2020-2021学年 高二物理 传感器的简单使用 期末复习强化学案Word版含答案

传感器的简单使用
实验溯本求源
一、研究热敏电阻的热敏特性
二、研究光敏电阻的光敏特性
●注意事项
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欧姆调零．
●误差分析
1．温度计读数带来误差．
2．多用电表读数带来误差．
3．热敏电阻与水温不同带来误差．
4．作R?t图象时的不规范易造成误差．
实验热点探究
热点一　教材原型实验
师生共研
题型1|器材选择与实验操作过程
例1 如图甲所示为热敏电阻的R?t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，继电器线圈的电阻为200 Ω.当线圈中的电流大于或等于20 mA时，继电器的衔铁被吸合．为继电器线圈供电电池的电动势E＝8 V，内阻可以不计．图中的“电源”是恒温箱加热电源．
(1)图甲说明热敏电阻的阻值随着温度的升高________(选填“增大”“减小”或“不变”)．
(2)应该把恒温箱内加热器接________(选填“AB”或“CD”)端．
(3)如果要使恒温箱内的温度保持100 ℃，滑动变阻器R1接入电路的电阻值为________ Ω.
题型2|光敏电阻传感器
例2 电控调光玻璃能根据光照强度自动调节玻璃的透明度，将光敏电阻Rx和定值电阻R0接在9 V的电源上，光敏电阻阻值随光强变化关系如表所示：
光强E/cd
1
2
3
4
5
电阻值/Ω
18
9
6
3.6
[“光强”表示光强弱程度的物理量，符号为E，单位坎德拉(cd)]
(1)当光照强度为4坎德拉(cd)时光敏电阻Rx的大小为________Ω.
(2)其原理是光照增强，光敏电阻Rx阻值变小，施加于玻璃两端的电压降低，玻璃透明度下降，反之则玻璃透明度上升．若电源电压不变，R0是定值电阻，则下列电路图中符合要求的是________(填序号)．
练1　[2020·和平区模拟]热电传感器利用了热敏电阻对温度变化响应很敏感的特性．某学习小组的同学探究某种类型的热敏电阻的阻值如何随温度变化，从室温升到80 ℃时，所提供的热敏电阻Rt的阻值变化范围可能是由5 Ω变到1 Ω或由5 Ω变到45 Ω.除热敏电阻外，可供选用的器材如下：
温度计，测温范围－10～100 ℃；
电流表A1：量程3A，内阻rA＝0.1 Ω；
电流表A2：量程0.6 A，内阻约为0.2 Ω；
电压表V1：量程6 V，内阻rV＝1.5 kΩ；
电压表V2：量程3 V，内阻约为1 kΩ；
标准电阻：阻值R1＝100 Ω；
滑动变阻器R2：阻值范围0～5 Ω；
电源E，电动势3 V，内阻不计；
开关及导线若干．
(1)甲同学利用如图所示的电路测量室温下热敏电阻的阻值．要使测量效果最好，应选下列________组器材．
A．A1和V1　　B．A2和V2　　C．A1和V2
(2)在测量过程中，随着倒入烧杯中的开水增多，热敏电阻的温度升高到80 ℃时，甲同学发现电流表、电压表的示数几乎都不随滑动变阻器R2的阻值的变化而改变(电路保持安全完好)，这说明该热敏电阻的阻值随温度升高而________(选填“增大”或“减小”)．
(3)学习小组的同学根据甲同学的实验，建议他在测量较高温度下热敏电阻的阻值时重新设计电路，更换器材．请你在如图所示的虚线框内完成测量温度80 ℃时热敏电阻阻值的实验电路图．
热点二　实验拓展创新　
例3 某实验小组利用传感器来探究弹力与弹簧伸长的关系．如图甲所示，先将轻弹簧上端通过力传感器固定在水平的长木板A上，下端自由下垂，将距离传感器轻轻靠近轻弹簧下端，当力传感器示数为零时，距离传感器的示数为x0；然后再将轻弹簧下端与距离传感器固定，下面连接轻质木板B，距离传感器可以测量出其到力传感器的距离x，木板B下面用轻细绳挂住一小桶C.
(1)逐渐往小桶C内添加细沙，记录相应的力传感器的示数F和距离传感器的示数x，作出F?x图象如图乙所示．由图及相关信息可知，弹簧的劲度系数k＝______ N/m，弹簧原长L0＝________ cm.
