高考物理一輪教學案專題十二考點二實驗十一 傳感器的簡單使用 含解析

實驗十一傳感器的簡單使用基礎點1.實驗裝置及電路圖2實驗目的(1)認識熱敏電阻、光敏電阻等傳感器的特性。(2)了解傳感器的簡單應用。3實驗原理傳感器是能將所感受到的物理量 (如力、熱、光、聲等等)轉(zhuǎn)換成 便于測量的量 (一般是電學量)的一類元件。其工作過程是通過對某一 物理量敏感的元件，將感受到的信號按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成便于利用的信 號。如熱電傳感器是利用熱敏電阻將熱信號轉(zhuǎn)換成電信號。轉(zhuǎn)換后的 信號經(jīng)過相應的儀器進行處理，就可以達到自動控制的目的。4實驗器材熱敏電阻、光敏電阻、多用電表、鐵架臺、燒杯、冷水、熱水、 小燈泡、學生電源、繼電器、滑動變阻器、開關、導線等。5實驗步驟第1頁共19頁A研究熱敏電阻的熱敏特性(1)實驗步驟按圖所示連接好電路，將熱敏電阻進行絕緣處理。將多用電表置于歐姆擋，選擇適當?shù)膿跷粶y出燒杯中沒有水時 熱敏電阻的阻值，并記下溫度計的示數(shù)。向燒杯中注入少量的冷水，使熱敏電阻浸沒在冷水中，記下溫 度計的示數(shù)和多用電表測量的熱敏電阻的阻值。將熱水分幾次注入燒杯，測量不同溫度下熱敏電阻的阻值，并 記錄。(2)數(shù)據(jù)處理根據(jù)記錄數(shù)據(jù)，把測量到的溫度、電阻值填入表中，分析熱敏 電阻的特性。在如圖所示的坐標系中，粗略畫出熱敏電阻的阻值隨溫度變化 的圖線。第2頁共19頁(3)實驗結(jié)論根據(jù)實驗數(shù)據(jù)和 R-t 圖線，得出結(jié)論：熱敏電阻的阻值隨溫度的 升高而減小，隨溫度的降低而增大。B研究光敏電阻的光敏特性(1)實驗步驟將光敏電阻、多用電表、小燈泡、學生電源、滑動變阻器按如 圖所示電路連接好，其中多用電表置于歐姆擋“× 100”擋。先測出在室內(nèi)自然光的照射下光敏電阻的阻值，并記錄數(shù)據(jù)。打開電源，讓小燈泡發(fā)光，調(diào)節(jié)小燈泡的亮度使之逐漸變亮， 觀察表盤指針顯示電阻阻值的情況，并記錄。測量用手掌 (或黑紙)遮光時光敏電阻的阻值并記錄。(2)數(shù)據(jù)處理把記錄的結(jié)果填入下表中，根據(jù)記錄數(shù)據(jù)分析光敏電阻的特性。光照強度弱中強無光照射電阻() (3)實驗結(jié)論第3頁共19頁T T 光敏電阻被光照射時其電阻值發(fā)生變化，光照增強電阻變小，光 照減弱電阻變大。重難點一、誤差分析1溫度計讀數(shù)帶來的誤差，可以選用精度高的溫度計在較長時 間內(nèi)讀數(shù)三次取平均值。2歐姆表的讀數(shù)帶來的誤差，可以對同一溫度、同一光照強度 下的電阻讀數(shù)三次取平均值。二、注意事項1在做熱敏電阻實驗時，加開水后要等一會兒再測其阻值，以 使電阻溫度與水的溫度相同，并同時讀出水溫和電阻值。2光敏電阻實驗中，如果效果不明顯，可將電阻部分電路放入 帶蓋的紙盒中，并通過蓋上小孔改變照射到光敏電阻上的光的強度。3歐姆表每次換檔后都要重新調(diào)零。三、實驗改進1實驗過程對于熱敏電阻的特性，可用以下實驗進行研究。如圖所示，將多用電表的選擇開關置于歐姆擋，再將電表的兩支 表筆與負溫度系數(shù)的熱敏電阻 R 的兩端相連，這時表針指在某一刻 度，觀察下述操作下的指針偏轉(zhuǎn)情況：(1)往 R 上擦一些酒精。(2)用吹風機將熱風吹向電阻，根據(jù)指針偏轉(zhuǎn)方向判斷熱敏電阻 的特性。