2020-2021年高考物理必考实验十二：传感器的简单使用

2020-2021年高考物理必考实验十二：传感器的简单使用

‎2020-2021年高考物理必考实验十二：传感器的简单使用 ‎1.实验原理 ‎　　(1)传感器的作用 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)。‎ ‎(2)传感器的工作过程 通过对某一物理量敏感的元件将感受到的信号按一定的规律转换成便于测量的信号。例如,光电传感器是利用光敏电阻将光信号转换成电信号;热电传感器是利用热敏电阻或金属热电阻将温度信号转换成电信号。转换后的信号经过电子电路的处理就可达到方便检测、自动控制、遥控等各种目的。‎ 传感器工作的原理可用下图表示:‎ ‎2.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、滑动变阻器、开关、导线等。‎ ‎3.实验步骤及数据处理 ‎　　(1)研究热敏电阻的热敏特性 ‎①实验步骤 a.按图所示连接好电路,将热敏电阻绝缘处理。‎ b.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,并记下温度计的示数。‎ c.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出的热敏电阻的阻值。‎ d.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。‎ ‎②数据处理 a.根据记录数据,把测量到的温度、电阻阻值填入下表中,分析热敏电阻的特性。‎ 次数 待测量 ‎1‎ ‎2‎ ‎3‎ ‎4‎ ‎5‎ ‎6‎ 温度/℃‎ 电阻/Ω ‎　　b.在坐标系中,粗略画出热敏电阻的阻值随温度变化的图线。‎ c.根据实验数据和R-t图线,得出结论: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。‎ ‎　　(2)研究光敏电阻的光敏特性 ‎①实验步骤 a.将光电传感器、多用电表、灯泡、滑动变阻器按图所示电路连接好,其中多用电表置于“×100”的欧姆挡。‎ b.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。‎ c.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。‎ d.观察用手掌(或黑纸)遮光时电阻的阻值,并记录。‎ ‎②数据处理 把记录的结果填入下表中,根据记录数据分析光敏电阻的特性。‎ 光照强度 弱 中 强 无光照射 阻值/Ω ‎　　结论:光敏电阻的阻值被光照射时发生变化,光照增强电阻变小,光照减弱电阻变大。‎ ‎4.注意事项 ‎　　(1)在做热敏实验时,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。‎ ‎(2)在做光敏实验时,如果效果不明显,可将电阻部分电路放入带盖的纸盒中,并通过盖上的小孔改变射到光敏电阻上的光的多少。‎ ‎(3)欧姆表每次换挡后都要重新进行欧姆调零。‎ ‎【典例1】如图所示,将多用电表的选择开关置于欧姆挡,再将电表的两支表笔分别与光敏电阻RT的两端相连,这时表针恰好指在刻度盘的中央。若用不透光的黑纸将RT包裹起来,表针将向　　　　(选填“左”或“右”)转动;若用手电筒光照射RT,表针将向　　　　(选填“左”或“右”)转动。 ‎ ‎【答案】左　右 ‎【针对训练1】热敏电阻是传感电路中常用的电子元件。现用伏安法测绘出热敏电阻分别在温度为t1=45 ℃和温度为t2=75 ℃时的伏安特性曲线,要求特性曲线尽可能完整。先用欧姆表粗测出常温下待测热敏电阻的阻值大约为 5 Ω,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:‎ A.电流表,量程为0~0.6 A,内阻约为2 Ω B.电流表,量程为0~3 A,内阻约为0.4 Ω C.电压表,量程为0~15 V,内阻约为50 kΩ ‎ D.电压表,量程为0~3 V,内阻约为10 kΩ E.滑动变阻器R1(0~100 Ω)‎ F.滑动变阻器R2(0~20 Ω)‎ G.电源E(3 V、内阻可忽略)‎ H.盛有热水的热水杯(图中未画出)‎ I.开关、导线若干 ‎(1)实验中应选用的电流表为　　　　(选填“”或“”),应选用的电压表为　　　　(选填“”或“”),应选用的滑动变阻器为　　　　(选填“R1”或“R2”)。 ‎ ‎(2)将实物图甲连线补充成完整的测量电路(实线代表导线),要求测量误差尽可能小。