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1、第四单元实验：传感器的简单使用,一、实验目的1了解传感器的工作过程，掌握敏感元件的特性2学会传感器的简单使用,二、实验原理传感器将它感受到的物理量(如力、热、光、声等)转换成便于测量的量(一般是电学量)其工作过程是通过对某一物理量敏感的元件将感受到的信号按一定规律转换成便于利用的信号例如，光电传感器是利用光敏电阻将光信号转换成电信号，热电传感器是利用热敏电阻或热金属电阻将温度信号转换成电信号，转换后的信号经过电子电路的处理就可以达到自动控制、遥控等各种目的了,三、实验过程(一)研究热敏电阻的热敏特性1实验步骤(1)按图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
2、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；,2数据处理(1)根据记录数据，把测量到的温度、电阻值填入下表中，分析热敏电阻的特性.,(2)在图2中坐标系中，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,(二)研究光敏电阻的光敏特性1实验步骤,(1)将光电传感器、多用电表、灯泡、滑动变阻器如图3所示电路连接好，其中多用电表
3、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，观察表盘指针显示电阻阻值的情况，并记录；(4)用手掌(或黑纸)遮光时电阻值又是多少？并记录,2数据处理把记录的结果填入下表中，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,四、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，并通过盖上小孔改变射到光敏电阻上的光的多少,图4,3欧姆表每
4、次换挡后都要重新调零,五、实验改进对于热敏电阻的特性，可用以下实验进行：如图4所示，将多用电表的选择开关置于“欧姆”挡，再将电表的两支表笔与负温度系数的热敏电阻Rt的两端相连，这时表针指在某一刻度，观察下述操作下的指针偏转情况：,1往Rt上擦一些酒精2用吹风机将热风吹向电阻，根据指针偏转方向判定热敏电阻的特性实验分析：(1)中指针左偏，说明Rt的阻值增大；酒精蒸发吸热，温度降低，所以热敏电阻的阻值随温度的降低而增大,(2)中指针右偏，Rt的阻值减小，而电阻Rt温度升高，故热敏电阻的阻值随温度的升高而减小优点：改进后的实验简单易操作，学生很快得出结论,【例1】热敏电阻是传感电路中常用的电子元件，
5、现用伏安法研究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4 5.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，其他备用的仪表和器具有：盛有热水的热水瓶(图中未画出)、电源(3 V、内阻可忽略)、直流电流表(内阻约1)、直流电压表(内阻约5 k)、滑动变阻器(020)、开关、导线若干,(1)在图5(a)中画出实验电路图(2)根据电路图，在图5(b)的实物图上连线(3)简要写出完成接线后的主要实验步骤,解析：常温下待测热敏电阻的阻值(约4 5)较小，应该选用安培表外接法热敏电阻的阻值随温度的升高而减小，热敏电阻两端的电压由零逐渐增大，滑动变阻器选
6、用分压式(1)实验电路如图6所示(2)根据电路图，连接实物图如图7所示,图7,(3)完成接线后的主要实验步骤：往保温杯里加一些热水，待温度计稳定时读出温度计值；调节滑动变阻器，快速测出几组电压表和电流表的值；重复和，测量不同温度下的数据；绘出各测量温度下的热敏电阻的伏安特性曲线答案：见解析,变式1：如图8所示，图甲为热敏电阻的Rt图象，图乙为用此热敏电阻R和继电器组成的一个简单恒温箱温控电路，继电器的电阻为100.当线圈的电流大于或等于20 mA时，继电器的衔铁被吸合为继电器线圈供电的电池的电动势E9.0 V，内阻可以不计图中的“电源”是恒温箱加热器的电源问：,(1)应该把恒温箱内的加热器接在
7、_(填“A、B端”或“C、D端”)(2)如果要使恒温箱内的温度保持50，可变电阻R的阻值应调节为_.解析：恒温箱内的加热器应接在A、B端当线圈中的电流较小时，继电器的衔铁在上方，恒温箱的加热器处于工作状态，恒温箱内温度升高,随着恒温箱内温度升高，热敏电阻R的阻值变小，则线圈中的电流变大，当线圈的电流大于或等于20 mA时，继电器的衔铁被吸到下方来，则恒温箱加热器与电源断开，加热器停止工作，恒温箱内温度降低随着恒温箱内温度降低，热敏电阻R的阻值变大，则线圈中的电流变小，当线圈的电流小于20 mA时，继电器的衔铁又被释放到上方，则恒温箱加热器又开始工作，这样就可以使恒温箱内保持在某一温度,答案：(
