高考物理实验特训11传感器的简单应用

实验十一：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。三、实验步骤1.热敏特性实验按如图所示将一热敏电阻连入电路中,将多用电表的选择开关置于欧姆挡,再将电表的两支表笔分别与热敏电阻两端相连.将热敏电阻放入有少量冷水并插有温度计的烧杯中,在欧姆挡上选择适当的倍率,观察表盘所示热敏电阻的阻值;再分几次向烧杯中倒入开水,观察不同温度下热敏电阻的阻值,看看这个热敏电阻的阻值是如何随温度变化的.2.光敏特性实验按如图所示将一光敏电阻连入电路中,将多用电表的选择开关置于欧姆挡,再将电表的两支表笔分别与光敏电阻两端相连.在欧姆挡上选择适当的倍率,观察表盘所示光敏电阻的阻值;将手张开放在光敏电阻上方,挡住部分光线,观察表盘所示光敏电阻的阻值;上下移动手掌,观察表盘所示光敏电阻的阻值,总结一下光敏电阻的阻值随光线发生怎样的变化.10\n3.光电计数的基本原理下图是利用光敏电阻自动计数的示意图,其中A是发光仪器,B是接收光信号的仪器,B中的主要元件是光电传感器——光敏电阻.当传送带上没有物品挡住由A射向B的光信号时,光敏电阻的阻值变小,供给信号处理系统的电压变高,这种高低交替变化的信号经过信号处理系统的处理,就会自动将其转化相应的数字,实现自动计数的功能.考点一　热敏电阻的原理及应用[典例1]　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连成如图实111虚线框内所示的电路，以使电路的等效电阻RL的阻值随RT所处环境温度的变化近似为线性的，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，测量电路器材如图实112所示，图中的电压表内阻很大。RL的测量结果如表所示。图实111　　温度t/℃30.040.050.060.070.080.090.0RL阻值/Ω54.351.548.344.741.437.934.7回答下列问题：(1)根据图实111所示的电路，在图实112所示的实物图上连线。图实11210\n(2)为了检验RL与t之间近似为线性关系，在坐标纸上作RLt关系图线。图实113(3)在某一温度下，电路中的电流表、电压表的示数如图实114甲、乙所示。电流表的读数为________，电压表的读数为________。此时等效电阻RL的阻值为________；热敏电阻所处环境的温度约为________。图实114[答案]　(1)连线如图所示(2)RLt关系图线如图所示(3)115mA　5.00V　43.5Ω　64.0℃(62～66℃均正确)10\n[考点总结·要点谨记]1.实验原理及连线[对应第(1)题]根据电路图连接实物图，R1与RT并联，再与R2串联，滑动变阻器为限流接法，注意各电表的极性，开关控制整个电路。3.电表的读数及数据的处理方法[对应第(3)题](1)电流表、电压表读数时应注意有效数字的位数。(2)根据RL＝计算RL的阻值。(3)再由RLt关系图线找出RL对应的温度。考点二　光敏电阻传感器的应用[典例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(kΩ)754028232018(1)根据表中数据，请在图实117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117(2)如图实118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)提供的器材如下：光敏电阻RP(符号，阻值见上表)；10\n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。图实118[答案]　(1)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)如图(b)所示　　　　　　　(a)　　　　　　　　　　　　　　(b)　　[考点总结·要点谨记]1.考查描点作图的方法及分析图像的能力[对应第(1)题](1)描绘图像时，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)根据所描绘图像，会分析电阻阻值如何随光照强度的变化而变化。2.设计电路的能力[对应第(2)题](1)要结合题目所给条件及所给图像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1.0lx时的光敏电阻的阻值，光敏电阻分压为2V，则串连定值电阻R分压1V。考点三　传感器在实验中的应用[典例3]　(2022·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1111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。10\n图实1111(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。[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)[考点总结·要点谨记]1．实验器材的创新[对应题干部分]用电压传感器、电流传感器代替电压表、电流表进行实验，既可以快速、准确的得到实验数据，还能使图像快速、直观地呈现在电脑屏幕上。2．