第8章 第7讲 传感器的简单使用—2022届高中物理一轮复习讲义（机构专用）

第7讲传感器的使用　一、传感器的工作原理1．概念：能够感受外界信息，并将其按照一定的规律转换成电信号的器件或装置，叫传感器．2．组成：一般由敏感元件、转换器件、转换电路三个部分组成．3．原理：通过对某一物理量敏感的元件，将感受到的物理量按一定规律转换成便于测量的量．例如，光电传感器利用光敏电阻将光信号转换成电信号；热电传感器利用热敏电阻将温度信号转换成电信号．4．流程：考点一热敏电阻的原理及应用例1、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，请你在实物图上连线。（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；12 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）。变式1．（2018·广东佛山一中模拟）如图甲表示某电阻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Rg、变阻器R′串连起来，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，于是就得到了一个简单的“电阻测温计”。（1）实际使用时要把电流表的刻度值改为相应的温度刻度值，若温度t1＜t2，则t1的刻度应在t2的________侧（填“左”或“右”）。（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（约为200Ω）。已知实验室有下列器材：A．电阻箱（0～99.99Ω）；B．电阻箱（0～999.9Ω）；C．滑动变阻器（0～20Ω）；D．滑动变阻器（0～20kΩ）。此外，还有电动势合适的电源、开关、导线等。请在方框内设计一个用“半偏法”测电流表内阻Rg的电路；在这个实验电路中，电阻箱应选________；滑动变阻器应选________。（只填代码）变式2．（2017·江苏高考）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1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15mA时，衔铁被吸合，加热器停止加热，实现温控。继电器的电阻约20Ω，热敏电阻的阻值Rt与温度t的关系如下表所示。t/℃30.040.050.060.070.080.012 Rt/Ω199.5145.4108.181.862.949.1（1）提供的实验器材有：电源E1（3V，内阻不计）、电源E2（6V，内阻不计）、滑动变阻器R1（0～200Ω）、滑动变阻器R2（0～500Ω）、热敏电阻Rt、继电器、电阻箱（0～999.9Ω）、开关S、导线若干。为使该装置实现对30～80℃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”）。（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1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）①将热敏电阻接入电路②观察到继电器的衔铁被吸合③断开开关，将电阻箱从电路中移除④合上开关，调节滑动变阻器的阻值⑤断开开关，用电阻箱替换热敏电阻，将阻值调至108.1Ω考点二光敏电阻的应用例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：12 照度（lx）0.20.40.60.81.01.2电阻（kΩ）754028232018（1）根据表中数据，请在如图甲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。　（2）如图乙所示，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）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。考点三传感器的应用及创新考查创新角度实验装置图创新解读实验原理的创新　　（2016·全国卷Ⅰ）1.利用热敏电阻来控制电路，使之成为温度报警系统，在设置报警温度时，借助于电阻箱进行电阻设置，使之达到报警的温度。2．可以设计成可调温度的报警器。　　（2016·江苏高考）1.把传感器与闭合电路问题结合。12 实验器材的创新2．用替代法测量不同温度下金属的电阻，比伏安法更准确。3．描绘Rt的特性曲线，并由曲线推导Rt的关系式。例3、（2016·全国Ⅰ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999.9Ω），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1000Ω），滑动变阻器R2（最大阻值为2000Ω），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18V，Ic约为10mA；流过报警器的电流超过20mA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650.0Ω。（1）完成待调节的报警系统原理电路图的连线。（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。变式3、（2018·郑州模拟）实验室备有以下器材：电压传感器、电流传感器、滑动变阻器R1（阻值变化范围0～20Ω）、滑动变阻器R2（阻值变化范围0～1000Ω）、电动势适当的电源、小灯泡（4V　12 2W）、开关、导线若干。