第3讲 实验十一 传感器的简单使用
实验目的
1．认识热敏电阻、光敏电阻等传感器的特性．
2．了解传感器在技术上的简单应用．
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．
实验过程
一、研究热敏电阻的热敏特性
二、研究光敏电阻的光敏特性
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
.
热敏电阻传感器
【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约4～5 Ω.将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，其他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．
图10－3－1
(1)在图10－3－1(a)中画出实验电路图．
(2)根据电路图，在图10－3－1(b)所示的实物图上连线．
(3)简要写出完成接线后的主要实验步骤．
解析
图甲
常温下待测热敏电阻的阻值(约4～5 Ω)较小，应该选用安培表外接法．热敏电阻的阻值随温度的升高而减小，热敏电阻两端的电压由零逐渐增大，滑动变阻器选用分压式．
(1)实验电路如图甲所示．
(2)根据电路图，连接实物图如图乙所示．
图乙
(3)完成接线后的主要实验步骤：①往保温杯里加一些热水，待温度计稳定时读出温度计值；②调节滑动变阻器，快速测出几组电压表和电流表的值；③重复①和②，测量不同温度下的数据；④绘出各测量温度下的热敏电阻的伏安特性曲线．
答案 见解析
光敏电阻传感器
【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，请在图10－3－2给定的坐标系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．
图10－3－2
图10－3－3
(2)如图10－3－3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．
解析 (1)根据图表中的数据，在坐标纸上描点连线，得到如图所示的变化曲线．
阻值随照度变化的特点：光敏电阻的阻值随光照度的增大非线性减小．
(2)因天色渐暗照度降低至1.0 lx时启动照明系统，此时光敏电阻阻值为20 kΩ，两端电压为2 V，电源电动势为3 V，故应加上一个分压电阻，分压电阻阻值为10 kΩ，即选用R1；此电路的原理图如图所示．
答案 (1)光敏电阻的阻值随光照变化的曲线见解析
光敏电阻的阻值随光照度的增大非线性减小
(2)电路原理图见解析图
图10－3－4
【例3】 一中学生为发射的“神舟七号”载人飞船设计了一个可测定竖直方向加速度的装置，其原理可简化为如图10－3－4所示．连接在竖直弹簧上的重物与滑动变阻器的滑动触头连接，该装置在地面上静止时其电压表的指针指在表盘中央的零刻度处，在零刻度的两侧分别标上对应的正、负加速度值．关于这个装置在“神舟七号”载人飞船发射、运行和回收过程中示数的判断正确的是( )．
A．飞船在竖直加速升空的过程中，如果电压表的示数为正，则飞船在竖直减速返回地面的过程中，电压表的示数为负
B．飞船在竖直加速升空的过程中，如果电压表的示数为正，则飞船在竖直减速返回地面的过程中，电压表的示数为负
C．飞船在圆轨道上运行时，电压表的示数为零
D．飞船在圆轨道上运行时，电压表示数所对应的加速度大小应约为9.8 m/s2
解析 该装置在地面上静止时，kx＝mg，指针指在表盘中央的零刻度处；飞船在加速上升的过程中，kx>mg，滑动头下移，此时，电压表的示数为正；飞船在竖直减速返回地面的过程中，加速度方向向上，此时电压表示数仍为正，故A、B错；飞船在圆轨道上运行时，飞船中的物体处于完全失重状态，a＝g，弹簧恢复原长，电压表示数不为零，故C错、D对．
答案 D
【例4】 如图10－3－5所示，电容式触摸屏的构造主要是在玻璃屏幕上镀一层透明的薄膜导体层，再在导体层外加上一块保护玻璃，电容式触摸屏在触摸屏四边均镀上狭长的电极，在导体层内形成一个低电压交流电场．在触摸屏幕时，由于人体是导体，手指与内部导体层间会形成一个特殊电容(耦合电容)，四边电极发出的电流会流向触点，而电流强弱与手指到电极的距离成正比，位于触摸屏后的控制器便会计算电流的比例及强弱，准确算出触摸点的位置．由以上信息可知( )．
图10－3－5
A．电容式触摸屏的两极板分别是导体层和手指
B．当用手触摸屏幕时，手指与屏的接触面积越大，电容越小
C．当用手触摸屏幕时，手指与屏的接触面积越大，电容越小
D．如果用带了手套的手触摸屏幕，照样能引起触摸屏动作
解析 电容触摸屏在原理上把人体当做一个电容器元件的一个极板，把导体层当做另一个极板，故A正确；手指与屏的接触面积越大，即两个极板的正对面积越大，故电容越大，B、C错误；如果带了手套或手持不导电的物体触摸时没有反应，这是因为手与导体层距离较大，不能引起导体层电场的变化，D错误．
答案 A
1．(2011·江苏卷)美国科学家Willard S．Boyle与George E．Smith因电荷耦合器件(CCD)的重要发明荣获2009年度诺贝尔物理学奖．CCD是将光学量转变成电学量的传感器．下列器件可作为传感器的有( )．
①发光二极管 ②热敏电阻 ③霍尔元件 ④干电池
A．①② B．③④ C．②③ D．①④
解析 发光二极管有单向导电性，①错；热敏电阻和霍尔元件都可作为传感器，②③对；干电池是电源，④错．
答案 C
2．2007年度诺贝尔物理学奖授予了法国和德国的两位科学家，以表彰他们发现“巨磁电阻效应”，基于巨磁电阻效应开发的用于读取硬盘数据的技术，被认为是纳米技术的第一次真正应用．在下列有关其他电阻应用的说法中，错误的是( )．
A．热敏电阻可应用于温度测控装置中
B．光敏电阻是一种光电传感器
C．电阻丝可应用于电热设备中
D．电阻在电路中主要起到通过直流、阻碍交流的作用
解析 电阻在电路中对直流电和交流电都有阻碍作用，将电能转换为热能，故D项错．
答案 D
3.
图10－3－6
如图10－3－6所示的电路中，当半导体材料做成的热敏电阻浸泡到热水中时，电流表示数增大，则说明( )．
①热敏电阻在温度越高时，电阻越大 ②热敏电阻在温度越高时，电阻越小 ③半导体材料温度升高时，导电性能变差 ④半导体材料温度升高时，导电性能变好
A．①② B．③④ C．②④ D．①③
答案 C
4.
图10－3－7
如图10－3－7所示，由电源、小灯泡、电阻丝、开关组成的电路中，当闭合开关S后，小灯泡正常发光，若用酒精灯加热电阻丝时，发现小灯泡亮度变化是________，发生这一现象的主要原因是________(填字母代号)．
A．小灯泡的电阻发生了变化
B．小灯泡灯丝的电阻率随温度发生了变化
C．电阻丝的电阻率随温度发生了变化
D．电源的电压随温度发生了变化
解析 电阻丝的电阻率随温度的升高而增大，电阻也增大，根据闭合电路欧姆定律I＝可知，电流减小，小灯泡的实际功率减小，所以变暗．
答案 变暗 C
图10－3－8
5．(2010·全国高考Ⅱ)如图10－3－8所示，一热敏电阻RT放在控温容器M内；○A 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 ℃
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