2020版高考物理一轮复习第十章交变电流传感器实验十二传感器的简单使用

实 验 十 二 传感器的简单使用

突破点(一) 热敏电阻的原理及应用

[典例1] 某实验小组探究一种热敏电阻的温度特性。现有器材：直流恒流电源(在正常工作状态下输

出的电流恒定)、电压表、待测热敏电阻、保温容器、温度计、开关和导线等。

(1)若用上述器材测量热敏电阻的阻值随温度变化的特性，请你在实物图上连线。

(2)实验的主要步骤：

①正确连接电路，在保温容器中注入适量冷水，接通电源，调节并记录电源输出的电流值； ②在保温容器中添加少量热水，待温度稳定后，闭合开关，______，______，断开开关；

③重复第②步操作若干次，测得多组数据。

(3)实验小组算得该热敏电阻在不同温度下的阻值，并据此绘得R -t 关系图线，请根据图线写出该热敏

电阻的R -t 关系式：R ＝________＋________t (Ω)。

[解析] 根据R ＝U

I

就可求出不同温度下热敏电阻的阻值，并据此绘得R -t 图线。在图线上取两点，当

t 1＝10 ℃时，R 1＝104 Ω，当t 2＝60 ℃时，R 2＝124 Ω，R -t 图线的斜率为

R2－R1

t2－t1

＝0.4；将图线延长，

图线交于原点，说明t ＝0 ℃时的电阻为100 Ω，故R -t 关系式为R ＝100＋0.4t (Ω)。

[答案] (1)如图所示 (2)②读取温度计示数 读取电压表示数 (3)100 0.4

[由题引知·要点谨记]

1.考查实验原理及连线[对应第

题]

根据实验要求进行连线。电压表应直接并联在待测热敏电阻两侧。

连线时注意电流的流向。

2. 考查实验步骤[对应第

题]

实验过程中应逐步升温，待温度稳定后再读数。实验时应测多组数据，以减小实验误差。

3.考查识图能力和数据处理方法[对应第

题]

根据R ＝U

I 求出不同温度下热敏电阻的阻值。

由R-t关系图线找出R 与t 的函数关系式。

本实验的主要误差来源于温度计和电压表的读数。

[集训冲关]

1．(2016·全国乙卷)现要组装一个由热敏电阻控制的报警系统，要求当热敏电阻的温度达到或超过60 ℃时，系统报警。提供的器材有：热敏电阻，报警器(内阻很小，流过的电流超过I c 时就会报警)，电阻箱(最大阻值为999.9 Ω)，直流电源(输出电压为U ，内阻不计)，滑动变阻器R 1(最大阻值为1 000 Ω)，

滑动变阻器R 2(最大阻值为2 000 Ω)，单刀双掷开关一个，导线若干。

在室温下对系统进行调节。已知U 约为18 V ，I c 约为10 mA ；流过报警器的电流超过20 mA 时，报警

器可能损坏；该热敏电阻的阻值随温度升高而减小，在60 ℃时阻值为650.0 Ω。

(1)完成待调节的报警系统原理电路图的连线。

(2)电路中应选用滑动变阻器________(填“R 1”或“R 2”)。

(3)按照下列步骤调节此报警系统：

①电路接通前，需将电阻箱调到一固定的阻值，根据实验要求，这一阻值为________Ω；滑动变阻器的滑片应置于________(填“a ”或“b ”)端附近，不能置于另一端的原因是

________________________________________________________________________。

②将开关向________(填“c”或“d”)端闭合，缓慢移动滑动变阻器的滑片，直至

________________________________________________________________________。

(4)保持滑动变阻器滑片的位置不变，将开关向另一端闭合，报警系统即可正常使用。

解析：(1)电路图连接如图。

(2)报警器开始报警时，对整个回路有

U＝I c(R滑＋R热)

