高考物理一轮第11章 实验十二 传感器的简单应用.docx
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高考物理一轮第11章实验十二传感器的简单应用
实验十二 传感器的简单应用
1.实验目的
(1)了解常见传感器元件的作用。
(2)探究热敏电阻、光敏电阻的特性。
2.实验原理
传感器将感受到的非电学量(力、热、光、声等),转换成便于测量的电学量。
3.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。
4.实验过程
(1)研究热敏电阻的特性
①按如图所示连接好实物。
②将热水分几次注入烧杯中,测量每次水的温度、热敏电阻的阻值。
③总结:
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。
(2)研究光敏电阻的特性
①将光敏电阻、多用电表、灯泡、滑动变阻器按如图所示正确连接,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。
③打开电源,让小灯泡发光,调节灯泡的亮度使之逐渐变亮,观察光敏电阻的变化情况。
④用黑纸遮光时,观察光敏电阻的变化情况。
⑤总结:
光照增强光敏电阻阻值变小,光照减弱光敏电阻阻值变大。
考点一|热敏电阻的特性与应用
1.热敏电阻的特性
热敏电阻的阻值随温度升高而减小,随温度降低而增大。
2.热敏电阻的作用
将温度这个热学量转换为电阻这个电学量。
1.利用负温度系数热敏电阻(温度越高,电阻越小)制作的热传感器,一般体积很小,可以用来测量很小范围内的温度变化,反应快,而且精确度高。
(1)如果将负温度系数热敏电阻与电源、电流表和其他元件串联成一个电路,其他因素不变,只要热敏电阻所处区域的温度降低,电路中电流将变________(选填“大”或“小”)。
(2)上述电路中,我们将电流表中的电流刻度换成相应的温度刻度,就能直接显示出热敏电阻附近的温度。
如果刻度盘正中的温度为20℃(如图甲所示),则25℃的刻度应在20℃的刻度的________(选填“左”或“右”)侧。
甲 乙
(3)为了将热敏电阻放置在某蔬菜大棚内检测大棚内温度变化,请用图乙中的器材(可增加元器件)设计一个电路。
解析:
(1)因为温度降低时,负温度系数热敏电阻的阻值增大,故电路中电流会减小。
(2)由
(1)的分析知,温度越高,电流越大,25℃的刻度应对应较大电流,故在20℃的刻度的右侧。
(3)电路如图所示
答案:
(1)小
(2)右 (3)见解析
2.(2019·佛山模拟)如图甲表示某电阻R随摄氏温度t变化的关系,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(E,r)、电流表Rg、变阻器R′串联起来,连接成如图乙所示的电路,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,于是就得到了一个简单的“电阻测温计”。
甲 乙
(1)实际使用时要把电流表的刻度值改为相应的温度刻度值,若温度t1 (2)在标识“电阻测温计”的温度刻度时,需要弄清所测温度和电流的对应关系。 请用E、R0、K等物理量表示所测温度t与电流I的关系式: t=________________。 (3)由 (2)知,计算温度和电流的对应关系,需要测量电流表的内阻(约为200Ω)。 已知实验室有下列器材: A.电阻箱(0~99.99Ω);B.电阻箱(0~999.9Ω);C.滑动变阻器(0~20Ω);D.滑动变阻器(0~20kΩ)。 此外,还有电动势合适的电源、开关、导线等。 请在虚线框内设计一个用“半偏法”测电流表内阻Rg的电路;在这个实验电路中,电阻箱应选________;滑动变阻器应选________。 (只填代码) 解析: (1)由题图甲可知,金属温度升高电阻增大,电流计电流减小,可知t1刻度应在t2的右侧。 (2)由闭合电路欧姆定律知 E=I(R+R′+Rg+r) 由题图甲知R=R0+Kt 解得t= - (Rg+r+R′+R0)。 (3)采用半偏法测电阻值,电阻箱的最大阻值应该大于电流表的内阻,同时滑动变阻器应该选择阻值较大的,故电阻箱选择B,滑动变阻器选择D。 电路图如图所示。 答案: (1)右 (2) - (Rg+r+R′+R0) (3)电路图见解析 B D 3.如图所示,一热敏电阻RT放在控温容器M内; 为毫安表,量程6mA,内阻为数十欧姆;E为直流电源,电动势约为3V,内阻很小;R为电阻箱,最大阻值为999.9Ω,S为开关。 已知RT在95℃时的阻值为150Ω,在20℃时的阻值约为550Ω。 现要求在降温过程中测量在20~95℃之间的多个温度下RT的阻值。 (1)在图中画出连线,完成实验原理电路图。 (2)完成下列实验步骤中的填空: a.依照实验原理电路图连线。 b.调节控温容器M内的温度,使得RT的温度为95℃。 c.将电阻箱调到适当的阻值,以保证仪器安全。 d.闭合开关,调节电阻箱,记录电流表的示数I0,并记录________。 e.将RT的温度降为T1(20℃ f.温度为T1时热敏电阻的电阻值RT1=________。 g.逐步降低T1的数值,直到20℃为止;在每一温度下重复步骤e、f。 