第十三章 3传感器 高三物理一轮复习

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目录「温度传感器」「光电传感器」「力学传感器」「温度传感器」1.某小组利用图a所示的电路，研究硅二极管在恒定电流条件下的正向电压U与温度t的关系，图中和为理想电压表；R为滑动变阻器，R0为定值电阻(阻值100 Ω)；S为开关，E为电源。实验中二极管置于控温炉内，控温炉内的温度t由温度计(图中未画出)测出。图b是该小组在恒定电流为50.0 μA时得到的某硅二极管U­t关系曲线。回答下列问题：（1）实验中，为保证流过二极管的电流为50.0 μA，应调节滑动变阻器R，使电压表的示数为U1＝________ mV；根据图b可知，当控温炉内的温度t升高时，硅二极管正向电阻________(填“变大”或“变小”)，电压表示数________(填“增大”或“减小”)，此时应将R的滑片向________(填“A”或“B”)端移动，以使示数仍为U1。（2）由图b可以看出U与t成线性关系。硅二极管可以作为测温传感器，该硅二极管的测温灵敏度为＝________×10－3 V/℃(保留2位有效数字)。【答案】（1）5.00，变小，增大，B；（2）2.8【解析】（1）、是理想电压表，则R0与硅二极管串联，电流相等，R0两端电压U1＝IR0＝50.0×10－6×100 V＝5.00×10－3 V＝5.00 mV。由U­t图象知，当控温炉内温度t升高时，U变小，又I＝50.0 μA不变，故硅二极管正向电阻变小；当控温炉内温度升高时，硅二极管电阻变小，反过来影响电路中电流，由闭合电路欧姆定律知，电路中电流增大，示数增大；要保持示数不变，需增大滑动变阻器的阻值，即将滑片向B端移动。（2）由U­t图象的斜率可知：＝ V/℃＝2.8×10－3 V/℃。2.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1000 Ω)，滑动变阻器R2(最大阻值为2000 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________(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）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【解析】（1）见答案。（2）由R＝＝ Ω＝1800 Ω可知，此时热敏电阻的阻值为650.0 Ω，则滑动变阻器的阻值为1150 Ω，故滑动变阻器应选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，直至报警器开始报警。3.由半导体材料制成的热敏电阻阻值是温度的函数。基于热敏电阻对温度敏感原理制作一个火灾报警系统，要求热敏电阻温度升高至50 ℃时，系统开始自动报警。所用器材有：直流电源E(36 V，内阻不计)；电流表(量程250 mA，内阻约0.1 Ω)；电压表(量程50 V，内阻约1 MΩ)；热敏电阻RT；报警器(内阻很小，流过的电流超过10 mA时就会报警，超过30 mA时就会损伤)；滑动变阻器R1(最大阻值4 000 Ω)；电阻箱R2(最大阻值9 999.9 Ω)；单刀单掷开关S1；单刀双掷开关S2；导线若干。（1）用图a所示电路测量热敏电阻RT的阻值。当温度为27 ℃时，电压表读数为30.0 V，电流表读数为15.0 mA；当温度为50 ℃时，调节R1，使电压表读数仍为30.0 V，电流表指针位置如图b所示。温度为50 ℃时，热敏电阻的阻值为________ Ω。从实验原理上看，该方法测得的阻值比真实值略微________(填“偏大”或“偏小”)。如果热敏电阻阻值随温度升高而变大，则其为正温度系数热敏电阻，反之为负温度系数热敏电阻。基于以上实验数据可知，该热敏电阻RT为________(填“正”或“负”)温度系数热敏电阻。