13.4　实验十六：利用传感器制作简单的自动控制装置——2027届高中物理一轮复习课件

该高中物理高考复习课件聚焦“传感器的特性及自动控制装置”实验专题，依据高考评价体系梳理了敏感元件特性、电路设计、图像分析、误差计算四大核心考点，通过命题分析明确“电路设计”占30%、“图像应用”占25%的高频考查方向，归纳出伏安法测量、自动控制电路设计等常考题型，体现备考的针对性与实用性。 课件亮点在于“原型实验+创新拓展+素养融合”的复习策略，如典例1通过伏安法测量热敏电阻阻值，运用科学推理分析内接外接选择及滑动变阻器分压接法，培养科学思维；典例2结合电磁继电器设计亮度控制电路，强化模型建构能力。特设“命题陷阱警示”和“实验操作规范”，帮助学生掌握电路设计技巧，教师可依托典例解析实现精准复习，提升冲刺效率。

第67课时　实验十六:利用传感器制作简单的 自动控制装置 学习目标:1.掌握制作传感器常用元件光敏电阻、热敏电阻、金属热电阻、电阻应变片、霍尔元件的基本特性及工作原理。 2.探究传感器的工作原理及传感器应用的一般模式。 3.能利用传感器制作简单的自动控制装置。 一、实验目的 1.了解传感器的工作过程,探究热敏电阻和光敏电阻等敏感元件的特性。 2.学会传感器的简单使用并会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.其工作过程如下图所示。 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 1.研究热敏电阻的热敏特性 (1)将热敏电阻放入烧杯中的水中,测量水温和热敏电阻的阻值(如图甲所示)。 甲 (2)准备好记录电阻与温度关系的表格。(如下表) 次数 1 2 3 4 5 6 温度/℃             电阻/Ω             (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图中,得图像如图乙所示。 乙 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“×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,观察表盘指针显示电阻阻值的变化情况,并记录。 (4)用手掌(或黑纸)遮光时电阻值又是多少,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         结论:光敏电阻的阻值被光照射时发生变化,光照增强时电阻变小,光照减弱时电阻变大。 命题分析 1.考装置:器材选择、装配和电路设计的正误。 2.考运算:由闭合电路欧姆定律或相关图像计算电压、电阻、温度等物理量。 3.考图像:由图像的斜率、截距和某些特殊值来分析电路。 4.考电路设计:根据实现的功能要求来设计电路,从安全、分压、限流、内接、外接、误差分析等各个角度综合考虑。 5.考变化:电路设计、器材选用、实验方法等多个角度进行创新变化。 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欧姆调零。 考点一　教材原型实验 典例1　寒冷的冬季,某农场会用自动控温系统对蔬菜大棚进行控温,要求当蔬菜大棚内的温度低于15 ℃时,加热系统立即启动。实验小组对上述工作系统进行了如下探究: (1)先用伏安法测量某热敏电阻Rx的阻值(约为几十千欧),实验室提供以下器材: A.电流表(量程0~6 A,内阻约为15 Ω) B.电流表(量程0~6 mA,内阻约为100 Ω) C.电压表(量程0~5 V,内阻约为5 kΩ) D.电压表(量程0~15 V,内阻约为20 kΩ) E.滑动变阻器(阻值范围0~200 Ω,允许的最大电流2 A) F.滑动变阻器(阻值范围0~20 Ω,允许的最大电流1 A) G.待测热敏电阻Rx H.蓄电池(电动势E=12 V,内阻不计) I.开关和导线若干 J.恒温室 ①为了使测量结果更准确,采用下列实验电路进行实验,较合理的是　 　。 ②实验时滑动变阻器应选用　　　　　,电压表应选用　　　　　,电流表应选用　　　　　。(均填器材前面的字母)  B F D B (2)经过测量不同温度下热敏电阻Rx的 阻值,得到其阻值与温度的关系如图甲 所示。实验小组用该热敏电阻设计了 如图乙、丙所示的两种温度控制电路, Rx为热敏电阻,R为电阻箱,控制系统可 视为阻值为48 kΩ的定值电阻,电源的 电动势E0=10 V(内阻不计)。当通过控制系统的电流大于 0.2 mA时,加热系统将开启;当通过控制系统的电流小于 0.2 mA时,加热系统将关闭。若要使得温度低于15 ℃时,加热 系统立即启动,应该选用　　　　　(选填“图乙”或“图丙”) 电路,应将R调为　　　　　Ω;若将R调大,则加热系统的开 启温度将　　　　　(选填“高于”或“低于”)15 ℃。  图丙 800 低于 解析 (1)由题意可知,热敏电阻阻值约为几十千欧,远远大于电流表的内阻,因此使用电流表内接,滑动变阻器最大阻值与热敏电阻阻值相比均比较小,从操作角度考虑,使用分压接法,故选B; 若使用F,则干路的电流约为 I=A=0.6 A<1 A 没有超过滑动变阻器的额定电流,所以为了便于调节,应选用阻值范围较小的F; 电源电动势为12 V,电压表量程选择15 V合理,故选D; 当热敏电阻与电流表两端电压为12 V时,通过热敏电阻的电流小于1 mA,因此电流表选择B。 (2)温度越低,热敏电阻的阻值越大,图丙中控制系统与热敏电阻并联,则通过控制系统的电流越大,故应选图丙; 由图甲可知,当温度为15 ℃时,热敏电阻的阻值为Rx=32 kΩ 控制系统可视为阻值为R控=48 kΩ 根据闭合电路欧姆定律可得R+IR控=E0,其中I=0.2 mA　 代入数据,解得R=0.8 kΩ=800 Ω 若将R调大,要想维持控制系统两端的电压不变,则Rx应变大,温度降低,故加热系统的开启温度将低于15 ℃。 考点二　拓展创新实验 典例2　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。 (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”)。  (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”)。  (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。  b 调大 300 (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,请你在下图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。 解析 (1)亮度降低R0变大,电流减小,电磁铁吸力减小,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。 (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。 (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。 (4)为了实现“亮度降低到一定程度触发衔铁吸下”可让R0与电磁铁并联,这样亮度降低时R0增大,电磁铁中的电流增大,可触发衔铁被吸下,电路图如图。 典例3　某同学要把电压表改装成可直接测量压力的仪表,设计的电路如图甲所示。实验器材如下:待改装电压表(量程0~3 V,可视为理想电压表),定值电阻R0,压敏电阻Rx,电源(4 V,内阻不计),开关S,导线。选用的压敏电阻阻值Rx随压力F变化的规律如图乙。 甲 乙 (1)实验中随着压力F的增大,电压表的示数　　　　(选填“变大”“不变”或“变小”) 。  (2)为使改装后仪表的量程为0~160 N,且压力160 N对应电压表3 V刻度,则定值电阻阻值R0=　　　　Ω,压力0对应电压表　　　　 V刻度。 变大 240 1.5 $