最新高考物理一轮突破实验十六 利用传感器制作简单的自动控制装置

实验十六　利用传感器制作简单的自动控制装置　　　　　　
 

【实验过程】

1.研究热敏电阻的特性:

(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。

(5)画出热敏电阻的阻值随温度变化的图线。

(6)根据实验数据和R-t图线,分析得到热敏电阻的特性。

2.研究光敏电阻的光敏特性:

(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连接好电路,其中多用电表置于“×100 Ω”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。

(5)数据处理

根据记录的数据分析光敏电阻的特性。

【误差分析】

1.温度计读数带来的误差。

2.多用电表读数带来的误差。

3.热敏电阻水温不同所带来的误差。

4.作R-t图象所带来的误差。

【注意事项】

1.在研究热敏电阻的特性实验中,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。

2.研究光敏电阻的光敏特性实验中,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。

3.欧姆表每次换挡后都要重新进行欧姆调零。

教材原型实验

【典例1】小明同学通过实验探究某一金属电阻的阻值R随温度t的变化关系。已知该金属电阻在常温下的阻值约10 Ω,R随t的升高而增大。实验电路如图所示,控温箱用以调节金属电阻的温度。

实验时闭合S,先将开关S1与1端接触,调节金属电阻的温度,分别记下温度t1、t2……和电流表的相应示数I1、I2……。然后将开关S1与2端接触,调节电阻箱使电流表的示数再次为I1、I2……,分别记下电阻箱相应的示数R1、R2……。

(1)有以下两种电流表,实验电路中应选用　　　　　。  

A.量程0～100 mA,内阻约2 Ω

B.量程0～0.6 A,内阻可忽略

(2)实验过程中,要将电阻箱的阻值由9.9 Ω调节至10.0 Ω,需旋转图中电阻箱的旋钮“a”“b”“c”,正确的操作顺序是　　　　　　。  

①将旋钮a由“0”旋转至“1”

②将旋钮b由“9”旋转至“0”

③将旋钮c由“9”旋转至“0”

(3)实验记录的t和R的数据见表格:

请根据表中数据,在方格纸上作出R-t图线。

由图线求得R随t的变化关系为R=　　　　　Ω。  

创新型实验

类型一　不变目的变装置(温控电路)

【典例2】(2020·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2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3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2位有效数字)。 

类型二　不变目的变装置(光控电路)

【典例3】一台臭氧发生器P的电阻为10 kΩ,当供电电压等于24 V时能正常工作,否则不产生臭氧。现要用这种臭氧发生器制成自动消毒装置,要求它在有光照时能产生臭氧,在黑暗时不产生臭氧,拟用一个光敏电阻R1对它进行控制,R1的阻值在有光照时为100 Ω,黑暗时为1 000 Ω,允许通过的最大电流为3 mA;电源E的电压为36 V,内阻不计;另有一个滑动变阻器R2,阻值为0～100 Ω,允许通过的最大电流为0.4 A;一个开关S和导线若干。臭氧发生器P和光敏电阻R1的符号如图所示。

设计一个满足上述要求的电路图,图中各元件要标上字母代号,其中滑动变阻器两固定接线柱端分别标上字母A、B。(电路图画在虚线框内)

类型三　不变装置变目的(测质量)

【典例4】

传感器是把非电学量(如速度、温度、压力等)的变化转换成电学量的变化的一种元件,在自动控制中有着相当广泛的应用。有一种测量人的体重的电子秤,其测量部分的原理图如图中的虚线框所示,它主要由压力传感器R(电阻值会随所受压力大小发生变化的可变电阻)和显示体重大小的仪表(实质是理想电流表)组成。压力传感器表面能承受的最大压强为1×107 Pa,且已知压力传感器的电阻R与所受压力的关系如表所示。设踏板和压杆的质量可以忽略不计,接通电源后,压力传感器两端的电压恒为4.8 V,g取10 m/s2。请作答:

(1)该秤零点(即踏板空载时)的刻度线应标在电流表刻度盘　　　　　A处。 

(2)如果某人站在该秤踏板上,电流表刻度盘的示数为20 mA,这个人的质量是

　　　　　kg。 

答案解析

教材原型实验

【典例1】小明同学通过实验探究某一金属电阻的阻值R随温度t的变化关系。已知该金属电阻在常温下的阻值约10 Ω,R随t的升高而增大。实验电路如图所示,控温箱用以调节金属电阻的温度。

实验时闭合S,先将开关S1与1端接触,调节金属电阻的温度,分别记下温度t1、t2……和电流表的相应示数I1、I2……。然后将开关S1与2端接触,调节电阻箱使电流表的示数再次为I1、I2……,分别记下电阻箱相应的示数R1、R2……。