(2)将该弹簧应用到电子秤上，如图丙所示(两根弹簧)．闭合开关S，称不同物体的质量时，滑片P上下滑动，通过电子显示器得到示数．弹簧处于自然伸长状态时，滑片P位于R的最上端，通过验证可知，电子显示器的示数I与物体质量m的关系为m＝ak－bkI (a、b均为常数，k为轻弹簧的劲度系数)，则滑动变阻器R的长度L＝________，电源电动势E＝________.(保护电阻和滑动变阻器最大阻值均为R0，电源内阻不计，已知当地重力加速度为g)
练2　[2020·河南洛阳联考] (多选)指纹传感器为在一块半导体基板上阵列了10万金属颗粒，每一颗粒充当电容器的一极，外表面绝缘，手指在其上构成电容器的另外一极，当手指的指纹一面与绝缘表面接触时，由于指纹深浅不同，对应的峪(本义：山谷)和嵴(本义：山脊)与半导体基板上的金属颗粒间形成一个个电容值不同的电容器，若金属颗粒与手指间组成的每个电容器电压保持不变，则(　　)
A．指纹的嵴处与半导体上对应的金属颗粒距离近，电容小
B．指纹的峪处与半导体上对应的金属颗粒距离远，电容小
C．在手指挤压绝缘表面时，电容电极间的距离减小，金属颗粒电极电荷量增加
D．在手指挤压绝缘表面时，电容电极间的距离减小，金属颗粒电极电荷量减少
练3　某同学通过实验制作一个简易的温控装置，实验原理电路图如图甲所示，继电器与热敏电阻Rt、滑动变阻器R串联接在电源E两端，当继电器的电流超过15 mA时，衔铁被吸合，加热器停止加热，实现温控．继电器的电阻约20 Ω，热敏电阻的阻值Rt与温度t的关系如下表所示．
t/℃
30.0
40.0
50.0
60.0
70.0
80.0
Rt/Ω
199.5
145.4
108.1
81.8
62.9
49.1
(1)提供的实验器材有：电源E1(3 V，内阻不计)、电源E2(6 V，内阻不计)、滑动变阻器R1(0～200 Ω)、滑动变阻器R2(0～500 Ω)、热敏电阻Rt、继电器、电阻箱(0～999.9 Ω)、开关S、导线若干．
为使该装置实现对30～80 ℃之间任一温度的控制，电源E应选用________(选填“E1”或“E2”)，滑动变阻器R应选用________(选填“R1”或“R2”)．
图甲
图乙
(2)实验发现电路不工作．某同学为排查电路故障，用多用电表测量各接点间的电压，则应将如图乙所示的选择开关旋至________(选填“A”“B”“C”或“D”)．
(3)合上开关S，用调节好的多用电表进行排查．在图乙中，若只有b、c间断路，则应发现表笔接入a、b时指针________(选填“偏转”或“不偏转”)，接入a、c时指针________(选填“偏转”或“不偏转”)．
(4)排除故障后，欲使衔铁在热敏电阻为50 ℃时被吸合，下列操作步骤的正确顺序是________．(填写各步骤前的序号)
①将热敏电阻接入电路
②观察到继电器的衔铁被吸合
③断开开关，将电阻箱从电路中移除
④合上开关，调节滑动变阻器的阻值
⑤断开开关，用电阻箱替换热敏电阻，将阻值调至108.1 Ω
实验十二　传感器的简单使用
实验热点探究
例1　解析：
(1)由图甲可知热敏电阻的阻值随着温度的升高而减小；
(2)当温度较低的时候，热敏电阻的电阻较大，电路中的电流较小，此时继电器的衔铁与AB部分连接，此时是需要加热的，恒温箱内的加热器要工作，所以应该把恒温箱内的加热器接在AB端．
(3)当温度达到100 ℃时，加热电路就要断开，此时的继电器的衔铁要被吸合，即控制电路的电流要到达20 mA＝0.02 A，根据闭合电路欧姆定律可得：I＝ER+R'+R0，即：0.02 A＝8 V200 Ω+50 Ω+R'，解得：R′＝150 Ω.
