高考物理一輪教學(xué)案專題十二考點二實驗十一 傳感器的簡單使用 含解析

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1、 實驗十一  傳感器的簡單使用 基礎(chǔ)點 1.實驗裝置及電路圖 2．實驗?zāi)康? (1)認識熱敏電阻、光敏電阻等傳感器的特性。 (2)了解傳感器的簡單應(yīng)用。 3．實驗原理 傳感器是能將所感受到的物理量 (如力、熱、光、聲等等)轉(zhuǎn)換成 便于測量的量 (一般是電學(xué)量)的一類元件。其工作過程是通過對某一 物理量敏感的元件，將感受到的信號按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成便于利用的信 號。如熱電傳感器是利用熱敏電阻將熱信號轉(zhuǎn)換成電信號。轉(zhuǎn)換后的 信號經(jīng)過相應(yīng)的儀器進行處理，就可以達到自動控制的目的。 4．實驗器材 熱敏電阻、光敏電阻、多用電表、鐵架臺、

2、燒杯、冷水、熱水、 小燈泡、學(xué)生電源、繼電器、滑動變阻器、開關(guān)、導(dǎo)線等。 5．實驗步驟 第1頁  共19頁 A．研究熱敏電阻的熱敏特性 (1)實驗步驟 ①按圖所示連接好電路，將熱敏電阻進行絕緣處理。 ②將多用電表置于歐姆擋，選擇適當?shù)膿跷粶y出燒杯中沒有水時 熱敏電阻的阻值，并記下溫度計的示數(shù)。 ③向燒杯中注入少量的冷水，使熱敏電阻浸沒在冷水中，記下溫 度計的示數(shù)和多用電表測量的熱敏電阻的阻值。 ④將熱水分幾次注入燒杯，測量不同溫度下熱敏電阻的阻值，并 記錄。 (2)數(shù)據(jù)處理 ①根據(jù)記錄數(shù)據(jù)，把測量到的溫度、電阻值填入

3、表中，分析熱敏 電阻的特性。 ②在如圖所示的坐標系中，粗略畫出熱敏電阻的阻值隨溫度變化 的圖線。 第2頁  共19頁 (3)實驗結(jié)論 根據(jù)實驗數(shù)據(jù)和 R-t 圖線，得出結(jié)論：熱敏電阻的阻值隨溫度的 升高而減小，隨溫度的降低而增大。 B．研究光敏電阻的光敏特性 (1)實驗步驟 ①將光敏電阻、多用電表、小燈泡、學(xué)生電源、滑動變阻器按如 圖所示電路連接好，其中多用電表置于歐姆擋“× 100”擋。 ②先測出在室內(nèi)自然光的照射下光 敏電阻的阻值，并記錄數(shù)據(jù)。 ③打開電源，讓小燈泡發(fā)光，調(diào)節(jié)小燈泡的亮度使之逐漸變亮， 觀

4、察表盤指針顯示電阻阻值的情況，并記錄。 ④測量用手掌 (或黑紙)遮光時光敏電阻的阻值并記錄。 (2)數(shù)據(jù)處理 把記錄的結(jié)果填入下表中，根據(jù)記錄數(shù)據(jù)分析光敏電阻的特性。 光照強度  弱  中  強  無光照射 電阻(Ω) (3)實驗結(jié)論 第3頁  共19頁 T T 光敏電阻被光照射時其電阻值發(fā)生變化，光照增強電阻變小，光 照減弱電阻變大。 重難點 一、誤差分析 1．溫度計讀數(shù)帶來的誤差，可以選用精度高的溫度計在較長時 間內(nèi)讀數(shù)三次取平均值。 2．歐姆表的讀數(shù)帶來的誤差，可以

