實驗12 傳感器的簡單使用2022年高考物理實驗專題精講精練（解析版）

1、實驗12傳感器的簡單使用（解析版）1.實驗原理(1)傳感器的作用傳感器能夠?qū)⒏惺艿降奈锢砹?力、熱、光、聲等)轉(zhuǎn)換成便于測量的量(一般是電學(xué)量)。(2)傳感器的工作過程通過對某一物理量敏感的元件將感受到的信號按一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成便于測量的信號。例如,光電傳感器是利用光敏電阻將光信號轉(zhuǎn)換成電信號;熱電傳感器是利用熱敏電阻或金屬熱電阻將溫度信號轉(zhuǎn)換成電信號。轉(zhuǎn)換后的信號經(jīng)過電子電路的處理就可達到方便檢測、自動控制、遙控等各種目的。傳感器工作的原理可用下圖表示:2.實驗器材熱敏電阻、光敏電阻、多用電表、鐵架臺、燒杯、冷水、熱水、小燈泡、學(xué)生電源、滑動變阻器、開關(guān)、導(dǎo)線等。3.實驗步驟及數(shù)據(jù)處理(1)研

2、究熱敏電阻的熱敏特性實驗步驟a.按圖所示連接好電路,將熱敏電阻絕緣處理。b.把多用電表置于“歐姆擋”,并選擇適當?shù)牧砍虦y出燒杯中沒有水時熱敏電阻的阻值,并記下溫度計的示數(shù)。c.向燒杯中注入少量的冷水,使熱敏電阻浸沒在冷水中,記下溫度計的示數(shù)和多用電表測出的熱敏電阻的阻值。d.將熱水分幾次注入燒杯中,測出不同溫度下熱敏電阻的阻值,并記錄。數(shù)據(jù)處理a.根據(jù)記錄數(shù)據(jù),把測量到的溫度、電阻阻值填入下表中,分析熱敏電阻的特性。次數(shù)待測量123456溫度/電阻/b.在坐標系中,粗略畫出熱敏電阻的阻值隨溫度變化的圖線。c.根據(jù)實驗數(shù)據(jù)和R-t圖線,得出結(jié)論:熱敏電阻的阻值隨溫度的升高而減小,隨溫度的降低而增

3、大。(2)研究光敏電阻的光敏特性實驗步驟a.將光電傳感器、多用電表、燈泡、滑動變阻器按圖所示電路連接好,其中多用電表置于“×100”的歐姆擋。b.先測出在室內(nèi)自然光的照射下光敏電阻的阻值,并記錄數(shù)據(jù)。c.打開電源,讓小燈泡發(fā)光,調(diào)節(jié)小燈泡的亮度使之逐漸變亮,觀察表盤指針顯示電阻阻值的情況,并記錄。d.觀察用手掌(或黑紙)遮光時電阻的阻值,并記錄。數(shù)據(jù)處理把記錄的結(jié)果填入下表中,根據(jù)記錄數(shù)據(jù)分析光敏電阻的特性。光照強度弱中強無光照射阻值/結(jié)論:光敏電阻的阻值被光照射時發(fā)生變化,光照增強電阻變小,光照減弱電阻變大。4.注意事項(1)在做熱敏實驗時,加熱水后要等一會兒再測其阻值,以使電阻溫

4、度與水的溫度相同,并同時讀出水溫。(2)在做光敏實驗時,如果效果不明顯,可將電阻部分電路放入帶蓋的紙盒中,并通過蓋上的小孔改變射到光敏電阻上的光的多少。(3)歐姆表每次換擋后都要重新進行歐姆調(diào)零?！镜淅?】如圖所示,將多用電表的選擇開關(guān)置于歐姆擋,再將電表的兩支表筆分別與光敏電阻RT的兩端相連,這時表針恰好指在刻度盤的中央。若用不透光的黑紙將RT包裹起來,表針將向(選填“左”或“右”)轉(zhuǎn)動;若用手電筒光照射RT,表針將向(選填“左”或“右”)轉(zhuǎn)動。 【答案】左右【針對訓(xùn)練1】熱敏電阻是傳感電路中常用的電子元件。現(xiàn)用伏安法測繪出熱敏電阻分別在溫度為t1=45 和溫度為t2=75 時的伏

