【物理】2018届二轮复习传感器及其应用学案

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【物理】2018届二轮复习传感器及其应用学案

‎5.3大显身手的传感器 学习目标 ‎1.知道什么是传感器,知道光敏电阻和热敏电阻的作用.‎ ‎2.能够通过实验探究光敏电阻和热敏电阻的特性.‎ ‎3.了解常见的各种传感器的工作原理、元件特性及设计方案.‎ 重点知识梳理 一、研究热敏电阻的特性 ‎1.实验原理 闭合电路欧姆定律,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、铁架台、烧杯、凉水和热水.‎ ‎3.实验步骤 ‎(1)按实验原理图甲连接好电路,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.‎ 图1‎ ‎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.‎ ‎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.‎ 二、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、电源.‎ ‎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乙所示电路连接好,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.‎ 高频考点突破:‎ 一 温度传感器的应用 例1.温度传感器广泛应用于室内空调、电冰箱等家用电器中,它是利用热敏电阻的阻值随温度变化的特性工作的.如图2甲所示,电源的电动势E=9.0 V,内阻不计;G为灵敏电流计,内阻Rg保持不变;R为热敏电阻,其电阻值与温度的变化关系如图乙所示,闭合开关S,当R的温度等于20 ℃时,电流表示数I1=2 mA;电流表的示数I2=3.6 mA时,热敏电阻的温度是________ ℃.‎ 图2‎ 答案 120‎ 解析 E=I(R+Rg)代入I1=2 mA得Rg=0.5 kΩ 代入I2=3.6 mA得R=2 kΩ 读图可得温度为120 ℃.‎ ‎【变式探究】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________(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3甲所示),则25 ℃的刻度应在20 ℃的刻度的________(选填“左”或“右”)侧.‎ 图3‎ ‎(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.‎ 答案 (1)小 (2)右 (3)见解析图 ‎【举一反三】如图4,一热敏电阻Rt放在控温容器M内;为毫安表,量程6 mA,内阻为数十欧姆;E为直流电源,电动势约为3 V,内阻很小;R为电阻箱,最大阻值为999.9 Ω;S为开关.已知Rt在95 ℃时的阻值为150 Ω,在20 ℃时的阻值约为550 Ω.现要求在降温过程中测量在95~20 ℃之间的多个温度下Rt的阻值.‎ 图4‎ ‎(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.‎ ‎①依照实验原理电路图连线.‎ ‎②调节控温容器M内的温度,使得Rt温度为95 ℃.‎ ‎③将电阻箱调到适当的阻值,以保证仪器安全.‎ ‎④闭合开关.调节电阻箱,记录电流表的示数I0,并记录_______________________.‎ ‎⑤将Rt的温度降为t1(20 ℃<t1<95 ℃);调节电阻箱,使得电流表的读数________________,记录________________________.‎ ‎⑥温度为t1时热敏电阻的电阻值Rt1=__________________________.‎ ‎⑦逐步降低t1的数值,直至20 ℃为止;在每一温度下重复步骤⑤⑥.‎ 答案 (1)见解析图 (2)④电阻箱的读数R0 ⑤仍为I0 电阻箱的读数为R1 ⑥R0-R1+150 Ω 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.‎ ‎【变式探究】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,要求特性曲线尽可能完整.已知常温下待测热敏电阻的阻值为40~50 ‎ 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: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(0~10 Ω)、开关、导线若干.‎ ‎(1)图5中,a、b、c三条图线能反映出热敏电阻的伏安特性曲线的是________.‎ 图5‎ ‎(2)在虚线框中画出实验电路图,要求测量误差尽可能小.‎ ‎(3)根据电路图,在图6中的实物图上连线.‎ 图6‎ 答案 (1) c (2)、(3)见解析图 ‎ (3)实物连线如图所示 高频考点二 光电传感器的应用 例5.(多选)如图7所示为光敏电阻自动计数器的示意图,图中虚线表示激光,圆柱体表示随传送带运动的货物,其中R1为光敏电阻,R2为定值电阻,此光电计数器的基本工作原理是(  )‎ 图7‎ A.当光照射R1时,信号处理系统获得高电压 B.当光照射R1时,信号处理系统获得低电压 C.信号处理系统每获得一次低电压就计数一次 D.信号处理系统每获得一次高电压就计数一次 答案 BD ‎【变式探究】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;一个开关S和导线若干.