2022届高考一轮复习实验十二传感器的简单应用学案

2022届高考一轮复习第十一章交变电流实验十二传感器的简单应用学案一、研究热敏电阻的热敏特性1．实验目的：认识热敏电阻传感器的特性，了解传感器在技术上的应用。2．实验原理：闭合电路欧姆定律，用欧姆表进行测量和观察。3．实验器材：NTC热敏电阻、多用电表、温度计、水杯、凉水和热水。4．实验步骤：(1)按图所示连接好电路，将热敏电阻绝缘处理；(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．数据处理：(1)在RT­t坐标系中，粗略画出热敏电阻值随温度变化的图象；(2)结论：半导体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。二、研究光敏电阻的光敏特性1．实验目的：认识光敏电阻传感器的特性，了解传感器在技术上的应用。2．实验原理：闭合电路欧姆定律，用欧姆表进行测量和观察。3．实验器材：光敏电阻、多用电表、小灯泡、滑动变阻器、导线。4．实验步骤：(1)将光敏电阻、多用电表、灯泡、滑动变阻器按如图所示电路连接好，其中多用电表置于“×100”(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．数据处理：(1)根据记录数据分析光敏电阻的特性；(2)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。注意：1．在做热敏实验时，加开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．光敏实验中，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调零。【原型实验】[例1](2018·全国卷Ⅰ)某实验小组利用如图(a)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900.0Ω；电源E(6V，内阻可忽略)；电压表eq\o\ac(○,V)(量程150mV)；定值电阻R0(阻值20.0Ω)，滑动变阻器R1(最大阻值为1000Ω)；电阻箱R2(阻值范围0～999.9Ω)；单刀开关S1，单刀双掷开关S2。实验时，先按图(a)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℃。实验得到的R2­t/℃25.030.040.050.060.070.080.0R2/Ω900.0680.0500.0390.0320.0270.0240.0回答下列问题：(1)在闭合S1前，图(a)中R1的滑片应移动到________(选填“a”或“b”)端。(2)在图(b)的坐标纸上补齐数据表中所给数据点，并作出R2­t曲线。(3)由图(b)可得到RT在25℃～80℃范围内的温度特性。当t＝44.0℃时，可得(4)将RT握于手心，手心温度下R2的相应读数如图(c)所示，该读数为________Ω，则手心温度为________℃。[解析](1)闭合开关S1前，应让滑片移动到b端，使滑动变阻器连入电路的阻值最大。(2)把t＝60℃和t＝70℃对应的两组数据在坐标纸上画点，然后用平滑的曲线作出R2­(3)由图象可知t＝44.0℃(4)由题图(c)可得R2阻值为620.0Ω，由图象可得温度约为33.0℃[答案](1)b(2)图见解析(3)450(4)620.033.0[例2]小明同学为了测定某太阳能硅光电池组的电动势和内阻，设计了如图甲所示的电路，在一定光照条件下进行实验：(1)请根据图甲完成图乙中实物的连线。(2)将测量出来的数据记录在下表中，其中第4组数据的电压如图丙所示，则此时电压为__________V。12345678U/V1.771.751.701.541.271.000.50I/μA1230486068768086(3)将这些数据在图丁中描点，第4组数据还未描出。a．请在图丁中描出第4组数据的点，作出该硅光电池组的U­I图象。b．由U­I图象知，该硅光电池组的电动势E＝____________V，电池组的内阻随其输出电流的变化而改变，在电流为80μA时，该电池组的内阻r＝__________kΩ(保留3位有效数字)。[解析](1)根据电路图连接实物电路图，实物电路图如图1所示。(2)由表中实验数据可知电压表最大测量值为1.77V，则电压表量程为3V，由图丙所示电压可知，其分度值为0.1V，示数为1.65V。(3)a.把第四组数据标在坐标系内，根据坐标系内描出的点作出图象如图2所示。b．由图2可知，该硅光电池组的电动势E＝1.80V。在电流为80μA时，由表格数据得到路端电压为1.00V，根据闭合电路欧姆定律E＝U＋Ir，解得r＝eq\f(E－U,I)＝eq\f(1.80－1.00,80×10－6)Ω＝1.0×104Ω＝10.0kΩ。[答案](1)所连的实物图见解析图1(2)1.65(3)a.该硅光电池组的U­I图象见解析图2b．1.8010.0【跟踪训练】1．