5-实验十五-利用传感器制作简单的自动控制装置-2024-2025学年高考物理一轮复习.docx

实验十五　利用传感器制作简单的自动控制装置

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．学会利用传感器制作简单的自动控制装置。
二、实验原理
1．传感器能够将感受到的物理量(力、热、光、声等)转换成便于测量的量(一般是电学量)。
2．工作过程

三、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。
四、实验过程
1．研究热敏电阻的热敏特性
(1)将热敏电阻放入烧杯中的水中，测量水温和热敏电阻的阻值(如图甲所示)。

(2)准备好记录电阻与温度关系的表格(如下表)。
　　次数
待测量　　
1
2
3
4
5
6
温度/℃

电阻/Ω

(3)改变水的温度，多次测量水的温度和热敏电阻的阻值，记录在表格中，把记录的数据画在R -t图像中，得到的图像如图乙所示。

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结论：热敏电阻的阻值随温度发生变化，温度升高时电阻变小，温度降低时电阻变大。
2．研究光敏电阻的光敏特性
(1)将光电传感器、多用电表、灯泡、滑动变阻器按如图丙所示电路连接好，其中多用电表置于“×100”挡。

丙
(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。
(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，观察表盘指针显示电阻阻值的变化情况，并记录。
(4)用手掌(或黑纸)遮光时电阻值又是多少，并记录。
把记录的结果填入下表中，根据记录数据分析光敏电阻的特性。
光照强度
弱
中
强
无光照射
阻值/Ω

结论：光敏电阻的阻值被光照射时发生变化，光照增强时电阻变小，光照减弱时电阻变大。
五、误差分析
1．温度计读数带来误差。
2．多用电表读数带来误差。
3．作R-t图像时的不规范造成误差。
六、注意事项
1．在研究热敏电阻的热敏特性实验时，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．在研究光敏电阻的光敏特性实验时，如果效果不明显，可将光敏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欧姆调零。

类型一　教材原型实验
一、用温度传感器制作控制电路
纯电动汽车的蓄电池的安全性，主要体现在对其温度的控制上，当电池温度过高时，必须立即启动制冷系统进行降温。如图甲是小明设计的模拟控温装置示意图，电磁继电器与热敏电阻Rt、滑动变阻器RP串联接在电压为5 V的电源两端。当电磁铁线圈(电阻不计)中的电流I大于或等于20 mA时，衔铁被吸合，热敏电阻置于温度监测区域，其阻值Rt与温度t的关系如图乙所示，滑动变阻器的最大阻值为200 Ω。则：

(1)图甲中应将b端与________(选填“a”或“c”)端相连；
(2)若设置电池温度为50 ℃时启动制冷系统，则滑动变阻器阻值应为________Ω；
(3)该电路可设置启动制冷系统的最高温度是________℃。
答案：(1)c　(2)150　(3)74
解析：(1)由题意可知，当控制电路电流达到20 mA时衔铁被吸合，制冷系统工作，所以题图甲中，应将b端与c端相连。
(2) 若设置电池温度为50 ℃启动制冷系统，由题图乙可知，当温度为50 ℃时，Rt的阻值为100 Ω，此时控制电路的总电阻R＝＝ Ω＝250 Ω
由串联电路的电阻规律，可知滑动变阻器接入的电阻为RP＝R－Rt＝250 Ω－100 Ω＝150 Ω。
(3)当滑动变阻器的最大阻值为200 Ω时，热敏电阻的阻值Rt′＝R－RP′＝250 Ω－200 Ω＝50 Ω
由题图乙可知此时对应的温度为74 ℃，所以此时该电路可设置启动制冷系统的最高温度是74 ℃。
二、用光敏电阻制作控制电路
(2023·广东茂名联考)如图甲为一利用光敏电阻测量储液罐中液面高度的装置的示意图。当罐中装满液体时，液面与出液口高度差为h，罐外有一竖直放置的管，管内一侧有沿竖直线排列的多个光敏电阻，另一侧