臭氧发生器P和光敏电阻R1的符号如图8所示.‎ 图8‎ 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 ‎【举一反三】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9给定的坐标系中描绘出光敏电阻阻值随照度变化的曲线,并说明光敏电阻阻值随照度变化的特点.‎ 图9‎ ‎(2)如图10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10‎ 提供的器材如下:‎ 光敏电阻ROS(符号,阻值见上面表格)‎ 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.‎ 答案 见解析 高频考点三 传感器在实验中的应用 例3.传感器是把非电学量(如速度、温度、压力等)的变化转换成电学量的变化的一种元件,在自动控制中有着相当广泛的应用.有一种测量人的体重的电子秤,其测量部分的原理图如图11中的虚线框所示,它主要由压力传感器R(电阻值会随所受压力大小发生变化的可变电阻)和显示体重大小的仪表(实质是理想电流表)组成.压力传感器表面能承受的最大压强为1×107 Pa,且已知压力传感器R的电阻与所受压力的关系如表所示.设踏板和压杆的质量可以忽略不计,接通电源后,压力传感器两端的电压恒为4.8 V,取g=10 m/s2.请作答:‎ 图11‎ 压力F/N ‎0‎ ‎250‎ ‎500‎ ‎750‎ ‎1 000‎ ‎1 250‎ ‎1 500‎ ‎…‎ 电压R/Ω ‎300‎ ‎270‎ ‎240‎ ‎210‎ ‎180‎ ‎150‎ ‎120‎ ‎…‎ ‎(1)该秤零点(即踏板空载时)的刻度线应标在电流表刻度盘______A处.‎ ‎(2)如果某人站在该秤踏板上,电流表刻度盘的示数为20 mA,这个人的质量是______kg.‎ 答案 (1)1.6×10-2 (2)50‎ ‎【变式探究】如图13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13‎ ‎(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取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14中给出的坐标纸上利用表中数据描出m-U直线.‎ 图14‎ ‎②m-U直线的斜率为________kg/V(结果保留三位有效数字);‎ ‎③弹簧的劲度系数k=________N/m(结果保留三位有效数字).‎ 答案 (1)m=U (2)①见解析图 ②10.0 ③1.23×103‎ 解析 (1)设放置质量为m的物体时弹簧的压缩量为x,则有mg=kx又U=E 解得m=U.‎ 押题专练 ‎1.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 ‎2.2007年度诺贝尔物理学奖授予了法国和德国的两位科学家,以表彰他们发现“巨磁电阻效应”,基于巨磁电阻效应开发的用于读取硬盘数据的技术,被认为是纳米技术的第一次真正应用.在下列有关其他电阻应用的说法中,错误的是(  ).‎ A.热敏电阻可应用于温度测控装置中 B.光敏电阻是一种光电传感器 C.电阻丝可应用于电热设备中 D.电阻在电路中主要起到通过直流、阻碍交流的作用 解析 电阻在电路中对直流电和交流电都有阻碍作用,将电能转换为热能,故D项错.‎ 答案 D ‎3‎ ‎.如图2所示,电容式触摸屏的构造主要是在玻璃屏幕上镀一层透明的薄膜导体层,再在导体层外加上一块保护玻璃,电容式触摸屏在触摸屏四边均镀上狭长的电极,在导体层内形成一个低电压交流电场.在触摸屏幕时,由于人体是导体,手指与内部导体层间会形成一个特殊电容(耦合电容),四边电极发出的电流会流向触点,而电流强弱与手指到电极的距离成正比,位于触摸屏后的控制器便会计算电流的比例及强弱,准确算出触摸点的位置.由以上信息可知(  ).‎ 图2‎ A.电容式触摸屏的两极板分别是导体层和手指 B.当用手触摸屏幕时,手指与屏的接触面积越大,电容越大 C.当用手触摸屏幕时,手指与屏的接触面积越大,电容越小 D.如果用带了手套的手触摸屏幕,照样能引起触摸屏动作 答案 AB ‎4. 如图3所示,由电源、小灯泡、电阻丝、开关组成的电路中,当闭合开关S后,小灯泡正常发光,若用酒精灯加热电阻丝时,发现小灯泡亮度变化是________,发生这一现象的主要原因是________(填字母代号).‎ 图3‎ A.小灯泡的电阻发生了变化 B.小灯泡灯丝的电阻率随温度发生了变化 C.电阻丝的电阻率随温度发生了变化 D.电源的电压随温度发生了变化 解析 电阻丝的电阻率随温度的升高而增大,电阻也增大,根据闭合电路欧姆定律I=可知,电流减小,小灯泡的实际功率减小,所以变暗.‎ 答案 变暗 C ‎5.热敏电阻是传感电路中常用的电子元件,现用伏安法研究电阻在不同温度下的伏安特性曲线,要求特性曲线尽可能完整.已知常温下待测热敏电阻的阻值约4~5 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.‎ 图4‎ ‎(1)在图4(a)中画出实验电路图.‎ ‎(2)根据电路图,在图4(b)所示的实物图上连线.‎ ‎(3)简要写出完成接线后的主要实验步骤.‎ 解析 ‎ 图甲 常温下待测热敏电阻的阻值(约4~5 Ω)较小,应该选用安培表外接法.热敏电阻的阻值随温度的升高而减小,热敏电阻两端的电压由零逐渐增大,滑动变阻器选用分压式.‎ ‎(1)实验电路如图甲所示.‎ ‎(2)根据电路图,连接实物图如图乙所示.‎ ‎ ‎ 图乙 答案 见解析
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