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實驗十二　傳感器的簡單使用 一、研究熱敏電阻的特性 1.實驗原理 閉合電路歐姆定律，用歐姆表進行測量和觀察. 2.實驗器材 半導體熱敏電阻、多用電表、溫度計、鐵架臺、燒杯、涼水和熱水. 3.實驗步驟 (1)按圖1連接好電路，將熱敏電阻絕緣處理； 圖1 (2)把多用電表置于歐姆擋，并選擇適當?shù)牧砍虦y出燒杯中沒有水時熱敏電阻的阻值，并記下溫度計的示數(shù)； (3)向燒杯中注入少量的冷水，使熱敏電阻浸沒在冷水中，記下溫度計的示數(shù)和多用電表測量的熱敏電阻的阻值； (4)將熱水分幾次注入燒杯中，測出不同溫度下熱敏電阻的阻值，并記錄. 4.數(shù)據(jù)處理 在圖2坐標系中，粗略畫出熱敏電阻的阻值隨溫度變化的圖線. 圖2 5.實驗結(jié)論 熱敏電阻的阻值隨溫度的升高而減小，隨溫度的降低而增大. 6.注意事項 實驗時，加熱水后要等一會兒再測熱敏電阻阻值，以使電阻溫度與水的溫度相同，并同時讀出水溫. 二、研究光敏電阻的光敏特性 1.實驗原理 閉合電路歐姆定律，用歐姆表進行測量和觀察. 2.實驗器材 光敏電阻、多用電表、小燈泡、滑動變阻器、導線、電源. 3.實驗步驟 (1)將光敏電阻、多用電表、燈泡、滑動變阻器按圖3所示電路連接好，其中多用電表置于“100”擋； 圖3 (2)先測出在室內(nèi)自然光的照射下光敏電阻的阻值，并記錄數(shù)據(jù)； (3)打開電源，讓小燈泡發(fā)光，調(diào)節(jié)小燈泡的亮度使之逐漸變亮，觀察多用電表表盤指針顯示光敏電阻阻值的情況，并記錄； (4)用手掌(或黑紙)遮光時，觀察多用電表表盤指針顯示光敏電阻阻值的情況，并記錄. 4.數(shù)據(jù)處理 根據(jù)記錄數(shù)據(jù)分析光敏電阻的特性. 5.實驗結(jié)論 (1)光敏電阻在暗環(huán)境下電阻值很大，強光照射下電阻值很?。? (2)光敏電阻能夠把光照強弱這個光學量轉(zhuǎn)換為電阻這個電學量. 6.注意事項 (1)實驗中，如果效果不明顯，可將電阻部分電路放入帶蓋的紙盒中，并通過蓋上小孔改變照射到光敏電阻上的光的多少來達到實驗目的； (2)歐姆表每次換擋后都要重新進行歐姆調(diào)零. 命題點一　溫度傳感器的應用 例1　(2016全國卷Ⅰ23)現(xiàn)要組裝一個由熱敏電阻控制的報警系統(tǒng)，要求當熱敏電阻的溫度達到或超過60 ℃時，系統(tǒng)報警.提供的器材有：熱敏電阻，報警器(內(nèi)阻很小，流過的電流超過Ic時就會報警)，電阻箱(最大阻值為999.9 Ω)，直流電源(輸出電壓為U，內(nèi)阻不計)，滑動變阻器R1(最大阻值為1 000 Ω)，滑動變阻器R2(最大阻值為2 000 Ω)，單刀雙擲開關(guān)一個，導線若干. 在室溫下對系統(tǒng)進行調(diào)節(jié).已知U約為18 V，Ic約為10 mA；流過報警器的電流超過20 mA時，報警器可能損壞；該熱敏電阻的阻值隨溫度升高而減小，在60 ℃時阻值為650.0 Ω. (1)在圖4中完成待調(diào)節(jié)的報警系統(tǒng)原理電路圖的連線. 圖4 (2)電路中應選用滑動變阻器________(填“R1”或“R2”). (3)按照下列步驟調(diào)節(jié)此報警系統(tǒng)： ①電路接通前，需將電阻箱調(diào)到一固定的阻值，根據(jù)實驗要求，這一阻值為________Ω；滑動變阻器的滑片置于______(填“a”或“b”)端附近，不能置于另一端的原因是________. ②將開關(guān)向______(填“c”或“d”)端閉合，緩慢移動滑動變阻器的滑片，直至________. (4)保持滑動變阻器滑片的位置不變，將開關(guān)向另一端閉合，報警系統(tǒng)即可正常使用. 