2020版高考物理一轮复习 第11章 实验12 传感器的简单应用课件 新人教版

第十一章交变电流传感器实验十二传感器的简单应用栏目导航考点二考点一0102考点三031．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①按如图所示连接好实物。②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。③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①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。②先测出在室内自然光的照射下光敏电阻的阻值。③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。④用黑纸遮光时，观察光敏电阻的变化情况。⑤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1．热敏电阻的特性热敏电阻的阻值随温度升高而减小，随温度降低而增大。2．热敏电阻的作用将温度这个热学量转换为电阻这个电学量。[考点对练]1．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。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)电路如图所示答案：(1)小(2)右(3)见解析2．(2019·佛山模拟)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′串联起来，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”。甲乙(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t1t2，则t1的刻度应在t2的________(选填“左”或“右”)侧。(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。请在虚线框内设计一个用“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)解析：(1)由题图甲可知，金属温度升高电阻增大，电流计电流减小，可知t1刻度应在t2的右侧。(2)由闭合电路欧姆定律知E＝I(R＋R′＋Rg＋r)由题图甲知R＝R0＋Kt解得t＝EKI－1K(Rg＋r＋R′＋R0)。(3)采用半偏法测电阻值，电阻箱的最大阻值应该大于电流表的内阻，同时滑动变阻器应该选择阻值较大的，故电阻箱选择B，滑动变阻器选择D。电路图如图所示。答案：(1)右(2)EKI－1K(Rg＋r＋R′＋R0)(3)电路图见解析BD3.如图所示，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20～95℃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℃T195℃)；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。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150Ω，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＝ER0＋150Ω＋RA；将RT的温度降为T1(20℃T195℃)；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＝ER1＋RT1＋RA，则ER0＋150Ω＋RA＝ER1＋RT1＋RA，解得RT1＝R0－R1＋150Ω。答案：(1)见解析(2)d.电阻箱的读数R0e．仍为I0电阻箱的读数R1f．R0－R1＋150Ω光敏电阻的特性与应用点二考1．光敏电阻的特性光照增强光敏电阻变小，光照减弱光敏电阻变大。2．光敏电阻的作用将光照强弱这个光学量转换为电阻这个电学量。[考点对练]1．一台臭氧发生器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R1对它进行控制，R1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100Ω远小于臭氧发生器P的电阻10kΩ，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。答案：见解析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)；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。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(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1.0lx时启动照明系统，即此时光敏电阻阻值为20kΩ，两端电压为2V，电源电动势为3V，所以应加上一个分压电阻，分压电阻阻值为10kΩ，即选用R1，电路原理图如图乙所示。答案：见解析乙考点三传感器的实验拓展除了热敏电阻和光敏电阻外，还有一些常用的传感器元件如下：(1)压敏电阻：将压力转换为电学量(电阻)。(2)气敏电阻：将气体浓度转换电学量(电阻)。(3)光电管：将所收到的光信号转换成电信号。(4)电容器：将位移、角度、压力转换为电学量(电容)。(5)霍尔元件：将磁感应强度转换为电学量(电压)。(6)弹簧：将弹力、加速度转换为电学量(电流)。[考点对练]1．(多选)(2019·南通模拟)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C．c、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CD[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qUb＝qvB，所以U＝Bbv，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。]2.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(3V，内阻约为1Ω)B．电流表A1(0～0.6A，内阻r1＝5Ω)C．电流表A2(0～0.6A，内阻r2约为1Ω)D．开关S，定值电阻R0＝5Ω(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＝________。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Ux＝I1r1，流经的电流为Ix＝I2－I1，电阻Rx＝I1r1I2－I1。(3)由题图可知，图象是一次函数图线，即Rx＝kF＋b，k＝－ΔRxΔF＝－104.5＝－209，b＝18，则有Rx＝18－209F。答案：(1)如图所示(2)I1r1I2－I1(3)压力反向，阻值不变18－209F