2020版高考物理新创新一轮复习通用版讲义：第十一章第71课时　传感器的简单使用（实验增分课）

第71课时　传感器的简单使用(实验增分课)一、实验目的1．认识热敏电阻、光敏电阻等敏感元器件的特性。2．了解传感器的使用方法。二、实验原理1．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)。2．传感器工作过程如图所示。三、实验器材热敏电阻、光敏电阻、多用电表、铁架台、烧杯、冷水、热水、小灯泡、学生电源、继电器、滑动变阻器、开关、导线等。谨记部分器材用途光敏电阻光照增强时电阻变小热敏电阻温度升高时电阻变小多用电表测量敏感元件的电阻继电器自动控制电路的元件，相当于开关　　四、实验过程1．研究热敏电阻的特性(1)实验步骤①按图示连接好电路，将热敏电阻绝缘处理。②将热水和冷水分n次注入烧杯中，记录每一次温度值和两电表读数。③利用R＝计算出每一次热敏电阻的阻值。(2)数据处理①根据记录数据，把测量到的温度值和电阻值填入表中，分析热敏电阻的特性。温度(℃)      电阻(Ω)       ②在坐标系中，粗略画出热敏电阻的阻值随温度变化的图线。③根据R­t图线，得出结论(热敏电阻的阻值随温度的升高而减小)。2．研究光敏电阻的特性(1)实验步骤①将光敏电阻、多用电表、小灯泡、滑动变阻器按如图所示电路连接好，并将多用电表置于欧姆“×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，观察表盘指针显示电阻阻值的情况，并记录。④用手掌(或黑纸)遮光，观察表盘指针显示电阻阻值的情况，并记录。(2)数据处理把记录的结果填入表中，根据记录数据分析光敏电阻的特性。光照强度弱中强无光照射阻值(Ω)    结论：光敏电阻的阻值被光照射时发生变化，光照增强电阻变小，光照减弱电阻变大。五、注意事项1．在做热敏电阻实验时，加入水后要等一会儿再测其阻值，以使电阻温度与水的温度相同，并同时读出水温和电压、电流值。2．光敏电阻实验中，如果效果不明显，可将电阻部分电路放入带盖的纸盒中，并通过盖上的小孔改变照射到光敏电阻上的光的强度。1．数码相机的普及逐渐淘汰了传统胶片相机。数码相机的主要部件是电荷耦合器(CCD)，能将光学量转化为电学量。该部件可视为一种(　　)A．力传感器　　　　　　 B．温度传感器C．光传感器  D．霍尔元件解析：选C　由题意可知CCD能把光学量转化为电学量，因而是一种光传感器，C正确。2.如图所示，将一光敏电阻接在多用电表两表笔上，将多用电表的选择开关置于欧姆挡，用光照射光敏电阻时，表针自左向右的偏角为θ；现用手掌挡住部分光线，表针自左向右的偏角为θ′，则可判断(　　)A．θ′＝θ  B．θ′<θC．θ′>θ  D．不能确定解析：选B　光敏电阻的阻值随光照强度的增强而减小，用手掌挡住部分光线，阻值变大，由欧姆挡的特点知，表针向左偏，故表针自左向右的偏转角度θ′<θ。故B正确。3.如图所示是观察电阻R的阻值随温度变化情况的原理图，现在将杯中的冷水加热，关于欧姆表的读数变化情况正确的是(　　)A．如果R为金属热电阻，读数变大，且变化非常明显B．如果R为金属热电阻，读数变小，且变化不明显C．如果R为热敏电阻(用半导体材料制作)，读数变化非常明显D．如果R为热敏电阻(用半导体材料制作)，读数变化不明显解析：选C　如果R为金属热电阻，则读数变大，但不会非常明显，故A、B错；如果R为热敏电阻，读数变化非常明显，故C对，D错。4．如图1所示为某一热敏电阻(电阻值随温度的改变而改变，且对温度很敏感)的I­U关系图线。(1)为了通过测量得到如图1所示I­U关系的完整图线，在图2甲和乙两个电路中应选择的电路是________(选填“甲”或“乙”)；简要说明理由：______________________。(2)在如图3所示电路中，电源电压恒为9 V，电流表读数为70 mA，定值电阻R1＝250 Ω。由热敏电阻的I­U关系图线可知，热敏电阻两端的电压为________V；电阻R2的阻值为________Ω。解析：(1)应选择电路甲，因为电路甲电压可从0调到所需电压，电压调节范围大。(2)由题图3知R2与热敏电阻串联后，与R1并联接在9 V 电源上，总电流I＝70 mA，R1＝250 Ω。设通过热敏电阻的电流为I2，通过R1的电流为I1，则I＝I1＋I2，故I2＝I－I1＝mA＝34 mA。由题图1查得34 mA对应的电压约为5.1 V，R2两端电压U2＝9 V－5.1 V＝3.9 V，所以R2＝≈114.7 Ω。答案：(1)甲　因为电路甲电压可从0调到所需电压，电压调节范围大　(2)5.1　114.75．(1)如图甲所示为某宾馆的房卡，只有把房卡插入槽中，房间内的灯和插座才会有电。房卡的作用相当于一个________(填电路元件名称)接在干路上。