2022屆高考一輪復(fù)習(xí)第十一章交變電流實(shí)驗(yàn)十二傳感器的簡(jiǎn)單應(yīng)用學(xué)案一、研究熱敏電阻的熱敏特性1．實(shí)驗(yàn)?zāi)康模赫J(rèn)識(shí)熱敏電阻傳感器的特性，了解傳感器在技術(shù)上的應(yīng)用。2．實(shí)驗(yàn)原理：閉合電路歐姆定律，用歐姆表進(jìn)行測(cè)量和觀察。3．實(shí)驗(yàn)器材：NTC熱敏電阻、多用電表、溫度計(jì)、水杯、涼水和熱水。4．實(shí)驗(yàn)步驟：(1)按圖所示連接好電路，將熱敏電阻絕緣處理；(2)把多用電表置于歐姆擋，并選擇適當(dāng)?shù)牧砍虦y(cè)出燒杯中沒(méi)有熱水時(shí)熱敏電阻的阻值，并記下溫度計(jì)的示數(shù)；(3)向燒杯中注入少量的冷水，使熱敏電阻浸沒(méi)在冷水中，記下溫度計(jì)的示數(shù)和多用電表測(cè)量的熱敏電阻的阻值；(4)將熱水分幾次注入燒杯中，測(cè)出不同溫度下熱敏電阻的阻值，并記錄。5．?dāng)?shù)據(jù)處理：(1)在RT-t坐標(biāo)系中，粗略畫出熱敏電阻值隨溫度變化的圖象；(2)結(jié)論：半導(dǎo)體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。二、研究光敏電阻的光敏特性1．實(shí)驗(yàn)?zāi)康模赫J(rèn)識(shí)光敏電阻傳感器的特性，了解傳感器在技術(shù)上的應(yīng)用。2．實(shí)驗(yàn)原理：閉合電路歐姆定律，用歐姆表進(jìn)行測(cè)量和觀察。3．實(shí)驗(yàn)器材：光敏電阻、多用電表、小燈泡、滑動(dòng)變阻器、導(dǎo)線。4．實(shí)驗(yàn)步驟：(1)將光敏電阻、多用電表、燈泡、滑動(dòng)變阻器按如圖所示電路連接好，其中多用電表置于“×100”(2)先測(cè)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(kāi)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，觀察表盤指針顯示電阻阻值的情況，并記錄；(4)用手掌(或黑紙)遮光時(shí)電阻值又是多少，并記錄。5．?dāng)?shù)據(jù)處理：(1)根據(jù)記錄數(shù)據(jù)分析光敏電阻的特性；(2)結(jié)論：光敏電阻的阻值被光照射時(shí)發(fā)生變化，光照增強(qiáng)電阻變小，光照減弱電阻變大。注意：1．在做熱敏實(shí)驗(yàn)時(shí)，加開(kāi)水后要等一會(huì)兒再測(cè)其阻值，以使電阻溫度與水的溫度相同，并同時(shí)讀出水溫。2．光敏實(shí)驗(yàn)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(guò)蓋上小孔改變射到光敏電阻上的光的多少。3．歐姆表每次換擋后都要重新調(diào)零?！驹蛯?shí)驗(yàn)】[例1](2018·全國(guó)卷Ⅰ)某實(shí)驗(yàn)小組利用如圖(a)所示的電路探究在25℃～80℃范圍內(nèi)某熱敏電阻的溫度特性。所用器材有：置于溫控室(圖中虛線區(qū)域)中的熱敏電阻RT，其標(biāo)稱值(25℃時(shí)的阻值)為900.0Ω；電源E(6V，內(nèi)阻可忽略)；電壓表eq\o\ac(○,V)(量程150mV)；定值電阻R0(阻值20.0Ω)，滑動(dòng)變阻器R1(最大阻值為1000Ω)；電阻箱R2(阻值范圍0～999.9Ω)；單刀開(kāi)關(guān)S1，單刀雙擲開(kāi)關(guān)S2。實(shí)驗(yàn)時(shí)，先按圖(a)連接好電路，再將溫控室的溫度t升至80.0℃。