【高考突破方案】第十一章 实验十五传感器的简单使用 -强化训练（解析版）高考物理一轮复习

　第十一章 交变电流 传感器
实验十五 传感器的简单使用
1.由半导体材料制成的热敏电阻阻值是温度的函数.基于热敏电阻对温度敏感原理制作一个火灾报警系统，要求热敏电阻温度升高至50 ℃时，系统开始自动报警.所用器材有：
直流电源E(36 V，内阻不计)；
电流表(量程250 mA，内阻约0.1 Ω)；
电压表(量程50 V，内阻约1 MΩ)；
热敏电阻RT；
报警器(内阻很小，流过的电流超过10 mA时就会报警，超过30 mA时就会损伤)；
滑动变阻器R1(最大阻值4000 Ω)；
电阻箱R2(最大阻值9999.9 Ω)；
单刀单掷开关S1；
单刀双掷开关S2；
导线若干.
(1)用图a所示电路测量热敏电阻RT的阻值.当温度为27 ℃时，电压表读数为30.0 V，电流表读数为15.0 mA；当温度为50 ℃时，调节R1，使电压表读数仍为30.0 V，电流表指针位置如图b所示.温度为50 ℃时，热敏电阻的阻值为______Ω.从实验原理上看，该方法测得的阻值比真实值略微______(选填“偏大”或“偏小”).如果热敏电阻阻值随温度升高而变大，则其为正温度系数热敏电阻，反之为负温度系数热敏电阻.基于以上实验数据可知，该热敏电阻RT为______(选填“正”或“负”)温度系数热敏电阻.
(2)某同学搭建一套基于该热敏电阻的火灾报警系统，实物图连线如图c所示，其中有一个器件的导线连接有误，该器件为________________(填器件名称).正确连接后，先使用电阻箱R2进行调试，其阻值设置为______Ω，滑动变阻器R1阻值从最大逐渐减小，直至报警器开始报警，此时滑动变阻器R1连入电路的阻值为______Ω.调试完毕后，再利用单刀双掷开关S2的选择性开关功能，把热敏电阻RT接入电路，可方便实现调试系统和工作系统的切换.
【答案】 (1)600　偏大　负　(2)滑动变阻器R1　600　3000
【解析】 (1)由图b可知，电流表的示数为50 mA，则此时热敏电阻的阻值为RT＝＝ Ω＝600 Ω，该方法所测电流值为真实电流值，所测电压值为热敏电阻和电流表两端的总电压，故根据R＝，可知此时所测电阻值偏大；在相同电压下，温度越高，通过电流越小，说明热敏电阻的阻值随温度的升高而降低，故RT为负温度系数热敏电阻.
(2)滑动变阻器R1的导线连接有误，两根导线都连接在上端，无法起到改变接入电阻阻值的作用，应一上一下连接；先使用电阻箱R2进行调试，其阻值设置为RT的自动报警电阻，即600 Ω才可对其进行调试；此时要求刚好在50 ℃时自动报警，则通过电路的电流10 mA，报警器和电流表的电阻很小，可忽略不计，可得此时滑动变阻器的阻值R1＝－RT＝3000 Ω.
　2.报警器电路如图甲所示.该电路用标称值为12 V的蓄电池为电源，各导线接触良好，热敏电阻RT阻值随温度升高而减小.当通过报警器的电流超过某一值时，报警器就会报警.
(1)断开开关S，用多用电表直流50 V挡测a、b间电压，稳定后多用电表的指针位置如图乙所示，其读数为______V.
(2)闭合开关S后，发现无论温度高低，报警器都在报警，由此可判断电路中某器件发生________(选填“短路”或“断路”).
(3)保持开关S闭合，维修人员仍使用多用电表直流50 V挡检测故障，将红表笔接在a点，黑表笔接d时多用电表示数为零，黑表笔接c时多用电表示数略小于图乙所示，由此可判定发生故障的器件是______________(选填“热敏电阻RT”“开关S”或“定值电阻R”).
