2020新亮剑高考物理总复习讲义:第十一单元 交变电流 传感器 实验12 Word版含解析.pdf
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1、第十一单元交变电流 传感器 实验 12 传感器的简单应用 见自学听讲P207 实验目的 1.认识热敏电阻、光敏电阻等敏感元件的特性。 2.了解传感器的简单应用。 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.其工作过程如图所示。 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。 实验过程 1.研究热敏电阻的热敏特性 (1)实验步骤 a.按图示连接好实物,热敏电阻做绝缘处理。 b.将多用电表置于“欧姆”挡,选择适当的量程测出烧杯中没有热水时热敏电阻的阻值,并记下温度计的示
2、数。 c.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。 d.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。 (2)数据处理 a.根据记录数据,把测量到的温度、电阻值填入表中,分析热敏电阻的特性。 次 数 待测量 温度/ 电阻/ b.在图示坐标系中,粗略画出热敏电阻的阻值随温度变化的图线。 c.根据实验数据和R-t图线,得出结论: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。 2.研究光敏电阻的光敏特性 (1)实验步骤 a.将光敏电阻、多用电表、灯泡、滑动变阻器按图示的电路连接好,其中多用电表置于欧姆“100”挡。 b.
3、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。 c.接通电源,让小灯泡发光,调节滑动变阻器使小灯泡逐渐变亮,观察表盘指针显示电阻阻值的情况,并记录。 d.用手掌(或黑纸)遮住光,观察光敏电阻的阻值并记录。 (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。 光照强度弱中强无光照射 阻值/ 结论:光敏电阻被光照射时阻值发生变化,光照增强电阻变小,光照减弱电阻变大。 (2018 武汉武钢三中测试)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
4、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 1000 ),滑动变阻器R2(最大阻值为 2000 ),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 随温度的升高而减小,在 60 时阻值为 650.0 。 (1)完成待调节的报警系统原理电路图的连线。 甲 (2)电路中应选用滑动变阻器 (选填“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
5、滑片应置于 (选填 “a”或“b”)端附近,不能置于另一端的原因是 。 将开关向 (选填“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)电路如图乙所示。 (2)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,可知外电阻 的取值范围是 =900 R =1800 18 20 10- 3 18 10 10- 3 报警器报警时热敏电阻的阻值是 650.0 ,所以滑动变阻器阻值的取值范围为 250 1150 ,所以滑动变阻器应该
6、选R2。 (3)用电阻箱代替报警器工作时的热敏电阻,阻值应为 650.0 ,滑动变阻器刚开始应置于b端,若置于另一端,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;实验调试时,将开关置于c端,缓慢调节滑动变阻器,直至报警器开始报警。 答案 (1)连线如图乙所示 乙 (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 见自学听讲P209 一光敏电阻的原理及应用 1.特点:光照越强,电阻越小。 2.作用:把光照强弱这个光学量转换为电阻这个电学量。 例 1 (多选)图示为光敏电阻自动计数器的示意图,其中A是发光仪器
7、,B是传送带上的物品,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( )。 A.当有光照射R1时,信号处理系统获得高电压 B.当有光照射R1时,信号处理系统获得低电压 C.信号处理系统每获得一次低电压就计数一次 D.信号处理系统每获得一次高电压就计数一次 解析 光敏电阻自动计数器原理图如题图所示,当传送带上没有物品挡住由A射出的光信号时,光敏电阻的阻值变小,由分压 规律可知供给信号处理系统的电压变低;当传送带上有物品挡住由A射出的光信号时,光敏电阻的阻值变大,供给信号系统的电压 变高并计数一次。这种高低交替变化的信号经过信号处理系统的处理,就会自动将其转化为相应的数字,实现自
8、动计数的功能。 答案 BD 变式 1 (多选)图甲中电流表、电压表均为理想交流电表,R是光敏电阻(其阻值随光照强度的增大而减小)。原线圈接入图 乙所示的正弦交流电压u,理想变压器原、副线圈匝数比为 101。下列说法正确的是( )。 A.电压u的频率为 100 Hz B.电压表的示数为 22 V C.照射R的光变强时,灯泡变暗 D.照射R的光变强时,电流表的示数变大 解析 根据图乙,可知电压u的频率为 50 Hz,A 项错误;根据电压与匝数成正比可知,原线圈的电压的最大值为 220 V,所 2 以副线圈的电压的最大值为 22 V,电压表的示数为电压的有效值,所以示数U=22 V,B 项正确;照射
