2021高三物理人教版一轮学案：第十一章实验十三　传感器的简单应用

实验十三　传感器的简单应用

ZHI SHI SHU LI ZI CE GONG GU

知识梳理·自测巩固

一、实验目的

1．知道什么是传感器，知道光敏电阻和热敏电阻的作用。

2．能够通过实验探究光敏电阻和热敏电阻的特征。

3．了解常见的各种传感器的工作原理、元件特性及设计方案。

二、实验原理

传感器是将它所感受到的物理量(如力、热、光、声等)转换成便于测量的量(一般是电学量)的一类元件。例如：热电传感器是利用热敏电阻将热信号转换成电信号；光电传感器是利用光敏电阻将光信号转换成电信号，转换后的信号经过相应的仪器进行处理，就可达到自动控制等各种目的。

三、实验器材

铁架台，温度计，多用电表，烧杯，开水(可装在热水瓶内)，冷水，热敏电阻，光敏电阻，导线，纸带，光电计数器，钩码。

四、实验步骤

1．热敏电阻特性实验：如图所示。

①在烧杯内倒入少量冷水，放在铁架台上，将悬挂在铁架台上的温度计放入水中。

②将多用电表的选择开关置于“__欧姆__”挡，将两支表笔短接，调零后再将两支表笔分别与热敏电阻的两个输出端相连。

③将热敏电阻放入烧杯内的水中，在欧姆挡上选择合适的倍率，再重新__调零__，把两支表笔接到热敏电阻两输出端，观察表盘指示的热敏电阻的阻值，填入表格内。

实验记录：

④分几次向烧杯内倒入开水，观察不同温度时热敏电阻的阻值，记录在表格内。

⑤通过比较这些测得的数据，看看热敏电阻的阻值是怎样随温度变化的。

⑥将多用电表的选择开关置于__交流电压最高__挡或“__OFF__”挡，拆开装置，将器材按原样整理好。

2．光敏电阻特性实验：如图所示。

①将多用电表的选择开关置于欧姆挡，选择合适的倍率，将两支表笔短接后调零。

②把多用电表的两支表笔接到光敏电阻的两个输出端，观察表盘指示的光敏电阻的阻值，记录下来。

③将手张开放在光敏电阻的上方，挡住照到光敏电阻上的部分光线，观察表盘所示光敏电阻阻值的变化，记录下来。

④上下移动手掌，观察光敏电阻阻值的变化。

⑤将多用电表的选择开关置于交流电压最高挡或“OFF”挡，拆开装置，将器材按原样整理好。

3．光电计数的基本原理

将钩码放在纸带上，如图所示。拖动纸带向前运动，观察光电计数器上的数字变化。

4．简单自动控制实验

请同学们自己设计一个由热敏电阻或光敏电阻作为传感器的简单自动控制实验。

五、注意事项

1．在做热敏实验时，加开水后要等一会再测其阻值，以使电阻温度与水的温度相同，并同时读出水温。

2．可用图象描出电阻随温度的变化图象来分析其规律。

3．光敏实验中，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射到光敏电阻上的光的多少。

4．光电计数器是比较精密的仪器，使用过程中注意轻拿轻放。

HE XIN KAO DIAN ZHONG DIAN TU PO

核心考点·重点突破

考点一　热敏电阻的原理及应用

金属热电阻和热敏电阻

金属的电阻率随温度的升高而增大，用金属丝可以制作温度传感器，称为热电阻。与金属不同的是有些半导体的导电能力随温度的升高而增强，故可以用半导体材料制成热敏电阻。与热敏电阻相比，金属热电阻的化学稳定性好，测温范围大，但灵敏度较差。

　例1　(2019·山东滨州期末)某同学通过实验制作一简易温控开关，实验原理图如图所示，当继电器电流超过10 mA时，衔铁吸合，加热器停止加热，实现温控。继电器的电阻约为20 Ω，热敏电阻与温度t的关系如下表所示。