【答案】 (1)11.5(11.2～11.8之间的值均可)　(2)短路　(3)热敏电阻RT
【解析】 (1)根据多用电表电压挡读数规则，a、b间电压为11.5 V.
(2)闭合开关S后，发现无论温度高低，报警器都在报警，由此可判断电路中热敏电阻或电阻R发生短路.
(3)保持开关S闭合，维修人员仍使用多用电表直流50 V挡检测故障，将红表笔接在a点，黑表笔接d时多用电表示数为零，说明若是断路故障，则发生在bc或cd之间，若是短路故障发生在热敏电阻RT.黑表笔接c时多用电表示数略小于图乙所示，由此可判定发生故障的器件是热敏电阻RT.
　3.某研究性小组利用下列实验器材设计一个电路来研究某压敏电阻Rx的压阻效应，然后将该压敏电阻改装为压力传感器测量压力.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E1(电动势3 V，内阻约为1 Ω)；
B.电流表A1(量程0～0.6 A，内阻r1＝5 Ω)；
C.电流表A2(量程0～0.6 A，内阻r2≈1 Ω)；
D.定值电阻R0＝5 Ω；
E.开关S，导线若干.
(1)为了较准确地测量电阻Rx，请在图a中虚线框内将测量电阻Rx的实验电路图补充完整，并在图中标出所选器材的符号.
(2)在电阻Rx上加一个竖直向下的力F，闭合开关S，记下电表读数，A1的读数为I1，A2的读数为I2，则Rx＝______(用字母表示).
(3)小组同学根据实验测量结果，作出压敏电阻Rx随着所加外力F的RxF图像，如图b所示.小组同学将这种压敏电阻Rx与一个量程为3 V的理想电压表按如图c所示电路改装成测量压力的仪表，已知电源E2＝4 V，内阻不计，为了使改装后压力表的量程为0～100 N，压力为100 N对应电压表的刻度为3 V，则定值电阻R＝________Ω.压力为0对应电压表的刻度为________V.这样改装后压力表的刻度值________(“均匀”或“不均匀”).若考虑电压表的实际内阻，则按上述设计，在测量实际压力时测量值________(“偏大”“相等”或“偏小”).
【答案】 (1)见解析　(2)　(3)15　1.5　不均匀　偏小
【解析】 (1)根据伏安法测电阻的原理，我们要想准确测量出Rx的阻值，必须准确测出通过Rx的电压和电流，但图中没有给出电压表，所以我们可以用内阻已经知道的电流表A1来测电压，A2测干路电流，进而计算通过Rx的电流，故电路如图所示：
(2)由原理图可知，通过Rx的电流为I＝I2－I1，电压为U＝I1r，所以Rx＝＝.
(3)由图b知Rx＝25－F＝25－0.2F，由图c利用闭合电流欧姆定律可知E＝U＋Rx＝U＋(25－0.2F)，由题意知，压力为100 N对应电压表的刻度为3 V，代入R＝＝Ω＝15 Ω，故E＝U＋(25－0.2F).压力为0时，代入U＝1.5 V，由E＝U＋(25－0.2F)知，F与U不是线性关系，故压力表的刻度不是均匀的；若考虑电压表的实际内阻，则E＝U＋(＋)Rx，这样可得Rx偏大，则F偏小.
　4.某小组利用图甲所示的电路，研究硅二极管在恒定电流条件下的正向电压U与温度t的关系，图中V1和V2为理想电压表；R为滑动变阻器，R0为定值电阻(阻值100 Ω)；S为开关，E为电源.实验中二极管置于控温炉内，控温炉内的温度t由温度计(图中未画出)测出.图乙是该小组在恒定电流为50.0 μA时得到的某硅二极管Ut关系曲线.回答下列问题：
甲
乙
(1)实验中，为保证流过二极管的电流为50.0 μA，应调节滑动变阻器R，使电压表V1的示数为U1＝______mV；根据图乙可知，当控温炉内的温度t升高时，硅二极管正向电阻______(选填“变大”或“变小”)，电压表V1示数______(选填“增大”或“减小”)，此时应将R的滑片向______(选填“A”或“B”)端移动，以使V1示数仍为U1.