代入数据可得R滑＝1 150.0 Ω，因此滑动变阻器应选择R2。(3)①在调节过程中，电阻箱起到等效替代热敏电阻的作用，电阻箱的阻值应为报警器报警时热敏电阻

的阻值，即为650.0 Ω。滑动变阻器在电路中为限流接法，滑片应置于b端附近，若置于另一端a时，闭

合开关，则电路中的电流I＝

18

650.0

A≈27.7 mA，超过报警器最大电流20 mA，报警器可能损坏。②开关应先向c端闭合，移动滑动变阻器的滑片，直至报警器开始报警为止。

答案：(1)连线见解析图(2)R2(3)①650.0 b接通电源后，流过报警器的电流会超过20 mA，报

警器可能损坏②c报警器开始报警2．(2016·北京高考)热敏电阻常用于温度控制或过热保护装置中。如图

热敏电阻和金属热电阻的阻值R随温度t变化的示意图。由图可知，这种热敏为某种温度上升时导电能力________(选填“增强”或“减弱”)；相对金属热电阻电阻在敏电阻对温度变化的响应更______(选填“敏感”或“不敏感”)。而言，热解析：由R-t图像可知，热敏电阻在温度上升时电阻减小，则导电能力增强。相对金属热电阻，热敏

电阻在相同的温度变化情况下电阻变化大，则热敏电阻对温度变化的响应更敏感。

答案：增强敏感3．(2016·洛阳一模)某同学要研究一质地均匀，圆柱形的热敏电阻电阻率随温度的变化规律，其部分

步骤如下：

(1)用游标为20分度的卡尺测量其长度如图所示，由图可知其长度为________mm；

(2)用螺旋测微器测量其直径如图，由图可知其直径为________mm；

(3)该同学利用以下实验器材设计实验研究热敏电阻阻值随温度的变化规律：

A．热敏电阻(常温下约300 Ω)

B．温度计

C．电流表A1(60 mA，约10 Ω)

D．电流表A2(3 A，约0.1 Ω)

E．电压表V(6 V，约15 kΩ)

F．滑动变阻器R1(200 Ω，0.5 A)

G．滑动变阻器R2(5 Ω，2 A)

H．蓄电池(9 V,0.05 Ω)

I．开关一个，带夹的导线若干

①实验要求通过热敏电阻的电流从零开始增加，电流表应选择________，滑动变阻器选择________。

②为精确测量该热敏电阻，请在下图中完成实验器材连接。

[解析] (1)游标卡尺的读数为52.55 mm。

(2)螺旋测微器的读数为4.800 mm。

(3)①估算电路中电流值，电流表应选C。滑动变阻器应选G。

②电路连结如图。

[答案] 见解析

突破点(二) 光敏电阻的应用

[典例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R P在不同照度下的阻值如下表：

(1)根据表中数据，

的特点。

(2)如图乙所示，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：光敏电阻R P(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。[答案](1)图像如图(a)所示由图可知阻值随照度变化的特点：光敏电阻的阻值随光照强度的增大非

线性减小

(2)电路如图(b)所示

[由题引知·要点谨记]

1.考查描点作图的方法和分析图像的能力[对应第(1)题]

(1)描绘图像时，各点应均匀分布在图线两侧，且图线应是平滑的曲线，而不应成为

连接各点的折线。

(2)根据所描绘图像，会分析电阻阻值如何随光照强度的变化而变化。

2.考查实验电路的设计能力[对应第2题]

要结合题目所给条件及所给图像的数据进行分析设计。

通过分析可确定R P应接在1、2之间。

选择定值电阻，根据图线读出光照强度在 1.0 lx时的光敏电阻的阻值为20 kΩ，光敏电阻分压为2 V，则串联定值电阻R分压1 V，其阻值应为10 kΩ。

[集训冲关]

选)(2017·聊城模拟)如图所示，R 1、R 2为定值电阻，L 为小灯泡，R 3为光

4．(多

照射光强度增大时( )

敏电阻，当表的示数增大

A ．电压电流减小

B ．R 2中泡的功率增大

C ．小灯

D ．电路的路端电压增大

解析：选ABC 当照射光强度增大时，R 3阻值减小，外电路电阻随R 3的减小而减小，R 1两端电压因干路电流增大而增大，电压表的示数增大，同时内电压增大，故电路路端电压减小，A 项正确，D 项错误；由路端电压减小，R 1两端电压增大知，R 2两端电压必减小，则R 2中电流减小，故B 项正确；结合干路电流增大

知流过小灯泡的电流必增大，则小灯泡的功率增大，故C 项正确。

5．(2017·湖北荆州质量检测)如图甲为利用光敏电阻检测传送带上物品分布，从而了解生产线运行是否正常的仪器。其中A 是发光仪器，B 是一端留有小孔用绝缘材料封装的光敏电阻。当传送带上没有物品挡住由A 射向B 的光信号时，光敏电阻阻值R 1＝50 Ω，当传送带上有物品挡住由A 射向B 的光信号时，光敏电阻阻值R 2＝150 Ω。定值电阻R 3＝45 Ω。C 为平行板电容器，虚线与两极板距离相等，极板长L 1＝8.0×10