5、安特性曲線,要求特性曲線盡可能完整。先用歐姆表粗測出常溫下待測熱敏電阻的阻值大約為 5 ,熱敏電阻和溫度計插入帶塞的保溫杯中,杯內(nèi)有一定量的冷水,其他備用的儀表和器具有:A.電流表,量程為00.6 A,內(nèi)阻約為2 B.電流表,量程為03 A,內(nèi)阻約為0.4 C.電壓表,量程為015 V,內(nèi)阻約為50 k D.電壓表,量程為03 V,內(nèi)阻約為10 kE.滑動變阻器R1(0100 )F.滑動變阻器R2(020 )G.電源E(3 V、內(nèi)阻可忽略)H.盛有熱水的熱水杯(圖中未畫出)I.開關(guān)、導(dǎo)線若干(1)實驗中應(yīng)選用的電流表為(選填“”或“”),應(yīng)選用的電壓表為(選填“”或“”),應(yīng)選用的滑動變阻器為

6、(選填“R1”或“R2”)。 (2)將實物圖甲連線補充成完整的測量電路(實線代表導(dǎo)線),要求測量誤差盡可能小。甲 (3)實驗過程主要有如下操作步驟,順序合理的是。(填寫步驟前的字母) A.接通電路,調(diào)節(jié)滑動變阻器,多次記錄電壓表和電流表的示數(shù)B.往保溫杯中緩慢加入熱水,并同步攪動均勻,直到溫度穩(wěn)定在t1C.往保溫杯中緩慢加入一定量的冷水,將熱敏電阻和溫度計插入保溫杯中D.往保溫杯中加入一些熱水,待溫度穩(wěn)定在t2E.在同一個坐標系中繪出兩個溫度下熱敏電阻的伏安特性曲線【答案】(1)R2(2)如圖乙所示乙(3)CBADAE【典例2】某興趣小組為了研制一臺“電子秤”,找到一個力電

7、轉(zhuǎn)換傳感器,該傳感器的輸出電壓正比于受壓面的正壓力。實驗操作時,先調(diào)節(jié)傳感器輸入端的電壓(要求從零開始調(diào)節(jié)),使力電轉(zhuǎn)換傳感器在空載時的輸出電壓為零;而后在其受壓面上放一物體,即可測得與物體的質(zhì)量成正比的輸出電壓。(1)如圖甲所示,E為直流電源,S為開關(guān),R為滑動變阻器,為電壓表,在圖中用筆畫線代替導(dǎo)線連接實驗電路圖。甲(2)若將質(zhì)量為m0的砝碼放在力電轉(zhuǎn)換傳感器的受壓面上,電壓表的示數(shù)為U0;然后取下砝碼,再將待測質(zhì)量為m的物體放在力電轉(zhuǎn)換傳感器的受壓面上,電壓表的示數(shù)為U,則待測物體的質(zhì)量m=。 【解析】(1)要求傳感器輸入端的電壓從零開始調(diào)節(jié),故滑動變阻器采用分壓式接法。電路圖

8、如圖乙所示。乙(2)因為測得的輸出電壓和所放物體的質(zhì)量成正比,故Um=U0m0,則待測物體的質(zhì)量m=UU0m0?！敬鸢浮?1)如圖乙所示(2)UU0m0【針對訓(xùn)練2】實驗室備有以下器材:電壓傳感器、電流傳感器、滑動變阻器R1(阻值變化范圍為020 )、滑動變阻器R2(阻值變化范圍為01000 )、電動勢適當?shù)碾娫?、小燈?4 V2 W)、開關(guān)、導(dǎo)線若干。(1)要完整地描繪小燈泡的U-I曲線,請在圖甲中畫出實驗電路圖,并標出所用滑動變阻器的符號。甲乙(2)實驗中描繪出的小燈泡U-I曲線如圖乙所示,由圖乙可知,小燈泡燈絲電阻隨溫度升高而。(選填“增大”“減小”或“不變”) (3)如果用上

