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实验十一　传感器的简单使用
基础点
1.实验装置及电路图
2．实验目的
(1)认识热敏电阻、光敏电阻等传感器的特性。
(2)了解传感器的简单应用。
3．实验原理
传感器是能将所感受到的物理量(如力、热、光、声等等)转换成便于测量的量(一般是电学量)的一类元件。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。如热电传感器是利用热敏电阻将热信号转换成电信号。转换后的信号经过相应的仪器进行处理，就可以达到自动控制的目的。
4．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。
5．实验步骤
A．研究热敏电阻的热敏特性
(1)实验步骤
①按图所示连接好电路，将热敏电阻进行绝缘处理。
②将多用电表置于欧姆挡，选择适当的挡位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，测量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、电阻值填入表中，分析热敏电阻的特性。
②在如图所示的坐标系中，粗略画出热敏电阻的阻值随温度变化的图线。
(3)实验结论
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。
B．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、小灯泡、学生电源、滑动变阻器按如图所示电路连接好，其中多用电表置于欧姆挡“×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测量用手掌(或黑纸)遮光时光敏电阻的阻值并记录。
(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
电阻(Ω)
(3)实验结论
光敏电阻被光照射时其电阻值发生变化，光照增强电阻变小，光照减弱电阻变大。
重难点
一、误差分析
1．温度计读数带来的误差，可以选用精度高的温度计在较长时间内读数三次取平均值。
2．欧姆表的读数带来的误差，可以对同一温度、同一光照强度下的电阻读数三次取平均值。
二、注意事项
1．在做热敏电阻实验时，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，并同时读出水温和电阻值。
2．光敏电阻实验中，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强度。
3．欧姆表每次换档后都要重新调零。
三、实验改进
1．实验过程
对于热敏电阻的特性，可用以下实验进行研究。
如图所示，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断热敏电阻的特性。
2．实验分析
(1)往RT上擦一些酒精，发现指针左偏，说明RT的阻值增大，而酒精蒸发吸热，热敏电阻的温度降低，所以热敏电阻的阻值随温度的降低而增大。
(2)用吹风机将热风吹向电阻，发现指针右偏，说明RT的阻值减小，而热敏电阻RT的温度升高，故热敏电阻的阻值随温度的升高而减小。
优点：改进后的实验简单且易操作，同学们能很快得出结论。
四、霍尔元件
1．霍尔元件
如图所示，在一个很小的矩形半导体(例如砷化铟)薄片上，制作四个电极E、F、M、N，它就成为一个霍尔元件。霍尔元件能够把磁感应强度这个磁学量转换为电压这个电学量。
2．霍尔电压
如上图所示，在E、F间通入恒定电流I，同时外加磁场B，则薄片中的载流子同时受到电场力和磁场力的作用。当磁场力与电场力平衡时，M、N间电势差达到恒定。设薄片厚度为d，EF方向长度为l1，MN方向长度为l2，则q＝qvB。
又电流的微观表达式为I＝nqSv，所以UH＝。
