【物理】2019届二轮复习实验十二、传感器的简单使用学案（全国通用）

【物理】2019届二轮复习实验十二、传感器的简单使用学案（全国通用）

实验十二、传感器的简单使用 ‎1．如图是电熨斗温度自动控制装置．‎ ‎​‎ ‎(1)常温时，上、下触点应是________（分离，接触）‎ ‎(2)双金属片温度升高时，________层形变大（上、下）‎ ‎(3)假设原来温度上升到80℃时断开电源，现要60℃时断开电源，应向________调节调温旋钮（上、下）‎ ‎【答案】 接触；上；下 ‎【解析】‎ ‎ (1)常温时，通电电热丝能发热，所以上、下触点应是接触的。‎ ‎(2)双金属片上下金属片的膨胀系数不同，温度升高时，上层形变大，双金属片向下发生弯曲，使电路断开。‎ ‎(3)原来温度上升到80°C时,断开电源,现在要求60°C时断开电源，弹性铜片与触点接触面积要减小，故应向上调节调温旋钮；‎ 故答案为：(1)接触； (2)上；(3)下；‎ ‎2．某实验小组控制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(1)中的实物图上连线．‎ ‎(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R－t关系图线．请根据图(2)中的图线写出该热敏电阻的R－t关系式：R＝________＋________t(Ω)保留3位有效数字．‎ ‎【答案】 (1)如图 ‎(2)②读取温度计示数　读取电压表示数 ‎(3)100　0.400‎ ‎（1）直流恒流电源在正常工作状态下输出的电流恒定，故只需要将电压表与电阻并联测量出电压即可，实物图上连线如图 ‎（2）本实验要测量电阻值和温度值的关系，电阻要用欧姆定律计算，由于电流恒定且已知，故需测量电压和温度；‎ ‎（3）从图中取相距较远的两个特殊点，代入计算，由图有，解得，故该热敏电阻的R-t关系式：‎ ‎3．在实际应用中有多种自动控温装置，以下是其中两种控温装置：‎ ‎（1）图（a）为某自动恒温箱原理图，箱内的电阻R1= 2 Ω，R2 = 1.5 Ω，R3 = 4 Ω，Rt为热敏电阻，其电阻随温度变化的图像如图（b）所示。当a、b两点电势 φa<φb时，电压鉴别器会令开关S接通，恒温箱内的电热丝发热，使箱内温度提高；当φaφb时，电压鉴别器会使S断开，停止加热，则恒温箱内的稳定温度为____℃，恒温箱内的电热丝加热时Rt的取值范围为_____。‎ ‎（2）有一种由PTC元件做成的加热器，它产生的焦耳热功率PR随温度t变化的图像如图（c）所示。该加热器向周围散热的功率为PQ = (t-t0)，其中t为加热器的温度，t0为室温（本题中取20℃）， =0．1W/℃。‎ ‎①当PR=PQ时加热器的温度即可保持稳定，则该加热器工作的稳定温度为________℃；‎ ‎②（单选）某次工作中，该加热器从室温升高至稳定温度的过程中，下列温度变化过程用时最短的是（填选项前的字母序号）‎ A．20℃ 24℃‎ B．32℃ 36℃‎ C．48℃ 52℃‎ D．60℃ 64℃‎ ‎【答案】 25 68 72均可 B ‎【解析】（1）由电路图可知，当满足时，即Rt=3 Ω时φa=φb ，此时由图可知温度为25℃，即恒温箱内的稳定温度为25℃；恒温箱内的电热丝加热时Rt的取值范围为Rt>3 Ω；‎ ‎（2）①PQ=0.1（t-t0），PQ与温度t之间关系的图象如图；‎ 由图可知，当温度为70℃左右时，发热功率和散热功率相等，即此时物体的温度不再变化；‎ ‎②当温度稍高于稳定温度时：加热器电阻增大，产生的焦耳热的功率小于散热的功率，温度将下降；当温度稍低于稳定温度时：加热器电阻减小，产生的焦耳热的功率大于散热的功率，温度将上升。