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（江苏北京专版）

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·盐城高三模拟)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．(2024·常州高三检测)弹性导电绳逐步成为智能控制系统中部分传感器的敏感元件，某同学测量弹性导电绳的电阻与拉伸后绳长之间的关系，实验过程如下： (1)装置安装和电路连接：如图(a)所示，导电绳的一端固定，另一端作为拉伸端，两端分别用带有金属夹A、B的导线接入如图(b)所示的电路中。 (2)用螺旋测微器测量导电绳横截面的直径，由图(c)读得直径为________mm。 (3)导电绳拉伸后的长度L及其电阻Rx的测量 ①将导电绳拉伸后，用刻度尺测量并记录A、B间的距离，即为导电绳拉伸后的长度L。 ②将滑动变阻器R的滑片滑到最右端。断开开关S2，闭合开关S1，调节R，使电压表和电流表的指针偏转到合适位置。记录两表的示数U和I1。 ③闭合S2，电压表的示数________(选填“变大”或“变小”)。调节R使电压表的示数仍为U，记录电流表的示数I2，则此时导电绳的电阻Rx＝______(用I1、I2和U表示)。 ④断开S1，增大导电绳拉伸量，测量并记录A、B间的距离，重复步骤②和③。 (4)该电压表内阻对导电绳电阻的测量值______(选填“有”或“无”)影响。 (5)图(d)是根据部分实验数据描绘的Rx－L图线。将该导电绳两端固定在某种机械臂上，当机械臂弯曲后，测得导电绳的电阻Rx为1.33 kΩ，则由图线可读出导电绳拉伸后的长度为______ cm，即为机械臂弯曲后的长度。 解析：(2)由题图(c)所示螺旋测微器可知，固定刻度示数为1.5 mm，可动刻度示数为34.7×0.01 mm＝0.347 mm，导电绳的直径为d＝1.5 mm＋0.347 mm＝1.847 mm。 (3)③闭合S2，电路总电阻减小，总电流增加，内电阻与滑动变阻器上的电压增加，所以电压表示数减小；由于电压表示数为U，所以闭合S2后，定值电阻上的电流仍为I1，那么流过导电绳的电流为I2－I1，根据欧姆定律得Rx＝。 (4)在闭合S2之前，电流表的示数I1包括定值电阻的电流和电压表分得的电流，闭合S2之后，加在电压表两端的电压保持不变，因此流过电压表和定值电阻的总电流仍为I1，故流过导电绳的电流是I2－I1，与电压表内阻无关，电压表内阻对测量没有影响。 (5)由题图(d)可知，导电绳拉伸后的长度为51.80 cm。 答案：(2)1.847(1.846～1.848均可) (3)③变小　 　(4)无　(5)51.80 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 $$