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2021高考物理一轮复习 第11章 交变电流 传感器 实验十二：传感器的简单使用教案

2021高考物理一轮复习 第11章 交变电流 传感器 实验十二：传感器的简单使用教案

年级：
姓名：

10

实验十二：　传感器的简单使用

一、研究热敏电阻的热敏特性

二、研究光敏电阻的光敏特性

◎ 注意事项
1．在做热敏实验时，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。
3．欧姆表每次换挡后都要重新欧姆调零。

考点一　教材原型实验
　热敏电阻传感器
某同学尝试把一个灵敏电流表改装成温度表，他所选用的器材有：
灵敏电流表(待改装)，学生电源(电动势为E，内阻不计)，滑动变阻器，单刀双掷开关，导线若干，导热性能良好的防水材料，标准温度计，PTC热敏电阻Rt(PTC线性热敏电阻的阻值与摄氏温度t的关系为Rt＝a＋kt，a>0，k>0)。
设计电路图如图所示，并按如下步骤进行操作。

(1)按电路图连接好实验器材。
(2)将滑动变阻器滑片P滑到 ________(填“a”或“b)端，单刀双掷开关S掷于________(填“c”或“d”)端，调节滑片P使电流表________，并在以后的操作中保持滑片P位置不动，设此时电路总电阻为R，断开电路。
(3)容器中倒入适量开水，观察标准温度计，每当标准温度计示数下降5 ℃，就将开关S置于d端，并记录此时的温度t和对应的电流表的示数I，然后断开开关。请根据温度表的设计原理和电路图，写出电流与温度的关系式I＝________(用题目中给定的符号表示)。
(4)根据对应温度记录的电流表示数，重新刻制电流表的表盘，改装成温度表。根据改装原理，此温度表表盘刻度线的特点是：低温刻度在________(填“左”或“右”)侧，刻度线分布是否均匀？________(填“是”或“否”)。
解析：　(2)分析电路可知滑动变阻器为限流式接法，所以闭合开关前，使它的阻值处于最大值状态，即将滑片P滑到a端。为了设计表盘刻度，应使开关掷于c处，调节滑片，使电流表满偏。
(3)把开关置于d端，根据闭合电路欧姆定律得I＝，又Rt＝a＋kt，联立得出电流与温度的关系式为I＝。
(4)因为Rt＝a＋kt(且a>0，k>0)，所以温度越低，电阻越小，回路中I越大，所以低温度刻度在右侧，由(3)中关系式可知电流与温度不是线性关系，所以刻度线分布不均匀。
答案：　(1)a　c　满偏　(3)　(4)右　否
　光敏电阻传感器
(2020·郑州模拟)电控调光玻璃能根据光照强度自动调节玻璃的透明度，将光敏电阻Rx和定值电阻R0接在9 V的电源上，光敏电阻阻值随光强变化关系如表所示：
光强E/cd
1
2
3
4
5
电阻值/Ω
18
9
6

3.6
[“光强”表示光强弱程度的物理量，符号为E，单位坎德拉(cd)]
(1)当光照强度为4坎德拉(cd)时光敏电阻Rx的大小为________Ω。
(2)其原理是光照增强，光敏电阻Rx阻值变小，施加于玻璃两端的电压降低，玻璃透明度下降，反之则玻璃透明度上升。若电源电压不变，R0是定值电阻，则下列电路图中符合要求的是________(填序号)。

解析：　(1)由表格数据可知，光敏电阻Rx与光强E的乘积均为18 Ω·cd不变，则当E＝4 cd时，光敏电阻的阻值：Rx＝＝4.5 Ω。
(2)由题意可知，光敏电阻Rx与定值电阻R0串联连接，光照增强时，光敏电阻Rx阻值减小，电路中的总电阻减小，由I＝可知，电路中的电流增大，由U＝IR可知，R0两端的电压增大，因串联电路中总电压等于各分电压之和，所以Rx两端的电压减小，反之，光照减弱时，光敏电阻Rx阻值增大，R0两端的电压减小，Rx两端的电压增大，则玻璃并联在R0两端时不符合，玻璃并联在Rx两端时符合，故A项错误，C项正确；若玻璃与电源并联，光照变化时，玻璃两端的电压不变，故B、D项错误。
答案：　(1)4.5　(2)C
[变式1]　

