第11章 实验12 利用传感器制作简单的自动控制装置（word教参）-【导学教程】2025年物理新编高考大一轮总复习（人教版）

实验十二　利用传感器制作简单的自动控制装置 [对应学生用书第251页] 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．了解传感器的简单应用。 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 实验一　研究光敏电阻的光敏特性 1．实验步骤 (1)将光敏电阻、多用电表、小灯泡、滑动变阻器、学生电源按如图所示电路连接好，其中多用电表置于“×100”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。 (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，观察表盘指针显示光敏电阻阻值的情况，并记录。 (4)用手掌(或黑纸)遮光时光敏电阻阻值，并记录。 2．数据处理 把记录的结果填入表中，根据记录数据分析光敏电阻的特性。 结论：光敏电阻的阻值被光照射时发生变化，光照增强电阻变小，光照减弱电阻变大。 实验二　研究热敏电阻的热敏特性 1．实验步骤 (1)按如图所示连接好电路，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。 2．数据处理 (1)根据记录数据，把测量到的温度、电阻值填入表中，分析热敏电阻的特性。 (2)在坐标系中，粗略画出热敏电阻的阻值随温度变化的图线。 (3)根据实验数据和R­t图线，得出结论：热敏电阻的阻值随温度的升高而减小，随温度的降低而增大。 五、注意事项 1．在做热敏电阻实验时，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．光敏电阻实验中，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照射到光敏电阻上的光的强度。 [对应学生用书第252页] 考点一　教材原型实验 一、热敏电阻的特性及应用 　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Ic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R1(最大阻值为1 000 Ω)，滑动变阻器R2(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，Ic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________(选填“R1”或“R2”)。 (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________(选填“a”或“b”)端附近，不能置于另一端的原因是________________________________________________________________________。 ②将开关向________(选填“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)根据题述，应该采用滑动变阻器的限流接法，连接的电路如图所示。 (2)根据题述，流过报警器的工作电流超过10 mA时，报警器就会报警，可知滑动变阻器的最大阻值至少为R＝＝Ω＝1 800 Ω，因此在电路中应选用最大阻值为2 000 Ω的滑动变阻器R2。 (3)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，这一阻值为热敏电阻在60 ℃时的阻值650.0 Ω；滑动变阻器的滑片应置于接入电路的阻值最大处，即b端附近，不能置于另一端的原因是：若置于a端，则导致闭合开关后，报警器中电流大于20 mA，报警器可能损坏。②将开关向c端闭合，缓慢移动滑动变阻器的滑片，直至报警器开始报警。 [答案]　(1)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 二、光敏电阻的特性及应用 　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。 (2)如图所示，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)光敏电阻的阻值随光照度变化的曲线如图所示。 光敏电阻的阻值随光照度变化特点：光敏电阻的阻值随光照度的增大非线性减小。 (2)根据串联电阻的分压关系，E＝3 V 当照度降低至1.0(lx)时，其电压升至2 V，由图线知 此时光敏电阻RP＝20 kΩ，URP＝2 V，串联电阻分压 UR＝1 V 由＝＝2得 R＝＝10 kΩ，故选定值电阻R1，电路原理图如图所示。 [答案]　见解析 考点二　创新拓展实验 一、压力传感器 　(2023·湖南卷)某探究小组利用半导体薄膜压力传感器等元件设计了一个测量微小压力的装置，其电路如图(a)所示，R1、R2、R3为电阻箱，RF为半导体薄膜压力传感器，C、D间连接电压传感器(内阻无穷大)。 (1)先用欧姆表“×100”挡粗测RF的阻值，示数如图(b)所示，对应的读数是________Ω。 (2)适当调节R1、R2、R3，使电压传感器示数为0，此时，RF的阻值为________(用R1、R2、R3表示)。 (3)依次将0.5 g的标准砝码加载到压力传感器上(压力传感器上所受压力大小等于砝码重力大小)，读出电压传感器示数U，所测数据如下表所示： 次数 1 2 3 4 5 6 砝码质量m/g 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 电压U/mV 0 57 115 168 220 280 根据表中数据在图(c)上描点，绘制U­m关系图线。 (4)完成前面三步的实验工作后，该测量微小压力的装置即可投入使用。在半导体薄膜压力传感器上施加微小压力F0，电压传感器示数为200 mV，则F0大小是________N(重力加速度取9.8 m/s2，保留2位有效数字)。 (5)若在步骤(4)中换用非理想毫伏表测量C、D间电压，在半导体薄膜压力传感器上施加微小压力F1，此时非理想毫伏表读数为200 mV，则F1________F0(选填“>”“＝”或“<”)。 [解析]　(1)欧姆表读数为10×100 Ω＝1 000 Ω。 (2)当电压传感器读数为零时，CD两点电势相等，即UCB＝UDB 即RF＝R3，解得RF＝。 (3)绘出U­m图像如图所示。 (4)根据U­m图像可知，当U＝200 mV时，m＝1.80 g，故F0＝mg＝1.8×10－2 N。 (5)可将CD以外的电路等效为新的电源，CD两点电压看作路端电压，因为换用非理想电压传感器当读数为200 mV时，实际CD间断路(接理想电压传感器时)时的电压大于200 mV，则此时压力传感器的读数F1>F0。 [答案]　(1)1 000　(2)　(3)见解析图 (4)1.8×10－2　(5)> 二、火灾报警系统 　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)用图甲所示电路测量热敏电阻RT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乙所示。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________(选填“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________(选填“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，实物图连线如图丙所示，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。 丙 [解析]　(1)由题图乙可知，电流表的示数为50 mA，则此时热敏电阻的阻值为 RT＝＝ 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＝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，其阻值设置为RT的自动报警电阻，即600 Ω才可对其进行调试； 此时要求刚好在50 ℃时自动报警，则通过电路的电流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＝－RT＝3 000 Ω。 [答案]　(1)600　偏大　负　(2)滑动变阻器R1 600　3 000 学科网（北京）股份有限公司 $$