实验12 传感器的简单使用（解析版）-高中物理.docx

1、更多资源关注微信公众号：学起而飞 实验十二实验十二传感器的简单使用（解析版）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

2、、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 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。 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。 更多资源关注微信公众号：学起而飞 次数 待测量 123456 温度

3、/ 电阻/ 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 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。 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

4、度弱中强无光照射 阻值/ 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。 4.注意事项 更多资源关注微信公众号：学起而飞 (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(

5、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 ,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 00.6 A,内阻约为 2 B.电流表,量程为 03 A,内阻约为 0.4 C.电压表,量程为 015 V,内阻约为 50 k D.电压表,量程为 03 V,内阻约为 10

6、 k E.滑动变阻器 R1(0100 ) F.滑动变阻器 R2(020 ) 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。 更多资源关注微信公众号：学起而飞 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

7、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

8、电压表,在图中用笔画线代替导线连接实验电路 图。 更多资源关注微信公众号：学起而飞 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? ?= ?0 ?0,则待测物体的质量 m= ? ?0m0。 【答案】(1)如图乙所示(2) ? ?0m0 【针对训练 2】实验室备有以下器材:电压传感器、电流传感

9、器、滑动变阻器 R1(阻值变化范围为 020 )、 滑动变阻器 R2(阻值变化范围为 01000 )、电动势适当的电源、小灯泡(4 V2 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”) (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 的保护电阻, 更多资源关注微信公众号：学起而飞 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

10、的 U-I 图象,由图象可求出电源自身内阻 约为。 序号123456 U/V4.003.402.802.001.500.80 I/A0.200.250.330.400.460.52 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

11、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=? ?-R0= 6 0.6-9.0 =1.0 。 (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 0.39A,灯泡的电功 率 P=UI=2.10.39 W0.82 W。 更多资源关注微信公众号：学起而飞 【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

12、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 ,热敏电阻的阻值 RT与温度 t 的关系如下表所示。 甲 t/ 30.040.050.060.070.080.0 RT/199.5145.4108.181.862.949.1 (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(0200 )、滑动变阻 器 R2(0500 )、热敏电阻 RT、继电器、电阻箱(0999.9 )、开关 S、

13、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

14、骤前 的序号)。 将热敏电阻接入电路 观察到继电器的衔铁被吸合 更多资源关注微信公众号：学起而飞 断开开关,将电阻箱从电路中移除 合上开关,调节滑动变阻器的阻值 断开开关,用电阻箱替换热敏电阻,将阻值调至 108.1 【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= ?1 ?总=15 mA=0.015A 即 R总=?1 ?1= 3 0.015 =200 而在 30 时,热敏电阻的阻值为 199.5 ,再加上继电器的电阻 20 ,总电阻为 219.5 ,已超过 200 ,则 无法使温度控制在 30 ,故 E1=

15、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= ?2 ?总=0.015A 则 R总=400 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 +20 =69.1 400 ,为使衔 铁不至于在低于 80 时被吸合,需串联一个滑动变阻器,且最大阻值不能小于 400 -69.1 =330.9 ,而 R1最 大阻值为 200 ,不符合要求,故选 R2。 (2)要测直流电压,选择开关只能旋至 C。 (3)测 a、b 间电压时,由于 b、c 间断路,电路中电流为 0,故 a、b 间电压为 0,因此多用电表指针不偏转;测 a、c 间电压就相当于测电源两

16、极间电压,因此多用电表指针将会偏转。 (4)在设计电路时为了方便,这里用电阻箱临时代替热敏电阻。查出 50 时热敏电阻的阻值,将电阻箱调 至相同阻值,断开开关,用电阻箱替换热敏电阻,合上开关,调节滑动变阻器,使衔铁刚好被吸合。再断开开关,将 电阻箱移除,换成热敏电阻。因此其合理顺序为。 【答案】(1)E2R2 (2)C (3)不偏转偏转 (4) 【针对训练 3】某实验小组利用如图甲所示的电路探究在 25 80 范围内某热敏电阻的温度特性。所用 器材有:置于温控室(图中虚线区域)中的热敏电阻 RT,其标称值(25 时的阻值)为 900.0 ;电源 E(6 V,内阻可 忽略);电压表(量程 150

17、 mV);定值电阻 R0(阻值 20.0 ),滑动变阻器 R1(最大阻值为 1 000 );电阻箱 R2(阻值 范围 0999.9 );单刀开关 S1,单刀双掷开关 S2。 更多资源关注微信公众号：学起而飞 甲 实验时,先按图甲连接好电路,再将温控室的温度 t 升至 80.0 。将 S2与 1 端接通,闭合 S1,调节 R1的滑片位 置,使电压表读数为某一值 U0;保持 R1的滑片位置不变,将 R2置于最大值,将 S2与 2 端接通,调节 R2,使电压表 读数仍为 U0;断开 S1,记下此时 R2的读数。 逐步降低温控室的温度 t,得到相应温度下 R2的阻值,直至温度降到 25.0 。实验得到

18、的 R2-t 数据见下表。 t/25.030.040.050.060.070.080.0 R2/900.0680.0500.0390.0320.0270.0240.0 回答下列问题: (1)在闭合 S1前,图甲中 R1的滑片应移动到(填“a”或“b”)端。 (2)在图乙的坐标纸上补齐数据表中所给数据点,并作出 R2-t 曲线。 乙 丙 (3)由图乙可得到 RT在 25 80 范围内的温度特性。当 t=44.0 时,可得 RT=。 (4)将 RT握于手心,手心温度下 R2的相应读数如图丙所示,该读数为,则手心温度为。 更多资源关注微信公众号：学起而飞 【解析】(1)闭合开关 S1前,应让滑片移动

19、到 b 端,使滑动变阻器连入电路的阻值最大。 (3)由图丁可知 t=44.0 时,电阻的阻值为 450 。 (4)由图丙可得电阻箱阻值为 620.0 ,由图丁可得温度约为 33.0 。 【答案】(1)b (2)如图丁所示 丁 (3)450(4)620.033.0 【典例 4】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 Ig时就会报警),电阻箱(最大阻值为 999.9 ),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 ),滑动变阻器 R2(最大阻值为 200

20、0 ),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的升高而减小,在 60 时阻值为 650.0 。 (1)在图甲中完成待调节的报警系统原理电路图的连线。 甲 (2)在电路中应选用滑动变阻器(选填“R1”或“R2”)。 (3)按照下列步骤调节此报警系统: 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;滑动变阻器的滑片应置 于(选填“a”或“b”)端附近,不能置于另一端的原因是。 将开关向(选填“c”或“d”)端闭合,缓慢移动滑动变阻器的滑片,直至

21、。 (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。 更多资源关注微信公众号：学起而飞 【解析】(1)由题意可以看出,在整个电路中,电阻箱和热敏电阻并联,滑动变阻器应在电阻箱阻值确定的 情况下调节到某一特定位置,使报警器工作。电路图如图乙所示。 乙 (2)系统电阻 R= 18 1010-3 =1800 ,而热敏电阻在 60 时电阻只有 650.0 ,要让报警器工作,还需要 1150 的电阻,R1阻值太小,不符合要求,故选 R2。 (3)先用电阻箱调节,要使报警器在 60 时工作,必须把电阻箱的阻值调节到 650.0 ,模拟出热敏电阻在 60 时的阻值,并调节滑动变阻器使其恰好报警。 【答案】(1)如图乙所示 (2)R2 (3)650.0b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 c报警器开始报警