高考物理一轮复习第11章交变电流传感器实验12传感器的简单使用学案

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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。
(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结论：光照增强光敏电阻阻值变小，光照减弱光敏电阻阻值变大。
5．注意事项
(1)在做热敏电阻实验时，加开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、电压和电流值。
(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，并通过盖上小孔改变照射到光敏电阻上的光的强度。
(3)欧姆表每次换挡后都要重新调零。
教材原型实验
1．某实验小组探究一种热敏电阻的温度特性。现用直流恒流电源(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、开关和导线连成如图甲所示的实物图。
甲
(1)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。
(2)实验小组算得该热敏电阻在不同温度下的阻值，并据此绘得如图乙所示的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)(保留3位有效数字)。
乙
[解析] (1)因本实验是探究热敏电阻的阻值随温度变化的特性，所以实验需要测出热敏电阻的阻值及相应的温度，热敏电阻的阻值用R＝eq \f(U,I)间接测量，故需要记录的数据是温度计的示数和电压表的示数。
(2)设热敏电阻R＝R0＋kt，k＝eq \f(108－104,20－10)＝0.400。由图线知，温度为10 ℃时，热敏电阻R＝104 Ω，则R0＝R－kt＝(104－0.400×10)Ω＝100 Ω，
所以R＝100＋0.400t(Ω)。
[答案] (1)记录温度计的示数 记录电压表的示数 (2)100 0.400
2．如图所示，一热敏电阻RT放在控温容器M内；为毫安表，量程为6 mA，内阻为数十欧姆；E为直流电源，电动势约为3 V，内阻很小；R为电阻箱，最大阻值为999.9 Ω；S为开关。已知RT在95 ℃时的阻值为150 Ω，在20 ℃时的阻值约为550 Ω。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)电阻箱的最大阻值与热敏电阻的最大阻值相差不大，因此电阻箱应与热敏电阻串联，电路图如图所示。
(2)本实验原理是电路对应不同状态时，通过调节电阻箱，使电路中的电流相等，外电路的总电阻相等。RT的温度为95 ℃和降为T1时对应的电路的电阻相等，有150 Ω＋R0＝RT1＋R1，即RT1＝R0－R1＋150 Ω。
[答案] (1)见解析图 (2)D．电阻箱的读数R0 e．仍为I0 电阻箱的读数R1 f．R0－R1＋150 Ω
3．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)。
A B
C D
[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＝eq \f(18 Ω·cd,4 cd)＝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＝eq \f(U,R)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项错误，C项正确；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项错误。
[答案] (1)4.5 (2)C
拓展创新实验
eq \([典例1]) (2020·全国卷Ⅲ·T23)已知一热敏电阻当温度从10 ℃升至60 ℃时阻值从几千欧姆降至几百欧姆，某同学利用伏安法测量其阻值随温度的变化关系。所用器材：电源E、开关S、滑动变阻器R(最大阻值为20 Ω)、电压表(可视为理想电表)和毫安表(内阻约为100 Ω)。
(1)在虚线框中所给的器材符号之间画出连线，组成测量电路图。
(2)实验时，将热敏电阻置于温度控制室中，记录不同温度下电压表和毫安表的示数，计算出相应的热敏电阻阻值。若某次测量中电压表和毫安表的示数分别为5.5 V和3.0 mA，则此时热敏电阻的阻值为________kΩ(保留2位有效数字)。实验中得到的该热敏电阻阻值R随温度t变化的曲线如图(a)所示。
(3)将热敏电阻从温控室取出置于室温下，测得达到热平衡后热敏电阻的阻值为2.2 kΩ。由图(a)求得，此时室温为________ ℃(保留3位有效数字)。
