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1、实验11 传感器的简单应用【考纲链接】1.本实验在新课标物理高考大纲中是必考内容实验之十一.传感器的简单应用。2. 本实验见普通高中课程标准实验教科书物理选修3-2（人民教育出版社课程教材研究所物理课程教材研究开发中心编著，人民教育出版社出版）的第6章传感器 第4节传感器的应用实验（第7072页）。由于本实验是历来的教科书所没有的，许多教师没有做过，不太熟悉，有些学校实验室没有所需器材（如施密特触发器等）,所以要特别重视。以型号HEF40106B施密特触发器为例 图6-2-1图6-2-1是型号HEF40106B触发器的引脚示意图，由图可以看出，在同一块集成片上分别做了6块独立的施密特触发器，如
2、果使用第1块，只需要在接输入电压，在接输出电压，然后分别把接到稳压电源，接地，就可以工作了。 实验原理： 图6-2-2将电路按图6-2-2连接，为光敏电阻，为电阻箱，为发光二极管，A点为施密特触发器的输入端，Y点为施密特触发器的输出端。适当选择，的阻值后，当外界光线很强时，上的电阻相对比较小，A点的电压小于，Y点输出高电位，发光二极管两端的电势差很小，因此不能发光；当外界光线变弱时，上的电阻显著增大， A点的电压也显著增大，当增大到时，Y点输出低电位，发光二极管两端有大约5V的电势差，发光二极管开始正常发光，如果光线强度又进一步开始回升，上的电阻减小，A点的电压也开始减小，当A点的电压小于时，
3、Y点又输出高电位，发光二极管熄灭。为了更直观地了解整个电路工作过程，也可以分别用两个电压表对A点和Y点的电压进行测量。实验一：光控开关实验目的：了解光控开关，对自动控制有初步理解。实验电路：见图6-2-3 图6-2-3 实验电路实验步骤：1. 当光弱时，光敏电阻阻值大，电流小，A端输入高电位（1），Y端输出低电位（0），发光二极管亮，如图6-2-4. 图6-2-42. 当光强时，光敏电阻阻值小，电流大，A端输入低电位（0），Y端输出高电位（1），发光二极管不亮，如图6-2-5。 图6-2-53. 电阻R1的阻值对电路的作用。电阻R1的阻值由约20变为约42（见图），发光二极管由亮变不亮的转换电
4、流（光敏电阻处）由400变为300（见图6-2-6），也就是转换电阻变大了，也就是在光线更暗的情况下灯才能亮。反推之，光控开关用于路灯控制，要想在天更暗时路灯才会亮，应该把R1的阻值调大些。 图6-2-64. 由于集成电路允许通过的电流比较小，要用白炽灯泡模拟路灯，就要使用继电器来启闭另外的供电电路，如图6-2-7，灯泡可用“6V 0.06A”的，继电器可以使用微型继电器，本实验的继电器的参数为：额定电压: 6 V ，操作电压: 4 V (minimum) ，释放电压: 2 V ，线圈电阻: 100 ohms ，接触电阻: 0 ohms ，最大电流: 5 A ，最大电压: 400 V。为了防止
5、继电器释放衔铁时线圈中的自感电动势损坏集成电路，必须给它并联一只二极管，以提供自感电流的通路。 图6-2-7 （1） 当光线较强时，光敏电阻的阻值较小，输入电压较低，输出电压较高，继电器电流小，不能吸引衔铁，继电器开关处断开状态，白炽灯泡不亮，如图6-2-7.（2）当光线较弱时，光敏电阻的阻值较大，输入电压较高，输出电压较低，继电器电流大，继电器动作，吸引衔铁，继电器开关处接通状态，白炽灯泡亮，如图6-2-8. 图6-2-8 实验二、温度报警器实验目的：了解温度报警器的原理，对自动控制进一步理解。仿真实验电路：见图6-2-9 图6-2-9图6-2-9中，为热敏电阻，温度升高时阻值减小，为可变电
6、阻，实验步骤：1. 当温度较低时，热敏电阻的阻值较大，输入电压较低，输出电压较高，蜂鸣器不响。如图6-2-10.2. 当温度较高时，热敏电阻的阻值较小，输入电压较高，输出电压较低，蜂鸣器响。如图6-2-11. 图6-2-10 图6-2-11在图6-2-11的情况下，可以看到蜂鸣器在发声，用耳机可以听到响声。例1热敏电阻是传感电路中常用的电子元件。现用伏安法研究热敏电阻在不同温度下的伏安特性曲线，要求特性曲线尽可能完整。已知常温下待测热敏电阻的阻值约45。热敏电阻和温度计插入带塞的保温杯中，杯内有一定量的冷水，其它备用的仪表和器具有：盛有热水的热水杯（图中未画出）、电源（3V、内阻可忽略）、直流
7、电流表（内阻约1）、直流电压表（内阻约5k）、滑动变阻器（020）、开关、导线若干。图（a）图（b）A30.6V315 图6-2-12在图（a）的方框中画出实验电路图，要求测量误差尽可能小。根据电路图，在图（b）的实物图上连线。简要写出完成接线后的主要实验步骤1)、往保温杯中加入热水，稍等读出温度值。2)、 .3)、重复，测出不同温度下的数据。4)、 .（2）广泛应用于室内空调、电冰箱和微波炉等家用电器中的温度传感器，是利用热敏电阻随温度变化而变化的特性工作的。在图甲中，电源的电动势E = 9.0 V，内电阻不可忽略；为内阻不计的灵敏电流表；R0为保护电阻；R为热敏电阻，其电阻值与温度变化关系
