2021高考物理（选择性考试）人教版一轮学案：第十一章实验11　传感器的简单使用

实验11　传感器的简单使用

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

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

在图坐标系中，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．

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．

3．实验步骤

(1)将光敏电阻、多用电表、灯泡、滑动变阻器按图所示电路连接好，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．

考点一  常规实验

　(2019·福建龙岩模拟)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，请你在如图甲所示的实物图上连线．

图甲

(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，记录______________、______________，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，并据此绘出如图乙所示的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)．(保留三位有效数字)

图乙

解析：(1)直流恒流电源在正常工作状态下输出的电流恒定，故只需要将电压表与电阻并联测量出电压即可，实物图连线如图．

(2)本实验要测量电阻值和温度值的关系．电阻要用欧姆定律计算，由于电流恒定且已知，故需测量电压和温度．

(3)从题图中取相距较远的两个特殊点，代入R＝R0＋kt计算，

有120＝R0＋50k，

104＝R0＋10k，

解得R0＝100 Ω，k＝0.400，

故该热敏电阻的Rt关系式为

R＝100＋0.400t(Ω).

答案：(1)见解析　(2)电压表电压值　温度计示数

(3)100　0.400

解决传感器实验的主要方法

1．在高中阶段关于传感器的实验主要侧重于实验电路的设计与连接、实验数据的处理或根据实验数据画图象．

2．实验电路一般采用滑动变阻器的分压或限流，电流表的内接或外接．

3．数据的处理一般是图象法，要充分利用好实验得到的数据获得实验结果．

4．连接实物图时，一般先将串联的主体电路连接好，然后连接并联的器材，最后一定要进行检查．

考点二  创新实验

　(2018·全国卷Ⅰ)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900.0 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.

图(a)

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R2t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______(选填“a”或“b”)端；

(2)在图(b)的坐标纸上补齐数据表中所给数据点，并作出R2-t曲线；

图(b)

图(c)

(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______ ℃.

解析：(1)滑动变阻器是限流式接法，S1闭合前，滑片应置于使滑动变阻器连入电路的阻值最大的位置，即b端．

(2)由题给数据描完点后，观察这些点的分布规律，应画一条平滑曲线，让尽可能多的点落在线上，不在线上的点要均匀分布在线的两侧．

(3)由R2-t图线知，当t＝44.0 ℃时，RT＝450 Ω.

(4)电阻箱的读数为(6×100＋2×10＋0×1＋0×0.1)Ω＝620.0 Ω，由R2-t图象知，当R2＝620.0 Ω时，t＝33.0 ℃.

答案：(1)b　(2)如图所示　(3)450　(4)620.0　33.0

本题利用电压表测出R-t图象，电阻箱直接读出示数，本方案更方便和快捷．

1.(多选)(2019·江苏南通模拟)如图所示为光敏电阻自动计数器的示意图，图中虚线表示激光，圆柱体表示随传送带运动的货物，其中R1为光敏电阻，R2为定值电阻，此光电计数器的基本工作原理是   (　　)

A．当光照射R1时，信号处理系统获得高电压

B．当光照射R1时，信号处理系统获得低电压

C．信号处理系统每获得一次低电压就计数一次

D．信号处理系统每获得一次高电压就计数一次

解析：激光照在光敏电阻R1上，信号处理系统与R1并联，其电压就是R1两端的电压，当货物挡光时R1阻值大，电压高，货物挡光一次，就计数(货物的个数)一次，所以B、D正确，A、C错误．

答案：BD

2．(2019·江苏泰州模拟)利用传感器可以探测、感受外界的信号、物理条件等．如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．

图甲　　　　　　　　　　图乙　　

(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．

图丙

(2)如果将该小灯泡接入图丙所示的电路中，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.

解析：(1)为方便实验操作，滑动变阻器可以选A；小灯泡电阻较小，电流传感器应采用外接法，描绘小灯泡伏安特性曲线，电压与电流应从零开始变化，滑动变阻器应采用分压接法，如图(a)所示．

(a)

(2)由题图甲可知，通过灯泡的电流是0.3 A时，灯泡两端的电压是2.3 V，则灯泡的功率P＝UI＝2.3×0.3 W＝0.69 W；电源电动势是3 V，过点(0.3 A，2.3 V)和纵轴上3 V的点作一直线，该直线是电源的UI图像，如图(b)所示．该直线斜率绝对值等于电源的内阻r＝＝ Ω≈2.33 Ω.