解析: (1)根据所给器材,要测量在不同温度下RT的阻值,只能将电阻箱、热敏电阻、毫安表与电源串联形成测量电路,如图所示。 (2)依照实验原理电路图连线;调节控温容器M内的温度,使得RT的温度为95℃,此时RT阻值为150Ω,将电阻箱调到适当的阻值,以保证仪器安全;闭合开关,调节电阻箱,记录毫安表的示数I0,并记录电阻箱的读数R0,根据欧姆定律有I0= ;将RT的温度降为T1(20℃ I0= ,则 = ,解得RT1=R0-R1+150Ω。 答案: (1)见解析 (2)d.电阻箱的读数R0 e.仍为I0 电阻箱的读数R1 f.R0-R1+150Ω 考点二|光敏电阻的特性与应用 1.光敏电阻的特性 光照增强光敏电阻变小,光照减弱光敏电阻变大。 2.光敏电阻的作用 将光照强弱这个光学量转换为电阻这个电学量。 1.一台臭氧发生器P的电阻为10kΩ,当供电电压等于24V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100Ω,黑暗时为1000Ω、允许通过的最大电流为3mA;电源E的电压为36V、内阻不计;另有一个滑动变阻器R2,阻值为0~100Ω、允许通过的最大电流为0.4A;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)。 解析: 因变阻器最大阻值100Ω远小于臭氧发生器P的电阻10kΩ,为了能控制臭氧发生器,应该使用滑动变阻器的分压式连接,有光照时P能正常工作,无光照时P不工作,电路如图所示。 答案: 见解析 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(lx) 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 电阻(kΩ) 75 40 28 23 20 18 (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,并说明阻值随照度变化的特点。 (2)如图所示,当1、2两端所加电压上升至2V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1.0lx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 ,阻值见上表); 直流电源E(电动势3V,内阻不计); 定值电阻: R1=10kΩ,R2=20kΩ,R3=40kΩ(限选其中之一并在图中标出);开关S及导线若干。 解析: (1)光敏电阻的阻值随光照度变化的曲线如图甲所示。 特点: 光敏电阻的阻值随光照度的增大非线性减小。 甲乙 (2)控制开关自动启动照明系统,给1、2两端提供电压,要求当天色渐暗照度降低至1.0lx时启动照明系统,即此时光敏电阻阻值为20kΩ,两端电压为2V,电源电动势为3V,所以应加上一个分压电阻,分压电阻阻值为10kΩ,即选用R1,电路原理图如图乙所示。 答案: 见解析 考点三|传感器的实验拓展 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)。 1.(多选)(2019·南通模拟)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,下列说法中正确的有( ) A.在图示位置时刻d点电势高于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 CD [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点电势不一定高于d点,故A项错误;最终电子或空穴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,电子或空穴定向移动的速度为v,有q =qvB,所以U=Bbv,输出脉冲电压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.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”。 现用如图所示的电路研究某长薄板电阻Rx的压阻效应,已知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(3V,内阻约为1Ω) B.电流表A1(0~0.6A,内阻r1=5Ω) C.电流表A2(0~0.6A,内阻r2约为1Ω) D.开关S,定值电阻R0=5Ω (1)为了比较准确地测量电阻Rx的阻值,请完成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,记下电表读数,A1的读数为I1,A2的读数为I2,得Rx=________(用字母表示)。 (3)改变力的大小,得到不同的Rx值,然后让力反向从下向上挤压电阻,并改变力的大小,得到不同的Rx值。 最后绘成的图象如图所示,除观察到电阻Rx的阻值随压力F的增大而均匀减小外,还可以得到的结论是 _____________________________________________________
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