－2

m ，两极板的间距d ＝1.0×10－2

m 。D 为屏，与极板垂直，D 到极板的距离L 2＝0.16 m ，屏上贴有用特殊

材料做成的记录纸，当电子打在记录纸上时会留下黑点，工作时屏沿图示方向匀速运动。有一细电子束沿图中虚线以速度v 0＝8.0×106

m/s 连续不断地射入电容C ，虚线与屏交点为O 。图乙为一段记录纸。已知电子电荷量e ＝1.6×10

－19

C ，电子质量m ＝9×10

－31

kg 。忽略细电子束的宽度、电容器的充电放电时间及电

子所受的重力。求：电源的电动势E 和内阻r 。

解析：当没有物品挡光时，设电容器两端电压为U 1，此时电子在屏上的偏转Y 1＝0.02 m 。

电子在平行板间运动时，加速度a ＝eU1

md

，L 1＝v 0t 1

侧移量y 1＝12

at 1

2

解得y 1＝

eU1L12

2mdv02

电子射出平行板后做匀速直线运动，

v y ＝at 1，tan θ＝vy v0＝

eU1L1mdv02

所以Y 1＝y 1＋L 2tan θ

解得U 1＝4.5 V

同理可得，当有物品挡光时，电容器两端电压U 2＝2.25 V

在闭合电路中，U 1＝

E

R1＋R3＋r

R 3

U 2＝

E

R2＋R3＋r

R 3

解得E ＝10 V ，r ＝5 Ω。

答案：10 V 5 Ω

突破点(三) 传感器在实验中的应用

[典例3] 利用传感器可以探测、感受外界的信号、物理条件等。图甲所示为某同学用传感器做实验得

到的小灯泡的U -I 关系图线。

(1)实验室提供的器材有：电流传感器、电压传感器、滑动变阻器A (阻值范围0～10 Ω)、滑动变阻器

B (阻值范围0～100 Ω)、电动势为6 V 的电源(不计内阻)、小灯泡、开关、导线若干。该同学做实验时，

滑动变阻器选用的是________(选填“A ”或“B ”)；请在图乙的方框中画出该实验的电路图。

(2)如果将该小灯泡接入丙图所示的电路中，已知电流传感器的示数为0.3 A ，电源电动势为3 V 。则

此时小灯泡的电功率为________W ，电源的内阻为________Ω。

[答案] (1)A 实验电路图如图所示

(2)0.69(0.66～0.72均可) 2.33(2.00～2.67均可)

[由题引知·要点谨记]

1.考查实验器材的创新[对应题干部分]

用电压传感器、电流传感器替代电压表和电流表。

能快速、准确取得实验数据，及时地把图像呈现在电脑屏幕上。

2.考查滑动变阻器及分压、限流电路的选择[对应第(1)题] (1)根据实验原理，本实验应采用分压电路。 (2)为便于调节，滑动变阻器应选择A 。

3.考查实验数据的处理[对应第

题]

利用小灯泡的U-I图像

甲结合电流传感器的示数读出丙中小灯泡的电压值。利用闭合电路欧姆定律计算电源的内电阻。

[集训冲关]

6．(2016·浙江高考)如图所示为一种常见的身高体重测量仪。测量仪顶部波速为v 的超声波，超声波经反射后返回，被测量仪接收，测量仪记录发射和接向下发射间隔。质量为M 0的测重台置于压力传感器上，传感器输出电压与作用在其上的压收的时间比。当测重台没有站人时，测量仪记录的时间间隔为t 0，输出电压为U 0，某同学力成正台，测量仪记录的时间间隔为t ，输出电压为U ，则该同学身高和质量分别为

站上测重( )

A ．v (

t 0－t )，M0

U0

U

v (t 0－t )，M0U0

U

B.