(b)

答案：(1)A　实验电路图见解析

(2)0.69(0.66～0.72均可)

2．33(2.00～2.67均可)

3．(2016·全国卷Ⅰ)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________(选填“a”或“b”)端附近，不能置于另一端的原因是_________________________________________

___________________________________________.

②将开关向________(选填“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．

解析：(2)由R＝＝Ω＝1 800 Ω可知，滑动变阻器应选R2.

(3)①电阻箱的电阻值应调为热敏电阻在60 ℃时的阻值，即650.0 Ω.滑动变阻器的滑片应置于b端，使开关接通后回路中电流最小，以保护报警器，即防止因过载而损坏报警器．

②应将开关向c端闭合，然后对系统进行调节．

答案：(1)连线如图所示

(2)R2

(3)①650.0　b　接通电源后，流过报警器的电流会超过20 mA，报警器可能损坏　②c　报警器开始报警

4．如图所示，一热敏电阻RT放在控温容器M内；A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95～20 ℃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初值，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，直至20 ℃为止；在每一温度下重复步骤ef.

解析：(1)电阻箱的最大阻值与热敏电阻的最大阻值相差不大，因此电阻箱应为与热敏电阻串联．

(2)本实验原理是当电路的两种状态的电流相等时，外电路的总电阻相等.95 ℃和T1时对应的电路的总电阻相等，有150 Ω＋R0＝RT1＋R1，即RT1＝R0－R1＋150 Ω.

答案：(1)实验原理电路图如图所示

(2)电阻箱的读数R0　仍为I0　电阻箱的读数R1

R0－R1＋150 Ω

5．热敏电阻是传感电路中常用的电子元件，现用伏安法研究电阻在不同温度下的伏安特性曲线，要求特性曲线尽可能完整．已知常温下待测热敏电阻的阻值约4～5 Ω.将热敏电阻和温度计插入带塞的保温杯中，杯内有一定量的冷水，其他备用的仪表和器具有：盛有热水的热水瓶(图中未画出)、电源(3 V、内阻可忽略)、直流电流表(内阻约1 Ω)、直流电压表(内阻约5 kΩ)、滑动变阻器(0～20 Ω)、开关、导线若干．

(1)画出实验电路图；

(2)根据电路图，在如图所示的实物图上连线；

(3)简要写出完成接线后的主要实验步骤．

解析：常温下待测热敏电阻的阻值(约4～5 Ω)较小，应该选用电流表外接法．热敏电阻的阻值随温度的升高而减小，热敏电阻两端的电压由零逐渐增大，滑动变阻器选用分压式．

(1)实验电路如图所示．

(2)根据电路图，连接实物图如图所示．

(3)完成接线后的主要实验步骤：①往保温杯里加一些热水，待温度计稳定时读出温度计值；②调节滑动变阻器，快速测出几组电压表和电流表的值；③重复①和②，测量不同温度下的数据；④绘出各测量温度下的热敏电阻的伏安特性曲线．

答案：见解析

6．(2019·郑州模拟)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9 V的电源上，光敏电阻阻值随光强变化关系如表所示：

[“光强”表示光强弱程度的物理量，符号为E，单位坎德拉(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)．

A　　　　　　　　　B

C　　　　　　　　　D

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

解析：(1)由表格数据可知，光敏电阻Rx与光强E的乘积均为18 Ω·cd不变，则当E＝4 cd时，光敏电阻的阻值：Rx＝＝4.5 Ω.

(2)由题意可知，光敏电阻Rx与定值电阻R0串联连接，光照增强时，光敏电阻 Rx阻值减小，电路中的总电阻减小，由I＝可知，电路中的电流增大，由U＝IR可知，R0两端的电压增大，因串联电路中总电压等于各分电压之和，所以Rx两端的电压减小，反之，光照减弱时，光敏电阻Rx阻值增大，R0两端的电压减小，Rx两端的电压增大，则玻璃并联在R0两端时不符合，玻璃并联在Rx两端时符合，故A项错误，C项正确；若玻璃与电源并联，光照变化时，玻璃两端的电压不变，故B、D项错误．

(3)当R0＝12 Ω，光敏电阻两端的电压Ux＝3 V时，因串联电路中总电压等于各分电压之和，R0两端的电压：U0＝U－Ux＝9 V－3 V＝6 V，因串联电路中各处的电流相等，所以电路中的电流I＝＝，即＝，解得：R′x＝6 Ω，此时光照强度E′＝＝3 cd.

答案：(1)4.5　(2)C　(3)3 cd