高中物理实验方案-传感器的简单应用

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2、研究热敏电阻的热敏特性 1.按图S12-1所示连接好电路,将热敏电阻绝缘处理. 2.把多用电表置于“欧姆挡”,并选择适当的量程测出烧杯中 没有热水时热敏电阻的阻值,并记下温度计的示数. 3.向烧杯中注入少量的冷水,使热敏电阻浸没在冷水中,记下 温度计的示数和多用电表测量的热敏电阻的阻值. 4.将热水分几次注入烧杯中,测出不同温度下热敏电阻的阻值, 并记录. 实验溯本求源 图S12-1 (二)研究光敏电阻的光敏特性 1.将光敏电阻、多用电表、灯泡、滑动变阻器按图S12-2所示连接好电路,其中多用 电表置于“欧姆挡”. 2.先测出在室内自然光的照射下光敏电阻的阻值, 并记录数据. 3.打开光源,让

3、小灯泡发光,调节小灯泡的亮度使之 逐渐变亮,观察表盘指针显示电阻阻值的情况,并记录. 4.用手掌(或黑纸)遮光时观察表盘指针显示的电阻值,并记录. 实验溯本求源 图S12-2 五、数据处理 (一)研究热敏电阻的热敏特性 在图S12-3的坐标系中粗略画出热敏电阻的阻值随温度 变化的图线. 实验结论:热敏电阻的阻值随温度的升高而减小,随温度 的降低而增大,半导体热敏电阻也可以用作温度传感器. 实验溯本求源 图S12-3 (二)研究光敏电阻的光敏特性 根据记录数据分析光敏电阻的特性. 实验结论:光敏电阻在暗环境下电阻值很大,强光照射下电阻值很小. 光敏电阻能够把光照强弱这个光学量转换为电阻这个电学量

4、. 实验溯本求源 六、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,温度测量存在误差. 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,并通过盖上的 小孔改变射到光敏电阻上的光强度,电阻值改变不明显易造成误差. 3.欧姆表每次换挡后都要重新调零,测电阻时读数存在误差. 实验溯本求源 热点一热敏电阻的理解及应用 实验热点探究 例12018 全国卷 某实验小组利用如图S12-4甲所示的电路探究在2580 范 围内某热敏电阻的温度特性.所用器材有:置于温控室(图中虚线区域)中的热敏电阻 RT,其标称值(25 时的阻值)为9

5、00.0 ;电源E(6 V,内阻可忽略);电压表V(量程150 mV):定值电阻R0(阻值20.0 ),滑动变阻器R1(最大阻值为1000 );电阻箱R2(阻值范 围0999.9 );单刀开关S1,单刀双掷开关S2. 实验热点探究 实验时,先按图甲连接好电路,再将温控室的温度t升至80.0 ,将S2与1端接通,闭合 S1,调节R1的滑片位置,使电压表读数为某一值U0;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,使电压表读数仍为U0;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 .实验得到的 R2-t数据见下表

6、. t/25.030.040.050.060.070.080.0 R2/900.0 680.0 500.0 390.0 320.0 270.0 240.0 实验热点探究 回答下列问题: (1)在闭合S1前,图甲中R1的滑片应移动到(选填“a”或“b”)端; (2)在图乙的坐标纸上补齐数据表中所给数据点,并作出R2-t曲线; (3)由图乙可得到RT在2580 范围内的温度特性.当t=44.0 时,可得RT= ; (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,则手 心温度为. 实验热点探究 图S12-4 实验热点探究 答案 (1)b(2)如图所示(3)450(4)620.03

7、3.0 实验热点探究 解析 (1)在闭合开关前,为了保护电路,滑动变阻器R1的滑片应处在阻值最大位置, 故应在b端. (2)将t=60 和t=70 对应的两组数据点画在坐标纸上,然后用平滑曲线过尽可能 多的数据点画出R2-t图像. (3)由R2-t曲线可知,当t=44时,RT=450 . (4)图中电阻箱读数为(6100+210+01+00.1) =620.0 ;根据R2-t曲线可知, 当电阻为620.0 时,温度为33.0 . 实验热点探究 变式题2017 江苏卷 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S12-5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,

8、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 ,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/ 199.5145.4108.1 81.8 62.9 49.1 图S12-5 实验热点探究 (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(0200 )、滑动变阻器R2(0500 )、热敏电阻Rt、继电器、电阻箱(0999.9 )、 开关S、导线若干. 为使该装置实现对3080 之间任一温度的控制, 电源E应选用(选填“E1”或

9、“E2”),滑动变阻 器R应选用(选填“R1”或“R2”). (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S12 -6所示的选择开关旋至(选填“A”“B”“C”或“D”). 图S12-6 实验热点探究 (3)合上开关S,用调节好的多用电表进行排查.在图中,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). 将热敏电阻接入电路观察到继电器的衔铁被吸合 断开开关,将电

10、阻箱从电路中移除 合上开关,调节滑动变阻器的阻值 断开开关,用电阻箱替换热敏电阻,将阻值调至108.1 实验热点探究 答案 (1)E2R2(2)C(3)不偏转偏转(4) 解析 (1)由于继电器的电流超过 15 mA时,衔铁才能被吸合,若电源 E 取 E1=3 V时,由闭合电路欧姆定律得 I1= 1 总=15 mA=0.015 A,即 R 总= 1 1 = 3V 0.015A =200 ,而 在 30 时,热敏电阻的阻值为 199.5 ,再加上继电器的电阻 20 ,总电阻为 219.5 ,已超过 200 ,则无法使温度控制在 30 ,故 E1=3 V 不能选择,只能选择 E2;E2=6 V,由闭

