2020高考物理一輪復習 實驗十二 傳感器的簡單使用學案（含解析）.doc

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傳感器的簡單使用 主干梳理 對點激活 1．按圖連接好電路，將熱敏電阻絕緣處理。 2．把多用電表置于“歐姆”擋，并選擇適當?shù)牧砍虦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中，測出不同溫度下熱敏電阻的阻值，并記錄。 1．根據(jù)記錄數(shù)據(jù)，把測量到的溫度、電阻值填入表中，分析熱敏電阻的特性。 2．在坐標系中，粗略畫出熱敏電阻的阻值隨溫度變化的圖線，如圖所示。 3．根據(jù)實驗數(shù)據(jù)和R－t圖線，得出結論：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。 1．將光敏電阻、多用電表、小燈泡、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。 2．先測出在室內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，調節(jié)小燈泡的亮度使之逐漸變亮，觀察表盤指針顯示電阻阻值的情況，并記錄。 4．用手掌(或黑紙)遮光，觀察表盤指針顯示電阻阻值的情況，并記錄。 把記錄的結果填入表中，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 阻值/Ω 結論：光敏電阻的阻值被光照射時發(fā)生變化，光照增強電阻變小，光照減弱電阻變大。 1．溫度計讀數(shù)帶來的誤差，可以選用精度高的溫度計讀數(shù)三次取平均值。 2．歐姆表的讀數(shù)帶來的誤差，可以對同一溫度、同一光照強度下的電阻讀數(shù)三次取平均值。 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，可將光敏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．歐姆表每次換擋后都要重新調零。 考點細研 悟法培優(yōu) 考點1　熱敏電阻的應用 例1　熱敏電阻是傳感電路中常用的電子元件，現(xiàn)用伏安法研究電阻在不同溫度下的伏安特性曲線，要求特性曲線盡可能完整。已知常溫下待測熱敏電阻的阻值約4～5 Ω。將熱敏電阻和溫度計插入帶塞的保溫杯中，杯內有一定量的冷水，其他備用的儀表和器具有：盛有熱水的熱水瓶(圖中未畫出)、電源(3 V、內阻可忽略)、直流電流表(內阻約1 Ω)、直流電壓表(內阻約5 kΩ)、滑動變阻器(0～20 Ω)、開關、導線若干。 (1)畫出實驗電路圖。 (2)根據(jù)電路圖，在上圖所示的實物圖上連線。 (3)簡要寫出完成接線后的主要實驗步驟。 嘗試解答　(1)圖見解析__(2)如圖所示 (3)完成接線后的主要實驗步驟：①往保溫杯里加一些熱水，待溫度計穩(wěn)定時讀出溫度計值；②調節(jié)滑動變阻器，快速測出幾組電壓表和電流表的值；③重復①和②，測量不同溫度下的數(shù)據(jù)；④繪出各測量溫度下的熱敏電阻的伏安特性曲線。 (1)常溫下待測熱敏電阻的阻值(約4～5 Ω)較小，熱敏電阻的阻值隨溫度的升高而減小，應該選用電流表外接法。題目中要求特性曲線盡可能完整，應使熱敏電阻兩端的電壓由零逐漸增大，滑動變阻器選用分壓式。所以電路圖如圖。 (2)按電路圖，實物連線見嘗試解答。 (3)①往保溫杯里加一些熱水，待溫度計穩(wěn)定時讀出溫度計值；②調節(jié)滑動變阻器，快速測出幾組電壓表和電流表的值；③重復①和②，測量不同溫度下的數(shù)據(jù)；④繪出各測量溫度下的熱敏電阻的伏安特性曲線。 [變式1]　利用負溫度系數(shù)熱敏電阻制作的熱傳感器，一般體積很小，可以用來測量很小范圍內的溫度變化，反應快，而且精確度高。 (1)如果將負溫度系數(shù)熱敏電阻與電源、電流表和其他元件串聯(lián)成一個電路，其他因素不變，只要熱敏電阻所處區(qū)域的溫度降低，電路中電流將變________(填“大”或“小”)。 (2)上述電路中，我們將電流表中的電流刻度換成相應的溫度刻度，就能直接顯示出熱敏電阻附近的溫度。如果刻度盤正中的溫度為20 ℃(如圖甲所示)，則25 ℃的刻度應在20 ℃的刻度的________(填“左”或“右”)側。 (3)為了將熱敏電阻放置在某蔬菜大棚內檢測大棚內溫度變化，請用圖乙中的器材(可增加元器件)設計一個電路。 答案　(1)小　(2)右　(3)圖見解析 解析　(1)因為負溫度系數(shù)熱敏電阻溫度降低時，電阻增大，故電路中電流會減小。 (2)由(1)的分析知，溫度越高，電流越大，25 ℃的刻度應對應較大電流，故在20 ℃的刻度的右側。 (3)如圖所示。 考點2　光敏電阻的應用 例2　為了節(jié)能和環(huán)保，一些公共場所使用光控開關控制照明系統(tǒng)。光控開關可采用光敏電阻來控制，光敏電阻是阻值隨著光的照度而發(fā)生變化的元件(照度可以反映光的強弱，光越強照度越大，照度單位為lx)。某光敏電阻RP在不同照度下的阻值如下表： 照度/lx 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 電阻/kΩ 75 40 28 23 20 18 (1)根據(jù)表中數(shù)據(jù)，請在圖甲給定的坐標系中描繪出光敏電阻阻值隨照度變化的曲線，并說明阻值隨照度變化的特點。 (2)如圖乙所示，當1、2兩端所加電壓上升至2 V時，控制開關自動啟動照明系統(tǒng)，請利用下列器材設計一個簡單電路。給1、2兩端提供電壓，要求當天色漸暗照度降低至1.0 lx時啟動照明系統(tǒng)，在虛線框內完成電路原理圖。 (不考慮控制開關對所設計電路的影響)提供的器材如下： 光敏電阻RP(符號，阻值見圖表) 直流電源E(電動勢3 V，內阻不計)； 定值電阻：R1＝10 kΩ，R2＝20 kΩ，R3＝40 kΩ(限選其中之一并在圖中標出)；開關S及導線若干。 嘗試解答　(1)光敏電阻的阻值隨光照變化的曲線如下圖所示，光敏電阻的阻值隨光的照度的增大非線性減小。 (2)電路原理圖見下圖 (1)根據(jù)表中的數(shù)據(jù)，在坐標紙上描點連線，得到如嘗試解答所示的變化曲線。 阻值隨照度變化的特點：光敏電阻的阻值隨光的照度的增大非線性減小。 (2)因天色漸暗照度降低至1.0 lx時啟動照明系統(tǒng)，此時光敏電阻阻值為20 kΩ，兩端電壓為2 V，電源電動勢為3 V，故應加上一個分壓電阻，分壓電阻阻值為10 kΩ，即選用R1；此電路的原理圖見嘗試解答。 [變式2]　為了研究光敏電阻在室內正常光照射和室外強光照射時電阻的大小關系，某同學用如圖甲所示的電路進行實驗，得出兩種U－I圖線，如圖乙所示。 (1)根據(jù)U－I圖線可知正常光照射時光敏電阻的阻值為________ Ω，強光照射時電阻為________Ω。 (2)若實驗中所用電壓表的內阻約為5 kΩ，毫安表的內阻約為100 Ω，考慮到電表內阻對實驗結果的影響，此實驗中________(填“正常光照射時”或“強光照射時”)測得的電阻誤差較大。若測量這種光照下的電阻，則需將實物圖中毫安表的連接方式采用________(填“內接”或“外接”)法進行實驗，實驗結果較為準確。 答案　(1)3000　200　(2)強光照射時　外接 解析　(1)光敏電阻的阻值隨光照的增強而減小，結合圖乙知正常光照射時R1＝＝＝3000 Ω，強光照射時R2＝＝＝200 Ω。 (2)實驗電路采用的是毫安表內接法，測得的結果比真實值偏大，當待測電阻遠大于毫安表電阻時實驗誤差較小，所以強光照射時誤差較大；強光照射時采用毫安表外接法實驗結果較為準確。 考點3　其他傳感器的應用 例3　某學生為了測量一物體的質量，找到一個力電轉換器，該轉換器的輸出電壓正比于受壓面的壓力(比例系數(shù)為k)。