2023届高三物理【新教材】一轮复习-实验十九-利用传感器制作简单的自动控制装置.docx

实验十九　利用传感器制作简单的自动控制装置

【必备知识·自主排查】
一、实验目的
1．认识热敏电阻、光敏电阻等传感器中的敏感元件．
2．了解传感器在自动控制装置中的应用．
二、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．
三、实验原理
1．闭合电路的欧姆定律，用多用电表的欧姆挡进行测量和观察．
2．工作过程如图

四、实验过程

1．研究热敏电阻的特性
(1)按实验原理图甲连接好电路，将热敏电阻绝缘处理；
(2)把多用电表置于欧姆挡，并选择适当的量程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中，测出不同温度下热敏电阻的阻值，并记录；
(5)画出热敏电阻的阻值随温度变化的图线；
(6)根据实验数据和R ­ t图线，分析得到热敏电阻的特性．
2．研究光敏电阻的光敏特性

(1)将光敏电阻、多用电表、灯泡、滑动变阻器按实验原理图乙所示连接好电路，其中多用电表置于“×100 Ω”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；
光照强度
弱
中
强
无光照射
阻值/Ω

(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，观察多用电表表盘指针指示电阻阻值的情况，并记录；
(4)用手掌(或黑纸)遮光时，观察多用电表表盘指针指示电阻阻值的情况，并记录．
(5)数据处理
根据记录的数据分析光敏电阻的特性．
五、误差分析
1．温度计读数带来的误差．
2．多用电表读数带来的误差．
3．热敏电阻水温不同所带来的误差．
4．作R ­ t图像所带来的误差．
六、注意事项
1．在研究热敏电阻的特性实验中，加热水后要等一会儿再测热敏电阻阻值，以使电阻温度与水的温度相同，并同时读出水温．
2．研究光敏电阻的光敏特性实验中，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来达到实验目的．
3．欧姆表每次换挡后都要重新进行欧姆调零．

【关键能力·分层突破】
考点一　自动控制电路的设计及组装
例1 如图甲所示是一测量硫化镉光敏电阻特性的实验电路，电源电压恒定，电流表内阻不计，开关闭合后，调节滑动变阻器滑片，使小灯泡发光逐渐增强，测得流过电阻的电流和光强的关系曲线如图乙所示．试根据丙图所给器材设计一个路灯自动光控电路．要求有光照时路灯不亮，无光照时路灯工作．

【跟进训练】
1.[2021·沈阳质检]为了节能和环保，一些公共场所用光控开关控制照明系统，光控开关可用光敏电阻控制，如图甲所示是某光敏电阻阻值随光的照度变化曲线，照度可以反映光的强弱，光越强照度越大，照度单位为：勒克斯(lx)．

(1)如图乙所示，电源电动势为3 V，内阻不计，当控制开关两端电压上升至2 V时控制开关自动启动照明系统．要求当天色渐暗照度降至1.0(lx)时控制开关接通照明系统，则R1＝________kΩ．
(2)某同学为了测量光敏电阻在不同照度下的阻值，设计了如图丙所示的电路进行测量，电源(E＝3 V，内阻未知)，电阻箱(0～99 999 Ω)．实验时将电阻箱阻值置于最大，闭合S1，将S2与1相连，减小电阻箱阻值，使灵敏电流计的示数为I，图丁为实验时电阻箱的阻值，其读数为________kΩ；然后将S2与2相连，调节电阻箱的阻值如图戊所示，此时电流表的示数恰好为I，则光敏电阻的阻值为________kΩ(结果保留3位有效数字)．

2．由半导体材料制成的热敏电阻阻值是温度的函数．基于热敏电阻对温度敏感原理制作一个火灾报警系统，要求热敏电阻温度升高至50 ℃时，系统开始自动报警．所用器材有：直流电源E(36 V，内阻不计)；电流表(量程250 mA，内阻约0.1 Ω)；电压表(量程50 V，内阻约1 MΩ)；热敏电阻RT；报警器(内阻很小，流过的电流超过10 mA时就会报警，超过30 mA时就会损伤)；滑动变阻器R1(最大阻值4 000 Ω)；电阻箱R2(最大阻值9 999.9 Ω)；单刀单掷开关S1；单刀双掷开关S2；导线若干．
(1)用图(a)所示电路测量热敏电阻R1的阻值，当温度为27 ℃时，电压表读数为30.0 V，电流表读数为15.0 mA；当温度为50 ℃时，调节R1，使电压表读数仍为30.0 V，电流表指针位置如图(b)所示．
温度为50 ℃时，热敏电阻的阻值为________Ω，从实验原理上看，该方法测得的阻值比真实值略微________(填“偏大”或“偏小”)．如果热敏电阻阻值随温度升高而变大，则其为正温度系数热敏电阻，反之为负温度系数热敏电阻．基于以上实验数据可知，该热敏电阻RT为________(填“正”或“负”)温度系数热敏电阻．