5、對同一溫度、同一光照強度 下的電阻讀數(shù)三次取平均值。 二、注意事項 1．在做熱敏電阻實驗時，加開水后要等一會兒再測其阻值，以 使電阻溫度與水的溫度相同，并同時讀出水溫和電阻值。 2．光敏電阻實驗中，如果效果不明顯，可將電阻部分電路放入 帶蓋的紙盒中，并通過蓋上小孔改變照射到光敏電阻上的光的強度。 3．歐姆表每次換檔后都要重新調(diào)零。 三、實驗改進 1．實驗過程 對于熱敏電阻的特性，可用以下實驗進行研究。 如圖所示，將多用電表的選擇開關(guān)置于歐姆擋，再將電表的兩支 表筆與負溫度系數(shù)的熱敏電阻 R 的兩端相連，這時表針指在某一刻 度，觀察下述操作下的指針

6、偏轉(zhuǎn)情況： (1)往 R 上擦一些酒精。 (2)用吹風(fēng)機將熱風(fēng)吹向電阻，根據(jù)指針偏轉(zhuǎn)方向判斷熱敏電阻 的特性。 2．實驗分析 第4頁  共19頁 T T T T H l 1 2 nqd H nq d H (1)往 R 上擦一些酒精，發(fā)現(xiàn)指針左偏，說明 R 的阻值增大， 而酒精蒸發(fā)吸熱，熱敏電阻的溫度降低，所以熱敏電阻的阻值隨溫度 的降低而增大。 (2)用吹風(fēng)機將熱風(fēng)吹向電阻，發(fā)現(xiàn)指針右偏，說明 R 的阻值減 小，而熱敏電阻 R 的溫度升高，故熱敏電阻的阻值隨溫度的升高而 減小。 優(yōu)點

7、：改進后的實驗簡單且易操作，同學(xué)們能很快得出結(jié)論。 四、霍爾元件 1．霍爾元件 如圖所示，在一個很小的矩形半導(dǎo)體(例如砷化銦 )薄片上，制作 四個電極 E、F、M、N，它就成為一個霍爾元件?；魻栐軌虬?磁感應(yīng)強度這個磁學(xué)量轉(zhuǎn)換為電壓這個電學(xué)量。 2．霍爾電壓 如上圖所示，在 E、F 間通入恒定電流 I，同時外加磁場 B，則 薄片中的載流子同時受到電場力和磁場力的作用。當磁場力與電場力 平衡時，M、N 間電勢差達到恒定。設(shè)薄片厚度為 d，EF 方向長度 U 為 l ，MN 方向長度為 l ，則 q ＝qvB。 2 IB 又電流的微觀表達式為 I＝nq

8、Sv，所以 U ＝ 。 因為同一材料單位體積內(nèi)載流子的個數(shù) n、單個載流子的電荷量 1 IB q 均為定值，令 k＝ ，所以 U ＝k 。 特別提醒 第5頁  共19頁 IB d T T T T 0 T 1 1 1 T1 1 霍爾電壓 UH＝k 中，k 為霍爾系數(shù)，其大小與薄片的材料有關(guān)。 2 種電阻——熱敏電阻、光敏電阻 1 種元件——霍爾元件 1 種原理——傳感器的原理 典例 1  如圖，一熱敏電阻 R 放在控溫容器 M 內(nèi)；mA 為毫 安表，量程 6

9、 mA，內(nèi)阻為數(shù)十歐姆；E 為直流電源，電動勢約為 3 V， 內(nèi)阻很??；R 為電阻箱，最大阻值為 999.9 Ω；S 為開關(guān)。已知 R 在 95 ℃時的阻值為 150 Ω ，在 20 ℃時的阻值約為 550 Ω 。現(xiàn)要求在降 溫過程中測量在 95～20 ℃之間的多個溫度下 R 的阻值。 (1)在圖中畫出連線，完成實驗原理電路圖。 (2)完成下列實驗步驟中的填空： a．依照實驗原理電路圖連線。 b．調(diào)節(jié)控溫容器 M 內(nèi)的溫度，使得 R 的溫度為 95 ℃。 c．把電阻箱調(diào)到適當?shù)某踔?，以保證儀器安全。 d．閉合開關(guān)，調(diào)節(jié)電阻箱，記錄電流表的示數(shù) I ，并記

