2015届高考物理一轮复习精品学案：103第十章 实验十一 传感器的简单使用

实验十一传感器的简单使用考纲解读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．图1考点一温度传感器的应用例1如图2所示，图甲为热敏电阻的R－t图象，图乙为用此热敏电阻R和继电器组成的一个简单恒温箱温控电路，继电器的电阻为100 Ω.当线圈的电流大于或等于20 mA时，继电器的衔铁被吸合．为继电器线圈供电的电池的电动势E＝9.0 V，内阻不计．图中的“电源”是恒温箱加热器的电源．图2(1)应该把恒温箱内的加热器接在________(填“A、B端”或“C、D端”)．(2)如果要使恒温箱内的温度保持在50℃，可变电阻R′的阻值应调节为________Ω.解析恒温箱内的加热器应接在A、B端．当线圈中的电流较小时，继电器的衔铁在上方，恒温箱的加热器处于工作状态，恒温箱内温度升高．随着恒温箱内温度升高，热敏电阻R 的阻值变小，则线圈中的电流变大，当线圈的电流大于或等于20 mA 时，继电器的衔铁被吸到下方来，则恒温箱加热器与电源断开，加热器停止工作，恒温箱内温度降低．随着恒温箱内温度降低，热敏电阻R 的阻值变大，则线圈中的电流变小，当线圈的电流小于20 mA 时，继电器的衔铁又被释放到上方，则恒温箱加热器又开始工作，这样就可以使恒温箱内保持在某一温度．要使恒温箱内的温度保持在50°C ，即50°C 时线圈内的电流为20 mA.由闭合电路欧姆定律I ＝Er ＋R ＋R ′，r 为继电器的电阻．由题图甲可知，50°C 时热敏电阻的阻值为90 Ω，所以R ′＝EI －(r ＋R )＝260 Ω.答案 (1)A 、B 端 (2)260 考点二 光电传感器的应用例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R OS 在不同照度下的阻值如下表所示：(1)值随照度变化的特点．图3(2)如图4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4提供的器材如下：光敏电阻R OS(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k)，如图5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.图5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k ，并测出待测物体的质量m .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k )”，所以输出电压U ＝kmg .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m 0的砝码放在转换器的受压面上，记下输出电压U 0； ③将待测物体放在转换器的受压面上，记下输出电压U 1； ④因为U 0＝km 0g 、U 1＝kmg ，所以可求m ＝m 0U 1U 0.答案 见解析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．如图6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6A．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．信号处理系统每获一次低电压就计数一次D．信号处理系统每获一次高电压就计数一次答案BD解析激光是照在光敏电阻R1上，信号处理系统与R1并联，其电压就是R1上的电压，当货物挡光时R1阻值大，电压高，货物挡光一次，就计数(货物的个数)一次，故B、D 正确．3．在输液时，药液有时会从针口流出体外，为了及时发现，设计了一种报警装置，电路如图7所示．M是贴在针口处的传感器，接触到药液时其电阻R M发生变化，导致S两端电压U增大，装置发出警报，此时()图7A．R M变大，且R越大，U增大越明显B．R M变大，且R越小，U增大越明显C．R M变小，且R越大，U增大越明显D．R M变小，且R越小，U增大越明显答案 C解析由题意知，S两端的电压增大，则电路中的电流增大，接触药液的传感器的电阻变小，则A、B选项是错误的；将S看做外电路，其余看做等效电源，根据U＝E－Ir 可判断，同样的变化电流，则内阻越大电压变化越大，因此答案为C.4．如图8所示，R1、R2为定值电阻，L为小灯泡，R3为光敏电阻，当入射光强度增大时()图8A．电压表的示数增大B．R2中电流减小C．小灯泡的功率增大D．电路的路端电压增大答案ABC解析当入射光强度增大时，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．5．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9甲所示，电源的电动势E＝9.0 V，内电阻不计；G为灵敏电流计，内阻R g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°C 时，电流表示数I 1＝2 mA 时，当电流表的示数I 2＝3.6 mA 时，热敏电阻的温度是________°C.图9答案 120解析 从题图乙查得t ＝20°C 时，R 的阻值为4 kΩ 由E ＝I 1(R ＋R g )得R g ＝E I 1－R ＝92kΩ－4 kΩ＝0.5 kΩ当I 2＝3.6 mA 时，设热敏电阻的阻值为R ′，则 R ′＝E I 2－R g ＝93.6 kΩ－0.5 kΩ＝2 kΩ从题图乙查得此时对应的温度t 2＝120°C.6．一些材料的电阻随温度的升高而变化．如图10甲是由某金属材料制成的电阻R 随摄氏温度t 变化的图象，若用该电阻与电池(电动势E ＝1.5 V ，内阻不计)、电流表(量程为5 mA ，内阻不计)、电阻箱R ′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”．图10(1)电流刻度较大处对应的温度刻度________；(选填“较大”或“较小”) (2)若电阻箱阻值R ′＝150 Ω，当电流为5 mA 时对应的温度数值为________°C. 答案 (1)较小 (2)50解析 (1)由题图甲可知，温度升高，电阻阻值增大，电路中电流减小，因此电流刻度较大处对应的温度刻度较小．(2)电流为5 mA时，电路总电阻为300 Ω，电阻箱阻值R′＝150 Ω，则R＝150 Ω，由题图甲得对应的温度为50°C.7．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11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11(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．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12的实物图上连线．图12(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．。