將S2與1端接通，閉合S1，調(diào)節(jié)R1的滑片位置，使電壓表讀數(shù)為某一值U0；保持R1的滑片位置不變，將R2置于最大值，將S2與2端接通，調(diào)節(jié)R2，使電壓表讀數(shù)仍為U0；斷開(kāi)S1，記下此時(shí)R2的讀數(shù)。逐步降低溫控室的溫度t，得到相應(yīng)溫度下R2的阻值，直至溫度降到25.0℃。實(shí)驗(yàn)得到的R2-t/℃25.030.040.050.060.070.080.0R2/Ω900.0680.0500.0390.0320.0270.0240.0回答下列問(wèn)題：(1)在閉合S1前，圖(a)中R1的滑片應(yīng)移動(dòng)到________(選填“a”或“b”)端。(2)在圖(b)的坐標(biāo)紙上補(bǔ)齊數(shù)據(jù)表中所給數(shù)據(jù)點(diǎn)，并作出R2-t曲線。(3)由圖(b)可得到RT在25℃～80℃范圍內(nèi)的溫度特性。當(dāng)t＝44.0℃時(shí)，可得(4)將RT握于手心，手心溫度下R2的相應(yīng)讀數(shù)如圖(c)所示，該讀數(shù)為_(kāi)_______Ω，則手心溫度為_(kāi)_______℃。[解析](1)閉合開(kāi)關(guān)S1前，應(yīng)讓滑片移動(dòng)到b端，使滑動(dòng)變阻器連入電路的阻值最大。(2)把t＝60℃和t＝70℃對(duì)應(yīng)的兩組數(shù)據(jù)在坐標(biāo)紙上畫點(diǎn)，然后用平滑的曲線作出R2-(3)由圖象可知t＝44.0℃(4)由題圖(c)可得R2阻值為620.0Ω，由圖象可得溫度約為33.0℃[答案](1)b(2)圖見(jiàn)解析(3)450(4)620.033.0[例2]小明同學(xué)為了測(cè)定某太陽(yáng)能硅光電池組的電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)阻，設(shè)計(jì)了如圖甲所示的電路，在一定光照條件下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)：(1)請(qǐng)根據(jù)圖甲完成圖乙中實(shí)物的連線。(2)將測(cè)量出來(lái)的數(shù)據(jù)記錄在下表中，其中第4組數(shù)據(jù)的電壓如圖丙所示，則此時(shí)電壓為_(kāi)_________V。12345678U/V1.771.751.701.541.271.000.50I/μA1230486068768086(3)將這些數(shù)據(jù)在圖丁中描點(diǎn)，第4組數(shù)據(jù)還未描出。a．請(qǐng)?jiān)趫D丁中描出第4組數(shù)據(jù)的點(diǎn)，作出該硅光電池組的U-I圖象。b．由U-I圖象知，該硅光電池組的電動(dòng)勢(shì)E＝____________V，電池組的內(nèi)阻隨其輸出電流的變化而改變，在電流為80μA時(shí)，該電池組的內(nèi)阻r＝__________kΩ(保留3位有效數(shù)字)。[解析](1)根據(jù)電路圖連接實(shí)物電路圖，實(shí)物電路圖如圖1所示。(2)由表中實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知電壓表最大測(cè)量值為1.77V，則電壓表量程為3V，由圖丙所示電壓可知，其分度值為0.1V，示數(shù)為1.65V。(3)a.把第四組數(shù)據(jù)標(biāo)在坐標(biāo)系內(nèi)，根據(jù)坐標(biāo)系內(nèi)描出的點(diǎn)作出圖象如圖2所示。b．由圖2可知，該硅光電池組的電動(dòng)勢(shì)E＝1.80V。