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有一列光强稳定的光源。液面上一浮块与一块遮光板通过定滑轮相连，遮光板可随浮块的升降在管内上下运动，光敏电阻的总长度和遮光板的总长度都为h。当储液罐内装满液体时，遮光板的上沿与最下面的光敏电阻的下边缘等高。管内的光均匀地照射在光敏电阻上，光敏电阻和仪表相连。现要求设计一电路以利用上述装置测量液面的高度。
为将问题简化，假设管内只有3个光敏电阻R1、R2、R3，分别位于管的上端、下端和中央；它们的暗电阻均为R＝10 kΩ，被管内光源照亮时电阻均为R′＝1.0 kΩ。给定的仪器还有：直流电源E(电动势为9 V，电阻不计)，3个定值电阻，阻值分别为R4＝2.5 kΩ，R5＝1.8 kΩ，R6＝1.5 kΩ；电压表V(量程为0～3 V，内阻可视为无穷大)，开关一个，导线若干。
要求：当罐内装满液体时，电压表恰好为满量程。
(1)如图乙为某次电压表的示数，其大小为________V。

(2)选择合适的定值电阻，在如图丙所示虚线框内画出电路图，并用题中给定的符号标明图中各元件。

(3)液面与出液口等高时电压表的示数为________V。(结果保留2位有效数字)
(4)若管内的光强变暗，使得光敏电阻被照亮时的阻值变为1.2 kΩ，则定值电阻的阻值应变为________kΩ，便可达到题目要求。(结果保留2位有效数字)
答案：(1)1.40　(2)见解析图　(3)0.43　(4)1.8
解析：(1)电压表量程为0～3 V，每小格表示0.1 V，指针示数为1.40 V。
(2)当罐内装满液体时，3个光敏电阻均受到光照射，电阻均为1.0 kΩ，可把三个光敏电阻串联后再与定值电阻Rx串联，接在直流电源两端，把电压表接在定值电阻两端，则有＝，得Rx＝1.5 kΩ，故Rx为电阻R6，电压表应与电阻R6并联构成电路。当罐内装满液体时，电压表恰好为满量程，电路图如图所示。

(3)当液面与出液口等高时，光源完全被遮光板遮住，此时三个光敏电阻的阻值均为10 kΩ，则电压表的示数为U＝·R6≈0.43 V。
(4)若光敏电阻被照亮时的阻值变为1.2 kΩ，为使电压表满量程，则定值电阻的阻值变为Rx′，Rx′满足3 V＝
解得Rx′＝18 kΩ。
对点练1. (2023·湖北黄冈模拟)体温监测是进行疾病诊疗的基本手段之一。某同学在老师指导下利用负温度系数热敏电阻(NTC)设计制作一个简易温度计。
(1)该同学通过查找资料，发现该热敏电阻的阻值Rt随温度t变化的图像如图甲所示，则该热敏电阻的阻值Rt随温度t变化的函数关系式为________________________________________________________________________。

(2)该同学使用直流电源、毫安表、保护电阻R0、热敏电阻(NTC)、开关S、导线若干设计组装的热敏温度计的电路图如图乙所示。若电源的电动势为E、内阻为r，保护电阻的阻值为R0，热敏电阻的阻值为Rt，毫安表的内阻为Rg，则毫安表示数I＝___________；若电源的电动势E＝3 V、内阻不计，毫安表的量程为15 mA、内阻为5 Ω，要求该温度计测量的量程为45 ℃，则保护电阻R0＝___________Ω。

