2020年高考物理一轮复习文档：第12章交变电流传感器实验专题（十三）第58讲

第58讲　传感器的简单使用
考点一　光敏电阻

研究光敏电阻的光敏特性
1．实验原理
闭合电路欧姆定律，用多用电表进行测量和观察。
2．实验器材
光敏电阻、多用电表、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、电源按如图所示电路连接好，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。

(2018·济南模拟)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。

(2)光敏电阻的阻值随照度变化的特点是______________________。

(3)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。直流电源电动势E＝3 V，内阻不计；光敏电阻RP(符号，阻值见表格)；定值电阻R1＝10 kΩ。求当天色渐暗照度降低至________lx时启动照明系统。并将电路图补充完整。(不考虑控制开关对所设计电路的影响)
解析　(1)根据表中实验数据在坐标系内描出对应点，然后根据描出的点作出图象，图象如图所示。

(2)由第(1)问答图可以看出，光敏电阻的阻值随照度变化的特点是：光敏电阻的阻值随照度的增大非线性减小。

(3)由题意，天色越暗，光敏电阻阻值越大，1、2两端电压越大，故1、2两端之间接光敏电阻，电路图如图所示。当光敏电阻两端电压为2 V时，定值电阻两端电压为1 V，由串联电路的分压特点得：
＝＝，则RP＝2R1＝2×10 kΩ＝20 kΩ。
由表格中的数据可知，当天色渐暗照度降低至1.0 lx时光敏电阻阻值为20 kΩ，两端电压为2 V，会启动照明系统。
答案　(1)图见解析
(2)光敏电阻的阻值随照度的增大非线性减小
(3)1.0　电路图见解析
方法感悟
在设计光控电路时，光敏电阻是其中最核心的元件。

　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”是表示光强弱程度的物理量，符号为E，单位为坎德拉(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)。

(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________cd。
答案　(1)4.5　(2)C　　(3)3
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错误，C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：Rx′＝6 Ω，此时光照强度E′＝＝3 cd。
考点二　热敏电阻和金属热电阻

1．研究热敏电阻的热敏特性
(1)实验原理
闭合电路欧姆定律，用多用电表进行测量和观察。
(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1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R－t坐标系中，粗略画出热敏电阻的阻值随温度变化的图线，如图2所示。

(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。
2．金属热电阻
金属的电阻率随温度的升高而增大，用金属丝也可以制作温度传感器，称为热电阻。如图3所示为某金属导线的电阻—温度特性曲线。

3．热敏电阻与金属热电阻的区别



(2018·洛阳模拟)如图所示，图甲为热敏电阻的R­t图象，图乙为用此热敏电阻R和继电器组成的一个简单恒温箱温控电路，继电器线圈的电阻为150 Ω。当线圈中的电流大于或等于20 mA时，继电器的衔铁被吸合。为继电器线圈供电的电池的电动势E＝6 V，内阻可以不计。图中的“电源”是恒温箱加热器的电源。
(1)应该把恒温箱内的加热器接在________(选填“A、B端”或“C、D端”)。
(2)如果要使恒温箱内的温度保持100 ℃，可变电阻R′的值应调节为________ Ω。
(3)为使恒温箱内的温度保持在更高的数值，可变电阻R′的值应________(选填“增大”或“减小”)。

解析　(1)当温度较低的时候，热敏电阻的阻值较大，电路中的电流较小，此时继电器的衔铁与AB部分连接，此时是需要加热的，恒温箱内的加热器要工作，所以该把恒温箱内的加热器接在A、B端。
(2)当温度达到100 ℃时，加热电路就要断开，此时继电器的衔铁要被吸合，即控制电路的电流要到达20 mA，根据闭合电路欧姆定律可得，I＝，其中R＝50 Ω，R0＝150 Ω，解得R′＝100 Ω。
(3)由以上可知，为使恒温箱内的温度保持在更高的数值，则可变电阻R′的值应增大，会导致R电阻变小，从而实现目标。
答案　(1)A、B端　(2)100　(3)增大
特别提醒
热敏电阻和金属热电阻都可以用来做温度传感器，但其阻值随温度变化的规律不同。

