資源簡介

實驗十一: 傳感器的簡單使用
一、實驗原理
1．傳感器能夠將感受到的物理量(力、熱、光、聲等)轉換成便于測量的量(一般是電
學量)．
2．其工作過程如圖1所示：
圖1
二、實驗器材
熱敏電阻、光敏電阻、多用電表、鐵架臺、燒杯、冷水、熱水、小燈泡、學生電源、繼電器、滑動變阻器、開關、導線等．
三、實驗過程
1．研究熱敏電阻的熱敏特性
(1)實驗步驟①按圖2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，并選擇適當的量程測出燒杯中沒
有熱水時熱敏電阻的阻值，并記下溫度計的示數；
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， 圖2
并記錄．
(2)數據處理
①根據記錄數據，把測量到的溫度、電阻值填入下表中，分析熱敏電阻的特性.
次數 待測量
溫度(℃)
電阻(Ω)
②在圖3坐標系中，粗略畫出熱敏電阻的阻值隨溫度變化的
圖線．
③根據實驗數據和R－t圖線，得出結論：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． 圖3
2．研究光敏電阻的光敏特性
(1)實驗步驟
①將光敏電阻、多用電表、燈泡、滑動變阻器按如圖4所示電
路連接好，其中多用電表置于“×100”擋；
②先測出在室內自然光的照射下光敏電阻的阻值，并記錄數
據； 圖4
③接通電源，讓小燈泡發光，調節滑動變阻器使小燈泡的亮度逐漸變亮，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)遮住光，觀察光敏電阻的阻值又是多少，并記錄．
(2)數據處理
把記錄的結果填入下表中，根據記錄數據分析光敏電阻的特性．
光照強度 弱 中 強 無光照射
阻值(Ω)
結論：光敏電阻的阻值被光照射時發生變化,光照增強電阻變小,光照減弱電阻變大.
四、注意事項
1．在做熱敏實驗時，加開水后要等一會兒再測其阻值，以使電阻溫度與水的溫度相同，并同時讀出水溫．
2．光敏實驗中，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零．
五、實驗改進
對于熱敏電阻的特性，可用以下實驗進行：如圖5所示，將多用電表的選擇開關置于“歐姆”擋，再將多用電表的兩支表筆與負溫度系數的熱敏電阻RT的兩端相連，這時
表針指在某一刻度，觀察下述操作過程中指針的偏轉情況：
圖5
操作一：往RT上擦一些酒精．
操作二：用吹風機將熱風吹向電阻．
根據指針偏轉方向判定熱敏電阻的特性．
六、實驗分析
1．操作一中指針左偏，說明RT的阻值增大；酒精蒸發吸熱，溫度降低，所以熱敏電阻的阻值隨溫度的降低而增大．
2．操作二中指針右偏，RT的阻值減小，而電阻RT溫度升高，故熱敏電阻的阻值隨溫度的升高而減小．
優點：改進后的實驗簡單易操作，同學們能很快得出結論.　　　　　　　　　　
　　　　
(
例1.
（★★）熱敏電阻是傳感電路中常用的電子元件，現用伏安法研究熱敏電阻在不同溫度下的伏安特性曲線，要求特性曲線盡可能完整
。
已知常溫下待測熱敏電阻的阻值為4 Ω～5 Ω
。
熱敏電阻和溫度計插入帶塞的保溫杯中，杯內有一定量的冷水，其備用的儀表和器具有：盛有熱水的熱水瓶(圖中未畫出)、電源(3 V，內阻可忽略)、直流電流表(內阻約1 Ω)、直流電壓表(內阻約5 kΩ)、滑動變阻器(0～20 Ω)、開關、導線若干
。
在方框中畫出實驗電路圖，要求誤差盡可能小。
(2)根據電路圖，在圖實Ⅺ－4所示實物圖上連線。
(3)簡要寫出完成接線后的主要實驗步驟。
)
【考點】熱敏電阻特性的研究
【解析】(1)為獲得更多的數據，應使電壓從零開始，故滑動變阻器應采用分壓接法。由于待測熱敏電阻阻值約4～5 Ω，故應采用電流表外接法，電路圖如圖所示。
按電路圖連接實物圖如圖所示。
(3)①往保溫杯中加入一些熱水，待溫度穩定時讀出溫度計示數；
②調節滑動變阻器，快速測出幾組電流表和電壓表的值；
③重復①、②，測量不同溫度下的數據；
④繪出各測量溫度下熱敏電阻的伏安特性曲線。
【答案】見解析
【教學建議】 本題除了考察熱敏電阻問題還考查了滑動變阻器的接法，電流表的接法，實物圖的連接，實驗步驟的考查，實物圖的連接容易出現錯誤。
(
例2.