因为同一材料单位体积内载流子的个数n、单个载流子的电荷量q均为定值，令k＝，所以UH＝k。
特别提醒
霍尔电压UH＝k中，k为霍尔系数，其大小与薄片的材料有关。
　[考法综述]　本实验命题较为新颖，易和新科技等相结合命题，试题难度不会太大，但因其新颖也增加了学生解题的困难，应对方法还是要掌握好课本中出现的几种基本传感器的特点及其变形应用。复习本实验应掌握以下内容：
2种电阻——热敏电阻、光敏电阻
1种元件——霍尔元件
1种原理——传感器的原理
命题法1　传感器在实验中的应用
典例1　　如图，一热敏电阻RT放在控温容器M内；mA为毫安表，量程6
mA，内阻为数十欧姆；E为直流电源，电动势约为3
V，内阻很小；R为电阻箱，最大阻值为999.9
Ω；S为开关。已知RT在95
℃时的阻值为150
Ω，在20
℃时的阻值约为550
Ω。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。
(1)在图中画出连线，完成实验原理电路图。
(2)完成下列实验步骤中的填空：
a．依照实验原理电路图连线。
b．调节控温容器M内的温度，使得RT的温度为95
℃。
c．把电阻箱调到适当的初值，以保证仪器安全。
d．闭合开关，调节电阻箱，记录电流表的示数I0，并记录________。
e．将RT的温度降为T1(20
℃℃)；调节电阻箱，使得电流表的读数________，记录________。
f．温度为T1时热敏电阻的电阻值RT1＝________。
g．逐步降低T1的数值，直至20
℃为止；在每一温度下重复步骤e、f。
[答案]　(1)见解析　(2)d.电阻箱的读数R0　e．仍为I0　电阻箱的读数R1　f．R0－R1＋150
Ω
[解析]　(1)根据所给器材，要测量在不同温度下RT的阻值，只能将电阻箱、热敏电阻、毫安表与电源串联形成测量电路，如图所示。
(2)依据实验原理电路图连线；调节控温容器M内的温度，使得RT温度为95
℃，此时RT阻值为150
Ω，将电阻箱调到适当的阻值，以保证仪器安全；闭合开关，调节电阻箱，记录毫安表的示数I0，并记录电阻箱的读数R0，根据欧姆定律有I0＝；将RT的温度降为T1(20
℃＜T1＜95
℃)；调节电阻箱，使得毫安表的读数仍为I0，记录电阻箱的读数
R1，根据欧姆定律：
I0＝，则＝，解得RT1＝R0－R1＋150
Ω。
【解题法】　传感器实验的侧重与注意点
在高考中关于传感器的实验主要侧重于实验电路的设计与连接，实验数据的图象处理，解决该类问题注意以下几点：
(1)依据题目要求或根据传感器的估计阻值设计电路，如分压、限流接法，电流表的内、外接。
(2)实物连线时，一般先将串联的主体电路连接好，然后连接并联的器材。
命题法2　传感器的拓展与创新
典例2　　如图所示为某种电子秤的原理示意图，AB为一均匀的滑动变阻器，阻值为R，长度为L，两边分别有P1、P2两个滑动头，与P1相连的金属细杆可在被固定的竖直光滑绝缘杆MN上保持水平状态，金属细杆与托盘相连。金属细杆所受重力忽略不计，弹簧处于原长时P1刚好指向A端，若P1、P2间出现电压时，该电压经过放大通过信号转换器后在显示屏上显示出质量的大小。已知弹簧的劲度系数为k，托盘自身质量为m0，电源的电动势为E，电源的内阻忽略不计，信号放大器、信号转换器和显示器的分流作用忽略不计，求：
(1)托盘上未放物体时在托盘的自身重力作用下P1距A端的距离x1；
(2)在托盘上放有质量为m的物体时P1距A端的距离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，从而使P1、P2间的电压为零，校准零点后将被称物体放在托盘上。试推导出被称物体的质量m与P1、P2间电压U的函数关系式。
[答案]　(1)　(2)　(3)m＝U
[解析]　(1)由力的平衡知识知
m0g＝kx1，x1＝。
(2)放上重物重新平衡后
m0g＋mg＝kx2，x2＝。
(3)设电路中的电流为I，则E＝IR，
设P1、P2间的电阻为Rx，距离为x，则
U＝IRx，＝，x＝x2－x1，解得m＝U。