在電流為80μA時(shí)，由表格數(shù)據(jù)得到路端電壓為1.00V，根據(jù)閉合電路歐姆定律E＝U＋I(xiàn)r，解得r＝eq\f(E－U,I)＝eq\f(1.80－1.00,80×10－6)Ω＝1.0×104Ω＝10.0kΩ。[答案](1)所連的實(shí)物圖見(jiàn)解析圖1(2)1.65(3)a.該硅光電池組的U-I圖象見(jiàn)解析圖2b．1.8010.0【跟蹤訓(xùn)練】1．現(xiàn)要組裝一個(gè)由熱敏電阻控制的報(bào)警系統(tǒng)，要求當(dāng)熱敏電阻的溫度達(dá)到或超過(guò)60℃時(shí)，系統(tǒng)報(bào)警。提供的器材有：熱敏電阻，報(bào)警器(內(nèi)阻很小，流過(guò)的電流超過(guò)Ic時(shí)就會(huì)報(bào)警)，電阻箱(最大阻值為999.9Ω)，直流電源(輸出電壓為U，內(nèi)阻不計(jì))，滑動(dòng)變阻器R1(最大阻值為1000Ω)，滑動(dòng)變阻器R2在室溫下對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)。已知U約為18V，Ic約為10mA；流過(guò)報(bào)警器的電流超過(guò)20mA時(shí)，報(bào)警器可能損壞；該熱敏電阻的阻值隨溫度升高而減小，在60℃(1)完成待調(diào)節(jié)的報(bào)警系統(tǒng)原理電路圖的連線。(2)電路中應(yīng)選用滑動(dòng)變阻器________(選填“R1”或“R2(3)按照下列步驟調(diào)節(jié)此報(bào)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(shí)驗(yàn)要求，這一阻值為_(kāi)_______Ω；滑動(dòng)變阻器的滑片應(yīng)置于________(選填“a”或“b”)端附近，不能置于另一端的原因是________________________________________________________________________________________________________________________________________________。②將開(kāi)關(guān)向________(選填“c”或“d”)端閉合，緩慢移動(dòng)滑動(dòng)變阻器的滑片，直至________________________________________________________________________。(4)保持滑動(dòng)變阻器滑片的位置不變，將開(kāi)關(guān)向另一端閉合，報(bào)警系統(tǒng)即可正常使用。解析：(1)電路圖連接如圖所示。(2)報(bào)警器開(kāi)始報(bào)警時(shí)，對(duì)整個(gè)回路有U＝Ic(R滑＋R熱)代入數(shù)據(jù)可得R滑＝1150.0Ω，因此滑動(dòng)變阻器應(yīng)選擇R2。(3)①在調(diào)節(jié)過(guò)程中，電阻箱起到等效替代熱敏電阻的作用，電阻箱的阻值應(yīng)為報(bào)警器報(bào)警時(shí)熱敏電阻的阻值，即為650.0Ω?；瑒?dòng)變阻器在電路中為限流接法，滑片應(yīng)置于b端附近，若置于另一端a時(shí)，閉合開(kāi)關(guān)，則電路中的電流I＝eq\f(18,650.0)A≈27.7mA，超過(guò)報(bào)警器最大電流20mA，報(bào)警器可能損壞。②開(kāi)關(guān)應(yīng)先向c端閉合，移動(dòng)滑動(dòng)變阻器的滑片，直至報(bào)警器開(kāi)始報(bào)警為止。答案：(1)連線見(jiàn)解析圖(2)R2(3)①650.0b接通電源后，流過(guò)報(bào)警器的電流會(huì)超過(guò)20mA，報(bào)警器可能損壞②c報(bào)警器開(kāi)始報(bào)警2．