高考物理一轮复习第11章交变电流传感器实验12传感器的简单应用教师用书

实验十二 传感器的简单应用

一、实验目的

1．认识热敏电阻、光敏电阻等传感器的特性． 2．了解传感器的简单应用． 二、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．

考点一| 热敏电阻的原理及应用

[母题] 某实验小组探究一种热敏电阻的温度特性．现有器材：直流恒流电源(在正常工作状态下输出的电流恒定)、电压表、待测热敏电阻、保温容器、温度计、开关和导线等．

(1)若用上述器材测量热敏电阻的阻值随温度变化的特性，请你在图实­12­1的实物图上连线．

图实­12­1

(2)实验的主要步骤：

①正确连接电路，在保温容器中注入适量冷水，接通电源，调节并记录电源输出的电流值；

②在保温容器中添加少量热水，待温度稳定后，闭合开关，________，________，断开开关；

③重复第②步操作若干次，测得多组数据．

(3)实验小组算得该热敏电阻在不同温度下的阻值，并据此绘得图实­12­2所示的R­t关系图线，请根据图线写出该热敏电阻的R­t关系式：R＝________＋________t(Ω)．

图实­12­2

【解析】 (3)根据R＝就可求出不同温度下热敏电阻的阻值，并据此绘得R­t图线．在图线上取两点，当t1＝10 ℃时，R1＝104 Ω，当t2＝60 ℃时，R2＝124 Ω，R­t图线的斜率为

UIR2－R1

＝0.4；将图线延长，图线交于原点，说明t＝0 ℃时的电阻为100 Ω，故R­tt2－t1

关系式为R＝100＋0.4t(Ω)．

【答案】 (1)如图所示

(2)②读取温度计示数 读取电压表示数 (3)100 0.4 [借题悟法·核心点拨]

1.考查实验原理及连线[第(1)问] (1)根据实验要求进行连线． (2)电压表应直接并联在待测热敏电阻两侧． (3)连线时注意电流的流向. 2.考查实验步骤[第(2)问] (1)实验过程中应逐步升温，待温度稳定后再读数． (2)实验时应测多组数据，以减小实验误差. 3.考查识图能力和数据处理方法[第(3)问] (1)根据R＝求出不同温度下热敏电阻的阻值． (2)由R­t关系图线找出R与t的函数关系式． (3)本实验的主要误差来源于温度计和电压表的读数. [母题迁移] 1．(2017·贵阳模拟)图实­12­3为用电源、电磁继电器、滑动变阻器、绿灯泡、小电

UI

铃、半导体热敏电阻、开关、导线等组成的一个高温报警器电路图，要求是：正常情况绿灯亮，有险情时电铃报警，则图中的甲、乙、丙分别是( )

图实­12­3

A．小电铃、半导体热敏电阻、绿灯泡 B．半导体热敏电阻、小电铃、绿灯泡 C．绿灯泡、小电铃、半导体热敏电阻 D．半导体、热敏电阻、绿灯泡、小电铃

B [根据要求，在常温下热敏电阻甲阻值较大，电磁铁磁性较弱，不能将衔铁吸下，此时绿灯所在电路接通，绿灯亮，所以丙为是绿灯；温度升高，热敏电阻阻值较小，控制电路电流增大时，电磁铁磁性增大，将衔铁吸下，丙电路断开，乙电路接通电铃响，所以乙为小电铃；由以上的分析可知，甲是半导体热敏电阻．故选B.]

2．(2016·全国乙卷)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．

图实­12­4

(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． 【解析】 (1)电路图连接如图．

(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择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18

附近，若置于另一端a时，闭合开关，则电路中的电流I＝ A≈27.7 mA，超过报警器

650.0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)连线如解析图所示 (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

考点二| 光敏电阻的应用

[母题] 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) 电阻(kΩ) 0.2 75 0.4 40 0.6 28 0.8 23 1.0 20 1.2 18 (1)根据表中数据，请在图图实­12­5所示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．

图实­12­5

(2)如图实­12­6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)

图实­12­6

提供的器材：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：R1＝10 kΩ，R2＝20 kΩ，

R3＝40 kΩ(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．

由图可知光敏电阻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1.0 lx时启动照明系统，此时光敏电阻阻值为20 kΩ，两端电压为2 V，电源电动势为3 V，故应加上一个分压电阻，分压电阻阻值为10 kΩ，即选用R1.此电路的原理图如图所示．

