【物理】2019届一轮复习人教版实验12　传感器的简单应用学案

【物理】2019届一轮复习人教版实验12　传感器的简单应用学案

实验十二　传感器的简单应用 ‎(对应学生用书第208页)‎ 一、实验目的 ‎1．认识热敏电阻、光敏电阻等传感器中的敏感元件．‎ ‎2．了解传感器的简单应用．‎ 二、实验原理 ‎1．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．工作过程 三、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．‎ 四、注意事项 ‎1．在做热敏电阻实验时，加开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．光敏电阻实验中，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强度．‎ 五、实验过程 ‎(一)研究光敏电阻的光敏特性 ‎1．实验步骤 ‎(1)将光敏电阻、多用电表、小灯泡、滑动变阻器、学生电源按如图实121所示电路连接好，其中多用电表置于“×100”挡；‎ 图实121‎ ‎(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，观察表盘指针显示光敏电阻阻值的情况，并记录；‎ ‎(4)用手掌(或黑纸)遮光时光敏电阻阻值又是多少，并记录．‎ ‎2．数据处理 把记录的结果填入表中，根据记录数据分析光敏电阻的特性．‎ 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．‎ ‎(二)研究热敏电阻的热敏特性 ‎1．实验步骤 ‎(1)按如图实122所示连接好电路，将热敏电阻绝缘处理；‎ 图实122‎ ‎(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．‎ ‎2．数据处理 ‎(1)根据记录数据，把测量到的温度、电阻值填入表中，分析热敏电阻的特性．‎ ‎(2)在坐标系中，粗略画出热敏电阻的阻值随温度变化的图线．‎ ‎(3)根据实验数据和Rt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．‎ ‎(对应学生用书第208页)‎ 考点一| 热敏电阻的原理及应用 ‎　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，请你在图实123的实物图上连线．‎ 图实123‎ ‎(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，并据此绘得图实124所示的Rt关系图线，请根据图线写出该热敏电阻的Rt关系式：R＝________＋________t(Ω)．‎ 图实124‎ ‎[解析]　(3)根据R＝就可求出不同温度下热敏电阻的阻值，并据此绘得Rt图线．在图线上取两点，当t1＝10 ℃时，R1＝104 Ω，当t2＝60 ℃时，R2＝124 Ω，Rt图线的斜率为＝0.4；将图线延长，图线交于原点，说明t＝0 ℃时的电阻为100 Ω，故Rt关系式为R＝100＋0.4t(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 ‎　(2016·全国Ⅰ卷)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Ic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1 000 Ω)，滑动变阻器R2(最大阻值为2 000 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升高而减小，在60 ℃时阻值为650.0 Ω.‎ ‎(1)完成待调节的报警系统原理电路图的连线．‎ 图实125‎ ‎(2)电路中应选用滑动变阻器________(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________(填“a”或“b”‎ ‎)端附近，不能置于另一端的原因是_______________________________________‎ ‎________________________________________________________________.‎ ‎②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．‎ ‎[解析](1)电路图连接如图．‎ ‎(2)报警器开始报警时，对整个回路有 U＝Ic (R滑＋R热)‎ 代入数据可得R滑＝1 150.0 Ω，因此滑动变阻器应选择R2.‎ ‎(3)①在调节过程中，电阻箱起到等效替代热敏电阻的作用，电阻箱的阻值应为报警器报警时热敏电阻的阻值，即为650.0 Ω.滑动变阻器在电路中为限流接法，滑片应置于b端附近，若置于另一端a时，闭合开关，则电路中的电流I＝ A≈27.7 mA，超过报警器最大电流20 mA，报警器可能损坏．