2014届高考物理一轮复习考点剖析课件：实验十二：传感器的简单使用

实验十二 传感器的简单使用 1 实验目的 1 了解传感器的工作原理 知道传感器的作用 2 观察光敏电阻 热敏电阻和金属热电阻的阻值是如何随 光信号和热信号的变化而变化的 3 能处理涉及三种类型传感器 光电传感器 热电传感器 电容式传感器 问题 2 实验原理 1 传感器 传感器是将所感受到的诸如力 热 光 声 化学成分等非电学量转换成便于测量的量 一般是电压 电流等电学量 的一类元件 2 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S12 1 图S12 1 传感器工作过程是 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 如光电传感器利用光敏电阻将光信号转化为电信号 电信号便与其他仪器连接 进行监测或自动化控制 热电传感器是利用热敏电阻将热信号转换成电信号 如下图所示 3 传感器的分类 力电传感器 热电传感器 光电传感器 声电传感器 电容式传感器 磁电传感器 超声波传感器 气敏传感器等 4 常见传感器元件 力电传感器 a 定义 利用敏感元件和变阻器把力学信号 位移 速度 加速度等 转化为电学信号 电压 电流等 的仪器 b 作用 把力学信号 位移 速度 加速度等 转化为电学 信号 电压 电流等 c 应用 广泛应用于社会生产 现代科技中 如安装在导弹 飞机 潜艇和宇宙飞船上的惯性导航系统及ABS防抱死制动系统等 光敏电阻 a 定义 是指用半导体材料制成 在被光照射时电阻值会发生变化的元件 光电传感器中的主要部件是光敏电阻或光电管 b 特点 无光照时 载流子极少 阻值较大 随着光照的 增强 载流子增多 阻值减小 c 作用 能够把光照强弱这个光学量转换成电阻这个电学 量 d 应用 自动冲水机 路灯的控制 鼠标器 光电计数器 烟雾报警器等都是利用了光电传感器的原理 热敏电阻 a 定义 利用半导体材料制成 其电阻值随温度变化明显 的元件 b 特点 阻值会随温度的升高而减小 c 作用 能把温度这个热学量转换为电压这个电学量 d 应用 各种家用电器 空调 冰箱 热水器 饮水机等 的温度控制 火警报警器 恒温箱等 金属热电阻 a 定义 有些金属的电阻率随温度的升高而增大 这样的 电阻也可以制成温度传感器 称为热电阻 b 特点 金属热电阻的电阻率随温度的升高而增大 相比之下 热敏电阻的灵敏度较好 c 作用 能把温度这个热学量转换为电阻这个电学量 d 应用 温度传感器等 霍尔元件 a 定义 在如图S12 2所示的一个很小的矩形半导体 如砷化铟 薄片上 制作四个电极E F M N 当该半导体中的电流方向与磁场方向垂直时 它在与磁场 电流方向都垂直的方向上出现了电势差 这种现象称为霍尔效应 利用霍尔效应制成的元件称 为霍尔元件 图S12 2 b 原理 外部磁场使运动的载流子受到洛伦兹力 在导体板的一侧聚集 在导体板的另一侧会出现多余的另一种电荷 从而形成横向电场 横向电场对电子施加与洛伦兹力方向相反的静电力 当静电力与洛伦兹力达到平衡时 导体板左右两侧会形成稳定的电压 被称为霍尔电势差或霍尔电压 UH UH IB d k c 作用 霍尔元件能够把磁感应强度这个磁学量转换为电 压这个电学量 3 实验器材铁架台 热敏电阻 金属热电阻 光敏电阻 电铃或报警器 多用电表 烧杯 温度计 冷水 热水 光电计数器 强光源 学生电源 小灯泡 滑动变阻器 导线 开关等 4 实验步骤 1 研究光敏电阻的光敏特性 按如图S12 3所示连接好电路 多用电 表选择开关置于 1k 挡 先测出小灯泡不发光时光敏电阻的阻值 图S12 3 打开电源 让小灯泡发光 调节滑动变阻器 使小灯泡的亮度由暗变亮 观察光敏电阻的阻值变化情况 结论 光敏电阻在光照加强的条件下 其阻值逐渐减小 2 研究热敏电阻的热敏特性 按图S12 4所示连接好电路 多用电表选择开关置于 100 挡 先用多用电表测出烧杯中没有水时 热敏 电阻的阻值 并记下温度计示数 向烧杯中注入少量冷水 记下温度计示数及多用电表显示的热敏电阻的阻值 图S12 4 将热水分几次注入烧杯中 记下在不同温度下 热敏电 阻的阻值 实验结论 热敏电阻的阻值随着温度的升高而减小 3 光电计数实验 将光电传感器 主要部件是光敏电阻 小灯泡 计数器 学生电源按图S12 5所示电路连接好 接通电源 使小灯泡发光 照射到光电传感器上 拿一厚纸板插入光源与光电传感器之间 每插入一次 计数器就记下一次 即计数器开始计数 图S12 5 实验结论 光电传感器中的光敏电阻在无光照时 载流子极少 阻值较大 随着光照的增强 载流子增多 阻值减小 5 注意事项 1 在研究热敏特性时 忌用温度计当搅拌器 2 测热敏电阻时应待温度变化后再测量 3 热敏电阻 烧杯 温度计易破损 实验时务必小心 4 当传感元件需要接入电路中时 要注意它的电学参数 跟踪训练 1 双选 2011年江苏卷 美国科学家WillardS Boyle与GeorgeE Smith因电荷耦合器件 CCD 的重要发明荣获2009年度诺贝尔物理学奖 CCD是将光学量转变成电学量的传感 器 下列器件可作为传感器的有 BC A 发光二极管C 霍尔元件 B 热敏电阻D 干电池 2 如图S12 6所示是观察电阻值随温度变化情况的示意图 现在把杯中的水由冷水变为热水 关于欧姆表的读数变化 