‎ 甲 ‎ (3)实验过程主要有如下操作步骤,顺序合理的是　　　　。(填写步骤前的字母) ‎ A.接通电路,调节滑动变阻器,多次记录电压表和电流表的示数 B.往保温杯中缓慢加入热水,并同步搅动均匀,直到温度稳定在t1‎ C.往保温杯中缓慢加入一定量的冷水,将热敏电阻和温度计插入保温杯中 D.往保温杯中加入一些热水,待温度稳定在t2‎ E.在同一个坐标系中绘出两个温度下热敏电阻的伏安特性曲线 ‎【答案】(1)　　R2‎ ‎(2)如图乙所示 乙 ‎(3)CBADAE ‎【典例2】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)如图甲所示,E为直流电源,S为开关,R为滑动变阻器,为电压表,在图中用笔画线代替导线连接实验电路图。‎ 甲 ‎(2)若将质量为m0的砝码放在力电转换传感器的受压面上,电压表的示数为U0;然后取下砝码,再将待测质量为m的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)要求传感器输入端的电压从零开始调节,故滑动变阻器采用分压式接法。电路图如图乙所示。‎ 乙 ‎(2)因为测得的输出电压和所放物体的质量成正比,故Um=U‎0‎m‎0‎,则待测物体的质量m=UU‎0‎m0。‎ ‎【答案】(1)如图乙所示　(2)UU‎0‎m0‎ ‎【针对训练2】实验室备有以下器材:电压传感器、电流传感器、滑动变阻器R1(阻值变化范围为0~20 Ω)、滑动变阻器R2(阻值变化范围为0~1000 Ω)、电动势适当的电源、小灯泡(4 V　2 W)、开关、导线若干。‎ ‎(1)要完整地描绘小灯泡的U-I曲线,请在图甲中画出实验电路图,并标出所用滑动变阻器的符号。‎ 甲　　　　　　　　　　　　　　乙　　　　　　‎ ‎(2)实验中描绘出的小灯泡U-I曲线如图乙所示,由图乙可知,小灯泡灯丝电阻随温度升高而　　　　。(选填“增大”“减小”或“不变”) ‎ ‎(3)如果用上述器材测量所给电源的电动势和内阻,实验电路如图丙所示,图中R0是阻值为9.0 Ω的保护电阻,实验中测得多组数据记录在下表中,试在同一坐标系中画出等效电源的U-I图象,由图象可求出电源自身内阻约为　　　　Ω。 ‎ 序号 ‎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 丙　　　　　　　丁 ‎(4)若将上述小灯泡直接与电源和保护电阻组成串联电路,如图丁所示,此时小灯泡消耗的电功率约为　　　　W。(结果保留2位有效数字) ‎ ‎【解析】(1)要描绘小灯泡的伏安特性曲线,电压与电流应从零开始变化,滑动变阻器要采用分压式接法,为便于操作应用电阻较小的R1,由于小灯泡的阻值较小,电流传感器应用外接法,电路图如图戊所示。‎ 戊　　　　　　　　　　　　　　　己　　　　‎ ‎(2)由图乙所示的U-I图象可知,随电压与电流的增大,灯泡实际功率增大,灯丝温度升高,电压与电流的比值增大,灯丝电阻增大,由此可知,小灯泡灯丝电阻随温度升高而增大。‎ ‎(3)根据表中实验数据作出等效电源的U-I图象如图己所示,由图示图象可知,电源内阻r=ΔUΔI-R0=‎6‎‎0.6‎‎-9.0‎Ω=1.0 Ω。‎ ‎(4)由图示图象可知,两图线交点为灯泡实际工作状态点,灯泡两端电压为2.1 V,电流为0.39 A,灯泡的 电功率P=UI=2.1×0.39 W≈0.82 W。‎ ‎【答案】(1)电路图如图戊所示　(2)增大　(3)如图己所示　1.0　(4)0.82‎ ‎【典例3】某同学通过实验制作一个简易的温控装置,实验原理电路图如图甲所示,继电器与热敏电阻RT、滑动变阻器R串联接在电源E两端,当继电器的电流超过15 mA时,衔铁被吸合,加热器停止加热,实现温控。继电器的电阻约20 Ω,热敏电阻的阻值RT与温度t的关系如下表所示。‎ 甲 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)提供的实验器材有:电源E1(3 V,内阻不计)、电源E2 (6 V,内阻不计)、滑动变阻器R1(0~200 Ω)、滑动变阻器R2(0~500 Ω)、热敏电阻RT、继电器、电阻箱(0~999.9 Ω)、开关S、导线若干。‎ 为使该装置实现对30 ℃~80 ℃之间任一温度的控制,电源E应选用　　　　(选填“E1”或“E2”),滑动变阻器R应选用　　　　(选填“R1”或“R2”)。 ‎ ‎(2)实验发现电路不工作。某同学为排查电路故障,用多用电表测量各接点间的电压,则应将如图乙所示的选择开关旋至　　　　(选填“A”“B”“C”或“D”)。 ‎ 乙 ‎(3)合上开关S,用调节好的多用电表进行排查。在图甲中,若只有b、c间断路,则应发现表笔接入a、b时指针　　　　　　(选填“偏转”或“不偏转”),接入a、c时指针　　　　。(选填“偏转”或“不偏转”) ‎ ‎(4)排除故障后,欲使衔铁在热敏电阻为50 ℃时被吸合,下列操作步骤的正确顺序是　　　　(填写各步骤前的序号)。 ‎ ‎①将热敏电阻接入电路 ‎②观察到继电器的衔铁被吸合 ‎③断开开关,将电阻箱从电路中移除 ‎④合上开关,调节滑动变阻器的阻值 ‎⑤断开开关,用电阻箱替换热敏电阻,将阻值调至108.1 Ω ‎【解析】 (1)由于继电器的电流超过15 mA时,衔铁才能被吸合,当电源E取E1=3 V时,由闭合电路欧姆定律得 I1=E‎1‎R总=15 mA=0.015 A 即R总=E‎1‎I‎1‎=‎3‎‎0.015‎ Ω=200 Ω 而在30 ℃时,热敏电阻的阻值为199.5 Ω,再加上继电器的电阻20 Ω,总电阻为219.5 Ω,已超过200 Ω,则无法使温度控制在30 ℃,故E1=3 V不能选择,只能选择E2,E2=6 V,由闭合电路欧姆定律得 I2=E‎2‎R总‎'‎=0.015 A 则R总'=400 Ω 此时若要使温度能控制在80 ℃,热敏电阻RT与继电器的总电阻为49.1 Ω+20 Ω=69.1 Ω<400 Ω,为使衔铁不至于在低于80 ℃时被吸合,需串联一个滑动变阻器,且最大阻值不能小于400 Ω-69.1 Ω=330.9 Ω,而R1最大阻值为200 Ω,不符合要求,故选R2。‎ ‎(2)要测直流电压,选择开关只能旋至C。‎ ‎(3)测a、b间电压时,由于b、c间断路,电路中电流为0,故a、b间电压为0,因此多用电表指针不偏转;测a、c间电压就相当于测电源两极间电压,因此多用电表指针将会偏转。‎ ‎(4)在设计电路时为了方便,这里用电阻箱临时代替热敏电阻。查出50 ℃时热敏电阻的阻值,将电阻箱调至相同阻值,断开开关,用电阻箱替换热敏电阻,合上开关,调节滑动变阻器,使衔铁刚好被吸合。再断开开关,将电阻箱移除,换成热敏电阻。因此其合理顺序为⑤④②③①。‎ ‎【答案】(1)E2　R2‎ ‎(2)C ‎(3)不偏转　偏转 ‎(4)⑤④②③①‎ ‎【针对训练3】某实验小组利用如图甲所示的电路探究在25 ℃~80 ℃范围内某热敏电阻的温度特性。所用器材有:置于温控室(图中虚线区域)中的热敏电阻RT,其标称值(25 ℃时的阻值)为900.0 Ω;电源E(6 V,内阻可忽略);电压表(量程150 mV);定值电阻R0(阻值20.0 Ω),滑动变阻器R1(最大阻值为1 000 Ω);电阻箱R2(阻值范围0~999.9 Ω);单刀开关S1,单刀双掷开关S2。‎ 甲 实验时,先按图甲连接好电路,再将温控室的温度t升至80.0 ℃。将S2与1端接通,闭合S1,调节R1的滑片位置,使电压表读数为某一值U0;保持R1的滑片位置不变,将R2置于最大值,将S2与2端接通,调节R2,使电压表读数仍为U0;断开S1,记下此时R2的读数。逐步降低温控室的温度t,得到相应温度下R2的阻值,直至温度降到25.0 ℃。实验得到的R2-t数据见下表。‎ 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 回答下列问题:‎ ‎(1)在闭合S1前,图甲中R1的滑片应移动到　　　　(填“a”或“b”)端。 ‎ ‎(2)在图乙的坐标纸上补齐数据表中所给数据点,并作出R2-t曲线。‎ 乙 丙 ‎ (3)由图乙可得到RT在25 ℃~80 ℃范围内的温度特性。当t=44.0 ℃时,可得RT=　　　　Ω。 ‎ ‎(4)将RT握于手心,手心温度下R2的相应读数如图丙所示,该读数为　　　　Ω,则手心温度为　　　　℃。‎ ‎ ‎ ‎【解析】(1)闭合开关S1前,应让滑片移动到b端,使滑动变阻器连入电路的阻值最大。‎ ‎(3)由图丁可知t=44.0 ℃时,电阻的阻值为450 Ω。‎ ‎(4)由图丙可得电阻箱阻值为620.0 Ω,由图丁可得温度约为33.0 ℃。‎ ‎【答案】(1)b ‎ (2)如图丁所示 丁 ‎ (3)450　(4)620.0　33.0‎ ‎【典例4】现要组装一个由热敏电阻控制的报警系统,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Ig时就会报警),电阻箱(最大阻值为 999.9 Ω),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 Ω),滑动变阻器R2(最大阻值为 2000 Ω),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的升高而减小,在60 ℃时阻值为650.0 Ω。