(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，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，即防止因电流过大而损坏报警器。
②应将开关向c端闭合，然后缓慢移动滑动变阻器的滑片，直至报警器开始报警。
考点三　其他传感器

1．传感器的工作原理
传感器能够将感受到的物理量(力、热、光、声等)转换成便于测量的量(一般是电学量)。
除常用的热敏电阻、光敏电阻外，传感器还有好多种类，比如霍尔元件可以将磁信号转换成电信号；压力传感器可以将压力信号转换成电信号等。
其工作过程如图：

2．传感器的工作步骤
(1)信息采集。
(2)信息加工、放大、传输。
(3)利用所获得的信息执行某种操作。
3．传感器的应用
(1)力传感器的应用——电子秤。
(2)温度传感器的应用——电熨斗、电饭锅。
(3)光传感器的应用——火灾报警器。

(2018·衡水模拟)某兴趣小组为了研制一台“电子秤”，找到一个力电转换传感器，该传感器的输出电压正比于受压面的正压力，实验操作时，先调节传感器输入端的电压(要求从零开始调节)，使力电转换传感器在空载时的输出电压为零，而后在其受压面上放一物体，即可测得与物体的质量成正比的输出电压。
(1)如图所示，E为直流电源，S为开关；R为滑动变阻器；V为电压表，在图中用笔画线代替导线连接成实验电路图。

(2)若将质量为m0的砝码放在力电转换传感器的受压面上，电压表的示数为U0；然后取下砝码，再将待测物体放在力电转换传感器的受压面上，电压表的示数为U，则待测物体的质量m＝________。
解析　(1)要求力电转换传感器的输入电压可调，并且可使电压的调节范围尽可能大，所以滑动变阻器采用分压式接法，如图所示。

(2)由以上测量的原理可知，U0＝km0g，U＝kmg，得：
m＝m0。
答案　(1)图见解析　(2)m0
方法感悟
(1)不论什么传感器，都是将有关信号先转换成电信号，然后经放大后再进入显示器或控制执行机构执行命令。
(2)有关传感器的题目往往同电路问题联系密切，解题时经常用到欧姆定律。




“用霍尔元件测量磁场”的实验中，把载流子为带负电的电子e的霍尔元件接入电路，如图甲所示，电流为I，方向向右，长方体霍尔元件长、宽、高分别为a＝6.00 mm、b＝5.00 mm、c＝0.20 mm，处于竖直向上的恒定匀强磁场中。

(1)前后极板M、N，电势较高的是________(选填“M极”或“N极”)。
(2)某同学在实验时，改变电流的大小，记录了不同电流下对应的UH值，如表所示：


请根据表格中的数据，在坐标乙中画出UH­I图象。
已知该霍尔元件单位体积中自由载流子个数为n＝6.25×1019 m－3，则根据图象，由公式I＝nebcv，可算出磁场B＝________ T(保留两位有效数字)。

(3)有同学认为代表了霍尔元件的电阻，请问这种看法正确吗？请说明理由：_______________________。
答案　(1)M极　(2)图象见解析图　0.016
(3)不正确，电流I不是由UH产生的
解析　(1)因电子的运动方向与电流方向相反，依据左手定则，可知，电子受到的洛伦兹力方向偏向N极，那么M极的电势较高。
(2)依据表格数据，作出UH­I图象，如图所示：

根据e＝eBv，则有：UH＝Bbv，而I＝nebcv，可得，UH＝I，而依据UH­I图象，可知，其斜率为k≈7.8；
因此磁场B＝7.8×6.25×1019×1.6×10－19×0.2×10－3 T＝0.016 T。
(3)电流I不是由UH产生的，UH是外电压，那么代表了外电阻，而霍尔元件的电阻为内电阻，因此这种看法不正确。
课后作业
1．(2018·武汉高中毕业生5月训练题)如图是某温度检测和光电控制加热装置的原理图。RT为热敏电阻(温度升高，阻值减小)，用来探测加热电阻丝R的温度。RG为光敏电阻(光照强度增大，阻值减小)，接收小灯泡L的光照。其他电阻均为定值电阻。当R处温度升高后，下列说法正确的是(　　)