12

C ．v (t 0－t )，M0

U0(U －U 0)

D.12v (t 0－t )，M0

U0

(U －U 0)

解析：选D 设人的身高为x ，质量为m 。

当测重台没有站人时：H v ＝t0

2①

当人站在测重台上时：H －x v ＝t

2

②

由①②两式得人的身高x＝1

2

v(t0－t)

当测重台上没站人时：M0g＝kU0③当人站在测重台上时：(M0＋m)g＝kU④

由③④两式得人的质量m＝M0

U0

(U－U0)

可知选项D正确。7．(2017·郑州模拟)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0～1 000 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图像，由图像可

求出电源自身内阻约为____________ Ω。

(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。解析：(1)描绘灯泡的伏安特性曲线，电压与电流应从零开始变化，滑动变压器要采用分压接法，由于

灯泡的阻值较小，电流应用外接法，电路图如图所示。

(2)由图示U -I 图像可知，随电压和电流的增大，灯泡实际功率增大，灯丝温度升高，电压与电流的比

值增大，由此可知，灯泡灯丝电阻随温度升高而增大。

(3)根据表中数据作出电源U -I 图像如图所示，由图示图像可知，电源内阻r ＝

ΔU ΔI －R 0＝6

0.6

Ω－9 Ω＝1 Ω。

(4)由图示图像可知，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。

答案：见解析

把脉命题规律和趋势

——高考真题集中演练 ]章末验收·真题集训[

命题点一：交变电流的产生及其描述

选)(2016·全国丙卷)如图，M 为半圆形导线框，圆心为O M ；N 是圆心1．(多

扇形导线框，圆心为O N ；两导线框在同一竖直面(纸面)内；两圆弧半角为直角的线O M O N 的水平面上方有一匀强磁场，磁场方向垂直于纸面。现使线框径相等；过直

时从图示位置开始，分别绕垂直于纸面、且过O M 和O N 的轴，以相同

M 、N 在t ＝0

的周期T 逆时针匀速转动，则( )

A ．两导线框中均会产生正弦交流电

B ．两导线框中感应电流的周期都等于T

C ．在t ＝T

8

时，两导线框中产生的感应电动势相等

D ．两导线框的电阻相等时，两导线框中感应电流的有效值也相等

解析：选BC 两导线框匀速转动切割磁感线产生感应电动势的大小不变，选项A 错误；导线框的转动周期为T ，则感应电流的周期也为T ，选项B 正确；在t ＝T

8时，切割磁感线的有效长度相同，两导线框中产

生的感应电动势相等，选项C 正确；M 导线框中一直有感应电流，N 导线框中只有一半时间内有感应电流，

所以两导线框的电阻相等时，感应电流的有效值不相等，选项D 错误。

命题点二：理想变压器、远距离输电

选)(2016·全国丙卷)如图，理想变压器原、副线圈分别接有额定电压相2．(多

和b 。当输入电压U 为灯泡额定电压的10倍时，两灯泡均能正常发光。

同的灯泡a 确的是( )

下列说法正

A ．原、副线圈匝数比为9∶1

B ．原、副线圈匝数比为1∶9

C ．此时a 和b 的电功率之比为9∶1

D ．此时a 和b 的电功率之比为1∶9

解析：选AD 设灯泡的额定电压为U 0，输入电压为灯泡额定电压的10倍时灯泡正常发光，则变压器原线圈的电压为9U 0，变压器原、副线圈的匝数比为9∶1，选项A 正确，选项B 错误；由9U 0I a ＝U 0I b 得，流过b 灯泡的电流是流过a 灯泡电流的9倍，根据P ＝UI ，a 、b 灯泡的电功率之比为1∶9，选项C 错误，选项

D 正确。

3.(2016·全国乙卷)一含有理想变压器的电路如图所

阻R 1、R 2和R 3的阻值分别为3 Ω、1 Ω和4 Ω，○为理想示，图中电表，U 为正弦交流电压源，输出电压的有效值恒定。当开关交流电流流表的示数为I ；当S 闭合时，电流表的示数为4I 。该变压

S 断开时，电圈匝数比为( )

器原、副线

A ．2

B ．3

C ．4

D ．5

解析：选B 设原、副线圈的匝数比为k ，根据变压器匝数比与电流成反比的关系，则原线圈电流为I

时，副线圈电流为kI ；原线圈电流为4I 时，副线圈电流为4kI 。

根据变压器的输入功率等于输出功率得

UI －I 2R 1＝(kI )2(R 2＋R 3)

4UI －(4I )2

R 1＝(4kI )2

R 2

联立两式代入数据解得k ＝3

选项B 正确。

4．(2015·全国卷Ⅰ)一理想变压器的原、副线圈的匝数

原、副线圈的回路中分别接有阻值相同的电阻，原线圈一侧比为3∶1，在220 V 的正弦交流电源上，如图所示。设副线圈回路中电阻接在电压为为U ，原、副线圈回路中电阻消耗的功率的比值为k ，则