滑动变阻器量程的选取[对应第(1)题第1空]根据实验原理，滑动变阻器应采用分压接法，为了便于调节，应选择滑动变阻器A。3．实验电路图的创新[对应第(1)题第2问]要学会把传统实验电路图中的两个电表等效替换为相应的传感器。4.实验数据处理的创新[对应第(2)题]利用电路乙的UI图像(甲)结合电流传感器的示数求得电路丙中小灯泡的电功率，再通过闭合电路欧姆定律可求得电路丙中电源内阻。10\n1．在街旁的路灯，江海里的航标都要求在夜晚亮，白天熄，利用半导体的电学特性制成了自动点亮、熄灭的装置，实现了自动控制，这是利用半导体的(　　)A．压敏性B．光敏性C．热敏性D．三种特性都利用【答案】B2．如图13所示，R1、R2为定值电阻，L为小灯泡，ROS为光敏电阻，当照射光强度增大时(　　)图13A．电压表的示数减小B．R2中电流减小C．小灯泡的功率增大D．电路的路端电压增大【答案】BC【解析】当照射光强度增大时，ROS阻值减小，外电路电阻随ROS的减小而减小，R1两端电压因干路电流增大而增大，电压表的示数增大，同时内电压增大，故电路路端电压减小，A、D项错误；由路端电压减小、R1两端电压增大知，R2两端电压必减小、则R2中电流减小，故B项正确；结合干路电流增大知流过小灯泡的电流必增大，则小灯泡的功率增大，故C项正确．3．(2022·成都模拟)酒精测试仪用于机动车驾驶人员是否酗酒及其他严禁酒后作业人员的现场检测．它利用的是一种二氧化锡半导体型酒精气体传感器，酒精气体传感器的电阻随酒精气体浓度的变化而变化．在如图14所示的电路中，酒精气体的不同浓度对应着传感器的不同电阻．这样，电压表的指针就与酒精气体浓度有了对应关系．如果二氧化锡半导体型酒精气体传感器电阻的倒数与酒精气体的浓度成正比，那么，电压表示数U与酒精气体浓度C之间的对应关系正确的是(　　)图1410\nA．U越大，表示C越大，C与U成正比B．U越大，表示C越大，但是C与U不成正比C．U越大，表示C越小，C与U成正比D．U越大，表示C越小，但是C与U不成反比【答案】B【解析】由闭合电路欧姆定律得，干路的电流I＝，电压表示数U＝IR0＝，而RxC＝k(定值)，可见U越大，表示C越大，但是C与U不成正比，故B项正确．4.(2022·嘉兴模拟)一台臭氧发生器P的电阻为10kΩ，当供电电压等于24V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ROS对它进行控制，ROS的阻值在有光照时为100Ω，黑暗时为1000Ω，允许通过的最大电流为3mA；电源E的电压为36V，内阻不计；另有一个滑动变阻器R2，阻值为0～100Ω，允许通过的最大电流为0.4A；一个开关S和导线若干．臭氧发生器P和光敏电阻ROS的符号如图15所示．图15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)【答案】见解析图【解析】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．电路图如下：5.如图16所示，一热敏电阻RT放在控温容器M内；为毫安表，量程6mA，内阻为数十欧姆；E为直流电源，电动势约为3V，内阻很小；R为电阻箱，最大阻值为999.9Ω；S为开关．已知RT在95℃时的阻值为150Ω，在20℃时的阻值约为550Ω.现要求在降温过程中测量在95～20℃之间的多个温度下RT的阻值．10\n图16(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温度为95℃.c．将电阻箱调到适当的初值，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，直至20℃为止；在每一温度下重复步骤e、f.【答案】(1)实验原理电路图，如图所示：(2)d.电阻箱的读数R0　e．仍为I0　电阻箱的读数R1f．R0－R1＋150Ω【解析】(1)电阻箱的最大阻值与热敏电阻的最大阻值相差不大，因此电阻箱应与热敏电阻串联．(2)本实验原理是当电路中的电流相等时，外电路的总电阻相等，所以95°C和T1时RT对应的电路的总电阻相等，有150Ω＋R0＝RT1＋R1，即RT1＝R0－R1＋150Ω.6．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ROS在不同照度下的阻值如下表所示：照度/lx0.20.40.60.81.01.2电阻/kΩ754028232018(1)根据表中数据，请在图17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．10\n图17(2)如图18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)图18提供的器材如下：光敏电阻ROS(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．【答案】见解析【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．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1.0lx时启动照明系统，此时光敏电阻阻值为20kΩ，两端电压为2V，电源电动势为3V，故应加上一个分压电阻，分压电阻阻值为10kΩ，即选用R1.此电路的原理图如图所示．10