实验十二　传感器的简单使用（解析版） 2021年高考物理必考实验专题突破

1 实验十二　传感器的简单使用（解析版） 1.实验原理 　　(1)传感器的作用 传感器能够将感受到的物理量(力、热、光、声等)转换成便于测量的量(一般是电学量)。 (2)传感器的工作过程 通过对某一物理量敏感的元件将感受到的信号按一定的规律转换成便于测量的信号。例如,光电传感器 是利用光敏电阻将光信号转换成电信号;热电传感器是利用热敏电阻或金属热电阻将温度信号转换成电信号。 转换后的信号经过电子电路的处理就可达到方便检测、自动控制、遥控等各种目的。 传感器工作的原理可用下图表示: 2.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、滑动变阻器、开 关、导线等。 3.实验步骤及数据处理 　　(1)研究热敏电阻的热敏特性 ①实验步骤 a.按图所示连接好电路,将热敏电阻绝缘处理。 b.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。 c.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出的热敏电阻 的阻值。 d.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 a.根据记录数据,把测量到的温度、电阻阻值填入下表中,分析热敏电阻的特性。2 次数 待测量 1 2 3 4 5 6 温度/℃ 电阻/Ω 　　b.在坐标系中,粗略画出热敏电阻的阻值随温度变化的图线。 c.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。 　　(2)研究光敏电阻的光敏特性 ①实验步骤 a.将光电传感器、多用电表、灯泡、滑动变阻器按图所示电路连接好,其中多用电表置于“×100”的 欧姆挡。 b.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。 c.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。 d.观察用手掌(或黑纸)遮光时电阻的阻值,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 阻值/Ω 　　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。3 4.注意事项 　　(1)在做热敏实验时,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。 (2)在做光敏实验时,如果效果不明显,可将电阻部分电路放入带盖的纸盒中,并通过盖上的小孔改变射 到光敏电阻上的光的多少。 (3)欧姆表每次换挡后都要重新进行欧姆调零。 【典例 1】如图所示,将多用电表的选择开关置于欧姆挡,再将电表的两支表笔分别与光敏电阻 RT 的两端相 连,这时表针恰好指在刻度盘的中央。若用不透光的黑纸将RT包裹起来,表针将向　　　　(选填“左”或“右”) 转动;若用手电筒光照射 RT,表针将向　　　　(选填“左”或“右”)转动。 【答案】左　右 【针对训练 1】热敏电阻是传感电路中常用的电子元件。现用伏安法测绘出热敏电阻分别在温度为 t1=45 ℃ 和温度为 t2=75 ℃时的伏安特性曲线,要求特性曲线尽可能完整。先用欧姆表粗测出常温下待测热敏电阻的 阻值大约为 5 Ω,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: A.电流表 ,量程为 0~0.6 A,内阻约为 2 Ω B.电流表 ,量程为 0~3 A,内阻约为 0.4 Ω C.电压表 ,量程为 0~15 V,内阻约为 50 kΩ D.电压表 ,量程为 0~3 V,内阻约为 10 kΩ E.滑动变阻器 R1(0~100 Ω) F.滑动变阻器 R2(0~20 Ω) G.电源 E(3 V、内阻可忽略) H.盛有热水的热水杯(图中未画出) I.开关、导线若干 (1)实验中应选用的电流表为　　　　(选填“ ”或“ ”),应选用的电压表为　　　　(选填“ ”或 “ ”),应选用的滑动变阻器为　　　　(选填“R1”或“R2”)。 (2)将实物图甲连线补充成完整的测量电路(实线代表导线),要求测量误差尽可能小。4 甲 (3)实验过程主要有如下操作步骤,顺序合理的是　　　　。(填写步骤前的字母) A.接通电路,调节滑动变阻器,多次记录电压表和电流表的示数 B.