名师预测
1．传感器担负着信息采集的任务，它常常是( )
A．将力学量(如形变量)转变成电学量 B．将热学量转变成电学量
C．将光学量转变成电学量 D．将电学量转变成力学量
2．下面哪些技术涉及到传感器的应用( )
A．宾馆的自动门 B．工厂、电站的静电除尘
C．家用电饭煲的跳闸和保温 D．声控开关
3．在街旁的路灯，江海里的航标都要求在夜晚亮，白天熄，利用半导体的电学特性制成了自动点亮、熄灭的装置，实现了自动控制，这是利用半导体的( )
A．压敏性 B．光敏性 C．热敏性 D．三种特性都利用
4.
图10－3－6
如图10－3－6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
C．小灯泡的功率增大 D．电路的路端电压增大
5.
图10－3－7
逻辑电路在电子线路中有着重要的应用．某同学利用“非”门电路设计了一个路灯自动控制门电路．天黑了，让路灯自动接通；天亮了，让路灯自动熄灭．图10－3－7中RG是一个光敏电阻，当有光线照射时，光敏电阻的阻值会显著减小．R是可调电阻，起分压作用．“非”门电路能将输入的高压信号转变为低压信号，或将低压信号转变为高压信号
，J为路灯总开关控制继电器，它在获得高电压时才启动(图中未画路灯电路)．
(1)当天黑时，RG变________“非”门电路获得________电压，J得到________电压．(填“大”“小”或“高
”“低”)
(2)如果路灯开关自动接通时天色还比较亮，现要调节自动控制装置，使得它在天色较黑时才会自动接通开关，应将R调________(填“大”或“小”)一些．。

实验十一传感器的简单使用考纲解读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．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15．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．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．考点一温度传感器的应用例1 对温度敏感的半导体材料制成的某热敏电阻R T,在给定温度范围内，其阻值随温度的变化是非线性的．某同学将R T和两个适当的定值电阻R1、R2连成图2虚线框内所示的电路，以使该电路的等效电阻R L的阻值随R T所处环境温度的变化近似为线性的，且具有合适的阻值范围．为了验证这个设计，他采用伏安法测量在不同温度下R L的阻值，测量电路如图2所示,图中的电压表内阻很大．实验中的部分实验数据测量结果如表所示。

实验十一传感器的简单使用基础点1.实验装置及电路图2．实验目的(1)认识热敏电阻、光敏电阻等传感器的特性。

(2)了解传感器的简单应用。

3．实验原理传感器是能将所感受到的物理量(如力、热、光、声等等)转换成便于测量的量(一般是电学量)的一类元件。

其工作过程是通过对某一物理量敏感的元件，将感受到的信号按一定规律转换成便于利用的信号。

如热电传感器是利用热敏电阻将热信号转换成电信号。

转换后的信号经过相应的仪器进行处理，就可以达到自动控制的目的。

4．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。

5．实验步骤A．研究热敏电阻的热敏特性(1)实验步骤①按图所示连接好电路，将热敏电阻进行绝缘处理。

②将多用电表置于欧姆挡，选择适当的挡位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，测量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在如图所示的坐标系中，粗略画出热敏电阻的阻值随温度变化的图线。

(3)实验结论根据实验数据和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。

B．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、学生电源、滑动变阻器按如图所示电路连接好，其中多用电表置于欧姆挡“×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测量用手掌(或黑纸)遮光时光敏电阻的阻值并记录。

(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电阻(Ω)光敏电阻被光照射时其电阻值发生变化，光照增强电阻变小，光照减弱电阻变大。

新高考物理必考实验精细精讲实验十一传感器的简单应用学案目录课前预习·基础落实课堂互动·考点突破课前预习·基础落实【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．了解传感器在技术上的简单应用。

【实验原理】(1)传感器是将它感受到的信号(如力、热、光、声等)转换成便于测量的量(一般是电学量)。

(2)其工作过程如图实Ⅺ－1所示：【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。

【实验过程】一、研究热敏电阻的热敏特性1．实验步骤(1)按图实Ⅺ－2所示连接好电路，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。

2．数据处理(1)根据记录数据，把测量到的温度、电阻值填入下表中，分析热敏电阻的特性。

(2)在图实Ⅺ－3所示坐标系中，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。

二、研究光敏电阻的光敏特性1．实验步骤(1)将光电传感器、多用电表、灯泡、滑动变阻器按图实Ⅺ－4所示电路连接好，其中多用电表置于欧姆“×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)遮光时电阻值又是多少？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。

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。