10、錄________。 e．將 R 的溫度降為 T (20 ℃

11、 e．仍為 I 電阻箱 的讀數(shù) R [解析 ]  f．R －R ＋150 Ω (1)根據(jù)所給器材，要測量在不同溫度下 R 的阻值，只 能將電阻箱、熱敏電阻、毫安表與電源串聯(lián)形成測量電路，如圖所示。 (2)依據(jù)實驗原理電路圖連線；調(diào)節(jié)控溫容器 M 內(nèi)的溫度，使得 R 溫度為 95 ℃，此時 R 阻值為 150 Ω，將電阻箱調(diào)到適當?shù)淖柚担? 以保證儀器安全；閉合開關(guān)，調(diào)節(jié)電阻箱，記錄毫安表的示數(shù)I 0  ，并 記錄電阻箱的讀數(shù) R  0  ，根據(jù)歐姆定律有 I0＝ ；將 RT R ＋150 Ω  的溫

12、 度降為 T 1  (20 ℃＜T ＜95 ℃)；調(diào)節(jié)電阻箱，使得毫安表的讀數(shù)仍 為 I  ，記錄電阻箱的讀數(shù) R ，根據(jù)歐姆定律： I0＝ ，則 ＝ ，解得 R R ＋R R ＋150 Ω R ＋R  ＝R －R ＋150 Ω。 【解題法】  傳感器實驗的側(cè)重與注意點 在高考中關(guān)于傳感器的實驗主要側(cè)重于實驗電路的設(shè)計與連接， 實驗數(shù)據(jù)的圖象處理，解決該類問題注意以下幾點： (1)依據(jù)題目要求或根據(jù)傳感器的估計阻值設(shè)計電路，如分壓、 限流接法，電流表的內(nèi)、外接。 (2)實物連線時，一般先將串聯(lián)的主體電路連接

13、好，然后連接并 第7頁  共19頁 1 2 1 1 1 2 0 1 1 1 2 2 1 2 1 2 0 k 0 k gE 。 0 k 0 1 1 聯(lián)的器材。 典例 2  如圖所示為某種電子秤的原理示意圖， AB 為一均勻 的滑動變阻器，阻值為 R，長度為 L，兩邊分別有 P 、P 兩個滑動頭， 與 P 相連的金屬細桿可在被固定的豎直光滑絕緣桿 MN 上保持水平 狀態(tài)，金屬細桿與托盤相連。金屬細桿所受重力忽略不計，彈簧處于 原長時 P 剛好指向 A 端，若 P 、

14、P 間出現(xiàn)電壓時，該電壓經(jīng)過放大 通過信號轉(zhuǎn)換器后在顯示屏上顯示出質(zhì)量的大小。已知彈簧的勁度系 數(shù)為 k，托盤自身質(zhì)量為 m ，電源的電動勢為 E，電源的內(nèi)阻忽略不 計，信號放大器、信號轉(zhuǎn)換器和顯示器的分流作用忽略不計，求： (1)托盤上未放物體時在托盤的自身重力作用下 P 距 A 端的距離 x ； (2)在托盤上放有質(zhì)量為 m 的物體時 P 距 A 端的距離 x ； (3)在托盤上未放物體時通常先校準零點，其方法是調(diào)節(jié) P ，從 而使 P 、P 間的電壓為零，校準零點后將被稱物體放在托盤上。試 推導(dǎo)出被稱物體的質(zhì)量 m 與 P 、P 間電壓 U 的函數(shù)關(guān)系式。

15、 [答案 ]  m g (1)  (m＋m )g (2)  kL (3)m＝ U [解析 ]  (1)由力的平衡知識知 m g m g＝kx ，x ＝ (2)放上重物重新平衡后 第8頁  共19頁 0 2 2 0 ＝ ，x＝x x R L gE x 2 1 0 g 0 m g＋mg＝kx ，x ＝  (m＋m )g 。 k (3)設(shè)電路中的電流為 I，則 E＝IR， 設(shè) P1、P2 間的電阻為 Rx，距離為 x，則 R x kL U＝