图(a) 图(b)
(4)利用实验中的热敏电阻可以制作温控报警器，其电路的一部分如图(b)所示。图中，E为直流电源(电动势为10 V，内阻可忽略)；当图中的输出电压达到或超过6.0 V时，便触发报警器(图中未画出)报警。若要求开始报警时环境温度为50 ℃，则图中________(填“R1”或“R2”)应使用热敏电阻，另一固定电阻的阻值应为________kΩ(保留2位有效数字)。
[解析] (1)由于滑动变阻器的最大阻值比待测电阻的阻值小得多，因此滑动变阻器应用分压式接法，由于电压表可视为理想电表，则电流表应用外接法，电路图如答图所示。(2)由欧姆定律得R＝eq \f(U,I)＝eq \f(5.5,3.0×10－3) Ω＝1.8×103 Ω(或1.8 kΩ)。(3)由题图(a)可直接读出热敏电阻的阻值为2.2 kΩ时，室温为25.5 ℃。(4)由题意可知随温度的升高R2两端的输出电压应增大，又由串联电路的特点可知，R1的阻值应减小或R2的阻值应增大，而热敏电阻的阻值随温度的升高而减小，因此R1应为热敏电阻；当环境温度为50 ℃时，热敏电阻的阻值为0.8 kΩ，则由串联电路的特点有eq \f(E,R1＋R2)＝eq \f(U2,R2)，解得R2＝1.2 kΩ。
[答案] (1)如图所示 (2)1.8 (3)25.5 (4)R1 1.2
创新点解读：1本实验采用滑动变阻器分压式接法测量小阻值的热敏电阻的阻值。
2采用热敏电阻控制电路，使之成为一种温控报警器。
eq \([典例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________(选填“a”或“b”)端附近，不能置于另一端的原因是_______________________________________________
_____________________________________________________。
②将开关向________(选填“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＝1 150.0 Ω，
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650.0 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时，闭合开关，则电路中的电流I＝eq \f(18,650.0) 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
创新点解读：在设置报警温度时，借助于电阻箱等效替代热敏电阻进行电阻设置，使之达到报警的温度。
eq \([典例3]) 材料的电阻随压力的变化而变化的现象称为“压阻效应”，利用这种效应可以测量压力大小。若图甲为某压敏电阻在室温下的电阻—压力特性曲线，其中RF、R0分别表示有、无压力时压敏电阻的阻值。为了测量压力F，需先测量压敏电阻处于压力中的电阻值RF。请按要求完成下列实验。
甲 乙
(1)设计一个可以测量处于压力中的该压敏电阻阻值的电路，在图乙的虚线框中画出实验电路原理图(压敏电阻及所给压力已给出，待测压力大小约为0.4×102～0.8×102 N，不考虑压力对电路其他部分的影响)，要求误差较小，提供的器材如下：
A．压敏电阻，无压力时阻值R0＝6 000 Ω
B．滑动变阻器R，全电阻阻值约200 Ω
C．电流表A，量程2.5 mA，内阻约30 Ω
D．电压表V，量程3 V，内阻约3 kΩ
E．直流电源E，电动势3 V，内阻很小
F．开关S，导线若干
(2)正确接线后，将压敏电阻置于待测压力下，通过压敏电阻的电流是1.33 mA，电压表的示数如图丙所示，则电压表的读数为________V。
丙
(3)此时压敏电阻的阻值为________ Ω；结合图甲可知待测压力的大小F＝________ N。(计算结果均保留两位有效数字)
[解析] (1)根据题述对实验电路的要求，应该采用分压式接法、电流表内接的电路，原理图如图所示。
(2)根据电压表读数规则，电压表读数为2.00 V。
(3)由欧姆定律，此时压敏电阻的阻值为RF＝eq \f(U,I)－RA≈1.5×103 Ω，eq \f(R0,RF)＝4，由题图甲可知，对应的待测压力F＝60 N。
[答案] (1)见解析图 (2)2.00 (3)1.5×103 60
创新点解读：1已知压敏电阻的阻值随压力变化的特性曲线。
2测出在力F作用下压敏电阻的阻值即可对照 eq \f(R0,RF)­F特性曲线得出力F的大小。