（2）某同学搭建一套基于该热敏电阻的火灾报警系统，实物图连线如图c所示，其中有一个器件的导线连接有误，该器件为________(填器件名称)。正确连接后，先使用电阻箱R2进行调试，其阻值设置为________Ω，滑动变阻器R1阻值从最大逐渐减小，直至报警器开始报警，此时滑动变阻器R1连入电路的阻值为________ Ω。调试完毕后，再利用单刀双掷开关S2的选择性开关功能，把热敏电阻RT接入电路，可方便实现调试系统和工作系统的切换。           c【答案】（1）600，偏大，负；（2）R1，600，3 000【解析】（1）温度为50 ℃时，由图b可知，电流表示数为50 mA，根据欧姆定律可得，热敏电阻的阻值RT＝＝ Ω＝600 Ω；由于电流表内接，导致测量值比真实值略微偏大；根据欧姆定律可知，在温度为27 ℃时，热敏电阻的阻值为2 000Ω，说明该热敏电阻为负温度系数热敏电阻。（2）由图c可知，滑动变阻器R1接入电路用了上边两个接线柱，无法起到变阻器的作用；为了保证在50 ℃时报警器刚好能够报警，设置电阻箱R3的阻值为600 Ω；报警时的总电阻为R总＝＝ Ω＝3 600 Ω，此时滑动变阻器连入电路的阻值为R1＝3 600 Ω－600 Ω＝3 000 Ω。4.某同学通过实验制作一个简易的温控装置，实验原理电路图如图1所示，继电器与热敏电阻Rt、滑动变阻器R串联接在电源E两端，当继电器的电流超过15 mA时，衔铁被吸合，加热器停止加热，实现温控。继电器的电阻约20 Ω，热敏电阻的阻值Rt与温度t的关系如下表所示。t/℃30.040.050.060.070.080.0Rt/Ω199.5145.4108.181.862.949.1（1）提供的实验器材有：电源E1(3 V，内阻不计)、电源E2(6 V，内阻不计)、滑动变阻器R1(0～200 Ω)、滑动变阻器R2(0～500 Ω)、热敏电阻Rt、继电器、电阻箱(0～999.9 Ω)、开关S、导线若干。为使该装置实现对30 ℃～80 ℃之间任一温度的控制，电源E应选用_______(选填“E1”或“E2”)，滑动变阻器R应选用________(选填“R1”或“R2”)。（2）实验发现电路不工作。某同学为排查电路故障，用多用电表测量各接点间的电压，则应将如图2所示的选择开关旋至________(选填“A”“B”“C”或“D”)。（3）合上开关S，用调节好的多用电表进行排查。在图1中，若只有b、c间断路，则应发现表笔接入a、b时指针________(选填“偏转”或“不偏转”)，接入a、c时指针________(选填“偏转”或“不偏转”)。（4）排除故障后，欲使衔铁在热敏电阻为50 ℃时被吸合，下列操作步骤的正确顺序是________。(填写各步骤前的序号)①将热敏电阻接入电路②观察到继电器的衔铁被吸合③断开开关，将电阻箱从电路中移除④合上开关，调节滑动变阻器的阻值⑤断开开关，用电阻箱替换热敏电阻，将阻值调至108.1 Ω【答案】（1）E2，R2，（2）C；（3）不偏转，偏转；（4）⑤④②③①【解析】（1）若实现对30 ℃温度的控制继电器和Rt的电压U＝0.015×(20＋199.5)V≈3.29 V，因此符合要求的电源应选E2。若实现对80 ℃温度的控制，对全电路有E＝I(R继＋Rt＋R)，即6 V＝0.015 A×(20 Ω＋49.1 Ω＋R)，解得R＝330.9 Ω。，因此滑动变阻器应选R2。（2）用多用电表测量直流电压时，选择开关应旋至C(直流电压挡)。（3）a、b间电压为0，指针不偏转。接入a、c时，多用电表与电源等构成回路，指针偏转。（4）连接电路时，先用电阻箱代替热敏电阻，调节滑动变阻器阻值，衔铁被吸合时，调节完毕，移除电阻箱换为热敏电阻即可，正确的顺序为⑤④②③①。「光电传感器」5.某同学为定性探究光敏电阻阻值随光照强度变化的关系，设计了如图(a)所示的电路。所用器材有：置于暗箱(图中虚线区域)中的光敏电阻RG、小灯泡和刻度尺；阻值为R的定值电阻；理想电压表；电动势为E、内阻为r的电源；开关S；导线若干。       