第13章 实验十七 利用传感器制作简单的自动控制装置-【优化探究】2025年高考物理一轮复习高考总复习配套课件（教科版2019）

实验十七　利用传感器制作简单的自动控制装置 第十三章　交变电流　传感器 电磁波　相对论 实验技能 自主学习 实验要点 互动探究 达标检测 巩固提高 命题点一　教材原型实验 命题点二　实验创新设计 内容索引 实验技能 自主学习 一 3 1．实验目的 (1)了解传感器的工作过程，探究敏感元件的特性。 (2)学会传感器的简单使用。 2．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)其工作过程如下图所示。 3．实验器材(特例) 热敏电阻、光敏电阻、磁敏电阻、气敏电阻、压敏电阻等敏感器件，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，温度计，开关，导线等。 4．实验过程(特例) (1)研究热敏电阻的热敏特性 ①将热敏电阻放入烧杯的水中，测量水温和热敏电阻的阻值(如图甲所示)。 ②在下表中记录水的温度与热敏电阻的阻值。 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， 得到的图线如图乙所示。 次数 1 2 3 4 5 6 温度/℃             电阻/Ω             (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、滑动变阻器按如图所示电路连接好，其中多用电表置于欧姆“×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，观察多用电表表盘指针指示电阻阻值的情况，并记录。 ④用手掌(或黑纸)遮光时，观察多用电表表盘指针指示电阻阻值的情况，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         (3)结论：热敏电阻的阻值随温度的升高而变小，随温度的降低而变大；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。 5．霍尔元件的应用 霍尔元件是根据霍尔效应原理制成的一种磁敏元件，一般用于电机中测定转子的转速，如录像机的磁鼓、电脑中的散热风扇等。 (1)霍尔元件的工作原理：E、F间通入恒定的电流I，同时外加与薄片垂直的磁场B时，薄片中的载流子就在洛伦兹力作用下，向着与电流和磁场都垂直的方向漂移，使M、N间出现电压(如图所示)。 1．误差分析 误差主要来源于温度计和欧姆表的读数。 2．注意事项 (1)在做热敏实验时，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照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进行电阻调零。 二 实验要点 互动探究 14 命题点一　教材原型实验 角度1　热敏电阻的应用 [典例1]　(2022·重庆卷)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”或“远小于”)RT阻值的电压表。 可变电阻R1 远大于 (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(保留两位有效数字)。 －1.2 角度2　光敏电阻的应用 [典例2]　为了节能和环保，一些公共场所使用光控开关控制照明系统，光控开关可用光敏电阻控制，某光敏电阻阻值随光的照度变化曲线如图甲所示，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。 10 (2)某同学为了测量光敏电阻在不同照度下的阻值，设计了如图戊所示的电路进行测量，电源E＝3 V，内阻未知，电阻箱的阻值范围为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，图丙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丁所示，此时电流表的示数恰好为I，则光敏电阻的阻值R0＝______kΩ(结果保留三位有效数字)。 62.5 40.0 (2)由题图可知，图丙的读数为R2＝62.5 kΩ，图丁的读数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＝40.0 kΩ。 角度3　霍尔元件的应用 [典例3]　(多选)如图是霍尔元件的工作原理示意图，如果用d表示薄片的厚度，k为霍尔系数，对于一个霍尔元件d、k为定值，如果保持I恒定，则可以验证UH随B的变化情况。以下说法正确的是(工作面是指较大的平面)(　　) A．将永磁体的一个磁极逐渐靠近霍尔元件的工作面，UH将变大 B．在测定地球两极的磁场强弱时，霍尔元件的工作面应保持水平 C．在测定地球赤道上的磁场强弱时，霍尔元件的工作面应保持水平 D．