【解题法】　传感器的工作过程设计
1．如图甲表示某电阻R随摄氏温度t变化的关系，图中R0表示0
℃时的电阻，k表示图线的斜率。若用该电阻与电池(E，r)、电流表Rg、变阻器R′串联起来，连接成如图乙所示的电路，用该电阻做测温探头，把电流表的电流刻度改为相应的温度刻度，于是就得到了一个简单的“电阻测温计”。
(1)现要把电流表的刻度值改为相应的温度刻度值，则高温刻度应在表盘的________
(选填“左”或“右”)侧；
(2)在标识“电阻测温计”的温度刻度时，需要弄清所测温度和电流的对应关系。请用E、R0、k等物理量表示所测温度t与电流I的关系式：t＝________；
(3)由(2)知，计算温度和电流的对应关系，需要测量电流表的内阻(量程3
mA，内阻约为200
Ω，设符号为“A1”)。已知实验室还有下列器材：
A．电源E(电动势12
V，内阻r较小)
B．电流表A2(量程0.6
A，内阻约为0.3
Ω)
C．滑动变阻器R1(0～20
Ω)
D．滑动变阻器R2(0～20
kΩ)
E．电阻箱R3(0～99.99
Ω)
F．电阻箱R4(0～999.9
Ω)
G．电压表V1(量程3.0
V，内阻约为3
kΩ)
H．电压表V2(量程15.0
V，内阻约为5
kΩ)
还有开关(单掷、双掷等)，导线若干。
请在方框内设计一个合适的电路，用于测量电流表内阻Rg(电路中用你选择的器材符号表示)。
答案　(1)左　(2)－(r＋R′＋Rg＋R0)
(3)见解析
解析　(1)温度升高，R的阻值越大，电流表的读数越小，所以把电流表的刻度值改为相应的温度刻度值时，高温刻度应在表盘的左侧。
(2)根据闭合电路欧姆定律得I＝，所以t＝－(r＋R′＋Rg＋R0)。
(3)测电流表A1的内阻，可用伏安法，也可用半偏法。
若用伏安法，电路图如图甲所示，其原理为U1＝I1(RA1＋R4)，则RA1＝－R4。
若用半偏法，电路图如图乙所示，其原理为当电流表A1的示数由满偏变为半偏时，RA1＝R4。
2．实验室备有以下器材：电压传感器、电流传感器、滑动变阻器R1(阻值变化范围0～20
Ω)、滑动变阻器R2(阻值变化范围0～1000
Ω)、电动势适当的电源、小灯泡(4
V,2
W)、开关、导线若干。
(1)要完整地描绘小灯泡的U I曲线，请在方框中画出实验电路图，并标出所用滑动变阻器的符号。
(2)实验中描绘出的小灯泡U I曲线如图所示，由图可知，小灯泡灯丝电阻随温度升高而________。(填“增大”“减小”或“不变”)
(3)如果用上述器材测量所给电源的电动势和内电阻，实验电路如图甲所示，图中R0是阻值为9.0
Ω的保护电阻，实验中测得多组数据记录在下表中，试在同一坐标系中画出等效电源的U I图象，由图象可求出电源自身内阻约为________Ω。
序号
1
2
3
4
5
6
U/V
4.00
3.40
2.80
2.00
1.50
0.80
I/A
0.20
0.25
0.33
0.40
0.46
0.52
(4)若将上述小灯泡直接与电源和保护电阻组成串联电路，如图乙所示，此时小灯泡消耗的电功率约为________W。
答案　(1)电路图见解析　(2)增大　(3)图见解析　1.0
(4)0.82(0.80～0.84
W均正确)
解析　(1)要描绘小灯泡的伏安特征曲线，电压与电流应从零开始变化，滑动变阻器要采用分压接法，由于小灯泡的阻值较小，电流传感器应用外接法，电路图如图所示。
(2)由图示U I图象可知，随电压与电流的增大，灯泡实际功率增大，灯丝温度升高，电压与电流的比值增大，灯丝电阻增大，由此可知，小灯泡灯丝电阻随温度升高而增大。
(3)根据表中实验数据作出等效电源U I图象如图所示，由图示图象可知，电源内阻r＝－R0＝
Ω＝1.0
Ω。
(4)由图示图象可知，灯泡两端电压为2.1
V，电流为0.39
A，灯泡的电功率为P＝UI＝2.1×0.39
W≈0.82
W。
1．设计探究性实验