[借题悟法·核心点拨]

1.考查描点作图的方法和分析图象的能力[第(1)问]

(1)描绘图象时，各点应均匀分布在图线两侧，且图线应是平滑的曲线，而不应成为连接各点的折线. (2)根据所描绘图象，会分析电阻阻值如何随光照强度的变化而变化. 2.考查实验电路的设计能力[第(2)问] (1)要结合题目所给条件及所给图象的数据进行分析设计. (2)通过分析可确定RP应接在1、2之间. (3)选择定值电阻，根据图线读出光照强度在1.0 lx时的光敏电阻的阻值为20 kΩ，光敏电阻分压为2 V，则串联定值电阻R分压1 V，其阻值应为10 kΩ. [母题迁移] 1．(多选)(2017·兰州模拟)某温度检测、光电控制加热装置原理如图实­12­7所示．图中RT为热敏电阻(随温度升高，阻值减小)，用来探测加热电阻丝R的温度，RG为光敏电阻(随光照强度增大，阻值减小)，接收小灯泡L的光照，除RT、RG外，其他电阻均为定值电阻．当

R处温度升高时( )

【导学号：92492395】

图实­12­7

A．L变亮 B．R3的电流减小 C．E2的路端电压增大 D．R的功率减小

AD [当R处温度升高时，RT阻值变小，小灯泡L的光照强度增大，RG阻值变小，通过

R2的电流变大，E2的路端电压变小，R两端电压变小，通过的电流也变小，功率变小，通过R3的电流变大，选项A、D正确，B、C错误．]

2．为了节能环保，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照度的变化而发生变化的元件(照度可以反映光的强弱，光越强照度越大，照度单位为lx)．

(1)某光敏电阻R在不同照度下的阻值如表中所示，根据表中已知数据，在如图实­12­8所示坐标系中描绘出了阻值随照度变化的曲线．由图象可求出照度为1.0 lx时的电阻约为________kΩ.

图实­12­8

照度/lx 电阻/kΩ 0.2 5.8 0.4 3.7 0.6 2.8 0.8 2.3 1.0 1.2 1.8 (2)如图实­12­9所示是街道路灯自动控制模拟电路，利用直流电源为电磁铁供电，利用照明电源为路灯供电．为达到天亮灯熄、天暗灯亮的效果，路灯应接在________(填“AB”或“BC”)之间，请用笔画线代替导线，正确连接电路元件．

图实­12­9

(3)用多用电表“×10 Ω”档，按正确步骤测量图中电磁铁线圈电阻时，指针示数如图实­12­10所示，则线圈的电阻为________Ω.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，2 A)、R2(0～200 Ω，1 A)、R3(0～1 750 Ω，1 A)．要求天色渐暗照度降低至1.0 lx时点亮路灯，滑动变阻器应选择________(填“R1”“R2”或“R3”). 为使天色更暗时才点亮路灯，应适当地________(填“增大”或“减小”)滑动变阻器的电阻．

图实­12­10

【解析】 (1)由描点绘出的图象可以找出照度为1.0 lx时光敏电阻的阻值为2.0 kΩ；

(2)电源与开关、滑动变阻器、光敏电阻和电磁铁串联起来．当受光照作用较强时，光敏电阻阻值较小，通过电磁铁的电流较大，对衔铁磁力增大，与触点C接通，此时应使路灯不亮，故路灯应接在AB之间；(3)多用电表读数为14，乘以倍率“×10”，故线圈电阻为140 Ω.由闭合电路欧姆定律可知，电路总电阻达到3 kΩ时，电路接通，故滑动变阻器电阻应与光敏电阻同一数量级，故滑动变阻器选择R3.天色更暗，光敏电阻阻值增大，为使路灯此时点亮，则滑动变阻器电阻应减小．

【答案】 (1)2.0(误差允许范围内均对) (2)AB 接线图如图所示

(3)140 R3 减小

考点三| 传感器在实际中的应用

[母题] (2017·湖北省部分重点高中联考)利用传感器可以探测、感受外界的信号、物理条件等．图实­12­11甲所示为某同学用传感器做实验得到的小灯泡的U­I关系图线．

甲 乙

(1)实验室提供的器材有：电流传感器、电压传感器、滑动变阻器A(阻值范围0～10 Ω)、滑动变阻器B(阻值范围0～100 Ω)、电动势为6 V的电源(不计内阻)、小灯泡、开关、导线若干．该同学做实验时，滑动变阻器选用的是________(选填“A”或“B”)；请在图实­12­11乙的方框中画出该实验的电路图．

丙 图实­12­11

(2)如果将该小灯泡接入图实­12­11丙所示的电路中，已知电流传感器的示数为0.3 A，

电源电动势为3 V．则此时小灯泡的电功率为________W，电源的内阻为________Ω.

