物理實驗十一 傳感器的簡單使用

實驗十一：傳感器的簡單使用1.實驗?zāi)康?1)知道什么是傳感器，知道光敏電阻和熱敏電阻的作用.(2)能夠通過實驗探究“光敏電阻和熱敏電阻的特性”.(3)了解常見的各種傳感器的工作原理、元件特性及設(shè)計方案.2.實驗原理非電學(xué)測量的量(1)傳感器：傳感器是將所感受到的諸如力、熱、光、聲、化學(xué)成分等_量轉(zhuǎn)換成便于_(一般是電壓、電流等電學(xué)量)的一類元件.(2)傳感器的一般應(yīng)用模式：由敏感元件、轉(zhuǎn)換器件和轉(zhuǎn)換電路三個部分組成，通過敏感元件獲取外界信息并轉(zhuǎn)換成電信號，通過輸出部分輸出，然后經(jīng)控制器分析處理.(如圖 S11-1 所示)圖 S11-1工作過程：敏感元件將感受到的物理量按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成便于測量的量，如下所示.(3)傳感器的分類：力電傳感器、熱電傳感器、光電傳感器、聲電傳感器、電容式傳感器、磁電傳感器、超聲波傳感器、氣敏傳感器等.(4)常見傳感器元件力學(xué)電學(xué)力電傳感器：把_(位移、速度、加速度等)信號轉(zhuǎn)化為_(電壓、電流等)信號.光敏電阻：無光照時，載流子(可以自由移動的帶有電荷的物質(zhì)微粒，如電子和離子)極少，阻值較大；隨著光照的增強(qiáng)，載流子增多，阻值減小.能夠把光照強(qiáng)弱這個光學(xué)量轉(zhuǎn)換成電阻這個電學(xué)量.熱敏電阻：利用半導(dǎo)體材料制成，其電阻阻值隨溫度的升高而減小，能把_這個熱學(xué)量轉(zhuǎn)換為_這個電學(xué)量.溫度電阻溫度傳感器電阻金屬熱電阻：有些金屬的電阻率隨溫度的升高而增大，這樣的電阻也可以制成_，稱為熱電阻，能把溫度這個熱學(xué)量轉(zhuǎn)換為_這個電學(xué)量.3.實驗器材鐵架臺、熱敏電阻、光敏電阻、多用電表、燒杯、溫度計、冷水、熱水、強(qiáng)光源、學(xué)生電源、小燈泡、滑動變阻器、導(dǎo)線、開關(guān)等.4.實驗過程(1)研究熱敏電阻的熱敏特性.減小增大熱敏電阻的阻值隨溫度的升高而_，隨溫度的降低而_.(2)研究光敏電阻的光敏特性.減小光敏電阻在光照加強(qiáng)的條件下，其阻值逐漸_.5.注意事項(1)在研究電阻的熱敏特性時，熱敏電阻、燒杯、溫度計易破損，忌用溫度計當(dāng)攪拌器.(2)實驗時，加熱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.(3)在做光敏電阻實驗中，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射到光敏電阻上的光的多少.(4)歐姆表每次換擋后都要重新調(diào)零.(5)當(dāng)傳感元件需要接入電路中時，要注意它的電學(xué)參數(shù).【基礎(chǔ)自測】1.觀察電阻值隨溫度變化情況的示意圖如圖 S11-2 所示.現(xiàn)在把杯中的水由冷水變?yōu)闊崴P(guān)于歐姆表的讀數(shù)變化情況正確的是()A.若 R 為金屬熱電阻，讀數(shù)變大，且變化非常明顯B.若 R 為金屬熱電阻，讀數(shù)變小，且變化不明顯C.若 R 為熱敏電阻(半導(dǎo)體材料制成)，讀數(shù)變化非常明顯D.若 R 為熱敏電阻(半導(dǎo)體材料制成)，圖 S11-2讀數(shù)變化不明顯答案：C2.