16、IR ， －x ，解得 m ＝ U。 【解題法】  傳感器的工作過程設(shè)計 1．如圖甲表示某電阻 R 隨攝氏溫度 t 變化的關(guān)系，圖中 R 表示 0 ℃時的電阻，k 表示圖線的斜率。若用該電阻與電池 (E，r)、電流 表 R 、變阻器 R′串聯(lián)起來，連接成如圖乙所示的電路，用該電阻 做測溫探頭，把電流表的電流刻度改為相應(yīng)的溫度刻度，于是就得到 了一個簡單的“電阻測溫計”。 (1)現(xiàn)要把電流表的刻度值改為相應(yīng)的溫度刻度值，則高溫刻度 應(yīng)在表盤的________ (選填“左”或“右” )側(cè)； (2)在標識“電阻測溫計”的溫度刻度時，需要弄清所測溫度和 電流的

17、對應(yīng)關(guān)系。請用 E、R 、k 等物理量表示所測溫度 t 與電流 I 的關(guān)系式：t＝________； 第9頁  共19頁 1 2 1 2 3 4 1 2 g kI k g 0 E g 0 1 k 1 (3)由(2)知，計算溫度和電流的對應(yīng)關(guān)系，需要測量電流表的內(nèi) 阻(量程 3 mA，內(nèi)阻約為 200 Ω，設(shè)符號為“A ”)。已知實驗室還有下 列器材： A．電源 E(電動勢 12 V，內(nèi)阻 r 較小) B．電流表 A (量程 0.6 A，內(nèi)阻約為 0.3 Ω) C．滑動變阻器 R (0～

18、20 Ω) D．滑動變阻器 R (0～20 kΩ) E．電阻箱 R (0～99.99 Ω) F．電阻箱 R (0～999.9 Ω) G．電壓表 V (量程 3.0 V，內(nèi)阻約為 3 kΩ) H．電壓表 V (量程 15.0 V，內(nèi)阻約為 5 kΩ) 還有開關(guān)(單擲、雙擲等)，導(dǎo)線若干。 請在方框內(nèi)設(shè)計一個合適的電路，用于測量電流表內(nèi)阻 R (電路 中用你選擇的器材符號表示 )。 答案  (1)左  E 1 (2) － (r＋R′＋R ＋R ) (3)見解析 解析  (1)溫度升高，R 的阻值越大，電流表

19、的讀數(shù)越小，所以把 電流表的刻度值改為相應(yīng)的溫度刻度值時，高溫刻度應(yīng)在表盤的左側(cè)。 (2)根據(jù)閉合電路歐姆定律得 I＝ ，所以 t＝ r＋R′＋R ＋R ＋kt  E kI － (r＋R′＋Rg＋R0)。 (3)測電流表 A 的內(nèi)阻，可用伏安法，也可用半偏法。 第10頁  共19頁 U 1 I 1 2 若用伏安法，電路圖如圖甲所示，其原理為 U1＝I1(RA1＋R4)，則 RA1＝ －R4。 1 若用半偏法，電路圖如圖乙所示，其原理為當電流表 A 1 由滿偏變?yōu)榘肫珪r，RA1＝R

20、4。  的示數(shù) 2．實驗室備有以下器材：電壓傳感器、電流傳感器、滑動變阻 器 R (阻值變化范圍 0～20 Ω)、滑動變阻器 R (阻值變化范圍 0～1000 Ω)、電動勢適當?shù)碾娫?、小燈?(4 V,2 W)、開關(guān)、導(dǎo)線若干。 (1)要完整地描繪小燈泡的 U-I 曲線，請在方框中畫出實驗電路 圖，并標出所用滑動變阻器的符號。 第11頁  共19頁 0 (2)實驗中描繪出的小燈泡 U-I 曲線如圖所示，由圖可知，小燈 泡燈絲電阻隨溫度升高而 ________ 。 ( 填“增大”“減小”或“不 變”) (3)如果用上述器材測量所給電源