故选B.‎ ‎4．电阻应变式称重传感器的工作原理如下：弹性体在外力作用下发生弹性形变，使粘贴在其表面的电阻应变片也发生形变，同时引起阻值的变化，再经相应的测量电路把这一电阻变化转换为电信号，从而将外力变换为电信号。电阻应变式称重传感器的结构如图(a)所示，弹性体的一端固定，另一端安装测力钩，在它的上下表面共粘贴4个应变片R1、R2、R3、R4.测量电路图如图(b)所示，未发生形变时，应变片的阻值均为R=800Ω,当弹性体受到向上的拉力作用发生形变时，上表面压缩，R1、R2阻值变小，下表面拉伸，R3、R4阻值增大。已知每个应变片阻值的变化量与拉力F的变化规律均为,其中 =5Ω/N;电路中电源电动势E=8.0V,内阻不计。‎ 完成下列填空：‎ ‎(1)当测力钩不受力拉力时，图(b)中_________；‎ ‎(2)当向上施加拉力时，______0 (选填“>”、“<”"或者“=”)‎ ‎(3)若电压表的示数为1.0V,则该传感器受到的力的大小为__________N。‎ ‎【答案】 (1) 0 (2) > (3) 20‎ ‎【解析】（1）当测力钩不受力拉力时，四个电阻的阻值均相等，则图(b)中UAB=0.‎ ‎（2）当向上施加拉力时，R1、R2阻值变小， R3、R4阻值增大，此时R1两端的电压减小，则A点电势升高；R3两端的电压变大，则B点电势降低；则UAB>0.‎ ‎（3）若电压表的示数为1.0V，则弹性体向上施加拉力，设此时R1和R2分别为800-∆R，则R3和R4分别为800+∆R，由电路可知：，其中，解得∆R=100Ω，‎ 则根据ΔR= F可得受到的力的大小为.‎ ‎5．（1）某同学用如图甲所示的电路测量一个电容器的电容，图中 R为20 Ω的电阻，电源电动势为6.0 V，内阻可不计。‎ ‎①实验时先将开关S接1，经过一段时间后，当电流表示数 为________ μA时表示电容器极板间电压最大。‎ ‎②将开关S接2，将传感器连接在计算机上，经处理后画出电容器放电的 i-t图象，如图乙所示。由图象可知，图象与两坐标轴所围的面积表示电容器放出的电荷量。试根据 i-t图象，求该电容器所放出的电荷量q=_______C；该电容器的电容 c=_______ μF。（计算结果保留两位有效数字）。‎ ‎（2）如图甲是某金属材料制成的电阻阻值R随摄氏温度t变化的图象，图中R0表示0℃时的电阻， 表示图线的斜率。若用该电阻与电池（电动势E、内阻r）、电流表A（内阻Rg）、滑动变阻器R1串联起来，连接成如图乙所示的电路，用该电阻做测温探头，把电流表的电流刻度改为相应的温度刻度，就得到了一个简单的“金属电阻温度计”。使用“金属电阻温度计”前，先要把电流表（“0”刻线在刻度盘左侧 ）的刻度值改为相应的温度刻度值，若温度t1< t2，则t1的刻度应在 t2的_______侧（填“左”或“右”）；在标识“金属电阻温度计”的温度刻度时，需要弄清所测温度和电流的对应关系。请利用E、R0、Rg、R1（滑动变阻器的有效阻值）、r、 等物理量表示所测温度t与电流I的关系式t=______________。‎ ‎【答案】 0 8.7-9.7×10-10 1.5-1.6×10-4 右 ‎ ‎【解析】‎ ‎（1）①电容器串联在电路中，当电容器充电完毕后，电路断路，故电路中电流为零时表示电容器极板间电压最大；‎ ‎②图线与两坐标轴所围成的面积就是电容器的放电量，数格子，共96格；‎ 每一小格表示电量为： ；‎ 故电量为；则电容；‎ ‎（2）温度，电阻，电流，故的刻度应在的右侧；根据闭合电路欧姆定律，有，根据温控电阻与温度关系，得到，联立得到 ‎6．