝_____________________________。

（3）由（2）知，计算温度和电流的对应关系，需要测量电流表的内阻（约为200 Ω）。已知实验室有下列器材：A．电阻箱（0～99.99 Ω）；B．电阻箱（0～999.9 Ω）；C．滑动变阻器（0～20 Ω）；D．滑动变阻器（0～20 kΩ）。此外，还有电动势合适的电源、开关、导线等。

请在方框内设计一个用“半偏法”测电流表内阻Rg的电路；

在这个实验电路中，电阻箱应选________；滑动变阻器应选________。（只填代码）

变式2．（2017·江苏高考）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Rt、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Rt与温度t的关系如下表所示。

（1）提供的实验器材有：电源E1（3 V，内阻不计）、电源E2（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Rt、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______（选填“E1”或“E2”），滑动变阻器R应选用________（选填“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，则应将如图所示的选择开关旋至________（选填“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________（选填“偏转”或“不偏转”），接入a、c时指针________（选填“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

考点二   光敏电阻的应用

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RP在不同照度下的阻值如下表：

（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：光敏电阻RP（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。

考点三    传感器的应用及创新考查

例3、（2016·全国Ⅰ卷）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999.9 Ω），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1 000 Ω），滑动变阻器R2（最大阻值为2 000 Ω），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18 V，Ic约为10 mA；流过报警器的电流超过20 mA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650.0 Ω。

（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。

变式3、（2018·郑州模拟）实验室备有以下器材：电压传感器、电流传感器、滑动变阻器R1（阻值变化范围0～20 Ω）、滑动变阻器R2（阻值变化范围0～1 000 Ω）、电动势适当的电源、小灯泡（4 V　2 W）、开关、导线若干。

（1）要完整地描绘小灯泡的U­I曲线，请在方框中画出实验电路图，并标出所用滑动变阻器的符号。

（2）实验中描绘出的小灯泡U­I曲线如图所示，由图可知，小灯泡灯丝电阻随温度升高而____________。（填“增大”“减小”或“不变”）

（3）如果用上述器材测量所给电源的电动势和内电阻，实验电路如图甲所示，图中R0是阻值为9.0 Ω的保护电阻，实验中测得多组数据记录在下表中，试在同一坐标系中画出等效电源的U­I图像，由图像可求出电源自身内阻约为______ Ω。

（4）若将上述小灯泡直接与电源和保护电阻组成串联电路，如图乙所示，此时小灯泡消耗的电功率约为________ W。

【能力展示】

1．某光敏电阻阻值随光强变化的关系如下表所示：[“光强（E）”表示光强弱程度的物理量，单位为坎德拉（cd）]

小明为此设计了一个路灯自动控制电路如图1所示，光敏电阻R、电阻箱R1和继电器组成了一个简单光控电路，继电器线圈的电阻为r＝200Ω．当线圈中的电流大于或等于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＝8 V，内阻可以不计，图中的“电源”接入照明电压．

（1）为了达到日出灯熄，日落灯亮的效果，应该把路灯接________端（选填“AB”或“CD”）．

（2）如果要使外界光强达到3 cd时路灯自动熄灭，电阻箱R1接入电路的电阻值应为________ Ω.

（3）电路连接好后，小明用手挡住光敏电阻，发现电路不工作．为排查电路故障，他用多用电表测量各接点间的电压，则应将图2所示的选择开关旋至________（选填“A”、“B”、“C”或“D”）处．小明测得光敏电阻R两端的电压为0，电阻箱R1两端的电压为8 V．由此可知，该电路的故障为________________．

（4）小明排除故障后，电路能顺利工作了．只是发现路灯亮的有点早，为此，他应该将电阻箱R1的阻值适当调________（选填“大”或“小”）一点．

2．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RT，其标称值（25℃时的阻值）为900.0Ω

电源E（6V，内阻可忽略）

电压表（量程150mV）

定值电阻R0（阻值20.0Ω）

滑动变阻器R1（最大阻值为1000Ω）

电阻箱R2（阻值范围0-999.9Ω）

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Uv，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Uv。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。

回答下列问题：

（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RT，在25℃-80℃范围内的温度特性，当t=44.0 ℃时，可得RT=____Ω；

（4）将RT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__________℃。

3．利用传感器可以探测、感受外界的信号、物理条件等。图甲所示为某同学用传感器做实验得到的小灯泡的U­I关系图线。

（1）实验室提供的器材有：电流传感器、电压传感器、滑动变阻器A（阻值范围0～10 Ω）、滑动变阻器B（阻值范围0～100 Ω）、电动势为6 V的电源（不计内阻）、小灯泡、开关、导线若干。该同学做实验时，滑动变阻器选用的是________（选填“A”或“B”）；请在图乙的方框中画出该实验的电路图。

（2）如果将该小灯泡接入丙图所示的电路中，已知电流传感器的示数为0.3 A，电源电动势为3 V。则此时小灯泡的电功率为________W，电源的内阻为________Ω。

例1、（1）如图所示　（2）②读取温度计示数　读取电压表示数　（3）100　0.4

变式1．（1）右　（2）t＝－（Rg＋r＋R′＋R0）　（3）电路图如图所示B　D

变式2．（1）E2　R2　（2）C　（3）不偏转　偏转　 （4）⑤④②③①

例2、（1）图像如图（a）所示，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）电路如图（b）所示

例3、（1）

（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

变式3、（1）

（2）增大（3）1 Ω （4）灯泡的电功率为P＝UI＝2.2×0.38 W≈0.84 W。

【能力展示】

1．（1）AB　（2）188　（3）C　电阻箱R1断路　（4）小

2．（1）b  （2）如图所示  （3）450  （4）620.0  33.0

3．（1）A　实验电路图如图所示

（2）0.69（0.66～0.72均可）　2.33（2.00～2.67均可）