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实验十一: 传感器的简单使用
一、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．其工作过程如图1所示：
图1
二、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．
三、实验过程
1．研究热敏电阻的热敏特性
(1)实验步骤①按图2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， 图2
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.
次数 待测量
温度(℃)
电阻(Ω)
②在图3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R－t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． 图3
2．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、灯泡、滑动变阻器按如图4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； 图4
③接通电源，让小灯泡发光，调节滑动变阻器使小灯泡的亮度逐渐变亮，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)遮住光，观察光敏电阻的阻值又是多少，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．
光照强度 弱 中 强 无光照射
阻值(Ω)
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．
3．欧姆表每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5所示，将多用电表的选择开关置于“欧姆”挡，再将多用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，观察下述操作过程中指针的偏转情况：
图5
操作一：往RT上擦一些酒精．
操作二：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．
六、实验分析
1．操作一中指针左偏，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．操作二中指针右偏，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，同学们能很快得出结论.　　　　　　　　　　
　　　　
(
例1.
（★★）热敏电阻是传感电路中常用的电子元件，现用伏安法研究热敏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为4 Ω～5 Ω
。
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 Ω)、直流电压表(内阻约5 kΩ)、滑动变阻器(0～20 Ω)、开关、导线若干
。
在方框中画出实验电路图，要求误差尽可能小。
(2)根据电路图，在图实Ⅺ－4所示实物图上连线。
(3)简要写出完成接线后的主要实验步骤。
)
【考点】热敏电阻特性的研究
【解析】(1)为获得更多的数据，应使电压从零开始，故滑动变阻器应采用分压接法。由于待测热敏电阻阻值约4～5 Ω，故应采用电流表外接法，电路图如图所示。
按电路图连接实物图如图所示。
(3)①往保温杯中加入一些热水，待温度稳定时读出温度计示数；
②调节滑动变阻器，快速测出几组电流表和电压表的值；
③重复①、②，测量不同温度下的数据；
④绘出各测量温度下热敏电阻的伏安特性曲线。
【答案】见解析
【教学建议】 本题除了考察热敏电阻问题还考查了滑动变阻器的接法，电流表的接法，实物图的连接，实验步骤的考查，实物图的连接容易出现错误。
(
例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，请在给定的坐标系(图实Ⅺ－5)中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)如图实Ⅺ－6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
。
)
【考点】光敏电阻的特性及其应用
【解析】(1)光敏电阻的阻值随光照度变化的曲线如图所示。
光敏电阻的阻值随光照度变化特点：光敏电阻的阻值随光照度的增大非线性减小。
根据串联电阻的分压关系，E＝3 V，当照度降低至1.0(lx)时，其电压升至2 V，由图线知，此时光敏电阻RP＝20 kΩ，URP＝2 V，串联电阻分压UR＝1 V，由＝＝2
得：R＝＝10 kΩ，故选定值电阻R1，电路原理图如图所示。
【答案】见解析
【教学建议】 常见的光传感器有：光敏电阻、光电管、光电二极管、光电三极管等。光敏电阻在被光照射时电阻发生变化，其原因是做光敏电阻的材料硫化镉是一种半导体材料，无光照时，载流子极少，导电性能不好，随着光照的增强，载流子增多，导电性变好。
(
例3.
（★★
）如图10－3－7所示为某种电子秤的原理示意图，AB为一均匀的滑线电阻，阻值为R，长度为L，两边分别有P1、P2两个滑动头，P1可在竖直绝缘光滑的固定杆MN上保持水平状态而上下自由滑动，弹簧处于原长时，P1刚好指着A端，P1与托盘固定相连，若P1、P2间出现电压时，该电压经过放大，通过信号转换后在显示屏上将显示物体重力的大小
。
已知弹簧的劲度系数为k，托盘自身质量为m0，电源电动势为E，内阻不计，当地的重力加速度为g
。
求：
(1)托盘上未放物体时，在托盘自身重力作用下，P1离A的距离x1；
(2)托盘上放有质量为m的物体时，P1离A的距离x2；
(3)在托盘上未放物体时通常先校准零点，其方法是：调节P2，使P2离A的距离也为x1，从而使P1、P2间的电压为零．校准零点后，将物体m放在托盘上，试推导出物体质量m与P1、P2间的电压U之间的函数关系式
。
)
【考点】压力传感器的应用
【解析】托盘的移动带动P1移动，使P1、P2间出现电势差，电势差的大小反映了托盘向下移动距离的大小，由于R为均匀的滑线电阻，则其阻值与长度成正比。
(1)由力的平衡知识知：m0g＝kx1，解得x1＝。
(2)放上重物重新平衡后m0g＋mg＝kx2，
解得x2＝。
(3)由闭合电路欧姆定律知E＝IR
由部分电路欧姆定律：U＝IR串
由＝其中x为P1、P2间的距离，则x＝x2－x1＝，联立解得m＝U。
【答案】(1)　(2)　(3)m＝U
【教学建议】培养学生的创新能力，知道实验要测量那些内容，会自己安排实验过程。

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