8、1)A、B端(2)260,【例2】(2009年宁夏卷)青岛奥运会帆船赛场采用风力发电给蓄电池充电，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(如黑天)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，黑天打开电磁开关的内部结构如图9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
9、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，画出电路原理图,蓄电池E，电压36 V，内阻很小；开关S，导线若干,(2)回答下列问题：如果励磁线圈的电阻为200，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_.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,答：_.任意举出一个其他的电磁铁应用的例子答：_.解析：(1)解析过程略(2)UmImR100103200 V20 V；EI(R2R)其中50 mAI100 mA，故R2在16052
10、0 之间解析见答案解析见答案,答案：(1)电路原理如图10所示(2)20160520把触点从弹簧片右侧移到弹簧片左侧，保证当磁铁吸合铁片时，3、4之间接通；不吸合时，3、4之间断开电磁起重机,高分通道1.不理解电磁开关的作用及连线方式.2.没有想到利用光敏电阻控制励磁线圈中的电流，从而达到控制灯泡的通断是易错点，应引起重视,变式2：如图11所示的装置可测水的作用力，质量为m的小铅球P系在细金属丝下，悬挂在O点，BC为在水平方向固定的一根粗细均匀的电阻丝，C端在O点正下方，且OCh，BC长为l，BC与金属丝接触良好，接触点为D，不计接触点D处的摩擦和金属丝电阻将小铅球P放入水平流动的水中时，球向
11、左摆起一定的角度时，水流速度越大，越大现取一电动势为E、内阻不计的电源和一只电压表，用这些器材连成测量电路，使水不流动时，电压表示数为零，水流速度增大时，电压表示数增大,(1)画出电路图(B、C、O均可接线)(2)若小球平衡时，电压表读数为U，用m、l、h、E、U表示水的作用力F，F_.(重力加速度为g),【例3】某同学设计了一个利用线圈测量转轮转速的装置如图13所示，在轮子的边缘贴上小磁体，将小线圈靠近轮边放置，接上数据采集器和电脑(即DIS实验器材)如果小线圈的面积为S，圈数为N匝，小磁体附近的磁感应强度最大值为B，回路的总电阻为R，实验发现，轮子转过角，小线圈的磁感应强度由最大值变为零因
12、此，他说“只要测得此时感应电流的平均值I，就可以测出转轮转速的大小”请你运用所学的知识，通过计算对该同学的结论作出评价,解析：该同学的结论是正确的设转轮的角速度、转速分别为和n，轮子转过角所需时间为t，通过线圈的磁通量的变化量为，线圈中产生的感应电动势的平均值为E.,答案：结论是正确的,变式3：如图14(1)所示为一测量硫化镉光敏电阻特性的实验电路，电源电压恒定电流表内阻不计，开关闭合后，调节滑动变阻器滑片，使小灯泡发光逐渐增强，测得流过电阻的电流和光强的关系曲线如图(2)所示，试根据这一特性设计一个路灯的自动光控电路,解析：由光敏电阻的特性曲线可以看出，当入射光增强时，光敏电阻的阻值减小，流
13、过光敏电阻的电流增大根据题意设计一个路灯自动控制电路如下图15所示,控制过程是：当有光照射，光电流经过放大器输出一个较大的电流，驱动电磁继电器吸合，使两个常闭触点断开，路灯熄灭；当无光照时，光电流减小，放大器输出电流减小，电磁继电器释放衔铁，使两个常闭触点闭合，控制路灯电路接通，路灯开始工作,答案：如图15所示,1如图16所示，R1为定值电阻，R2为负温度系数的热敏电阻(负温度系数热敏电阻是指阻值随温度的升高而减小的热敏电阻)，L为小灯泡，当温度降低时()AR1两端的电压增大B电流表的示数增大C小灯泡的亮度变强 D小灯泡的亮度变弱,解析：温度降低时R2增加，干路电流减小，R1两端电压、电流表示