為了節(jié)能和環(huán)保，一些公共場(chǎng)所用光控開(kāi)關(guān)控制照明系統(tǒng)，光控開(kāi)關(guān)可用光敏電阻控制，某光敏電阻阻值隨光的照度變化曲線如圖甲所示，照度可以反映光的強(qiáng)弱，光越強(qiáng)照度越大，照度單位為：勒克斯(lx)。(1)如圖乙所示，電源電動(dòng)勢(shì)為3V，內(nèi)阻不計(jì)，當(dāng)控制開(kāi)關(guān)兩端電壓上升至2V時(shí)控制開(kāi)關(guān)自動(dòng)啟動(dòng)照明系統(tǒng)。要求當(dāng)天色漸暗照度降至1.0(lx)時(shí)控制開(kāi)關(guān)接通照明系統(tǒng)，則R1＝________kΩ。(2)某同學(xué)為了測(cè)量光敏電阻在不同照度下的阻值，設(shè)計(jì)了如圖戊所示的電路進(jìn)行測(cè)量，電源(E＝3V，內(nèi)阻未知)，電阻箱(0～99999Ω)。實(shí)驗(yàn)時(shí)將電阻箱阻值置于最大，閉合S1，將S2與1相連，減小電阻箱阻值，使靈敏電流計(jì)的示數(shù)為I，圖丙為實(shí)驗(yàn)時(shí)電阻箱的阻值，其讀數(shù)為_(kāi)_______kΩ；然后將S2與2相連，調(diào)節(jié)電阻箱的阻值如圖丁所示，此時(shí)電流表的示數(shù)恰好為I，則光敏電阻的阻值R0＝________kΩ(結(jié)果保留3位有效數(shù)字)。解析：(1)電阻R1和R0串聯(lián)，eq\f(R0,R1)＝eq\f(U0,U1)＝eq\f(2,1)，當(dāng)照度為1.0(lx)時(shí)，電阻R0＝20kΩ，則R1＝10kΩ；(2)由圖丙可知，圖丙的電阻為R2＝62.5kΩ，圖丁所示的電阻R2′＝22.5kΩ。本題采用等效法測(cè)電阻，前后兩次電路中的電流相等，則電路中的電阻相等，則有R2＝R0＋R2′，所以R0＝40.0kΩ。答案：(1)10(2)62.540.0【創(chuàng)新拓展實(shí)驗(yàn)】[例3](2020·廣東佛山市模擬)電容器是一種常用的電學(xué)元件，在電工、電子技術(shù)中有著廣泛的應(yīng)用。以下有關(guān)電容式傳感器在生活中應(yīng)用說(shuō)法正確的是()A．甲圖中，手指作為電容器一電極，如果改用絕緣筆在電容式觸摸屏上仍能正常操作B．乙圖中，力F增大過(guò)程中，電流計(jì)中的電流從a流向bC．丙圖中，油箱液位上升時(shí)，電容變小D．丁圖中，當(dāng)傳感器由靜止突然向左加速，電容器處于充電狀態(tài)[解析]甲圖中，絕緣筆與工作面不能形成一個(gè)電容器，所以不能在電容屏上進(jìn)行觸控操作，選項(xiàng)A錯(cuò)誤。乙圖中，力F增大過(guò)程中，電容器極板間距減小，電容變大，電容器充電，電流計(jì)中的電流從b流向a，選項(xiàng)B錯(cuò)誤；丙圖中，油箱液位上升時(shí)，正對(duì)面積變大，電容變大，選項(xiàng)C錯(cuò)誤；丁圖中，當(dāng)傳感器由靜止突然向左加速，電介質(zhì)插入電容器，電容變大，電容器處于充電狀態(tài)，選項(xiàng)D正確。[答案]D[例4]某種角速度計(jì)，其結(jié)構(gòu)如圖所示。當(dāng)整個(gè)裝置繞軸OO′轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，元件A相對(duì)于轉(zhuǎn)軸發(fā)生位移并通過(guò)滑動(dòng)變阻器輸出電壓，電壓傳感器(傳感器內(nèi)阻無(wú)限大)接收相應(yīng)的電壓信號(hào)。已知A的質(zhì)量為m，彈簧的勁度系數(shù)為k、自然長(zhǎng)度為l，電源的電動(dòng)勢(shì)為E、內(nèi)阻不計(jì)?