新教材2022版高考物理人教版一轮总复习训练：实验14　探究传感器元件特性及简单应用

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1．某同学要把电压表改装成可直接测量压力的仪表，设计的电路如图甲所示。实验器材如下：待改装电压表(量程0～3 V，可视为理想电压表)，定值电阻R0，压敏电阻Rx，电源(4 V，内阻不计)，开关S，导线若干。选用的压敏电阻阻值Rx随压力F变化的规律如图乙所示。
(1)实验中随着压力F的增大，电压表的示数________(选填“变大”“不变”或“变小”)。
(2)为使改装后仪表的量程为0 ～ 160 N，且压力160 N对应电压表3 V刻度，则定值电阻的阻值R0＝________Ω，压力0对应电压表________V刻度。
(3)他发现这样改装后的仪表压力刻度分布不均匀，想进一步把(2)中的压力刻度改成均匀分布，应选用另一压敏电阻，其阻值Rx随压力F变化的关系式为________________。
解析：(1)根据闭合电路欧姆定律可知，电压表的示数U＝ eq \f(R0,R0＋Rx)E，由题图乙可知，压力越大，Rx越小，U越大，故电压表的示数变大。
(2)由题图乙可知，当F1＝160 N时，Rx1＝80 Ω，此时电压表的示数U1＝3 V，由U1＝ eq \f(R0,R0＋Rx1)E，得 R0＝ eq \f(U1,E－U1)Rx1＝ eq \f(3×80,4－3) Ω＝240 Ω；由题图乙可知，当F2＝0时，Rx2＝400 Ω，此时电压表的示数为U2＝ eq \f(R0,R0＋Rx2)E＝ eq \f(240×4,240＋400) V＝1.5 V，可见压力0对应电压表1.5 V刻度。
(3)若选用题图乙的压敏电阻，则Rx与压力F的关系式为Rx＝400－2F，代入U＝ eq \f(R0,R0＋Rx)E，可得U与F的关系式为U＝ eq \f(960,640－2F)，这样改装后的仪表压力刻度分布是不均匀的。为了使压力刻度分布均匀，则应另选用压敏电阻，而且仍然要满足量程为0～160 N，F＝0标在1.5 V刻度，F＝160 N标在3 V刻度。由于电压表的电压刻度是均匀分布的，所以电压和压力一定要满足线性关系，设U＝kF＋b，由F1＝0时，U1＝1.5 V，F2＝160 N时，U2＝3 V，可得b＝1.5，k＝ eq \f(3,320)，又U＝ eq \f(R0,R0＋Rx)E＝ eq \f(960,240＋Rx)，解得Rx＝ eq \f(102 400,F＋160)－240。
答案：(1)变大 (2)240 1.5 (3)Rx＝ eq \f(102 400,F＋160)－240
2．(2018·全国卷Ⅰ)某实验小组利用如图甲所示的电路探究在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V(量程0～150 mV)，定值电阻R0(阻值为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，先按图甲连接好电路，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，重复上述实验步骤得到相应温度下R2的阻值，直至温度降到25.0 ℃，实验得到的R2­t数据见表所示。
回答下列问题：
(1)在闭合S1前，图甲中R1的滑片应移动到________(选填“a”或“b”)端；
(2)在图乙的坐标纸上补齐数据表中所给数据点，并作出R2­t曲线；
(3)由图乙可得到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的相应读数如图丙所示，该读数为________Ω，则手心温度为________ ℃。
解析：(1)题图甲的电路中，滑动变阻器采用限流接法，在闭合S1前，R1应该调节到接入电路部分的电阻值最大，使电路中的电流最小，即题图甲中R1的滑片应移到b端。
(2)将t＝60 ℃和t＝70 ℃对应的两组数据对应画在坐标图上，然后用平滑曲线过尽可能多的数据点画出R2­t图像。
(3)根据题述实验过程可知，R2的测量数据等于对应的热敏电阻RT的电阻值。由画出的R2­t图像可知，当t＝44.0 ℃时，对应的R2＝RT＝460.0 Ω。
(4)由画出的R2­t图像可知，当RT＝620.0 Ω时，手心温度t＝34.0 ℃。
答案：(1)b (2)如图所示 (3)460.0 (4)620.0 34.0
3．为研究光敏电阻在室内正常光照射和室外强光照射时电阻的大小关系，某同学用如图甲所示的电路进行实验，得出两种U­I图线，如图乙所示。