如圖所示，測量時先調節(jié)輸入端的電壓，使轉換器空載時的輸出電壓為0；而后在其受壓面上放一物體，即可測得與物體的質量成正比的輸出電壓U?，F(xiàn)有下列器材：力電轉換器、質量為m0的砝碼、電壓表、滑動變阻器、干電池各一個，開關及導線若干，待測物體(可置于力電轉換器的受壓面上)。 (1)設計一個電路，要求力電轉換器的輸入電壓可調，并且使電壓的調節(jié)范圍盡可能大，畫出完整的測量電路圖。 (2)簡要說明測量步驟，求出比例系數(shù)k，并測出待測物體的質量m。 嘗試解答　(1)設計電路如圖所示 (2)測量步驟如下： ①調節(jié)滑動變阻器，使轉換器的輸出電壓為零； ②將質量為m0的砝碼放在轉換器的受壓面上，記下輸出電壓U0； ③將待測物體放在轉換器的受壓面上，記下輸出電壓U1； ④因為U0＝km0g，U1＝kmg，所以可求出k＝，m＝。 本題是傳感器的應用問題，考查實驗與探究能力，完成簡單的實驗設計。力電轉換器雖然是一個全新的儀器，但它與其他所有的測量儀器一樣，要有一個“調零”的過程。仔細審題，題目中有很多重要的暗示，挖掘這些信息即是我們解決問題的關鍵?！皽y量時先調節(jié)輸入端的電壓，使轉換器空載時的輸出電壓為0；而后在其受壓面上放一物體，即可測得與物體的質量成正比的輸出電壓U”，“該轉換器的輸出電壓正比于受壓面的壓力(比例系 數(shù)為k)”所以輸出電壓U＝kmg。題目要求“力電轉換器的輸入電壓可調，并且使電壓的調節(jié)范圍盡可能大”，這就暗示我們滑動變阻器必須使用分壓式，有了設計電路才可以進行測量步驟。 [變式3]　 如圖所示為一測定液面高低的傳感器示意圖，A為固定的導體芯，B為導體芯外面的一層絕緣物質，C為導電液體，把傳感器接到圖示電路中，已知靈敏電流表指針偏轉方向與電流方向相同。如果發(fā)現(xiàn)指針正向右偏轉，則導電液體的深度h的變化情況為(　　) A．h正在增大 B．h正在減小 C．h不變 D．無法確定 答案　B 解析　由電源極性及電流方向可知，A、B構成的電容器上的電荷量減小，據(jù)C＝，電容C在減小，可知正對面積S減小，即h在減小，故選項B正確。 高考模擬 隨堂集訓 1．(2018全國卷Ⅰ)某實驗小組利用如圖a所示的電路探究在25 ℃～80 ℃范圍內某熱敏電阻的溫度特性。所用器材有：置于溫控室(圖中虛線區(qū)域)中的熱敏電阻RT，其標稱值(25 ℃時的阻值)為900.0 Ω；電源E(6 V，內阻可忽略)；電壓表(量程150 mV)；定值電阻R0(阻值20.0 Ω)，滑動變阻器R1(最大阻值為1000 Ω)；電阻箱R2(阻值范圍0～999.9 Ω)；單刀開關S1，單刀雙擲開關S2。 實驗時，先按圖a連接好電路，再將溫控室的溫度t升至80.0 ℃。將S2與1端接通，閉合S1，調節(jié)R1的滑片位置，使電壓表讀數(shù)為某一值U0；保持R1的滑片位置不變，將R2置于最大值，將S2與2端接通，調節(jié)R2，使電壓表讀數(shù)仍為U0；斷開S1，記下此時R2的讀數(shù)。逐步降低溫控室的溫度t，得到相應溫度下R2的阻值，直至溫度降到25.0 ℃。實驗得到的R2－t數(shù)據(jù)見下表。 t/℃ 25.0 30.0 40.0 50.0 60.0 70.0 80.0 R2/Ω 900.0 680.0 500.0 390.0 320.0 270.0 240.0 回答下列問題： (1)在閉合S1前，圖a中R1的滑片應移動到________(填“a”或“b”)端； (2)在圖b的坐標紙上補齊數(shù)據(jù)表中所給數(shù)據(jù)點，并作出R2－t曲線； (3)由圖b可得到RT在25 ℃～80 ℃范圍內的溫度特性。當t＝44.0 ℃時，可得RT＝________ Ω； (4)將RT握于手心，手心溫度下R2的相應讀數(shù)如圖c所示，該讀數(shù)為________ Ω，則手心溫度為________ ℃。 