9、述器材測量所給電源的電動勢和內(nèi)阻,實驗電路如圖丙所示,圖中R0是阻值為9.0 的保護電阻,實驗中測得多組數(shù)據(jù)記錄在下表中,試在同一坐標系中畫出等效電源的U-I圖象,由圖象可求出電源自身內(nèi)阻約為。 序號123456U/V4.003.402.802.001.500.80I/A0.200.250.330.400.460.52丙丁(4)若將上述小燈泡直接與電源和保護電阻組成串聯(lián)電路,如圖丁所示,此時小燈泡消耗的電功率約為W。(結(jié)果保留2位有效數(shù)字) 【解析】(1)要描繪小燈泡的伏安特性曲線,電壓與電流應(yīng)從零開始變化,滑動變阻器要采用分壓式接法,為便于操作應(yīng)用電阻較小的R1,由于小燈

10、泡的阻值較小,電流傳感器應(yīng)用外接法,電路圖如圖戊所示。戊己(2)由圖乙所示的U-I圖象可知,隨電壓與電流的增大,燈泡實際功率增大,燈絲溫度升高,電壓與電流的比值增大,燈絲電阻增大,由此可知,小燈泡燈絲電阻隨溫度升高而增大。(3)根據(jù)表中實驗數(shù)據(jù)作出等效電源的U-I圖象如圖己所示,由圖示圖象可知,電源內(nèi)阻r=UI-R0=60.6-9.0=1.0 。(4)由圖示圖象可知,兩圖線交點為燈泡實際工作狀態(tài)點,燈泡兩端電壓為2.1 V,電流為0.39 A,燈泡的電功率P=UI=2.1×0.39 W0.82 W。【答案】(1)電路圖如圖戊所示(2)增大(3)如圖己所示1.0(4)0.82【典例3】

11、某同學(xué)通過實驗制作一個簡易的溫控裝置,實驗原理電路圖如圖甲所示,繼電器與熱敏電阻RT、滑動變阻器R串聯(lián)接在電源E兩端,當繼電器的電流超過15 mA時,銜鐵被吸合,加熱器停止加熱,實現(xiàn)溫控。繼電器的電阻約20 ,熱敏電阻的阻值RT與溫度t的關(guān)系如下表所示。甲t/ 30.040.050.060.070.080.0RT/199.5145.4108.181.862.949.1(1)提供的實驗器材有:電源E1(3 V,內(nèi)阻不計)、電源E2 (6 V,內(nèi)阻不計)、滑動變阻器R1(0200 )、滑動變阻器R2(0500 )、熱敏電阻RT、繼電器、電阻箱(0999.9 )、開關(guān)S、導(dǎo)線若干。為使該裝置實現(xiàn)對3

12、0 80 之間任一溫度的控制,電源E應(yīng)選用(選填“E1”或“E2”),滑動變阻器R應(yīng)選用(選填“R1”或“R2”)。 (2)實驗發(fā)現(xiàn)電路不工作。某同學(xué)為排查電路故障,用多用電表測量各接點間的電壓,則應(yīng)將如圖乙所示的選擇開關(guān)旋至(選填“A”“B”“C”或“D”)。 乙(3)合上開關(guān)S,用調(diào)節(jié)好的多用電表進行排查。在圖甲中,若只有b、c間斷路,則應(yīng)發(fā)現(xiàn)表筆接入a、b時指針(選填“偏轉(zhuǎn)”或“不偏轉(zhuǎn)”),接入a、c時指針。(選填“偏轉(zhuǎn)”或“不偏轉(zhuǎn)”) (4)排除故障后,欲使銜鐵在熱敏電阻為50 時被吸合,下列操作步驟的正確順序是(填寫各步驟前的序號)。 將熱敏電

