人教版高考物理一轮复习第11章交变电流传感器实验15利用传感器制作简单的自动控制装置学案含答案

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实验十五　利用传感器制作简单的自动控制装置一、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．了解传感器的简单应用。二、实验原理与要求[研究热敏电阻的特性]1．实验原理闭合电路欧姆定律，用欧姆表进行测量和观察。2．实验器材半导体热敏电阻、多用电表、温度计、铁架台、烧杯、凉水和热水。3．实验步骤(1)按实验原理图甲连接好电路，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。4．数据处理在如图坐标系中，粗略画出热敏电阻的阻值随温度变化的图线。5．实验结论热敏电阻的阻值随温度的升高而减小，随温度的降低而增大。6．注意事项实验时，加热水后要等一会儿再测热敏电阻阻值，以使电阻温度与水的温度相同，并同时读出水温。[研究光敏电阻的特性]1．实验原理闭合电路欧姆定律，用欧姆表进行测量和观察。2．实验器材光敏电阻、多用电表、小灯泡、滑动变阻器、导线、电源。3．实验步骤(1)将光敏电阻、多用电表、灯泡、滑动变阻器按实验原理图乙所示电路连接好，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，观察多用电表表盘指针显示电阻阻值的情况，并记录。(4)用手掌(或黑纸)遮光时，观察多用电表表盘指针显示电阻阻值的情况，并记录。4．数据处理根据记录数据分析光敏电阻的特性。5．实验结论(1)光敏电阻在暗环境下电阻值很大，强光照射下电阻值很小。(2)光敏电阻能够把光照强弱这个光学量转换为电阻这个电学量。6．注意事项(1)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来达到实验目的。(2)欧姆表每次换挡后都要重新进行欧姆调零。授课提示：对应学生用书第222页eq \a\vs4\al(命题点一　教材原型实验)　热敏电阻特性的探究与应用[典例1]　(2020·高考全国卷Ⅲ)已知一热敏电阻当温度从10 ℃升至60 ℃时阻值从几千欧姆降至几百欧姆，某同学利用伏安法测量其阻值随温度的变化关系。所用器材：电源E、开关S、滑动变阻器R(最大阻值为20 Ω)、电压表(可视为理想电表)和毫安表(内阻约为100 Ω)。(1)在虚线框中所给的器材符号之间画出连线，组成测量电路图。(2)实验时，将热敏电阻置于温度控制室中，记录不同温度下电压表和毫安表的示数，计算出相应的热敏电阻阻值。若某次测量中电压表和毫安表的示数分别为5.5 V和3.0 mA，则此时热敏电阻的阻值为________kΩ(保留两位有效数字)。实验中得到的该热敏电阻阻值R随温度t变化的曲线如图(a)所示。(3)将热敏电阻从温控室取出置于室温下，测得达到热平衡后热敏电阻的阻值为2.2 kΩ。由图(a)求得，此时室温为________ ℃(保留三位有效数字)。(4)利用实验中的热敏电阻可以制作温控报警器，其电路的一部分如图(b)所示。图中，E为直流电源(电动势为10 V，内阻可忽略)；当图中的输出电压达到或超过6.0 V 时，便触发报警器(图中未画出)报警。若要求开始报警时环境温度为50 ℃，则图中________(选填“R1”或“R2”)应使用热敏电阻，另一固定电阻的阻值应为________ kΩ(保留两位有效数字)。[解析]　(1)滑动变阻器最大阻值仅20 Ω，采用分压式接法，电压表为理想电表，采用毫安表外接法，测量电路图如图所示。(2)热敏电阻的阻值R＝eq \f(U,I)＝eq \f(5.5 V,3.0 mA)≈1.8 kΩ。(3)根据Rt图象，R＝2.2 kΩ时，t＝26.0 ℃。(4)温度升高时，R2两端电压变大，R1两端电压变小。