高考物理一轮复习教案第十章实验十一.docx

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高考物理一轮复习教案第十章实验十一

实验十一　传感器的简单使用

考纲解读

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性.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．

基本实验要求Ⅰ

基本实验要求Ⅱ

研究热敏电阻的特性

1．实验原理

闭合电路欧姆定律，用欧姆表进行测量和观察．

2．实验器材

半导体热敏电阻、多用电表、温度计、烧杯、凉水和热水．

3．实验步骤

（1）按实验原理图连接好电路，将热敏电阻绝缘处理；

（2）把多用电表置于欧姆挡，并选择适当的量程测出烧杯中没有水时热敏电阻的阻值，并记下温度计的示数；

（3）向烧杯中注入少量的冷水，使热敏电阻浸没在冷水中，记下温度计的示数和多用电表测量的热敏电阻的阻值；

（4）将热水分几次注入烧杯中，测出不同温度下热敏电阻的阻值，并记录．

4．数据处理

在图1坐标系中，粗略画出热敏电阻的阻值随温度变化的图线．

图1

5．实验结论

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．

6．注意事项

实验时，加热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．

研究光敏电阻的光敏特性

1．实验原理

闭合电路欧姆定律，用欧姆表进行测量和观察．

2．实验器材

光敏电阻、多用电表、小灯泡、滑动变阻器、导线．

3．实验步骤

（1）将光敏电阻、多用电表、灯泡、滑动变阻器如实验原理图所示电路连接好，其中多用电表置于“×100”挡；

（2）先测出在室内自然光的照射下光敏电阻的阻值，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）遮光时，观察表盘指针显示电阻阻值的情况，并记录．

4．数据处理

根据记录数据分析光敏电阻的特性．

5．实验结论

（1）光敏电阻在暗环境下电阻值很大，强光照射下电阻值很小．

（2）光敏电阻能够把光照强弱这个光学量转换为电阻这个电学量．

6．注意事项

（1）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来达到实验目的；

（2）欧姆表每次换挡后都要重新调零．

考点一　温度传感器的应用

例1

　如图2所示，图甲为热敏电阻的R－t图象，图乙为用此热敏电阻R和继电器组成的一个简单恒温箱温控电路，继电器的电阻为100Ω.当线圈的电流大于或等于20mA时，继电器的衔铁被吸合．为继电器线圈供电的电池的电动势E＝9.0V，内阻不计．图中的“电源”是恒温箱加热器的电源．

图2

（1）应该把恒温箱内的加热器接在________（填“A、B端”或“C、D端”）．

（2）如果要使恒温箱内的温度保持在50℃，可变电阻R′的阻值应调节为________Ω.

解析　恒温箱内的加热器应接在A、B端．当线圈中的电流较小时，继电器的衔铁在上方，恒温箱的加热器处于工作状态，恒温箱内温度升高．

随着恒温箱内温度升高，热敏电阻R的阻值变小，则线圈中的电流变大，当线圈的电流大于或等于20mA时，继电器的衔铁被吸到下方来，则恒温箱加热器与电源断开，加热器停止工作，恒温箱内温度降低．随着恒温箱内温度降低，热敏电阻R的阻值变大，则线圈中的电流变小，当线圈的电流小于20mA时，继电器的衔铁又被释放到上方，则恒温箱加热器又开始工作，这样就可以使恒温箱内保持在某一温度．要使恒温箱内的温度保持在50°C，即50°C时线圈内的电流为20mA.由闭合电路欧姆定律I＝

，r为继电器的电阻．由题图甲可知，50°C时热敏电阻的阻值为90Ω，所以R′＝

－（r＋R）＝260Ω.

答案　

（1）A、B端　

（2）260

考点二　光电传感器的应用

例2

　为了节能和环保，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的照度而发生变化的元件（照度可以反映光的强弱，光越强照度越大，照度单位为lx）．某光敏电阻ROS在不同照度下的阻值如下表所示：

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3给定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3

（2）如图4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4

提供的器材如下：

光敏电阻ROS（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．

答案　见解析

考点三　力电传感器的实际应用

例3

　某学生为了测量一个物体的质量，找到一个力电转换器，该转换器的输出电压正比于受压面的压力（比例系数为k），如图5所示，测量时先调节输入端的电压，使转换器空载时的输出电压为0；而后在其受压面上放一物体，即可测得与物体的质量成正比的输出电压U.