13、阻接入電路觀察到繼電器的銜鐵被吸合斷開開關(guān),將電阻箱從電路中移除合上開關(guān),調(diào)節(jié)滑動變阻器的阻值斷開開關(guān),用電阻箱替換熱敏電阻,將阻值調(diào)至108.1 【解析】 (1)由于繼電器的電流超過15 mA時,銜鐵才能被吸合,當電源E取E1=3 V時,由閉合電路歐姆定律得I1=E1R總=15 mA=0.015 A即R總=E1I1=30.015 =200 而在30 時,熱敏電阻的阻值為199.5 ,再加上繼電器的電阻20 ,總電阻為219.5 ,已超過200 ,則無法使溫度控制在30 ,故E1=3 V不能選擇,只能選擇E2,E2=6 V,由閉合電路歐姆定律得I2=E2R總'=0.015 A則R總&#

14、39;=400 此時若要使溫度能控制在80 ,熱敏電阻RT與繼電器的總電阻為49.1 +20 =69.1 <400 ,為使銜鐵不至于在低于80 時被吸合,需串聯(lián)一個滑動變阻器,且最大阻值不能小于400 -69.1 =330.9 ,而R1最大阻值為200 ,不符合要求,故選R2。(2)要測直流電壓,選擇開關(guān)只能旋至C。(3)測a、b間電壓時,由于b、c間斷路,電路中電流為0,故a、b間電壓為0,因此多用電表指針不偏轉(zhuǎn);測a、c間電壓就相當于測電源兩極間電壓,因此多用電表指針將會偏轉(zhuǎn)。(4)在設(shè)計電路時為了方便,這里用電阻箱臨時代替熱敏電阻。查出50 時熱敏電阻的阻值,將電阻箱調(diào)至相同阻值,

15、斷開開關(guān),用電阻箱替換熱敏電阻,合上開關(guān),調(diào)節(jié)滑動變阻器,使銜鐵剛好被吸合。再斷開開關(guān),將電阻箱移除,換成熱敏電阻。因此其合理順序為?！敬鸢浮?1)E2R2(2)C(3)不偏轉(zhuǎn)偏轉(zhuǎn)(4)【針對訓(xùn)練3】某實驗小組利用如圖甲所示的電路探究在25 80 范圍內(nèi)某熱敏電阻的溫度特性。所用器材有:置于溫控室(圖中虛線區(qū)域)中的熱敏電阻RT,其標稱值(25 時的阻值)為900.0 ;電源E(6 V,內(nèi)阻可忽略);電壓表(量程150 mV);定值電阻R0(阻值20.0 ),滑動變阻器R1(最大阻值為1 000 );電阻箱R2(阻值范圍0999.9 );單刀開關(guān)S1,單刀雙擲開關(guān)S2。甲實驗時,先按圖甲連接好

16、電路,再將溫控室的溫度t升至80.0 。將S2與1端接通,閉合S1,調(diào)節(jié)R1的滑片位置,使電壓表讀數(shù)為某一值U0;保持R1的滑片位置不變,將R2置于最大值,將S2與2端接通,調(diào)節(jié)R2,使電壓表讀數(shù)仍為U0;斷開S1,記下此時R2的讀數(shù)。逐步降低溫控室的溫度t,得到相應(yīng)溫度下R2的阻值,直至溫度降到25.0 。實驗得到的R2-t數(shù)據(jù)見下表。t/25.030.040.050.060.070.080.0R2/900.0680.0500.0390.0320.0270.0240.0回答下列問題:(1)在閉合S1前,圖甲中R1的滑片應(yīng)移動到(填“a”或“b”)端。 (2)在圖乙的坐標紙上補齊數(shù)據(jù)