答案　(1)見解析圖　(2)R2 (3)①650.0　b　接通電源后，流過報警器的電流會超過20 mA，報警器可能損壞　②c　報警器開始報警 解析　(1)先用電阻箱替代熱敏電阻，連接成閉合回路進行調(diào)試.電路圖連接如圖所示. (2)當電路中電流Ic＝10 mA時，根據(jù)閉合電路歐姆定律有Ic＝，解得R總＝1 800 Ω，此時熱敏電阻的阻值為650 Ω，則滑動變阻器的阻值為1 150 Ω，所以滑動變阻器選R2. (3)①當熱敏電阻阻值小于650 Ω時，報警器就會報警，用電阻箱替代熱敏電阻進行調(diào)節(jié)，應把電阻箱的阻值調(diào)到650 Ω.若接通電源后電路中的電流過大(超過20 mA)，報警器就會損壞，電流越小越安全，所以為了電路安全，閉合開關(guān)前滑片應置于b端. ②用電阻箱替代熱敏電阻進行調(diào)試，應將開關(guān)向c端閉合，開關(guān)閉合后要減小電路中的電阻直至報警器報警. 變式1　利用負溫度系數(shù)熱敏電阻制作的熱傳感器，一般體積很小，可以用來測量很小范圍內(nèi)的溫度變化，反應快，而且精確度高. (1)如果將負溫度系數(shù)熱敏電阻與電源、電流表和其他元件串聯(lián)成一個電路，其他因素不變，只要熱敏電阻所處區(qū)域的溫度降低，電路中電流將變______(填“大”或“小”). (2)上述電路中，我們將電流表中的電流刻度換成相應的溫度刻度，就能直接顯示出熱敏電阻附近的溫度.如果刻度盤正中的溫度為20 ℃(如圖5甲所示)，則25 ℃的刻度應在20 ℃的刻度的______(填“左”或“右”)側(cè). 圖5 (3)為了將熱敏電阻放置在某蔬菜大棚內(nèi)檢測大棚內(nèi)溫度變化，請用圖乙中的器材(可增加元器件)設計一個電路.(請在圖乙中作圖) 答案　(1)小　(2)右　(3)見解析圖 解析　(1)因為負溫度系數(shù)熱敏電阻溫度降低時，電阻增大，故電路中電流變小. (2)由(1)的分析知，溫度越高，電流越大，25 ℃的刻度應對應較大電流，故在20 ℃的刻度的右側(cè). (3)如圖所示. 命題點二　光電傳感器的應用 例2　為了節(jié)能和環(huán)保，一些公共場所使用光控開關(guān)控制照明系統(tǒng).光控開關(guān)可采用光敏電阻來控制，光敏電阻是阻值隨著光的照度而發(fā)生變化的元件(照度可以反映光的強弱，光越強照度越大，照度單位為lx).某光敏電阻RP在不同照度下的阻值如下表： 照度(lx) 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 電阻(kΩ) 75 40 28 23 20 18 (1)根據(jù)表中數(shù)據(jù)，請在圖6甲所示的坐標系描繪出阻值隨照度變化的曲線，并說明阻值隨照度變化的特點. (2)如圖乙所示，當1、2兩端所加電壓上升至2 V時，控制開關(guān)自動啟動照明系統(tǒng).請利用下列器材設計一個簡單電路，給1、2兩端提供電壓，要求當天色漸暗照度降低至1.0 lx時啟動照明系統(tǒng)，在虛線框內(nèi)完成電路原理圖.(不考慮控制開關(guān)對所設計電路的影響) 提供的器材如下： 光敏電阻RP(符號，阻值見上表)； 直流電源E(電動勢3 V，內(nèi)阻不計)； 定值電阻：R1＝10 kΩ，R2＝20 kΩ，R3＝40 kΩ(限選其中之一，并在圖中標出)；開關(guān)S及導線若干. 圖6 答案　見解析 解析　(1)光敏電阻的阻值隨照度變化的曲線如圖甲所示，光敏電阻的阻值隨照度的增大而減小. (2)根據(jù)串聯(lián)電阻的正比分壓關(guān)系，E＝3 V，當照度降低至1.0 lx時，1、2兩端電壓升至2 V，由圖線甲知，此時光敏電阻阻值RP＝20 kΩ，URP＝2 V，串聯(lián)電阻分壓UR＝1 V，由＝＝2，得R＝＝10 kΩ，故選定值電阻R1，電路原理圖如圖乙所示. 