利用传感器可以探测、感受外界的信号、物理条件等．如图甲所示为某同学用传感器做实验得到的小灯泡的U－I关系图线．‎ ‎(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】 A; 0.69; 2.33;‎ ‎【解析】（1）滑动变阻器选用分压式连接，所以要选择电阻较小的滑动变阻器 （2）在甲图中画出路端电压和电流的关系图像，与纵坐标的交点为电源电动势，与横坐标的交点为短路电流，交点为小灯泡的实际工作电流和电压，倾斜直线的斜率表示电源内阻的大小 ‎7．现代飞机、导弹、火箭等在研制定型及生产中需通过风洞试验模拟空中各种复杂的飞行环境，获取实验数据。在一个风洞实验室中，一架飞机模型用弹性片固定在托盘测力计上（如图所示）。无风时，托盘测力计示数为30N；当有风吹过时，飞机仍静止不动，托盘测力计的示数减小。下面是某小组研究该力F的大小与风速关系的实验数据；‎ ‎（1）根据上面的实验数框可知：飞机受到的风为方向___（填“竖直向上”、“竖直向下”“水平向左”或“水平向右”），风力大小随若风速的增大而____（填“增大”、“减小”或“不变”）；‎ ‎（2）根据以上数据、通过分析推理写出风力F与风速的关系式___________________。‎ ‎【答案】 竖直向上 增大 ‎ ‎【解析】(1)飞机模型无风时受重力，当迎面有风吹过时，托盘测力计的示数减小，说明受的升力与重力方向相反，竖直向上；风速越大，托盘测力计的示数越小，说明风力大小随着风速的增大而增大；‎ ‎(2)根据表格数据发现：风速为4m/s时，升力为30N-29.2N=0.8N；风速为8m/s时，升力为30N-26.8N=3.2N；风速为12m/s时，升力为30N-22.8N=7.2N；风速为16m/s时，升力为30N-17.2N=12.8N；风速为20m/s时，升力为30N-10.0N=20N；风速为24m/s时，升力为30N-0.02N=29.98N；故这个新的力与风速的关系式：F=0.05v2。‎ ‎8．某学生为了测量一物体的质量，找到一个力电转换器，该转换器的输出电压正比于受压面的压力（比例系数为 ），如图所示．测量时先调节输入端的电压，使转换器空载时的输出电压为0；而后在其受压面上放一物体，即可测得与物体质量成正比的输出电压U ． 现有下列器材：力电转换器、质量为M0的砝码、电压表、滑动变阻器、干电池各一个、电键及导线若干、待测物体（可置于力电转换器的受压面上）．请完成对该物体质量的测量．‎ ‎​‎ ‎(1)设计一个电路，要求力电转换器的输入电压可调，并且使电压的调节范围尽可能大，在方框中画出完整的测量电路图_____．‎ ‎(2)以下为简要的测量步骤，请将不完整处补充完整：________ .‎ A．调节滑动变阻器，使转换器的输出电压为零；‎ B．将放在转换器上，记下输出电压U0；‎ C．将待测物放在转换器上，记下输出电压U1；‎ ‎(3)根据以上测量，可求出：比例系数 =________ 待测物体的质量M=________ .‎ ‎(3)请设想实验中可能会出现的一个问题：________ .‎ ‎【答案】 ；B、将质量为m0的砝码放在转换器上，记下输出电压U0；； “因电源电压小而输出电压调不到零”或“待测物体的质量超出转换器量程”‎ ‎【解析】‎ 解：(1)根据“可测得与物体的质量成正比的输出电压U”可知：输出端应接电压表，又根据“为了使输入电路的电压调节范围尽可能大”可知：必须用滑动变阻器在输入端组成分压电路，设计的电路如图所示；‎ ‎(2)测量步骤与结果：‎ A、调节滑动变阻器，使转换器的输出电压为零；‎ B、将质量为m0的砝码放在转换器上，记下输出电压U0；‎ C、将待测物放在转换器上，记下输出电压U1；‎ ‎(3)由以上测量可知，，‎ 得，所以 ‎(4)该实验中可能会出现的问题有：①因电源电压小而输出电压调不到零；②待测物体的质量超出转换器量程。