17、表中所給數(shù)據(jù)點,并作出R2-t曲線。乙丙 (3)由圖乙可得到RT在25 80 范圍內(nèi)的溫度特性。當t=44.0 時,可得RT=。 (4)將RT握于手心,手心溫度下R2的相應(yīng)讀數(shù)如圖丙所示,該讀數(shù)為,則手心溫度為。 【解析】(1)閉合開關(guān)S1前,應(yīng)讓滑片移動到b端,使滑動變阻器連入電路的阻值最大。(3)由圖丁可知t=44.0 時,電阻的阻值為450 。(4)由圖丙可得電阻箱阻值為620.0 ,由圖丁可得溫度約為33.0 ?！敬鸢浮?1)b (2)如圖丁所示丁 (3)450(4)620.033.0【典例4】現(xiàn)要組裝一個由熱敏電阻控制的報警系統(tǒng),要求當熱敏電阻的溫度達到或超過60

18、 時,系統(tǒng)報警。提供的器材有:熱敏電阻,報警器(內(nèi)阻很小,流過的電流超過Ig時就會報警),電阻箱(最大阻值為 999.9 ),直流電源(輸出電壓為U,內(nèi)阻不計),滑動變阻器R1(最大阻值為1000 ),滑動變阻器R2(最大阻值為 2000 ),單刀雙擲開關(guān)一個,導(dǎo)線若干。在室溫下對系統(tǒng)進行調(diào)節(jié),已知U約為18 V,Ic約為10 mA;流過報警器的電流超過 20 mA 時,報警器可能損壞;該熱敏電阻的阻值隨溫度的升高而減小,在60 時阻值為650.0 。(1)在圖甲中完成待調(diào)節(jié)的報警系統(tǒng)原理電路圖的連線。甲(2)在電路中應(yīng)選用滑動變阻器(選填“R1”或“R2”)。 (3)按照下列步驟調(diào)

19、節(jié)此報警系統(tǒng):電路接通前,需將電阻箱調(diào)到一固定的阻值,根據(jù)實驗要求,這一阻值為;滑動變阻器的滑片應(yīng)置于(選填“a”或“b”)端附近,不能置于另一端的原因是。 將開關(guān)向(選填“c”或“d”)端閉合,緩慢移動滑動變阻器的滑片,直至。 (4)保持滑動變阻器滑片的位置不變,將開關(guān)向另一端閉合,報警系統(tǒng)即可正常使用?！窘馕觥?1)由題意可以看出,在整個電路中,電阻箱和熱敏電阻并聯(lián),滑動變阻器應(yīng)在電阻箱阻值確定的情況下調(diào)節(jié)到某一特定位置,使報警器工作。電路圖如圖乙所示。乙(2)系統(tǒng)電阻R=1810×10-3 =1800 ,而熱敏電阻在60 時電阻只有650.0 ,要讓報警器工

20、作,還需要1150 的電阻,R1阻值太小,不符合要求,故選R2。(3)先用電阻箱調(diào)節(jié),要使報警器在60 時工作,必須把電阻箱的阻值調(diào)節(jié)到650.0 ,模擬出熱敏電阻在60 時的阻值,并調(diào)節(jié)滑動變阻器使其恰好報警?！敬鸢浮?1)如圖乙所示(2)R2(3)650.0b接通電源后,流過報警器的電流會超過20 mA,報警器可能損壞c報警器開始報警【針對訓(xùn)練4】某實驗小組探究一種熱敏電阻的溫度特性現(xiàn)有器材：直流恒流電源(在正常工作狀態(tài)下輸出的電流恒定)、電壓表、待測熱敏電阻、保溫容器、溫度計、開關(guān)和導(dǎo)線等(1)若用上述器材測量熱敏電阻的阻值隨溫度變化的特性，請你在實物上連線 (2)實驗的主要步驟：正確連