②开关应先向c端闭合，移动滑动变阻器的滑片，直至报警器开始报警为止．‎ ‎[答案](1)连线如解析图所示　(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 考点二| 光敏电阻的应用 ‎　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，请在图实126所示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．‎ 图实126‎ ‎(2)如图实127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)‎ 图实127‎ 提供的器材：光敏电阻RP(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．‎ 由图可知光敏电阻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 为了研究光敏电阻在室内正常光照射和室外强光照射时电阻的大小关系，某同学用如图甲所示的电路进行实验，得出两种UI图线，如图乙所示．‎ ‎　　　　　 甲 乙 ‎(1)根据UI图线可知正常光照射时光敏电阻的阻值为________Ω，强光照射时电阻为________Ω；‎ ‎(2)若实验中所用电压表的内阻约为5 kΩ，毫安表的内阻约为100 Ω，考虑到电表内阻对实验结果的影响，此实验中________(选填“正常光照射时”或“强光照射时”)测得的电阻误差较大．若测量这种光照下的电阻，则需将实物图中毫安表的连接方式采用________(选填“内接”或“外接”)法进行实验，实验结果较为准确.‎ ‎[解析](1)光敏电阻的阻值随光照的增强而减小，结合图乙知正常光照射时R1＝＝＝3 000 Ω，强光照射时R2＝＝＝200‎ ‎ Ω；(2)实验电路采用的是毫安表内接法，测得的结果比真实值偏大，当待测电阻远大于毫安表电阻时实验误差较小，所以强光照射时误差较大；强光照射时采用毫安表外接法实验结果较为准确．‎ ‎[答案](1)3 000　200　(2)强光照射时　外接 考点三| 传感器在实际中的应用 ‎　利用传感器可以探测、感受外界的信号、物理条件等．图实128甲所示为某同学用传感器做实验得到的小灯泡的UI关系图线．‎ ‎　　　　　　 甲 乙 丙 图实128‎ ‎(1)实验室提供的器材有：电流传感器、电压传感器、滑动变阻器A(阻值范围0～10 Ω)、滑动变阻器B(阻值范围0～100 Ω)、电动势为6 V的电源(不计内阻)、小灯泡、开关、导线若干．该同学做实验时，滑动变阻器选用的是________(选填“A”或“B”)；请在图实129乙的方框中画出该实验的电路图．‎ ‎(2)如果将该小灯泡接入图实128丙所示的电路中，已知电流传感器的示数为0.3 A，电源电动势为3 V．则此时小灯泡的电功率为________W，电源的内阻为________Ω.‎ ‎[答案](1)A　实验电路图如图所示 ‎(2)0.69(0.66～0.72均可)　2.33(2.00～2.67均可)‎ 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○A (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，g取10 m/s2.请作答：‎ 压力F/N ‎0‎ ‎250‎ ‎500‎ ‎750‎ ‎1 000‎ ‎1 250‎ ‎1 500‎ ‎…‎ 电阻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.‎ ‎[解析](1)由题表格知，踏板空载时，压力传感器的电阻R＝300 Ω，此时○A中电流I＝＝ A＝1.6×10－2 A.‎ ‎(2)当电流I′＝20 mA＝2×10－2 A时，压力传感器的电阻R′＝＝ Ω＝240 Ω，由表格可知，这个人受到的重力为500 N，此人质量为50 kg.‎ ‎[答案](1)1.6×10－2　(2)50‎ ‎[随堂训练]‎ ‎1．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实129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．‎ 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”)．‎ ‎　　　　　 图实129　　　　　图实1210‎ ‎(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，则应将如图实1210所示的选择开关旋至________(选填“A”“B”“C”或“D”)．‎ ‎(3)合上开关S，用调节好的多用电表进行排查．