2020年高考物理一轮复习第12章交变电流传感器实验专题(十三)第58讲传感器的简单使用学案(含解析).doc
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1、1第 58 讲 传感器的简单使用考点一 光敏电阻研究光敏电阻的光敏特性1实验原理闭合电路欧姆定律,用 多用电表进行测量和观察。01 2实验器材光敏电阻、多用电表、 灯泡、滑动变阻器、导线、电源。02 3实验步骤(1)将光敏电阻、多用电表、灯泡、滑动变阻器、电源按如图所示电路连接好,其中多用电表置于“100”挡;(2)先测出在室内自然光的照射下光敏电阻的阻值,并记录数据;(3)打开电源,让小灯泡发光,调节小灯泡的亮度使之逐渐变亮,观察多用电表表盘指针显示光敏电阻阻值的情况,并记录;(4)用手掌(或黑纸)遮光时,观察多用电表表盘指针显示光敏电阻阻值的情况,并记录。4数据处理根据记录数据分析光敏电阻
2、的特性。5实验结论(1)光敏电阻在暗环境下电阻值很大,强光照射下电阻值 很小;03 (2)光敏电阻能够把光照强弱这个光学量转换为 电阻这个电学量。04 6注意事项(1)实验中,如果效果不明显,可将电阻部分电路放入带盖的纸盒中,并通过盖上小孔改变照射到光敏电阻上的光的多少来达到实验目的;(2)欧姆表每次换挡后都要重新进行欧姆调零。2(2018济南模拟)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表:(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。(2)光敏电
3、阻的阻值随照度变化的特点是_。(3)如图所示,当 1、2 两端所加电压上升至 2 V 时,控制开关自动启动照明系统。直流电源电动势 E3 V,内阻不计;光敏电阻 RP(符号 ,阻值见表格);定值电阻R110 k。求当天色渐暗照度降低至_lx 时启动照明系统。并将电路图补充完整。(不考虑控制开关对所设计电路的影响)解析 (1)根据表中实验数据在坐标系内描出对应点,然后根据描出的点作出图象,图象如图所示。3(2)由第(1)问答图可以看出,光敏电阻的阻值随照度变化的特点是:光敏电阻的阻值随照度的增大非线性减小。(3)由题意,天色越暗,光敏电阻阻值越大,1、2 两端电压越大,故 1、2 两端之间接光敏
4、电阻,电路图如图所示。当光敏电阻两端电压为 2 V 时,定值电阻两端电压为 1 V,由串联电路的分压特点得: ,则 RP2 R1210 k20 k。RPR1 UPU1 21由表格中的数据可知,当天色渐暗照度降低至 1.0 lx 时光敏电阻阻值为 20 k,两端电压为 2 V,会启动照明系统。答案 (1)图见解析(2)光敏电阻的阻值随照度的增大非线性减小(3)1.0 电路图见解析方法感悟在设计光控电路时,光敏电阻是其中最核心的元件。4电控调光玻璃能根据光照强度自动调节玻璃的透明度,将光敏电阻 Rx和定值电阻 R0接在 9 V 的电源上,光敏电阻阻值随光强变化关系如表所示:“光强”是表示光强弱程度
5、的物理量,符号为 E,单位为坎德拉(cd)(1)当光照强度为 4 坎德拉(cd)时光敏电阻 Rx的大小为_ 。(2)其原理是光照增强,光敏电阻 Rx阻值变小,施加于玻璃两端的电压降低,玻璃透明度下降,反之则玻璃透明度上升。若电源电压不变, R0是定值电阻,则下列电路图中符合要求的是_(填序号)。(3)现已知定值电阻 R0为 12 ,用电压表测得光敏电阻两端的电压为 3 V,则此时光照强度为_cd。答案 (1)4.5 (2)C (3)3解析 (1)由表格数据可知,光敏电阻 Rx与光强 E 的乘积均为 18 cd 不变,则当E4 cd 时,光敏电阻的阻值: Rx 4.5 。18 cd4 cd(2)
