2020新亮剑高考物理总复习讲义：第十一单元 交变电流 传感器 实验12 含解析.docx

教学资料范本2020新亮剑高考物理总复习讲义：第十一单元 交变电流 传感器 实验12 含解析编 辑：_时 间：_传感器实验12传感器的简单应用见自学听讲P207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1.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.其工作过程如图所示。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、继电器、滑动变阻器、开关、导线等。实验过程1.研究热敏电阻的热敏特性(1)实验步骤a.按图示连接好实物,热敏电阻做绝缘处理。b.将多用电表置于“欧姆”挡,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。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量的热敏电阻的阻值。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、电阻值填入表中,分析热敏电阻的特性。次数待测量温度/电阻/b.在图示坐标系中,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.将光敏电阻、多用电表、灯泡、滑动变阻器按图示的电路连接好,其中多用电表置于欧姆“100”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.接通电源,让小灯泡发光,调节滑动变阻器使小灯泡逐渐变亮,观察表盘指针显示电阻阻值的情况,并记录。d.用手掌(或黑纸)遮住光,观察光敏电阻的阻值并记录。(2)数据处理把记录的结果填入表中,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/结论:光敏电阻被光照射时阻值发生变化,光照增强电阻变小,光照减弱电阻变大。(20xx武汉武钢三中测试)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 ),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20xx ),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)完成待调节的报警系统原理电路图的连线。甲(2)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。(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。解析 (1)电路如图乙所示。(2)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,可知外电阻的取值范围是 =900 R =1800 报警器报警时热敏电阻的阻值是650.0 ,所以滑动变阻器阻值的取值范围为250 1150 ,所以滑动变阻器应该选R2。(3)用电阻箱代替报警器工作时的热敏电阻,阻值应为650.0 ,滑动变阻器刚开始应置于b端,若置于另一端,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;实验调试时,将开关置于c端,缓慢调节滑动变阻器,直至报警器开始报警。答案(1)连线如图乙所示乙(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报警器开始报警见自学听讲P209一光敏电阻的原理及应用1.特点:光照越强,电阻越小。2.作用:把光照强弱这个光学量转换为电阻这个电学量。例1(多选)图示为光敏电阻自动计数器的示意图,其中A是发光仪器,B是传送带上的物品,R1为光敏电阻,R2为定值电阻,此光电计数器的基本工作原理是()。A.当有光照射R1时,信号处理系统获得高电压B.当有光照射R1时,信号处理系统获得低电压C.信号处理系统每获得一次低电压就计数一次D.信号处理系统每获得一次高电压就计数一次解析光敏电阻自动计数器原理图如题图所示,当传送带上没有物品挡住由A射出的光信号时,光敏电阻的阻值变小,由分压规律可知供给信号处理系统的电压变低;当传送带上有物品挡住由A射出的光信号时,光敏电阻的阻值变大,供给信号系统的电压变高并计数一次。这种高低交替变化的信号经过信号处理系统的处理,就会自动将其转化为相应的数字,实现自动计数的功能。答案BD变式1(多选)图甲中电流表、电压表均为理想交流电表,R是光敏电阻(其阻值随光照强度的增大而减小)。原线圈接入图乙所示的正弦交流电压u,理想变压器原、副线圈匝数比为101。