通用版高考物理一轮复习第11章交变电流传感器实验12传感器的简单应用教师用书.docx

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通用版高考物理一轮复习第11章交变电流传感器实验12传感器的简单应用教师用书

实验十二　传感器的简单应用

一、实验目的

1．认识热敏电阻、光敏电阻等传感器的特性．

2．了解传感器的简单应用．

二、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．

考点一|热敏电阻的原理及应用

[母题]　某实验小组探究一种热敏电阻的温度特性．现有器材：

直流恒流电源（在正常工作状态下输出的电流恒定）、电压表、待测热敏电阻、保温容器、温度计、开关和导线等．

（1）若用上述器材测量热敏电阻的阻值随温度变化的特性，请你在图实121的实物图上连线．

图实121

（2）实验的主要步骤：

①正确连接电路，在保温容器中注入适量冷水，接通电源，调节并记录电源输出的电流值；

②在保温容器中添加少量热水，待温度稳定后，闭合开关，________，________，断开开关；

③重复第②步操作若干次，测得多组数据．

（3）实验小组算得该热敏电阻在不同温度下的阻值，并据此绘得图实122所示的Rt关系图线，请根据图线写出该热敏电阻的Rt关系式：

R＝________＋________t（Ω）．

图实122

【解析】　（3）根据R＝

就可求出不同温度下热敏电阻的阻值，并据此绘得Rt图线．在图线上取两点，当t1＝10℃时，R1＝104Ω，当t2＝60℃时，R2＝124Ω，Rt图线的斜率为

＝0.4；将图线延长，图线交于原点，说明t＝0℃时的电阻为100Ω，故Rt关系式为R＝100＋0.4t（Ω）．

【答案】　

（1）如图所示

（2）②读取温度计示数　读取电压表示数

（3）100　0.4

[借题悟法·核心点拨]

1.考查实验原理及连线[第

（1）问]

（1）根据实验要求进行连线．

（2）电压表应直接并联在待测热敏电阻两侧．

（3）连线时注意电流的流向.

2.考查实验步骤[第

（2）问]

（1）实验过程中应逐步升温，待温度稳定后再读数．

（2）实验时应测多组数据，以减小实验误差.

3.考查识图能力和数据处理方法[第（3）问]

（1）根据R＝

求出不同温度下热敏电阻的阻值．

（2）由Rt关系图线找出R与t的函数关系式．

（3）本实验的主要误差来源于温度计和电压表的读数.

[母题迁移]

1．（2017·贵阳模拟）图实123为用电源、电磁继电器、滑动变阻器、绿灯泡、小电铃、半导体热敏电阻、开关、导线等组成的一个高温报警器电路图，要求是：

正常情况绿灯亮，有险情时电铃报警，则图中的甲、乙、丙分别是（　　）

图实123

A．小电铃、半导体热敏电阻、绿灯泡

B．半导体热敏电阻、小电铃、绿灯泡

C．绿灯泡、小电铃、半导体热敏电阻

D．半导体、热敏电阻、绿灯泡、小电铃

B　[根据要求，在常温下热敏电阻甲阻值较大，电磁铁磁性较弱，不能将衔铁吸下，此时绿灯所在电路接通，绿灯亮，所以丙为是绿灯；温度升高，热敏电阻阻值较小，控制电路电流增大时，电磁铁磁性增大，将衔铁吸下，丙电路断开，乙电路接通电铃响，所以乙为小电铃；由以上的分析可知，甲是半导体热敏电阻．故选B.]

2．（2016·全国乙卷）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999.9Ω），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1000Ω），滑动变阻器R2（最大阻值为2000Ω），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18V，Ic约为10mA；流过报警器的电流超过20mA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650.0Ω.