21、的電動勢和內(nèi)電阻，實驗電路 如圖甲所示，圖中 R 是阻值為 9.0 Ω 的保護電阻，實驗中測得多組 數(shù)據(jù)記錄在下表中，試在同一坐標系中畫出等效電源的 U-I 圖象，由 圖象可求出電源自身內(nèi)阻約為 ________Ω。 序號  1 2 3 4 5 6 U/V 4.00 3.40 2.80 2.00 1.50 0.80 I/A 0.20 0.25 0.33 0.40 0.46 0.52 (4)若將上述小燈泡直接與電源和保護電阻組成串聯(lián)電路，如圖 乙所示，此時小燈泡消耗的電功率約為 ________W。 答案  (1)電路圖見解析  (2)增

22、大  (3)圖見解析  1.0 第12頁  共19頁 Δ U ? 6 ? 0.6 Δ I è ? (4)0.82(0.80～0.84 W 均正確) 解析  (1)要描繪小燈泡的伏安特征曲線，電壓與電流應(yīng)從零開 始變化，滑動變阻器要采用分壓接法，由于小燈泡的阻值較小，電流 傳感器應(yīng)用外接法，電路圖如圖所示。 (2)由圖示 U-I 圖象可知，隨電壓與電流的增大，燈泡實際功率增 大，燈絲溫度升高，電壓與電流的比值增大，燈絲電阻增大，由此可 知，小燈泡燈絲電阻隨溫度升高而增大。 (3)根據(jù)表中實驗數(shù)據(jù)作出等效

23、電源 U-I 圖象如圖所示，由圖示圖 象可知，電源內(nèi)阻 r＝ －R0＝? －9.0÷ Ω＝1.0 Ω。 (4)由圖示圖象可知，燈泡兩端電壓為 2.1 V，電流為 0.39 A ，燈 第13頁  共19頁 泡的電功率為 P＝UI＝2.1×0.39 W≈0.82 W。 物理建模  設(shè)計探究性實驗的處理方法 1．設(shè)計探究性實驗 所謂設(shè)計探究性實驗，就是題目要求考生運用學(xué)過的實驗方法， 自行設(shè)計一個新的實驗方案，它要求考生設(shè)計實驗原理，選擇實驗器 材，安排實驗步驟，設(shè)計數(shù)據(jù)處理方法以及分析實驗誤差等。主要考 查考生是否理解實驗原理

24、和實驗儀器的使用，是否具有靈活運用實驗 知識的能力，是否具有在不同情況下遷移知識的能力。設(shè)計性實驗對 考生的能力要求較高，是高考經(jīng)?？疾榈念}型之一。 2．設(shè)計探究性實驗的設(shè)計原則 (1)科學(xué)性 設(shè)計的方案應(yīng)有科學(xué)的依據(jù)及正確的操作方式。 ①方案中所依據(jù)的原理應(yīng)遵循物理規(guī)律，且要求選用的規(guī)律簡單、 正確。 ②方案中所安排的操作程序應(yīng)合理，其操作符合實驗規(guī)則要求。 ③方案中進行數(shù)據(jù)處理及誤差分析應(yīng)依靠科學(xué)的方法。 (2)安全性 按設(shè)計方案實施時，應(yīng)安全可靠，不會對儀器、器材造成損壞。 ①選用器材時，應(yīng)考慮儀器、器材的性能及量值 (如儀表的量程、 電器

25、的額定值等 )的要求。 ②設(shè)計方案時，應(yīng)安排保護措施。 (3)精確性 實驗誤差應(yīng)控制在誤差允許的范圍之內(nèi)，盡可能選擇誤差較小的 方案。 ①在安裝器材時或在使用儀器之前，應(yīng)按實驗要求對器材、儀器 精心調(diào)整。如在使用某些儀表前，應(yīng)進行機械調(diào)零。 ②選用合適的測量工具 (直尺、儀表)及合適的量值范圍，使之 與被測數(shù)值相匹配。如使用多用電表測量某電阻時，應(yīng)選用合適的擋 位，使測量時電表指針指在中央刻度值附近。 第14頁  共19頁 ③實驗中可能出現(xiàn)因操作而帶來的偶然誤差，往往需要多次重 復(fù)實驗，獲取多組實驗數(shù)據(jù)，以備選取有效數(shù)據(jù)。 ④設(shè)