[2016·北京理综·21(1)]热敏电阻常用于温度控制或过热保护装置中。图为某种热敏电阻和金属热电阻的阻值R随温度t变化的示意图．由图可知，这种热敏电阻在温度上升时导电能力________(填“增强”或“减弱”)；相对金属热电阻而言，热敏电阻对温度变化的响应更________(填“敏感”或“不敏感”)。
解析：　随着温度的升高，热敏电阻的阻值减小，导电能力增强，由R ­t图象可知，相比金属热电阻，这种热敏电阻对温度变化的响应更敏感。
答案：　增强　敏感
[变式2]　(多选)利用光敏电阻制作的光传感器，记录了传送带上工件的输送情况，如图甲所示为某工厂成品包装车间的光传感记录器，光传感器B能接收到发光元件A发出的光，每当工件挡住A发出的光时，光传感器就输出一个电信号，并在屏幕上显示出电信号与时间的关系，如图乙所示。若传送带始终匀速运动，每两个工件间的距离为0.2 m，则下列说法正确的是(　　)

A．传送带运动的速度是0.1 m/s
B．传送带运动的速度是0.2 m/s
C．该传送带每小时输送3 600个工件
D．该传送带每小时输送7 200个工件
BC　[从乙图可以知道：每间隔1秒的时间光传感器就输出一个电信号，而在这一段时间内传送带运动了两个工件之间的距离，所以传送带运动的速度是v＝ m/s＝0.2 m/s，选项A错误，B正确；传送带每小时传送的距离为x＝vt＝0.2×3 600 m，工件个数为n＝＝3 600个，选项C正确，D错误。]
考点二　实验拓展与创新
(2017·江苏卷·11)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甲所示，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”)。

(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，则应将如图乙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。在图甲中，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
(2016·全国卷Ⅰ·23)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。

(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
[变式3]　(2020·河南洛阳联考)(多选)指纹传感器为在一块半导体基板上阵列了10万金属颗粒，每一颗粒充当电容器的一极，外表面绝缘，手指在其上构成电容器的另外一极。当手指的指纹一面与绝缘表面接触时，由于指纹深浅不同，对应的峪(本义：山谷)和嵴(本义：山脊)与半导体基板上的金属颗粒间形成一个个电容值不同的电容器，若金属颗粒与手指间组成的每个电容器电压保持不变，则(　　)

A．指纹的嵴处与半导体上对应的金属颗粒距离近，电容小
B．指纹的峪处与半导体上对应的金属颗粒距离远，电容小
C．在手指挤压绝缘表面时，电容电极间的距离减小，金属颗粒电极电荷量增加
D．在手指挤压绝缘表面时，电容电极间的距离减小，金属颗粒电极电荷量减少
BC　[本题考查指纹传感器及其相关知识点。指纹的嵴处与半导体基板上对应的金属颗粒距离近，根据电容的决定式C＝得知，电容大，A错误；指纹的峪处与半导体基板上对应的金属颗粒距离远，根据电容的决定式C＝得知，电容小，B正确；在手指挤压绝缘表面时，手指与对应的金属颗粒距离减小，电容增大，而电压一定，则由Q＝CU可知，各金属颗粒电极电荷量增加，C正确，D错误。]
[变式4]　(2020·衡水模拟)某兴趣小组为了研制一台“电子秤”，找到一个力电转换传感器，该传感器的输出电压正比于受压面的正压力，实验操作时，先调节传感器输入端的电压(要求从零开始调节)，使力电转换传感器在空载时的输出电压为零，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。
(1)如图所示，E为直流电源，S为开关；R为滑动变阻器；V为电压表，在图中用笔画线代替导线连接成实验电路图。
(2)若将质量为m0的砝码放在力电转换传感器的受压面上，电压表的示数为U0；然后取下砝码，再将待测质量为m的物体放在力电转换传感器的受压面上，电压表的示数为U，则待测物体的质量m＝________。

解析：　(1)要求力电转换传感器的输入电压可调，并且可使电压的调节范围尽可能大，所以滑动变阻器采用分压式接法，如图所示。

(2)由以上测量的原理可知，U0＝km0g，U＝kmg
得：m＝·m0
答案：　(1)见解析图　(2)·m0