(1)提供的实验器材如下：

电源E1(2.5 V，内阻不计)；

电源E2(6 V，内阻不计)；

滑动变阻器R1(0～20 Ω)；

滑动变阻器R2(0～200  Ω )；

热敏电阻Rt；

电阻箱(0～999.9  Ω)；

开关S，导线若干。

为使该装置实验对30 ℃～80 ℃之间任意温度的控制，电源应选__E1__(填“E1”或“E2”)；滑动变阻器应选__R2__(填“R1”或“R2”)。

(2)欲使热敏电阻为40 ℃时衔铁吸合，下列操作步骤正确的顺序是__A__。

①将热敏电阻接入电路

②观察到继电器的衔铁被吸合

③断开开关，将电阻箱从电路中移除

④合上开关，调节滑动变阻器的阻值

⑤断开开关，用变阻箱替换热敏电阻，将变阻箱电阻调至145.4 Ω

A．⑤④②③①　 B．③⑤④②①

C．①④⑤②③　 D．④⑤②③①

[解析]　本题考查简易温控开关的实验原理。

(1)为使该装置实验对30 ℃～80 ℃之间任意温度的控制，滑动变阻器的最大阻值必定大于热敏电阻的电阻变化，故R>150 Ω，故滑动变阻器应选用R2；继电器电阻r＝20 Ω，电路中的电流I＝，要使电路能实现任意温度的控制，当热敏电阻最大时，10 mA<I≤，则E>220 Ω×10 mA＝2.2 V，若选电源E2，则电路最小电流大于10 mA，不能实现温控，则电源应选E1。

(2)欲使热敏电阻为40 ℃时衔铁吸合，先将热敏电阻用与热敏电阻40 ℃时电阻的等值电阻箱替换，然后调节滑动变阻器使衔铁吸合，然后断开开关，换回热敏电阻即可，故操作步骤顺序为⑤④②③①，A正确，B、C、D错误。

考点二　光敏电阻的原理及应用

光敏电阻在被光照射时电阻发生变化，光照增强电阻变小，光照减弱电阻变大。

　例2　(2020·湖南常德模拟)光敏电阻是阻值随着光照度的变化而发生变化的元件(照度的大小可以反映光的强弱，光越强照度越大，照度单位为lx)。某光敏电阻R的阻值随照度变化的曲线如图甲所示。

(1)如图乙所示是街道路灯自动控制模拟电路所需元件。利用直流电源给电磁铁供电，利用220 V交流电源给路灯供电。为达到天亮灯熄、天暗灯亮的效果，请用笔画线代替导线，正确连接电路元件。

甲

[答案]　

(2)用多用电表电阻×100挡，测量图中电磁铁线圈电阻时，指针偏转角度太大，为了更准确地测量其阻值，接下来应选用电阻__×10__(填“×1 k”或“×10”)挡，进行欧姆调零后重新测量其示数如图丙所示，则线圈的电阻为__140__ Ω。

(3)已知当线圈中的电流大于或等于2 mA时，继电器的衔铁将被吸合。图中直流电源的电动势E＝6 V，内阻忽略不计，滑动变阻器有三种规格可供选择：R1(0～10 Ω)、R2(0～200 Ω)、R3(0～1 750 Ω)。要求天色渐暗照度降低至0.92 lx时点亮路灯，滑动变阻器应选择__R3__(填“R1”“R2”或“R3”)。为使天色更暗时才点亮路灯，应适当地__减小__(填“增大”或“减小”)滑动电阻器的电阻。

[解析]　(1)光敏电阻的电阻值随光照强度的增大而减小，所以白天时光敏电阻的电阻值小，电路中的电流值大，电磁铁将被吸住；静触点与C接通；晚上时的光线暗，光敏电阻的电阻值大，电路中的电流值小，所以静触点与B接通，所以要达到晚上灯亮，白天灯灭，则路灯应接在AB之间，电路图如图；

 (2)用多用电表“×100”Ω挡，测量图中电磁铁线圈电阻时，指针偏转角度太大，说明电阻较小，换用小量程挡位，接下来应选用“×10”Ω挡，进行欧姆调零后重新测量，欧姆表的读数是先读出表盘的刻度，然后乘以倍率，表盘的刻度是14，倍率是“×10 Ω”，所以电阻值是14×10＝140 Ω；

(3)天色渐暗照度降低至1.0 lx时点亮路灯，此时光敏电阻的电阻值是2 kΩ，电路中的电流是2 mA，R＝－R光＝ Ω－2 000 Ω ＝1 000 Ω，所以要选择滑动变阻器R3；由于光变暗时，光敏电阻变大，分的电压变大，所以为使天色更暗时才点亮路灯，应适当地减小滑动变阻器的电阻。

考点三　压力传感器的应用

　例3　(2019·江西师范大学附属中学期末)某兴趣小组利用压敏电阻(压敏电阻的阻值R随所受压力的增大而减小)设计了判断电梯运动状态的装置，示意图如图甲所示。将压敏电阻B平放在电梯内，受压面朝上，在上面放一物体A，电梯静止时电压表示数为U0，电梯在某次运动过程中，电压表的示数变化情况如图乙所示，下列判断中正确的是(　C　)

