人教版高考物理一轮复习第11章交变电流传感器实验14传感器的简单应用学案

这是一份人教版高考物理一轮复习第11章交变电流传感器实验14传感器的简单应用学案，共10页。学案主要包含了实验目的，实验原理，实验器材，实验步骤，注意事项等内容，欢迎下载使用。
实验十四　传感器的简单应用一、实验目的1．知道什么是传感器，知道光敏电阻和热敏电阻的作用。2．能够通过实验探究光敏电阻和热敏电阻的特征。3．了解常见的各种传感器的工作原理、元件特性及设计方案。二、实验原理传感器是将它所感受到的物理量(如力、热、光、声等)转换成便于测量的量(一般是电学量)的一类元件。例如：热电传感器是利用热敏电阻将热信号转换成电信号；光电传感器是利用光敏电阻将光信号转换成电信号，转换后的信号经过相应的仪器进行处理，就可达到自动控制等各种目的。三、实验器材铁架台，温度计，多用电表，烧杯，开水(可装在热水瓶内)，冷水，热敏电阻，光敏电阻，导线，纸带，光电计数器，钩码。四、实验步骤1．热敏电阻特性实验：如图所示。①在烧杯内倒入少量冷水，放在铁架台上，将悬挂在铁架台上的温度计放入水中。②将多用电表的选择开关置于“欧姆”挡，将两支表笔短接，调零后再将两支表笔分别与热敏电阻的两个输出端相连。③将热敏电阻放入烧杯内的水中，在欧姆挡上选择合适的倍率，再重新调零，把两支表笔接到热敏电阻两输出端，观察表盘指示的热敏电阻的阻值，填入表格内。实验记录：实验次数123456温度/℃      电阻/Ω      ④分几次向烧杯内倒入开水，观察不同温度时热敏电阻的阻值，记录在表格内。⑤通过比较这些测得的数据，看看热敏电阻的阻值是怎样随温度变化的。⑥将多用电表的选择开关置于交流电压最高挡或“OFF”挡，拆开装置，将器材按原样整理好。2．光敏电阻特性实验：如图所示。①将多用电表的选择开关置于欧姆挡，选择合适的倍率，将两支表笔短接后调零。②把多用电表的两支表笔接到光敏电阻的两个输出端，观察表盘指示的光敏电阻的阻值，记录下来。③将手张开放在光敏电阻的上方，挡住照到光敏电阻上的部分光线，观察表盘所示光敏电阻阻值的变化，记录下来。④上下移动手掌，观察光敏电阻阻值的变化。⑤将多用电表的选择开关置于交流电压最高挡或“OFF”挡，拆开装置，将器材按原样整理好。3．光电计数的基本原理将钩码放在纸带上，如图所示。拖动纸带向前运动，观察光电计数器上的数字变化。4．简单自动控制实验请同学们自己设计一个由热敏电阻或光敏电阻作为传感器的简单自动控制实验。五、注意事项1．在做热敏实验时，加开水后要等一会再测其阻值，以使电阻温度与水的温度相同，并同时读出水温。2．可用图像描出电阻随温度的变化图像来分析其规律。3．光敏实验中，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射到光敏电阻上的光的多少。4．光电计数器是比较精密的仪器，使用过程中注意轻拿轻放。核心考点·重点突破HE XIN KAO DIAN ZHONG DIAN TU PO考点一　用温度传感器设计控制电路例1　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R2(选填“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650.0 Ω；滑动变阻器的滑片应置于b(选填“a”或“b”)端附近，不能置于另一端的原因是接通电源后，流过报警器的电流会超过20 mA，报警器可能损坏。②将开关向  c (选填“c”或“d”)端闭合，缓慢移动滑动变阻器的滑片，直至报警器开始报警。(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]　(1)电路图连接如图。(2)报警器开始报警时，对整个回路有 U＝Ic(R滑＋R热)代入数据可得R滑＝1 150.0 Ω，因此滑动变阻器应选择R2。(3)①在调节过程中，电阻箱起到等效替代热敏电阻的作用，电阻箱的阻值应为报警器报警时热敏电阻的阻值，即为650.0 Ω。滑动变阻器在电路中为限流接法，滑片应置于b端附近，若置于另一端a时，闭合开关，则电路中的电流I＝ A≈27.7 mA，超过报警器最大电流20 mA，报警器可能损坏。②开关应先向c端闭合，移动滑动变阻器的滑片，直至报警器开始报警为止。考点二　用光传感器设计控制电路例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：照度/lx0.20.40. 60.81.01.2电阻/kΩ754028232018(1)根据表中数据，请在图甲给定的坐标系中描绘出光敏电阻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)提供的器材如下：光敏电阻Rp(符号，阻值见图表)；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。[答案]　(1)光敏电阻的阻值随光照变化的曲线如图甲所示，光敏电阻的阻值随光的照度的增大非线件减小(2)电路原理图见图乙[解析]　(1)根据表中的数据，在坐标纸上描点连线，得到如答案中所示的变化曲线。阻值随照度变化的特点：光敏电阻的阻值随光的照度的增大非线性减小。