2021高考物理一轮复习第十一章交变电流传感器实验十二传感器的简单使用学案作业（含解析）新人教版

实验十二　传感器的简单使用

一、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．

图1

2．实验器材

半导体热敏电阻、多用电表、温度计、铁架台、烧杯、凉水和热水．

3．实验步骤

(1)按图1连接好电路；

(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

图2

在图2坐标系中，粗略画出热敏电阻的阻值随温度变化的图线．

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热敏电阻阻值，以使电阻温度与水的温度相同，并同时读出水温．

二、光敏电阻的特性

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

光敏电阻、多用电表、小灯泡、滑动变阻器、导线、电源．

图3

3．实验步骤

(1)将光敏电阻、多用电表、灯泡、滑动变阻器按图3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，观察多用电表表盘指针显示光敏电阻阻值的情况，并记录；

(4)用手掌(或黑纸)遮光时，观察多用电表表盘指针显示光敏电阻阻值的情况，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照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进行欧姆调零．

例1　(2016·全国卷Ⅰ·23)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)在图4中完成待调节的报警系统原理电路图的连线．

图4

(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．

答案　(1)见解析图　(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

解析　(1)先用电阻箱替代热敏电阻，连接成闭合回路进行调试．电路图连接如图所示．

(2)当电路中电流Ic＝10mA时，根据闭合电路欧姆定律有Ic＝，解得R总＝1800Ω，此时热敏电阻的阻值为650.0Ω，则滑动变阻器的阻值为1150Ω，所以滑动变阻器选R2.

(3)①当热敏电阻阻值达到650.0Ω时，报警器就会报警，用电阻箱替代热敏电阻进行调节，应把电阻箱的阻值调到650.0Ω.若接通电源后电路中的电流过大(超过20mA)，报警器就会损坏，电流越小越安全，所以为了电路安全，闭合开关前滑片应置于b端．

②用电阻箱替代热敏电阻进行调试，应将开关向c端闭合，开关闭合后要减小电路中的电阻直至报警器开始报警．

变式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5上连线．

图5

(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，并据此绘得图6所示的R－t关系图线，请根据图线写出该热敏电阻的R－t关系式：R＝________＋________t(Ω)．

图6

答案　(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

解析　(3)由R－t图线可知，当t1＝10℃时，R1＝104Ω，当t2＝60℃时，R2＝124Ω，R－t图线的斜率为＝0.4Ω/℃；将图线延长，图线过原点，说明t＝0℃时的电阻为100Ω，故R－t关系式为R＝100＋0.4t (Ω)．

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，请在图7甲所示的坐标系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．

图7

答案　见解析

解析　(1)光敏电阻的阻值随照度变化的曲线如图(a)所示，光敏电阻的阻值随照度的增大而减小．

(2)根据串联电阻的正比分压关系，E＝3V，当照度降低至1.0lx时，1、2两端电压升至2V，此时光敏电阻阻值RP＝20kΩ，URP＝2V，串联电阻分压UR＝1V，由＝＝2，得R＝＝10kΩ，故选定值电阻R1，电路原理图如图(b)所示．

变式2　一台臭氧发生器P的电阻为10kΩ，当供电电压等于24V时能正常工作，否则不产生臭氧．现要用这种臭氧发生器制成自动消毒装置，要求它在有光照时能产生臭氧，在黑暗时不产生臭氧，拟用一个光敏电阻R1对它进行控制，R1的阻值在有光照时为100Ω，黑暗时为1000Ω，允许通过的最大电流为3mA；电源E的电动势为36V，内阻不计；另有一个滑动变阻器R2，阻值为0～100Ω，允许通过的最大电流为0.4A；还有一个开关S和导线若干．臭氧发生器P和光敏电阻R1的符号如图8所示．

图8

设计一个满足上述要求的电路图，图中各元件要标上字母代号，其中滑动变阻器两固定接线柱端分别标上字母A、B(电路图画在虚线框内)．

答案　如图所示

解析　因滑动变阻器最大阻值100Ω远小于臭氧发生器P的电阻10kΩ，应该采用滑动变阻器的分压式接法，有光照时P能正常工作，无光照时P不工作．

例3　电控调光玻璃能根据光照强度自动调节玻璃的透明度，将光敏电阻Rx和定值电阻R0接在9V的电源上，光敏电阻阻值随光强变化关系如表所示：

[“光强”是表示光强弱程度的物理量，符号为I，单位为坎德拉(cd)]

(1)当光照强度为4坎德拉(cd)时光敏电阻Rx的大小为________Ω.

(2)其原理是光照增强，光敏电阻Rx阻值变小，施加于玻璃两端的电压降低，玻璃透明度下降，反之则玻璃透明度上升．若电源电压不变，R0是定值电阻，则下列电路图中符合要求的是________(填序号)．

(3)现已知定值电阻R0为12Ω，用电压表测得光敏电阻两端的电压为3V，则此时光照强度为________．

答案　(1)4.5　(2)C　(3)3cd