实验十一 传感器的简单使用-2022高考物理 新编大一轮总复习（word）人教版

实验十一　传感器的简单使用

一、实验目的

1．认识热敏电阻、光敏电阻等传感器中的敏感元件。

2．了解传感器的简单应用。

二、实验原理

1．传感器能够将感受到的物理量(力、热、光、声等)转换成便于测量的量(一般是电学量)。

2．工作过程

三、实验器材

热敏电阻、光敏电阻、多用电表、铁架台、烧杯、冷水、热水、小灯泡、学生电源、继电器、滑动变阻器、开关、导线等。

四、注意事项

1．在做热敏电阻实验时，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．光敏电阻实验中，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照射到光敏电阻上的光的强度。

五、实验过程

(一)研究光敏电阻的光敏特性

1．实验步骤

(1)将光敏电阻、多用电表、小灯泡、滑动变阻器、学生电源按如图所示电路连接好，其中多用电表置于“×100”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)打开电源，让小灯泡发光，调节小灯泡的亮度使之逐渐变亮，观察表盘指针显示光敏电阻阻值的情况，并记录。

(4)用手掌(或黑纸)遮光时光敏电阻阻值又是多少，并记录。

2．数据处理

把记录的结果填入表中，根据记录数据分析光敏电阻的特性。

结论：光敏电阻的阻值被光照射时发生变化，光照增强电阻变小，光照减弱电阻变大。

(二)研究热敏电阻的热敏特性

1．实验步骤

(1)按如图所示连接好电路，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。

2．数据处理

(1)根据记录数据，把测量到的温度、电阻值填入表中，分析热敏电阻的特性。

(2)在坐标系中，粗略画出热敏电阻的阻值随温度变化的图线。

(3)根据实验数据和R­t图线，得出结论：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。

考点一　教材原型实验

角度1　热敏电阻的特性及应用

[例1]　(2016·全国卷Ⅰ)现要组装一个由热敏电阻控制的报警系统，要求当热敏电阻的温度达到或超过60 ℃时，系统报警。提供的器材有：热敏电阻，报警器(内阻很小，流过的电流超过Ic时就会报警)，电阻箱(最大阻值为999.9 Ω)，直流电源(输出电压为U，内阻不计)，滑动变阻器R1(最大阻值为1 000 Ω)，滑动变阻器R2(最大阻值为2 000 Ω)，单刀双掷开关一个，导线若干。

在室温下对系统进行调节，已知U约为18 V，Ic约为10 mA；流过报警器的电流超过20 mA时，报警器可能损坏；该热敏电阻的阻值随温度升高而减小，在60 ℃时阻值为650.0 Ω。

(1)完成待调节的报警系统原理电路图的连线。

(2)电路中应选用滑动变阻器____________(填“R1”或“R2”)。

(3)按照下列步骤调节此报警系统：

①电路接通前，需将电阻箱调到一固定的阻值，根据实验要求，这一阻值为____________ Ω；滑动变阻器的滑片应置于____________(填“a”或“b”)端附近，不能置于另一端的原因是________________________________________________________________________。

②将开关向____________(填“c”或“d”)端闭合，缓慢移动滑动变阻器的滑片，直至____________________________。

(4)保持滑动变阻器滑片的位置不变，将开关向另一端闭合，报警系统即可正常使用。

[解析]　(1)根据题述，应该采用滑动变阻器的限流接法，连接的电路如答案图所示。

(2)根据题述，流过报警器的工作电流超过10 mA时，报警器就会报警，可知滑动变阻器的最大阻值至少为R＝＝ Ω＝1 800 Ω，因此在电路中应选用最大阻值为2 000 Ω的滑动变阻器R2。

(3)①电路接通前，需将电阻箱调到一固定的阻值，根据实验要求，这一阻值为热敏电阻在60 ℃时的阻值650.0 Ω；滑动变阻器的滑片应置于接入电路的阻值最大处，即b端附近，不能置于另一端的原因是：若置于a端，则导致闭合开关后，报警器中电流大于20 mA，报警器可能损坏。

②将开关向c端闭合，缓慢移动滑动变阻器的滑片，直至报警器开始报警。

[答案]　(1)连线如图所示

(2)R2　(3)①650.0　b　接通电源后，流过报警器的电流会超过20 mA，报警器可能损坏

②c　报警器开始报警

角度2　光敏电阻的特性及应用

[例2]　(2021·洛阳质检)为了节能和环保，一些公共场所用光控开关控制照明系统，光控开关可用光敏电阻控制，如图甲所示是某光敏电阻阻值随光的照度变化曲线，照度可以反映光的强弱，光越强照度越大，照度单位为：勒克斯(lx)。

(1)如图乙所示，电源电动势为3 V，内阻不计，当控制开关两端电压上升至2 V时控制开关自动启动照明系统。要求当天色渐暗照度降至1.0 (lx)时控制开关接通照明系统，则R1＝________ kΩ。