往保温杯中缓慢加入热水,并同步搅动均匀,直到温度稳定在 t1 C.往保温杯中缓慢加入一定量的冷水,将热敏电阻和温度计插入保温杯中 D.往保温杯中加入一些热水,待温度稳定在 t2 E.在同一个坐标系中绘出两个温度下热敏电阻的伏安特性曲线 【答案】(1) 　 　R2 (2)如图乙所示 乙 (3)CBADAE 【典例 2】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)如图甲所示,E 为直流电源,S 为开关,R 为滑动变阻器, 为电压表,在图中用笔画线代替导线连接实验电 路图。5 甲 (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)要求传感器输入端的电压从零开始调节,故滑动变阻器采用分压式接法。电路图如图乙所 示。 乙 (2)因为测得的输出电压和所放物体的质量成正比,故푈 푚=푈0 푚0 ,则待测物体的质量 m= 푈 푈0 m0。 【答案】(1)如图乙所示　(2) 푈 푈0 m0 【针对训练 2】实验室备有以下器材:电压传感器、电流传感器、滑动变阻器 R1(阻值变化范围为 0~20 Ω)、 滑动变阻器 R2(阻值变化范围为 0~1000 Ω)、电动势适当的电源、小灯泡(4 V　2 W)、开关、导线若干。 (1)要完整地描绘小灯泡的 U-I 曲线,请在图甲中画出实验电路图,并标出所用滑动变阻器的符号。 甲　　　　　　　　　　　　　　乙　　　　　　 (2)实验中描绘出的小灯泡 U-I 曲线如图乙所示,由图乙可知,小灯泡灯丝电阻随温度升高而　　　　。(选 填“增大”“减小”或“不变”) 6 (3)如果用上述器材测量所给电源的电动势和内阻,实验电路如图丙所示,图中 R0 是阻值为 9.0 Ω 的保护电 阻,实验中测得多组数据记录在下表中,试在同一坐标系中画出等效电源的 U-I 图象,由图象可求出电源自身 内阻约为　　　　Ω。 序号 1 2 3 4 5 6 U/V 4.00 3.40 2.80 2.00 1.50 0.80 I/A 0.20 0.25 0.33 0.40 0.46 0.52 丙　　　　　　　丁 (4)若将上述小灯泡直接与电源和保护电阻组成串联电路,如图丁所示,此时小灯泡消耗的电功率约为 　　　　 W。(结果保留 2 位有效数字) 【解析】(1)要描绘小灯泡的伏安特性曲线,电压与电流应从零开始变化,滑动变阻器要采用分压式接法, 为便于操作应用电阻较小的 R1,由于小灯泡的阻值较小,电流传感器应用外接法,电路图如图戊所示。 戊　　　　　　　　　　　　　　　己　　　　 (2)由图乙所示的 U-I 图象可知,随电压与电流的增大,灯泡实际功率增大,灯丝温度升高,电压与电流的 比值增大,灯丝电阻增大,由此可知,小灯泡灯丝电阻随温度升高而增大。 (3)根据表中实验数据作出等效电源的 U-I 图象如图己所示,由图示图象可知,电源内阻 r=Δ 푈 Δ 퐼 -R0= ( 6 0.6 - 9.0)Ω=1.0 Ω。 (4)由图示图象可知,两图线交点为灯泡实际工作状态点,灯泡两端电压为 2.1 V,电流为 0.39 A,灯泡的7 电功率 P=UI=2.1×0.39 W≈0.82 W。 【答案】(1)电路图如图戊所示　(2)增大　(3)如图己所示　1.0　(4)0.82 【典例 3】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。 甲 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”)。 乙 (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8 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)由于继电器的电流超过 15 mA 时,衔铁才能被吸合,当电源 E 取 E1=3 V 时,由闭合电路欧姆 定律得 I1= 퐸1 푅总 =15 mA=0.015 A 即 R 总=퐸1 퐼1 = 3 0.015 Ω=200 Ω 而在 30 ℃时,热敏电阻的阻值为 199.5 Ω,再加上继电器的电阻 20 Ω,总电阻为 219.5 Ω,已超过 200 Ω,则无法使温度控制在 30 ℃,故 E1=3 V 不能选择,只能选择 E2,E2=6 V,由闭合电路欧姆定律得 I2= 퐸2 푅总'=0.015 A 则 R 总'=400 Ω 此时若要使温度能控制在 80 ℃,热敏电阻RT 与继电器的总电阻为 49.1 Ω+20 Ω=69.1 Ω