A．灯泡L将变暗
B．RG的电压将增大
C．R的功率将增大
D．R的电压变化量与R2的电流变化量的比值不变
答案　D
解析　当R处温度升高时，RT阻值变小，左边回路中电流增大，小灯泡L的功率增大，灯泡L将变亮，故A错误；L的光照强度增大，则RG阻值变小，右侧并联电路的总电阻变小，总电流变大，E2的内电压增大，则其路端电压变小，总电流增大，则R2两端电压增大，所以右侧电路并联部分电压减小，R的电压减小，则R的功率将减小，R的电流减小，而总电流增大，则通过R3的电流增大，R3的电压将增大，所以RG的电压将减小，故B、C错误；设RG阻值变化前后R的电压分别为U、U′，R2的电流分别为I、I′，则E2＝I(R2＋r2)＋U，E2＝I′(R2＋r2)＋U′，两式相减得0＝ΔI(R2＋r2)＋ΔU，其中ΔI＝I′－I，ΔU＝U′－U，所以R的电压变化量与R2的电流变化量的比值＝－(R2＋r2)，保持不变，故D正确。
2．(2016·北京高考)热敏电阻常用于温度控制或过热保护装置中。图为某种热敏电阻和金属热电阻的阻值R随温度t变化的示意图。由图可知，这种热敏电阻在温度上升时导电能力________(选填“增强”或“减弱”)；相对金属热电阻而言，热敏电阻对温度变化的影响更________(选填“敏感”或“不敏感”)。

答案　增强　敏感
解析　由题图可得出热敏电阻的阻值随温度升高而减小，随着阻值减小导电能力增强。在变化相同的温度时，热敏电阻阻值变化量要大于金属热电阻，故热敏电阻对温度变化的影响更敏感。
3．(2017·江苏高考)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。

(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E2＝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。
4．(2018·福建省高三毕业质量检测)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a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。选用的压敏电阻阻值Rx随压力F变化的规律如图b所示。

(1)实验中随着压力F的增大，电压表的示数________。(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，则定值电阻阻值R0＝________ Ω，压力0 N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__________________。
答案　(1)变大　(2)240　1.5　(3)Rx＝－240
解析　(1)根据闭合电路欧姆定律可知，电压表的示数U＝E，由图b可知，压力越大Rx越小，U越大，故电压表的示数变大。
(2)由图b可知，当F1＝160 N时，Rx1＝80 Ω，此时电压表的示数为U1＝3 V，由U1＝E，得R0＝Rx1＝ Ω＝240 Ω；由图b可知，当F2＝0 N时，Rx2＝400 Ω，此时电压表的示数为U2＝E＝ V＝1.5 V，可见压力0 N对应电压表1.5 V刻度。
(3)若选用图b的压敏电阻，则Rx与压力F的关系式为Rx＝400－2F，代入U＝E，可得U与F的关系式为U＝，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，应另选用压敏电阻，且仍要满足量程为0～160 N，F＝0 N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 N时、U1＝1.5 V，F2＝160 N时、U2＝3 V，可得b＝1.5，k＝，又U＝E＝，解得Rx＝－240。
5．(2018·哈尔滨三中二模)(1)某同学用如图甲所示的电路测量一个电容器的电容，图中R为20 kΩ的电阻，电源电动势为6.0 V，内阻可不计。

①实验时先将开关S接1，经过一段时间后，当电流表示数为________ μA时表示电容器极板间电压最大。
②将开关S接2，将传感器连接在计算机上，经处理后画出电容器放电的i­t图象，如图乙所示。由图象可知，图象与两坐标轴所围的面积表示电容器放出的电荷量。试根据i­t图象，求该电容器所放出的电荷量Q＝________ C；该电容器的电容C＝________ μF。(计算结果保留两位有效数字)

(2)如图丙是某金属材料制成的电阻阻值R随摄氏温度t变化的图象，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(电动势E、内阻r)、电流表A(内阻Rg)、滑动变阻器R′串联起来，连接成如图丁所示的电路，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，就得到了一个简单的“金属电阻温度计”。使用“金属电阻温度计”前，先要把电流表(“0”刻线在刻度盘左侧)的刻度值改为相应的温度刻度值，若温度t1