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

　　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。

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。

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′<θ

C．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)5.1　114.7

5．(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]