【物理】2020届一轮复习人教版传感器的简单使用学案

【物理】2020届一轮复习人教版传感器的简单使用学案

第58讲　传感器的简单使用 考点一　光敏电阻 研究光敏电阻的光敏特性 ‎1．实验原理 闭合电路欧姆定律，用多用电表进行测量和观察。‎ ‎2．实验器材 光敏电阻、多用电表、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、电源按如图所示电路连接好，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光敏电阻阻值的情况，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光敏电阻阻值的情况，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照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。‎ ‎(2018·济南模拟)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表：‎ ‎(1)根据表中数据，请在给定的坐标系中描绘出阻值随照度变化的曲线。‎ ‎(2)光敏电阻的阻值随照度变化的特点是______________________。‎ ‎(3)如图所示，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。直流电源电动势E＝3 V，内阻不计；光敏电阻RP(符号，阻值见表格)；定值电阻R1＝10 kΩ。求当天色渐暗照度降低至________lx时启动照明系统。并将电路图补充完整。(不考虑控制开关对所设计电路的影响)‎ 解析　(1)根据表中实验数据在坐标系内描出对应点，然后根据描出的点作出图象，图象如图所示。‎ ‎(2)由第(1)问答图可以看出，光敏电阻的阻值随照度变化的特点是：光敏电阻的阻值随照度的增大非线性减小。‎ ‎(3)由题意，天色越暗，光敏电阻阻值越大，1、2两端电压越大，故1、2两端之间接光敏电阻，电路图如图所示。当光敏电阻两端电压为2 V时，定值电阻两端电压为1 V，由串联电路的分压特点得：‎ ＝＝，则RP＝2R1＝2×10 kΩ＝20 kΩ。‎ 由表格中的数据可知，当天色渐暗照度降低至1.0 lx时光敏电阻阻值为20 kΩ，两端电压为2 V，会启动照明系统。‎ 答案　(1)图见解析 ‎(2)光敏电阻的阻值随照度的增大非线性减小 ‎(3)1.0　电路图见解析 方法感悟 在设计光控电路时，光敏电阻是其中最核心的元件。‎ ‎　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”是表示光强弱程度的物理量，符号为E，单位为坎德拉(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)。‎ ‎(3)现已知定值电阻R0为12 Ω，用电压表测得光敏电阻两端的电压为3 V，则此时光照强度为________cd。‎ 答案　(1)4.5　(2)C　　(3)3‎ 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错误，C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错误。‎ ‎(3)当R0＝12 Ω，光敏电阻两端的电压Ux＝3 V时，因串联电路中总电压等于各分电压之和，R0两端的电压：U0＝U－Ux＝9 V－3 V＝6 V，因串联电路中各处的电流相等，所以电路中的电流I＝＝，即＝，解得：Rx′＝6 Ω，此时光照强度E′＝＝3 cd。‎ 考点二　热敏电阻和金属热电阻 ‎1．研究热敏电阻的热敏特性 ‎(1)实验原理 闭合电路欧姆定律，用多用电表进行测量和观察。‎ ‎(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；‎ ‎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R－t坐标系中，粗略画出热敏电阻的阻值随温度变化的图线，如图2所示。‎ ‎(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。‎ ‎2．金属热电阻 金属的电阻率随温度的升高而增大，用金属丝也可以制作温度传感器，称为热电阻。如图3所示为某金属导线的电阻—温度特性曲线。‎ ‎3．热敏电阻与金属热电阻的区别 ‎(2018·洛阳模拟)如图所示，图甲为热敏电阻的Rt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，继电器线圈的电阻为150 Ω。