1.(福建莆田一中2020届月考)热敏陶瓷是一类电阻率随温度发生明显变化的新型材料，可用于测量温度。某同学利用实验室提供的一种电阻阻值随温度呈线性变化(关系式为：Rt＝kt＋b，其中k>0，b<0，t为摄氏温度)的热敏电阻，把一灵敏电流计改装为温度计。除热敏电阻和灵敏电流计外，还用到如下器材：A．直流电源(电动势为E，内阻不计)；B．滑动变阻器；C．单刀双掷开关；D．标准温度计；E.导线及其他辅助材料。该同学设计电路如图所示，按如下步骤进行操作。
(1)按电路图连接好器材。
(2)将滑动变阻器滑片P滑到________(填“a”或“b”)端，单刀双掷开关S掷于________(填“c”或“d”)端，调节滑片P使电流计满偏，并在以后的操作中保持滑片P位置不动，设此时电路总电阻为R，断开开关。
(3)容器中倒入适量开水，观察标准温度计，每当标准温度计示数下降5 ℃，就将开关S置于d端，并记录此时的温度t和对应的电流计的示数I，然后断开开关。请根据温度计的设计原理和电路图，写出电流与温度的关系式(用题目中给定的符号表示)I＝________。
(4)根据对应温度记录的电流计示数，重新刻制电流计的表盘，改装成温度计。根据改装原理，此温度计表盘刻度线的特点是：低温刻度在________(填“左”或“右”)侧，刻度线分布是否均匀？________(填“是”或“否”)。
[解析] (2)根据实验的原理可知，需要先选取合适的滑动变阻器的电阻值，结合滑动变阻器使用的注意事项可知，开始时需要将滑动变阻器滑片P滑到a端，以保证电流计的使用安全；然后将单刀双掷开关S掷于c端，调节滑片P使电流计满偏，设此时电路总电阻为R，断开开关。
(3)当温度为t时，热敏电阻的阻值与摄氏温度t的关系为Rt＝kt＋b，根据闭合电路的欧姆定律可得I＝eq \f(E,R＋Rt)＝eq \f(E,R＋kt＋b)。
(4)由上式可知，温度越高，电流表中的电流值越小，所以低温刻度在表盘的右侧；由于电流与温度不是线性关系，所以表盘的刻度分布是不均匀的。
[答案] (2)a c (3)eq \f(E,R＋kt＋b) (4)右 否
2．(云南昆明一中2020届月考)为了节能和环保，一些公共场所用光控开关控制照明系统，光控开关可用光敏电阻控制，如图甲所示是某光敏电阻阻值随光的照度的变化曲线，照度可以反映光的强弱，光越强照度越大，照度单位为勒克斯(lx)。
如图乙所示，电源电动势为3 V，内阻不计，当控制开关两端电压上升至2 V时控制开光自动启动照明系统。要求当天色渐暗照度降至1.0(lx)时控制开光接通照明系统，则R1＝________kΩ。
甲
乙
[解析] 电阻R1和R0串联，eq \f(R0,R1)＝eq \f(U0,U1)＝eq \f(2,1)，当照度为1.0(lx)时，电阻R0＝20 kΩ，则R1＝10 kΩ。
[答案] 10
3．实验室备有以下器材：电压传感器、电流传感器、滑动变阻器R1(阻值变化范围0～20 Ω)、滑动变阻器R2(阻值变化范围0～1 000 Ω)、电动势适当的电源、小灯泡(4 V 2 W)、开关、导线若干。
(1)要完整地描绘小灯泡的U­I曲线，请在方框中画出实验电路图，并标出所用滑动变阻器的符号。
甲
(2)实验中描绘出的小灯泡U­I曲线如图甲所示，由图可知，小灯泡灯丝电阻随温度升高而________(选填“增大”“减小”或“不变”)。
(3)如果用上述器材测量所给电源的电动势和内电阻，实验电路如图乙所示，图中R0是阻值为9.0 Ω的保护电阻，实验中测得多组数据记录在下表中，试在同一坐标系中画出等效电源的U­I图象，由图象可求出电源自身内阻约为________ Ω。
乙 丙
(4)若将上述小灯泡直接与电源和保护电阻组成串联电路，如图丙所示，此时小灯泡消耗的电功率约为______W(保留两位有效数字)。
[解析] (1)描绘小灯泡的伏安特性曲线，电压与电流应从零开始变化，滑动变压器要采用分压接法，由于灯泡的阻值较小，电流表应用外接法，电路图如图1所示。
图1
(2)由题图所示U­I图线可知，随电压和电流的增大，灯泡实际功率增大，灯丝温度升高，电压与电流的比值增大，由此可知，灯泡灯丝电阻随温度升高而增大。
(3)根据表中数据作出电源U­I图线如图2所示，由图示图线可知，电源内阻r＝eq \b\lc\|\rc\|(\a\vs4\al\c1(\f(ΔU,ΔI)))－R0＝eq \f(6,0.6) Ω－9 Ω＝1 Ω。
图2
(4)由图2可知，小灯泡两端电压为2.2 V，电流为0.38 A，则小灯泡的电功率为P＝UI＝2.2×0.38 W≈0.84 W。
[答案] (1)见解析图 (2)增大 (3)见解析图 (4)0.84
光强E/cd
1
2
3
4
5
电阻值/Ω
18
9
6
3.6
实验目的创新
实验原理的创新
实验器材的创新
序号
1
2
3
4
5
6
U/V
4.00
3.40
2.80
2.00
1.50
0.80
I/A
0.20
0.26
0.33
0.40
0.46
0.52