在图实129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)若实现对30 ℃温度的控制 继电器和Rt的电压 U＝0.015×(20＋199.5) V≈3.29 V 因此符合要求的电源应选E2.‎ 若实现对80 ℃温度的控制 对全电路有 U＝I(R继＋Rt＋R)‎ 即6 V＝0.015 A×(20 Ω＋49.1 Ω＋R)‎ 解得R＝330.9 Ω.‎ 因此滑动变阻器应选R2.‎ ‎(2)用多用电表测量直流电压时，选择开关应旋至C(直流电压挡)．‎ ‎(3)a、b间电压为0，指针不偏转．‎ 接入a、c时，多用电表与电源等构成回路，指针偏转．‎ ‎(4)连接电路时，先用电阻箱代替热敏电阻，调节滑动变阻器阻值，衔铁被吸合时，调节完毕，移除电阻箱换为热敏电阻即可，正确的顺序为⑤④②③①.‎ ‎[答案](1)E2　R2　(2)C　(3)不偏转　偏转　(4)⑤④②③①‎ ‎2．为了节能环保，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照度的变化而发生变化的元件(照度可以反映光的强弱，光越强照度越大，照度单位为lx)．‎ ‎(1)某光敏电阻R在不同照度下的阻值如表中所示，根据表中已知数据，在如图实1211所示坐标系中描绘出了阻值随照度变化的曲线．由图象可求出照度为1.0 lx时的电阻约为________kΩ.‎ 图实1211‎ 照度/lx ‎0.2‎ ‎0.4‎ ‎0.6‎ ‎0.8‎ ‎1.0‎ ‎1.2‎ 电阻/kΩ ‎5.8‎ ‎3.7‎ ‎2.8‎ ‎2.3‎ ‎1.8‎ ‎(2)如图实1212所示是街道路灯自动控制模拟电路，利用直流电源为电磁铁供电，利用照明电源为路灯供电．为达到天亮灯熄、天暗灯亮的效果，路灯应接在________(填“AB”或“BC”)之间，请用笔画线代替导线，正确连接电路元件．‎ 图实1212‎ ‎(3)用多用电表“×10 Ω”档，按正确步骤测量图中电磁铁线圈电阻时，指针示数如图实1213所示，则线圈的电阻为________Ω.已知当线圈中的电流大于或等于2 mA时，继电器的衔铁将被吸合．图中直流电源的电动势E＝6 V，内阻忽略不计，滑动变阻器有三种规格可供选择：R1(0～10 Ω，2 A)、R2(0～200 Ω，1 A)、R3(0～1 750Ω，1 A)．要求天色渐暗照度降低至1.0 lx时点亮路灯，滑动变阻器应选择________(填“R1”“R2”或“R3”). 为使天色更暗时才点亮路灯，应适当地________(填“增大”或“减小”)滑动变阻器的电阻. ‎ 图实1213‎ ‎[解析](1)由描点绘出的图象可以找出照度为1.0 lx时光敏电阻的阻值为2.0 kΩ；(2)电源与开关、滑动变阻器、光敏电阻和电磁铁串联起来．当受光照作用较强时，光敏电阻阻值较小，通过电磁铁的电流较大，对衔铁磁力增大，与触点C接通，此时应使路灯不亮，故路灯应接在AB之间；(3)多用电表读数为14，乘以倍率“×10”，故线圈电阻为140 Ω.由闭合电路欧姆定律可知，电路总电阻达到3 kΩ时，电路接通，故滑动变阻器电阻应与光敏电阻同一数量级，故滑动变阻器选择R3.天色更暗，光敏电阻阻值增大，为使路灯此时点亮，则滑动变阻器电阻应减小．‎ ‎[答案](1)2.0(误差允许范围内均对)‎ ‎(2)AB　接线图如图所示 ‎(3)140　R3　减小 ‎(2017·郑州模拟)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0～20 Ω)、滑动变阻器R2(阻值变化范围0～1 000 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UI曲线，请在方框中画出实验电路图，并标出所用滑动变阻器的符号．‎ ‎(2)实验中描绘出的小灯泡UI曲线如图所示，由图可知，小灯泡灯丝电阻随温度升高而________(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电阻，实验电路如图甲所示，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UI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 甲 乙 ‎(4)若将上述小灯泡直接与电源和保护电阻组成串联电路，如图乙所示，此时小灯泡消耗的电功率约为________W.‎ ‎[解析](1)描绘灯泡的伏安特性曲线，电压与电流应从零开始变化，滑动变压器要采用分压接法，由于灯泡的阻值较小，电流表应用外接法，电路图如图所示．‎ ‎(2)由图示UI图象可知，随电压和电流的增大，灯泡实际功率增大，灯丝温度升高，电压与电流的比值增大，由此可知，灯泡灯丝电阻随温度升高而增大．‎ ‎(3)根据表中数据作出电源UI图象如图所示，由图示图象可知，电源内阻r＝－R0＝ Ω－9 Ω＝1 Ω.‎ ‎(4)由图示图象可知，灯泡两端电压为2.1 V，电流为0.39 A，灯泡的电功率为P＝UI＝2.1×0.39 W≈0.82 W.‎ ‎[答案]　见解析