2實驗分析第4頁共19頁T T T T H l 1 2 nqdH nqd H (1)往 R 上擦一些酒精，發(fā)現(xiàn)指針左偏，說明 R 的阻值增大， 而酒精蒸發(fā)吸熱，熱敏電阻的溫度降低，所以熱敏電阻的阻值隨溫度 的降低而增大。(2)用吹風機將熱風吹向電阻，發(fā)現(xiàn)指針右偏，說明 R 的阻值減 小，而熱敏電阻 R 的溫度升高，故熱敏電阻的阻值隨溫度的升高而 減小。優(yōu)點：改進后的實驗簡單且易操作，同學們能很快得出結(jié)論。 四、霍爾元件1霍爾元件如圖所示，在一個很小的矩形半導體(例如砷化銦 )薄片上，制作 四個電極 E、F、M、N，它就成為一個霍爾元件。霍爾元件能夠把 磁感應強度這個磁學量轉(zhuǎn)換為電壓這個電學量。2霍爾電壓如上圖所示，在 E、F 間通入恒定電流 I，同時外加磁場 B，則 薄片中的載流子同時受到電場力和磁場力的作用。當磁場力與電場力 平衡時，M、N 間電勢差達到恒定。設薄片厚度為 d，EF 方向長度U為 l ，MN 方向長度為 l ，則 q qvB。2IB又電流的微觀表達式為 InqSv，所以 U 。因為同一材料單位體積內(nèi)載流子的個數(shù) n、單個載流子的電荷量1 IBq 均為定值，令 k ，所以 U k 。特別提醒第5頁共19頁IBd T T T T 0 T 1 1 1 T11 霍爾電壓 UHk 中，k 為霍爾系數(shù)，其大小與薄片的材料有關。2 種電阻熱敏電阻、光敏電阻 1 種元件霍爾元件1 種原理傳感器的原理典例 1如圖，一熱敏電阻 R 放在控溫容器 M 內(nèi)；mA 為毫安表，量程 6 mA，內(nèi)阻為數(shù)十歐姆；E 為直流電源，電動勢約為 3 V， 內(nèi)阻很?。籖 為電阻箱，最大阻值為 999.9 ；S 為開關。已知 R 在 95 時的阻值為 150 ，在 20 時的阻值約為 550 ?，F(xiàn)要求在降 溫過程中測量在 9520 之間的多個溫度下 R 的阻值。(1)在圖中畫出連線，完成實驗原理電路圖。(2)完成下列實驗步驟中的填空：a依照實驗原理電路圖連線。b調(diào)節(jié)控溫容器 M 內(nèi)的溫度，使得 R 的溫度為 95 。c把電阻箱調(diào)到適當?shù)某踔?，以保證儀器安全。d閉合開關，調(diào)節(jié)電阻箱，記錄電流表的示數(shù) I ，并記錄_。 e將 R 的溫度降為 T (20 <T <95 )；調(diào)節(jié)電阻箱，使得電流表的讀數(shù)_，記錄_。f溫度為 T 時熱敏電阻的電阻值 R _。g逐步降低 T 的數(shù)值，直至 20 為止；在每一溫度下重復步 驟 e、f。第6頁共19頁0 0 1 0 1T T T E 0 1 0 1 E E E1 T1 01 T1T1 0 1答案 (1)見解析(2)d.電阻箱的讀數(shù) Re仍為 I 電阻箱的讀數(shù) R解析 fR R 150 (1)根據(jù)所給器材，要測量在不同溫度下 R 的阻值，只能將電阻箱、熱敏電阻、毫安表與電源串聯(lián)形成測量電路，如圖所示。(2)依據(jù)實驗原理電路圖連線；調(diào)節(jié)控溫容器 M 內(nèi)的溫度，使得 R 溫度為 95 ，此時 R 阻值為 150 ，將電阻箱調(diào)到適當?shù)淖柚?，以保證儀器安全；閉合開關，調(diào)節(jié)電阻箱，記錄毫安表的示數(shù)I0，并記錄電阻箱的讀數(shù) R0，根據(jù)歐姆定律有 I0 ；將 RTR 150 的溫度降為 T1(20 T 95 )；調(diào)節(jié)電阻箱，使得毫安表的讀數(shù)仍為 I，記錄電阻箱的讀數(shù) R ，根據(jù)歐姆定律：I0 ，則 ，解得 R R R R 150 R RR R 150 ?！