利用負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻制作的熱傳感器，一般體積很小，可以用來測量很小范圍內(nèi)的溫度變化，反應(yīng)快，而且精確度高.(1)如果將負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻與電源、電流表和其他元件串聯(lián)成一個電路，其他因素不變，只要熱敏電阻所處區(qū)域的溫度降低，電路中電流將變_(填“大”或“小”).(2)上述電路中，我們將電流表中的電流刻度換成相應(yīng)的溫度刻度，就能直接顯示出熱敏電阻附近的溫度.如果刻度盤正中的溫度為 20 (如圖 S11-3 甲所示)，則 25 的刻度應(yīng)在 20 的刻度的_(填“左”或“右”)側(cè).甲乙圖 S11-3(3)為了將熱敏電阻放置在某蔬菜大棚內(nèi)檢測大棚內(nèi)溫度變化，請用圖乙中的器材(可增加元器件)設(shè)計一個電路.解析：(1)因為負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻溫度降低時，電阻增大，故電路中電流會減小.(2)由(1)的分析知，溫度越高，電流越大，25 的刻度應(yīng)對應(yīng)較大電流，故在 20 的刻度的右側(cè).(3)電路如圖 D49 所示.答案：(1)小(2)右(3)如圖 D49 所示.圖 D493.如圖 S11-4 所示，圖甲為熱敏電阻的 R-t 圖象，圖乙為用此熱敏電阻 R 和繼電器組成的一個簡單恒溫箱溫控電路，繼電器的電阻為 100.當(dāng)線圈的電流大于或等于 20 mA 時，繼電器的銜鐵被吸合.為繼電器線圈供電的電池的電動勢 E9.0 V，內(nèi)阻不計.圖中的“電源”是恒溫箱加熱器的電源.甲乙圖 S11-4(1)應(yīng)該把恒溫箱內(nèi)的加熱器接在_(填“A、B 端”或“C、D 端”).(2)如果要使恒溫箱內(nèi)的溫度保持在 50 ，可變電阻 R的阻值應(yīng)調(diào)節(jié)為_.解析：恒溫箱內(nèi)的加熱器應(yīng)接在 A、B 端.當(dāng)線圈中的電流較小時，繼電器的銜鐵在上方，恒溫箱的加熱器處于工作狀態(tài)，恒溫箱內(nèi)溫度升高.隨著恒溫箱內(nèi)溫度升高，熱敏電阻 R 的阻值變小，則線圈中的電流變大，當(dāng)線圈的電流大于或等于 20 mA時，繼電器的銜鐵被吸到下方來，則恒溫箱加熱器與電源斷開，加熱器停止工作，恒溫箱內(nèi)溫度降低.隨著恒溫箱內(nèi)溫度降低，熱敏電阻 R 的阻值變大，則線圈中的電流變小，當(dāng)線圈的電流小于 20 mA 時，繼電器的銜鐵又被釋放到上方，則恒溫箱加熱器又開始工作，這樣就可以使恒溫箱內(nèi)保持在某一溫度.要使恒溫箱內(nèi)的溫度保持在 50 ，即 50 時線圈內(nèi)的電流為 20 mA.由閉合電路歐姆定律 IErRR，r 為繼電器的電阻.由題圖R)260 .答案：(1)A、B端(2)260考點 1溫度傳感器的應(yīng)用【典題 1】(2017 年江蘇卷)某同學(xué)通過實驗制作了一個簡易的溫控裝置，實驗原理電路圖如圖 S11-5 所示，繼電器與熱敏電阻 Rt、滑動變阻器 R 串聯(lián)接在電源 E 兩端，當(dāng)繼電器的電流超過 15 mA 時，銜鐵被吸合，加熱器停止加熱，實現(xiàn)溫控.