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第3讲实验:传感器的简单应用知识建构技能建构1.知道传感器的作用.一、实验目的知识建构技能建构2.观察热敏电阻和光敏电阻的阻值是如何随热信号和光信号而变化的.二、实验原理传感器是将它所感受到的物理量(如力、热、光、声等)转换成便于测量的量(一般是电学量)的一类元件.例如:热电传感器是利用热敏电阻将热信号转换成电信号;光电传感器是利用光敏电阻将光信号转换成电信号.转换后的信号经过相应的仪器进行处理,就可达到自动控制等各种目的.知识建构技能建构三、实验器材铁架台、温度计、欧姆表、烧杯、热敏电阻、光敏电阻、导线、纸带、光电计数器、钩码.知识建构技能建构1.热敏特性实验:如图所示.四、实验步骤知识建构技能建构(2)将多用电表的选择开关置于“欧姆”挡,将两表笔短接,调零后再将两支表笔分别与热敏电阻的两个接触端相连.(1)在烧杯内倒入少量冷水,放在铁架台上,将悬挂在铁架台上的温度计放入水中.知识建构技能建构(3)将热敏电阻放入烧杯内的水中,在欧姆挡上选择合适的倍率,再调零,把两支表笔接到热敏电阻的两输出端,读出多用电表指示的热敏电阻的阻值,填入表格内.实验记录:实验次数123456温度/℃电阻/Ω知识建构技能建构(5)通过比较这些测得的数据,看看热敏电阻是怎样随温度的变化而变化的.(4)分几次向烧杯内倒入开水,观察不同温度时热敏电阻的阻值,记录在表格内.(6)将多用电表的选择开关置于交流电压最高挡或“OFF”挡,拆除装置,将器材按原样整理好.知识建构技能建构2.光敏电阻特性实验:如图所示.(1)将多用电表的选择开关置于欧姆挡,选择合适的倍率,将两支表笔短接后调零.知识建构技能建构(3)将手张开放在光敏电阻的上方,挡住照到光敏电阻上的部分光线,观察表盘所示光敏电阻阻值的变化,并记录下来.(2)把多用电表的两支表笔接到光敏电阻的两个输出端,读出表盘指示的光敏电阻的阻值,并记录下来.(4)上下移动手掌,观察光敏电阻阻值的变化.(5)将多用电表的选择开关置于交流电压最高挡或“OFF”挡,拆开装置,将器材按原样整理好.知识建构技能建构3.光电计数的基本原理将钩码放在纸带上,如图所示.拖动纸带向前运动,观察光电计数器上的①数字变化.知识建构技能建构4.简单自动控制实验请同学们自己设计一个由热敏电阻或光敏电阻作为传感器的简单自动控制实验.五、实验注意事项知识建构技能建构2.可用图象描出电阻随温度变化的图线来分析其规律.1.在做热敏电阻特性实验时,加开水后②要等一会再测其阻值,以使电阻温度与水的温度③相同,并同时读出水温.3.在做光敏电阻特性的实验中,如果效果不明显,可将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④光的多少.4.光电计数器是比较精密的仪器,使用过程中注意轻拿轻放.知识建构技能建构一、热敏电阻的特性知识建构技能建构 例1用对温度敏感的半导体材料制成的某热敏电阻RT,在给定温度范围内,其阻值随温度的变化是非线性的.某同学将RT和两个适当的固定电阻R1、R2连成图甲虚线框内所示的电路,以使该电路的等效电阻RL的阻值随RT所处环境温度的变化近似为线性的,且具有合适的阻值范围.为了验证这个设计,他采用伏安法测量在不同温度下RL的阻值,测量电路如图甲所示,图中的电压表内阻很大.RL的测量结果如表所示.甲知识建构技能建构温度t(℃)30.040.050.060.070.080.090.0RL阻值(Ω)54.351.548.344.741.437.934.7知识建构技能建构(1)根据图甲所示的电路,在图乙所示的实物图上连线.乙回答下列问题:知识建构技能建构(2)为了检验RL与t之间近似为线性关系,在坐标纸上作RL-t关系图线.知识建构技能建构(3)在某一温度下,电路中的电流表、电压表的示数如图丙、丁所示.电流表的示数为,电压表的示数为.此时等效电阻RL的阻值为,热敏电阻所处环境的温度约为.