（★★）
為了節能和環保，一些公共場所使用光控開關控制照明系統
。
光控開關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)根據表中數據，請在給定的坐標系(圖實Ⅺ－5)中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)如圖實Ⅺ－6所示，當1、2兩端所加電壓上升至2 V時，控制開關自動啟動照明系統，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，在虛線框內完成電路原理圖
。
(不考慮控制開關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S及導線若干
。
)
【考點】光敏電阻的特性及其應用
【解析】(1)光敏電阻的阻值隨光照度變化的曲線如圖所示。
光敏電阻的阻值隨光照度變化特點：光敏電阻的阻值隨光照度的增大非線性減小。
根據串聯電阻的分壓關系，E＝3 V，當照度降低至1.0(lx)時，其電壓升至2 V，由圖線知，此時光敏電阻RP＝20 kΩ，URP＝2 V，串聯電阻分壓UR＝1 V，由＝＝2
得：R＝＝10 kΩ，故選定值電阻R1，電路原理圖如圖所示。
【答案】見解析
【教學建議】 常見的光傳感器有：光敏電阻、光電管、光電二極管、光電三極管等。光敏電阻在被光照射時電阻發生變化，其原因是做光敏電阻的材料硫化鎘是一種半導體材料，無光照時，載流子極少，導電性能不好，隨著光照的增強，載流子增多，導電性變好。
(
例3.
（★★
）如圖10－3－7所示為某種電子秤的原理示意圖，AB為一均勻的滑線電阻，阻值為R，長度為L，兩邊分別有P1、P2兩個滑動頭，P1可在豎直絕緣光滑的固定桿MN上保持水平狀態而上下自由滑動，彈簧處于原長時，P1剛好指著A端，P1與托盤固定相連，若P1、P2間出現電壓時，該電壓經過放大，通過信號轉換后在顯示屏上將顯示物體重力的大小
。
已知彈簧的勁度系數為k，托盤自身質量為m0，電源電動勢為E，內阻不計，當地的重力加速度為g
。
求：
(1)托盤上未放物體時，在托盤自身重力作用下，P1離A的距離x1；
(2)托盤上放有質量為m的物體時，P1離A的距離x2；
(3)在托盤上未放物體時通常先校準零點，其方法是：調節P2，使P2離A的距離也為x1，從而使P1、P2間的電壓為零．校準零點后，將物體m放在托盤上，試推導出物體質量m與P1、P2間的電壓U之間的函數關系式
。
)
【考點】壓力傳感器的應用
【解析】托盤的移動帶動P1移動，使P1、P2間出現電勢差，電勢差的大小反映了托盤向下移動距離的大小，由于R為均勻的滑線電阻，則其阻值與長度成正比。
(1)由力的平衡知識知：m0g＝kx1，解得x1＝。
(2)放上重物重新平衡后m0g＋mg＝kx2，
解得x2＝。
(3)由閉合電路歐姆定律知E＝IR
由部分電路歐姆定律：U＝IR串
由＝其中x為P1、P2間的距離，則x＝x2－x1＝，聯立解得m＝U。
【答案】(1)　(2)　(3)m＝U
【教學建議】培養學生的創新能力，知道實驗要測量那些內容，會自己安排實驗過程。

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