(3)当该温度计使用一段时间后，其所用电源会有一定程度老化。电动势E基本不变，内阻逐渐增大，则使用一段时间后该温度计所测温度会比实际温度___________(选填“偏低”“偏高”或“相同”)。
答案： (1)Rt＝－5t＋385(Ω)　(2)　35 Ω　(3)偏低
解析：(1)设热敏电阻Rt的阻值随温度t变化的函数关系为Rt＝kt＋b
由题图甲可得斜率k＝ Ω/℃＝－5 Ω/℃
则k＝ Ω/℃
解得b＝385 Ω
因此可得Rt＝－5t＋385(Ω)。
(2)根据闭合电路的欧姆定律有E＝I(r＋R0＋Rg＋Rt)
解得I＝
根据题意，当温度计的测量值达到最大值时，电流达到最大值，根据闭合电路的欧姆定律有E＝I(R0＋Rg＋Rt)
此时Rt＝－5t＋385(Ω)＝－5×45＋385(Ω)＝160 Ω
代入已知数据可得R0＝－Rg－Rt＝35 Ω。
(3)根据闭合电路的欧姆定律有I＝
当该温度计使用一段时间老化后，电动势E基本不变，内阻逐渐增大，则当电流表满偏时，热敏电阻Rt的实际值要比测量值偏小，根据热敏电阻随温度变化的关系Rt＝－5t＋385(Ω)可知，测量温度要比实际温度偏低。
对点练2.摄影中常用测光表来测定光的强度以便确定合适的曝光时间。光的强弱可以用照度来计量，光越强，照度越大，照度单位为lx。如图1为某光敏电阻Rp在不同照度下阻值的变化情况。某同学按照图2所示的电路图连成电路，测出不同照度下对应的电流值，然后将照度值标在电流表表盘对应的刻度线上，这样就将电流表改装成一个简易的测光表。现有的器材及规格如下：
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A．光敏电阻Rp
B．微安表μA(量程0～500 μA，内阻rA＝500 Ω)
C．电源E(电动势3.0 V，内阻不计)
D．滑动变阻器R
E．开关K

(1)此简易测光表上较大的照度值对应________(选填“较大”或“较小”)的电流值；
(2)此简易测光表上相邻刻线对应的照度值之差是否恒定？________(选填“是”或“否”)；
(3)若此简易测光表的最大照度值为800 lx，则图2中滑动变阻器的阻值应调节到R＝________Ω；
(4)一段时间后，电源的电动势不变，内阻变大为某一值而不能忽略，调节滑动变阻器使测光表能测的最大照度依然为800 lx。则照度的测量值________真实值。
A．大于　　B．等于　　C．小于
答案：(1)较大　(2)否　(3)2 500　(4)B
解析：(1)根据题图1可知，照度值越大，光敏电阻Rp的阻值越小，题图2中的总电阻越小，电流越大，故此简易测光表上较大的照度值对应较大的电流值。
(2)根据题图1可知，光敏电阻Rp与照度不是正比关系，题图2中的电流与总电阻成反比，故照度与电流之间不是线性关系，所以此简易测光表上相邻刻线对应的照度值之差不是恒定的。
(3)照度值最大时，电流表的示数最大，此时回路中的电流为500 μA，则有I＝
根据题图1可知照度值为800 lx时，光敏电阻Rp的阻值为3 000 Ω，可得滑动变阻器的阻值为R＝－Rp－rA＝ Ω－3 000 Ω－500 Ω＝2 500 Ω。
(4)由于最大照度依然为800 lx，电源的电动势不变，所以最大电流对应的电路总电阻不变，即滑动变阻器的阻值与电源内阻的和等于原来滑动变阻器的阻值2 500 Ω，则照度的测量值等于真实值，B正确，A、C错误。故选B。
类型二　拓展创新实验
(2023·山东滨州高三期末)半导体薄膜压力传感器是一种常用的传感器，其阻值会随压力变化而改变。现有一压力传感器：
(1)利用图甲所示的电路测量该传感器在不同压力下的阻值RN，其阻值约几十千欧，实验室提供以下器材：

电源电动势为3 V
电流表A(量程250 μA，内阻约为50 Ω)
电压表V(量程3 V，内阻约为20 kΩ)
滑动变阻器R(阻值0～100 Ω)
为了提高测量的准确性，开关S1应该接________(选填“1”或“2”)，开关S2应该接________(选填“3”或“4”)；
(2)通过多次实验测得其阻值RN随压力F变化的关系图像如图乙所示：