‎ ‎9．如图甲所示为某宾馆的房卡，只有把房卡插入槽中，房间内的灯和插座才会有电．‎ ‎​‎ ‎（1）房卡的作用相当于一个________（填电路元件名称）接在干路上．‎ ‎（2）如图乙所示，当房客进门时，只要将带有磁铁的卡P插入盒子Q中，这时由于磁铁吸引簧片，开关B就接通，通过继电器J使整个房间的电器的总开关接通，房客便能使用室内各种用电器．当继电器工作时，cd相吸，ab便接通．请你将各接线端1、2、3、4、5、6、7、8、9、10适当地连接起来，构成正常的电门卡电路_____________________．‎ ‎​‎ ‎【答案】 电键；8-7,4-5,6-9,1-3,2-10；‎ ‎【解析】‎ ‎（1）房卡可以控制房间内的灯和插座，不插入插槽中，所有房间内的灯和插座都不工作，所以房卡相当干路上的电键；‎ ‎（2）将干簧管与电源E、线圈连成一个回路；将三个灯泡所在电路与交流电流接成回路，即按8-7，4-5，6-9，1-3，2-10 连接起来，构成正常的电门卡电路．如图．‎ ‎10．某学生为了测量一个物体的质量，找到一个力电转换器，该转换器的输出电压正比于受压面的压力(比例系数为 )，如图所示，测量时先调节输入端的电压，使转换器空载时的输出电压为0；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U.‎ 请完成对该物体质量的测量：‎ ‎(1)设计一个电路，要求力电转换器的输入电压可调，并且使调节范围尽可能大，在虚线框中画出完整的测量电路图．‎ ‎(2)简要说明测量步骤，求出比例系数 ，并测出待测物体的质量m.‎ ‎【答案】 (1) (2)略 ‎【解析】力电转换器虽然是一个全新的仪器，但它与其他所有的测量仪器一样，要有一个“调零”的过程．仔细审题，题目中有很多重要的暗示，挖掘这些信息即是我们解决问题的关键．“测量时先调节输入端的电压，使转换器空载时的输出电压为0；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U”“该转换器的输出电压正比于受压面的压力(比例系数为 )”，所以输出电压U＝ mg，题目要求“力电转换器的输入电压可调，并且使电压的调节范围尽可能大”，这就暗示我们滑动变阻器必须使用分压式，有了设计电路才可以进行测量步骤；‎ ‎(1)设计电路如图所示．‎ ‎(2)测量步骤如下：‎ ‎①调节滑动变阻器，使转换器的输出电压为零；‎ ‎②将质量为m0的砝码放在转换器的受压面上，记下输出电压U0；‎ ‎③将待测物体放在转换器的受压面上，记下输出电压U1；‎ ‎④因为U0＝ m0g、U1＝ mg，所以可求 ‎11．图甲所示是大型机械厂里用来称重的电子吊秤，其中实现称重的关键元件是拉力传感器。其工作原理是：挂钩上挂上重物，传感器中拉力敏感电阻丝在拉力作用下发生形变，其长度和横截面积都发生变化，拉力敏感电阻丝的电阻也随着发生变化，再经相应的测量电路把这一电阻变化转换为电信号（电压或电流），从而完成将所称物体重量变换为电信号的过程。‎ ‎（1）简述拉力敏感电阻丝的阻值随拉力增大而增大的原因_____________。‎ ‎（2）小明找到一根拉力敏感电阻丝RL，其阻值随拉力变化的图象如图乙所示，再按图丙所示电路制作了一个简易“吊秤”。电路中电源电动势E约15V，内阻约：灵敏毫安表量程为，‎ 内阻约；R是电阻箱，最大阻值是；RL接在A、B两接线柱之间，通过光滑绝缘滑环可将重物吊起，接通电路完成下列操作。