（1）完成待调节的报警系统原理电路图的连线．

图实124

（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．

【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＝1150.0Ω，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650.0Ω.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≈27.7mA，超过报警器最大电流20mA，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）连线如解析图所示　

（2）R2

（3）①650.0　b　接通电源后，流过报警器的电流会超过20mA，报警器可能损坏　②c　报警器开始报警

考点二|光敏电阻的应用

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，请在图图实125所示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．

图实125

（2）如图实126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）

图实126

提供的器材：

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）根据表中的数据，在坐标系中描点连线，得到如图所示的变化曲线．

由图可知光敏电阻阻值随照度变化的特点：

光敏电阻的阻值随光照强度的增大非线性减小．

（2）因天色渐暗、照度降低至1.0lx时启动照明系统，此时光敏电阻阻值为20kΩ，两端电压为2V，电源电动势为3V，故应加上一个分压电阻，分压电阻阻值为10kΩ，即选用R1.此电路的原理图如图所示．

[借题悟法·核心点拨]

1.考查描点作图的方法和分析图象的能力[第

（1）问]

（1）描绘图象时，各点应均匀分布在图线两侧，且图线应是平滑的曲线，而不应成为连接各点的折线.

（2）根据所描绘图象，会分析电阻阻值如何随光照强度的变化而变化.

2.考查实验电路的设计能力[第

（2）问]

（1）要结合题目所给条件及所给图象的数据进行分析设计.

（2）通过分析可确定RP应接在1、2之间.

（3）选择定值电阻，根据图线读出光照强度在1.0lx时的光敏电阻的阻值为20kΩ，光敏电阻分压为2V，则串联定值电阻R分压1V，其阻值应为10kΩ.

[母题迁移]

1．（多选）（2017·兰州模拟）某温度检测、光电控制加热装置原理如图实127所示．图中RT为热敏电阻（随温度升高，阻值减小），用来探测加热电阻丝R的温度，RG为光敏电阻（随光照强度增大，阻值减小），接收小灯泡L的光照，除RT、RG外，其他电阻均为定值电阻．当R处温度升高时（　　）

图实127

A．L变亮

B．R3的电流减小

C．E2的路端电压增大

D．R的功率减小

AD　[当R处温度升高时，RT阻值变小，小灯泡L的光照强度增大，RG阻值变小，通过R2的电流变大，E2的路端电压变小，R两端电压变小，通过的电流也变小，功率变小，通过R3的电流变大，选项A、D正确，B、C错误．]

2．为了节能环保，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照度的变化而发生变化的元件（照度可以反映光的强弱，光越强照度越大，照度单位为lx）．

（1）某光敏电阻R在不同照度下的阻值如表中所示，根据表中已知数据，在如图实128所示坐标系中描绘出了阻值随照度变化的曲线．由图象可求出照度为1.0lx时的电阻约为________kΩ.

图实128

照度/lx

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

电阻/kΩ

5.8

3.7

2.8

2.3

1.8

（2）如图实129所示是街道路灯自动控制模拟电路，利用直流电源为电磁铁供电，利用照明电源为路灯供电．为达到天亮灯熄、天暗灯亮的效果，路灯应接在________（填“AB”或“BC”）之间，请用笔画线代替导线，正确连接电路元件．

图实129

（3）用多用电表“×10Ω”档，按正确步骤测量图中电磁铁线圈电阻时，指针示数如图实1210所示，则线圈的电阻为________Ω.已知当线圈中的电流大于或等于2mA时，继电器的衔铁将被吸合．图中直流电源的电动势E＝6V，内阻忽略不计，滑动变阻器有三种规格可供选择：

R1（0～10Ω，2A）、R2（0～200Ω，1A）、R3（0～1750Ω，1A）．要求天色渐暗照度降低至1.0lx时点亮路灯，滑动变阻器应选择________（填“R1”“R2”或“R3”）.为使天色更暗时才点亮路灯，应适当地________（填“增大”或“减小”）滑动变阻器的电阻．

图实1210

【解析】　

（1）由描点绘出的图象可以找出照度为1.0lx时光敏电阻的阻值为2.0kΩ；

（2）电源与开关、滑动变阻器、光敏电阻和电磁铁串联起来．当受光照作用较强时，光敏电阻阻值较小，通过电磁铁的电流较大，对衔铁磁力增大，与触点C接通，此时应使路灯不亮，故路灯应接在AB之间；（3）多用电表读数为14，乘以倍率“×10”，故线圈电阻为140Ω.由闭合电路欧姆定律可知，电路总电阻达到3kΩ时，电路接通，故滑动变阻器电阻应与光敏电阻同一数量级，故滑动变阻器选择R3.天色更暗，光敏电阻阻值增大，为使路灯此时点亮，则滑动变阻器电阻应减小．