繼電器的電阻約為 20 ，熱敏電阻的阻值 Rt 與溫度 t 的關(guān)系如下表所示：t/30.040.050.060.070.080.0Rt/199.5145.4108.181.862.949.1(1)提供的實驗器材有：電源 E1(3 V，內(nèi)阻不計)、電源 E2(6 V，內(nèi)阻不計)、滑動變阻器 R1(0200 )、滑動變阻器 R2(0500 )、熱敏電阻 Rt，繼電器、電阻箱(0999.9 )、開關(guān) S、導(dǎo)線若干.為使該裝置實現(xiàn)對 3080 之間任一溫度的控制，電源 E應(yīng)選用_(填“E1”或“E2”)，滑動變阻器 R 應(yīng)選用_(填“R1”或“R2”).圖 S11-5(2)實驗發(fā)現(xiàn)電路不工作.某同學(xué)為排查電路故障，用多用電表測量各接點間的電壓，則應(yīng)將如圖 S11-6 所示的選擇開關(guān)旋至_(填“A”“B”“C”或“D”).(3)合上開關(guān) S，用調(diào)節(jié)好的多用電表進(jìn)行排查，在圖 S11-5中，若只有 b、c 間斷路，則應(yīng)發(fā)現(xiàn)表筆接入 a、b 時指針_(填“偏轉(zhuǎn)”或“不偏轉(zhuǎn)”)，接入 a、c 時指針_(填“偏轉(zhuǎn)”或“不偏轉(zhuǎn)”).圖 S11-6(4)排除故障后，欲使銜鐵在熱敏電阻為 50 時被吸合，下列操作步驟的正確順序是_.(填寫各步驟前的序號)將熱敏電阻接入電路；觀察到繼電器的銜鐵被吸合；斷開開關(guān)，將電阻箱從電路中移除；合上開關(guān)，調(diào)節(jié)滑動變阻器的阻值；斷開開關(guān)，用電阻箱替換熱敏電阻，將阻值調(diào)至 108.1 .解析：(1)由表格數(shù)據(jù)知，當(dāng)溫度為 30 時，熱敏電阻阻值為 199.5 ，繼電器的阻值 R020 ，當(dāng)電流為 15 mA 時，EI(RtR0)3.3 V，所以電源選 E2，80 時，熱敏電阻阻值 Rt49.1 ，則 E2I(RtR0R)，此時變阻器阻值 R330.9 ，所以變阻器選擇 R2；(2)多用電表作為電壓表測量電壓，旋鈕旋至直流電壓擋 C 處；(3)若只有 b、c 間斷路，表筆接入 a、b 時，整個回路斷路，電表指針不偏轉(zhuǎn)，接入 a、c 時電流流經(jīng)電表，故指針偏轉(zhuǎn)；(4)50 時，熱敏電阻阻值為 108.1 ，所以應(yīng)將電阻箱阻值調(diào)至 108.1 ，調(diào)節(jié)變阻器，使銜鐵吸合，再將電阻箱換成熱敏電阻，故順序為.答案：(1)E2R2 (2)C (3)不偏轉(zhuǎn) 偏轉(zhuǎn) (4)照度/lx0.20.40.60.81.01.2電阻/k754028232018考點 2光電傳感器的應(yīng)用【典題 2】為了節(jié)能和環(huán)保，一些公共場所使用光控開關(guān)控制照明系統(tǒng).光控開關(guān)可采用光敏電阻來控制，光敏電阻是阻值隨著光的照度而發(fā)生變化的元件(照度可以反映光的強(qiáng)弱，光越強(qiáng)照度越大，照度單位為 lx).某光敏電阻 Rp 在不同照度下的阻值如下表所示：(1)根據(jù)表中數(shù)據(jù)，請在給定的坐標(biāo)系(圖 S11-7)中描繪出阻值隨照度變化的曲線，并說明阻值隨照度變化的特點.圖 S11-7(2)如圖 S11-8 所示，當(dāng) 1、2 兩端所加的電壓上升至 2 V 時，控制開關(guān)自動啟動照明系統(tǒng)，請利用下列器材設(shè)計一個簡單電路.