根据Rt图象知，温度升高时热敏电阻的阻值减小，则热敏电阻应为R1，t＝50 ℃时，R1＝0.8 kΩ，根据串联电路中电阻与电压的关系可得eq \f(R1,R2)＝eq \f(10－6.0,6.0)，解得R2＝1.2 kΩ。[答案]　(1)图见解析　(2)1.8　(3)26.0　(4)R1　1.2　光敏电阻特性的探究与应用[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。光控开关可采用光敏电阻来控制，光敏电阻是阻值随着光的照度而发生变化的元件(照度可以反映光的强弱，光越强照度越大，照度单位为lx)。某光敏电阻RP在不同照度下的阻值如下表：(1)根据表中数据，请在给定的坐标系中描绘出阻值随照度变化的曲线，并说明阻值随照度变化的特点。(2)如图所示，当1、2两端所加电压上升至2 V时，控制开关自动启动照明系统。请利用下列器材设计一个简单电路，给1、2两端提供电压，要求当天色渐暗，照度降低至1.0 lx时启动照明系统，在虚线框内完成电路原理图。(不考虑控制开关对所设计电路的影响)提供的器材如下：光敏电阻RP(符号，阻值见上表)；直流电源E(电动势3 V，内阻不计)；定值电阻：R1＝10 kΩ，R2＝20 kΩ，R3＝40 kΩ(限选其中之一并在图中标出)；开关S及导线若干。[解析]　(1)光敏电阻的阻值随光照度变化的曲线如图甲所示。特点：光敏电阻的阻值随光照度的增大非线性减小。(2)控制开关自动启动照明系统，给1、2两端提供电压，要求当天色渐暗照度降低至1.0 lx时启动照明系统，即此时光敏电阻阻值为20 kΩ，两端电压为2 V，电源电动势为3 V，所以应加上一个分压电阻，分压电阻阻值为10 kΩ，即选用R1，电路原理图如图乙所示。[答案]　见解析eq \a\vs4\al(命题点二　实验拓展应用)　利用传感器设置自动控制系统[典例3]　某同学通过实验制作一个简易的温控装置，实验原理电路图如图甲所示，继电器与热敏电阻Rt、滑动变阻器R串联接在电源E两端，当继电器的电流超过15 mA时，衔铁被吸合，加热器停止加热，实现温控。继电器的电阻约20 Ω，热敏电阻的阻值Rt与温度t的关系如下表所示。(1)提供的实验器材有：电源E1(3 V，内阻不计)、电源E2(6 V，内阻不计)、滑动变阻器R1(0～200 Ω)、滑动变阻器R2(0～500 Ω)、热敏电阻Rt、继电器、电阻箱(0～999.9 Ω)、开关S、导线若干。为使该装置实现对30～80 ℃之间任一温度的控制，电源E应选用________(选填“E1”或“E2”)，滑动变阻器R应选用________(选填“R1”或“R2”)。(2)实验发现电路不工作。某同学为排查电路故障，用多用电表测量各接点间的电压，则应将如图乙所示的选择开关旋至________(选填“A”“B”“C”或“D”)。(3)合上开关S，用调节好的多用电表进行排查。在图甲中，若只有b、c间断路，则应发现表笔接入a、b时指针________(选填“偏转”或“不偏转”)，接入a、c时指针________(选填“偏转”或“不偏转”)。(4)排除故障后，欲使衔铁在热敏电阻为50 ℃时被吸合，下列操作步骤的正确顺序是________。(填写各步骤前的序号)①将热敏电阻接入电路②观察到继电器的衔铁被吸合③断开开关，将电阻箱从电路中移除④合上开关，调节滑动变阻器的阻值⑤断开开关，用电阻箱替换热敏电阻，将阻值调至108.1 Ω[解析]　(1)若实现对30 ℃温度的控制，继电器和Rt的电压U1＝0.015×(20＋199.5)V≈3.29 V，因此符合要求的电源应选E2，若实现对80 ℃温度的控制，对全电路有：U＝I(R继＋Rt＋R)，即6 V＝0.015 A×(20 Ω＋49.1 Ω＋R)，解得R＝330.9 Ω。因此滑动变阻器应选R2。(2)用多用电表测量直流电压时，选择开关应旋至C(直流电压挡)。(3)a、b间电压为0，指针不偏转。