第11章 第5讲 实验：利用传感器制作简单的自动控制装置(Word教师用书)-【新高考方案】2025年高考物理一轮总复习

第5讲　实验：利用传感器制作简单的自动控制装置(基础实验) 一、实验知能/系统归纳 实验准备 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．探究规律 (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R-t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，其中多用电表置于适当的量程。 (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．探究规律 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。 二、应用发展/练中融通 1．(2024·湖北武汉模拟)传感器担负着信息采集的任务，在自动控制中发挥着重要作用，传感器能够将感受到的物理量(如温度、光、声等)转换成便于测量的量(电学量)，例如热敏传感器。某热敏电阻RT阻值随温度变化的图线如图甲所示，图乙是由该热敏电阻RT作为传感器制作的简单自动报警器线路图。问： (1)为了使温度过高时报警器响铃，c应接在________(选填“a”或“b”)处。 (2)若要使启动报警的温度降低些，应将滑动变阻器的滑片P向________移动(选填“左”或“右”)。 (3)如果在调试报警器报警温度时，发现将报警器放在预定的报警温度的环境时，无论如何调节滑动变阻器的滑片P，报警器都一直报警，可能的原因和解决的办法是____________________________________________________________________　 ____________________________________________________________________　 ____________________________________________________________________　。 解析：(1)由题图甲可知，热敏电阻RT在温度升高时阻值变小，电路中电流变大，电磁铁磁性增强，把右侧衔铁吸引过来，与a接触，故c应接在a处。 (2)若要使启动报警的温度降低些，热敏电阻的阻值增大，滑动变阻器的滑片P应向右移动。 (3)在预定的报警温度的环境中，无论如何调节滑动变阻器的滑片P，报警器都一直报警，说明电路中电流过大，可能是因为该热敏电阻RT和滑动变阻器的总电阻之和过小，可以换一个阻值大一点的滑动变阻器。 答案：(1)a　(2)右　(3)该热敏电阻RT和滑动变阻器的总电阻之和过小；可以换一个阻值大一点的滑动变阻器 2．光敏电阻广泛地应用在光控制电路中，物理探究小组设计了图甲所示的电路测量不同照度下的光敏电阻的阻值，照度单位为勒克斯(lx)。小组成员先将照射光敏电阻的光调至某一照度，将电阻箱阻值调到最大，先闭合开关S1，再将开关S2与1连接，调节电阻箱的阻值如图乙所示时，此时通过电流表G的电流为I，然后将开关S2与2连接，当调节电阻箱的阻值如图丙所示时，电流表的示数恰好也为I。 (1)图乙的读数R1＝________Ω，图丙的读数R2＝________Ω，此照度下光敏电阻的阻值R0＝________Ω。 (2)图丁是该小组描绘出的光敏电阻的阻值随照度变化的关系图像，由图丁可知(1)中的光照度为________lx(保留两位有效数字)。 (3)此光敏电阻的阻值随光照强度的减小而________(填“增大”“不变”或“减小”)。 (4)小组设计了如图戊所示的电路控制路灯，图戊中R0为此实验的光敏电阻，R1为滑动变阻器，电磁继电器的衔铁由软铁(容易磁化和消磁)制成，R2为电磁铁的线圈电阻，K为单刀双掷开关。当光照强度小到某一值时，衔铁就会被吸下，交流电路接通，当光照强度达到某一值时，衔铁就会被弹簧拉起，交流电路就会断开，路灯熄灭，请在图戊中原有电路的基础上用笔画线连接电路实现这一功能。 解析：(1)根据电阻箱各旋钮的示数，可知R1＝2 320 Ω，R2＝1 120 Ω； 根据题意可知，开关S2与1连接和与2连接时电流表的示数都为I，根据闭合电路欧姆定律可知两种情况下电路中电阻大小相等，所以R0＝R1－R2＝2 320 Ω－1 120 Ω＝1 200 Ω。 (2)根据R0的阻值，结合图像可知(1)中的光照度为1.0 lx。 (3)根据题图丁可知，此光敏电阻的阻值随光照强度的减小而增大。 (4)将线圈与光敏电阻并联，然后与滑动变阻器以及电源串联，如图所示， 这样当光照强度减小时，光敏电阻的阻值增大，并联部分的分压变大，线圈中的电流增大，电磁铁的磁性变强，将衔铁吸下，路灯接通；当光照强度增大时，光敏电阻阻值变小，并联部分分压变小，线圈中的电流减小，电磁铁的磁性变弱，衔铁弹起，路灯熄灭。 答案：(1)2 320　1 120　1 200　(2)1.0　(3)增大 (4)见解析图 3．如图甲所示为苹果自动分拣装置的示意图，该装置把大小不同的苹果，按一定质量标准自动分拣为大苹果和小苹果。该装置的托盘秤压在一个以O1为转动轴的杠杆上，杠杆末端压在压力传感器R上，R的阻值随压力变化的曲线如图乙所示。