下列说法正确的是()。A.电压u的频率为100 HzB.电压表的示数为22 VC.照射R的光变强时,灯泡变暗D.照射R的光变强时,电流表的示数变大解析根据图乙,可知电压u的频率为50 Hz,A项错误;根据电压与匝数成正比可知,原线圈的电压的最大值为220 V,所以副线圈的电压的最大值为22 V,电压表的示数为电压的有效值,所以示数U=22 V,B项正确;照射R的光变强时,其阻值减小,副线圈中的电流I2增大,灯泡变亮,C项错误;副线圈中的电流I2增大,原线圈中的电流I1也增大,即电流表的示数变大,D项正确。答案BD二热敏电阻的原理及应用1.热敏电阻:用电阻随温度变化非常明显的半导体材料(如氧化锰)制成。按热敏电阻阻值随温度变化的规律,热敏电阻可分为正温度系数的热敏电阻和负温度系数的热敏电阻。正温度系数的热敏电阻随温度升高电阻增大;负温度系数的热敏电阻(如氧化锰热敏电阻)随温度升高电阻减小。2.金属热电阻:金属的电阻率随温度升高而增大,利用这一特性,金属丝也可以制作成温度传感器,称为热电阻。3.热敏电阻和金属热电阻都能够把温度这个热学量转换为电阻这个电学量。金属热电阻的化学稳定性好,测温范围大,但灵敏度较差。例2温度传感器广泛应用于家用电器中,它是利用热敏电阻的阻值随温度变化的特性来工作的。图甲为某装置中的传感器工作原理图,已知电源的电动势E=9.0 V,内阻不计;为灵敏电流表,其内阻Rg保持不变;R为热敏电阻,其阻值随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=2 mA;当电流表的示数I2=3.6 mA时,热敏电阻的温度是()。A.60 B.80 C.100 D.120 解析由图乙知,温度为20 时,R的阻值R1=4 k。由欧姆定律知E=I1(R1+Rg),E=I2(R2+Rg),联立解得R2=2 k,由图乙中查得此时温度为120 ,D项正确。答案D变式2图甲为某电阻R随摄氏温度t变化的关系,图中R0表示0 时的电阻,k表示图线的斜率。若用该电阻与电池(E,r)、电流表(内阻为Rg)、变阻器R串联起来,连接成图乙所示的电路,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,于是就得到了一个简单的“电阻测温计”。(1)现要把电流表的刻度值改为相应的温度刻度值,则高温刻度应在表盘的(选填“左”或“右”)侧。(2)在标识“电阻测温计”的温度刻度时,需要弄清所测温度和电流的对应关系。请用E、R0、k等物理量表示所测温度t与电流I的关系式:t=。(3)由(2)知,计算温度和电流的对应关系,需要测量电流表的内阻(量程为3 mA,内阻约为200 ,设符号为“”)。已知实验室还有下列器材:A.电源E(电动势为12 V,内阻r较小);B.电流表(量程为0.6 A,内阻约为0.3 );C.滑动变阻器R1(020 );D.滑动变阻器R2(020 k);E.电阻箱R3(099.99 );F.电阻箱R4(0999.9 );G.电压表(量程为3.0 V,内阻约为3 k);H.电压表(量程为15.0 V,内阻约为5 k);还有开关(单掷、双掷等),导线若干。请在方框内设计一个合适的电路,用于测量电流表内阻Rg(电路中用你选择的器材符号表示)。解析(1)因为温度升高,R的阻值增大,电流表的示数变小,所以把电流表的刻度值改为相应的温度刻度值时,高温刻度应在表盘的左侧。(2)根据闭合电路欧姆定律得I=,所以t=-(r+R+Rg+R0)。(3)测电流表的内阻,可用伏安法,也可用半偏法。若用伏安法,电路图如图丙所示,其原理U1=I1(RA1+R4),则RA1=-R4。若用半偏法,电路图如图丁所示,其原理为当电流表的示数由满偏变为半偏时,RA1=R4。答案(1)左(2)-(r+R+Rg+R0)(3)见解析解答敏感电阻与电学实验的综合问题要把握以下三点:(1)明确各敏感电阻的特性。明确这些敏感电阻随所处环境的温度、光照、磁场、压力等的变化而变化的情况,能从各自的特性曲线上了解或求得所需要的信息。(2)明确所考查电学实验的原理及方法,这是解题的关键。(3)将敏感电阻的特性与电学实验的原理方法相结合,运用所学的电学规律(如欧姆定律等)或力学规律(如牛顿运动定律等)解题。变式3用对温度敏感的半导体材料制成的某热敏电阻RT,在给定温度范围内,其阻值随温度的变化是非线性的。某同学将RT和两个适当的固定电阻R1、R2连成如图甲虚线框内所示的电路,以使该电路的等效电阻RL的阻值随RT所处环境温度的变化近似为线性,且具有合适的阻值范围。为了验证这个设计,他采用伏安法测量在不同温度下RL的阻值,测量电路如图甲所示,图中的电压表内阻很大。RL的测量结果如表所示。温度t/30.040.050.060.070.080.090.0RL阻值/54.351.548.344.741.437.934.7回答下列问题:(1)根据图甲所示的电路,在图乙所示的实物图上连线。