图5

请完成对该物体质量的测量：

（1）设计一个电路，要求力电转换器的输入电压可调，并且使调节范围尽可能大，在虚线框中画出完整的测量电路图．

（2）简要说明测量步骤，求出比例系数k，并测出待测物体的质量m.

解析　力电转换器虽然是一个全新的仪器，但它与其他所有的测量仪器一样，要有一个“调零”的过程．仔细审题，题目中有很多重要的暗示，挖掘这些信息即是我们解决问题的关键．“测量时先调节输入端的电压，使转换器空载时的输出电压为0；而后在其受压面上放一物体，即可测得与物体的质量成正比的输出电压U”“该转换器的输出电压正比于受压面的压力（比例系数为k）”，所以输出电压U＝kmg.题目要求“力电转换器的输入电压可调，并且使电压的调节范围尽可能大”，这就暗示我们滑动变阻器必须使用分压式，有了设计电路才可以进行测量步骤．

（1）设计电路如图所示．

（2）测量步骤如下：

①调节滑动变阻器，使转换器的输出电压为零；

②将质量为m0的砝码放在转换器的受压面上，记下输出电压U0；

③将待测物体放在转换器的受压面上，记下输出电压U1；

④因为U0＝km0g、U1＝kmg，所以可求m＝

.

答案　见解析

1．关于传感器工作的一般流程，下列说法中正确的是（　　）

A．非电学量→敏感元件→转换电路→电学量→转换元件

B．电学量→敏感元件→转换电路→转换元件→非电学量

C．非电学量→敏感元件→转换元件→转换电路→电学量

D．非电学量→转换电路→转换元件→敏感元件→电学量

答案　C

解析　传感器工作的一般流程为：

非电学量被敏感元件感知，然后通过转换元件转换成电信号，再通过转换电路将此信号转换成易于传输或测量的电学量，因此A、B、D错，C对．

2．如图6所示为光敏电阻自动计数器的示意图，图中虚线表示激光，圆柱体表示随传送带运动的货物，其中R1为光敏电阻，R2为定值电阻，此光电计数器的基本工作原理是（　　）

图6

A．当光照射R1时，信号处理系统获得高电压

B．当光照射R1时，信号处理系统获得低电压

C．信号处理系统每获一次低电压就计数一次

D．信号处理系统每获一次高电压就计数一次

答案　BD

解析　激光是照在光敏电阻R1上，信号处理系统与R1并联，其电压就是R1上的电压，当货物挡光时R1阻值大，电压高，货物挡光一次，就计数（货物的个数）一次，故B、D正确．

3．在输液时，药液有时会从针口流出体外，为了及时发现，设计了一种报警装置，电路如图7所示．M是贴在针口处的传感器，接触到药液时其电阻RM发生变化，导致S两端电压U增大，装置发出警报，此时（　　）

图7

A．RM变大，且R越大，U增大越明显

B．RM变大，且R越小，U增大越明显

C．RM变小，且R越大，U增大越明显

D．RM变小，且R越小，U增大越明显

答案　C

解析　由题意知，S两端的电压增大，则电路中的电流增大，接触药液的传感器的电阻变小，则A、B选项是错误的；将S看做外电路，其余看做等效电源，根据U＝E－Ir可判断，同样的变化电流，则内阻越大电压变化越大，因此答案为C.