【答案】 (1)A 实验电路图如图所示

(2)0.69(0.66～0.72均可) 2.33(2.00～2.67均可) [借题悟法·核心点拨]

1.考查实验器材的创新[题干部分] (1)用电压传感器、电流传感器替代电压表和电流表. (2)能快速、准确取得实验数据，及时地把图象呈现在电脑屏幕上. 2.考查滑动变阻器及分压、限流电路的选择[第(1)问] (1)根据实验原理，本实验应采用分压电路. (2)为便于调节，滑动变阻器应选择A. 3.考查实验数据的处理[第(2)问] (1)利用小灯泡的U­I图象(甲)结合电流传感器的示数读出丙中小灯泡的电压值. (2)利用闭合电路欧姆定律计算电源的内电阻. [母题迁移] 1．(多选)(2017·恩施模拟)工业生产中需要物料配比的地方常用“吊斗式”电子秤，图实­12­12甲所示的是“吊斗式”电子秤的结构图，其中实现称质量的关键性元件是拉力传感器．拉力传感器的内部电路如图实­12­12丙所示，R1、R2、R3是定值电阻，R1＝20 kΩ，

R2＝10 kΩ，R0是对拉力敏感的应变片电阻，其电阻值随拉力变化的图象如图乙所示，已知

料斗重1×10 N，没装料时Uba＝0，g取10 m/s.下列说法中正确的是( )

【导学号：92492396】

3

2

甲 乙 丙

图实­12­12

A．R3阻值为40 kΩ

B．装料时，R0的阻值逐渐变大，Uba的值逐渐变小

C．拉力越大应变片电阻阻值也变大，Uba传感器的示数也变大 D．应变片作用是把物体形变这个力学量转换为电压这个电学量

AC [没装料时，根据串并联电路规律可得R1两端的电压为：UR1＝

R1

R1＋R2

×12＝8 V；从

R33

R­F图中可得，没装料时，料斗重1×10 N，此时R0＝20 kΩ，所以R3两端的电压为UR3＝

R3＋R0

×12＝

12R312R3

，因为此时Uba＝0，说明R1两端的电压和R3两端的电压相等，即＝8 V，R3＋20R3＋20

解得R3＝40 kΩ，A正确；装料时，由于R1所在支路电流恒定，所以a点的电势恒定，而

R3所在支路中R0逐渐增大，该支路电流减小，R3两端的电压减小，即b的电势升高，所以Uba逐渐增大，B错误，C正确；应变片作用是把拉力这个力学量转换为电压这个电学量，D

错误；故选A、C.]

2.传感器是把非电学量(如速度、温度、压力等)的变化转换成电学量的变化的一种元件，在自动控制中有着相当广泛的应用．有一种测量人的体重的电子秤，其测量部分的原理图如图实­12­13中的虚线框所示，它主要由压力传感器R(电阻值会随所受压力大小发生变化的可变电阻)和显示体重大小的仪表○A (实质是理想电流表)组成．压力传感器表面能承受的最大压强为1×10 Pa，且已知压力传感器R的电阻与所受压力的关系如表所示．设踏板和压杆的质量可以忽略不计，接通电源后，压力传感器两端的电压恒为4.8 V，g取10 m/s.请作答：

2

7

图实­12­13

压力F/N 电压R/Ω 0 300 250 270 500 240 750 210 1 000 180 1 250 150 1 500 120 … … (1)该秤零点(即踏板空载时)的刻度线应标在电流表刻度盘________A处． (2)如果某人站在该秤踏板上，电流表刻度盘的示数为20 mA，这个人的质量是________kg.

【解析】 (1)由题表格知，踏板空载时，压力传感器的电阻R＝300 Ω，此时○A中电

U4.8－2

流I＝＝ A＝1.6×10 A.

R300

(2)当电流I′＝20 mA＝2×10 A时，压力传感器的电阻R′＝Ω，由表格可知，这个人受到的重力为500 N，此人质量为50 kg.

【答案】 (1)1.6×10 (2)50

－2

－2

U4.8＝ Ω＝240 I′2×10－2