改变磁感线与霍尔元件工作面的夹角，UH将发生变化 [答案]　ABD 命题点二　实验创新设计 [典例4]　(2022·河北卷)某物理兴趣小组利用废弃电饭煲的部分器材自制简易电饭煲，设计电路如图1所示。选用的器材有：限温开关S1(手动将其按下，开始持续加热煮饭，当锅内温度高于103 ℃时自动断开，之后不能自动闭合)；保温开关S2(当锅内温度高于80 ℃时自动断开，温度低于70 ℃时自动闭合)；电饭煲的框架(结构如图2所示)。自备元件有：加热电阻丝R(阻值为 60 Ω，用于加热煮饭)；限流电阻R1和R2(阻值均为1 kΩ)；指示灯L1和L2 (2.5 V，0.6 W，当电流低于30 mA时可视为熄灭)；保险丝T。 (1)按照兴趣小组设计的电路，下列说法正确的是________。 A．按下S1，L1和L2均发光 B．当锅内温度高于103 ℃时，S1自动断开，L1和L2均发光 C．保温过程中，S2自动在闭合、断开状态之间交替切换 D．当锅内温度低于70 ℃时，S2自动闭合，L1发光，L2熄灭 CD (2)简易电饭煲制作完成后，试用时L1始终不亮，但加热和保温功能均正常。在不增加元件的前提下，断开电源，使用多用电表判断发生故障的元件。下列操作步骤的正确顺序是__________(填写各步骤前的字母)。 A．将选择开关旋转到“×100”位置 B．将两支表笔直接接触，调节“欧姆调零旋钮”，使指针指向欧姆零点 C．调整“指针定位螺丝”，使指针指到零刻度 D．测量指示灯L1两端的阻值 E．将选择开关置于OFF位置或交流电压最高挡 CABDE 操作时，将多用电表两表笔与L1两端接触，若指针如图3所示，可判断是________断路；若指针如图4所示，可判断是________断路。(用电路中的元件符号表示) L1 R1 (2)多用电表的操作步骤为：调整“指针定位螺丝”，使指针指到零刻度——机械调零；将选择开关旋转到“×100”位置——选挡；将两支表笔直接接触，调节“欧姆调零旋钮”，使指针指向欧姆零点——欧姆调零；测量指示灯L1两端的阻值——测量；将选择开关置于OFF位置或交流电压最高挡——关闭多用电表。故正确顺序为CABDE。 由于使用时L1始终不亮，但加热和保温功能均正常，则说明R、L2、R2、T均正常，由题图3可看出L1的电阻远大于其正常工作时的电阻，则说明L1始终不亮的原因是L1断路。 由于使用时L1始终不亮，但加热和保温功能均正常，则说明R、L2、R2、T均正常，由题图4可看出欧姆表的示数几乎为零，但由于RL＝10.42 Ω，此时欧姆表选用的是“×100”挡，则说明L1正常，则L1始终不亮的原因是R1断路。 [典例5]　(2023·湖北武汉模拟)如图甲所示为某宾馆的房卡，只有把房卡插入槽中，房间内的灯和插座才会有电。 (1)房卡的作用相当于一个________(填电路元件名称)接在干路上。 (1)房卡可以控制房间内的灯和插座，若不插入插槽中，所有房间内的灯和插座都不工作，所以房卡相当于干路上的开关。 开关 (2)如图乙所示，当房客进门时，只要将带有磁铁的卡P插入盒子Q中，这时由于磁铁吸引簧片，开关B就接通，通过继电器J使整个房间的电器的总开关接通，房客便能使用室内各种用电器。当继电器工作时，cd相吸，ab便接通。请你在图乙中将各接线端1、2、3、4、5、6、7、8、9、10适当地连接起来，构成正常的电门卡电路。 [答案]　(2)图见解析 (2)将簧片与电源E、线圈连成一个回路；将三个灯泡所在电路与交变电流接成回路，电路如图所示。 三 达标检测 巩固提高 2 3 4 1 1．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。图甲中给继电器供电的电源电压U1＝4 V，内阻不计，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40 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。 2 3 4 1 (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”) (1)由于B接通时警铃响，A接通时指示灯亮，因此C接B，D接A。 B A 2 3 4 1 (2)当环境温度升高时，继电器的磁性将________(选填“增大”“减小”或“不变”)，当环境温度达到________ ℃时，警铃报警。 增大 40 2 3 4 1 2 3 4 1 (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 (3)温度更高时，热敏电阻阻值更小，而报警电流为40 mA不变，因此应适当降低U1值，因此A正确。 A 2 3 4 1 2．在实际应用中有多种自动控温装置，以下是其中两种控温装置。 (1)图(a)为某自动恒温箱原理图，箱内的电阻R1＝2 kΩ，R2＝1.5 kΩ，R3＝4 kΩ，RT为热敏电阻，其电阻随温度变化的图像如图(b)所示。当a、b两点电势φa<φb时，电压鉴别器会令开关S接通，恒温箱内的电热丝发热，使箱内温度提高；当φa≥φb时，电压鉴别器会使S断开，停止加热，则恒温箱内的稳定温度为________ ℃，恒温箱内的电热丝加热时RT的取值范围为________。 