答案　(1)b　(2)見解析圖　(3)450　(4)620.0　33.0 解析　(1)圖a的電路滑動變阻器采用限流接法，在閉合S1前，R1應該調節(jié)到接入電路部分的電阻值最大，使電路中電流最小，即圖a中的R1的滑片應移到b端。 (2)將t＝60 ℃和t＝70 ℃對應的兩組數(shù)據(jù)對應畫在坐標圖上，然后用平滑曲線過盡可能多的數(shù)據(jù)點畫出R2－t圖象，如圖所示。 (3)根據(jù)題述實驗過程可知，測量的R2數(shù)據(jù)等于熱敏電阻RT對應溫度的電阻值。由畫出的R2－t圖象可知，當t＝44.0 ℃時，對應的RT＝450 Ω。 (4)由畫出的R2－t圖象可知，RT＝620.0 Ω，則手心溫度t＝33.0 ℃。 2．(2016北京高考) 熱敏電阻常用于溫度控制或過熱保護裝置中。如圖為某種熱敏電阻和金屬熱電阻的阻值R隨溫度t變化的示意圖。由圖可知，這種熱敏電阻在溫度上升時導電能力________(選填“增強”或“減弱”)；相對金屬熱電阻而言，熱敏電阻對溫度變化的響應更________(選填“敏感”或“不敏感”)。 答案　增強　敏感 解析　由題圖可知，熱敏電阻在溫度上升時，阻值下降，故其導電能力增強；相對金屬熱電阻而言，熱敏電阻在溫度變化時，阻值變化明顯，故對溫度更敏感。 3．(2016全國卷Ⅰ)現(xiàn)要組裝一個由熱敏電阻控制的報警系統(tǒng)，要求當熱敏電阻的溫度達到或超過60 ℃時，系統(tǒng)報警。提供的器材有：熱敏電阻，報警器(內阻很小，流過的電流超過Ic時就會報警)，電阻箱(最大阻值為999.9 Ω)，直流電源(輸出電壓為U，內阻不計)，滑動變阻器R1(最大阻值為1000 Ω)，滑動變阻器R2(最大阻值為2000 Ω)，單刀雙擲開關一個，導線若干。 在室溫下對系統(tǒng)進行調節(jié)。已知U約為18 V，Ic約為10 mA；流過報警器的電流超過20 mA時，報警器可能損壞；該熱敏電阻的阻值隨溫度升高而減小，在60 ℃時阻值為650.0 Ω。 (1)完成待調節(jié)的報警系統(tǒng)原理電路圖的連線。 (2)電路中應選用滑動變阻器________(填“R1”或“R2”)。 (3)按照下列步驟調節(jié)此報警系統(tǒng)： ①電路接通前，需將電阻箱調到一固定的阻值，根據(jù)實驗要求，這一阻值為________Ω；滑動變阻器的滑片應置于________(填“a”或“b”)端附近，不能置于另一端的原因是______________________。 ②將開關向________(填“c”或“d”)端閉合，緩慢移動滑動變阻器的滑片，直至________________。 (4)保持滑動變阻器滑片的位置不變，將開關向另一端閉合，報警系統(tǒng)即可正常使用。 答案　(1)連線如圖所示 (2)R2 (3)①650.0　b　接通電源后，流過報警器的電流會超過20 mA，報警器可能損壞?、赾　報警器開始報警 解析　(1)見答案。 (2)由R＝＝ Ω＝1800 Ω可知，滑動變阻器應選R2。 (3)①電阻箱的電阻值應調為熱敏電阻在60 ℃時的阻值，即650.0 Ω?；瑒幼冏杵鞯幕瑧糜赽端，使開關接通后回路中電流最小，以保護報警器，即防止因過載而損壞報警器。 ②應將開關向c端閉合，然后對系統(tǒng)進行調節(jié)。 4. (2017江蘇高考)某同學通過實驗制作一個簡易的溫控裝置，實驗原理電路圖如圖1所示，繼電器與熱敏電阻Rt、滑動變阻器R串聯(lián)接在電源E兩端，當繼電器的電流超過15 mA時，銜鐵被吸合，加熱器停止加熱，實現(xiàn)溫控。繼電器的電阻約20 Ω，熱敏電阻的阻值Rt與溫度t的關系如下表所示。 t/℃ 30.0 40.0 50.0 60.0 70.0 80.0 Rt/Ω 199.5 145.4 108.1 81.8 62.9 49.1 (1)提供的實驗器材有：電源E1(3 V，內阻不計)、電源E2(6 V，內阻不計)、滑動變阻器R1(0～200 Ω)、滑動變阻器R2(0～500 Ω)、熱敏電阻Rt、繼電器、電阻箱(0～999.9 Ω)、開關S、導線若干。 