(1)有以下两种电流表,实验电路中应选用　　　　　。  

A.量程0～100 mA,内阻约2 Ω

B.量程0～0.6 A,内阻可忽略

(2)实验过程中,要将电阻箱的阻值由9.9 Ω调节至10.0 Ω,需旋转图中电阻箱的旋钮“a”“b”“c”,正确的操作顺序是　　　　　　。  

①将旋钮a由“0”旋转至“1”

②将旋钮b由“9”旋转至“0”

③将旋钮c由“9”旋转至“0”

(3)实验记录的t和R的数据见表格:

请根据表中数据,在方格纸上作出R-t图线。

由图线求得R随t的变化关系为R=　　　　　Ω。  

【解析】(1)由题干知常温下金属电阻阻值约为R=10 Ω,由实验电路知电路中最大电流约为I==150 mA,通过调节滑动变阻器可控制电路中的最大电流为100 mA,故选A电流表。

(2)实验过程中,为保护电路各元件,调节电阻箱阻值时应遵循从大到小的顺序。

(3)根据实验数据描点作图如图。

由图象结合数学知识写出图象的解析式为R=kt+R0

由图象得R0=8.8 Ω。k===0.04 Ω/℃。故图象解析式为R=0.04t+8.8 (Ω)。

答案:(1)A　(2)①②③(或①③②)　(3)见解析图　0.04t+8.8(0.04t+8.6～0.04t+9.0都算对)

创新型实验

类型一　不变目的变装置(温控电路)

【典例2】(2020·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2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3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2位有效数字)。 

【解析】

(1)由于毫安表的内阻比热敏电阻的阻值小不了很多,所以电流表采用外接法,滑动变阻器R(最大阻值为20 Ω)阻值较小,所以电路采用分压式,故电路图如图所示。

(2)由欧姆定律可得热敏电阻的阻值R==

=1.8×103 Ω=1.8 kΩ。

(3)由图(a)可知,热敏电阻的阻值为2.2 kΩ时,室温约为25.5 ℃。

(4)由图(a)可知,热敏电阻的阻值随温度的升高而减小,而图中要求输出电压达到或超过6.0 V时,报警器报警,根据串联电路中电压与电阻成正比,可知R1 应使用热敏电阻。当热敏电阻的温度为50 ℃时,热敏电阻R1的阻值为0.8 kΩ,所以=,解得另一固定电阻R2的阻值为1.2 kΩ。

答案:(1)见解析图　(2)1.8　(3)25.5　(4)R1　1.2

类型二　不变目的变装置(光控电路)

【典例3】一台臭氧发生器P的电阻为10 kΩ,当供电电压等于24 V时能正常工作,否则不产生臭氧。现要用这种臭氧发生器制成自动消毒装置,要求它在有光照时能产生臭氧,在黑暗时不产生臭氧,拟用一个光敏电阻R1对它进行控制,R1的阻值在有光照时为100 Ω,黑暗时为1 000 Ω,允许通过的最大电流为3 mA;电源E的电压为36 V,内阻不计;另有一个滑动变阻器R2,阻值为0～100 Ω,允许通过的最大电流为0.4 A;一个开关S和导线若干。臭氧发生器P和光敏电阻R1的符号如图所示。

设计一个满足上述要求的电路图,图中各元件要标上字母代号,其中滑动变阻器两固定接线柱端分别标上字母A、B。(电路图画在虚线框内)

【解析】为了能控制臭氧发生器,应该用滑动变阻器的分压式接法,有光照时P能正常工作,无光照时P不工作。电路图如图所示:

答案:见解析图

类型三　不变装置变目的(测质量)

【典例4】

传感器是把非电学量(如速度、温度、压力等)的变化转换成电学量的变化的一种元件,在自动控制中有着相当广泛的应用。有一种测量人的体重的电子秤,其测量部分的原理图如图中的虚线框所示,它主要由压力传感器R(电阻值会随所受压力大小发生变化的可变电阻)和显示体重大小的仪表(实质是理想电流表)组成。压力传感器表面能承受的最大压强为1×107 Pa,且已知压力传感器的电阻R与所受压力的关系如表所示。设踏板和压杆的质量可以忽略不计,接通电源后,压力传感器两端的电压恒为4.8 V,g取10 m/s2。请作答:

(1)该秤零点(即踏板空载时)的刻度线应标在电流表刻度盘　　　　　A处。 

(2)如果某人站在该秤踏板上,电流表刻度盘的示数为20 mA,这个人的质量是

　　　　　kg。 

【解析】(1)由题表格知,踏板空载时,压力传感器的电阻R=300 Ω,此时电流表中电流I== A=1.6×10-2 A。

(2)当电流I'=20 mA=2×10-2 A时,压力传感器的电阻R'== Ω=240 Ω,由表格可知,这个人受到的重力为500 N,此人质量为50 kg。