窘忸}法】傳感器實驗的側(cè)重與注意點在高考中關于傳感器的實驗主要側(cè)重于實驗電路的設計與連接， 實驗數(shù)據(jù)的圖象處理，解決該類問題注意以下幾點：(1)依據(jù)題目要求或根據(jù)傳感器的估計阻值設計電路，如分壓、 限流接法，電流表的內(nèi)、外接。(2)實物連線時，一般先將串聯(lián)的主體電路連接好，然后連接并第7頁共19頁1 21 1 1 20 1 1 1 2 2 1 21 20 k 0 k gE。 0 k 0 1 1聯(lián)的器材。典例 2如圖所示為某種電子秤的原理示意圖， AB 為一均勻的滑動變阻器，阻值為 R，長度為 L，兩邊分別有 P 、P 兩個滑動頭， 與 P 相連的金屬細桿可在被固定的豎直光滑絕緣桿 MN 上保持水平 狀態(tài)，金屬細桿與托盤相連。金屬細桿所受重力忽略不計，彈簧處于 原長時 P 剛好指向 A 端，若 P 、P 間出現(xiàn)電壓時，該電壓經(jīng)過放大 通過信號轉(zhuǎn)換器后在顯示屏上顯示出質(zhì)量的大小。已知彈簧的勁度系 數(shù)為 k，托盤自身質(zhì)量為 m ，電源的電動勢為 E，電源的內(nèi)阻忽略不 計，信號放大器、信號轉(zhuǎn)換器和顯示器的分流作用忽略不計，求：(1)托盤上未放物體時在托盤的自身重力作用下 P 距 A 端的距離 x ；(2)在托盤上放有質(zhì)量為 m 的物體時 P 距 A 端的距離 x ；(3)在托盤上未放物體時通常先校準零點，其方法是調(diào)節(jié) P ，從 而使 P 、P 間的電壓為零，校準零點后將被稱物體放在托盤上。試 推導出被稱物體的質(zhì)量 m 與 P 、P 間電壓 U 的函數(shù)關系式。答案 m g(1)(mm )g (2)kL(3)m U解析 (1)由力的平衡知識知m gm gkx ，x (2)放上重物重新平衡后第8頁共19頁0 2 20 ，xxx R LgEx 2 10 g 0 m gmgkx ，x (mm )g 。k(3)設電路中的電流為 I，則 EIR，設 P1、P2 間的電阻為 Rx，距離為 x，則R x kL UIR ， x ，解得 m U。【解題法】傳感器的工作過程設計1如圖甲表示某電阻 R 隨攝氏溫度 t 變化的關系，圖中 R 表示 0 時的電阻，k 表示圖線的斜率。若用該電阻與電池 (E，r)、電流 表 R 、變阻器 R串聯(lián)起來，連接成如圖乙所示的電路，用該電阻 做測溫探頭，把電流表的電流刻度改為相應的溫度刻度，于是就得到 了一個簡單的“電阻測溫計”。(1)現(xiàn)要把電流表的刻度值改為相應的溫度刻度值，則高溫刻度 應在表盤的_ (選填“左”或“右” )側(cè)；(2)在標識“電阻測溫計”的溫度刻度時，需要弄清所測溫度和 電流的對應關系。請用 E、R 、k 等物理量表示所測溫度 t 與電流 I 的關系式：t_；第9頁共19頁1 2 1 2 3 4 1 2 g kI kg 0E g 01 k 1 (3)由(2)知，計算溫度和電流的對應關系，需要測量電流表的內(nèi) 阻(量程 3 mA，內(nèi)阻約為 200 ，設符號為“A ”)。已知實驗室還有下 列器材：A電源 E(電動勢 12 V，內(nèi)阻 r 較小)B電流表 A (量程 0.6 A，內(nèi)阻約為 0.3 )C滑動變阻器 R (020 )D滑動變阻器 R (020 k)E電阻箱 R (099.99 )F電阻箱 R (0999.9 )G電壓表 V (量程 3.0 V，內(nèi)阻約為 3 k)H電壓表 V (量程 15.0 V，內(nèi)阻約為 5 k)還有開關(單擲、雙擲等)，導線若干。請在方框內(nèi)設計一個合適的電路，用于測量電流表內(nèi)阻 R (電路 中用你選擇的器材符號表示 )。