实验十二　传感器的简单使用

1．研究热敏电阻的热敏特性

2.研究光敏电阻的光敏特性

数据处理

(1)研究热敏电阻的热敏特性

①在RT－t坐标系中，粗略画出热敏电阻的阻值随温度变化的图线。

②结论：半导体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)研究光敏电阻的光敏特性

①根据记录数据分析光敏电阻的特性。

②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。

误差分析

(1)温度计读数带来误差。

(2)多用电表读数带来误差。

(3)热敏电阻与水温不同带来误差。

(4)作RT－t图象时的不规范易造成误差。

热点一　教材原型实验

命题角度　温度传感器

【例1】　(2018·北京石景山区二模)某实验小组进行“探究热敏电阻的温度特性”实验，实验室提供如下器材：

热敏电阻Rt(常温下约8 kΩ)、温度计、电流表A(量程1 mA，内阻约200 Ω)、电压表V(量程3  V，内阻约10 kΩ)、电池组E(电动势为4.5 V，内阻约1 Ω)、滑动变阻器R(最大阻值为20 Ω)、开关S、导线若干、烧杯和水。

图1

(1)根据实验所提供的器材，设计实验电路，画在图1甲所示的方框中。

(2)图乙是实验器材的实物图，图中已连接了部分导线，请根据你所设计的实验电路，补充完成实物间的连线。

(3)闭合开关前，滑动变阻器的滑动触头P应置于______ (填“a”或“b”)端。

(4)实验小组利用完整的实验装置测量出不同温度下的电阻值，画出该热敏电阻的R t－t图象如图2中的实测曲线，与图中理论曲线相比二者有一定的差异。除了偶然误差外，关于产生系统误差的原因或减小系统误差的方法，下列说法中正确的是(　　)

图2

A．电流表的分压造成电阻的测量值总比真实值大

B．电压表的分流造成电阻的测量值总比真实值小

C．温度升高到一定值后，电流表宜采用外接法

D．温度升高到一定值后，电流表宜采用内接法

解析　(1)本实验中要探究热敏电阻的温度特性曲线，故滑动变阻器采用分压接法，同时热敏电阻阻值较大，故应采用电流表内接法；如图甲所示

(2)根据电路图连接实物图，如图乙所示。

(3)因当滑动触头打到a端时待测电路电压或电流为零，从而保护电流表，故答案为a。

(4)由于电流表内接，电流表的分压使电压表读数大于热敏电阻两端的电压，故A正确；当温度升高到一定值后，电阻变小，则电流表应选用外接法，故C正确。

答案　(1)见解析　(2)见解析　(3)a　(4)AC

命题角度　光电传感器

【例2】　小明同学为了测定某太阳能硅光电池组的电动势和内阻，设计了如图3所示的电路，在一定光照条件下进行实验：

图3

(1)请根据图3完成图4中实物的连线。

图4

(2)将测量出来的数据记录在下表中，其中第4组数据的电压如图5所示，则此时电压为__________ V。

(3)将这些数据在图6中描点，第4组数据还未描出。

a．请在图6中描出第4组数据的点，作出该硅光电池组的U－I图线。

b．由U－I图线知，该硅光电池组的电动势E＝______V，电池组的内阻随其输出电流的变化而改变，在电流为80 μA 时，该电池组的内阻r＝__________ kΩ(保留3位有效数字)。

解析　(1)根据电路图连接实物电路图，实物电路图如图甲所示。

(2)由表中实验数据可知电压表最大测量值为1.77 V，则电压表量程为3 V，由图5所示电压表可知，其分度值为0.1 V，示数为1.65 V。

(3)a.把第四组数据标在坐标系内，根据坐标系内描出的点作出图象如图乙所示：

b．由图线可知，该硅光电池组的电动势E＝1.80 V

在电流为80 μA时，由表格数据得到路端电压为1.00 V，根据闭合电路欧姆定律，E＝U＋Ir，解得：r＝＝ Ω＝104 Ω

答案　(1)所连的实物图见解析图甲　(2)1.65　(3)a.该硅光电池组的U－I图线如图乙　b．1.80　10.0

热点二　实验拓展创新

命题角度　拓展实验——设计温度报警器

【例3】　(2016·全国卷Ⅰ，23)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)在图7中完成待调节的报警系统原理电路图的连线。

图7

(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)电路图如答案图。

(2)U＝18 V，通过报警器的电流10 mA≤Ic≤20 mA，故电路中总电阻R＝，即900 Ω≤R≤1 800 Ω，故滑动变阻器选R2。

(3)热敏电阻为650.0 Ω时，报警器开始报警，电阻箱的阻值也应为650.0 Ω，实验调试时，将开关置于c端，缓慢调节滑动变阻器，直到报警器开始报警。为防止通过报警器电流过大，造成报警器烧坏，应使滑动变阻器的滑片置于b端。

答案　(1)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

命题角度　创新实验——压力传感器的应用

【例4】　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8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。

图8

(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 N～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。

(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2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＝－RA≈1.5×103 Ω，＝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

1．利用负温度系数热敏电阻制作的热传感器，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________(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9甲所示)，则25 ℃的刻度应在20 ℃的刻度的________(填“左”或“右”)侧。

图9

(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)因为负温度系数热敏电阻温度降低时，电阻增大。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)如图所示。

答案　(1)小　(2)右　(3)见解析

2．为了研究光敏电阻在室内正常光照射和室外强光照射时电阻的大小关系，某同学用如图10甲所示的电路进行实验，得出两种U－I图线，如图乙所示。

图10

(1)根据U－I图线可知正常光照射时光敏电阻的阻值为__________ Ω，强光照射时电阻为__________Ω；

(2)若实验中所用电压表的内阻约为5 kΩ，毫安表的内阻约为100 Ω，考虑到电表内阻对实验结果的影响，此实验中__________(选填“正常光照射时”或“强光照射时”)测得的电阻误差较大。若测量这种光照下的电阻，则需将实物图中毫安表的连接方式采用__________(选填“内接”或“外接”)法进行实验，实验结果较为准确。

解析　(1)光敏电阻的阻值随光照的增强而减小，结合图乙知正常光照射时R1＝＝ Ω＝3 000 Ω ，强光射时R2＝＝ Ω＝200 Ω。

(2)实验电路采用的是毫安表内接法，测得的结果比真实值偏大，当待测电阻远大于毫安表电阻时实验误差较小，所以强光照射时误差较大；强光照射时采用毫安表外接法实验结果较为准确。

答案　(1)3 000　200　(2)强光照射时　外接