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1、课标版课标版 物理物理第3讲实验：传感器的简单使用 实验目的实验目的 1.认识热敏电阻、光敏电阻等敏感元件的特性。2.了解传感器的简单应用。实验原理实验原理 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.传感器的工作过程教材研读教材研读 实验器材实验器材 热敏电阻、光敏电阻、多用电表、铁架台、烧杯、冷水、热水、小电珠、学生电源、光电计数器、滑动变阻器、开关、导线、光源等。实验步骤实验步骤 实验1研究热敏电阻的热敏特性(1)将热敏电阻与多用电表接成电路,如图所示。(2)把多用电表置于“欧姆”挡,并选择适当的倍率测出烧杯中没有热水时热敏电阻的
2、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。实验2研究光敏电阻的光敏特性(1)将光敏电阻、多用电表、小电珠、滑动变阻器、开关、学生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,让小电珠发光,调节小电珠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。(4)测出用手掌(或黑纸)遮光时电阻的阻值,并记录。数据处理数据处理 实验1研究热敏电阻的热敏特性(1)
3、根据记录数据,把测量到的温度、电阻值填入表中,分析热敏电阻的特性。次数待测量温度/电阻/(2)在如图所示坐标系中,粗略画出热敏电阻的阻值随温度变化的图像。(3)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。实验2研究光敏电阻的光敏特性(1)把记录的结果填入表中:光照强度弱中强无光照射阻值/(2)根据记录的数据分析光敏电阻的特性,得出结论:光敏电阻被光照射时其阻值发生变化,光照增强电阻变小,光照减弱电阻变大。注意事项1.在做热敏电阻实验时,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.在做光敏电阻实验时,如果效果不明显,
4、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照强度。3.欧姆表每次换挡后都要重新调零。考点一热敏电阻的原理及应用考点一热敏电阻的原理及应用典例典例1 1如图所示,一热敏电阻RT放在控温容器M内;为毫安表,量程6 mA,内阻为数十欧姆;E为直流电源,电动势约为3 V,内阻很小;R为电阻箱,最大阻值为999.9;S为开关。已知RT在95 时的阻值为150,在20 时的阻值约为550。现要求在降温过程中测量在9520 之间的多个温度下RT的阻值。(1)在图中画出连线,完成实验原理电路图。考点突破考点突破(2)完成下列实验步骤中的填空:a.依照实验原理电路图连线。b.调节控温
5、容器M内的温度,使得RT的温度为95。c.把电阻箱调到适当的阻值,以保证仪器安全。d.闭合开关,调节电阻箱,记录电流表的示数I0,并记录。e.将RT的温度降为T1(20 T195);调节电阻箱,使得电流表的读数,记录。f.温度为T1时热敏电阻的电阻值RT1=。g.逐步降低T1的数值,直至20 为止;在每一温度下重复步骤e、f。答案(1)实验原理电路图如图所示(2)d.电阻箱的读数R0e.仍为I0电阻箱的读数R1f.R0-R1+150解析(1)由于毫安表量程为6mA,电源电动势约为3V,为保证仪器安全,电阻箱应与热敏电阻串联。(2)本实验原理是当电路的电流相等时,外电路的总电阻相等,所以温度为9
6、5和T1时对应的电路的总电阻相等,有150+R0=RT1+R1,即RT1=R0-R1+150。1-1温度传感器广泛应用于室内空调、电冰箱等家用电器中,它是利用热敏电阻的阻值随温度变化的特性工作的。如图甲所示,电源的电动势E=9.0V,内电阻不计;G为灵敏电流计,内阻Rg保持不变;R为热敏电阻,其电阻值与温度的变化关系如图乙所示。闭合开关S,当R的温度等于20时,电流表示数I1=2mA;当电流表的示数I2=3.6mA时,热敏电阻的温度是。答案120解析从图乙查得t=20时,R的阻值为4k由E=I1(R+Rg)得:Rg=-R=k-4k=0.5k当I2=3.6mA时,设热敏电阻的阻值为R,则R=-R
7、g=k-0.5k=2k从图乙查得此时对应的温度t2=120。1-2一些材料的电阻随温度的升高而变化。如图甲是由某金属材料制成的电阻R随摄氏温度t变化的图像,若用该电阻与电池(电动势E=1.5V,内阻不计)、电流表(量程为5mA,内阻不计)、电阻箱R串联起来,连接成如图乙所示的电路,用该电阻做测温探头,把电流表的电流刻度改为相应的温度刻度,就得到了一个简单的“金属电阻温度计”。(1)电流刻度较大处对应的温度刻度;(选填“较大”或“较小”)(2)若电阻箱阻值R=150,当电流为5mA时对应的温度数值为。答案(1)较小(2)50解析(1)由题图甲可知,温度升高,电阻阻值增大,则电路中电流减小,因此电
8、流刻度较大处对应的温度刻度较小。(2)电流为5mA时,电路总电阻为R总=300,又电阻箱阻值R=150,则R=150,由题图甲得对应的温度为50。1-3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(如图甲所示),则25刻度应在20刻度的(填“左”或“右”)侧。(