(3)由图乙可知，压力越大，阻值________(选填“越大”或“越小”)，且压力小于2.0 N时的灵敏度比压力大于2.0 N时的灵敏度(灵敏度指电阻值随压力的变化率)________(选填“高”或“低”)；
(4)利用该压力传感器设计了如图丙所示的自动分拣装置，可以将质量不同的物体进行分拣，图中RN为压力传感器，R′为滑动变阻器，电源电压为6 V(内阻不计)。分拣时将质量大小不同的物体用传送带运送到托盘上，OB为一个可绕O转动的杠杆，下端有弹簧，控制电路两端电压小于3 V时，杠杆OB水平，物体水平通过杠杆进入通道1，当控制电路两端电压大于3 V时，杠杆的B端就会被吸下，物体下滑通过杠杆进入通道2，从而实现分拣功能。若R′调为30 kΩ，取重力加速度g＝10 m/s2，该分拣装置可以实现将质量超过________kg的物体进行分拣(结果保留2位有效数字)，若要将质量超过0.20 kg的货物实现分拣，应该将R′调成________kΩ(结果保留3位有效数字)。

答案：(1)2　3　(3)越小　高　(4)0.14　26.0
解析：(1)RN的阻值约几十千欧，因此有RN＞＝Ω＝1 000 Ω
为了提高测量的准确性，采用电流表内接法，开关S1应该接2。
实验需要测量多组数据，且电压从零开始变化，实验时滑动变阻器要用分压式接入电路，因此开关S2应该接3。
(3) 由题图乙可知，压力越大，阻值越小。
由灵敏度指电阻值随压力的变化率可知，压力小于2.0 N时的灵敏度比压力大于2.0 N时的灵敏度高。
(4)由题意可知，当控制电压等于3 V时，控制电路的电流为I＝＝ A＝1×10－4 A
压力传感器上的电压为3 V，压力传感器的电阻值为RN＝＝ Ω＝3×104 Ω
由题图乙可知此时传感器上的压力为1.40 N，则物体质量为0.14 kg，因此由压力传感器的特点可知，该分拣装置可以实现将质量超过0.14 kg的物体分拣。
若要将质量超过0.20 kg的货物实现分拣，由以上计算分析可知，当物体质量为0.20 kg即传感器上的压力为2.0 N时，由题图乙可知，压力传感器的电阻值为26.0 kΩ，因此应该将R′调成26.0 kΩ，当质量超过0.20 kg的货物时，压力传感器的电阻值小于26.0 kΩ，控制电路两端电压大于3 V，货物实现分拣。
课时测评61　利用传感器制作简单的自动控制装置
(时间：30分钟　满分：30分)
(本栏目内容，在学生用书中以独立形式分册装订！)
1．(15分)传感器在现代生活、生产中有着相当广泛的应用。一个测量温度的传感器设计电路如图甲所示要求从温度t＝0 ℃时开始测量，并能从表盘上直接读出温度值(电流表满偏时指针所指刻度为0 ℃)。其中R1是保护电阻，R2是调零电阻(总电阻100 Ω)，理想电流表量程为6 mA，电源电动势E＝3 V(内阻不计)，金属热电阻的阻值R与温度t的对应关系如图乙所示。