答案(1)左E 1(2) (rRR R )(3)見解析解析(1)溫度升高，R 的阻值越大，電流表的讀數(shù)越小，所以把電流表的刻度值改為相應的溫度刻度值時，高溫刻度應在表盤的左側(cè)。(2)根據(jù)閉合電路歐姆定律得 I ，所以 trRR R ktEkI (rRRgR0)。(3)測電流表 A 的內(nèi)阻，可用伏安法，也可用半偏法。第10頁共19頁U 1 I 1 2 若用伏安法，電路圖如圖甲所示，其原理為 U1I1(RA1R4)，則 RA1 R4。1若用半偏法，電路圖如圖乙所示，其原理為當電流表 A1由滿偏變?yōu)榘肫珪r，RA1R4。的示數(shù)2實驗室備有以下器材：電壓傳感器、電流傳感器、滑動變阻 器 R (阻值變化范圍 020 )、滑動變阻器 R (阻值變化范圍 01000 )、電動勢適當?shù)碾娫础⑿襞?(4 V,2 W)、開關、導線若干。(1)要完整地描繪小燈泡的 U-I 曲線，請在方框中畫出實驗電路 圖，并標出所用滑動變阻器的符號。第11頁共19頁0 (2)實驗中描繪出的小燈泡 U-I 曲線如圖所示，由圖可知，小燈 泡燈絲電阻隨溫度升高而 _ 。 ( 填“增大”“減小”或“不 變”)(3)如果用上述器材測量所給電源的電動勢和內(nèi)電阻，實驗電路 如圖甲所示，圖中 R 是阻值為 9.0 的保護電阻，實驗中測得多組 數(shù)據(jù)記錄在下表中，試在同一坐標系中畫出等效電源的 U-I 圖象，由 圖象可求出電源自身內(nèi)阻約為 _。序號1 2 3 4 5 6U/V 4.00 3.40 2.80 2.00 1.50 0.80 I/A 0.20 0.25 0.33 0.40 0.46 0.52(4)若將上述小燈泡直接與電源和保護電阻組成串聯(lián)電路，如圖 乙所示，此時小燈泡消耗的電功率約為 _W。答案(1)電路圖見解析(2)增大(3)圖見解析1.0第12頁共19頁 U æ 6 ö0.6 Iè ø(4)0.82(0.800.84 W 均正確)解析(1)要描繪小燈泡的伏安特征曲線，電壓與電流應從零開始變化，滑動變阻器要采用分壓接法，由于小燈泡的阻值較小，電流 傳感器應用外接法，電路圖如圖所示。(2)由圖示 U-I 圖象可知，隨電壓與電流的增大，燈泡實際功率增 大，燈絲溫度升高，電壓與電流的比值增大，燈絲電阻增大，由此可 知，小燈泡燈絲電阻隨溫度升高而增大。(3)根據(jù)表中實驗數(shù)據(jù)作出等效電源 U-I 圖象如圖所示，由圖示圖 象可知，電源內(nèi)阻 r R0ç 9.0÷ 1.0 。(4)由圖示圖象可知，燈泡兩端電壓為 2.1 V，電流為 0.39 A ，燈第13頁共19頁泡的電功率為 PUI2.1×0.39 W0.82 W。物理建模設計探究性實驗的處理方法1設計探究性實驗所謂設計探究性實驗，就是題目要求考生運用學過的實驗方法， 自行設計一個新的實驗方案，它要求考生設計實驗原理，選擇實驗器 材，安排實驗步驟，設計數(shù)據(jù)處理方法以及分析實驗誤差等。主要考 查考生是否理解實驗原理和實驗儀器的使用，是否具有靈活運用實驗 知識的能力，是否具有在不同情況下遷移知識的能力。設計性實驗對 考生的能力要求較高，是高考經(jīng)?？疾榈念}型之一。2設計探究性實驗的設計原則(1)科學性設計的方案應有科學的依據(jù)及正確的操作方式。方案中所依據(jù)的原理應遵循物理規(guī)律，且要求選用的規(guī)律簡單、 正確。方案中所安排的操作程序應合理，其操作符合實驗規(guī)則要求。 方案中進行數(shù)據(jù)處理及誤差分析應依靠科學的方法。(2)安全性按設計方案實施時，應安全可靠，不會對儀器、器材造成損壞。 選用器材時，應考慮儀器、器材的性能及量值 (如儀表的量程、電器的額定值等 )的要求。