【物理】2018届一轮复习鲁科版第十一章实验十二传感器的简单使用学案 10页

实验十二　传感器的简单使用 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)按图1连接好电路，将热敏电阻绝缘处理；‎ 图1‎ ‎(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2坐标系中，粗略画出热敏电阻的阻值随温度变化的图线．‎ 图2‎ ‎5．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热敏电阻阻值，以使电阻温度与水的温度相同，并同时读出水温．‎ 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、滑动变阻器如图3所示电路连接好，其中多用电表置于“×100”挡；‎ 图3‎ ‎(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进行欧姆调零.‎ 命题点一　教材原型实验 例1　热电传感器利用了热敏电阻对温度变化响应很敏感的特性．某学习小组的同学拟探究某种类型的热敏电阻的阻值如何随温度变化．从室温升到80 ℃时，所提供的热敏电阻Rt的阻值变化范围可能是由5 Ω变到1 Ω或由5 Ω变到45 Ω.除热敏电阻外，可供选用的器材如下：‎ 温度计，测温范围－10～100 ℃；‎ 电流表A1，量程3 A，内阻rA＝0.1 Ω；‎ 电流表A2，量程0.6 A，内阻约为0.2 Ω；‎ 电压表V1，量程6 V，内阻rV＝1.5 kΩ；‎ 电压表V2，量程3 V，内阻约为1 kΩ；‎ 标准电阻，阻值R1＝100 Ω；‎ 滑动变阻器R2，阻值范围0～5 Ω；‎ 电源E，电动势3 V，内阻不计；‎ 开关及导线若干．‎ ‎(1)甲同学利用如图4所示的电路测量室温下热敏电阻的阻值．要使测量效果最好，应选下列________组器材．‎ 图4‎ A．A1和V1　　B．A2和V2　　C．A1和V2‎ ‎(2)在测量过程中，随着倒入烧杯中的开水增多，热敏电阻的温度升高到80 ℃时，甲同学发现电流表、电压表的示数几乎都不随滑动变阻器R2的阻值的变化而改变(电路保持安全完好)，这说明热敏电阻的阻值随温度升高而________．(选填“增大”或“减小”)‎ ‎(3)学习小组的同学根据甲同学的实验，建议他在测量较高温度热敏电阻的阻值时重新设计电路，更换器材．请你在如图5所示的虚线框内完成测量温度80 ℃时热敏电阻阻值的实验电路图．‎ 图5‎ 答案　(1)B　(2)增大　(3)见解析图 解析　(1)电源的电动势为3 V，故电压表选V2，电阻为几十欧姆，故电流较小，故电流表选A2，故选B.‎ ‎(2)由题意知，调节滑动变阻器起不到改变电流的作用，说明待测电阻较大，故热敏电阻的阻值随温度的升高而增大．‎ ‎(3)因80 ℃时热敏电阻阻值较大，而滑动变阻器阻值较小，故滑动变阻器采用分压接法．‎ 又因电阻阻值较大，故电流表不能准确测量电流，故采用电压表V1与定值电阻R1并联后充当电流表来测量电流，故电路图如图所示 ‎1．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6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6‎ ‎(2)如图7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7‎ 提供的器材如下：光敏电阻RP(符号)；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．‎ 答案　见解析 解析　(1)光敏电阻的阻值随照度变化的曲线如图甲所示，阻值随照度变化的特点：光敏电阻的阻值随照度的增大呈非线性减小；(2)电源电动势为3 V，当光敏电阻阻值为20 kΩ时，其两端电压为2 V，则U＝·E，解得R1＝10 kΩ，实验电路如图乙所示．‎ ‎2．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 ℃(如图8甲所示)，则25 ℃的刻度应在20 ℃‎ 的刻度的______(填“左”或“右”)侧．‎ 图8‎ ‎(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．(请在图乙中作图)‎ 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 ℃的刻度应对应较大电流，故在20 ℃的刻度的右侧．‎ ‎(3)如图所示．