(2)某同学搭建一套基于该热敏电阻的火灾报警系统，实物图连线如图(c)所示，其中有一个器件的导线连接有误，该器件为________(填器件名称)．正确连接后，先使用电阻箱R2进行调试，其阻值设置为________Ω，滑动变阻器R1阻值从最大逐渐减小，直至报警器开始报警，此时滑动变阻器R1连入电路的阻值为________Ω.调试完毕后，再利用单刀双掷开关S2的选择性开关功能，把热敏电阻RT接入电路，可方便实现调试系统和工作系统的切换．

考点二　拓展创新型实验
例2 [2021·山东卷，14]热敏电阻是传感器中经常使用的元件，某学习小组要探究一热敏电阻的阻值随温度变化的规律．可供选择的器材有：

待测热敏电阻RT(实验温度范围内，阻值约几百欧到几千欧)；
电源E(电动势1.5 V，内阻r约0.5 Ω)；
电阻箱R(阻值范围0～9 999.99 Ω)；
滑动变阻器R1(最大阻值20 Ω)；
滑动变阻器R2(最大阻值2 000 Ω)；
微安表(量程100 μA，内阻等于2 500 Ω)；
开关两个，温控装置一套，导线若干．
同学们设计了如图甲所示的测量电路，主要实验步骤如下：
①按图示连接电路；
②闭合S1、S2，调节滑动变阻器滑片P的位置，使微安表指针满偏；
③保持滑动变阻器滑片P的位置不变，断开S2，调节电阻箱，使微安表指针半偏；
④记录此时的温度和电阻箱的阻值．
回答下列问题：
(1)为了更准确地测量热敏电阻的阻值，滑动变阻器应选用________(填“R1”或“R2”)．
(2)请用笔画线代替导线，将图乙中实物图(不含温控装置)连接成完整电路．

(3)某温度下微安表半偏时，电阻箱的读数为6 000.00 Ω，该温度下热敏电阻的测量值为________Ω(结果保留到个位)，该测量值________(填“大于”或“小于”)真实值．
(4)多次实验后，学习小组绘制了如图丙所示的图像．由图像可知，该热敏电阻的阻值随温度的升高逐渐________(填“增大”或“减小”)．

【跟进训练】
3.[2022·北京模拟]货运交通事故往往是由车辆超载引起的，因此我国交通运输部对治理货运超载有着严格规定．监测站都安装有称重传感器，图甲是一种常用的力传感器，由弹簧钢和应变片组成，弹簧钢右端固定，在其上、下表面各贴一个相同的应变片，应变片由金属制成．若在弹簧钢的自由端施加一向下的作用力F，则弹簧钢会发生弯曲，上应变片被拉伸，下应变片被压缩．力越大，弹簧钢的弯曲程度越大，应变片的电阻变化就越大，输出的电压差ΔU＝|U1－U2|也就越大．已知传感器不受压力时的电阻约为19 Ω，为了准确地测量该传感器的阻值，设计了以下实验，实验原理图如图乙所示．

实验室提供以下器材：
A．定值电阻R0(R0＝5 Ω)
B．滑动变阻器(最大阻值为2 Ω，额定功率为50 W)
C．电流表A1(0.6 A，内阻r1＝1 Ω)
D．电流表A2(0.6 A，内阻r2约为5 Ω)
E．直流电源E1(电动势3 V，内阻约为1 Ω)
F．直流电源E2(电动势6 V，内阻约为2 Ω)
G．开关S及导线若干．
(1)外力F增大时，下列说法正确的是________；
A．上、下应变片电阻都增大
B．上、下应变片电阻都减小
C．上应变片电阻减小，下应变片电阻增大
D．上应变片电阻增大，下应变片电阻减小
(2)图乙中①、②为电流表，其中电流表①选________(选填“A1”或“A2”)，电源选________(选填“E1”或“E2”)；
(3)为了准确地测量该阻值，在图丙中，将B、C间导线断开，并将滑动变阻器与原设计电路的A、B、C端中的一些端点连接，调节滑动变阻器，测量多组数据，从而使实验结果更准确，请在图丙中正确连接电路；
(4)结合上述实验步骤可以得出该传感器的电阻的表达式为________(A1、A2两电流表的电流分别用I1、I2表示)．

