11.5 实验：利用传感器制作简单的自动控制装置（Word教师用书）-【创新方案】2025年高考物理一轮总复习（通用版）

第五讲　实验：利用传感器制作简单的自动控制装置 (基础实验) 　 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。 实验(一)　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。 3．注意事项 在做本实验时，加热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。 实验(二)　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，调节滑动变阻器使小灯泡逐渐变亮，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，观察表盘指针显示光敏电阻阻值的情况，并记录。 2．数据处理：根据记录数据分析光敏电阻的特性。 3．注意事项 本实验中，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。 　 1．(2024·长沙模拟)某同学利用热敏电阻设计了一个“过热自动报警电路”，如图甲所示。将热敏电阻R安装在需要探测温度的地方，当环境温度正常时，继电器的上触点接触，下触点分离，指示灯亮；当环境温度超过某一值时，继电器的下触点接触，上触点分离，警铃响。图甲中继电器的供电电压U1＝3 V，继电器线圈用漆包线绕成，其电阻R0为30 Ω。当线圈中的电流大于等于50 mA时，继电器的衔铁将被吸合，警铃响。图乙是热敏电阻的阻值随温度变化的图像。 (1)图甲中警铃的接线柱C应与接线柱________相连，指示灯的接线柱D应与接线柱________相连(均选填“A”或“B”)； (2)当环境温度升高时，热敏电阻阻值将______，继电器的磁性将________(均选填“增大”“减小”或“不变”)，当环境温度达到________℃时，警铃报警； (3)如果要使报警电路在更高的温度报警，下列方案可行的是________。 A．适当减小U1 B．适当增大U1 C．适当减小U2 D．适当增大U2 解析：(1)根据“当环境温度正常时，继电器的上触点接触，下触点分离，指示灯亮；当环境温度超过某一值时，继电器的下触点接触，上触点分离，警铃响”，知警铃的接线柱C应与接线柱B相连，指示灯的接线柱D应与接线柱A相连。 (2)当环境温度升高时，热敏电阻阻值减小，由欧姆定律知电路中电流增大，则继电器的磁性将增大。当线圈中的电流等于50 mA时，继电器的衔铁刚好被吸合，则控制电路中电阻最大值为 R总＝＝ Ω＝60 Ω 此时热敏电阻阻值为 R＝R总－R0＝(60－30)Ω＝30 Ω 由图乙知，此时环境温度为80 ℃，所以环境温度在大于等于80 ℃时，警铃报警。 (3)要使报警电路在更高的温度就报警，则线圈中的电流等于50 mA时，热敏电阻R变大，由(2)知，热敏电阻R＝－R0则可通过适当减小U1达到这个目的。 答案：(1)B　A　(2)减小　增大　80　(3)A 2．(2022·重庆高考)某兴趣小组研究热敏电阻在通以恒定电流时，其阻值随温度的变化关系。实验电路如图所示，实验设定恒定电流为50.0 μA，主要实验器材有：恒压直流电源E、加热器、测温仪、热敏电阻RT、可变电阻R1、电流表A、电压表V。 (1)用加热器调节RT的温度后，为使电流表的示数仍为50.0 μA，须调节________(选填一种给定的实验器材)。当RT两端未连接电压表时，电流表示数为50.0 μA；连接电压表后，电流表示数显著增大，须将原电压表更换为内阻________(选填“远大于”“接近”“远小于”)RT阻值的电压表。 (2)测得RT两端的电压随温度的变化如图所示，由图可得温度从35.0 ℃变化到40.0 ℃的过程中，RT的阻值随温度的平均变化率是____________kΩ·℃－1(保留2位有效数字)。 解析：(1)由题知恒压直流电源E的电动势不变，而用加热器调节RT的温度后，导致整个回路的总电阻改变。而要确保电流表的示数仍为50.0 μA，则需控制整个回路的总电阻不变，故需要调节的器材是可变电阻R1。连接电压表后，电流表示数显著增大，则说明电压表与RT并联后R总减小，则根据并联电阻的关系有R总＝＝，则要保证R总不变需将原电压表更换为内阻远大于RT阻值的电压表。 (2)由题图可得温度为35.0 ℃时电压表的电压为1.6 V，且实验设定恒定电流为50.0 μA，则根据欧姆定律可知此时热敏电阻RT1＝32 kΩ；温度为40.0 ℃时电压表的电压为1.3 V，且实验设定恒定电流为50.0 μA，则根据欧姆定律可知此时热敏电阻RT2＝ 26 kΩ，则温度从35.0 ℃变化到40.0 ℃的过程中，RT的阻值随温度的平均变化率是k＝＝－1.2 kΩ·℃－1，负号表示随着温度升高RT的阻值减小。 答案：(1)可变电阻R1　远大于　(2)1.2 3．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)。 解析：(1)电阻R1和R0串联，有＝，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R2′＝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＝R0′＋R2′，所以R0′＝40 kΩ。 答案：(1)10　(2)62.5　40.0 4．(2024年1月·九省联考黑龙江、吉林卷)某些材料的电阻率在外磁场作用下发生改变的现象称为磁致电 阻效应，利用该效应可以制作磁敏器件。为探究某磁敏器件材料的电阻率随外磁场的变化规律，设计如图(a)所示电路。该器件在无外磁场时的阻值为R0，加磁感应强度为B的外磁场后，阻值变为R，阻值的变化量ΔR＝R－R0，相对变化率能反映器件材料电阻率的变化。图中V1和V2均为理想电压表，定值电阻R1＝300 Ω，RP为滑动变阻器，S为开关，E为电源。 (1)不加外磁场，调节RP使V1示数为U1＝0.30 V，读出V2示数U2＝0.40 V，由此可计算出R0＝________Ω； (2)加外磁场，调节RP使V1示数仍为0.30 V，记录B和V2示数U2，计算； (3)改变B，重复(2)操作，实验数据如下表。B＝0.30 T时，电压表V2示数如图(b)所示，读出数据，完成下表。答：①________，②________； B/T … 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 0.40 U2/V … 0.56 0.59 0.62 ① 0.69 0.72 … 0.40 0.48 0.55 ② 0.73 0.80 (4)在图(c)坐标纸上将所缺数据点补充完整并作图。由此可知，B在0.15 T～0.40 T范围内，该器件材料的电阻率随B的增大而增大。 解析：(1)根据串联电阻分压关系可得＝，磁敏器件在无外磁场时的阻值为R0＝400 Ω。 (3)由题图(b)可知电压表V2示数为U2′＝0.66 V，根据串联电阻分压关系可得＝，B＝0.30 T时，磁敏器件的阻值为R0′＝660 Ω，则＝＝＝0.65。 (4)将所缺数据点补充完整作出图像如图所示。 答案：(1)400　(3)0.66　0.65　(4)见解析图 学科网（北京）股份有限公司 $$