当线圈中的电流大于或等于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＝6 V，内阻可以不计。图中的“电源”是恒温箱加热器的电源。‎ ‎(1)应该把恒温箱内的加热器接在________(选填“A、B端”或“C、D端”)。‎ ‎(2)如果要使恒温箱内的温度保持‎100 ℃‎，可变电阻R′的值应调节为________ Ω。‎ ‎(3)为使恒温箱内的温度保持在更高的数值，可变电阻R′的值应________(选填“增大”或“减小”)。‎ 解析　(1)当温度较低的时候，热敏电阻的阻值较大，电路中的电流较小，此时继电器的衔铁与AB部分连接，此时是需要加热的，恒温箱内的加热器要工作，所以该把恒温箱内的加热器接在A、B端。‎ ‎(2)当温度达到‎100 ℃‎时，加热电路就要断开，此时继电器的衔铁要被吸合，即控制电路的电流要到达20 mA，根据闭合电路欧姆定律可得，I＝，其中R＝50 Ω，R0＝150 Ω，解得R′＝100 Ω。‎ ‎(3)由以上可知，为使恒温箱内的温度保持在更高的数值，则可变电阻R′的值应增大，会导致R电阻变小，从而实现目标。‎ 答案　(1)A、B端　(2)100　(3)增大 特别提醒 热敏电阻和金属热电阻都可以用来做温度传感器，但其阻值随温度变化的规律不同。‎ ‎(2016·全国卷Ⅰ)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1000 Ω)，滑动变阻器R2(最大阻值为2000 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。‎ 答案　(1)连线如图所示 ‎(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 解析　(1)见答案。‎ ‎(2)由R＝＝ Ω＝1800 Ω可知，滑动变阻器应选R2。‎ ‎(3)①电阻箱的电阻值应调为热敏电阻在‎60 ℃‎时的阻值，即650.0 Ω。滑动变阻器的滑片应置于b端，使开关接通后回路中电流最小，以保护报警器，即防止因电流过大而损坏报警器。‎ ‎②应将开关向c端闭合，然后缓慢移动滑动变阻器的滑片，直至报警器开始报警。‎ 考点三　其他传感器 ‎1．传感器的工作原理 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)。‎ 除常用的热敏电阻、光敏电阻外，传感器还有好多种类，比如霍尔元件可以将磁信号转换成电信号；压力传感器可以将压力信号转换成电信号等。‎ 其工作过程如图：‎ ‎2．传感器的工作步骤 ‎(1)信息采集。‎ ‎(2)信息加工、放大、传输。‎ ‎(3)利用所获得的信息执行某种操作。‎ ‎3．传感器的应用 ‎(1)力传感器的应用——电子秤。‎ ‎(2)温度传感器的应用——电熨斗、电饭锅。‎ ‎(3)光传感器的应用——火灾报警器。‎ ‎(2018·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)图见解析　(2)m0‎ 方法感悟 ‎(1)不论什么传感器，都是将有关信号先转换成电信号，然后经放大后再进入显示器或控制执行机构执行命令。‎ ‎(2)有关传感器的题目往往同电路问题联系密切，解题时经常用到欧姆定律。‎ ‎“用霍尔元件测量磁场”的实验中，把载流子为带负电的电子e的霍尔元件接入电路，如图甲所示，电流为I，方向向右，长方体霍尔元件长、宽、高分别为a＝‎6.00 mm、b＝‎5.00 mm、c＝‎0.20 mm，处于竖直向上的恒定匀强磁场中。‎ ‎(1)前后极板M、N，电势较高的是________(选填“M极”或“N极”)。‎ ‎(2)某同学在实验时，改变电流的大小，记录了不同电流下对应的UH值，如表所示：‎ 请根据表格中的数据，在坐标乙中画出UHI图象。‎ 已知该霍尔元件单位体积中自由载流子个数为n＝6.25×‎1019 m－3，则根据图象，由公式I＝nebcv，可算出磁场B＝________ T(保留两位有效数字)。‎ ‎(3)有同学认为代表了霍尔元件的电阻，请问这种看法正确吗？请说明理由：_______________________。‎ 答案　(1)M极　(2)图象见解析图　0.016‎ ‎(3)不正确，电流I不是由UH产生的 解析　(1)因电子的运动方向与电流方向相反，依据左手定则，可知，电子受到的洛伦兹力方向偏向N极，那么M极的电势较高。‎ ‎(2)依据表格数据，作出UHI图象，如图所示：‎ 根据e＝eBv，则有：UH＝Bbv，而I＝nebcv，可得，UH＝I，而依据UHI图象，可知，其斜率为k≈7.8；‎ 因此磁场B＝7.8×6.25×1019×1.6×10－19×0.2×10－3 T＝0.016 T。‎ ‎(3)电流I不是由UH产生的，UH是外电压，那么代表了外电阻，而霍尔元件的电阻为内电阻，因此这种看法不正确。‎