实验时，先按图(a)连接好电路，然后改变暗箱中光源到光敏电阻的距离d，记录电压表的示数U，获得多组数据如下表。d/cm8.5010.0012.0013.5015.0017.0018.5020.0022.0023.5025.00U/mV271.0220.0180.0156.7144.9114.094.889.578.672.565.0回答下列问题：（1）光敏电阻阻值RG与电压表示数U的关系式为RG＝________(用E、r、R、U表示)；（2）在图(b)的坐标纸上补齐数据表中所给的第二组数据点，并作出U－d的非线性曲线：（3）依据实验结果可推断：光敏电阻的阻值随着光照强度的减小而________(填“增大”或“减小”)；（4）该同学注意到智能手机有自动调节屏幕亮度的功能，光照强度大时屏幕变亮，反之变暗。他设想利用光敏电阻的特性，实现“有光照射光敏电阻时，小灯泡变亮；反之变暗”的功能，设计了如图(c)所示电路，则电路中________(填“R1”或“R2”)为光敏电阻，另一个为定值电阻。【答案】（1）R－R－r；（2）见解析图；（3）增大；（4）R2【解析】（1）由闭合电路欧姆定律得E＝(R＋r＋RG)，得RG＝R－R－r。（2）作出第二组数据点，用平滑的曲线连起来。（3）由题知，当d增大，光照强度减小，U减小，由RG＝R－R－r可得RG增大。（4）若R1为光敏电阻，因为光照强度变大，R1电阻减小，由“串反并同”可知灯泡变暗；若R2为光敏电阻，光照强度变大，R2电阻减小，通过灯泡的电流增大，灯泡变亮，故R2为光敏电阻。6.某同学用光敏电阻和电磁继电器等器材设计自动光控照明电路。（1）光强(E)是表示光强弱程度的物理量，单位为坎德拉(cd)。如图a所示是光敏电阻阻值随光强变化的图线，由此可得到的结论是：__________________________________________。（2）如图b为电磁继电器的构造示意图，其中L为含有铁芯的线圈，P为可绕O点转动的衔铁，K为弹簧，S为一对触头，A、B、C、D为四个接线柱。工作时，应将________(填“A、B”或“C、D”)接照明电路。（3）请在图c中用笔画线代替导线，完成实物电路的连接。（4）已知电源电动势为3 V，内阻很小，电磁铁线圈电阻R0＝20.0 Ω，电流超过50 mA时可吸合衔铁。如果要求光强达到2 cd时，照明电路恰好接通，则图c中定值电阻R＝________ Ω。【答案】（1）随光照强度的增加，光敏电阻的阻值减小得越来越慢；（2）C、D；（3）图见解析；（4）21.5【解析】（1）从图a可知，光敏电阻的阻值随光照强度变化的规律是：随光照强度的增加，光敏电阻的阻值迅速减小，进一步增大光照强度，光敏电阻的阻值减小得越来越慢。（2）由电路原理可知，电磁铁线圈连接的是控制电路，S连接的是工作电路，故工作时，应将C、D接照明电路。（3）将光敏电阻和定值电阻接入控制电路，用电器接入工作电路，连接电路如图所示：（4）当外界光照强度达到2 cd时，由图a可知，光敏电阻的阻值R1＝18.5 Ω，照明电路恰好接通开始工作，电磁铁能吸合衔铁的电流I＝0.05 A，由I＝得，控制电路总电阻：R总＝＝＝60 Ω，根据串联电路电阻规律可知，定值电阻的阻值为：R＝R总－R0－R1＝60 Ω－20.0 Ω－18.5 Ω＝21.5 Ω。7.一台臭氧发生器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的电动势为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；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)。 【答案】如图所示【解析】因滑动变阻器最大阻值100 Ω远小于臭氧发生器P的电阻10 kΩ，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。「力学传感器」8.