21、接電路，在保溫容器中注入適量冷水，接通電源，調(diào)節(jié)并記錄電源輸出的電流值；在保溫容器中添加少量熱水，待溫度穩(wěn)定后，閉合開關(guān)，_，_，斷開開關(guān)；重復(fù)第步操作若干次，測得多組數(shù)據(jù)(3)實驗小組算得該熱敏電阻在不同溫度下的阻值，并據(jù)此繪得圖所示的Rt關(guān)系圖線，請根據(jù)圖線寫出該熱敏電阻的Rt關(guān)系式：R_t()【答案】(1)如圖所示(2)讀取溫度計示數(shù)讀取電壓表示數(shù)(3)1000.4【解析】(3)由Rt圖線可知，當t110時，R1104，當t260時，R2124，Rt圖線的斜率為0.4/；將圖線延長，圖線過原點，說明t0時的電阻為100，故Rt關(guān)系式為R1000.4t ()【典例5】為了節(jié)能和環(huán)保，一些公

22、共場所使用光控開關(guān)控制照明系統(tǒng)光控開關(guān)可采用光敏電阻來控制，光敏電阻是阻值隨著光的照度而發(fā)生變化的元件(照度可以反映光的強弱，光越強照度越大，照度單位為lx)某光敏電阻RP在不同照度下的阻值如下表：照度(lx)0.20.40.60.81.01.2電阻(k)754028232018(1)根據(jù)表中數(shù)據(jù)，請在圖7甲所示的坐標系描繪出阻值隨照度變化的曲線，并說明阻值隨照度變化的特點(2)如圖乙所示，當1、2兩端所加電壓上升至2V時，控制開關(guān)自動啟動照明系統(tǒng)請利用下列器材設(shè)計一個簡單電路，給1、2兩端提供電壓，要求當天色漸暗照度降低至1.0lx時啟動照明系統(tǒng)，在虛線框內(nèi)完成電路原理圖(不考慮控制開關(guān)對所

23、設(shè)計電路的影響)提供的器材如下：光敏電阻RP(符號，阻值見上表)；直流電源E(電動勢3V，內(nèi)阻不計)；定值電阻：R110k，R220k，R340k(限選其中之一，并在圖中標出)；開關(guān)S及導(dǎo)線若干【答案】見解析【解析】(1)光敏電阻的阻值隨照度變化的曲線如圖(a)所示，光敏電阻的阻值隨照度的增大而減小(2)根據(jù)串聯(lián)電阻的正比分壓關(guān)系，E3V，當照度降低至1.0lx時，1、2兩端電壓升至2V，此時光敏電阻阻值RP20k，URP2V，串聯(lián)電阻分壓UR1V，由2，得R10k，故選定值電阻R1，電路原理圖如圖(b)所示【針對訓(xùn)練5】一臺臭氧發(fā)生器P的電阻為10k，當供電電壓等于24V時能正常工作，否則不

24、產(chǎn)生臭氧現(xiàn)要用這種臭氧發(fā)生器制成自動消毒裝置，要求它在有光照時能產(chǎn)生臭氧，在黑暗時不產(chǎn)生臭氧，擬用一個光敏電阻R1對它進行控制，R1的阻值在有光照時為100，黑暗時為1000，允許通過的最大電流為3mA；電源E的電動勢為36V，內(nèi)阻不計；另有一個滑動變阻器R2，阻值為0100，允許通過的最大電流為0.4A；還有一個開關(guān)S和導(dǎo)線若干臭氧發(fā)生器P和光敏電阻R1的符號如圖所示設(shè)計一個滿足上述要求的電路圖，圖中各元件要標上字母代號，其中滑動變阻器兩固定接線柱端分別標上字母A、B(電路圖畫在虛線框內(nèi))【答案】如圖所示【解析】因滑動變阻器最大阻值100遠小于臭氧發(fā)生器P的電阻10k，應(yīng)該采用滑動變阻器的分壓式接法，有光照時P能正常工作，無光照時P不工作【針對訓(xùn)練6】熱敏電阻是傳感器中經(jīng)常使用的元件，某學(xué)習(xí)小組要探究一熱敏電