14、数都减小，灯泡两端电压变大、亮度变强答案：C,2如图17所示的实验电路中，电源两端的电压恒定，L为小灯泡，R为光敏电阻，D为发光二极管(电流越大，发出的光越强)，且R与D相距很近，下列说法正确的是(),A当滑动触头P向左移动时，L消耗的功率增大B当滑动触头P向左移动时，L消耗的功率减小C当滑动触头P向右移动时，L消耗的功率可能不变D无论怎样移动触头，P、L消耗的功率都不变解析：触头P左移，使其电阻减小，流过二极管的电流增大，从而发光增强，使光敏电阻R减小，最终达到增大流过灯泡的电流的效果故A正确答案：A,3计算机光驱的主要部分是激光头，它可以发射脉冲激光信号，激光扫描光盘时，激光头利用光敏电阻
15、自动计数器将反射回来的脉冲信号传输给信号处理系统，再通过计算机显示出相应信息光敏电阻自动计数器的示意图如图18所示，其中R1为光敏电阻，R2为定值电阻，此光电计数器的基本工作原理是(),A当有光照射R1时，处理系统获得高电压B当有光照射R1时，处理系统获得低电压C信号处理系统每获得一次低电压就计数一次D信号处理系统每获得一次高电压就计数一次,解析：R1、R2和电源组成一个闭合电路，只有R2两端获得高电压时，处理系统才能进行信号处理，当激光照到光敏电阻时，R1的阻值变小，总电流变大则R2两端获得高电压，因此选AD答案：AD,4(2008年江苏卷)2007年度诺贝尔物理学奖授予了法国和德国的两位科
16、学家，以表彰他们发现“巨磁电阻效应”基于巨磁电阻效应开发的用于读取硬盘数据的技术，被认为是纳米技术的第一次真正应用，在下列有关其它电阻应用的说法中，错误的是(),A热敏电阻可应用于温度测控装置中B光敏电阻是一种光电传感器C电阻丝可应用于电热设备中D电阻在电路中主要起到通过直流、阻碍交流的作用,解析：本题考查常见电子元件的特性和应用热敏电阻对温度很敏感，光敏电阻对光照很敏感，电阻丝可用于电加热，这很常见，所以A、B、C三个说法均正确；交流电、直流电均可通过电阻，电阻对它们均可产生阻碍作用，所以D错误故选D.答案：D,5传感器是把非电学量(如速度、温度、压力等)的变化转换成电学量的变化的一种元件，
17、在自动控制中有着相当广泛的应用有一种测量人的体重的电子秤，其测量部分的原理图如图19中的虚线框所示，,它主要由压力传感器R(电阻值会随所受压力大小发生变化的可变电阻)，显示体重大小的仪表A(实质是理想的电流表)组成压力传感器表面能承受的最大压强为1107 Pa，且已知压力传感器R的电阻与所受压力的关系如下表所示设踏板和压杆的质量可以忽略不计，接通电源后，压力传感器两端的电压恒为4.8 V，取g10 m/s2.请回答：,(1)该秤零起点(即踏板空载时)的刻度线应标在电流表刻度盘_ A处(2)如果某人站在该秤踏板上，电流表刻度盘的示数为20 mA，这个人的体重是_ kg.,答案：(1)1.6102
18、(2)50,6温度传感器广泛应用于室内空调、电冰箱等家用电器中，它是利用热敏电阻的阻值随温度变化的特性工作的如图20甲所示，电源的的电动势E9.0 V，内电阻不计；G为灵敏电流计，内阻Rg保持不变；R为热敏电阻，其电阻值与温度的变化关系如图20乙所示闭合开关S，当R的温度等于20时，电流表示数I12 mA；当电流表的示数I23.6 mA时，热敏电阻的温度是_.,答案：120,7(2008年广东卷)某实验小组探究一种热敏电阻的温度特性现有器材：直流恒流电源(在正常工作状态下输出的电流恒定)、电压表、待测热敏电阻、保温容器、温度计、开关和导线等(1)若用上述器材测量热敏电阻的阻值随温度变化的特性，
19、请你在图21所示的实物图上连线,(2)实验的主要步骤：正确连接电路，在保温容器中注入适量冷水，接通电源，调节并记录电源输出的电流值；在保温容器中添加少量热水，待温度稳定后，闭合开关，_，_，断开开关；重复第步操作若干次，测得多组数据(3)实验小组算得该热敏电阻在不同温度下的阻值，并据此绘得Rt关系图线如图22所示，请根据图线写出该热敏电阻的Rt关系式：R_t()(保留3位有效数字),(2)记录电压表电压值温度计数值(3)100(0.4000.005),答案：(1)如图23,8(2009年重庆卷)硅光电池是一种可将光能转换为电能的器件某同学用图24甲所示电路探究硅光电池的路端电压U与总电流I的关
20、系图中R0为已知定值电阻，电压表视为理想电压表,请根据图甲，用笔画线代替导线将图乙中的实验器材连接成实验电路若电压表V2的读数为U0，则I_.实验一：用一定强度的光照射硅光电池，调节滑动变阻器，通过测量得到该电池的UI曲线a，见图丙由此可知电池内阻 _(填“是”或“不是”)常数，短路电流为_mA，电动势为_V.,实验二：减小实验一中光的强度，重复实验，测得UI曲线b，见图丙当滑动变阻器的电阻为某值时，若实验一中的路端电压为1.5 V，则实验二中外电路消耗的电功率为_mW(计算结果保留两位有效数字),作出UIR图线与曲线b相交于某一点，此点的坐标值就是实验二中的对应路端电压与电流，其乘积即为外电路的电功率,答案：见图25,