答案：(1)减小　(2)AB　(3)150
例2　解析：(1)由表格数据可知，光敏电阻Rx与光强E的乘积均为1.8 Ω·cd不变，则当E＝4 cd时，光敏电阻的阻值：Rx＝18 Ω·cd4cd＝4.5 Ω.(2)由题意可知，光敏电阻Rx与定值电阻R0串联连接，光照增强时．光敏电阻Rx阻值减小，电路中的总电阻减小，由I＝UR可知，电路中的电流增大，由U＝IR可知，R0两端的电压增大，因串联电路中总电压等于各分电压之和，所以Rx两端的电压减小，反之，光照减弱时，光敏电阻Rx阻值增大，R0两端的电压减小．Rx两端的电压增大，则玻璃并联在R0两端时不符合，玻璃并联在Rx两端时符合，故A项错误，C项正确；若玻璃与电源并联，光照变化时，玻璃两端的电压不变，故B、D项错误．
答案：(1)4.5　(2)C
练1　解析：(1)因电路中热敏电阻两端的电压不大于3 V，所以电压表选用量程为3 V的V2，电路电流不大于0.6 A，电流表选用量程为0.6 A的A2，则应选用B组电表；
(2)温度升高到80 ℃时，电流表、电压表的示数几乎都不随滑动变阻器R2的阻值的变化而改变，是由于热敏电阻的阻值远大于滑动变阻器的电阻，所以该热敏电阻的阻值随温度升高而增大；
(3)因温度较高时热敏电阻的阻值较大，控制电路应改为分压接法，如图所示．
答案：(1)B　(2)增大　(3)见解析图
例3　解析：(1)由弹簧的弹力与其形变量的关系可得：F＝k(L－L0)，
由表达式结合图象可知图象斜率表示弹簧的劲度系数，而横截距表示弹簧的原长，
故弹簧的劲度系数k＝ΔFΔx＝160.16 N/m＝100 N/m；
弹簧原长L0＝4 cm；
(2)当所称的物体质量为零时，有：ak＝bkI，
此时由电路结构可得：E＝2IR0，
联立解得电源电动势：E＝2bR0a；
当所称的物体质量最大时，弹簧被压缩L，
此时有：I′＝ER0，mg＝2kL，
联立解得：L＝14ag.
答案：(1)100　4　(2)14ag　2bR0a
练2　解析：本题考查指纹传感器及其相关知识点，指纹的嵴处与半导体基板上对应的金属颗粒距离近，根据电容的决定式C＝εrS4πkd得知，电容大，A错误；指纹的峪处与半导体基板上对应的金属颗粒距离远，根据电容的决定式C＝εrS4πkd得知，电容小，B正确；在手指挤压绝缘表面时，手指与对应的金属颗粒距离减小，电容增大，而电压一定，则由Q＝CU可知，各金属颗粒电极电荷量增加，C正确，D错误．
答案：BC
练3　解析：本题考查器材选择，故障检测，实验操作．
(1)因通过继电器的电流超过15 mA时加热器停止加热，为使该装置实现对30～80 ℃之间任一温度的控制，要求电路在30～80 ℃之间的任一温度下的电流能通过调节达到15 mA.当控制到30 ℃时，电路的最小阻值为Rmin＝199.5 Ω＋20 Ω＝219.5 Ω，要使电流达到15 mA，则所需电源电动势至少为Emin＝IRmin＝3.29 V，故电源只能选用电动势为6 V的E2.为使温度控制在80 ℃，则在6 V电源下电路中的电流能达到15 mA，故此时滑动变阻器接入电路中的阻值为R＝E2I－(R1＋R继)＝60.015 Ω－49.1 Ω－20 Ω＝330.9 Ω，故滑动变阻器应选用R2.
(2)由于是用多用电表测直流电压，且电源电动势为6 V，故应选择直流电压10 V挡．
(3)若只有b、c间断路，电路中无电流，a、b间电压为0，a、c间电压等于电源电压，故表笔接入a、b时指针不偏转，接入a、c时指针偏转，且示数等于电源电动势．
(4)欲使衔铁在50 ℃时被吸合，则要求温度达到50 ℃时电路中电流达到15 mA，而此时热敏电阻的阻值为108.1 Ω.为确定滑动变阻器应接入电路中的阻值，先将电阻箱调到108.1 Ω并替代热敏电阻接入电路，调节滑动变阻器使衔铁恰好被吸合，然后再保持滑动变阻器滑片位置不动，将热敏电阻再替换回电阻箱即可，故合理的顺序应为⑤④②③①.
答案：(1)E2　R2　(2)C　(3)不偏转　偏转　(4)⑤④②③①