2025届高三物理一轮复习导学案 10.8 传感器的简单应用

2025届高三物理一轮复习导学案 专题十 电磁感应 交流电 传感器 第8课时 传感器的简单应用 传感器的工作原理 1．概念：能够感受外界信息，并将其按照一定的规律转换成电信号的器件或装置，叫传感器。 2．组成：一般由敏感元件、转换器件、转换电路三个部分组成。 3．原理：通过对某一物理量敏感的元件，将感受到的物理量按一定规律转换成便于测量的量。例如，光电传感器利用光敏电阻将光信号转换成电信号；热电传感器利用热敏电阻将温度信号转换成电信号。 考点一：研究热敏电阻的特性 1. 实验原理 闭合电路欧姆定律，用欧姆表进行测量和观察。 2. 实验器材 半导体热敏电阻、多用电表、温度计、铁架台、烧杯、凉水和热水。 3. 实验步骤 （1） 按图连接好电路，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。 4. 数据处理 在坐标系中，粗略画出热敏电阻的阻值随温度变化的图线。 5. 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。 6. 注意事项 实验时，加热水后要等一会儿再测热敏电阻阻值，以使电阻温度与水的温度相同，并同时读出水温。 [例题1] （鲁科版选必二）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着温度变化的特性来工作的。如图（a）所示，电源的电动势E=9.0V，内阻不计；G为灵敏电流计，内阻Rg保持不变；RT为热敏电阻，其电阻阻值与温度的变化关系如图（b）所示。闭合开关S，当R的温度等20℃时，电流表示数I1=2mA；当电流表的示I2=3.6mA时，热敏电阻的温度是多少。 [变式 1]（ 2024·浙江·高考真题）在探究热敏电阻的特性及其应用的实验中，测得热敏电阻，在不同温度时的阻值如下表 温度/℃ 4.1 9.0 14.3 20.0 28.0 38.2 45.5 60.4 电阻/（） 220 160 100 60 45 30 25 15 某同学利用上述热敏电阻、电动势（内阻不计）的电源、定值电阻R（阻值有、、三种可供选择）、控制开关和加热系统，设计了A、B、C三种电路。因环境温度低于，现要求将室内温度控制在范围，且1、2两端电压大于，控制开关开启加热系统加热，则应选择的电路是 ，定值电阻R的阻值应选 ， 1、2两端的电压小于 V时，自动关闭加热系统（不考虑控制开关对电路的影响）。 A．   B． C． [延伸 1] 有一种电阻温度传感器如图甲所示，电阻封装在传感器的探头内。其阻值随温度的变化如图乙所示。小明同学想利用这种传感器制作一个温度计，他准备的实验器材如下：干电池，电动势为1.5V，内阻不计；灵敏电流表，量程为15mA，内阻为；电阻箱；开关、导线若干。把电流表的示数改为温度计的示数。 （1）首先，小明同学直接将干电池、开关、灵敏电流表、电阻温度传感器串联成一个电路作为测温装置，则该装置能测的最低温度为 。 （2）小明同学为了使温度计从开始测量，又设计了如图丙所示的电路图，其中R为电阻温度传感器的电阻，为电阻箱，并进行了如下操作：将传感器的探头放入冰水混合物中，过一段时间后闭合开关，调节电阻箱，使电流表指针满偏，此时 。 （3）图丙中电流表的示数I（A）和温度t（）的关系式 。根据关系式将电流表刻度盘上的电流值改写为温度值，这样就可以通过电流表的表盘直接读出被测物体的温度。 （4）若干电池用久了后其电动势不变，而内阻明显变大，其他条件不变。小明使用此温度计前按题中步骤（2）中的操作进行了调节，仍使电流表指针满偏，测量结果将 （填“偏大”、“偏小”或“不变”）。 考点二：研究光敏电阻的光敏特性 1. 实验原理 闭合电路欧姆定律，用欧姆表进行测量和观察。 2. 实验器材 光敏电阻、多用电表、小灯泡、滑动变阻器、导线、电源。 3. 实验步骤 （1）将光敏电阻、多用电表、灯泡、滑动变阻器电路连接好，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，观察多用电表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，观察多用电表表盘指针显示光敏电阻阻值的情况，并记录。 4. 数据处理 5. 实验结论 （1）光敏电阻在暗环境下电阻值很大，强光照射下电阻值很小； （2） 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。 