高考物理江苏专版一轮复习讲义时传感器的原理及应用

高考物理江苏专版一轮复习讲义时传感器的原理及应用

第3课时 传感器的原理及应用 考纲解读 1.知道什么是传感器.2.知道热敏电阻和光敏电阻的作用.3.会讨论常见的各种传感器的工作原理、元件特征及设计方案.4.会设计简单的温度报警器．‎ 基本实验要求Ⅰ 研究热敏电阻的特性 ‎1． 实验原理 闭合电路的欧姆定律，用欧姆表进行测量和观察．‎ ‎2． 实验器材 半导体热敏电阻、多用电表、温度计、烧杯、凉水和热水．‎ ‎3． 实验步骤 ‎(1)按实验原理图连接好电路，将热敏电阻绝缘处理；‎ ‎(2)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热水时热敏电阻的阻值，并记下温度计的示数；‎ ‎(3)向烧杯中注入少量的冷水，使热敏电阻浸没在冷水中，记下温度计的示数和多用电表测量的热敏电阻的阻值；‎ ‎(4)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．‎ ‎4． 数据处理 在图1坐标系中，粗略画出热敏电阻的阻值随温度变化的图线．‎ ‎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． 图1‎ ‎6． 注意事项 实验时，加热水后要等一会儿再测其阻值，以使电阻温度与水的温度相同，并同时读出水温．‎ 基本实验要求Ⅱ 研究光敏电阻的光敏特性 ‎1． 实验原理 闭合电路的欧姆定律，用欧姆表进行测量和观察．‎ ‎2． 实验器材 光敏电阻、多用电表、小灯泡、滑动变阻器、导线．‎ ‎3． 实验步骤 ‎(1)将光敏电阻、多用电表、灯泡、滑动变阻器如实验原理图所示电路连接好，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，观察表盘指针显示电阻阻值的情况，并记录．‎ ‎(4)用手掌(或黑纸)遮光时，观察表盘指针显示电阻阻值的情况，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．‎ ‎(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．‎ ‎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调零.‎ 考点一　热敏电阻的实际应用 例1　利用负温度系数热敏电阻制作的热传感器，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________(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°C(如图1甲所示)，则‎25°C的刻度应在‎20°C的刻度的________(填“左”或“右”)侧．‎ ‎ 　‎ ‎　　　　　 　甲　　　　　　　　　　 乙 图1‎ ‎(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)因为负温度系数热敏电阻温度降低时，电阻增大．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°C的刻度应对应较大电流，故在‎20°C的刻度的右侧．‎ ‎(3)电路如图所示．‎ 答案　(1)小　(2)右　(3)见解析图 ‎ 考点二　光敏电阻传感器 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ROS在不同照度下的阻值如下表所示：‎ 照度(lx)‎ ‎0.2‎ ‎0.4‎ ‎0.6‎ ‎0.8‎ ‎1.0‎ ‎1.2‎ 电阻(kΩ)‎ ‎75‎ ‎40‎ ‎28‎ ‎23‎ ‎20‎ ‎18‎ ‎(1)根据表中数据，请在图2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．‎ 图2‎ ‎(2)如图3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，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1.0 lx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3‎ 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3 V，内阻不计)；‎ 定值电阻：R1＝10 kΩ，R2＝20 kΩ ，R3＝40 kΩ (限选其中之一并在图中标出)‎ 开关S及导线若干．‎ 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．‎ 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)因天色渐暗、照度降低至1.0 lx时启动照明系统，此时光敏电阻阻值为20 kΩ，两端电压为2 V，电源电动势为3 V，故应加上一个分压电阻，分压电阻阻值为10 kΩ，即选用R1.此电路的原理图如图所示．‎ 答案　见解析 考点三　力电传感器的实际应用 例3　图4所示装置可以用来测量硬弹簧(即劲度系数较大的弹簧)的劲度系数k.电源的电动势为E，内阻可忽略不计；滑动变阻器全长为L，重力加速度为g.为理想电压表．当木板上没有放重物时，滑动变阻器的触头位于图中a点，此时电压表示数为零．在木板上放置质量为m的重物，滑动变阻器的触头随木板一起下移．由电压表的示数U及其他给定条件，可计算出弹簧的劲度系数k.‎ 图4‎ ‎(1)写出m、U与k之间所满足的关系式．‎ ‎(2)已知E＝1.50 V，L＝‎12.0 cm，g＝‎9.80 m/s2.