丙丁知识建构技能建构【名师点金】本题是一道实验综合题,既考查电路的连接、多用电表的读数,同时考查图象的应用,解答时要注意温度变化时引起的电路各部分电阻、电流、电压的变化.知识建构技能建构【规范全解】本题主要考查伏安法测电阻的知识,需要考生明确实验的原理会根据电路图进行实物连线,会用图象法处理实验数据.由图中可得到电流表示数为115mA,电压表读数为5.00V,RL= = ≈43.5Ω,由RL-t图象可知,该等效电阻对应的温度为64.0℃.【答案】(1)如图戊所示UI5.00V0.115A知识建构技能建构(2)关系曲线如图己所示(3)115mA5.00V43.5Ω64.0℃知识建构技能建构变式训练如图所示,图甲为热敏电阻的R-t图象,图乙为此热敏电阻R和继电器组成的一个简单恒温箱温控电路,继电器线圈电阻为100Ω.当线圈电流大于或等于10mA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E=6V,内阻不计.图中的“电源”是恒温箱加热器的电源.甲乙知识建构技能建构(1)应该把恒温箱内的加热器接在两端(填“A、B”或“C、D”);(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Ω;(3)如果要使恒温箱内的温度保持100℃,可变电阻R'的阻值应调节为Ω;知识建构技能建构(4)若可变电阻R'可在380Ω到470Ω范围内调节,则此恒温箱可控制的恒温范围是℃.【规范全解】(1)温度低于要求时,电路加热设备应工作,此时热敏电阻的阻值大,由闭合电路的欧姆定律可知,电路中电流小,弹簧将衔铁向上拉起,故加热器应接A、B两端.(2)恒温箱内的温度保持50℃,由甲图可知热敏电阻在此温度时的阻值为100Ω,由闭合电路欧姆定律可知E=I(100+R'+100),得R'=400Ω,所以可变电阻R'的值应调为400Ω.知识建构技能建构(4)可变电阻R'可在380Ω到470Ω范围内调节,由闭合电路欧姆定律可知E=I(100+R1+380)和E=I(100+R2+470),解得热敏电阻的阻值分别为R1=120Ω,R2=30Ω,由甲图可知对应的温度分别是t1=40℃,t2=150℃,此恒温箱可控制的恒温范围是40℃~150℃.【答案】(1)A、B(2)400(3)450(4)40℃~150℃(3)恒温箱内的温度保持100℃,由甲图可知热敏电阻在此温度时的阻值为50Ω,由闭合电路欧姆定律可知E=I(100+R'+50),得R'=450Ω,所以可变电阻R'的值应调为450Ω.知识建构技能建构 例2光敏电阻在各种自动化装置中有很多应用,比如用于街道路灯的自动控制.图甲为模拟电路,其中A为光敏电阻,B为电磁继电器,C为照明电路,D为路灯,请连成正确的电路,达到日出灯熄,日落灯亮的效果.甲二、光传感器的应用知识建构技能建构【名师点金】本题考查光敏电阻的特性及在传感器中的应用,同时考查了电路的连接,在能力方面重点考查学生的实验与探究能力知识建构技能建构【规范全解】如图乙所示,当天亮时,光线照射光敏电阻A.其阻值迅速减小,控制回路电流增大,继电器B工作,吸住衔铁使触点断开,路灯熄灭.当夜晚降临,光线变暗,光敏电阻A的阻值增大,控制回路电流减小,弹簧将衔铁拉起,触点接通,路灯点亮.【答案】如图乙所示知识建构技能建构1.(2012年山东聊城模拟)如图所示,R1、R2为定值电阻,L为小灯泡,R3为光敏电阻,当照射光强度增大时 ()A.电压表的示数增大B.R2中电流减小C.小灯泡的功率增大D.电路的路端电压增大知识建构技能建构灯泡的功率增大,故C项正确.【答案】ABC【解析】当照射光强度增大时,R3阻值减小,外电路电阻随R3的减小而减小,R1两端电压因干路电流增大而增大,同时内电压增大,故电路路端电压减小,电压表的示数增大,A项正确,D项错误;由路端电压减小,R1两端电压增大知,R2两端电压必减小,则R2中电流减小,故B项正确;结合干路电流增大知流过小灯泡的电流必增大,则小知识建构技能建构2.