调节托盘秤压在杠杆上的位置，使质量等于分拣标准(0.15 kg)的大苹果经过托盘秤时，杠杆对R的压力为1 N。调节可调电阻R0，可改变R、R0两端的电压比，使质量等于分拣标准的大苹果通过托盘秤时，R0两端的电压恰好能使放大电路中的电磁铁吸动分拣开关的衔铁，此电压叫做放大电路的激励电压。该放大电路中包含保持电路，能够确保大苹果在衔铁上运动时电磁铁始终保持吸动状态。 (1)当大苹果通过托盘秤时，R所受的压力较大，电阻________(填“较大”或“较小”)。 (2)自动分拣装置正常工作时，大苹果通过________(填“通道A”或“通道B”)。 (3)若电源电动势为5 V，内阻不计，放大电路的激励电压为2 V： ①为使该装置达到上述分拣目的，R0的阻值等于________kΩ。(结果保留两位有效数字) ②某同学想在托盘秤压在杠杆上的位置不变的情况下，利用一块电压表测出每个苹果的质量，电压表的示数随苹果质量的增大而增大，则电压表应该并联在________(填“R”“R0”或“电源”)两端。 ③若要提高分拣标准到0.33 kg，仅将R0的阻值调为____________ kΩ即可实现。(结果保留两位有效数字)(提示：托盘秤压在杠杆上的位置不变的情况下，压力传感器受到的压力与苹果的质量成正比) 解析：(1)由题图乙可知当大苹果通过托盘秤时，R所受的压力较大，电阻较小。 (2)大苹果通过托盘秤时，R0两端的电压达到放大电路的激励电压，使放大电路中的电磁铁吸动分拣开关的衔铁，大苹果进入下面的通道B。 (3)①杠杆对R的压力为1 N时，R的阻值为30 kΩ，为使该装置达到分拣目的，R0的阻值需满足＝，则R0＝20 kΩ。 ②随着苹果质量增大，R的阻值减小，分压减小，电源电动势不变，R0分压增大，为了满足电压表的示数随苹果质量的增大而增大，需要将电压表并联在R0两端。 ③根据＝，可知提高分拣标准到0.33 kg时，杠杆对R的压力为2.2 N，此时R的阻值为24 kΩ，根据以上分析＝，R0的阻值应该调至16 kΩ。 答案：(1)较小　(2)通道B　(3)①20　②R0　③16 4．现代社会，喝酒不开车已经成为基本行为准则。某款酒精检测仪如图甲所示，核心部件为酒精气体传感器，其电阻R与酒精气体浓度c的关系如图乙所示。某同学想利用该酒精气体传感器设计一款酒精检测仪，除酒精气体传感器外，在实验室中找到了如下器材： A．蓄电池(电动势E＝2 V，内阻r＝0.6 Ω) B．表头Ⓖ(满偏电流6.0 mA，内阻未知) C．电流表Ⓐ(满偏电流10 mA，内阻未知) D．电阻箱R1(最大阻值999.9 Ω) E．电阻箱R2(最大阻值999.9 Ω) F．开关及导线若干 (1)该同学设计的测量电路如图丙所示，为将表头Ⓖ的量程扩大为原来的10倍，他进行了如下操作：先断开开关S1、S2、S3，将R1、R2调到最大值。合上开关S1，将S3拨到2处，调节R2，使表头Ⓖ满偏，电流表Ⓐ示数为I。此时合上开关S2，调节R1和R2，当电流表Ⓐ示数仍为I时，表头Ⓖ示数如图丁所示，此时R1为108.0 Ω，则改装电表时应将R1调为________Ω，改装结束后断开所有开关。 (2)该同学若将图中开关S1、S2合上，而将S3拨到1处，电阻箱R2的阻值调为14.0 Ω，酒精气体浓度为零时，表头Ⓖ的读数为________mA。 (3)完成步骤(2)后，某次在实验室中测试酒精气体浓度时，表头指针指向5.0 mA。已知酒精气体浓度在0.2～0.8 mg·mL－1之间属于“酒驾”，酒精气体浓度达到或超过0.8 mg·mL－1属于“醉驾”，则该次测试的酒精气体浓度属于________范围(选填“酒驾”或“醉驾”)。 (4)使用较长时间后，蓄电池电动势降低，内阻增大，可调整________(“R1”或“R2”)，则此时所测的酒精气体浓度仍为准确值。 解析：(1)合上开关S1，将S3拨到2处，调节R2，使表头Ⓖ满偏，电流表Ⓐ示数为I，则表头Ⓖ与电流表Ⓐ串联，可知I＝Ig＝6.0 mA。合上开关S2，表头Ⓖ与R1并联，调节R1和R2，当电流表Ⓐ示数仍为I时，由题图丁可知表头Ⓖ的示数I′＝4 mA，则R1中的电流I1＝I－I′＝2 mA。由I′Rg＝I1R1，解得表头的内阻Rg＝R1＝54.0 Ω。将表头Ⓖ的量程扩大为原来的10倍，则与表头并联的电阻R1中的电流为IR1＝(10－1)Ig＝9Ig，则由IgRg＝IR1R1′，解得改装电表时应将R1调为R1′＝Rg＝6.0 Ω。 (2)改装电流表的内阻为Rg′＝＝ Ω＝5.4 Ω，由题图乙可知酒精气体浓度为零时，传感器的电阻为R＝80 Ω，由闭合电路欧姆定律可得电路中总电流I2＝＝ A＝0.02 A＝20 mA，则表头Ⓖ的读数为I2′＝I2＝2.0 mA。 (3)某次在实验室中测试酒精气体浓度时，表头指针指向5.0 mA，电路中总电流I3＝10×5.0 mA＝50.0 mA＝0.05 A 由闭合电路欧姆定律可得I3＝，解得传感器的电阻R′＝20 Ω，由题图乙可知酒精气体浓度为0.8 mg·mL－1，所以该次测试的酒精气体浓度属于醉驾范围。 (4)由闭合电路欧姆定律可知I＝ 使用较长时间后，蓄电池电动势降低，内阻增大，要想所测的酒精气体浓度仍为准确值，则电路中电流不变，则需要把R2调小，使电路中总电阻减小。 答案：(1)6.0　(2)2.0　(3)醉驾　(4)R2 学科网（北京）股份有限公司 $$