6. 注意事项 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多少来达到实验目的； [例题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 电阻(kΩ) 75 40 28 23 20 18 （1）根据表中数据，请在图甲所示的坐标系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） 如图乙所示，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） 提供的器材如下： 光敏电阻RP(符号，阻值见上表)； 直流电源E(电动势3 V，内阻不计)； 定值电阻：R1＝10 kΩ，R2＝20 kΩ，R3＝40 kΩ(限选其中之一，并在图中标出)；开关S及导线若干。 [变式2] 如图为某街道路灯自动控制电路，光敏电阻是阻值R随光的照度I（光越强，照度越大，照度单位为lx）而发生变化的元件。某光敏电阻R在不同照度下的阻值如下表： 照度I（lx） 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 电阻R（） 7.5 4.0 2.8 2.3 2.0 1.8 （1）由表格可知光越弱光敏电阻阻值越 （选填“大”或“小”）。 （2）利用直流电源E为电磁铁供电，利用照明电源为路灯供电。为达到天亮灯熄、天暗灯亮的效果，路灯应接在 （选填“AB”或“CD”）之间； （3）若线圈的电阻为，直流电源E的电动势，内阻忽略不计。当线圈中的电流大于10mA时，继电器的衔铁将被吸合，则滑动变阻器的阻值应调为 ，才能使天色渐暗照度低于0.6lx时点亮路灯。 [延伸2] 图（a）是某生鲜超市流水线上的产品输送及计数装置示意图，其中K为光源，电源电动势E =6V，内阻为r。R1为定值电阻，R2为光敏电阻（无光照射时阻值大，有光照射时阻值小）。产品随传送带匀速运动，当产品通过光源K与R2之间时，射向R2的光束会被挡住。合上电键S，R2两端的电压U随时间t变化的关系如图（b）所示。则每分钟通过计数装置的产品个数为 个，有光照射和无光照射时R2的功率之比为 。 考点三：压力传感器的使用 [例题3] （鲁科版选必二P118, 4）压敏电阻的阻值随所受压力的增大而减小，有位同学设计了利用压敏电阻判断升降机运动状态的装置，其工作原理如图所示。将压敏电阻固定在升降机底板上，其上放置一个物块，在升降机运动过程的某一段时间内，发现电流表的示数不变，且I大于升降机静止时电流表的示数I0，在这段时间内： A．升降机可能匀速上升 B．升降机一定匀减速上升 C．升降机一定处于失重状态 D．通过压敏电阻的电流一定比电梯静止时大 [变式3] 压力传感器是一种常用的传感器，其阻值会随作用的压力变化而改变。某兴趣小组利用如图甲所示的电路测量某压力传感器在不同压力下的阻值。请回答以下问题： （1）闭合开关S前，应将滑动变阻器的触头P滑至 端（选填“a”或“b”）； （2）通过多次实验，该兴趣小组测得了多组关于阻值、压力F的数据，并在图乙中描出了相应点，请根据图乙中所描点大致画出阻值随压力F变化的图像； （3）将阻值随压力F的变化率记作压力传感器的灵敏度，由图乙可知，在实验测量数据范围内，压力越大，灵敏度越 （选填“高”或“低”）。 [延伸3] （2023年湖南卷高考真题）某探究小组利用半导体薄膜压力传感器等元件设计了一个测量微小压力的装置，其电路如图（a）所示，为电阻箱，为半导体薄膜压力传感器，间连接电压传感器（内阻无穷大）。   （1）先用欧姆表“”挡粗测的阻值，示数如图（b）所示，对应的读数是 ; （2）适当调节，使电压传感器示数为0，此时，的阻值为 （用表示）； （3）依次将的标准砝码加载到压力传感器上（压力传感器上所受压力大小等于砝码重力大小），读出电压传感器示数，所测数据如下表所示： 次数 1 2 3 4 5 6 砝码质量 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 电压 0 57 115 168 220 280 根据表中数据在图（c）上描点，绘制关系图线 ； （4）完成前面三步的实验工作后，该测量微小压力的装置即可投入使用．在半导体薄膜压力传感器上施加微小压力，电压传感器示数为，则大小是 （重力加速度取，保留2位有效数字）； （5）若在步骤（4）中换用非理想毫伏表测量间电压，在半导体薄膜压力传感器上施加微小压力，此时非理想毫伏表读数为，则 （填“>”“=”或“<”）。 