(2)为了检验RL与t之间近似为线性关系,在图丙上作出RL-t的关系图线。(3)在某一温度下,电路中的电流表、电压表的示数如图丁所示。电流表的示数为,电压表的示数为。此时等效电阻RL的阻值为;热敏电阻所处环境的温度约为。解析本题综合考查电学实验的基本知识,涉及实验原理的设计、实验步骤的安排和实验数据的处理。(1)根据电路图连接实物;连接时开关要断开,滑动变阻器连入电路中的阻值最大。(2)根据数据描出点,作出直线。(3)读出电压U=5.0 V,I=115.0 mA。RL=43.5 ,再由图象可以看出RL随温度均匀变化,当RL=43.5 时,温度t=64.0 。答案(1)连线如图戊所示(2)RL-t的关系图线如图己所示(3)115.0 mA5.0 V43.5 64.0 (62.0 66.0 )三力电传感器的实际应用传感器的一般应用模式:由敏感元件、转换器件和转换电路三个部分组成,通过敏感元件获取外界信息并转换成电信号,通过输出部分输出,然后经控制器分析处理。(如图所示)工作过程:敏感元件将感受到的物理量按一定规律转换成便于测量的量,如下:非电学物理量敏感元件转换器件转换电路电学量输出。例3材料的电阻随压力的变化而变化的现象称为“压阻效应”,利用这种效应可以测量压力大小。若图甲为某压敏电阻在室温下的电阻压力特性曲线,其中RF、R0分别表示有、无压力时压敏电阻的阻值。为了测量压力F,需先测量压敏电阻处于压力中的电阻值RF。请按要求完成下列实验。(1)设计一个可以测量处于压力中的该压敏电阻阻值的电路,在图乙的虚线框中画出实验电路原理图(压敏电阻及所给压力已给出,待测压力大小为0.4102 N0.8102 N,不考虑压力对电路其他部分的影响),要求误差较小,提供的器材如下:A.压敏电阻,无压力时阻值R0=6000 ;B.滑动变阻器R,全电阻阻值约为200 ;C.电流表,量程2.5 mA,内阻约为30 ;D.电压表,量程3 V,内阻约为3 k;E.直流电源E,电动势3 V,内阻很小;F.开关S,导线若干。(2)正确接线后,将压敏电阻置于待测压力下,通过压敏电阻的电流是1.33 mA,电压表的示数如图丙所示,则电压表的读数为 V。(3)3此时压敏电阻的阻值为 ;结合图甲可知待测压力的大小F=N。(计算结果均保留2位有效数字)解析(1)根据题述对实验电路的要求,应该采用分压式接法、电流表内接的电路,原理图如图丁所示。丁(2)根据电压表读数规则,电压表读数为2.00 V。(3)由欧姆定律,此时压敏电阻的阻值RF=-RA1.5103 ,=4,由题图甲可知,对应的待测压力F=60 N。答案(1)如图丁所示(2)2.00(3)1.510360变式4某些固体材料受到外力后除了产生形变,其电阻率也会发生变化,这种由于外力的作用而使材料电阻率发生变化的现象称为“压阻效应”。现用如图甲所示的电路研究某长薄板电阻Rx的压阻效应,已知Rx的阻值变化范围为几欧到几十欧,实验室中有下列器材:A.电源E(电动势3 V,内阻约为1 );B.电流表(00.6 A,内阻r1=5 );C.电流表(00.6 A,内阻r21 );D.开关S,定值电阻R0=5 。(1)为了比较准确地测量电阻Rx的阻值,请完成虚线框内电路图的设计。(2)在电阻Rx上加一个竖直向下的力F(设竖直向下为正方向),闭合开关S,记下电表读数,的读数为I1,的读数为I2,得Rx=。(用题中已给字母表示)(3)改变力的大小,得到不同的Rx值,然后让力反向从下向上挤压电阻,并改变力的大小,得到不同的Rx值。最后绘成的图象如图乙所示,除观察到电阻Rx的阻值随压力F的增大而均匀减小外,还可以得到的结论是。当F竖直向下时,可得Rx与所受压力F的数值关系是Rx=。解析(1)利用伏安法测量电阻阻值,但所给器材缺少电压表,可以用内阻已知的电流表代替,另一个电流表测量电流。电路图如图丙所示。(2)电阻Rx两端电压Ux=I1r1,流经Rx的电流Ix=I2-I1,电阻Rx=。(3)由图乙可知,图线是一次函数图线,即Rx=kF+b,k=-=-2,b=17,则有Rx=17-2F;由图乙可知,由于图线对称,不管力F如何增加,Rx均线性减小。答案(1)如图丙所示(2)(3)压力反向,阻值不变17-2F见高效训练P1211.(20xx沈阳第二中学模拟)酒精测试仪用于机动车驾驶人员是否酗酒及其他严禁酒后作业人员的现场检测。它利用的是一种二氧化锡半导体型酒精气体传感器,酒精气体传感器的电阻随酒精气体浓度的变化而变化。在如图所示的电路中,酒精气体的不同浓度对应着传感器的不同电阻。这样,电压表的指针就与酒精气体浓度有了对应关系。如果二氧化锡半导体型酒精气体传感器电阻的倒数与酒精气体的浓度成正比,那么,电压表示数U与酒精气体浓度C之间的对应关系正确的是()。