(2010年高考·全国理综卷Ⅱ)如图甲所示,一热敏电阻RT放在控温容器M内; 为毫安表,量程为6mA,内阻为数十欧姆;E为直流电源,电动势约为3V,内阻很小;R为电阻箱,最大阻值为999.9Ω;S为开关.已知RT在95℃时的阻值为150Ω,在20℃时的阻值约为550Ω.现要求在降温过程中测量在95℃~20℃之间的多个温度下RT的阻值.知识建构技能建构(2)完成下列实验步骤中的填空:①依照实验原理电路图连线.②调节控温容器M内的温度,使得RT的温度为95℃.③将电阻箱调到适当的初值,以保证仪器安全.④闭合开关,调节电阻箱,记录电流表的示数I0,并记录.⑤将RT的温度降为T1(20℃T195℃);调节电阻箱,使得电流表的读数,记录.⑥温度为T1时热敏电阻的电阻值 =.⑦逐步降低T1的数值,直至20℃为止;在每一温度下重复步骤⑤、1TR(1)在图甲中画出连线,完成实验原理电路图.⑥知识建构技能建构(1)根据题意,题目中没有提供滑动变阻器,取而代之的是电阻箱,所以只能将各元件串联起来组成一闭合回路.【解析】本题考查闭合电路欧姆定律的有关知识.知识建构技能建构(2)因为电源内阻很小可以忽略不计,所以内电压可以忽略不计.先调节控温容器使RT的温度为95℃,调节电阻箱使电流表示数为I0,此时电阻箱示数为R0,假设电流表内阻为RA,电源电动势用E表示,有E=I0RA+I0×150+I0R0,将RT的温度降为T1,调节电阻箱使电流表的示数仍然为I0,记下电阻箱的示数R1,则有E=I0RA+I0×RT1+I0R1,将两式联立即得RT1=R0-R1+150(Ω).【答案】(1)实验原理电路图如图乙所示.(2)④电阻箱的读数R0⑤仍为I0电阻箱的读数R1⑥R0-R1+150(Ω)知识建构技能建构3.(2012年东北四校联考)电流传感器可以像电流表一样测量电流,它与计算机相连,能在几秒内画出电流随时间变化的图象.如图甲所示电路,电源电动势为直流8V,电容器为几百微法的电容器,先使开关S与1相连,电源向电容器充电,然后把开关S掷向2,电容器通过电阻R放电,计算机屏幕上显示出电流随时间变化的I-t曲线,如图乙所示.则:在图乙中画出了一个竖立的狭长矩形(在图乙的左端),它的面积的物理意义是:.根据以上数据估算的电容是(结果保留三位有效数字).知识建构技能建构【解析】由q=I·t可知,I-t图象中的面积表示为通过电流传感器的电荷量.由数格法可知电容器放电前所带电荷量Q=42×0.2×10-3×0.4C=3.36×10-3C,则C= =420μF.【答案】通过电流传感器的电荷量400~440μFQU知识建构技能建构4.(2009年高考·宁夏理综卷)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(如黑夜)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,黑夜打开.电磁开关的内部结构如图甲所示.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50mA时,电磁铁吸合铁片,弹簧片和触点分离,3、4断开;电流小于50mA时,3、4接通.励磁线圈中允许通过的最大电流为100mA.知识建构技能建构(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.知识建构技能建构知识建构技能建构(2)回答下列问题:①如果励磁线圈的电阻为200Ω,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.答:.③任意举出一个其他的电磁铁应用的例子.答:.知识建构技能建构【解析】(1)电路原理如图所示知识建构技能建构(2)①由U=IR得励磁线圈允许加的最大电压U=ImR=0.1×200V=20V;依据允许通过励磁线圈的电流