‎ 命题点二　实验拓展创新 例2　(2016·全国Ⅰ卷·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)在图9中完成待调节的报警系统原理电路图的连线．‎ 图9‎ ‎(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；滑动变阻器的滑片位置于______(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．‎ 答案　(1)见解析图　(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 解析　(1)先用电阻箱替代热敏电阻，连接成闭合回路进行调试．电路图连接如图所示．‎ ‎(2)当电路中电流Ic＝10 mA时，根据闭合电路欧姆定律有Ic＝，解得R总＝1 800 Ω，此时热敏电阻的阻值为650 Ω，则滑动变阻器的阻值为1 150 Ω，所以滑动变阻器选R2.‎ ‎(3)①当热敏电阻阻值小于650 Ω时，报警器就会报警，用电阻箱替代热敏电阻进行调节，应把电阻箱的阻值调到650 Ω.若接通电源后电路中的电流过大(超过20 mA)，报警器就会损坏，电流越小越安全，所以为了电路安全，闭合开关前滑片应置于b端．‎ ‎②用电阻箱替代热敏电阻进行调试，应将开关向c端闭合，开关闭合后要减小电路中的电阻直至报警器报警．‎ ‎3．如图10所示装置可以用来测量硬弹簧(即劲度系数较大的弹簧)的劲度系数k.电源的电动势为E，内阻可忽略不计；滑动变阻器全长为L，重力加速度为g.为理想电压表．当木板上没有放重物时，滑动变阻器的触头位于图中a点，此时电压表示数为零．在木板上放置质量为m的重物，滑动变阻器的触头随木板一起下移．由电压表的示数U及其他给定条件，可计算出弹簧的劲度系数k.‎ 图10‎ ‎(1)写出m、U与k之间所满足的关系式．‎ ‎(2)已知E＝1.50 V，L＝12.0 cm，g取9.80 m/s2.测量结果如下表：‎ m/kg ‎1.00‎ ‎1.50‎ ‎3.00‎ ‎4.50‎ ‎6.00‎ ‎7.50‎ U/V ‎0.108‎ ‎0.154‎ ‎0.290‎ ‎0.446‎ ‎0.608‎ ‎0.740‎ ‎①在图11中给出的坐标纸上利用表中数据描出m－U直线．‎ 图11‎ ‎②m－U直线的斜率为________kg/V(结果保留三位有效数字)．‎ ‎③弹簧的劲度系数k＝________N/m(结果保留三位有效数字)．‎ 答案　(1)m＝U　(2)①见解析图　②10.0　③1.23×103‎ 解析　(1)设放置质量为m的重物时弹簧的压缩量为x，则有mg＝kx又U＝E 解得m＝U.‎ ‎(2)①用描点法作图，作出的图像如图所示．‎ ‎②选取(0,0)、(0.90,9)两点，‎ 则斜率为＝ kg/V＝10.0 kg/V.‎ ‎③因m＝U，故＝，‎ k＝·＝10.0×N/m≈1.23×103 N/m.‎ ‎4．某些固体材料受到外力后除了产生形变，其电阻率也要发生变化，这种由于外力的作用而使材料电阻率发生变化的现象称为“压阻效应”．现用如图12所示的电路研究某长薄板电阻Rx的压阻效应，已知Rx的阻值变化范围为几欧到几十欧，实验室中有下列器材：‎ 图12‎ A．电源E(3 V，内阻约为1 Ω)‎ B．电流表A1(0～0.6 A，内阻r1＝5 Ω)‎ C．电流表A2(0～0.6 A，内阻r2≈1 Ω)‎ D．开关S，定值电阻R0＝5 Ω ‎(1)为了比较准确地测量电阻Rx的阻值，请完成虚线框内电路图的设计．‎ ‎(2)在电阻Rx上加一个竖直向下的力F(设竖直向下为正方向)，闭合开关S，记下电表读数，A1的读数为I1，A2的读数为I2，得Rx＝________.(用字母表示)‎ ‎(3)改变力的大小，得到不同的Rx值，然后让力反向从下向上挤压电阻，并改变力的大小，得到不同的Rx值．最后绘成的图像如图13所示，除观察到电阻Rx的阻值随压力F的增大而均匀减小外，还可以得到的结论是________________________．当F竖直向下时，可得Fx与所受压力F的数值关系是Rx＝________.‎ 图13‎ 答案　(1)见解析图　(2) ‎(3)压力反向，阻值不变　17－2F 解析　(1)利用伏安法测量电阻阻值，但所给器材缺少电压表，可以用内阻已知的电流表A1代替，另一个电流表A2测量电流．如图所示．‎ ‎(2)电阻两端电压为Ux＝I1r1，流经的电流为Ix＝I2－I1，电阻Rx＝.‎ ‎(3)由图可知，图像是一次函数图线，即Rx＝kF＋b，k＝－＝－＝－2，b＝17，则有Rx＝17－2F；从图可知，由于图线对称，不管力F方向如何增加，Rx均线性减小．‎