(多选)有一种测量人体重的电子秤，其原理如图中虚线内所示，它主要由三部分构成：踏板、压力传感器R(是一个阻值可随压力大小而变化的电阻器)、显示体重的仪表G(实质是理想电流表)。设踏板的质量可忽略不计，已知理想电流表的量程为3 A，电源电动势为12 V，内阻为2 Ω，电阻R随压力变化的数值关系为R＝30－0.02F(F和R的单位分别是N和Ω)。下列说法正确的是(　　)A．该秤能测量的最大体重是1400 NB．该秤能测量的最大体重是1300 NC．该秤零刻度线(即踏板空载时的刻度线)应标在电流表G刻度盘0.375 A处D．该秤零刻度线(即踏板空载时的刻度线)应标在电流表G刻度盘0.400 A处【答案】AC【解析】当电路中电流I＝3 A时，电子秤测量的体重最大，由闭合电路欧姆定律有I＝，解得此时R＝－r＝2 Ω，代入R＝30－0.02F可得该秤能测量的最大体重是F＝1400 N，故A正确，B错误；踏板空载时F＝0，代入R＝30－0.02F得到此时电阻R＝30 Ω，由闭合电路欧姆定律得I＝＝0.375 A，所以该秤零刻度线(即踏板空载时的刻度线)应标在电流表G刻度盘0.375 A处，故C正确，D错误。9.(2022·广西调研)为制作电子吊秤，物理小组找到一根拉力敏感电阻丝，拉力敏感电阻丝在拉力作用下发生微小形变(宏观上可认为形状不变)，它的电阻也随之发生变化，其阻值R随拉力F变化的图象如图a所示，小组按图b所示电路制作了一个简易“吊秤”。电路中电源电动势E＝3 V，内阻r＝19 Ω；灵敏毫安表量程、内阻均未知；R1是滑动变阻器，A、B两接线柱等高且固定。现将这根拉力敏感电阻丝套上轻质光滑绝缘环，将其两端接在A、B两接线柱上。通过光滑绝缘滑环可将重物吊起，不计敏感电阻丝重力。（1）为测量毫安表量程，该同学设计了如图c所示电路，闭合开关，调节R1滑片至中间位置附近某处，并将R2调到100 Ω时，毫安表恰好满偏，此时电压表示数为1.5 V；将R2调到250 Ω，微调滑动变阻器R1滑片位置，使电压表V示数仍为1.5 V，发现此时毫安表的指针恰好半偏，由以上数据可得毫安表的内阻Rg＝________Ω，毫安表的量程Ig＝________mA；（2）把毫安表接入如图b所示电路中，具体步骤如下：步骤a：滑环下不吊重物时，闭合开关，调节R1，使毫安表指针满偏；步骤b：滑环下吊重力为G的重物时，测出电阻丝与竖直方向的夹角为θ；读出此时毫安表示数I；步骤c：换用不同已知重力的重物，挂在滑环上记录每一个重力值对应的电流值；步骤d：将电流表刻度盘改装为重力刻度盘。若图a中R0＝50 Ω，图象斜率k＝0.50 Ω/N，测得θ＝60°，毫安表指针半偏，则待测重物重力G＝________N；（3）改装后的重力刻度盘，其零刻度线在电流表________(填“零刻度”或“满刻度”)处；（4）若电源电动势不变，内阻变大，其他条件不变，用这台“吊秤”称重前，进行了步骤a操作，则测量结果________(填“偏大”“偏小”或“不变”)。【答案】（1）50，10；（2）600；（3）满刻度；（4）不变【解析】（1）由图c可知电压表测量毫安表及R2所在支路两端的电压，根据欧姆定律可得Ig(Rg＋100 Ω)＝1.5 V，(Rg＋250 Ω)＝1.5 V，解得Rg＝50 Ω，Ig＝10 mA。（2）根据共点力平衡条件及平行四边形定则可知G＝2F cos θ，解得F＝。由题设知，当没有挂重物时，电流为满偏电流，即E＝Ig(r＋R1＋Rg＋R0)；当滑环下吊重力为G的重物时，有I＝，将题给毫安表指针半偏时的已知数据代入上式得待测重物重力G＝600 N。（3）由I＝可知，待测重物的重力越小，则电路的总电阻越小，则电流表示数越大，故改装后重力的零刻度线应在电流表满刻度处。（4）根据操作步骤a可知，若电源电动势不变，则电流表满偏时，r＋R1＋Rg＋R0＝不变，则当电源内阻r增大时，电阻R1会变小，而r＋R1的值不变，由重力刻度盘刻线的对应关系I＝，以及G与θ具有特定对应关系可知，I与G的对应关系不变，即测量结果不变。