2020版高考物理粤教版大一轮复习讲义：第十一章 实验十二 Word版含解析.pdf

实验十二 传感器的简单使用实验十二 传感器的简单使用 一、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、铁架台、烧杯、凉水和热水. 3.实验步骤 (1)按图 1 连接好电路，将热敏电阻绝缘处理； 图 1 (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 2 坐标系中，粗略画出热敏电阻的阻值随温度变化的图线. 图 2 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热敏电阻阻值，以使电阻温度与水的温度相同，并同时读 出水温. 二、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、电源. 3.实验步骤 (1)将光敏电阻、多用电表、灯泡、滑动变阻器按图 3 所示电路连接好，其中多用电表置于 “×100”挡； 图 3 (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，观察多用电表表盘指针显示 光敏电阻阻值的情况，并记录； (4)用手掌(或黑纸)遮光时，观察多用电表表盘指针显示光敏电阻阻值的情况，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照 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进行欧姆调零. 命题点一 温度传感器的应用命题点一 温度传感器的应用 例 1 (2016·全国卷·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 )，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 )，滑动变阻器 R2(最大阻值为 2 000 )，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 . (1)在图 4 中完成待调节的报警系统原理电路图的连线. 图 4 (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： 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_；滑 动变阻器的滑片置于_(填“a”或“b”)端附近，不能置于另一端的原因是_. 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. 答案 (1)见解析图 (2)R2 (3)650.0 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 c 报警 器开始报警 解析 (1)先用电阻箱替代热敏电阻，连接成闭合回路进行调试.电路图连接如图所示. (2)当电路中电流 Ic10 mA 时，根据闭合电路欧姆定律有 Ic，解得 R总1 800 ，此时 U R总 热敏电阻的阻值为 650 ，则滑动变阻器的阻值为 1 150 ，所以滑动变阻器选 R2. (3)当热敏电阻阻值达到 650 时，报警器就会报警，用电阻箱替代热敏电阻进行调节，应 把电阻箱的阻值调到 650 .若接通电源后电路中的电流过大(超过 20 mA)， 报警器就会损坏，电流越小越安全，所以为了电路安全，闭合开关前滑片应置于 b 端. 用电阻箱替代热敏电阻进行调试，应将开关向 c 端闭合，开关闭合后要减小电路中的电阻 直至报警器开始报警. 变式 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 5 甲所示)， 则 25 的刻度应在 20 的刻度 的_(填“左”或“右”)侧. 图 5 (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.(请在图乙中作图) 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，故电路中电流变小. (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. 命题点二 光电传感器的应用命题点二 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 RP在不同照度下的阻值如下表： 照度(lx)0.20.40.60.81.01.2 电阻(k)754028232018 (1)根据表中数据，请在图 6 甲所示的坐标系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. (2)如图乙所示，当 1、2 两端所加电压上升至 2 V 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 1.0 lx 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) 提供的器材如下： 光敏电阻 RP(符号，阻值见上表)； 直流电源 E(电动势 3 V，内阻不计)； 定值电阻：R110 k，R220 k，R340 k(限选其中之一，并在图中标出)； 开关 S 及导线若干. 图 6 答案 见解析 解析 (1)光敏电阻的阻值随照度变化的曲线如图甲所示，光敏电阻的阻值随照度的增大而减 小. (2)根据串联电阻的正比分压关系，E3 V，当照度降低至 1.0 lx 时，1、2 两端电压升至 2 V， 此时光敏电阻阻值RP20 k， URP2 V， 串联电阻分压UR1 V， 由2， 得R10 URP UR RP R RP 2 k，故选定值电阻 R1，电路原理图如图乙所示. 命题点三 压力传感器的应用命题点三 压力传感器的应用 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 7 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 7 (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 N0.8×102 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 R06 000 B.滑动变阻器 R，最大阻值为 200 C.电流表 A，量程 2.5 mA，内阻约 30 D.电压表 V，量程 3 V，内阻约 3 k 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_ ；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) 答案 (1)见解析图 (2)2.00 (3)1.5×103 60 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 RA1.5×103 ，4，由题图甲可知，对 U I R0 RF 应的待测压力 F60 N. 变式 2 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 8 所示的电路研究某长薄板 电阻 Rx的压阻效应，已知 Rx的阻值变化范围为几欧到几十欧，实验室中有下列器材： 图 8 A.电源 E(电动势 3 V，内阻约为 1 ) B.电流表 A1(00.6 A，内阻 r15 ) C.电流表 A2(00.6 A，内阻 r21 ) D.开关 S，定值电阻 R05 (1)为了比较准确地测量电阻 Rx的阻值，请完成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， 记下电表读数， A1 的读数为 I1，A2的读数为 I2，得 Rx_.(用字母表示) (3)改变力的大小，得到不同的 Rx值，然后让力反向从下向上挤压电阻，并改变力的大小，得 到不同的 Rx值.最后绘成的图象如图 9 所示，除观察到电阻 Rx的阻值随压力 F 的增大而均匀 减小外，还可以得到的结论是_.当 F 竖直向下时，可得 Fx与所受 压力 F 的数值关系是 Rx_. 图 9 答案 (1)见解析图 (2) I1r1 I2I1 (3)压力等大反向时，阻值相等 172F 解析 (1)利用伏安法测量电阻阻值，但所给器材缺少电压表，可以用内阻已知的电流表 A1 代替，另一个电流表 A2测量电流.电路图如图所示. (2)电阻 Rx两端电压为 UxI1r1，流经的电流为 IxI2I1，电阻 Rx. I1r1 I2I1 (3)由题图可知， 当力 F 竖直向下时， RxkFb， k2， b17， 则有 Rx172F ； Rx F 9 4.5 由题图可知，由于图线对称，不管力 F 如何增加，Rx均线性减小.