‎ a．滑环下不吊重物时，调节电阻箱，当电流表为某一合适示数I时，读出电阻箱的读数R1；‎ b．滑环下吊上待测重物，测出电阻丝与竖直方向的夹角为；‎ c，调节电阻箱，使电流表的示数仍为I，读出此时电阻箱的读数R2，则拉力敏感电阻丝电阻增加量为________________。‎ ‎（3）设图像斜率为 ，则待测重物的重力G的表达式为_____（用以上测得的物理量表示），若测得（， ），R1、R2分别为和，则待测重物的重力______N（结果保留三位有效数字）。‎ ‎【答案】 电阻丝长度增加而横截面积减小，根据电阻定律可知其阻值增大； ； ； 132‎ ‎【解析】解：(1)根据电阻定律有： ，当拉力敏感电阻丝随拉力被拉长时，由于电阻丝的长度增大，则电阻丝的横截面积减小，所以电阻丝的电阻值将增大；‎ ‎(2)根据实验的电路图可知，电路中没有电压表，不能使用伏安法测量电阻值的变化，但电路中的电阻箱可以控制电流的变化，若电路中的电流值不变，则电路中的总电阻值也不变，所以在步骤(c)中,可以调节电阻箱，使电流表的示数仍为I，低处此时电阻箱的读数R2，则拉力敏感电阻丝电阻增加量为；‎ ‎(3) 开始时滑环下不吊重物,则有： ‎ 当挂重力为G的重物后，取AB的中点处的节点为研究对象，则此处受到三个力的作用，在两个斜向上的拉力大小相等，与竖直方向之间的夹角也相等，则在竖直方向上： ‎ 在图乙中,设斜线的斜率为 ，截距为b，可得： ‎ 联立可得： ‎ 由图乙可知： ‎ 代入数据得： ‎ ‎12．育才中学 技小组的小明同学自行设计了一个地磅，其原理如图1所示．设电源两端电压U恒为定值，R0为定值电阻，滑动变阻器的总电阻为R、总长度为L ， 滑动触头与托盘固联，开始时触头位于变阻器最上端A，并能随轻弹簧一起上下滑动．已知滑动变阻器的电阻与其接入电路的长度成正比；当对地磅施加压力F时，弹簧的长度会缩短L ． 请回答：‎ ‎（1）定值电阻R0的作用是________．‎ ‎（2）电流表的示数与待测物体质量m之间的关系式为________；此地磅的刻度特点是________．‎ ‎（3）有同学建议小明将原理图改为图2所示，你认为这样改________（填“好”或“不好”）.‎ ‎（4）请你在图2的基础上，在图3的方框里画出你改进后的电路图，这样的好处是什么？‎ ‎【答案】 （1）分压限流，保护电路元件作用；（2）；不均匀（3）不好（4）这样的好处是电压与质量成正比，反应质量的刻度线均匀．‎ ‎【解析】‎ ‎（1）当滑动变阻器接入电路中的电阻为0时，电路中的电流最大，电流表有烧坏的可能，则定值电阻R0的作用是保护电路；‎ ‎（2）滑动变阻器的电阻与其接入电路的长度成正比；当对地磅施加压力F时，弹簧的长度会缩短l。‎ 当质量为m的物体放在地磅上时，弹簧形变量为l′，有，即此时的弹簧缩短了，设此时滑动变阻器的阻值为R′，则 所以，‎ 根据欧姆定律可知，此时电路中的电流为 由表达式可知，电流表的示数与物体的质量不成正比，所以造成刻度盘上的刻度不均匀；‎ ‎（3）电压表的示数为滑动变阻器的电压，等于电源电压减去定值电阻R0的电压。‎ 故，‎ 由表达式可知，电压表的示数与物体的质量不成正比，所以造成刻度盘上的刻度不均匀，故这样改仍然不好；‎ ‎（4）改进的电路如图所示，‎ 滑片的移动不能改变接入电路中电阻的大小，但可以改变电压表所测部分的电阻，‎ 设地磅上放上质量为m的物体时弹簧缩短量为l″，则l″=l 此时变阻器根据电压表并联部分的电阻R″=R，‎ 根据欧姆定律，此时电路中的总电流为I=，‎ 所电压表的示数为，‎ 由表达式可以看出，电压与质量成正比，反应质量的刻度线均匀。‎