2020版新一线高考物理（新课标）一轮复习教学案：第11章实验十二　传感器的简单应用

实验十二　传感器的简单应用

1．实验目的

(1)了解常见传感器元件的作用。

(2)探究热敏电阻、光敏电阻的特性。

2．实验原理

传感器将感受到的非电学量(力、热、光、声等)，转换成便于测量的电学量。

3．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、继电器、滑动变阻器、开关、导线等。

4．实验过程

(1)研究热敏电阻的特性

①按如图所示连接好实物。

②将热水分几次注入烧杯中，测量每次水的温度、热敏电阻的阻值。

③总结：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)研究光敏电阻的特性

①将光敏电阻、多用电表、灯泡、滑动变阻器按如图所示正确连接，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。

③打开电源，让小灯泡发光，调节灯泡的亮度使之逐渐变亮，观察光敏电阻的变化情况。

④用黑纸遮光时，观察光敏电阻的变化情况。

⑤总结：光照增强光敏电阻阻值变小，光照减弱光敏电阻阻值变大。

考点一| 热敏电阻的特性与应用

1．热敏电阻的特性

热敏电阻的阻值随温度升高而减小，随温度降低而增大。

2．热敏电阻的作用

将温度这个热学量转换为电阻这个电学量。

1．利用负温度系数热敏电阻(温度越高，电阻越小)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________(选填“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 ℃(如图甲所示)，则25 ℃的刻度应在20 ℃的刻度的________(选填“左”或“右”)侧。

甲　　　　　　　　　乙

(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。

解析：(1)因为温度降低时，负温度系数热敏电阻的阻值增大，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 ℃的刻度应对应较大电流，故在20 ℃的刻度的右侧。

(3)电路如图所示

答案：(1)小　(2)右　(3)见解析

2．(2019·佛山模拟)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，于是就得到了一个简单的“电阻测温计”。

甲　　　　　　　　乙

(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________(选填“左”或“右”)侧。

(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。

请在虚线框内设计一个用“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)

解析：(1)由题图甲可知，金属温度升高电阻增大，电流计电流减小，可知t1刻度应在t2的右侧。

(2)由闭合电路欧姆定律知

E＝I(R＋R′＋Rg＋r)

由题图甲知R＝R0＋Kt

解得t＝－(Rg＋r＋R′＋R0)。

(3)采用半偏法测电阻值，电阻箱的最大阻值应该大于电流表的内阻，同时滑动变阻器应该选择阻值较大的，故电阻箱选择B，滑动变阻器选择D。电路图如图所示。

答案：(1)右　(2)－(Rg＋r＋R′＋R0)　(3)电路图见解析　B　D

3.如图所示，一热敏电阻RT放在控温容器M内；为毫安表，量程6 mA，内阻为数十欧姆；E为直流电源，电动势约为3 V，内阻很小；R为电阻箱，最大阻值为999.9 Ω，S为开关。已知RT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20～95 ℃之间的多个温度下RT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：

a．依照实验原理电路图连线。

b．调节控温容器M内的温度，使得RT的温度为95 ℃。

c．将电阻箱调到适当的阻值，以保证仪器安全。

d．闭合开关，调节电阻箱，记录电流表的示数I0，并记录________。

e．将RT的温度降为T1(20 ℃<T1<95 ℃)；调节电阻箱，使得电流表的读数________，记录________。

f．温度为T1时热敏电阻的电阻值RT1＝________。

g．逐步降低T1的数值，直到20 ℃为止；在每一温度下重复步骤e、f。

解析：(1)根据所给器材，要测量在不同温度下RT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RT的温度为95 ℃，此时RT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＝；将RT的温度降为T1(20 ℃<T1<95 ℃)；调节电阻箱，使得毫安表的读数仍为I0，记录电阻箱的读数为R1，根据欧姆定律：I0＝，则＝，解得RT1＝R0－R1＋150 Ω。

答案：(1)见解析　(2)d.电阻箱的读数R0　e．仍为I0　电阻箱的读数R1　f．R0－R1＋150 Ω

考点二| 光敏电阻的特性与应用

1．光敏电阻的特性

光照增强光敏电阻变小，光照减弱光敏电阻变大。

2．光敏电阻的作用

将光照强弱这个光学量转换为电阻这个电学量。

1．一台臭氧发生器P的电阻为10 kΩ，当供电电压等于24 V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100 Ω，黑暗时为1 000 Ω、允许通过的最大电流为3 mA；电源E的电压为36 V、内阻不计；另有一个滑动变阻器R2，阻值为0～100 Ω、允许通过的最大电流为0.4 A；一个开关S和导线若干。臭氧发生器P和光敏电阻R1的符号如图所示。

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)。

解析：

因变阻器最大阻值100 Ω远小于臭氧发生器P的电阻10 kΩ，为了能控制臭氧发生器，应该使用滑动变阻器的分压式连接，有光照时P能正常工作，无光照时P不工作，电路如图所示。

答案：见解析

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。

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。

甲                               乙

(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

考点三| 传感器的实验拓展

除了热敏电阻和光敏电阻外，还有一些常用的传感器元件如下：

(1)压敏电阻：将压力转换为电学量(电阻)。

(2)气敏电阻：将气体浓度转换电学量(电阻)。

(3)光电管：将所收到的光信号转换成电信号。

(4)电容器：将位移、角度、压力转换为电学量(电容)。

(5)霍尔元件：将磁感应强度转换为电学量(电压)。

(6)弹簧：将弹力、加速度转换为电学量(电流)。

1．(多选)(2019·南通模拟)霍尔传感器测量转速的原理图如图所示，传感器固定在圆盘附近，圆盘上固定4个小磁体，在a、b间输入方向由a到b的恒定电流，圆盘转动时，每当磁体经过霍尔元件，传感器c、d端输出一个脉冲电压，检测单位时间内的脉冲数可得到圆盘的转速。关于该测速传感器，下列说法中正确的有(　　)

A．在图示位置时刻d点电势高于c点电势

B．圆盘转动越快，输出脉动电压峰值越高

C．c、d端输出脉冲电压的频率是圆盘转速的4倍

D．增加小磁体个数，传感器转速测量更准确

CD　[霍尔元件有电子或空穴导电，根据左手定则，载流子向上表面偏转，即c点，所以c点电势不一定高于d点，故A项错误；最终电子或空穴在电场力和洛伦兹力的作用下处于平衡，设霍尔元件的长、宽、厚分别为a、b、c，电子或空穴定向移动的速度为v，有q＝qvB，所以U＝Bbv，输出脉冲电压峰值与圆盘转动快慢无关，故B项错误；当小磁体靠近霍尔元件时，就是会产生一个脉冲电压，因此c、d端输出脉冲电压的频率是圆盘转动频率的4倍，即为转速的4倍，故C项正确；当增加小磁体个数，传感器c、d端输出一个脉冲电压频率变高，那么传感器转速测量更准确，故D项正确。]

2.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Rx的压阻效应，已知Rx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Rx的阻值，请完成虚线框内电路图的设计。

(2)在电阻Rx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Rx＝________(用字母表示)。

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

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A1代替，另一个电流表A2测量电流。

(2)电阻两端电压为Ux＝I1r1，流经的电流为Ix＝I2－I1，电阻Rx＝。

(3)由题图可知，图象是一次函数图线，即Rx＝kF＋b，

k＝－＝－＝－，b＝18，

则有Rx＝18－F。

答案：(1)如图所示

(2)　(3)压力反向，阻值不变　18－F