A.U越大,表示C越大,C与U成正比B.U越大,表示C越大,但是C与U不成正比C.U越大,表示C越小,C与U成反比D.U越大,表示C越小,但是C与U不成反比解析设二氧化锡半导体型酒精气体传感器的电阻为Rx,由闭合电路欧姆定律得,干路的电流I=,电压表示数U=IR0=,而RxC=k(定值),由以上关系式可见U越大,表示C越大,但是C与U不成正比,B项正确。答案B2.(20xx济南五校联考)(多选)如图所示是电饭锅的结构图,如果感温磁体的“居里温度”为103 ,下列说法中正确的是()。A.常温下感温磁体具有较强的磁性B.当温度超过103 时,感温磁体的磁性较强C.饭熟后,水分被大米吸收,锅底的温度会超过103 ,这时开关按钮会跳起D.常压下只要锅内有水,锅内的温度就不可能达到103 ,开关按钮就不会自动跳起解析煮饭前温度较低,按下“开关按钮”,“感温磁体”有较强的磁性,可以克服弹簧的弹力,与永磁体紧紧相吸,触点接触,接通电路,开始加热煮饭;当饭熟了之后,水分被吸收,锅底温度逐渐上升,超过103 时,“感温磁体”失去磁性,弹簧把永磁体弹开,断开触点,切断电源。答案ACD3.(20xx南京一中检测)(多选)如图所示,电容式触摸屏的构造主要是在玻璃屏幕上镀一层透明的薄膜导体层,再在导体层外加上一块保护玻璃,电容式触摸屏在触摸屏四边均镀上狭长的电极,在导体层内形成一个低电压交流电场,在触摸屏幕时,由于人体是导体,手指与内部导体层间会形成一个特殊电容(耦合电容),四边电极发出的电流会流向触点,而电流强弱与手指到电极的距离成正比,位于触摸屏后的控制器便会计算电流的比例及强弱,准确算出触摸点的位置。由以上信息可知,下列说法中正确的是()。A.电容式触摸屏的两极板分别是导体层和手指B.当用手触摸屏幕时,手指与屏的接触面积越大,电容越大C.当用手触摸屏幕时,手指与屏的接触面积越大,电容越小D.当用手触摸屏幕时,手指和屏的接触面积的大小不影响电容的大小解析电容式触摸屏在原理上把人的手指当作电容器元件的一个极板,把导体层当作另一极板,故A项正确;手指和屏的接触面积大小会影响到电容大小,接触面积越大,即两极板的正对面积越大,电容越大,故B项正确,C、D两项错误。答案AB4.(20xx天津实验中学模拟)热敏电阻常用于温度控制或过热保护装置中。图示为某种热敏电阻和金属热电阻的阻值R随温度t变化的示意图。由图可知,这种热敏电阻在温度上升时导电能力(选填“增强”或“减弱”);相对金属热电阻而言,热敏电阻对温度变化的反应更(选填“敏感”或“不敏感”)。 解析由题图可知,热敏电阻在温度上升时,阻值下降,故其导电能力增强;相对金属热电阻而言,热敏电阻在温度变化时,阻值变化明显,故对温度更敏感。答案增强敏感5.(20xx山东日照一中模拟)图甲所示装置可以用来测量硬弹簧(劲度系数较大的弹簧)的劲度系数k。电源的电动势为E,内阻可忽略不计;滑动变阻器全长为L,重力加速度为g。为理想电压表,当木板上没有放重物时,滑动变阻器的滑片位于图中a点,此时电压表示数为零。在木板上放置质量为m的重物,滑动变阻器的滑片随木板一起下移。由电压表的示数U及其他给定条件,可计算出弹簧的劲度系数k。 (1)写出m、U与k之间所满足的关系式:。(2)已知E=1.50 V,L=12.0 cm,g=9.80 m/s2。测量结果如表:m/kg1.001.503.004.506.007.50U/V0.1080.1540.2900.4460.6080.740 在图乙给出的坐标纸上利用表中数据描出m-U图线。m-U图线的斜率为kg/V。弹簧的劲度系数k=N/m。(结果均保留3位有效数字)解析(1)设放置质量为m的物体时弹簧的压缩量为x,则有mg=kx又U=E解得m=U。(2)用描点法作图,作出的图象如图丙所示。丙选取(0,0)、(0.90,9)两点,则斜率为= 10.0 kg/V。因m=U,故=k=1.23103 N/m。答案(1)m=U(2)如图丙所示10.01.231036.(20xx合肥第一中学月考)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020 )、滑动变阻器R2(阻值变化范围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,请在图甲方框中画出实验电路图,并标出所用滑动变阻器的符号。(2)实验中描绘出小灯泡的U-I曲线如图乙所示,由图可知,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,实验中测得多组数据记录在表中,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。序号123456U/V4.003.402.602.001.500.80I/A0.200.250.340.400.460.52(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。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接法,为了便于调