‎ ‎(1)在图甲中完成待调节的报警系统原理电路图的连线。‎ 甲 ‎(2)在电路中应选用滑动变阻器　　　　(选填“R1”或“R2”)。 ‎ ‎(3)按照下列步骤调节此报警系统:‎ ‎①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　　　　Ω;滑动变阻器的滑片应置于　　　　(选填“a”或“b”)端附近,不能置于另一端的原因是　　　　　　　　　　　　。 ‎ ‎②将开关向　　　　(选填“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。‎ ‎【解析】(1)由题意可以看出,在整个电路中,电阻箱和热敏电阻并联,滑动变阻器应在电阻箱阻值确定的情况下调节到某一特定位置,使报警器工作。电路图如图乙所示。‎ ‎　　‎ 乙 ‎(2)系统电阻R=‎18‎‎10×1‎‎0‎‎-3‎ Ω=1800 Ω,而热敏电阻在60 ℃时电阻只有650.0 Ω,要让报警器工作,还需要1150 Ω的电阻,R1阻值太小,不符合要求,故选R2。‎ ‎(3)先用电阻箱调节,要使报警器在60 ℃时工作,必须把电阻箱的阻值调节到650.0 Ω,模拟出热敏电阻在60 ℃时的阻值,并调节滑动变阻器使其恰好报警。‎ ‎【答案】(1)如图乙所示 ‎(2)R2‎ ‎(3)①650.0　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 ‎②c　报警器开始报警 ‎【针对训练4】某实验小组探究一种热敏电阻的温度特性．现有器材：直流恒流电源(在正常工作状态下输出的电流恒定)、电压表、待测热敏电阻、保温容器、温度计、开关和导线等．‎ ‎(1)若用上述器材测量热敏电阻的阻值随温度变化的特性，请你在实物上连线．‎ ‎ (2)实验的主要步骤：‎ ‎①正确连接电路，在保温容器中注入适量冷水，接通电源，调节并记录电源输出的电流值；‎ ‎②在保温容器中添加少量热水，待温度稳定后，闭合开关，________，________，断开开关；‎ ‎③重复第②步操作若干次，测得多组数据．‎ ‎(3)实验小组算得该热敏电阻在不同温度下的阻值，并据此绘得图所示的R－t关系图线，请根据图线写出该热敏电阻的R－t关系式：R＝________＋________t(Ω)．‎ ‎【答案】　(1)如图所示 ‎(2)②读取温度计示数　读取电压表示数　(3)100　0.4‎ ‎【解析】　(3)由R－t图线可知，当t1＝10℃时，R1＝104Ω，当t2＝60℃时，R2＝124Ω，R－t图线的斜率为＝0.4Ω/℃；将图线延长，图线过原点，说明t＝0℃时的电阻为100Ω，故R－t关系式为R＝100＋0.4t (Ω)．‎ ‎【典例5】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)‎ ‎0.2‎ ‎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7甲所示的坐标系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)如图乙所示，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．‎ ‎【答案】见解析 ‎【解析】　(1)光敏电阻的阻值随照度变化的曲线如图(a)所示，光敏电阻的阻值随照度的增大而减小．‎ ‎(2)根据串联电阻的正比分压关系，E＝3V，当照度降低至1.0lx时，1、2两端电压升至2V，此时光敏电阻阻值RP＝20kΩ，URP＝2V，串联电阻分压UR＝1V，由＝＝2，得R＝＝10kΩ，故选定值电阻R1，电路原理图如图(b)所示．‎ ‎【针对训练5】　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的电动势为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；还有一个开关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)．‎ ‎【答案】　如图所示 ‎【解析】因滑动变阻器最大阻值100Ω远小于臭氧发生器P的电阻10kΩ，应该采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．‎