参考答案： 【例题1】[答案] 120℃ [解析]由题图乙知，当t1=20°C，热敏电阻的阻值R1=4 kΩ；根据闭合电路欧姆定律得 ，可解得Rg=0.5kΩ，由闭合电路的欧姆定律得，可解得R2=2kΩ 合题图乙得，热敏电阻的温度是t2=120°C。 [变式1][答案] C 3 1.8 [解析][1]电路A，定值电阻和热敏电阻并联，电压不变，故不能实现电路的控制，A错误； 定值电阻和热敏电阻串联，温度越低，热敏电阻的阻值越大，定值电阻分得电压越小，无法实现1、2两端电压大于，控制开关开启加热系统加热。B错误；定值电阻和热敏电阻串联，温度越低，热敏电阻的阻值越大，热敏电阻分得电压越大，可以实现1、2两端电压大于，控制开关开启加热系统加热，C正确。 [2]由热敏电阻在不同温度时的阻值表可知，的阻值为 ，由题意可知，解得。 [3]时关闭加热系统，此时热敏电阻阻值为，此时1、2两点间的电压为 [延伸1] [答案] 60；30；（也可）；不变； [解析]本题考查闭合电路欧姆定律，目的是考查学生的实验探究能力。 （1）该电路的最大电流为15mA，则电路中的总电阻最小值 ，此时温度传感器的电阻，结合题图乙可得该电路能测的最低温度。 （2）电流表指针满偏时 （3）根据闭合电路欧姆定律有，由题图乙可知，电阻温度传感器的电阻R对应的温度，解得 （4）干电池用久了后其电源电动势不变，而其内阻变大，不能忽略不计，小明用此温度计前进行了调零，仍有，所以测量结果不变。 【例题2】[解析]（1）光敏电阻的阻值随照度变化的曲线如图甲，光敏电阻阻值随照度的增大而减小。 （2）根据串联电阻的正比分压关系，E＝3V，当照度降低至1.0 lx时，1、2两端电压升至2V，此时光敏电阻阻值RP＝20kΩ，URP＝2V，串联电阻分压UR＝1V，由＝＝2，得R＝＝10kΩ，故选定值电阻R1，电路原理图如图乙所示。 [变式2] [答案] 大 AB 600 [解析]（1）由表格可知光越弱光敏电阻阻值越大，光越强光敏电阻阻值越小。 （2）天亮时，光照强度较大，光敏电阻阻值较小，控制电路的电流强度较大，电磁铁对弹簧片吸引力较大，弹簧片与下端连接；天暗时，光照强度较弱，光敏电阻阻值较大，控制电路的电流强度较小，电磁铁对弹簧片吸引力较小，弹簧片与上端连接，因此路灯应接AB之间。 （3）由表中可知，当照度等于0.6lx时，光敏电阻的阻值R=2.8kΩ，继电器的衔铁恰好不被吸合时，回路总电阻，因此滑动变阻接入电路的阻值。 [延伸2] [答案] 30 1∶1 [解析][1]由图（b）可知，每隔2s通过一个产品，因此每分钟通过产品数为30个； [2]由图（b）可知，有光照时，光敏电阻两端的电压为，流过回路的电流。无光照时，光敏电阻两端电压为，流过回路的电流，根据，有光照射和无光照射时的功率之比。 【例题3】[答案]C [解析]在升降机运动过程中发现I大于升降机静止时电流表的示数I0，说明此时压敏电阻的阻值大于升降机静止时的阻值，则压敏电阻所受的压力小于升降机静止时的压力，升降机不可能匀速运动，A错误；在升降机运动过程中发现电流表不变，说明是匀变速运动，且I大于升降机静止时电流表的示数I0，可知外电压变大，内电压变小，说明总电流变小，所以总电阻变大，压敏电阻的阻值变大。由压敏电阻的阻值随所受压力的增大而减小，则知压力变小，因此加速度方向向下，可能向下匀加速，也可能向上匀减速。B错误；升降机的加速度向下，一定处于失重状态。C正确；电路中总电流变小，而通过电流表的电流变大，则R的电流变小，所以通过压敏电阻的电流一定比电梯静止时小，D错误。 [变式3][答案]（1）a （2）见解析（3）低 [详解]（1）闭合开关S前，应将滑动变阻器的触头P滑至a端。 （2）如图 （3）由图乙可知，在实验测量数据范围内，压力越大，图像斜率绝对值越小，灵敏度越低。 [延伸3] [答案]1000或1000.0 1.7×10-2 > [解析]（1）欧姆表读数为10×100Ω=1000Ω （2）当电压传感器读数为零时，CD两点电势相等，即即解得。 （3）绘出U-m图像如图    （4）由图像可知，当电压传感器的读数为200mV时，所放物体质量为1.75g，则 。 （5）可将CD以外的电路等效为新的电源，电动势E＇，内阻r＇，CD两点电压看做路端电压，因为换用非理想电压传感器时内阻不是无穷大，此时电压传感器读数当读数为U＇=200mV时，实际CD间断路（接理想电压传感器时）时的电压等于E＇大于200mV，则此时压力传感器的读数F1>F0。 学科网（北京）股份有限公司 $$