接入a、c时，多用电表与电源等构成回路，指针偏转。(4)连接电路时，先用电阻箱代替热敏电阻，调节滑动变阻器阻值，衔铁被吸合时，调节完毕，移除电阻箱换为热敏电阻即可，正确的顺序为⑤④②③①。[答案]　(1)E2　R2　(2)C　(3)不偏转　偏转(4)⑤④②③①　利用传感器测量力学量[典例4]　(2021·河南郑州第二次质量预测)导体或半导体材料在外力作用下产生机械形变时，其电阻值发生相应变化，这种现象称为应变电阻效应。图甲所示，用来称重的电子吊秤，就是利用了这个应变效应。电子吊秤实现称重的关键元件是拉力传感器。其工作原理是：挂钩上挂上重物，传感器中拉力敏感电阻丝在拉力作用下发生微小形变(宏观上可认为形状不变)，拉力敏感电阻丝的电阻也随着发生变化，再经相应的测量电路把这一电阻变化转换为电信号(电压或电流)，从而完成将所称物体重量变换为电信号。物理小组找到一根拉力敏感电阻丝RL，其阻值随拉力F变化的图象如图乙所示，小组按图丙所示电路制作了一个简易“吊秤”。电路中电源电动势E＝3 V，内阻r＝1 Ω；灵敏毫安表量程为10 mA，内阻Rg＝50 Ω；R1是可变电阻器，A、B两接线柱等高且固定。现将这根拉力敏感电阻丝套上轻质光滑绝缘环，将其两端接在A、B两接线柱之间固定不动。通过光滑绝缘滑环可将重物吊起，不计敏感电阻丝重力，现完成下列操作步骤：步骤a.滑环下不吊重物时，闭合开关调节可变电阻R1使毫安表指针满偏；步骤b.滑环下吊上已知重力的重物G，测出电阻丝与竖直方向的夹角为θ；步骤c.保持可变电阻R1接入电路电阻不变，读出此时毫安表示数I；步骤d.换用不同已知重力的重物，挂在滑环上记录每一个重力值对应的电流值；步骤e：将电流表刻度盘改装为重力刻度盘。(1)试写出敏感电阻丝上的拉力F与重物重力G的关系式F＝________。(2)设RF图象斜率为k，试写出电流表示数I与待测重物重力G的表达式I＝____________________(用E、r、R1、Rg、R0、k、θ表示)。(3)若RF图象中R0＝100 Ω，k＝0.5 Ω/N，测得θ＝60°，毫安表指针半偏，则待测重物重力G＝________N。(4)关于改装后的重力刻度盘，下列说法正确的是________。A．重力零刻度线在电流表满刻度处，刻度线均匀B．重力零刻度线在电流表零刻度处，刻度线均匀C．重力零刻度线在电流表满刻度处，刻度线不均匀D．重力零刻度线在电流表零刻度处，刻度线不均匀(5)若电源电动势不变，内阻变大，其他条件不变，用这台“简易吊秤”称重前，进行了步骤a操作；则测量结果________(选填“偏大”“偏小”或“不变”)。[解析]　(1)对滑环受力分析，由平衡知识可知：2Fcos θ＝G，解得F＝eq \f(G,2cos θ)。(2)由图乙可知：R＝kF＋R0；由丙电路可知：I＝eq \f(E,r＋Rg＋R1＋R)＝eq \f(E,r＋Rg＋R1＋R0＋k\f(G,2cos θ))。(3)由已知条件可得10×10－3＝eq \f(3,r＋Rg＋R1＋R0)，解得R1＝149 Ω，将R0＝100 Ω，R1＝149 Ω，k＝0.5 Ω/N，θ＝60°，I＝eq \f(1,2)Ig＝5 mA，E＝3 V，内阻r＝1 Ω，Rg＝50 Ω代入I＝eq \f(E,r＋Rg＋R1＋R0＋k\f(G,2cos θ)) 可得G＝600 N。(4)当不挂重物时，电流计满偏，则重力零刻度线在电流表满刻度处，因G与I不是正比关系，则刻度线不均匀，故选C。(5)实验前进行了a操作，则Ig＝eq \f(E,r＋Rg＋R1＋R0)，则当挂重物G时：I＝eq \f(E,r＋Rg＋R1＋R)＝eq \f(E,\f(E,Ig)＋k\f(G,2cos θ))，则I不变，对实验的结果无影响，测量结果不变。[答案]　(1)eq \f(G,2cos θ)　(2)eq \f(E,r＋Rg＋R1＋R0＋k\f(G,2cos θ))(3)600　(4)C　(5)不变　利用传感器探究能量转换[典例5]　(2021·山西太原阶段性检测)某同学利用如图甲所示的装置研究磁铁下落过程中的重力势能与电能之间的相互转化。