情况正确的是 图S12 6A 若R为金属热电阻 读数变大 且变化非常明显B 若R为金属热电阻 读数变小 且变化不明显C 若R为热敏电阻 半导体材料制作 读数变化非常明显D 若R为热敏电阻 半导体材料制作 读数变化不明显 解析 由于金属热电阻的化学稳定性较好 测温范围较大 因而其热灵敏性差一些 而由半导体材料制成的热敏电阻的电阻值感温灵敏度较高 答案 C 题型1 含传感器电路的变化问题 例1 2011年苏北四市三模 如图S12 7甲所示的电路中 理想变压器原 副线圈匝数比为5 1 原线圈接入图乙所示的电压 副线圈接火灾报警系统 报警器未画出 电压表和电流表均为理想电表 R0为定值电阻 R为半导体热敏电阻 其阻值随温度的升高而减小 下列说法中不正确的是 图S12 7 B 电压表的示数为44VC R处出现火警时电流表示数增大D R处出现火警时电阻R0消耗的电功率增大 答案 B备考策略 解决此类问题的关键是掌握常见传感器元件如光敏电阻 热敏电阻 金属热电阻的阻值随光强度 温度的变化规律 再结合变压器及电路的相关规律如闭合电路欧姆定律进行分析和计算 触类旁通 1 如图S12 8所示是一火警报警电路的示意图 其中R3为用半导体热敏材料制成的传感器 这种半导体热敏材料的电阻随温度升高而减小 值班室的显示器为电路中的电流表 电源两极之间接一报警器 当传感器R3所在处出现火情时 显示器的电流I和 报警器两端电压U的变化情况是 A I变大 U变小C I变小 U变小 B I变小 U变大D I变大 U变大 图S12 8 解析 当传感器所在处出现火情时 用半导体热敏材料制成的R3的阻值减小 此时外电阻减小 电流增大 内电压增大 所以路端电压减小 即报警器两端的电压U减小 因R3与R2并联 电路两端的电压减小 所以显示器的电流I减小 答案 C 题型2 传感器及电路知识的综合应用 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 1 根据表中数据 请在给定的坐标系 图S12 9 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S12 9 2 如图S12 10所示 当1 2两端所加的电压的上升至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 开关S及导线若干 图S12 10 解析 1 光敏电阻的阻值随光照变化的曲线如图S12 11所示 特点 光敏电阻的阻值随光照强度的增大而非线性减小 图S12 11 图S12 12 2 电路原理图如图S12 12所示 当天色渐暗照度降低至1 0lx时启动照明系统 即此时光敏电阻阻值为20k 两端电压为2V 而电源电动势为3V 所以应加上一个分压电阻 由闭合电路欧姆定律或串联分压定律可算得分压电阻阻值为10k 即选用R1 备考策略 这类题目设问虽很新颖独特 但所依据的物理原理 实验方法 实验器材却是课本上的基本实验中用过的 试题设问一般不难 只要平时学习或复习时对课本中的基本实验 原理 能够深刻理解 对涉及的基本实验器材能够熟练运用 注意将物理习题中的结论向物理实验迁移 分析问题时能灵活变通 不墨守成规 解决此类问题定可驾轻就熟 触类旁通 2 2010年佛山二模 小明设想用热敏电阻制作一个 温度计 为此他需要先探究该热敏电阻的阻值随温度变化的规律 现有下列器材 待测热敏电阻R 约600 2000 直流毫安表 量程6mA 内阻约0 5 直流电压表 量程3V 内阻约1k 直流恒压电源 输出电压3V 内阻不计 滑动变阻器 阻值范围0 500 以及水银温度计 加热装置 开关和导线 图S12 13 1 应选择图S12 13 填 甲 或 乙 的电路探 究热敏电阻的温度特性 乙 2 主要步骤 温度计 电流表 电压表的读数 连接电路 启动加热装置 待温度稳定为某一温度时 闭合开关 记下 改变温度 多次重复步骤 操作 得出多组数据 根据数据计算热敏电阻阻值R 绘制R随温度t变化的 图线 电流表 小 3 现将该热敏电阻 恒压电源 开关 导线 填 电压表 或 电流表 连接起来 把该电表的刻度改为相应的温度刻度 就制成了一个 温度计 若R随温度t变化的图线如图丙 则用此 温度计 测得的温度越高 对应原电表表盘的刻度值越 填 大 或 小 易错点 传感器的应用 例题 上海浦东区2011届高三期末 演示位移传感器的工作原理如图S12 14所示 物体M在导轨上平移时 带动滑动变阻器的金属滑杆p 通过电压表显示的数据 来反映物体位移的大小x 假设电压表是理想的 则下列 说法正确的是 图S12 14 A 物体M运动时 电源内的电流会发生变化B 物体M运动时 电压表的示数会发生变化C 物体M不动时 电路中没有电流D 物体M不动时 电压表没有示数 错解分析 不清楚传感器在电路中的作用 不明确传感器所影响的物理量与电路中的其他物理量之间的关系 以为物体M运动时 电路中的外电阻发生改变 电流发生改变 或者物体M不动时 电路中不产生电流 正确解析 物体M运动时 电压表测的对应电阻发生改变 所以其示数会发生变化 但整个电路的总电阻没改变 所以电路中的电流不变 故选B 纠错强化 1 如图S12 15所示的电路可将声音信号转化为电信号 该电路中右侧固定不动的金属板b与能在声波驱动下沿水平方向振动的镀有金属的振动膜a构成了一个电容器 a b通过