所谓设计探究性实验，就是题目要求考生运用学过的实验方法，自行设计一个新的实验方案，它要求考生设计实验原理，选择实验器材，安排实验步骤，设计数据处理方法以及分析实验误差等。主要考查考生是否理解实验原理和实验仪器的使用，是否具有灵活运用实验知识的能力，是否具有在不同情况下迁移知识的能力。设计性实验对考生的能力要求较高，是高考经常考查的题型之一。
2．设计探究性实验的设计原则
(1)科学性
设计的方案应有科学的依据及正确的操作方式。
①方案中所依据的原理应遵循物理规律，且要求选用的规律简单、正确。
②方案中所安排的操作程序应合理，其操作符合实验规则要求。
③方案中进行数据处理及误差分析应依靠科学的方法。
(2)安全性
按设计方案实施时，应安全可靠，不会对仪器、器材造成损坏。
①选用器材时，应考虑仪器、器材的性能及量值(如仪表的量程、电器的额定值等)的要求。
②设计方案时，应安排保护措施。
(3)精确性
实验误差应控制在误差允许的范围之内，尽可能选择误差较小的方案。
①在安装器材时或在使用仪器之前，应按实验要求对器材、仪器精心调整。如在使用某些仪表前，应进行机械调零。
②选用合适的测量工具(直尺、仪表)及合适的量值范围，使之与被测数值相匹配。如使用多用电表测量某电阻时，应选用合适的挡位，使测量时电表指针指在中央刻度值附近。
③实验中可能出现因操作而带来的偶然误差，往往需要多次重复实验，获取多组实验数据，以备选取有效数据。
④设计合理的数据处理方式。如将多组有效数据相加后除以测量次数，取其算术平均值(一般求待测量的算术平均值，而不是求某些中间量的算术平均值)。
(4)简便性、直观性
设计实验应便于操作、读数，便于进行数据处理，便于实验者观察。
3．设计性实验的设计思路
解决设计性实验问题的关键在于选择实验原理，它是进行实验设计的根本依据和起点。它决定应当测量哪些物理量、如何安排实验步骤等项目。实验原理的确定：一是根据问题的要求，二是根据问题的条件。
如果问题中没有给定(或给足)实验器材，实验设计的基本思路是：
(1)根据问题的条件和要求，构思相关的物理情景；
(2)确定实验原理；
(3)确定需要测量的物理量；
(4)制订实验方案。
有时，对同一个问题，可以构思出不同的物理情景，导出物理量的不同表达形式，以这些表达式作为实验设计的依据，会有不同的实验原理和实验方案。
如果问题中已经给出实验器材，则设计实验时只能按所给的器材来构思物理情景。相对而言，实验原理和实验方案都会受到较大的限制。
【典例】　某同学对有故障的电热毯进行探究。图甲是电热毯的电路示意图，其中电热线和导线通过金属接线片连接。图乙为测试电路实物图，A、B为测试表笔，电压表内阻很大，可视为理想电表。
(1)请画出与图乙对应的电路图。
(2)断开K1，用上述测试电路在1和1′之间检测得知电热线无故障，然后测得电热线的U I曲线如图丙所示。已知电热线材料的电阻率为2.8×10－7
Ω·m，电热线的直径为0.200
mm，可求得此电热线的电阻为________kΩ，总长度为________m。(结果均保留两位有效数字)
(3)为了进一步检查故障，该同学闭合开关K1和K2，用表笔A和B分别对图甲中所示的各点进行测试，部分测试结果如下表所示。由此测试结果可判断出电路有断路，位置在________之间(在“1和2”“1′和2′”“2和3”“2′和3′”中选填一项)。
[解析]　(1)电路图如答案图所示
(2)U I曲线中，图线的斜率即为电阻的测量值，
R＝
kΩ＝0.58
kΩ，
根据R＝ρ＝ρ，
代入数据得l＝65
m。
(3)测3与3′间，电流表无示数，说明图中的电热线或某两点间断路；测1和1′间时，电流表有示数，说明电热线无故障；测1和3间电流表有示数，说明1和3间没有断路；测2′和3′间电压表无示数，电流表有示数，说明2′和3′间没有断路，测1和2′间电流表无示数，说明1和2′间断路，所以断路位置必在1′和2′间。
[答案]　(1)
(2)0.58(0.57到0.59均可)　65(64到66均可)
(3)1′和2′
[心得体会]

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