【志鸿优化设计】高考物理第一轮复习 （梳理整合+探究突破+巩固提升）专题实验11 传感器的简单使用（含解析） 鲁科版.doc

实验11：传感器的简单使用一、实验目的1知道传感器的作用。2观察热敏电阻和光敏电阻的阻值是如何随热信号和光信号而变化的。二、传感器的工作原理1概念能够感受外界信息，并将其按照一定的规律转换成_的器件或装置，叫传感器。2组成一般由敏感元件、转换器件、转换电路三个部分组成。3原理通过对某一物理量敏感的元件，将感受到的物理量按一定规律转换成便于测量的量。例如，光电传感器利用_将光信号转换成电信号；热电传感器利用_将温度信号转换成电信号。4流程5传感器的分类（1）按输入量分类，如输入量分别为温度、压力、位移、速度、加速度等非电学量时，相应的传感器被称为_传感器、_传感器、_传感器、速度传感器、加速度传感器。（2）按传感器的工作原理分类，可分为电阻传感器、电容传感器、电感传感器、电压传感器、霍尔传感器、光电传感器、光栅传感器等。三、实验器材热敏电阻、光敏电阻、多用电表、烧杯、温度计、热水、光电计数器、强光源、学生电源、小灯泡、滑动变阻器、开关等。四、实验步骤1研究热敏电阻的热敏特性（1）将热敏电阻与欧姆表接成电路，如图所示。（2）把多用电表置于“欧姆挡”，并选择适当的量程测出烧杯中没有热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。（5）根据记录数据，把测量到的温度、电阻值填入下表中，分析热敏电阻的特性。（6）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象。（7）根据实验数据和rt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）将光电传感器、欧姆表、灯泡、滑动变阻器如图所示电路连接好，其中多用电表置于欧姆“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）遮光时电阻值又是多少？并记录。（5）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电阻/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光电计数器（1）连接光电计数器电路。（2）接通电路和光源，观察计数器的计数情况。五、传感器的应用1力传感器的应用电子秤（1）作用：称量物体重量。（2）敏感元件：应变片。应变片能够把物体形变这个力学量转换为_这个电学量。2声传感器的应用话筒（1）话筒的作用：把声信号转换为电信号。（2）话筒分类：电容式话筒；驻极体话筒；动圈式话筒。3温度传感器（1）敏感元件：热敏电阻和_；（2）应用：电熨斗、电饭锅、测温仪、温度报警器。4光传感器（1）敏感元件：光敏电阻、光电管、光电二极管、光电三极管等；（2）应用：鼠标、火灾报警器、光控开关。命题研究一、力电传感器【题例1】（2012山东枣庄模拟）某学生为了测量一物体的质量，找到一个力电转换器，该转换器的输出电压正比于受压面的压力（比例系数为k）。如图所示，测量时先调节输入端的电压，使转换器空载时的输出电压为0；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u。现有下列器材：力电转换器、质量为m0的砝码、电压表、滑动变阻器、干电池各一个，电键及导线若干，待测物体（可置于力电转换器的受压面上）。（1）设计一个电路，要求力电转换器的输入电压可调，并且使电压的调节范围尽可能大，画出完整的测量电路图。（2）简要说明测量步骤，求出比例系数k，并测出待测物体的质量m。解题要点：命题研究二、温度传感器【题例2】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，继电器的电阻为100 。当线圈的电流大于或等于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e9.0 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_（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_。解题要点：命题研究三、光电传感器【题例3】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）0.20.40.60.81.01.2电阻（k）754028232018（1）根据表中数据，请在下图给定的坐标系中描绘出阻值随照度变化的曲线，并说明阻值照度变化的特点。