A．0～t1内电梯可能匀加速上升

B．t1～t2内电梯可能匀速上升

C．t1～t2内电梯可能匀减速上升

D．t2～t3内电梯可能匀减速下降

[解析]　本题考查利用压敏电阻判断电梯运动情况。电梯静止时电压表示数为U0,0～t1内，电压表读数大于U0且不断增大，故压敏电阻B的阻值不断增大，其所受压力小于A的重力且不断减小，物块A处于失重状态，电梯的加速度向下且不断增大，电梯不可能匀加速上升，A错误；t1～t2内电压表读数大于U0且保持不变，故压敏电阻B的阻值不变且大于静止时的阻值，其所受压力小于A的重力且保持不变，物块A处于失重状态，电梯的加速度向下，电梯可能匀减速上升或匀加速下降，B错误，C正确；t2～t3内电压表读数大于U0且减小，故压敏电阻B的阻值不断减小，其所受压力小于A的重力且不断增大，物块A处于失重状态，电梯的加速度向下且不断减小，电梯不可能匀减速下降，D错误。

2 NIAN GAO KAO MO NI XUN LIAN

2年高考·模拟训练

1．(2019·山东日照月考)下图为火灾报警器，在会议室、宾馆房间的天花板上均有安装。当有烟雾进入这种有孔的罩内时，报警器立即发出警报，则该报警器中装有的传感器是(　A　)

A．光传感器　 B．压力传感器

C．声音传感器　 D．温度传感器

[解析]　烟雾进入这种有孔的罩内时对光有散射作用，使光线的光路发生变化，改变传感器上的光照强度使报警器发出警报，则该报警器中装有的传感器是光传感器。故A项正确。

2．(2019·山西质检)(多选)如图所示，R是一个光敏电阻，其阻值随光照强度的增加而减小，理想变压器原、副线圈的匝数比为10︰1，电压表和电流表均为理想交流电表，从某时刻开始在原线圈两端加上交变电压，其瞬时值表达式为u1＝220sin 110πt(V)，则(　BD　)

A．电压表的示数为22 V

B．在天逐渐变黑的过程中，电流表A2的示数变小

C．在天逐渐变黑的过程中，电流表A1的示数变大

D．在天逐渐变黑的过程中，理想变压器的输入功率变小

[解析]　本题考查理想变压器、光敏电阻电路及其相关知识点。原线圈两端电压的最大值为220 V，根据理想变压器电压之比等于线圈匝数之比可知，副线圈两端电压的最大值为22 V，电压表的示数为电压的有效值，所以示数为UV＝ V＝22 V，故A错误；在天变黑的过程中，光照变弱，R阻值增大，电路的总电阻增大，由于输出电压不变，所以副线圈所在电路电流变小，电流表A2的示数变小，故B正确；由于理想变压器的输入和输出功率是相等的，副线圈的电流减小，电压不变，所以由P＝UI可知，输出功率减小，故输入功率也减小，因输入电压不变，故原线圈所在电路电流变小，故C错误，D正确。

3．(2019·广东佛山质检)国家有关酒驾的裁量标准如下表。

酒精检测仪是交警执法时通过呼气来检测司机饮酒多少的检测工具，如图甲所示。现有一个酒精检测仪的主要元件“酒精气体传感器”，其阻值随气体酒精浓度变化的情况如下表。

(1)请根据上表数据在图乙中描绘出“R－气体酒精浓度”的关系曲线。

[答案]　见解析

(2)已知人体血液酒精浓度是所呼出气体酒精浓度的2 200倍。若某司机经过气体酒精浓度测试，显示呼气酒精浓度为120 mg/m3，则该司机应该是属于__饮酒__驾驶，此时R的阻值为__24(22～26均可)__Ω。

(3)现有器材：电源E，电动势为4.5 V，内阻约为1 Ω；电压表V，量程为0～3 V，内阻约为2 000 Ω；电流表A，量程为0～3 A，内阻约为5 Ω；滑动变阻器R1，阻值0～50 Ω；滑动变阻器R2，阻值0～500 Ω；开关、导线若干。若要用以上器材和“酒精气体传感器”组成一个测定气体酒精浓度的电路，该电路只使用一个电表，且正常工作时，被测气体酒精浓度若为0，则电表指针满偏，且该电路可以在电源老化，内阻变大的情况下，通过调节变阻器，保证被测气体酒精浓度为0时，电表指针仍能满偏。则该电路应选用的电表是__V__(填字母代号，下同)，应选用的滑动变阻器是__R1__。请在虚线框中完成设计电路图。

[答案]　见解析

[解析]　本题考查酒精检测仪的原理。

(1)根据数据描绘出“R－气体酒精浓度”的关系曲线如图甲所示。

(2)该司机血液酒精浓度为120×2 200 mg/m3＝26.4 mg/100 mL，则该司机属于饮酒驾驶；由图线可知，此时R的阻值为24 Ω。

(3)根据电路要求，若选用电流表A，电流表不能满偏，则该电路应选用的电表是V，因为气体酒精浓度为0时R＝60 Ω，则滑动变阻器应选用R1，电路图如图乙所示。