11、合电路欧姆定律得 I2= 2 总=0.015 A,则 R 总=400 ,此时若要 实验热点探究 使温度能控制在 80 ,热敏电阻 Rt与继电器的总电阻为 49.1 +20 =69.1 400 ,为使衔铁不至于在低于 80 时被吸合,需串联一个滑动变阻器,且最 大阻值不能小于 400 -69.1 =330.9 ,而 R1最大阻值为 200 ,不符合要求,故 选 R2. (2)要测直流电压,选择开关只能旋至 C.(3)测 a、b 间电压时,由于 b、c间 断路,电路中电流为 0,故 a、b 间电压为 0,因此多用电表指针不偏转;测 a、c间 电压就相当于测电源两极间电压,因此多用电表指针将会偏转.

12、 实验热点探究 (4)为了使在设计电路时方便,这里用电阻箱临时代替热敏电阻.查出 50 时热 敏电阻的阻值,将电阻箱调至相同阻值,断开开关,用电阻箱替换热敏电阻,合上 开关,调节滑动变阻器,使衔铁刚好被吸合.再断开开关,将电阻箱移除,换成热敏 电阻.因此其合理顺序为. 热点二光敏电阻传感器的应用 实验热点探究 例2 为了节能和环保,一些公共场所使用光控开关控制照明系统.光控开关可采用 光敏电阻来控制,光敏电阻是阻值随着光的照度而发生变化的元件(照度可以反映 光的强弱,光越强照度越大,照度单位为lx).某光敏电阻R在不同照度下的阻值如下表: 照度(lx)0.20.40.60.81.01.2 电阻

13、(k)754028232018 实验热点探究 (1)根据表中数据,请在图S12-7的坐标系中描绘出阻值随照度变化的曲线,并说明阻 值随照度变化的特点. (2)如图S12-8所示,当1、2两端所加电压上 升至2 V时,控制开关自动启动照明系统. 请利用下列器材设计一个简单电路,给1、 2两端提供电压,要求当天色渐暗照度降 低至1.0 lx时启动照明系统,在虚线框内 完成电路原理图.(不考虑控制开关对所 设计电路的影响) 图S12-7 图S12-8 实验热点探究 提供的器材如下:光敏电阻 R(符号);直流电源 E(电动势 3 V,内阻不计); 定值电阻:R1=10 k,R2=20 k,R3=40

14、k(限选其中之一并在图中标出);开关 S 及导线若干. 实验热点探究 答案 (1)如图甲所示光敏电阻的阻值随照度的增大非线性减小 (2)如图乙所示 实验热点探究 解析 (1)光敏电阻的阻值随照度变化的曲线如图甲所示,阻值随照度变化的特 点:光敏电阻的阻值随照度的增大非线性减小. (2)电源电动势为 3 V,当光敏电阻阻值为 20 k 时,其两端电压为 2 V,则 U= + E,解得 Rx=10 k,故选择电阻 R1,实验电路原理图如图乙所示. 实验热点探究 变式题一台臭氧发生器P的电阻为10 k,当供电电压等于24 V时能正常工作,否 则不产生臭氧.现要用这种臭氧发生器制成自动消毒装置,要求它

15、在有光照时能产 生臭氧,在黑暗时不产生臭氧,拟用一个光敏电阻R1对它进行控制,R1的阻值在有光 照时为100 ,黑暗时为1000 ,允许通过的最大电流为3 mA;电源E的电压为36 V,内 阻不计;另有一个滑动变阻器R2,阻值为0100 ,允许 通过的最大电流为0.4 A;还有一个开关S和导线若干. 臭氧发生器P和光敏电阻R1的符号如图S12-9所示. 设计一个满足上述要求的电路图,图中各元件要标上字 母代号,其中滑动变阻器两固定接线柱端分别标上字母A、B(电路图画在虚线框内). 图S12-9 实验热点探究 答案如图所示 实验热点探究 解析 因变阻器最大阻值100 远小于臭氧发生器P的电阻10

16、 k,应该采用滑动变 阻器的分压式连接,有光照时P能正常工作,无光照时P不工作,电路如图所示. 热点三力学传感器的理解及应用 实验热点探究 传感器的一般应用模式:由敏感元件、转换器件和转换电路三个部分组成,通过敏 感元件获取外界信息并转换成电信号,通过输出部分输出,然后经控制器分析处 理.(如图S12-10所示) 图S12-10 实验热点探究 工作过程:敏感元件将感受到的物理量按一定规律转换成便于测量的量,如下. 非电学物理量 敏感元件 转换器件 转换电路 电学量 输出 实验热点探究 例3 某学生为了测量一个物体的质量,找到一个力电转换器,该转换器的输出电压 正比于受压面的压力(比例系数为k),如图S12-11所示.测量时先调节输入端的电压, 使转换器空载时的输出电压为0;而后在其受压面上放 一物体,即可测得与物体的质量成正比的输出电压U. 请完成对该物体质量的测量: (1)设计一个电路,要求力电转换器的输入电压可调,并 且使调节范围尽可能大,在虚线框中画出完整的测量电路图. (2)简要说