内阻r＝40 Ω的螺线管固定在铁架台上，线圈与电流传感器、电压传感器和滑动变阻器连接。滑动变阻器最大阻值为40 Ω，初始时滑片位于正中间20 Ω的位置。打开传感器，将质量m＝0.01 kg的磁铁置于螺线管正上方静止释放，磁铁上表面为N极。穿过螺线管后掉落到海绵垫上并静止(磁铁下落中受到的阻力远小于磁铁重力，不发生转动)，释放点到海绵垫高度差h＝0.25 m。计算机屏幕上显示出如图乙所示的UIt曲线，重力加速度g＝10 m/s2。计算结果均保留三位有效数字。如果有下列根号可取相应的近似值： eq \r(0.124 0)≈0.35；eq \r(0.000 31)≈0.017 5，g＝10 m/s2。(1)磁铁穿过螺线管过程中，螺线管产生的感应电动势最大值约为________ V。(2)图象中UI出现前后两个峰值，对比实验过程发现，这两个峰值是在磁铁刚进入螺线管内部和刚从内部出来时产生的，对这一现象相关说法正确的是________。A．线圈中的磁通量经历先增大后减小的过程 B．如果仅略减小h，两个峰值都会减小 C．如果仅略减小h，两个峰值可能会相等 D．如果仅移动滑片，增大滑动变阻器阻值，两个峰值都会增大 (3)在磁铁下降h＝0.25 m的过程中，可估算重力势能转化为电能的效率约是________。[解析]　(1)由UI-t曲线可知线圈的最大输出功率为P出＝0.006 2 W，①线圈输出功率表达式为P出＝I2R外，②根据闭合电路欧姆定律得E＝I(R内＋R外)，③联立①②③并将R内＝40 Ω，R外＝20 Ω代入得E＝1.05 V。(2)磁铁进入线框时，磁通量增大，当磁铁从线框出来时，磁通量减小，故A正确；当h减小时，磁铁进入线框的速度减小，导致线框中磁通量的变化率减小，因此两个峰值都会减小，且两个峰值不可能相等，故B正确，C错误；根据闭合电路欧姆定律可知，当外电阻等于内电阻时，电源的输出功率最大，本题中滑动变阻器的最大阻值与内阻相等，因此增大滑动变阻器阻值，两个峰值都会增大，故D正确。(3)下落过程减小的重力势能为：Ep＝mgh＝0.025 J；根据图象物理意义可知：图象与横轴围成面积大小等于下落过程中电源的输出电能E出＝2.15×10－4J，所以总能量为E＝eq \f(E出R外＋R内,R外)＝6.45×10－4 J，重力势能转化为电能的效率为η＝eq \f(E,Ep)×100%＝eq \f(6.45×10－4,0.025)×100%＝2.58%。[答案]　(1)1.05　(2)ABD(3)2.58%(2.53%～2.63%均可)照度(lx)0.20.40.60.81.01.2电阻(kΩ)754028232018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)其工作过程如图所示。拓展应用(1)压敏电阻：将压力转换为电学量(电阻)。(2)气敏电阻：将气体浓度转换为电学量(电阻)。(3)光电管：将所收到的光信号转换成电信号。(4)电容器：将位移、角度、压力转换为电学量(电容)。(5)霍尔元件：将磁感应强度转换为电学量(电压)。(6)弹簧：将弹力、加速度转换为电学量(电流)。方法突破(1)感受量分析：要明确传感器所感受的物理量，如力、热、光、磁、声等。(2)输出信号分析：明确传感器的敏感元件，分析它的输入信号及输出信号，以及输入信号与输出信号间的变化规律。(3)电路结构分析：认真分析传感器所在的电路结构，在熟悉常用电子元件工作特点的基础上，分析电路输出信号与输入信号间的规律。(4)执行机构工作分析：传感器的应用，不仅包含非电学量如何向电学量转化的过程，还包含根据所获得的信息控制执行机构进行工作的过程。t/℃30.040.050.060.070.080.0Rt/Ω199.5145.4108.181.862.949.1