為使該裝置實現(xiàn)對30 ℃～80 ℃之間任一溫度的控制，電源E應選用________(選填“E1”或“E2”)，滑動變阻器R應選用________(選填“R1”或“R2”)。 (2)實驗發(fā)現(xiàn)電路不工作。某同學為排查電路故障，用多用電表測量各接點間的電壓，則應將如圖2所示的選擇開關旋至________(選填“A”“B”“C”或“D”)。 (3)合上開關S，用調節(jié)好的多用電表進行排查。在圖1中，若只有b、c間斷路，則應發(fā)現(xiàn)表筆接入a、b時指針________(選填“偏轉”或“不偏轉”)，接入a、c時指針________(選填“偏轉”或“不偏轉”)。 (4)排除故障后，欲使銜鐵在熱敏電阻為50 ℃時被吸合，下列操作步驟的正確順序是________。(填寫各步驟前的序號) ①將熱敏電阻接入電路 ②觀察到繼電器的銜鐵被吸合 ③斷開開關，將電阻箱從電路中移除 ④合上開關，調節(jié)滑動變阻器的阻值 ⑤斷開開關，用電阻箱替換熱敏電阻，將阻值調至108.1 Ω 答案　(1)E2　R2　(2)C　(3)不偏轉　偏轉 (4)⑤④②③① 解析　(1)若實現(xiàn)對30 ℃溫度的控制 繼電器和Rt的電壓 U＝0.015(20＋199.5) V≈3.29 V 因此符合要求的電源應選E2。 若實現(xiàn)對80 ℃溫度的控制 對全電路有E＝I(R繼＋Rt＋R) 即6 V＝0.015 A(20 Ω＋49.1 Ω＋R) 解得R＝330.9 Ω。 因此滑動變阻器應選R2。 (2)用多用電表測量直流電壓時，選擇開關應旋至C(直流電壓擋)。 (3)a、b間電壓為0，指針不偏轉。 接入a、c時，多用電表與電源等構成回路，指針偏轉。 (4)連接電路時，先用電阻箱代替熱敏電阻，調節(jié)滑動變阻器阻值，銜鐵被吸合時，調節(jié)完畢，移除電阻箱換為熱敏電阻即可，正確的順序為⑤④②③①。 5．(2018鄭州模擬)電控調光玻璃能根據(jù)光照強度自動調節(jié)玻璃的透明度，將光敏電阻Rx和定值電阻R0接在9 V的電源上，光敏電阻阻值隨光強變化關系如表所示： 光強E/cd 1 2 3 4 5 電阻值/Ω 18 9 6 3.6 [“光強”表示光強弱程度的物理量，符號為E，單位坎德拉(cd)] (1)當光照強度為4坎德拉(cd)時光敏電阻Rx的大小為________ Ω。 (2)其原理是光照增強，光敏電阻Rx阻值變小，施加于玻璃兩端的電壓降低，玻璃透明度下降，反之則玻璃透明度上升。若電源電壓不變，R0是定值電阻，則下列電路圖中符合要求的是________(填序號)。 (3)現(xiàn)已知定值電阻R0為12 Ω，用電壓表測得光敏電阻兩端的電壓為3 V，則此時光照強度為多少？ 答案　(1)4.5　(2)C　(3)3 cd 解析　(1)由表格數(shù)據(jù)可知，光敏電阻Rx與光強E的乘積均為18 Ωcd不變，則當E＝4 cd時，光敏電阻的阻值：Rx＝＝4.5 Ω。 (2)由題意可知，光敏電阻Rx與定值電阻R0串聯(lián)連接，光照增強時，光敏電阻Rx阻值減小，電路中的總電阻減小，由I＝可知，電路中的電流增大，由U＝IR可知，R0兩端的電壓增大，因串聯(lián)電路中總電壓等于各分電壓之和，所以Rx兩端的電壓減小，反之，光照減弱時，光敏電阻Rx阻值增大，R0兩端的電壓減小，Rx兩端的電壓增大，則玻璃并聯(lián)在R0兩端時不符合，玻璃并聯(lián)在Rx兩端時符合，故A項錯誤，C項正確；若玻璃與電源并聯(lián)，光照變化時，玻璃兩端的電壓不變，故B、D兩項錯誤。 (3)當R0＝12 Ω，光敏電阻兩端的電壓Ux＝3 V時，因串聯(lián)電路中總電壓等于各分電壓之和，R0兩端的電壓：U0＝U－Ux＝9 V－3 V＝6 V，因串聯(lián)電路中各處的電流相等，所以電路中的電流I＝＝，即＝，解得：Rx′＝6 Ω，此時光照強度E′＝＝3 cd。