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999.9Ω)，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1000Ω)，滑动变阻器R2在室温下对系统进行调节。已知U约为18V，Ic约为10mA；流过报警器的电流超过20mA时，报警器可能损坏；该热敏电阻的阻值随温度升高而减小，在60℃(1)完成待调节的报警系统原理电路图的连线。(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：①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________Ω；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________________________________________________________________________________________________________________________________________________。②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)电路图连接如图所示。(2)报警器开始报警时，对整个回路有U＝Ic(R滑＋R热)代入数据可得R滑＝1150.0Ω，因此滑动变阻器应选择R2。(3)①在调节过程中，电阻箱起到等效替代热敏电阻的作用，电阻箱的阻值应为报警器报警时热敏电阻的阻值，即为650.0Ω。滑动变阻器在电路中为限流接法，滑片应置于b端附近，若置于另一端a时，闭合开关，则电路中的电流I＝eq\f(18,650.0)A≈27.7mA，超过报警器最大电流20mA，报警器可能损坏。②开关应先向c端闭合，移动滑动变阻器的滑片，直至报警器开始报警为止。答案：(1)连线见解析图(2)R2(3)①650.0b接通电源后，流过报警器的电流会超过20mA，报警器可能损坏②c报警器开始报警2．为了节能和环保，一些公共场所用光控开关控制照明系统，光控开关可用光敏电阻控制，某光敏电阻阻值随光的照度变化曲线如图甲所示，照度可以反映光的强弱，光越强照度越大，照度单位为：勒克斯(lx)。(1)如图乙所示，电源电动势为3V，内阻不计，当控制开关两端电压上升至2V时控制开关自动启动照明系统。要求当天色渐暗照度降至1.0(lx)时控制开关接通照明系统，则R1＝________kΩ。(2)某同学为了测量光敏电阻在不同照度下的阻值，设计了如图戊所示的电路进行测量，电源(E＝3V，内阻未知)，电阻箱(0～99999Ω)。实验时将电阻箱阻值置于最大，闭合S1，将S2与1相连，减小电阻箱阻值，使灵敏电流计的示数为I，图丙为实验时电阻箱的阻值，其读数为________kΩ；然后将S2与2相连，调节电阻箱的阻值如图丁所示，此时电流表的示数恰好为I，则光敏电阻的阻值R0＝________kΩ(结果保留3位有效数字)。解析：(1)电阻R1和R0串联，eq\f(R0,R1)＝eq\f(U0,U1)＝eq\f(2,1)，当照度为1.0(lx)时，电阻R0＝20kΩ，则R1＝10kΩ；(2)由图丙可知，图丙的电阻为R2＝62.5kΩ，图丁所示的电阻R2′＝22.5kΩ。本题采用等效法测电阻，前后两次电路中的电流相等，则电路中的电阻相等，则有R2＝R0＋R2′，所以R0＝40.0kΩ。答案：(1)10(2)62.540.0【创新拓展实验】[例3](2020·广东佛山市模拟)电容器是一种常用的电学元件，在电工、电子技术中有着广泛的应用。以下有关电容式传感器在生活中应用说法正确的是()A．甲图中，手指作为电容器一电极，如果改用绝缘笔在电容式触摸屏上仍能正常操作B．乙图中，力F增大过程中，电流计中的电流从a流向bC．丙图中，油箱液位上升时，电容变小D．丁图中，当传感器由静止突然向左加速，电容器处于充电状态[解析]甲图中，绝缘笔与工作面不能形成一个电容器，所以不能在电容屏上进行触控操作，选项A错误。乙图中，力F增大过程中，电容器极板间距减小，电容变大，电容器充电，电流计中的电流从b流向a，选项B错误；丙图中，油箱液位上升时，正对面积变大，电容变大，选项C错误；丁图中，当传感器由静止突然向左加速，电介质插入电容器，电容变大，电容器处于充电状态，选项D正确。[答案]D[例4]某种角速度计，其结构如图所示。当整个装置绕轴OO′转动时，元件A相对于转轴发生位移并通过滑动变阻器输出电压，电压传感器(传感器内阻无限大)接收相应的电压信号。已知A的质量为m，弹簧的劲度系数为k、自然长度为l，电源的电动势为E、内阻不计。滑动变阻器总长也为l，电阻分布均匀，装置静止时滑片P在变阻器的最左端B端。当系统以角速度ω转动时，则()A．电路中电流随角速度的增大而增大B．电路中电流随角速度的增大而减小C．弹簧的伸长量为x＝eq\f(mωl,k－mω2)D．