；瑒?dòng)變阻器總長(zhǎng)也為l，電阻分布均勻，裝置靜止時(shí)滑片P在變阻器的最左端B端。當(dāng)系統(tǒng)以角速度ω轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，則()A．電路中電流隨角速度的增大而增大B．電路中電流隨角速度的增大而減小C．彈簧的伸長(zhǎng)量為x＝eq\f(mωl,k－mω2)D．輸出電壓U與ω的函數(shù)式為U＝eq\f(Emω2,k－mω2)[解析]系統(tǒng)在水平面內(nèi)以角速度ω轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，無(wú)論角速度增大還是減小，BC的總電阻不變，根據(jù)閉合電路歐姆定律得知，電路中的電流保持不變，故A、B錯(cuò)誤；設(shè)系統(tǒng)在水平面內(nèi)以角速度ω轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，彈簧伸長(zhǎng)的長(zhǎng)度為x，則對(duì)元件A，根據(jù)牛頓第二定律得kx＝mω2(l＋x)，又輸出電壓U＝eq\f(RBP,RBC)E＝eq\f(x,l)E，聯(lián)立兩式得x＝eq\f(mω2l,k－mω2)，U＝eq\f(Emω2,k－mω2)，故C錯(cuò)誤，D正確。[答案]D[例5]如圖所示的傳感器裝置可以用來(lái)測(cè)量硬彈簧(即勁度系數(shù)較大的彈簧)的勁度系數(shù)k。電源的電動(dòng)勢(shì)為E，內(nèi)阻可忽略不計(jì)；滑動(dòng)變阻器全長(zhǎng)為L(zhǎng)，重力加速度為g。V為理想電壓表。當(dāng)木板(不計(jì)重力)上沒(méi)有放重物時(shí)，滑動(dòng)變阻器的觸頭位于圖中a點(diǎn)，此時(shí)電壓表示數(shù)為零。在木板上放置質(zhì)量為m的重物，滑動(dòng)變阻器的觸頭隨木板一起下移。由電壓表的示數(shù)U及其他給定條件，可計(jì)算出彈簧的勁度系數(shù)k。(g取9.80m/s2)(1)寫出m、U、k、L、E、g之間所滿足的關(guān)系式m＝________。(2)已知E＝1.50V，L＝12.0cm，測(cè)量結(jié)果如下表：m/kg1.001.503.004.506.007.50U/V0.1080.1540.2900.4460.6080.740①在右圖中給出的坐標(biāo)紙上利用表中數(shù)據(jù)描出m-U的關(guān)系圖象。②m-U圖象的斜率為_(kāi)_______kg/V(結(jié)果保留3位有效數(shù)字)。③彈簧的勁度系數(shù)k＝________N/m(結(jié)果保留3位有效數(shù)字)。[解析](1)由平衡條件可知：mg＝kxU＝eq\f(x,L)E＝eq\f(mg,kL)E，所以m＝eq\f(LkU,Eg)。(2)①利用描點(diǎn)法作圖，圖象如圖所示；②通過(guò)圖象求出斜率為10.0kg/V；③已知eq\f(Lk,Eg)＝10kg/V，所以k＝eq\f(10Eg,L)≈1.23×103N/m。[答案](1)eq\f(LkU,Eg)(2)①見(jiàn)解析圖②10.0kg/V③1.23×103【跟蹤訓(xùn)練】1．電子拉力計(jì)的示意圖如圖所示，金屬?gòu)椈捎叶撕突瑒?dòng)觸頭P固定在一起(彈簧的電阻不計(jì)，P與R1之間的摩擦不計(jì))。R0為定值電阻；電阻R1是用均勻電阻絲密繞在瓷管上做成的(類似于滑動(dòng)變阻器)，其長(zhǎng)度為10cm，總阻值R1＝300Ω；電源電動(dòng)勢(shì)E＝3V，內(nèi)阻不計(jì)。理想電流表的量程為0～100mA。當(dāng)拉環(huán)不受拉力時(shí)，觸頭P剛好不與電阻R1接觸(即電路斷開(kāi))。