9、3)将该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。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,故电路中电流会变小。(2)由(1)的分析知,温度越高,电流越大,25刻度应对应较大电流,故在20刻度的右侧。(3)电路如图所示。考点二光敏电阻的原理及应用考点二光敏电阻的原理及应用典例典例2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
10、:照度(lx)0.20.40.60.81.01.2电阻(k)754028232018(1)根据表中数据,请在如图甲所示的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。图甲图乙(2)如图乙所示,当1、2两端所加电压上升至2V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1.0lx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)提供的器材如下:光敏电阻RP(符号,阻值见上表);直流电源E(电动势3V,内阻不计);定值电阻:R1=10k,R2=20k,R3=40k(限选其中之一并在图中标出)
11、;开关S及导线若干。答案见解析解析(1)描绘图像应注意:图线应用平滑曲线,而不能画成折线。光敏电阻的阻值随照度变化的曲线如图甲所示,由图可知电阻的阻值随光照度的增大而减小。(2)当照度降低至1.0lx时,由图线知,此时光敏电阻RP=20k,=2V,则UR=E-=1V,由=,得R=10k,故选定值电阻R1,电路原理图如图所示。2-1(多选)如图所示,R1、R2为定值电阻,L为小灯泡,R3为光敏电阻,当入射光强度增大时()A.电压表的示数增大B.R2中电流减小C.小灯泡的功率增大D.电路的路端电压增大答案ABC当入射光强度增大时,R3阻值减小,外电路总电阻随R3的减小而减小,干路电流增大,R1两端
12、电压因干路电流增大而增大,电压表的示数增大,同时内电压增大,故电路路端电压减小,A项正确,D项错误;由路端电压减小,R1两端电压增大知,R2两端电压必减小,则R2中电流减小,故B项正确;结合干路电流增大知流过小灯泡的电流必增大,则小灯泡的功率增大,故C项正确。2-2(多选)利用光敏电阻制作的光传感器,记录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0.2m,则下述说法正确的是()A.传送带运动
13、的速度是0.1m/sB.传送带运动的速度是0.2m/sC.该传送带每小时输送3600个工件D.该传送带每小时输送7200个工件答案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相邻工件之间的距离,所以传送带运动的速度是v=m/s=0.2m/s,故A错误、B正确;传送带每小时传送的距离为:s=vt=0.23600m=720m,输送工件个数为:n=3600(个),C正确、D错误。典例典例3传感器是把非电学量(如速度、温度、压力等)的变化转换成电学量的变化的一种元件,在自动控制中有着相当广泛的应用。有一种测量人的体重的电子秤,其测量部分的原理图如图虚线
14、框中所示,它主要由压力传感器R(电阻值会随所受压力大小发生变化的可变电阻),显示体重大小的仪表A(实质是理想的电流表)组成。压力传感器表面能承受的最大压强为1107Pa,且已知压力传感器R的电阻与所受压力的关系如表所示。设踏板和压杆的质量可以忽略不计,接通电源后,压力传感器两端的电压恒为4.8V,取g=10m/s2。请回答:考点三传感器在日常生活中的应用考点三传感器在日常生活中的应用(1)该秤零起点(即踏板空载时)的刻线应标在电流表刻度盘A处。(2)如果某人站在该秤的踏板上,电流表刻度盘的示数为20mA,这个人的质量是kg。答案(1)1.610-2(2)50解析(1)由表知,踏板空载时,压力传
15、感器的电阻R=300,此时电流表中电流I=A=1.610-2A。(2)当电流I=20mA=2010-3A时,压力传感器的电阻R=240,对应表格中F=500N,所以这个人的质量为50kg。压力F/N0250500750100012501500电阻R/3002702402101801501203-1如图所示,图甲为热敏电阻的R-t图像,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,继电器的电阻为100。当线圈的电流大于或等于20mA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=9.0V,内阻不计。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(填“A、B端”或“C、D端”)。(2)如果要使恒温箱内的温度保持在50,可变电阻R的阻值应调节为。答案(1)A、B端(2)260解析(1)恒温箱内的加热器应接在A、B端。当线圈中的电流较小时,继