【答案】　

（1）2.0（误差允许范围内均对）

（2）AB　接线图如图所示

（3）140　R3　减小

考点三|传感器在实际中的应用

甲　　　　　　　　　　　　　乙

（1）实验室提供的器材有：

电流传感器、电压传感器、滑动变阻器A（阻值范围0～10Ω）、滑动变阻器B（阻值范围0～100Ω）、电动势为6V的电源（不计内阻）、小灯泡、开关、导线若干．该同学做实验时，滑动变阻器选用的是________（选填“A”或“B”）；请在图实1211乙的方框中画出该实验的电路图．

丙

图实1211

（2）如果将该小灯泡接入图实1211丙所示的电路中，已知电流传感器的示数为0.3A，电源电动势为3V．则此时小灯泡的电功率为________W，电源的内阻为________Ω.

【答案】　

（1）A　实验电路图如图所示

（2）0.69（0.66～0.72均可）　2.33（2.00～2.67均可）

[借题悟法·核心点拨]

1.考查实验器材的创新[题干部分]

（1）用电压传感器、电流传感器替代电压表和电流表.

（2）能快速、准确取得实验数据，及时地把图象呈现在电脑屏幕上.

2.考查滑动变阻器及分压、限流电路的选择[第

（1）问]

（1）根据实验原理，本实验应采用分压电路.

（2）为便于调节，滑动变阻器应选择A.

3.考查实验数据的处理[第

（2）问]

（1）利用小灯泡的UI图象（甲）结合电流传感器的示数读出丙中小灯泡的电压值.

（2）利用闭合电路欧姆定律计算电源的内电阻.

[母题迁移]

1．（多选）（2017·恩施模拟）工业生产中需要物料配比的地方常用“吊斗式”电子秤，图实1212甲所示的是“吊斗式”电子秤的结构图，其中实现称质量的关键性元件是拉力传感器．拉力传感器的内部电路如图实1212丙所示，R1、R2、R3是定值电阻，R1＝20kΩ，R2＝10kΩ，R0是对拉力敏感的应变片电阻，其电阻值随拉力变化的图象如图乙所示，已知料斗重1×103N，没装料时Uba＝0，g取10m/s2.下列说法中正确的是（　　）

甲　　　　　　　　　乙丙

图实1212

A．R3阻值为40kΩ

B．装料时，R0的阻值逐渐变大，Uba的值逐渐变小

C．拉力越大应变片电阻阻值也变大，Uba传感器的示数也变大

D．应变片作用是把物体形变这个力学量转换为电压这个电学量

AC　[没装料时，根据串并联电路规律可得R1两端的电压为：

UR1＝

×12＝8V；从RF图中可得，没装料时，料斗重1×103N，此时R0＝20kΩ，所以R3两端的电压为UR3＝

×12＝

，因为此时Uba＝0，说明R1两端的电压和R3两端的电压相等，即

＝8V，解得R3＝40kΩ，A正确；装料时，由于R1所在支路电流恒定，所以a点的电势恒定，而R3所在支路中R0逐渐增大，该支路电流减小，R3两端的电压减小，即b的电势升高，所以Uba逐渐增大，B错误，C正确；应变片作用是把拉力这个力学量转换为电压这个电学量，D错误；故选A、C.]

2.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实1213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○A（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1×107Pa，且已知压力传感器R的电阻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4.8V，g取10m/s2.请作答：

图实1213

压力F/N

0

250

500

750

1000

1250

1500

…

电压R/Ω

300

270

240

210

180

150

120

…

（1）该秤零点（即踏板空载时）的刻度线应标在电流表刻度盘________A处．

（2）如果某人站在该秤踏板上，电流表刻度盘的示数为20mA，这个人的质量是________kg.

【解析】　

（1）由题表格知，踏板空载时，压力传感器的电阻R＝300Ω，此时○A中电流I＝

＝

A＝1.6×10－2A.

（2）当电流I′＝20mA＝2×10－2A时，压力传感器的电阻R′＝

＝

Ω＝240Ω，由表格可知，这个人受到的重力为500N，此人质量为50kg.

【答案】　

（1）1.6×10－2　

（2）50