(1)现有三种规格的保护电阻，R1应选择________。
A．30 Ω　　　B．300 Ω　　　C．420 Ω
(2)选取、安装好保护电阻后，要对温度传感器进行调零，调零电阻R2应调为________Ω。
(3)现对表盘进行重新赋值，原3 mA刻度线应标注________℃。
(4)由于电池老化，电动势降为2.8 V，传感器温度读数会出现偏差。如果某次使用时，先调零、后测量，读出t＝240 ℃，此时电流大小为________mA，实际温度为________℃。(结果均保留1位小数)
答案： (1)C　(2)40　(3)600　(4)4.3　221.4
解析：(1)因为电流表的量程为6 mA，由欧姆定律可得，电路中的总电阻至少为R总＝＝500 Ω
由于调零电阻R2最大为100 Ω，由题图乙可知，金属热电阻在t＝0 ℃的电阻阻值为40 Ω，故R1阻值的最小值为R1min＝360 Ω，故选C。
(2)根据题意可知，当金属热电阻的温度为0 ℃时，电流表满偏，此时电路中的电阻为R1＋R2＋R＝500 Ω
结合(1)分析解得R2＝40 Ω
即调零电阻R2应调为40 Ω。
(3)根据题意，由闭合回路欧姆定律可知，当电流表示数为3 mA时，金属热电阻的阻值为R＝－R1－R2＝540 Ω
由题图乙可得，金属热电阻R与温度t的关系式为R＝t＋40
解得t＝600 ℃。
(4)根据题意可知，先调零，则电路总电阻为R总′＝≈466.7 Ω
则调零电阻R2接入电路的电阻R2′＝R总′－R1－R0＝6.7 Ω
根据R与t之间的关系式R＝t＋40，可知，当t＝240 ℃时R＝240 Ω
电池老化前，可得t＝240 ℃对应的电流I1＝≈4.3 mA
即此时电路中电流为4.3 mA。
因为电池老化，电动势E＝2.8 V，电路中实际总电阻为R总实＝≈651.2 Ω
则R的实际阻值R实＝R总实－R1－R2′＝224.5 Ω
由R与t之间的关系式可得t＝221.4 ℃。
2．(15分)(2023·四川遂宁模拟)高速路入口都安装有称量汽车重量的地磅，如图甲是某工厂生产的小型地磅结构图和电路图，其中R是压敏电阻，质量m0＝500 kg的秤台平放在压敏电阻上，被称汽车停放在秤台上。已知电路中电源电动势为26 V、内电阻r＝10 Ω，电流表量程为0.3 A、内阻RA＝10 Ω，滑动变阻器R′的最大阻值为500 Ω。如图乙是压敏电阻的阻值R随压力F的变化曲线。某设计人员对电流表上刻度重新赋值，使之能够从表盘上直接读出秤台上汽车的质量，他先后进行了以下操作。重力加速度g＝10 m/s2。

(1)断开开关S，撤去秤台上的汽车，把多用电表的旋钮旋到欧姆挡“×10挡”，通过正确调零后，用红、黑表笔接在压敏电阻两端，多用电表的表针指到如图丙所示位置，则压敏电阻R此时的电阻值为________Ω。

(2)闭合开关S，设计人员通过调节滑动变阻器，使电流表读数为0.10 A，并在此处标注为0 kg，则此时滑动变阻器R′接入电路的电阻值为________Ω；2 500 kg处应标注在________A处。
(3)设计人员按上述操作逐个刻度赋值后，经长时间使用，发现电池的电动势略有减小、内电阻有所增大。他重新调节滑动变阻器，使秤台空载时电流表读数仍为0.10 A，然后再去测量汽车的重量。您认为现在的测量值相比汽车真实重量________(选填“偏大”“偏小”或“不变”)。
答案：(1)160　(2)80　0.13　(3)偏小
解析：(1)欧姆挡选择“×10挡”，则阻值为16.0×10 Ω＝160 Ω。
(2)当仅有秤台时，压敏电阻的阻值为160 Ω，根据闭合电路欧姆定律得E＝I(R＋R′＋RA＋r)，解得R′＝80 Ω，2 500 kg的物体在秤台上时，此时压敏电阻受到的压力为(2 500＋500)×10 N＝3×104 N，由题图乙可知此时压敏电阻的阻值约为100 Ω，根据闭合电路欧姆定律得E＝I1(R1＋R′＋RA＋r)，解得I1＝0.13 A。
(3)根据E＝I(R＋R′＋RA＋r)，可得R＝－R′－RA－r，电池的电动势减小、内阻增大，则相同的电流下，R的阻值偏小，结合题图乙可知汽车质量的测量值偏小。
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