給 1、2 兩端提供電壓，要求當(dāng)天色漸暗、照度降低至 1.0 lx時啟動照明系統(tǒng)，在虛線框內(nèi)完成電路原理圖.(不考慮控制開關(guān)對所設(shè)計電路的影響)圖 S11-8提供的器材如下：光敏電阻 Rp(符號，阻值見上表)；直流電源 E(電動勢 3 V，內(nèi)阻不計)；定值電阻：R110 k，R220 k，R340 k(限選其中之一并在圖中標(biāo)出)；開關(guān) S 及導(dǎo)線若干.審題突破：光敏電阻的特點是當(dāng)光照增強(qiáng)時載流子增多，導(dǎo)電能力增強(qiáng)，電阻變小；當(dāng)光照減弱時載流子減少，導(dǎo)電能力減弱，電阻變大.要求在天色漸暗，照度降低至 1.0 lx 時啟動照明系統(tǒng)，此時光敏電阻較大，讓光敏電阻與控制開關(guān)并聯(lián)即可.答案：(1)如圖 S11-9 所示.特點：光敏電阻的阻值隨光照強(qiáng)度的增大而非線性減小.(2)如圖 S11-10 所示.圖 S11-9圖 S11-10方法技巧：這類題目設(shè)問雖很新穎獨特，但所依據(jù)的物理原理、實驗方法、實驗器材卻是課本上的基本實驗中用過的，試題設(shè)問一般不難；只要平時學(xué)習(xí)或復(fù)習(xí)時對課本中的基本實驗(原理)能夠深刻理解，對涉及的基本實驗器材能夠熟練運用，注意將物理習(xí)題中的結(jié)論向物理實驗遷移，分析問題時能靈活變通，不墨守成規(guī)，解決此類問題定可駕輕就熟.考點 3力電傳感器的實際應(yīng)用【典題 3】某學(xué)生為了測量一個物體的質(zhì)量，找到一個力電轉(zhuǎn)換器，該轉(zhuǎn)換器的輸出電壓正比于受壓面的壓力(比例系數(shù)為 k)，如圖 S11-11 所示，測量時先調(diào)節(jié)輸入端的電壓，使轉(zhuǎn)換器空載時的輸出電壓為 0；而后在其受壓面上放一物體，即可測得與物體的質(zhì)量成正比的輸出電壓 U.圖 S11-11請完成對該物體質(zhì)量的測量：(1)設(shè)計一個電路，要求力電轉(zhuǎn)換器的輸入電壓可調(diào)，并且使調(diào)節(jié)范圍盡可能大，在虛線框中畫出完整的測量電路圖.(2)簡要說明測量步驟，求出比例系數(shù) k，并測出待測物體的質(zhì)量 m.審題突破：力電轉(zhuǎn)換器雖然是一個全新的儀器，但它與其他所有的測量儀器一樣，要有一個“調(diào)零”的過程.仔細(xì)審題，題目中有很多重要的暗示，挖掘這些信息即是我們解決問題的關(guān)鍵.“測量時先調(diào)節(jié)輸入端的電壓，使轉(zhuǎn)換器空載時的輸出電壓為 0；而后在其受壓面上放一物體，即可測得與物體的質(zhì)量成正比的輸出電壓 U ”“該轉(zhuǎn)換器的輸出電壓正比于受壓面的壓力(比例系數(shù)為 k) ”，所以輸出電壓 Ukmg.題目要求“力電轉(zhuǎn)換器的輸入電壓可調(diào)，并且使電壓的調(diào)節(jié)范圍盡可能大”，這就暗示我們滑動變阻器必須使用分壓式，有了設(shè)計電路才可以進(jìn)行測量步驟.答案：(1)如圖 D50 所示.圖 D50(2)測量步驟如下：調(diào)節(jié)滑動變阻器，使轉(zhuǎn)換器空載時的輸出電壓為零.將質(zhì)量為 m0 的砝碼放在轉(zhuǎn)換器的受壓面上，記下輸出電壓 U0，則可求 kU0m0g.將待測物體放在轉(zhuǎn)換器的受壓面上，記下輸出電壓 U1.