彈簧的勁度系數(shù)為10000N/m。(1)電路中連入的R0阻值應(yīng)為_(kāi)_______Ω，才能保證拉環(huán)最大拉力時(shí)(在測(cè)量范圍內(nèi))，剛好達(dá)到電流表量程。(2)保證第一問(wèn)中R0阻值不變，設(shè)計(jì)中需要將電流表上的電流數(shù)值改為拉力的數(shù)值，那么在原電流表的40mA處應(yīng)改為_(kāi)_______N。分析可知，拉力計(jì)的刻度是_____(選填“均勻”或“不均勻”)解析：(1)電路中連入R0的目的是對(duì)電流表起保護(hù)作用，防止當(dāng)P移動(dòng)到R1的最右端時(shí)電流表被燒壞；故R0至少為Rmin＝eq\f(3V,100mA)＝eq\f(3,100×10－3)Ω＝30Ω。(2)當(dāng)I＝40mA＝0.04A時(shí)，電路中的總電阻R＝eq\f(E,I)＝eq\f(3,0.04)Ω＝75Ω，電阻絲接入電路的電阻R1′＝R－R0＝75Ω－30Ω＝45Ω，因eq\f(L1,R1)＝eq\f(x,R′1)，即eq\f(10,300)＝eq\f(x,45)，解得x＝1.5cm，所以彈簧伸長(zhǎng)的長(zhǎng)度Δx＝L1－x＝10cm－1.5cm＝8.5cm＝8.5×10－2m，則彈簧彈力的大小為F＝kΔx＝10000×8.5×10－2N＝850N，由以上聯(lián)立得F＝keq\b\lc\[\rc\](\a\vs4\al\co1(L－\f(L1,R1)\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(E,I)－R0))))，可知F與I是非線性關(guān)系，電流表的刻度是均勻的，故拉力計(jì)的刻度是不均勻。答案：(1)30Ω(2)850不均勻2．材料的電阻隨壓力的變化而變化的現(xiàn)象稱為“壓阻效應(yīng)”，利用這種效應(yīng)可以測(cè)量壓力大小。若圖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(wú)壓力時(shí)壓敏電阻的阻值。為了測(cè)量壓力F，需先測(cè)量壓敏電阻處于壓力中的電阻值RF。請(qǐng)按要求完成下列實(shí)驗(yàn)。(1)設(shè)計(jì)一個(gè)可以測(cè)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(shí)驗(yàn)電路原理圖(壓敏電阻及所給壓力已給出，待測(cè)壓力大小約為0.4×102N～0.8×102N，不考慮壓力對(duì)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(wú)壓力時(shí)阻值R0＝6000ΩB．滑動(dòng)變阻器R，最大阻值為200ΩC．電流表A，量程2.5mA，內(nèi)阻約30ΩD．電壓表V，量程3V，內(nèi)阻約3kΩE．直流電源E，電動(dòng)勢(shì)3V，內(nèi)阻很小F．開(kāi)關(guān)S，導(dǎo)線若干(2)正確接線后，將壓敏電阻置于待測(cè)壓力下，通過(guò)壓敏電阻的電流是1.33mA，電壓表的示數(shù)如圖丙所示，則電壓表的讀數(shù)為_(kāi)_______V。(3)此時(shí)壓敏電阻的阻值為_(kāi)_______Ω；結(jié)合圖甲可知待測(cè)壓力的大小F＝________N。(計(jì)算結(jié)果均保留2位有效數(shù)字)解析：(1)根據(jù)題述對(duì)實(shí)驗(yàn)電路的要求，應(yīng)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2.00V。(3)由歐姆定律可知；，此時(shí)壓敏電阻的阻值為RF＝eq\f