25 RT>3 kΩ 2 3 4 1 2 3 4 1 (2)有一种由PTC元件做成的加热器，它产生的焦耳热功率PR随温度t变化的图像如图(c)所示。该加热器向周围散热的功率为PQ＝k(t－t0)，其中t为加热器的温度，t0为室温(本题中取20 ℃)，k＝0.1 W/℃。 当PR＝PQ时加热器的温度即可保持稳定，则该加热器工作的稳定温度为_______________ ℃； 某次工作中，该加热器从室温升高至稳定温度的过程中，下列温度变化过程用时最短的是________(填字母)。 A．20～24 ℃　　　　　　 B．32～36 ℃ C．48～52 ℃ D．60～64 ℃ 71(70～72均可) B 2 3 4 1 (2)由题知PQ＝0.1(t－t0)(W)，在PR－t图像中作出PQ与温度t之间的关系图线如图所示； 由图可知，当温度为71 ℃时，发热功率和散热功率相等，即此时物体的温度不再变化；由图可知，四个选项中，32～36 ℃时PR－PQ最大，即该过程用时最短，故选B。 2 3 4 1 3．(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)。 2 3 4 1 (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。 1 000 2 3 4 1 (1)欧姆表选择“×100”挡，由题图(b)可知读数为1 000 Ω。 2 3 4 1 (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)。 2 3 4 1 (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 2 3 4 1 根据表中数据在图(c)上描点，绘制U－m关系图线。 2 3 4 1 答案：(3)如图所示 2 3 4 1 (3)根据题表中数据描点作图，注意使图线通过尽量多的点。 2 3 4 1 (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，保留两位有效数字)。 (4)由题图可得200 mV的电压对应砝码的质量约为1.8 g，则F0＝mg≈0.018 N。 0.018(或0.017) 2 3 4 1 (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________(选填“>”“＝”或“<”)F0。 (5)若换用非理想毫伏表测C、D间电压，若C点电势高，则有U＝UF－U3，电流由C流向D，流经R3的电流增大，U3偏大，则U偏小，压力的测量值偏小，故F1＞F0；若D点电势高，同样有F1＞F0。 > 2 3 4 1 4．为了建设安全校园，某校物理教师带领兴趣小组的学生，利用光敏电阻和电磁继电器，为学校教学楼内所有楼梯口的照明灯安装了亮度自动控制装置。如图甲所示为他们设计的原理图，R0为光敏电阻(阻值随亮度的增加而减小)，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。 2 3 4 1 (1)为使楼内亮度降低到一定程度照明灯自动点亮，亮度升高到一定程度照明灯自动熄灭，单刀双掷开关应置于________(选填“a”或“b”)。 (1)亮度降低，R0变大，电流减小，电磁继电器吸力减小，衔铁被放开，此时照明灯应被点亮，所以单刀双掷开关应接b。 b 2 3 4 1 (2)为了提升校园安全系数，使照明灯在不太暗的时候就点亮，滑动变阻器接入电路的电阻应______(选填“调大”或“调小”)。 (2)电磁继电器的衔铁被吸下或放开有一个电流的临界值，对应一个总电阻的临界值，所以滑动变阻器调得越大，对应R0的触发值越小，能使照明灯在不太暗的时候就点亮。 调大 2 3 4 1 (3)已知直流电路中的电流达到10 mA时电磁继电器的衔铁正好会被吸下，R0从正午最亮到夜晚最暗的阻值变化范围为50～200 Ω，R2约为5 Ω，直流电源电动势E＝3 V，内阻r约为1 Ω，现有三个最大电阻阻值分别为100 Ω、300 Ω、3 000 Ω的滑动变阻器，为实现调控目标，R1最好应选择最大阻值为________ Ω的滑动变阻器。 300 2 3 4 1 (3)电动势为3 V，触发电流为10 mA，可得对应总电阻为300 Ω。滑动变阻器选100 Ω，R0可触发的阻值范围约为194～200 Ω，范围太小，对应亮度太低；300 Ω的阻值足够调控，对应R0触发值范围足够大；3 000 Ω阻值太大，对于某一亮度对应阻值的调节不精准。 2 3 4 1 (4)兴趣小组同学想要对原设计进行改进，使亮度降低到一定程度触发衔铁吸下，请你在图乙的虚线框中用笔画线代替导线重新连接直流电路中c、d、e、f、g、h各点，以实现这一改进目标。 答案：(4)图见解析 2 3 4 1 (4)为了实现“亮度降低到一定程度触发衔铁吸下”，可让R0与电磁继电器并联，这样亮度降低时R0增大，电磁继电器中的电流增大，可触发衔铁被吸下，电路图如图。 $$