4．如图8所示，R1、R2为定值电阻，L为小灯泡，R3为光敏电阻，当入射光强度增大时（　　）

图8

A．电压表的示数增大

B．R2中电流减小

C．小灯泡的功率增大

D．电路的路端电压增大

答案　ABC

解析　当入射光强度增大时，R3阻值减小，外电路总电阻随R3的减小而减小，R1两端电压因干路电流增大而增大，电压表的示数增大，同时内电压增大，故电路路端电压减小，A项正确，D项错误；由路端电压减小，R1两端电压增大知，R2两端电压必减小，则R2中电流减小，故B项正确；结合干路电流增大知流过小灯泡的电流必增大，则小灯泡的功率增大，故C项正确．

5．温度传感器广泛应用于室内空调、电冰箱等家用电器中，它是利用热敏电阻的阻值随温度变化的特性工作的．如图9甲所示，电源的电动势E＝9.0V，内电阻不计；G为灵敏电流计，内阻Rg保持不变；R为热敏电阻，其电阻值与温度的变化关系如图乙所示．闭合开关S，当R的温度等于20°C时，电流表示数I1＝2mA时，当电流表的示数I2＝3.6mA时，热敏电阻的温度是________°C.

图9

答案　120

解析　从题图乙查得t＝20°C时，R的阻值为4kΩ

由E＝I1（R＋Rg）得

Rg＝

－R＝

kΩ－4kΩ＝0.5kΩ

当I2＝3.6mA时，设热敏电阻的阻值为R′，则

R′＝

－Rg＝

kΩ－0.5kΩ＝2kΩ

从题图乙查得此时对应的温度t2＝120°C.

6．一些材料的电阻随温度的升高而变化．如图10甲是由某金属材料制成的电阻R随摄氏温度t变化的图象，若用该电阻与电池（电动势E＝1.5V，内阻不计）、电流表（量程为5mA，内阻不计）、电阻箱R′串联起来，连接成如图乙所示的电路，用该电阻做测温探头，把电流表的电流刻度改为相应的温度刻度，就得到了一个简单的“金属电阻温度计”．

图10

（1）电流刻度较大处对应的温度刻度________；（选填“较大”或“较小”）

（2）若电阻箱阻值R′＝150Ω，当电流为5mA时对应的温度数值为________°C.

答案　

（1）较小　

（2）50

解析　

（1）由题图甲可知，温度升高，电阻阻值增大，电路中电流减小，因此电流刻度较大处对应的温度刻度较小．

（2）电流为5mA时，电路总电阻为300Ω，电阻箱阻值R′＝150Ω，则R＝150Ω，由题图甲得对应的温度为50°C.

7．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°C（如图11甲所示），则25°C的刻度应在20°C的刻度的________（填“左”或“右”）侧．

甲　　　　　　　　　　乙

图11

（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．

答案　

（1）小　

（2）右　（3）见解析图

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°C的刻度应对应较大电流，故在20°C的刻度的右侧．

（3）电路如图所示．

8．热敏电阻是传感电路中常用的电子元件，现用伏安法研究热敏电阻在不同温度下的伏安特性曲线，要求该特性曲线尽可能完整．已知常温下待测热敏电阻的阻值约4Ω～5Ω.将热敏电阻和温度计插入带塞的保温杯中，杯内有一定量的冷水，其他备用的仪表和器具有：

盛有热水的热水瓶（图中未画出）、电源（3V、内阻可忽略）、直流电流表（内阻约1Ω）、直流电压表（内阻约5kΩ）、滑动变阻器（0～20Ω）、开关、导线若干．

（1）在下面的虚线框中画出实验电路图，要求测量误差尽可能小．

（2）根据电路图，在图12的实物图上连线．

图12

（3）简要写出完成接线后的主要实验步骤．

答案　见解析

解析　

（1）为获得更多的数据，应使电压从零开始变化，故应采用分压

电路．由于待测热敏电阻阻值约4Ω～5Ω，故应采用电流表外接法，

电路图如图所示．

（2）按电路图连接实物图如图所示．

（3）①往保温杯中加入一些热水，待温度稳定时读出温度计示数；

②调节滑动变阻器，快速测出几组电流表和电压表的值并记录；

③重复①、②，测量不同温度下的电流表和电压表的值并作记录；

④绘出各测量温度下热敏电阻的伏安特性曲线．