命題點三　壓力傳感器的應用 例3　材料的電阻隨壓力的變化而變化的現(xiàn)象稱為“壓阻效應”，利用這種效應可以測量壓力大小.若圖7甲為某壓敏電阻在室溫下的電阻—壓力特性曲線，其中RF，R0分別表示有、無壓力時壓敏電阻的阻值.為了測量壓力F，需先測量壓敏電阻處于壓力中的電阻值RF.請按要求完成下列實驗. 圖7 (1)設計一個可以測量處于壓力中的該壓敏電阻阻值的電路，在圖乙的虛線框中畫出實驗電路原理圖(壓敏電阻及所給壓力已給出，待測壓力大小約為0.4102 N～0.8102 N，不考慮壓力對電路其他部分的影響)，要求誤差較小，提供的器材如下： A.壓敏電阻，無壓力時阻值R0＝6 000 Ω B.滑動變阻器R，全電阻阻值約200 Ω C.電流表A，量程2.5 mA，內(nèi)阻約30 Ω D.電壓表V，量程3 V，內(nèi)阻約3 kΩ E.直流電源E，電動勢3 V，內(nèi)阻很小 F.開關(guān)S，導線若干 (2)正確接線后，將壓敏電阻置于待測壓力下，通過壓敏電阻的電流是1.33 mA，電壓表的示數(shù)如圖丙所示，則電壓表的讀數(shù)為________ V. (3)此時壓敏電阻的阻值為________ Ω；結(jié)合圖甲可知待測壓力的大小F＝________ N.(計算結(jié)果均保留兩位有效數(shù)字) 答案　(1)見解析圖　(2)2.00　(3)1.5103　60 解析　(1)根據(jù)題述對實驗電路的要求，應該采用分壓式接法、電流表內(nèi)接的電路，原理圖如圖所示. (2)根據(jù)電壓表讀數(shù)規(guī)則，電壓表讀數(shù)為2.00 V. (3)由歐姆定律，此時壓敏電阻的阻值為RF＝－RA≈1.5103 Ω，＝4，由題圖甲可知，對應的待測壓力F＝60 N. 變式2　某些固體材料受到外力后除了產(chǎn)生形變，其電阻率也要發(fā)生變化，這種由于外力的作用而使材料電阻率發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為“壓阻效應”.現(xiàn)用如圖8所示的電路研究某長薄板電阻Rx的壓阻效應，已知Rx的阻值變化范圍為幾歐到幾十歐，實驗室中有下列器材： 圖8 A.電源E(電動勢3 V，內(nèi)阻約為1 Ω) B.電流表A1(0～0.6 A，內(nèi)阻r1＝5 Ω) C.電流表A2(0～0.6 A，內(nèi)阻r2≈1 Ω) D.開關(guān)S，定值電阻R0＝5 Ω (1)為了比較準確地測量電阻Rx的阻值，請完成虛線框內(nèi)電路圖的設計. (2)在電阻Rx上加一個豎直向下的力F(設豎直向下為正方向)，閉合開關(guān)S，記下電表讀數(shù)，A1的讀數(shù)為I1，A2的讀數(shù)為I2，得Rx＝________.(用字母表示) (3)改變力的大小，得到不同的Rx值，然后讓力反向從下向上擠壓電阻，并改變力的大小，得到不同的Rx值.最后繪成的圖象如圖9所示，除觀察到電阻Rx的阻值隨壓力F的增大而均勻減小外，還可以得到的結(jié)論是________________________.當F豎直向下時，可得Fx與所受壓力F的數(shù)值關(guān)系是Rx＝________. 圖9 答案　(1)見解析圖　(2) (3)壓力反向，阻值不變　17－2F 解析　(1)利用伏安法測量電阻阻值，但所給器材缺少電壓表，可以用內(nèi)阻已知的電流表A1代替，另一個電流表A2測量電流.電路圖如圖所示. (2)電阻Rx兩端電壓為Ux＝I1r1，流經(jīng)的電流為Ix＝I2－I1，電阻Rx＝. (3)由題圖可知，圖象是一次函數(shù)圖線，即Rx＝kF＋b，k＝＝－＝－2，b＝17，則有Rx＝17－2F；由題圖可知，由于圖線對稱，不管力F如何增加，Rx均線性減小.