（2）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。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）提供的器材如下：光敏电阻（符号，阻值见上表）；直流电源e（电动势3 v，内阻不计）；定值电阻：r110 k，r220 k，r340 k（限选其中之一并在图中标出）开关s及导线若干。解题要点：命题研究四、电容式传感器电容器的电容c决定于极板的正对面积s、极板间距离l以及极板间的电介质这几个因素。如果某一物理量（如角度、位移、深度等）的变化能引起上述某个因素的变化，从而引起电容的变化，则通过测定电容器的电容就可以确定上述物理量的变化，这种传感器称为电容式传感器。（常见如图）【题例4】如图所示为一测定液面高低的传感器示意图，a为固定的导体芯，b为导体芯外面的一层绝缘物质，c为导电液体，把传感器接到图示电路中，已知灵敏电流表指针偏转方向与电流方向相同。如果发现指针正向右偏转，则导电液体的深度h变化为（）ah正在增大 bh正在减小ch不变 d无法确定解题要点：1如图所示，是一个测定液面高度的传感器，在导线芯的外面涂上一层绝缘物质，放在导电液体中，导线芯和导电液体构成电容器的两极，把这两极接入外电路，当外电路中的电流变化说明电容值增大时，则导电液体的深度h变化为（）ah增大 bh减小ch不变 d无法确定2如图所示的电路中，当半导体材料做成的热敏电阻浸泡在热水中时，电流表示数增大，则说明（）a热敏电阻在温度越高时，电阻越大b热敏电阻在温度越高时，电阻越小c半导体材料温度升高时，导电性能变差d半导体材料温度升高时，导电性能变好3（2012浙江嘉兴模拟）一台臭氧发生器p的电阻为10 k，当供电电压等于24 v时能正常工作，否则不产生臭氧。现要用这种臭氧发生器制成自动消毒装置，要求它在有光照时能产生臭氧，在黑暗时不产生臭氧，拟用一个光敏电阻r1对它进行控制，r1的阻值在有光照时为100 、黑暗时为1 000 、允许通过的最大电流为3 ma；电源e的电压为36 v、内阻不计；另有一个滑动变阻器r2，阻值为0 100 、允许通过的最大电流为0.4 a；一个开关s和导线若干。臭氧发生器p和光敏电阻r1的符号如图所示。设计一个满足上述要求的电路图，图中各元件要标上字母代号，其中滑动变阻器两固定接线柱端分别标上字母a、b（电路图画在方框内）。4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e9.0 v，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i12 ma时，当电流表的示数i23.6 ma时，热敏电阻的温度是_。甲乙交变电流与变压器问题分析从近三年的高考试题分布可以看出，高考对交变电流的考查多集中在变压器的原理及其应用、交变电流的有效值、交变电流的平均值以及远距离输电等知识的理解和应用上，题型多为选择题，主要是对本专题知识的单独考查。其中针对变压器的原理及应用的题目出现的频率非常高，如2012年福建理综第14题，2011课标全国理综第17题等；另外交流电最大值、瞬时值、平均值、有效值的计算和应用也是考查频率较高的知识点，如2012年北京理综第15题，2011年天津理综第4题等。预计在2014年的高考中对交流电的考查仍集中在上述知识点上，但是交变电流的有关知识与其他专题知识有很多的结合点，例如：电路结构分析、电路动态变化分析、电功、电功率的计算、带电粒子在交变电场中的运动、电磁感应及其能量守恒等等，所以今后的命题可能会在大型综合题中体现对交变电流的考查，考查本专题知识与其他知识的综合应用。另外远距离输电问题是交流电与生产、生活、实际结合比较密切的知识点，因此以实际应用为命题背景的联系实际题型也是一个命题趋势。本部分内容是电磁感应知识的应用和延伸，复习交变电流知识时，要注意交变电流的特点，如周期性、最大值、有效值等，复习重点是交变电流的变化规律（包括图象）和有效值等概念。对理想变压器和电能的输送，要理解变压器的工作原理，掌握输送电能过程中电能损失的计算方法和提高输电效率的方法。一、有关正弦交变电流图象的问题正弦交流电图象一般是it、et、t图象，每个图象上一个完整的正弦曲线的水平长度就是一个周期，根据可以求出，根据f可以求出频率，进而知道1 s中电流方向的改变次数为2f次。it、et图象峰值对应线圈平面位于与磁感线平行的位置，磁通量为零，磁通量变化率最大。it、et图象与横轴交点处，对应线圈位于中性面位置，磁通量最大，磁通量变化率为零。t图象峰值对应电流为零，t图象是正弦规律变化时，对应的it、et图象是余弦规律变化。感应电动势最大值emnbs。