(2)某同学为了测量光敏电阻在不同照度下的阻值，设计了如图戊所示的电路进行测量，电源(E＝3 V，内阻未知)，电阻箱(0～99  999 Ω)。实验时将电阻箱阻值置于最大，闭合S1，将S2与1相连，减小电阻箱阻值，使灵敏电流计的示数为I，图丙为实验时电阻箱的阻值，其读数为________ kΩ；然后将S2与2相连，调节电阻箱的阻值如图丁所示，此时电流表的示数恰好为I，则光敏电阻的阻值R0＝________ kΩ。(结果保留3位有效数字)

[解析]　(1)电阻R1和R0串联，＝＝，当照度1.0 (lx)时，电阻R0＝20 kΩ，则R1＝10 kΩ；

(2)由图可知，图丙的电阻为R2＝62.5 kΩ，图丁的电阻R′2＝ 22.5 kΩ，本题采用等效法测电阻，前后两次电路中的电流相等，则电路中的电阻相等，则有R2 ＝R0 ＋R′2，所以R0＝40.0 kΩ。

[答案]　(1)10　(2)62.5　40.0

考点二　创新拓展实验

角度1　温控电路

[例3]　(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甲所示，继电器与热敏电阻R1、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。

(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”)。

(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。在图甲中，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

[解析]　(1)为保持继电器的灵敏度，即电路中的电流易超过15 mA，应选电动势大的电源E2；当温度为80 ℃时，滑动变阻器接入电路的最小电阻为R＝－Rt－R继＝330.9 Ω，故滑动变阻器应选R2。

(2)因电路中有电源，排查电路故障应选用多用电表的直流电压挡，故选C。

(3)只有b、c间断路，表笔接入a、b间时，电表与电源之间形不成闭合电路，则电表指针不偏转，表笔接入a、c间时，能形成闭合电路，电表指针发生偏转。

(4)欲使衔铁在50℃被吸合，由表中数据可知，此时热敏电阻的阻值为108.1 Ω，操作步骤应是先断开开关，用电阻箱替换热敏电阻，将阻值调至108.1 Ω，闭合开关，调节滑动变阻器的阻值，观察继电器的衔铁被吸合，然后断开开关，将电阻箱从电路中移除，再将热敏电阻接入电路原位置，故步骤顺序应为⑤④②③①。

[答案]　(1)E2　R2　(2)C　(3)不偏转　偏转

(4)⑤④②③①

角度2　光控电路

[例4]　为节约能源采用光电池为路灯提供电能，用光敏电阻作为传感器控制路灯电路的开关，实现自动控制。光敏电阻的阻值随照射光的强弱而变化，作为简化模型，可以近似认为，照射光较强(如白天)时电阻几乎为0；照射光较弱(如天黑)时电阻接近于无穷大。利用光敏电阻作为传感器，借助电磁开关，可以实现路灯自动在白天关闭，天黑时打开。电磁开关的内部结构如图所示。1、2两接线柱之间是励磁线圈，3、4两接线柱分别与弹簧片和触点连接。当励磁线圈中电流大于50 mA时，电磁铁吸合铁片，弹簧片和触点分离，3、4断开；电流小于50 mA时，3、4接通。励磁线圈中允许通过的最大电流为100 mA。

(1)利用以下器材设计一个自动控制路灯的电路，在方框中画出电路原理图。

光敏电阻R1，符号；

灯泡L，额定功率40 W，额定电压36 V，符号；

保护电阻R2，符号；

电磁开关，符号；

蓄电池E，电压36 V，电阻很小；

开关S，导线若干。

(2)回答下列问题：

①如果励磁线圈的电阻为200 Ω，励磁线圈允许加的最大电压为____________ V，保护电阻R2的阻值范围为____________ Ω。

②在有些应用电磁开关的场合，为了安全，往往需要在电磁铁吸合铁片时，接线柱3、4之间从断开变为接通。为此，电磁开关内部结构应如何改造？请结合本题中电磁开关内部结构图说明。

[解析]　(1)要使光敏电阻能够对电路进行控制，且有光照时路灯熄灭，光敏电阻应与1、2串联，3、4与路灯串联，电路图如图所示。

(2)①由U＝IR得励磁线圈允许加的最大电压Um＝ImR＝0.1×200 V＝20 V；依据允许通过励磁线圈的电流最大值和最小值计算，R2min＝＝ Ω＝160 Ω，R2max＝＝ Ω＝520 Ω，因此保护电阻R2的阻值范围为160～520 Ω。②把触点从弹簧片右侧移到弹簧片左侧，保证当电磁铁吸合铁片时，3、4之间接通；不吸合时，3、4之间断开。

[答案]　(1)图见解析　(2)①20　160～520　②见解析