（1）要完整地描绘小灯泡的UI曲线，请在方框中画出实验电路图，并标出所用滑动变阻器的符号。（2）实验中描绘出的小灯泡UI曲线如图所示，由图可知，小灯泡灯丝电阻随温度升高而____________。（填“增大”“减小”或“不变”）（3）如果用上述器材测量所给电源的电动势和内电阻，实验电路如图甲所示，图中R0是阻值为9.0Ω的保护电阻，实验中测得多组数据记录在下表中，试在同一坐标系中画出等效电源的UI图像，由图像可求出电源自身内阻约为______Ω。序号123456U/V4.003.402.802.001.500.80I/A0.200.260.330.400.460.52（4）若将上述小灯泡直接与电源和保护电阻组成串联电路，如图乙所示，此时小灯泡消耗的电功率约为________W。12 【能力展示】1．某光敏电阻阻值随光强变化的关系如下表所示：[“光强（E）”表示光强弱程度的物理量，单位为坎德拉（cd）]光强E/cd123456光敏电阻R/Ω36181297.26小明为此设计了一个路灯自动控制电路如图1所示，光敏电阻R、电阻箱R1和继电器组成了一个简单光控电路，继电器线圈的电阻为r＝200Ω．当线圈中的电流大于或等于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＝8V，内阻可以不计，图中的“电源”接入照明电压．（1）为了达到日出灯熄，日落灯亮的效果，应该把路灯接________端（选填“AB”或“CD”）．（2）如果要使外界光强达到3cd时路灯自动熄灭，电阻箱R1接入电路的电阻值应为________Ω.　（3）电路连接好后，小明用手挡住光敏电阻，发现电路不工作．为排查电路故障，他用多用电表测量各接点间的电压，则应将图2所示的选择开关旋至________（选填“A”、“B”、“C”或“D”）处．小明测得光敏电阻R两端的电压为0，电阻箱R1两端的电压为8V．由此可知，该电路的故障为________________．（4）小明排除故障后，电路能顺利工作了．只是发现路灯亮的有点早，为此，他应该将电阻箱R1的阻值适当调________（选填“大”或“小”）一点．12 2．某实验小组利用如图（a）所示的电路探究在25℃-80℃范围内某热敏电阻的温度特性，所用器材有：置于温控室（图中虚线区域）中的热敏电阻RT，其标称值（25℃时的阻值）为900.0Ω电源E（6V，内阻可忽略）电压表（量程150mV）定值电阻R0（阻值20.0Ω）滑动变阻器R1（最大阻值为1000Ω）电阻箱R2（阻值范围0-999.9Ω）单刀开关S1，单刀双掷开关S2。实验时，先按图（a）连接好电路，再将温控室的温度t升至80.0℃，将S2与1端接通，闭合S1，调节R1的滑片位置，使电压表读数为某一值Uv，保持R1的滑片位置不变，将R2置于最大值，将S2与2端接通，调节R2，使电压表读数仍为Uv。断开S1，记下此时R2的读数，逐步降低温控室的温度t，得到相应温度下R2的阻值，直至温度降到25.0℃，实验得到的R2-t数据见下表。t/℃25.030.040.050.060.070.080.0R2/Ω900.0680.0500.0390.0320.0270.0240.0回答下列问题：（1）在闭合S1前，图（a）中R1的滑片应移动到________（填“a”或“b”）端；（2）在图（b）的坐标纸上补齐数据表中所给数据点，并做出R2-t曲线：12 图（b）20.01000800200060040040.060.080.0100.0R2/Ωt/℃图（c）（3）由图（b）可得到RT，在25℃-80℃范围内的温度特性，当t=44.0℃时，可得RT=____Ω；（4）将RT握于手心，手心温度下R2的相应读数如图（c）所示，该读数为________Ω，则手心温度为__________℃。3．利用传感器可以探测、感受外界的信号、物理条件等。图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。（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0～10Ω）、滑动变阻器B（阻值范围0～100Ω）、电动势为6V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”）；请在图乙的方框中画出该实验的电路图。（2）如果将该小灯泡接入丙图所示的电路中，已知电流传感器的示数为0.3A，电源电动势为3V。则此时小灯泡的电功率为________W，电源的内阻为________Ω。12 例1、（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变式1．（1）右　（2）t＝－（Rg＋r＋R′＋R0）　（3）电路图如图所示B　D变式2．（1）E2　R2　（2）C　（3）不偏转　偏转　（4）⑤④②③①例2、（1）图像如图（a）所示，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）电路如图（b）所示例3、（1）（2）R2（3）①650.0　b12 　接通电源后，流过报警器的电流会超过20mA，报警器可能损坏　②c　报警器开始报警变式3、（1）（2）增大（3）1Ω（4）灯泡的电功率为P＝UI＝2.2×0.38W≈0.84W。【能力展示】1．（1）AB　（2）188　（3）C　电阻箱R1断路　（4）小2．（1）b（2）如图所示（3）450（4）620.033.03．（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）12 12