6、由题意可知,光敏电阻 Rx与定值电阻 R0串联连接,光照增强时,光敏电阻 Rx阻值减小,电路中的总电阻减小,由 I 可知,电路中的电流增大,由 U IR 可知, R0两端的UR5电压增大,因串联电路中总电压等于各分电压之和,所以 Rx两端的电压减小,反之,光照减弱时,光敏电阻 Rx阻值增大, R0两端的电压减小, Rx两端的电压增大,则玻璃并联在 R0两端时不符合,玻璃并联在 Rx两端时符合,故 A 错误,C 正确;若玻璃与电源并联,光照变化时,玻璃两端的电压不变,故 B、D 错误。(3)当 R012 ,光敏电阻两端的电压 Ux3 V 时,因串联电路中总电压等于各分电压之和, R0两端的电压:
7、 U0 U Ux9 V3 V6 V,因串联电路中各处的电流相等,所以电路中的电流 I ,即 ,解得: Rx6 ,此时光照强度 EU0R0 UxRx 6 V12 3 VRx3 cd。18 cd6 考点二 热敏电阻和金属热电阻1研究热敏电阻的热敏特性(1)实验原理闭合电路欧姆定律,用 多用电表进行测量和观察。01 (2)实验器材半导体热敏电阻、多用电表、 温度计、铁架台、烧杯、凉水和热水。02 (3)实验步骤按图 1 连接好电路,将热敏电阻绝缘处理;把多用电表置于 欧姆挡,并选择适当的量程测出烧杯中没有水时热敏电阻的阻值,03 并记下温度计的示数;向烧杯中注入少量的冷水,使热敏电阻浸没在冷水中,记
8、下 温度计的示数和多用04 电表测量的热敏电阻的阻值;将热水分几次注入烧杯中,测出不同温度下热敏电阻的阻值,并记录。6(4)数据处理在 R t 坐标系中,粗略画出热敏电阻的阻值随温度变化的图线,如图 2 所示。(5)实验结论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。05 06 (6)注意事项实验时,加热水后要等一会儿再测热敏电阻阻值,以使电阻温度与水的温度相同,并同时读出水温。2金属热电阻金属的电阻率随温度的升高而增大,用金属丝也可以制作温度传感器,称为热电阻。如图 3 所示为某金属导线的电阻温度特性曲线。3热敏电阻与金属热电阻的区别7(2018洛阳模拟)如图所示,图甲为热敏电
9、阻的 Rt 图象,图乙为用此热敏电阻 R 和继电器组成的一个简单恒温箱温控电路,继电器线圈的电阻为 150 。当线圈中的电流大于或等于 20 mA 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 E6 V,内阻可以不计。图中的“电源”是恒温箱加热器的电源。(1)应该把恒温箱内的加热器接在_(选填“ A、 B 端”或“ C、 D 端”)。(2)如果要使恒温箱内的温度保持 100 ,可变电阻 R的值应调节为_ 。(3)为使恒温箱内的温度保持在更高的数值,可变电阻 R的值应_(选填“增大”或“减小”)。解析 (1)当温度较低的时候,热敏电阻的阻值较大,电路中的电流较小,此时继电器的衔铁与 A
10、B 部分连接,此时是需要加热的,恒温箱内的加热器要工作,所以该把恒温箱内的加热器接在 A、 B 端。8(2)当温度达到 100 时,加热电路就要断开,此时继电器的衔铁要被吸合,即控制电路的电流要到达 20 mA,根据闭合电路欧姆定律可得, I ,其中 R50 ER R R0, R0150 ,解得 R100 。(3)由以上可知,为使恒温箱内的温度保持在更高的数值,则可变电阻 R的值应增大,会导致 R 电阻变小,从而实现目标。答案 (1) A、 B 端 (2)100 (3)增大特别提醒热敏电阻和金属热电阻都可以用来做温度传感器,但其阻值随温度变化的规律不同。(2016全国卷)现要组装一个由热敏电阻
11、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 999.9 ),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 1000 ),滑动变阻器 R2(最大阻值为 2000 ),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 18 V, Ic约为 10 mA;流过报警器的电流超过20 mA 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650.0 。(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_