9、R的光变强时,其阻值减 2 m 2 小,副线圈中的电流I2增大,灯泡变亮,C 项错误;副线圈中的电流I2增大,原线圈中的电流I1也增大,即电流表的示数变大,D 项正确。 答案 BD 二热敏电阻的原理及应用 1.热敏电阻:用电阻随温度变化非常明显的半导体材料(如氧化锰)制成。按热敏电阻阻值随温度变化的规 律,热敏电阻可分为正温度系数的热敏电阻和负温度系数的热敏电阻。 正温度系数的热敏电阻随温度升高电阻增大;负温度系数的热敏电阻(如氧化锰热敏电阻)随温度升高电阻 减小。 2.金属热电阻:金属的电阻率随温度升高而增大,利用这一特性,金属丝也可以制作成温度传感器,称为热电 阻。 3.热敏电阻和金属热电
10、阻都能够把温度这个热学量转换为电阻这个电学量。金属热电阻的化学稳定性好, 测温范围大,但灵敏度较差。 例 2 温度传感器广泛应用于家用电器中,它是利用热敏电阻的阻值随温度变化的特性来工作的。图甲为某装置中的传感 器工作原理图,已知电源的电动势E=9.0 V,内阻不计;为灵敏电流表,其内阻Rg保持不变;R为热敏电阻,其阻值随温度的变化关 系如图乙所示,闭合开关 S,当R的温度等于 20 时,电流表示数I1=2 mA;当电流表的示数I2=3.6 mA 时,热敏电阻的温度是( )。 A.60 B.80 C.100 D.120 解析 由图乙知,温度为 20 时,R的阻值R1=4 k。由欧姆定律知E=I
11、1(R1+Rg),E=I2(R2+Rg),联立解得R2=2 k,由图乙中查 得此时温度为 120 ,D 项正确。 答案 D 变式 2 图甲为某电阻R随摄氏温度t变化的关系,图中R0表示 0 时的电阻,k表示图线的斜率。若用该电阻与电池(E,r)、 电流表(内阻为Rg)、变阻器R串联起来,连接成图乙所示的电路,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, 于是就得到了一个简单的“电阻测温计”。 (1)现要把电流表的刻度值改为相应的温度刻度值,则高温刻度应在表盘的 (选填“左”或“右”)侧。 (2)在标识“电阻测温计”的温度刻度时,需要弄清所测温度和电流的对应关系。请用E、R0、k等
12、物理量表示所测温度t与 电流I的关系式:t= 。 (3)由(2)知,计算温度和电流的对应关系,需要测量电流表的内阻(量程为 3 mA,内阻约为 200 ,设符号为“”)。已知实验 室还有下列器材: A.电源E(电动势为 12 V,内阻r较小); B.电流表(量程为 0.6 A,内阻约为 0.3 ); C.滑动变阻器R1(020 ); D.滑动变阻器R2(020 k); E.电阻箱R3(099.99 ); F.电阻箱R4(0999.9 ); G.电压表(量程为 3.0 V,内阻约为 3 k); H.电压表(量程为 15.0 V,内阻约为 5 k); 还有开关(单掷、双掷等),导线若干。 请在方框
13、内设计一个合适的电路,用于测量电流表内阻Rg(电路中用你选择的器材符号表示)。 解析 (1)因为温度升高,R的阻值增大,电流表的示数变小,所以把电流表的刻度值改为相应的温度刻度值时,高温刻度应在表 盘的左侧。 (2)根据闭合电路欧姆定律得I=,所以t= -(r+R+Rg+R0)。 + + g+ 0+ kt 1 (3)测电流表的内阻,可用伏安法,也可用半偏法。 若用伏安法,电路图如图丙所示,其原理U1=I1(RA1+R4),则RA1=-R4。 1 1 若用半偏法,电路图如图丁所示,其原理为当电流表的示数由满偏变为半偏时,RA1=R4。 答案 (1)左 (2)-(r+R+Rg+R0) (3)见解析
14、 1 解答敏感电阻与电学实验的综合问题要把握以下三点: (1)明确各敏感电阻的特性。明确这些敏感电阻随所处环境的温度、光照、磁场、压力等的变化而变化的情况,能从各自的 特性曲线上了解或求得所需要的信息。 (2)明确所考查电学实验的原理及方法,这是解题的关键。 (3)将敏感电阻的特性与电学实验的原理方法相结合,运用所学的电学规律(如欧姆定律等)或力学规律(如牛顿运动定律等)解 题。 变式 3 用对温度敏感的半导体材料制成的某热敏电阻RT,在给定温度范围内,其阻值随温度的变化是非线性的。某同学将 RT和两个适当的固定电阻R1、R2连成如图甲虚线框内所示的电路,以使该电路的等效电阻RL的阻值随RT所
15、处环境温度的变化近 似为线性,且具有合适的阻值范围。为了验证这个设计,他采用伏安法测量在不同温度下RL的阻值,测量电路如图甲所示,图中的 电压表内阻很大。RL的测量结果如表所示。 温度t/30.040.050.060.070.080.090.0 RL阻值/54.351.548.344.741.437.934.7 回答下列问题: (1)根据图甲所示的电路,在图乙所示的实物图上连线。 (2)为了检验RL与t之间近似为线性关系,在图丙上作出RL-t的关系图线。 (3)在某一温度下,电路中的电流表、电压表的示数如图丁所示。电流表的示数为 ,电压表的示数为 。此时 等效电阻RL的阻值为 ;热敏电阻所处环
16、境的温度约为 。 解析 本题综合考查电学实验的基本知识,涉及实验原理的设计、实验步骤的安排和实验数据的处理。 (1)根据电路图连接实物;连接时开关要断开,滑动变阻器连入电路中的阻值最大。 (2)根据数据描出点,作出直线。 (3)读出电压U=5.0 V,I=115.0 mA。RL= =43.5 ,再由图象可以看出RL随温度均匀变化,当RL=43.5 时,温度t=64.0 。 答案 (1)连线如图戊所示 (2)RL-t的关系图线如图己所示 (3)115.0 mA 5.0 V 43.5 64.0 (62.0 66.0 ) 三力电传感器的实际应用 传感器的一般应用模式:由敏感元件、转换器件和转换电路三
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