(1)根据U­I图线可知正常光照射时光敏电阻的阻值为________ Ω，强光照射时光敏电阻的阻值为________ Ω。
(2)若实验中所用电压表的内阻约为5 kΩ，毫安表的内阻约为100 Ω，考虑到电表内阻对实验结果的影响，此实验中____________(选填“正常光照射时”或“强光照射时”)测得的电阻误差较大。若测量这种光照下的电阻，则需将实物图中毫安表的连接方式采用________(选填“内接”或“外接”)法进行实验，实验结果较为准确。
解析：(1)光敏电阻的阻值随光照的增强而减小，结合题图乙知正常光照射时R1＝ eq \f(U1,I1)＝ eq \f(2.4 V,0.8×10－3 A)＝3 000 Ω，强光照射时R2＝ eq \f(U2,I2)＝ eq \f(0.8 V,4.0×10－3 A)＝200 Ω。
(2)实验电路采用的是毫安表内接法，测得的结果比真实值偏大，当待测电阻远大于毫安表内阻时，实验误差较小，所以强光照射时误差较大；强光照射时应采用毫安表外接法进行实验，结果较为准确。
答案：(1)3 000 200 (2)强光照射时 外接
4．摄影中常用测光表来测定光的强度以便确定合适的曝光时间。光的强弱可以用照度来计量，光越强照度越大，照度单位为lx。光敏电阻是阻值随光的照度而发生变化的元件，某光敏电阻RT在不同照度下的阻值变化情况如图甲所示。
某同学按照图乙所示的电路图连成电路，测出在不同照度值下对应的电流值，将照度值标在电流表对应的刻线上，就将电流表改装成一个简易的测光表。现有的器材及规格如下：
光敏电阻RT；
电流表μA(量程0～500 μA，内阻等于500 Ω)；
两节干电池E(每节的电动势1.5 V，内阻约0.5 Ω)；
定值电阻R1(阻值等于5 500 Ω)；
定值电阻R2(阻值等于4 500 Ω)；
开关S。
(1)根据图甲所给的数据可知光敏电阻RT的阻值随光的照度增大而________(选填“增大”或“减小”)。
(2)此简易测光表上较小的照度值应该对应________(选填“较大”或“较小”)的电流值。
(3)若此简易测光表测量量程的最大照度值为 1 200 lx，电路中串联的保护电阻R应该选择________(选填“R1”或“R2”)。
(4)随着干电池使用时间变长，干电池的内阻会变很大。若不及时更换干电池，会导致测得的光的照度值比真实值偏________(选填“大”或“小”)。
解析：(1)根据题图甲中的数据可知，光敏电阻RT的阻值随光的照度增大而减小。
(2)照度越小，则光敏电阻的阻值越大，电路中的电流越小，可知此简易测光表上较小的照度值应该对应较小的电流值。
(3)照度是1 200 lx时，由题图甲可得对应的电阻约为1 kΩ，则根据r1＋r2＋R＋RT＝ eq \f(E,Im)，可得R约为4 500 Ω，可知电路中串联的保护电阻R应该选择R2。
(4)若电池的内阻变大，则会导致相同照度下电流偏小，则照度的测量值比真实值偏小。
答案：(1)减小 (2)较小 (3)R2 (4)小
5．某实验小组设计了如图甲所示的电路，其中RT为热敏电阻，电压表量程为0～3 V，内阻RV约为 10 kΩ，电流表量程为0～0.5 A，内阻RA＝4.0 Ω，R为电阻箱。
(1)该实验小组首先利用该电路进行描绘热敏电阻的伏安特性曲线的实验。闭合开关，调节电阻箱，记录不同情况下电压表的示数U1、电流表的示数I和电阻箱的阻值R，在I-U坐标系中，将各组U1、I的数值标记在相应位置，描绘出热敏电阻的部分伏安特性曲线，如图乙中曲线所示。为了完成该实验，应将导线c端接在________(选填“a”或“b”)点。
(2)利用(1)中记录的数据，通过分析计算可得外电路的电压 U2，U2的计算式为________(用U1、I、R和RA表示)。
(3)实验小组利用(2)中的公式，计算出各组的U2，将U2和I的数据也描绘在I-U坐标系中，如图乙中直线所示，根据图线分析可知，电源的电动势E＝________V，内阻r＝________Ω。
解析：本题考查描绘热敏电阻的伏安特性曲线及电源电动势和内阻的测量。
(1)利用伏安法测电阻，由图像可知热敏电阻的阻值远小于电压表内阻，所以采用电流表外接法，故导线c端应接在a点。
(2)根据串、并联电路规律，可知外电路电压U2＝U1 ＋I(R＋RA)。
(3)由题图乙的数据可知电源的电动势为6.0 V，内阻为r＝ eq \f(6.0－4.0,0.4) Ω＝5.0 Ω。
答案：(1)a (2)U2＝U1＋I(R＋RA) (3)6.0 5.0(4.8～5.2均可)
t/℃
25.0
30.0
40.0
50.0
60.0
70.0
80.0
R2/Ω
900.0
680.0
500.0
390.0
320.0
270.0
240.0