输出电压U与ω的函数式为U＝eq\f(Emω2,k－mω2)[解析]系统在水平面内以角速度ω转动时，无论角速度增大还是减小，BC的总电阻不变，根据闭合电路欧姆定律得知，电路中的电流保持不变，故A、B错误；设系统在水平面内以角速度ω转动时，弹簧伸长的长度为x，则对元件A，根据牛顿第二定律得kx＝mω2(l＋x)，又输出电压U＝eq\f(RBP,RBC)E＝eq\f(x,l)E，联立两式得x＝eq\f(mω2l,k－mω2)，U＝eq\f(Emω2,k－mω2)，故C错误，D正确。[答案]D[例5]如图所示的传感器装置可以用来测量硬弹簧(即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。V为理想电压表。当木板(不计重力)上没有放重物时，滑动变阻器的触头位于图中a点，此时电压表示数为零。在木板上放置质量为m的重物，滑动变阻器的触头随木板一起下移。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。(g取9.80m/s2)(1)写出m、U、k、L、E、g之间所满足的关系式m＝________。(2)已知E＝1.50V，L＝12.0cm，测量结果如下表：m/kg1.001.503.004.506.007.50U/V0.1080.1540.2900.4460.6080.740①在右图中给出的坐标纸上利用表中数据描出m­U的关系图象。②m­U图象的斜率为________kg/V(结果保留3位有效数字)。③弹簧的劲度系数k＝________N/m(结果保留3位有效数字)。[解析](1)由平衡条件可知：mg＝kxU＝eq\f(x,L)E＝eq\f(mg,kL)E，所以m＝eq\f(LkU,Eg)。(2)①利用描点法作图，图象如图所示；②通过图象求出斜率为10.0kg/V；③已知eq\f(Lk,Eg)＝10kg/V，所以k＝eq\f(10Eg,L)≈1.23×103N/m。[答案](1)eq\f(LkU,Eg)(2)①见解析图②10.0kg/V③1.23×103【跟踪训练】1．电子拉力计的示意图如图所示，金属弹簧右端和滑动触头P固定在一起(弹簧的电阻不计，P与R1之间的摩擦不计)。R0为定值电阻；电阻R1是用均匀电阻丝密绕在瓷管上做成的(类似于滑动变阻器)，其长度为10cm，总阻值R1＝300Ω；电源电动势E＝3V，内阻不计。理想电流表的量程为0～100mA。当拉环不受拉力时，触头P刚好不与电阻R1接触(即电路断开)。弹簧的劲度系数为10000N/m。(1)电路中连入的R0阻值应为________Ω，才能保证拉环最大拉力时(在测量范围内)，刚好达到电流表量程。(2)保证第一问中R0阻值不变，设计中需要将电流表上的电流数值改为拉力的数值，那么在原电流表的40mA处应改为________N。分析可知，拉力计的刻度是_____(选填“均匀”或“不均匀”)解析：(1)电路中连入R0的目的是对电流表起保护作用，防止当P移动到R1的最右端时电流表被烧坏；故R0至少为Rmin＝eq\f(3V,100mA)＝eq\f(3,100×10－3)Ω＝30Ω。(2)当I＝40mA＝0.04A时，电路中的总电阻R＝eq\f(E,I)＝eq\f(3,0.04)Ω＝75Ω，电阻丝接入电路的电阻R1′＝R－R0＝75Ω－30Ω＝45Ω，因eq\f(L1,R1)＝eq\f(x,R′1)，即eq\f(10,300)＝eq\f(x,45)，解得x＝1.5cm，所以弹簧伸长的长度Δx＝L1－x＝10cm－1.5cm＝8.5cm＝8.5×10－2m，则弹簧弹力的大小为F＝kΔx＝10000×8.5×10－2N＝850N，由以上联立得F＝keq\b\lc\[\rc\](\a\vs4\al\co1(L－\f(L1,R1)\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(E,I)－R0))))，可知F与I是非线性关系，电流表的刻度是均匀的，故拉力计的刻度是不均匀。答案：(1)30Ω(2)850不均匀2．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，待测压力大小约为0.4×102N～0.8×102N，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＝6000ΩB．滑动变阻器R，最大阻值为200ΩC．电流表A，量程2.5mA，内阻约30ΩD．电压表V，量程3V，内阻约3kΩE．直流电源E，电动势3V，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1.33mA，电压表的示数如图丙所示，则电压表的读数为________V。(3)此时压敏电阻的阻值为________Ω；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，原理图如图所示。(2)根据电压表读数规则，电压表读数为2.00V。(3)由欧姆定律可知；，此时压敏电阻的阻值为RF＝eq\f