专题11.3 实验十二　传感器的简单使用（讲）（解析版）.doc

专题11.3 实验十二传感器的简单使用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1实验目的(1)了解常见传感器元件的作用。(2)探究热敏电阻、光敏电阻的特性。2实验原理传感器将感受到的非电学量(力、热、光、声等)，转换成便于测量的电学量。3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。4实验过程(1)研究热敏电阻的特性按如图所示连接好实物。将热水分几次注入烧杯中，测量每次水的温度、热敏电阻的阻值。总结：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)研究光敏电阻的特性将光敏电阻、多用电表、灯泡、滑动变阻器按如图所示正确连接，多用电表置于“×100”挡。先测出在室内自然光的照射下光敏电阻的阻值。打开电源，让小灯泡发光，调节灯泡的亮度使之逐渐变亮，观察光敏电阻的变化情况。用黑纸遮光时，观察光敏电阻的变化情况。总结：光照增强光敏电阻阻值变小，光照减弱光敏电阻阻值变大。考点一 热敏电阻的特性与应用【典例1】（重庆巴蜀中学2019届模拟）利用负温度系数热敏电阻(温度越高，电阻越小)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_(选填“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 (如图甲所示)，则25 的刻度应在20 的刻度的_(选填“左”或“右”)侧。甲乙(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【解析】(1)因为温度降低时，负温度系数热敏电阻的阻值增大，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 的刻度应对应较大电流，故在20 的刻度的右侧。(3)电路如图所示【变式1】（四川绵阳中学2019届模拟）如图所示，一热敏电阻RT放在控温容器M内；为毫安表，量程6 mA，内阻为数十欧姆；E为直流电源，电动势约为3 V，内阻很小；R为电阻箱，最大阻值为999.9 ，S为开关。已知RT在95 时的阻值为150 ，在20 时的阻值约为550 。现要求在降温过程中测量在2095 之间的多个温度下RT的阻值。(1)在图中画出连线，完成实验原理电路图。(2)完成下列实验步骤中的填空：a依照实验原理电路图连线。b调节控温容器M内的温度，使得RT的温度为95 。c将电阻箱调到适当的阻值，以保证仪器安全。d闭合开关，调节电阻箱，记录电流表的示数I0，并记录_。e将RT的温度降为T1(20 <T1<95 )；调节电阻箱，使得电流表的读数_，记录_。f温度为T1时热敏电阻的电阻值RT1_。g逐步降低T1的数值，直到20 为止；在每一温度下重复步骤e、f。【答案】(1)见解析(2)d.电阻箱的读数R0e仍为I0电阻箱的读数R1fR0R1150 【解析】(1)根据所给器材，要测量在不同温度下RT的阻值，只能将电阻箱、热敏电阻、毫安表与电源串联形成测量电路，如图所示。(2)依照实验原理电路图连线；调节控温容器M内的温度，使得RT的温度为95 ，此时RT阻值为150 ，将电阻箱调到适当的阻值，以保证仪器安全；闭合开关，调节电阻箱，记录毫安表的示数I0，并记录电阻箱的读数R0，根据欧姆定律有I0；将RT的温度降为T1(20 <T1<95 )；调节电阻箱，使得毫安表的读数仍为I0，记录电阻箱的读数为R1，根据欧姆定律：I0，则，解得RT1R0R1150 。考点二 光敏电阻的特性与应用【典例2】（广东华南师大附中2019届模拟）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。(2)如图所示，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。【解析】(1)光敏电阻的阻值随光照度变化的曲线如图甲所示。特点：光敏电阻的阻值随光照度的增大非线性减小。 甲 乙(2)控制开关自动启动照明系统，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，即此时光敏电阻阻值为20 k，两端电压为2 V，电源电动势为3 V，所以应加上一个分压电阻，分压电阻阻值为10 k，即选用R1，电路原理图如图乙所示。【变式2】（山东青岛二中2019届模拟）一台臭氧发生器P的电阻为10 k，当供电电压等于24 V时能正常工作，否则不产生臭氧。现要用这种臭氧发生器制成自动消毒装置，要求它在有光照时能产生臭氧，在黑暗时不产生臭氧，拟用一个光敏电阻R1对它进行控制，R1的阻值在有光照时为100 ，黑暗时为1 000 、允许通过的最大电流为3 mA；电源E的电压为36 V、内阻不计；另有一个滑动变阻器R2，阻值为0100 、允许通过的最大电流为0.4 A；一个开关S和导线若干。臭氧发生器P和光敏电阻R1的符号如图所示。设计一个满足上述要求的电路图，图中各元件要标上字母代号，其中滑动变阻器两固定接线柱端分别标上字母A、B(电路图画在虚线框内)。【解析】因变阻器最大阻值100 远小于臭氧发生器P的电阻10 k，为了能控制臭氧发生器，应该使用滑动变阻器的分压式连接，有光照时P能正常工作，无光照时P不工作，电路如图所示。