【例题1】一只矩形线圈在匀强磁场中绕垂直于磁感线的轴匀速转动，穿过线圈的磁通量随时间变化的图象如图甲所示，则下列说法正确的是（）at0时刻，线圈平面与中性面垂直bt0.01 s时刻，的变化率最大ct0.02 s时刻，交流电动势达到最大d该线圈产生的交流电动势的图象如图乙所示解题要点：二、正弦交变电流的“四值”问题（1）“四值”指的是：交变电流的峰值、瞬时值、有效值和平均值。（2）“四值”的应用在求解电容器的击穿电压时用峰值。在研究某一时刻通有交流电的导体受到的安培力时应采用瞬时值。瞬时值可由瞬时值表达式计算得出。求电功、电功率（平均功率除外）以及确定保险丝的熔断电流等物理量时，要用有效值计算。正弦交变电流的有效值与峰值间存在i的关系，其他交变电流只能根据交变电流有效值的定义依据电流的热效应来计算。求一段时间内通过导体横截面的电荷量时要用平均值，如qt。平均值的计算要用法拉第电磁感应定律n和闭合电路欧姆定律来计算。并且不同时间段内的平均值可能会不同。【例题2】（2012北京理综）一个小型电热器若接在输出电压为10 v的直流电源上，消耗电功率为p；若把它接在某个正弦交流电源上，其消耗的电功率为。如果电热器电阻不变，则此交流电源输出电压的最大值为（）a5 v b5v c10 v d10v解题要点：三、有关变压器的问题对于变压器各物理量间的关系，一般从三个方面分析，一是从电压与匝数的关系分析，二是从电流与匝数的关系分析（对一个副线圈有，对多个副线圈有i1n1i2n2i3n3），三是从功率分析（只有一个副线圈时，p1p2；有多个副线圈时，p1p2p3）。另外，要注意变压器的几个决定关系（u1决定u2、i2决定i1、p2决定p1）。对变压器动态问题，要注意把副线圈作为电源，与副线圈连接的电路作为外电路，采用分析动态电路问题的方法处理。【例题3】（2012福建理综）如图，理想变压器原线圈输入电压uumsin t，副线圈电路中r0为定值电阻，r是滑动变阻器。v1和v2是理想交流电压表，示数分别用u1和u2表示；a1和a2是理想交流电流表，示数分别用i1和i2表示。下列说法正确的是（）ai1和i2表示电流的瞬时值bu1和u2表示电压的最大值c滑片p向下滑动过程中，u2不变、i1变大d滑片p向下滑动过程中，u2变小、i1变小解题要点：参考答案基础梳理整合二、1电信号3光敏电阻热敏电阻5（1）温度压力位移五、1（2）电压3（1）金属热电阻考向探究突破【题例1】答案：见解析解析：本题是传感器的应用问题，考查实验与探究能力，完成简单的实验设计，力电转换器虽然是一个全新的仪器，但它与其他所有的测量仪器一样，要有一个“调零”的过程。仔细审题，题目中有很多重要的暗示，挖掘这些信息即是我们解决问题的关键。“测量时先调节输入端的电压，使转换器空载时的输出电压为0；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u”“该转换器的输出电压正比于受压面的压力（比例系数为k）”，所以输出电压ukmg。题目要求“力电转换器的输入电压可调，并且使电压的调节范围尽可能大”，这就暗示我们滑动变阻器必须使用分压式，有了设计电路才可以进行测量步骤。（1）设计电路如图所示。（2）测量步骤如下：调节滑动变阻器，使转换器的输出电压为零；将质量为m0的砝码放在转换器的受压面上，记下输出电压u0；将待测物体放在转换器的受压面上，记下输出电压u1；因为u0km0g、u1kmg，所以可求mm0u1/u0。【题例2】答案：（1）a、b端（2）260解析：恒温箱内的加热器应接在a、b端。当线圈中的电流较小时，继电器的衔铁在上方，恒温箱的加热器处于工作状态，恒温箱内温度升高。随着恒温箱内温度升高，热敏电阻r的阻值变小，则线圈中的电流变大，当线圈的电流大于或等于20 ma时，继电器的衔铁被吸到下方来，则恒温箱加热器与电源断开，加热器停止工作，恒温箱内温度降低。随着恒温箱内温度降低，热敏电阻r的阻值变大，则线圈中的电流变小，当线圈的电流小于20 ma时，继电器的衔铁又被释放到上方，则恒温箱加热器又开始工作，这样就可以使恒温箱内保持在某一温度。要使恒温箱内的温度保持在50 ，即50 时线圈内的电流为20 ma。由闭合电路欧姆定律i，r为继电器的电阻。由题图甲可知，50 时热敏电阻的阻值为90 ，所以r（rr）260 。【题例3】答案：见解析解析：（1）光敏电阻的阻值随光照变化的曲线如图所示。特点：光敏电阻的阻值随光照强度的增大非线性减小。（2）根据串联电阻的正比分压关系，e3 v，当照度降低至1.0 lx时，其电压升至2 v，由图线知，此时光敏电阻rp20 k，2 v，串联电阻分压ur1 v，由得：r10 k。故选定值电阻r1，电路原理图如图所示。【题例4】b解析：由电源极性及电流方向可知，a、b构成的电容器上的电荷量减小，据c，电容c在减小，可知正对面积s减小，即h在减小。演练巩固提升1a解