設計方案時，應安排保護措施。(3)精確性實驗誤差應控制在誤差允許的范圍之內(nèi)，盡可能選擇誤差較小的 方案。在安裝器材時或在使用儀器之前，應按實驗要求對器材、儀器 精心調(diào)整。如在使用某些儀表前，應進行機械調(diào)零。選用合適的測量工具 (直尺、儀表)及合適的量值范圍，使之 與被測數(shù)值相匹配。如使用多用電表測量某電阻時，應選用合適的擋 位，使測量時電表指針指在中央刻度值附近。第14頁共19頁實驗中可能出現(xiàn)因操作而帶來的偶然誤差，往往需要多次重 復實驗，獲取多組實驗數(shù)據(jù)，以備選取有效數(shù)據(jù)。設計合理的數(shù)據(jù)處理方式。如將多組有效數(shù)據(jù)相加后除以測 量次數(shù)，取其算術平均值 (一般求待測量的算術平均值，而不是求某 些中間量的算術平均值 )。(4)簡便性、直觀性設計實驗應便于操作、讀數(shù)，便于進行數(shù)據(jù)處理，便于實驗者 觀察。3設計性實驗的設計思路解決設計性實驗問題的關鍵在于選擇實驗原理，它是進行實驗 設計的根本依據(jù)和起點。它決定應當測量哪些物理量、如何安排實驗 步驟等項目。實驗原理的確定：一是根據(jù)問題的要求，二是根據(jù)問題 的條件。如果問題中沒有給定 (或給足)實驗器材，實驗設計的基本思路是： (1)根據(jù)問題的條件和要求，構思相關的物理情景；(2)確定實驗原理；(3)確定需要測量的物理量；(4)制訂實驗方案。有時，對同一個問題，可以構思出不同的物理情景，導出物理 量的不同表達形式，以這些表達式作為實驗設計的依據(jù)，會有不同的 實驗原理和實驗方案。如果問題中已經(jīng)給出實驗器材，則設計實驗時只能按所給的器 材來構思物理情景。相對而言，實驗原理和實驗方案都會受到較大的 限制。【典例】 某同學對有故障的電熱毯進行探究。圖甲是電熱毯的 電路示意圖，其中電熱線和導線通過金屬接線片連接。圖乙為測試電 路實物圖， A、 B 為測試表筆，電壓表內(nèi)阻很大，可視為理想電表。第15頁共19頁1 1 2(1)請畫出與圖乙對應的電路圖。(2)斷開 K ，用上述測試電路在 1 和 1之間檢測得知電熱線無 故障，然后測得電熱線的 U-I 曲線如圖丙所示。已知電熱線材料的電阻率為 2.8×107·m，電熱線的直徑為 0.200 mm，可求得此電熱線的電阻為 _k，總長度為 _m。(結(jié)果均保留兩位有效 數(shù)字)(3)為了進一步檢查故障，該同學閉合開關 K 和 K ，用表筆 A 和 B 分別對圖甲中所示的各點進行測試，部分測試結(jié)果如下表所示。 由此測試結(jié)果可判斷出電路有斷路，位置在 _之間 (在“ 1 和 2”“1和 2”“2 和 3”“2和 3”中選填一項 )。第16頁共19頁4.3l l2解析(1)電路圖如答案圖所示(2)U-I 曲線中，圖線的斜率即為電阻的測量值，2.5R k0.58 k，根據(jù) R ，S ædöç ÷2è ø代入數(shù)據(jù)得 l65 m。(3)測 3 與 3間，電流表無示數(shù)，說明圖中的電熱線或某兩點間 斷路；測 1 和 1間時，電流表有示數(shù)，說明電熱線無故障；測 1 和3 間電流表有示數(shù)，說明 1 和 3 間沒有斷路；測 2和 3間電壓表 無示數(shù)，電流表有示數(shù)，說明 2和 3間沒有斷路，測 1 和 2間 電流表無示數(shù)，說明 1 和 2間斷路，所以斷路位置必在 1和 2 間。答案 (1)(2)0.58(0.57 到 0.59 均可) 65(64 到 66 均可) (3)1和 2第17頁共19頁心得體會 第18頁共19頁第19頁共19頁