考点三 传感器的实验拓展【典例3】（福建师大附中2019届模拟）霍尔传感器测量转速的原理图如图所示，传感器固定在圆盘附近，圆盘上固定4个小磁体，在a、b间输入方向由a到b的恒定电流，圆盘转动时，每当磁体经过霍尔元件，传感器c、d端输出一个脉冲电压，检测单位时间内的脉冲数可得到圆盘的转速。关于该测速传感器，下列说法中正确的有()A在图示位置时刻d点电势高于c点电势B圆盘转动越快，输出脉动电压峰值越高Cc、d端输出脉冲电压的频率是圆盘转速的4倍D增加小磁体个数，传感器转速测量更准确【答案】CD【解析】霍尔元件有电子或空穴导电，根据左手定则，载流子向上表面偏转，即c点，所以c点电势不一定高于d点，故A项错误；最终电子或空穴在电场力和洛伦兹力的作用下处于平衡，设霍尔元件的长、宽、厚分别为a、b、c，电子或空穴定向移动的速度为v，有qqvB，所以UBbv，输出脉冲电压峰值与圆盘转动快慢无关，故B项错误；当小磁体靠近霍尔元件时，就是会产生一个脉冲电压，因此c、d端输出脉冲电压的频率是圆盘转动频率的4倍，即为转速的4倍，故C项正确；当增加小磁体个数，传感器c、d端输出一个脉冲电压频率变高，那么传感器转速测量更准确，故D项正确。【变式3】（浙江温州中学2019届模拟）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：A电源E(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r2约为1 )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Rx与所受压力F的数值关系是Rx_。【答案】(1)如图所示(2)(3)压力反向，阻值不变18F【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。(2)电阻两端电压为UxI1r1，流经的电流为IxI2I1，电阻Rx。(3)由题图可知，图象是一次函数图线，即RxkFb，k，b18，则有Rx18F。考点四实验的创新【典例4】(2017·江苏卷)某同学通过实验制作一个简易的温控装置，实验原理电路图如图甲所示，继电器与热敏电阻Rt、滑动变阻器R串联接在电源E两端，当继电器的电流超过15 mA时，衔铁被吸合，加热器停止加热，实现温控继电器的电阻约20 ，热敏电阻的阻值Rt与温度t的关系如下表所示.t/30.040.050.060.070.080.0Rt/199.5145.4108.181.862.949.1(1)提供的实验器材有：电源E1(3 V，内阻不计)、电源E2(6 V，内阻不计)、滑动变阻器R1(0200 )、滑动变阻器R2(0500 )、热敏电阻Rt、继电器、电阻箱(0999.9 )、开关S、导线若干为使该装置实现对3080之间任一温度的控制，电源E应选用_(选填“E1”或“E2”)，滑动变阻器R应选用_(选填“R1”或“R2”)甲乙(2)实验发现电路不工作某同学为排查电路故障，用多用电表测量各接点间的电压，则应将如图乙所示的选择开关旋至_(选填“A”“B”“C”或“D”)(3)合上开关S，用调节好的多用电表进行排查在图甲中，若只有b、c间断路，则应发现表笔接入a、b时指针_(选填“偏转”或“不偏转”)，接入a、c时指针_(选填“偏转”或“不偏转”)(4)排除故障后，欲使衔铁在热敏电阻为50时被吸合，下列操作步骤的正确顺序是_(填写各步骤前的序号)将热敏电阻接入电路观察到继电器的衔铁被吸合断开开关，将电阻箱从电路中移除合上开关，调节滑动变阻器的阻值断开开关，用电阻箱替换热敏电阻，将阻值调至108.1 【答案】(1)E2R2(2)C(3)不偏转偏转(4)【解析】(1)若实现对30温度的控制继电器和Rt的电压U0.015×(20199.5) V3.29 V因此符合要求的电源应选E2.若实现对80温度的控制对全电路有UI(R继RtR)即6 V0.015 A×(20 49.1 R)解得R330.9 .因此滑动变阻器应选R2.(2)用多用电表测量直流电压时，选择开关应旋至C(直流电压挡)(3)a、b间电压为0，指针不偏转接入a、c时，多用电表与电源等构成回路，指针偏转(4)连接电路时，先用电阻箱代替热敏电阻，调节滑动变阻器阻值，衔铁被吸合时，调节完毕，移除电阻箱换为热敏电阻即可，正确的顺序为.【变式4】（江苏启东中学2019届模拟）如图13所示装置可以用来测量硬弹簧(即劲度系数较大的弹簧)的劲度系数k.电源的电动势为E，内阻可忽略不计；滑动变阻器全长为L，重力加速度为g.为理想电压表当木板上没有放重物时，滑动变阻器的触头位于图中a点，此时电压表示数为零在木板上放置质量为m的重物，滑动变阻器的触头随木板一起下移由电压表的示数U及其他给定条件，可计算出弹簧的劲度系数k.图13(1)写出m、U与k之间所满足的关系式(2)已知E1.50 V，L12.0 cm，g取9.80 m/s2.测量结果如下表：m/kg1.001.503.004.506.007.50U/V0.1080.1540.2900.4460.6080.740在图14中给出的坐标纸上利用表中数据描出mU直线图14mU直线的斜率为_kg/V(结果保留三位有效数字)；弹簧的劲度系数k_N/m(结果保留三位有效数字)【答案】(1)mU(2)见解析图10.01.23×103【解析】(1)设放置质量为m的物体时弹簧的压缩量为x，则有mgkx又UE解得mU.(2)用描点法作图，作出的图象如图所示选取(0,0)、(0.90,9)两点，则斜率为 kg/V10.0 kg/V.因mU，故，k·10.0×N/m1.23×103 N/m.