(2)因天色渐暗照度降低至1.0 lx时启动照明系统，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，故应串联一个分压电阻，分压电阻阻值为10 kΩ，即选用R1；此电路的原理图见答案。考点三　实验拓展应用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)。例3　传感器是把非电学量(如速度、温度、压力等)的变化转换成电学量的变化的一种元件，在自动控制中有着相当广泛的应用。有一种测量人的体重的电子秤，其测量部分的原理图如图中的虚线框所示，它主要由压力传感器R(电阻值会随所受压力大小发生变化的可变电阻)和显示体重大小的仪表 (实质是理想电流表)组成。压力传感器表面能承受的最大压强为1×107 Pa，且已知压力传感器的电阻R与所受压力的关系如表所示。设踏板和压杆的质量可以忽略不计，接通电源后，压力传感器两端的电压恒为4.8 V，g取10 m/s2。请作答：压力 F/N0250500750100012501500…电阻R/Ω300270240210180150120…(1)该秤零点(即踏板空载时)的刻度线应标在电流表刻度盘1.6×10－2 A处。(2)如果某人站在该秤踏板上，电流表刻度盘的示数为20 mA，这个人的质量是50kg。[解析]　(1)由题表格知，踏板空载时，压力传感器的电阻R＝300 Ω，此时电流表中电流I＝＝ A＝1.6×10－2 A。(2)当电流I′＝20 mA＝2×10－2 A时，压力传感器的电阻R′＝＝ Ω＝240 Ω，由表格可知，这个人受到的重力为500 N，此人质量为50 kg。〔变式训练〕(多选)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，下列说法中正确的是(　CD　)A．在图示位置时刻d点电势低于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[解析]　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点电势低于d点，故A 项错误；最终电子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，有q＝qvB，所以U＝Bbv，输出脉冲电压的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年高考·1年模拟2 NIAN GAO KAO 1 NIAN MO NI1．(2020·上海黄浦区调研)如图所示，用力传感器A、B共同支起一个质量为m的光滑球。其中A对球的作用力方向与水平方向间夹角始终为30°，B对球的作用力方向可调，为使球保持平衡，传感器B对球作用力的作用点所在范围为②③   (在区域①、②、③、④、⑤中选填)，作用力的最小值为mg。(重力加速度为g)[解析]　以球为研究对象，受重力mg和力传感器A对它的支持力FA及力传感器B对它的作用力FB，如图所示，为使球保持平衡，根据平行四边形定则可知，传感器B对球作用力的作用点所在范围应在②③区域内。当传感器B对球的作用力FB与传感器A对它的支持力FA垂直的时候，传感器B对球的作用力最小，最小值为FB＝gcos 30°＝mg。2．(2020·北京模拟)如图甲为某热敏电阻阻值随温度变化的图像，其中温度在－30 ℃～100 ℃之间变化。某同学用该热敏电阻RT制作测温装置。为实现测温，他根据伏安法测量热敏电阻阻值，然后根据图像读出温度。为测量北京冬季室外温度，可供使用的器材有：电压表V1(量程为0～3 V，内阻约为5 kΩ)；电压表V2(量程为0～5 V，内阻约为10 kΩ)；电流表A1(量程为0～10 mA，内阻约为100 Ω)；电流表A2(量程为0～200 μA，内阻约为1 000 Ω)；电源(电动势为3 V，内阻不计)；滑动变阻器R(最大阻值为20 Ω)；开关S；导线若干。甲(1)综合以上信息，请你帮助该实验小组设计出科学合理的测量热敏电阻阻值的电路图，其中电压表应选用V1(填“V1”或“V2”)，电流表应选用A2(填“A1”或“A2”)，将测量电路图画在方框内。[答案](2)根据热敏电阻的阻值随温度变化的特点，可以制成测温仪表，某同学设计了如图乙所示电路，电路元件有电源(电动势为3 V，内阻不计)、毫安表(量程0～1.5 mA、内阻不计)、滑动变阻器(R1最大阻值2 kΩ、R2最大阻值500 Ω)、开关、导线。实验中选用的滑动变阻器为R1(填“R1”或“R2”)，使用时先使A、B直接接在一起，调整滑动变阻器，使毫安表达到满偏，在毫安表此位置标注温度约为100(90～105均正确)℃，此后滑动变阻器阻值不改变。接入热敏电阻，不同温度对应表盘温度，则越靠近刻度盘右端表示的温度越高(填“高”或“低”)。毫安表示数为0.15 mA处温度约为－4 ℃。乙[解析]　(1)冬季北京室外温度约零下10摄氏度，热敏电阻阻值约24 kΩ，是大电阻，电源电动势确定，则最大电流I＝＝125 μA，电压表选择V1，电流表选择A2，并采用电流表内接法测电阻，电路图如答案图所示。(2)毫安表需要达到满偏，所以回路电阻R＝＝2 000 Ω，所以滑动变阻器选择R1；当A、B接在一起，相当于热敏电阻阻值为零，此时温度约为100 ℃；根据闭合电路欧姆定律I＝，电流小RT大，说明温度低，所以电流大说明温度高。根据前面公式，当I＝0.15 mA时，RT＝18 kΩ，根据图像，温度约为－4℃。