实验十九　利用传感器制作简单的自动控制装置
关键能力·分层突破
例1　解析：由流过光敏电阻的电流和光强的关系曲线可以看出，当入射光增强时，流过光敏电阻的电流增大．根据题意设计一个路灯自动控制电路如图所示．

控制过程：当有光照射时，流过光敏电阻的电流增大，并经过放大器输出一个较大的电流，驱动电磁继电器吸合，使两个常闭触点断开，当无光照射，电流减小，放大器输出电流也减小，电磁继电器释放衔铁，使两个触点闭合，控制路灯电路接通，路灯开始工作．
答案：见解析
1．解析：(1)电阻R1和R0串联，有U1R1＝U0R0，U0＝2 V，当照度1.0(lx)时，电阻R0＝20 kΩ，则R1＝10 kΩ.
(2)题图丁的电阻为R2＝62.5 kΩ，题图戊的电阻R′2＝22.5 kΩ，本题采用等效法测电阻，前后两次电路中的电流相等，则电路中的电阻相等，则有R2＝R′0＋R′2，所以R′0＝40.0 kΩ.
答案：(1)10　(2)62.5　40.0
2．解析：(1)由图(b)可知，电流表的示数为50 mA，则此时热敏电阻的阻值为RT＝U1I1＝30.050×10-3 Ω＝600 Ω，该方法所测电流值为真实电流值，所测电压值为热敏电阻和电流表两端的总电压，故根据R＝UI，可知此时所测电阻值偏大；在相同电压下，温度越高，通过电流越大，说明热敏电阻的阻值随温度的升高而降低，故RT为负温度系数热敏电阻．
(2)滑动变阻器R1的导线连接有误，两根导线都连接在上端，无法起到改变接入电阻阻值的作用，应一上一下连接；先使用电阻箱R2进行调试，其阻值应设置为50 ℃时RT的电阻值，即600 Ω；此时要求刚好在50 ℃时自动报警，则通过电路的电流为10 mA，报警器和电流表的电阻很小，可忽略不计，可得此时滑动变阻器的阻值为R1＝UI－RT＝3 000 Ω.
答案：(1)600　偏大　负　(2)滑动变阻器R1　600　3 000
例2　解析：(1)用半偏法测量热敏电阻的阻值，应尽可能让该电路的电压在S2闭合前、后保持不变，由于该支路与滑动变阻器左半部分并联，滑动变阻器的阻值越小，S2闭合前、后该部分电阻变化越小，从而电压的值变化越小，故滑动变阻器应选用最大值较小的R1才能更准确地进行实验．(3)微安表半偏时，该支路的总电阻为原来的2倍，即RT＋RμA＝6 000 Ω，由RμA＝2 500 Ω易得RT＝3 500 Ω.当断开S2，微安表半偏时，由于该支路的电阻增加，电压略有升高，根据欧姆定律可知，总电阻比原来2倍略大，也就是电阻箱的阻值略大于热敏电阻与微安表的总电阻，而认为电阻箱的阻值等于热敏电阻与微安表的总电阻，因此热敏电阻的测量值比真实值偏大．(4)由于是ln RT ­ 1T图像，当温度T升高时，1T减小，从图中可以看出ln RT减小，从而RT减小，因此热敏电阻的阻值随温度的升高逐渐减小．
答案：(1)R1　(2)如图所示　(3)3 500　大于　(4)减小

3．解析：(1)外力F增大时，上应变片长度变长，电阻变大，下应变片长度变短，电阻变小，故选D.
(2)题图乙中的①要当电压表使用，因此内阻应已知，故选电流表A1；因回路总阻值接近11 Ω，满偏电流为0.6 A，所以电源电动势应接近6.6 V，故电源选E2.
(3)滑动变阻器应采用分压式接法，将B、C间导线断开，A、B两端接全阻值，C端接在变阻器的滑动端，如图所示．

(4)由题图乙知，通过该传感器的电流为I2－I1，加在该传感器两端的电压为I1r1，故该传感器的电阻为I1r1I2-I1.
答案：(1)D　(2)A1　E2　(3)见解析　(4)I1r1I2-I1