26、計合理的數(shù)據(jù)處理方式。如將多組有效數(shù)據(jù)相加后除以測 量次數(shù)，取其算術(shù)平均值 (一般求待測量的算術(shù)平均值，而不是求某 些中間量的算術(shù)平均值 )。 (4)簡便性、直觀性 設(shè)計實驗應(yīng)便于操作、讀數(shù)，便于進行數(shù)據(jù)處理，便于實驗者 觀察。 3．設(shè)計性實驗的設(shè)計思路 解決設(shè)計性實驗問題的關(guān)鍵在于選擇實驗原理，它是進行實驗 設(shè)計的根本依據(jù)和起點。它決定應(yīng)當測量哪些物理量、如何安排實驗 步驟等項目。實驗原理的確定：一是根據(jù)問題的要求，二是根據(jù)問題 的條件。 如果問題中沒有給定 (或給足)實驗器材，實驗設(shè)計的基本思路是： (1)根據(jù)問題的條件和要求，構(gòu)思相關(guān)的物理情景； (2

27、)確定實驗原理； (3)確定需要測量的物理量； (4)制訂實驗方案。 有時，對同一個問題，可以構(gòu)思出不同的物理情景，導(dǎo)出物理 量的不同表達形式，以這些表達式作為實驗設(shè)計的依據(jù)，會有不同的 實驗原理和實驗方案。 如果問題中已經(jīng)給出實驗器材，則設(shè)計實驗時只能按所給的器 材來構(gòu)思物理情景。相對而言，實驗原理和實驗方案都會受到較大的 限制。 【典例】 某同學(xué)對有故障的電熱毯進行探究。圖甲是電熱毯的 電路示意圖，其中電熱線和導(dǎo)線通過金屬接線片連接。圖乙為測試電 路實物圖， A、 B 為測試表筆，電壓表內(nèi)阻很大，可視為理想電表。 第15頁  共19頁

28、 1 1 2 (1)請畫出與圖乙對應(yīng)的電路圖。 (2)斷開 K ，用上述測試電路在 1 和 1′之間檢測得知電熱線無 故障，然后測得電熱線的 U-I 曲線如圖丙所示。已知電熱線材料的電 阻率為 2.8×10  －7  Ω·m，電熱線的直徑為 0.200 mm，可求得此電熱線 的電阻為 ________kΩ，總長度為 ________m。(結(jié)果均保留兩位有效 數(shù)字) (3)為了進一步檢查故障，該同學(xué)閉合開關(guān) K 和 K ，用表筆 A 和 B 分別對圖甲中所示的各點進行測試，部分測試結(jié)果如下表所示。 由此測試結(jié)果可判斷出電路有斷路，位置在

29、 ________之間 (在“ 1 和 2”“1′和 2′”“2 和 3”“2′和 3′”中選填一項 )。 第16頁  共19頁 4.3 l l 2 [解析]  (1)電路圖如答案圖所示 (2)U-I 曲線中，圖線的斜率即為電阻的測量值， 2.5 R＝ kΩ＝0.58 kΩ， 根據(jù) R＝ρ ＝ρ ， S ?d? π? ÷2 è ? 代入數(shù)據(jù)得 l＝65 m。 (3)測 3 與 3′間，電流表無示數(shù)，說明圖中的電熱線或某兩點間 斷路；測 1 和 1′間時，電流表有示數(shù)，說明電熱線無故障；測 1 和 3 間電流表有示數(shù)，說明 1 和 3 間沒有斷路；測 2′和 3′間電壓表 無示數(shù)，電流表有示數(shù)，說明 2′和 3′間沒有斷路，測 1 和 2′間 電流表無示數(shù)，說明 1 和 2′間斷路，所以斷路位置必在 1′和 2′ 間。 [答案 ]  (1) (2)0.58(0.57 到 0.59 均可) 65(64 到 66 均可) (3)1′和 2′ 第17頁  共19頁 [心得體會 ] 第18頁  共19頁 第19頁  共19頁