两端的电压( )

A ．U ＝66 V ，k ＝19

B ．U ＝22 V ，k ＝

1

9 C ．U ＝66 V ，k ＝13D ．U ＝22 V ，k ＝

1

3

解析：选A 设原、副线圈中的电流分别为I 1、I 2，则I1I2＝n2n1＝13，故k ＝I12R I22R ＝1

9。设原线圈两端的电

压为U 1，则U1U ＝n1n2＝31，故U 1＝3U ，而原线圈上电阻分担的电压为13U ，故U

3

＋3U ＝220 V ，解得U ＝66 V 。选

项A 正确。

选)(2014·全国卷Ⅱ)如图，一理想变压器原、副线圈的匝数分别为n 1、 5.(多

通过一理想电流表○ 接正弦交流电源，一个二极管和阻值为R 的负载电n 2。原线圈

接到副线圈的两端。假设该二极管的正向电阻为零，反向电阻为无穷大。

阻串联后

用交流电压表测得a 、b 端和c 、d 端的电压分别为U ab 和U cd ，则( )

A ．U ab ∶U cd ＝n 1∶n 2

B ．增大负载电阻的阻值R ，电流表的读数变小

C ．负载电阻的阻值越小，cd 间的电压U cd 越大

D ．将二极管短路，电流表的读数加倍

解析：选BD 根据变压器的工作原理、交流电的有效值解题。变压器的变压比

U1U2＝n1

n2

，其中U 1、U 2是变压器原、副线圈两端的电压。U 1＝U ab ，由于二极管的单向导电特性，U cd ≠U 2，选项A 错误。增大负载电阻

R 的阻值，负载的电功率减小，由于P 入＝P 出，且P 入＝I 1U ab ，所以原线圈上的

电流I 1减小，即电流表的读数变小，选项B 正确。c 、d 端的电压由输入电压U ab 决定，负载电阻R 的阻值变小时，U cd 不变，选项C 错误。根据变压器上的能量关系有E 输入＝E 输出，在一个周期T 的时间内，二极管未短路时有U ab I 1T ＝U2R ·T 2＋0(U 为副线圈两端的电压)，二极管短路时有U ab I 2T ＝U2

R

T ，由以上两式得I 2＝

2I 1，选项D 正确。

6．(2012·全国卷)自耦变压器铁芯上只绕有一个线圈，原、副线圈都只

的某部分。一升压式自耦调压变压器的电路如图所示，其副线圈匝数可调。取该线圈器线圈总匝数为1 900匝；原线圈为1 100匝，接在有效值为220 V 的交流已知变压变压器输出电压调至最大时，负载R 上的功率为2.0 kW 。设此时原线圈中电

电源上。当

流有效值为I 1，负载两端电压的有效值为U 2，且变压器是理想的，则U 2和I 1分别约为( )

A ．380 V 和5.3 A

B ．380 V 和9.1 A

C ．240 V 和5.3 A

D ．240 V 和9.1 A

解析：选B 对理想变压器，原、副线圈功率相同，故通过原线圈的电流I 1＝

P U1＝2 000

220

A≈9.1 A，负载两端电压即为副线圈电压，由U1n1＝U2n2，即2201 100＝U2

1 900

，可得U 2＝380 V ，故B 对。

7．(2011·全国卷)如图，一理想变压器原副线圈的匝数比为1∶电路中接有灯泡，灯泡的额定电压为220 V ，额定功率为22 W ；原线2；副线圈接有电压表和电流表。现闭合开关，灯泡正常发光。若用U 和I 分别

圈电路中

表示此时电压表和电流表的读数，则( )

A ．U ＝110 V ，I ＝0.2 A

B ．U ＝110 V ，I ＝0.05 A

C．U＝110 2 V，I＝0.2 A

D．U＝110 2 V，I＝0.2 2 A

解析：选A 交流电压表、电流表测得的是交变电流的有效值，由灯泡正常发光可知，变压器的输出电

压为220 V，而变压器的输入与输出电压之比等于原副线圈的匝数比，故变压器的输入电压为110 V, 电压表的示数为110 V，又因为变压器的输入功率等于输出功率，因此可知变压器的输入电流为0.2 A，故选项

A正确。