测量结果如下表：‎ m(kg)‎ ‎1.00‎ ‎1.50‎ ‎3.00‎ ‎4.50‎ ‎6.00‎ ‎7.50‎ U(V)‎ ‎0.108‎ ‎0.154‎ ‎0.290‎ ‎0.446‎ ‎0.608‎ ‎0.740‎ ‎①在图5中给出的坐标纸上利用表中数据描出m－U直线．‎ 图5‎ ‎②m－U直线的斜率为________kg/V；‎ ‎③弹簧的劲度系数k＝________N/m(结果均保留三位有效数字)．‎ 解析　(1)设放置质量m的物体时弹簧压缩量为x，则有 mg＝kx 又U＝E 解得m＝U.‎ ‎(2)①用描点法作图，作出的图象如图所示．‎ ‎②选取(0,0)、(0.90,9)两点，则斜率为＝ kg/V＝‎10.0 kg/V.‎ ‎③因m＝U，故＝，‎ k＝·＝10.0× N/m＝1.23×103 N/m.‎ 答案　(1)m＝U　(2)①见解析图　②10.0　③1.23×103‎ ‎1． 关于传感器工作的一般流程，下列说法中正确的是 (　　)‎ A．非电学量→敏感元件→转换电路→电学量→转换元件 B．电学量→敏感元件→转换电路→转换元件→非电学量 C．非电学量→敏感元件→转换元件→转换电路→电学量 D．非电学量→转换电路→转换元件→敏感元件→电学量 答案　C 解析　传感器工作的一般流程为：非电学量被敏感元件感知，然后通过转换元件转换成电信号，再通过转换电路将此信号转换成易于传输或测量的电学量，因此A、B、D错，C对．‎ ‎2． (2011·江苏·6)美国科学家Willard S. Boyle与George E. Smith因电荷耦合器件(CCD)的重要发明荣获2009年度诺贝尔物理学奖．CCD是将光学量转变成电学量的传感器．下列器件可作为传感器的有 (　　)‎ A．发光二极管 B．热敏电阻 C．霍尔元件 D．干电池 答案　BC ‎3． 为了保护电脑元件不受损害，在电脑内部有很多传感器，其中最重要的就是温度传感器，常用的温度传感器有两种：一种是用金属做的热电阻；另一种是用半导体做的热敏电阻．关于这两种温度传感器的特点，下列说法正确的是 (　　)‎ A．金属做的热电阻随着温度的升高电阻变大 B．金属做的热电阻随着温度的升高电阻变小 C．用半导体做的热敏电阻随着温度的升高电阻变大 D．用半导体做的热敏电阻随着温度的升高电阻变小 答案　AD 解析　金属的电阻率随着温度的升高而变大，半导体在温度升高时电阻会变小，故选A、D.‎ ‎4． 如图6(a)所示，光敏电阻R2上加上如图(b)所示的光照，那么R2两端的电压变化是下列图中的 (　　)‎ 图6‎ 答案　B 解析　光敏电阻阻值随光照的增强而减小，根据题图乙知R2两端的电压随之同频率地先减小后增大，但不会是零，所以选B.‎ ‎5. 如图7所示是一火警报警器的部分电路示意图，其中R3为用半 导体热敏材料制成的传感器．值班室的显示器为电路中的电流 表，a、b之间接报警器．当传感器R3所在处出现火情时，显示 器的电流I、报警器两端的电压U的变化情况是 (　　) 图7‎ A．I变大，U变大 B．I变大，U变小 C．I变小，U变小 D．I变小，U变大 答案　C 解析　当传感器R3所在处出现火情时，温度升高，R3阻值变小，电路的总电阻变小，电路的总电流变大．r两端的电压变大，所以路端电压(即报警器两端的电压U)变小；又R1两端的电压变大，R2与R3的并联电压变小，所以流过R2的电流(即显示器的电流I)变小．‎ ‎6． 如图8所示，R1、R2为定值电阻，L为小灯泡，R3为光敏电阻，‎ 当照射光强度增大时 (　　)‎ A．电压表的示数增大 B．R2中电流减小 图8‎ C．小灯泡的功率增大 D．电路的路端电压增大 答案　ABC 解析　当照射光强度增大时，R3阻值减小，外电路总电阻随R3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项正确，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．‎ ‎7． 一台臭氧发生器P的电阻为10 kΩ，当供电电压等于24 V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100 Ω，黑暗时为1 000 Ω，允许通过的最大电流为3 mA；电源E的电压为36 V，内阻不计；另有一个滑动变阻器R2，阻值为0～100 Ω，允许通过的最大电流为‎0.4 A；一个开 图9‎ 关S和导线若干．臭氧发生器P和光敏电阻R1的符号如图9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)‎ 答案　见解析图 解析　为了能控制臭氧发生器，应该用滑动变阻器的分压式接法，有光照时P能正常工作，无光照时P不工作．电路图如图所示：‎ ‎8． 热敏电阻是传感电路中常用的电子元件，现用伏安法研究热敏电阻在不同温度下的伏安特性曲线，要求该特性曲线尽可能完整．已知常温下待测热敏电阻的阻值约4 Ω～5 Ω.将热敏电阻和温度计插入带塞的保温杯中，杯内有一定量的冷水，其他备用的仪表和器具有：盛有热水的热水瓶(图中未画出)、电源(3 V、内阻可忽略)、直流电流表(内阻约1 Ω)、直流电压表(内阻约5 kΩ)、滑动变阻器(0～20 Ω)、开关、导线若干．‎ ‎(1)在下面的虚线框中画出实验电路图，要求测量误差尽可能小．‎ ‎(2)根据电路图，在图10的实物图上连线．‎ 图10‎ ‎(3)简要写出完成接线后的主要实验步骤．‎ 答案　见解析 解析　(1)为获得更多的数据，应使电压从零开始变化，故应采用分压电路．由于待测热敏电阻阻值约4 Ω～5 Ω，故应采用电流表外接法，电路图如图所示．‎ ‎(2)按电路图连接实物图如图所示．‎ ‎(3)①往保温杯中加入一些热水，待温度稳定时读出温度计示数；‎ ‎②调节滑动变阻器，快速测出几组电流表和电压表的值并记录；‎ ‎③重复①、②，测量不同温度下的电流表和电压表的值并作记录；‎ ‎④绘出各测量温度下热敏电阻的伏安特性曲线．‎