12、(填“ R1”或“ R2”)。(3)按照下列步骤调节此报警系统: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_ ;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_。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。9答案 (1)连线如图所示(2)R2 (3)650.0 b 接通电源后,流过报警器的电流会超过 20 mA,报警器可能损坏 c 报警器开始报警解析 (1)见答案。(2)由 R 1800 可知,滑动变阻器应选 R2。UIc 1810
13、10 3(3)电阻箱的电阻值应调为热敏电阻在 60 时的阻值,即 650.0 。滑动变阻器的滑片应置于 b 端,使开关接通后回路中电流最小,以保护报警器,即防止因电流过大而损坏报警器。应将开关向 c 端闭合,然后缓慢移动滑动变阻器的滑片,直至报警器开始报警。考点三 其他传感器1传感器的工作原理传感器能够将感受到的物理量(力、热、光、声等)转换成便于测量的量(一般是电学量)。除常用的热敏电阻、光敏电阻外,传感器还有好多种类,比如霍尔元件可以将磁信号转换成电信号;压力传感器可以将压力信号转换成电信号等。其工作过程如图:2传感器的工作步骤10(1)信息采集。(2)信息加工、放大、传输。(3)利用所获
14、得的信息执行某种操作。3传感器的应用(1)力传感器的应用电子秤。(2)温度传感器的应用电熨斗、电饭锅。(3)光传感器的应用火灾报警器。(2018衡水模拟)某兴趣小组为了研制一台“电子秤” ,找到一个力电转换传感器,该传感器的输出电压正比于受压面的正压力,实验操作时,先调节传感器输入端的电压(要求从零开始调节),使力电转换传感器在空载时的输出电压为零,而后在其受压面上放一物体,即可测得与物体的质量成正比的输出电压。(1)如图所示, E 为直流电源,S 为开关; R 为滑动变阻器;V 为电压表,在图中用笔画线代替导线连接成实验电路图。(2)若将质量为 m0的砝码放在力电转换传感器的受压面上,电压表
15、的示数为 U0;然后取下砝码,再将待测物体放在力电转换传感器的受压面上,电压表的示数为 U,则待测物体的质量 m_。解析 (1)要求力电转换传感器的输入电压可调,并且可使电压的调节范围尽可能大,所以滑动变阻器采用分压式接法,如图所示。11(2)由以上测量的原理可知, U0 km0g, U kmg,得:m m0。UU0答案 (1)图见解析 (2) m0UU0方法感悟(1)不论什么传感器,都是将有关信号先转换成电信号,然后经放大后再进入显示器或控制执行机构执行命令。(2)有关传感器的题目往往同电路问题联系密切,解题时经常用到欧姆定律。“用霍尔元件测量磁场”的实验中,把载流子为带负电的电子 e 的霍
16、尔元件接入电路,如图甲所示,电流为 I,方向向右,长方体霍尔元件长、宽、高分别为 a6.00 mm、 b5.00 mm、 c0.20 mm,处于竖直向上的恒定匀强磁场中。(1)前后极板 M、 N,电势较高的是_(选填“ M 极”或“ N 极”)。(2)某同学在实验时,改变电流的大小,记录了不同电流下对应的 UH值,如表所示:12请根据表格中的数据,在坐标乙中画出 UHI 图象。已知该霍尔元件单位体积中自由载流子个数为 n6.2510 19 m3 ,则根据图象,由公式 I nebcv,可算出磁场 B_ T(保留两位有效数字)。(3)有同学认为 代表了霍尔元件的电阻,请问这种看法正确吗?请说明理由
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