(2)由图乙可以看出U与t成线性关系，硅二极管可以作为测温传感器，该硅二极管的测温灵敏度为||＝______×10－3 V/ ℃.(保留两位有效数字)
【答案】 (1)5.00　变小　增大　B　(2)2.8
【解析】 (1)因为图中V1和V2均为理想电压表，故可视为电压表内阻无穷大，不考虑其分流影响，且题中要保证流过二极管的电流为50.0 μA，所以U1＝IR0＝50.0 μA×100 Ω＝5.00 mV；由图乙可知，温度越高，则二极管两端的电压越小，而总电流保持不变，所以二极管的正向电阻在变小；当二极管的正向电阻变小时，电路中的总电阻变小，总电流变大，而定值电阻R0不变，所以其分压会增大；要使得总电流再减小为50.0 μA，只有增大滑动变阻器接入电路的电阻，即滑片应该向B端滑动.
(2)||＝|k|＝2.8×10－3 V/℃.
　5.疫情期间，用电子体温计监测体温成为检测人体是否感染冠状病毒的重要手段.电子体温计利用某些物质的物理参数，如电阻、电压、电流等，与环境温度之间存在的确定关系，将体温以数字的形式显示出来.如图，甲图为某同学设计的电路图，用以测量25.0 ℃～80.0 ℃范围内环境的温度.所用器材有：热敏电阻RT(其标称值25.0 ℃时的阻值为900.0 Ω)；电源20 V，内阻可忽略；滑动变阻器(最大阻值为10 Ω)；电阻箱R2(阻值范围0～999.9 Ω)；单刀开关S1，单刀双掷开关S2.图中圆圈为电表.实验时，按电路图连好电路，将热敏电阻放在温控箱内，先将温度调为80.0 ℃，将S2与1端接通，闭合S1，调节R1的滑片位置，电路中电表示数为某一定值x；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，使电表读数仍为x；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R2t的数据见表.
甲
乙 丙
t/℃ 25.0 30.0 40.0 50.0 60.0 70.0 80.0
R2/Ω 900.0 680.0 500.0 390.0 320.0 270.0 240.0
回答下列问题：
(1)实验室中提供有以下规格电表：①电流表A1(0～0.6 A，0.2 Ω)，②电流表A2(0～3 A，0.04 Ω)，③电压表V(10 V，1000 Ω).实验中应选择的电表为______(填器材前的数字编号)；
(2)在闭合S1前，图甲中R1的滑片应移动到______(填“左”或“右”)端；
(3)在图乙的坐标纸上补齐数据表中所给数据点，并作出R2t的曲线；
(4)将RT握于手心，手心温度下R2的相应读数如图丙所示，该读数为______Ω，则手心温度为______℃.
【答案】 (1)③　(2)左　(3)见解析图　(4)580.0　34或35
【解析】 (1)如果接电流表，热敏电阻RT其标称值25.0 ℃时的阻值为900.0 Ω，电源20 V，可得通过热敏电阻的电流约为I＝ A≈0.02 A，比两电流表的量程小得多，不易准确测量，故不选①②；电压表V内阻与热敏电阻的阻值相差不多，而量程为电源一半，可以准确测量，故选③.
(2)为了安全，在闭合S1前，分压电路的电压应该为0，所以图甲中R1的滑片应移动到左端.
(3)在图乙的坐标纸上补齐数据表中所给数据点，并作出R2t的曲线，如图所示.
(4)该读数为R＝(5×100＋8×10＋0×1＋0×0.1) Ω＝580.0 Ω，当R2＝580.0 Ω时，由(3)中图可知，手心温度为34 ℃或35 ℃.