(2)如图乙所示，当房客进门时，只要将带有磁铁的卡P插入盒子Q中，这时由于磁铁吸引簧片，开关B就接通，通过继电器J使整个房间的电器的总开关接通，房客便能使用室内各种用电器。当继电器工作时，cd相吸，ab便接通。请你将各接线端1、2、3、4、5、6、7、8、9、10适当地连接起来，构成正常的电门卡电路。解析：(1)房卡可以控制房间内的灯和插座，不插入槽中，房间内所有的灯和插座都不工作，所以房卡相当于干路上的开关。(2)将开关B与电源E、线圈连成一个回路；将三个灯泡所在电路与交流电源接成回路，即按8—7,4—5,6—9,1—3,2—10连接起来，构成正常的电门卡电路如图所示。答案：(1)开关　(2)见解析图传感器可以看成一种电学元件，所以对传感器实验的考查，归根结底还是对电学电路实验的考查。　　 [例1]　某些固体材料受到外力后除了产生形变，其电阻率也要发生变化，这种由于外力的作用而使材料电阻率发生变化的现象称为“压阻效应”。现用如图甲所示的电路研究某长薄板电阻Rx的压阻效应，已知电阻Rx的阻值变化范围为几欧到几十欧，实验室中有下列器材：A．电源E(3 V，内阻约为1 Ω)B．电流表A1(0～0.6 A，内阻r1＝5 Ω)C．电流表A2(0～0.6 A，内阻r2约为1 Ω)D．开关S，定值电阻R0(1)为了比较准确地测量电阻Rx的阻值，请完成图甲虚线框内电路图的设计。(2)在电阻Rx上加一个竖直向下的力F(设竖直向下为正方向)，闭合开关S，记下电流表读数，电流表A1读数为I1，电流表A2读数为I2，得Rx＝________(用字母表示)。(3)改变力F的大小，得到不同电阻Rx的值。然后让力F反向从下向上挤压电阻Rx，并改变力F的大小，得到不同电阻Rx的值，最后绘成图像如图乙所示，除观察到电阻Rx的阻值随力F增大而均匀减小外，还可得到的结论是_________________________________，当力F竖直向下时可得电阻Rx与其所受力F的数值关系式是Rx＝________。[三步化“新”为“熟”]1．本实验的实验目的是研究长薄板电阻Rx的“压阻效应”。2．实验原理是伏安法测电阻，但本题中没有给出电压表，则可将内阻已知的一只电流表改装为电压表后进行测量。3．数据处理是测出电流表A1、A2的读数I1、I2，则被测电阻的电压U＝I1r1，通过电阻的电流I＝I2－I1，则电阻Rx＝＝，多次测量获得不同力F下的Rx值。作出RxF图像，分析图像就可以得知薄板电阻Rx“压阻效应”的规律。[解析]　(1)测量电阻Rx的阻值需要测出电阻Rx两端电压与通过电阻Rx的电流，所给实验器材中没有电压表，可以用已知内阻的电流表A1与待测电阻Rx并联，测出电阻Rx两端电压，用电流表A2串联在电路中测电路电流，实验电路图如图所示。(2)电流表A1两端的电压U＝I1r1，通过电阻Rx的电流I＝I2－I1，故电阻Rx的阻值为Rx＝＝。(3)由题图乙所示图像可知，该图像具有对称性，当正、反向力F大小相等时，对应的电阻Rx阻值相等；由题图乙可知，电阻与力F是一次函数关系，设关系式为Rx＝R0＋kF，由题图乙可知R0＝16 Ω，把Rx＝14 Ω，F＝1 N代入关系式，解得k＝－2，则数值关系式为Rx＝16－2F。[答案]　(1)见解析图　(2)　(3)当正、反向力F大小相等时，对应的电阻阻值相等　16－2F[例2]　(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________(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。 [三步化“新”为“熟”]1．本实验的目的是设计报警电路并对电路进行调节。2．本题从热敏电阻的应用、电路设计、等效替代、估算法等几方面进行了实验创新，而在仪器的选择、滑动变阻器的限流式连接、电阻箱的等效替代等方面和其他电学实验是一致的。3．本题进行数据处理的前提和关键在于弄清实验原理，完成电路图的连接后，利用欧姆定律进行计算。[解析]　(1)电路图连接如图所示。(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用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，闭合开关时，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。[答案]　(1)连线见解析图　(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 [创新角度归纳]实验原理的拓展使用热敏电阻、光敏电阻、压敏电阻等敏感元件可以实现自动报警、自动控制等实验器材的替代 使用单刀双掷开关实现热敏电阻和电阻箱的等效替代，如图所示数据处理的创新利用估算法、图像法处理实验数据或者选择滑动变阻器，利用等效替代法对含敏感元件的电路进行调试