8、如图乙的R- t图象所示。则热敏电阻R与摄氏温度t的关系为R= ；闭合电键S，当R的温度等于40时，电流表示数I1=2.25 mA，则当电流表的示数I2=3.6 mA时，热敏电阻R的温度是_摄氏度。甲SR0REG 0 40 80 120 160 4321R / kt /乙 图6-2-13【解析】 （1）因为热敏电阻的阻值（常温下约5）与直流电流表内阻（1）差不多而比直流电压表内阻（5k）小得多，所以用电流表外接法，为了多次测量以便列表做图象，所以滑动变阻器接成分压器。（2）因为图象是直线，用斜截式求热敏电阻R与摄氏温度t的关系，设为，则根据时，（此处易误读为，要小心），得，再根据时，得，所以得
9、R与t的关系为R=1.87510 -2 t + 4.25。AV热敏电阻S 从图甲，有，（含电池的内阻），从图乙读出，当时，代入得，可求出，又有，解得，查图乙得。答案（1）如图所示 连线图略 、往保温杯中加入热水，稍等读出温度值。、调节R，快速测出多组I，U值。、重复，测出不同温度下的数据。 图6-2-14、绘出各温度下热敏电阻的伏安特性曲线。(2)R = 1.87510 -2 t + 4.25 120 点评 本题两问中的热敏电阻是不同的，两问考查的知识点也不同，第（1）问考查伏安法测电阻的常规问题：电流表的内接、外接问题及滑动变阻器接成分压器还是限流器问题，电路图及实物图也是常规要求。第（2）
10、问则考查了电路图和图象，考变化的情况，结合数学方法解决问题。可见，物理实验既不要忘记常规，也要求注意创新。例2(2003年高考江苏物理卷第19题（13分）（计算题，压轴题）)题目：图1所示为一根竖直悬挂的不可伸长的轻绳，下端拴一小物块A，上端固定在C点且与一能测量绳的拉力的测力传感器相连.已知有一质量为m0的子弹B沿水平方向以速度v0射入A内（未穿透），接着两者一起绕C点在竖直面内做圆周运动，在各种阻力都可忽略的条件下测力传感器测得绳的拉力F随时间的变化关系如图2所示。已知子弹射入的时间极短，且图2中t0为A、B开始以相同速度运动的时刻，根据力学规律和题中（包括图）提供的信息，对反映悬挂系统本
11、身性质的物理量（例如A的质量）及A、B一起运动过程中的守恒量，你能求得哪些定量的结果？ 图6-2-15【解析】由图2可直接看出，A、B一起做周期性运动，运动的周期T2t0 令表示A的质量，表示绳长.表示B陷入A内时即时A、B的速度（即圆周运动最低点的速度），表示运动到最高点时的速度，F1表示运动到最低点时绳的拉力，F2表示运动到最高点时绳的拉力，根据动量守恒定律，得在最低点和最高点处运用牛顿定律可得 根据机械能守恒定律可得由图2可知 由以上各式可解得，反映系统性质的物理量是 A、B一起运动过程中的守恒量是机械能E，若以最低点为势能的零点，则 由式解得点评：这是一道开放题，题目的设问不明确，要靠
12、考生去寻找，答案当然也要靠考生去解决，本题由于其开放性，成为当年高考题的一个亮点。就传感器而言，测力传感器在本题只作为题目来源的工具，告诉我们测力传感器可以测得绳的拉力F随时间的变化关系图象，题目的解决对传感器没有实质性的要求。例3 2009高考题19.（2）（12分）某研究性学习小组为了制作一种传感器，需要选用一电器元件。图为该电器元件的伏安特性曲线，有同学对其提出质疑，先需进一步验证该伏安特性曲线，实验室备有下列器材：器材（代号）规格 电流表（A1）电流表（A2）电压表（V1）电压表（V2）滑动变阻器（R1）滑动变阻器（R2）直流电源（E）开关（S）导线若干量程050mA，内阻约为50量程
13、0200mA，内阻约为10量程03V，内阻约为10k量程015V，内阻约为25k阻值范围015，允许最大电流1A阻值范围01k，允许最大电流100mA输出电压6V，内阻不计为提高实验结果的准确程度，电流表应选用 ；电压表应选用 ；滑动变阻器应选用 。（以上均填器材代号）为达到上述目的，请在虚线框内画出正确的实验电路原理图，并标明所用器材的代号。若发现实验测得的伏安特性曲线与图中曲线基本吻合，请说明该伏安特性曲线与小电珠的伏安特性曲线有何异同点？相同点： ，不同点： 。答案 （2）A2 V1 R1 如图 相同点：通过该元件的电流与电压的变化关系和通过小电珠的电流与电压的变化关系都是非线性关系，该元件的电阻随电压的增大而减小，而笑电珠的电阻值随电压的升高而增大。【解析】（1）游标卡尺方便地测量内径、外径和深度，而螺旋测微器只能测外径。故选A多次测量取平均值的目的就是减小偶然误差。（2）图像中电流00.14A，电流表选A2；电源电压6V，但图像只要求电压在03V之间调整，为了测量准确电压表选V1；由于绘制图像的需要，要求电压从03V之
