2024年高考物理第一轮复习：创新实验课(15)　利用传感器制作简单的自动控制装置课件PPT

这是一份2024年高考物理第一轮复习：创新实验课(15)　利用传感器制作简单的自动控制装置课件PPT，共40页。PPT课件主要包含了实验基础知识，命题点一，温度传感器，命题点二，光电传感器，命题点三，创新拓展实验等内容，欢迎下载使用。
一、实验基本技能1．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．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．4．实验步骤(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)．
②准备好记录电阻与温度关系的表格．(如下表)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R­T图中，得图像如图乙所示．
(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．用手掌(或黑纸)遮光时电阻值又是多少，并记录．
④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．结论：光敏电阻的阻值在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．
二、规律方法总结1．误差分析(1)温度计读数带来误差．(2)多用电表读数带来误差．(3)做R­T图像时的不规范易造成误差．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．
由半导体材料制成的热敏电阻阻值是温度的函数．基于热敏电阻对温度敏感原理制作一个火灾报警系统，要求热敏电阻温度升高至50 ℃时，系统开始自动报警．所用器材有：直流电源E(36 V，内阻不计)；电流表(量程250 mA，内阻约0.1 Ω)；电压表(量程50 V，内阻约1 MΩ)；热敏电阻RT；报警器(内阻很小，流过的电流超过10 mA时就会报警，超过30 mA时就会损伤)；滑动变阻器R1(最大阻值4000 Ω)；电阻箱R2(最大阻值9999.9 Ω)；单刀单掷开关S1；单刀双掷开关S2；导线若干．
(1)用图(a)所示电路测量热敏电阻R1的阻值，当温度为27 ℃时，电压表读数为30.0 V，电流表读数为15.0 mA；当温度为50 ℃时，调节R1，使电压表读数仍为30.0 V，电流表指针位置如图(b)所示．温度为50 ℃时，热敏电阻的阻值为________Ω，从实验原理上看，该方法测得的阻值比真实值略微________(填“偏大”或“偏小”)．如果热敏电阻阻值随温度升高而变大，则其为正温度系数热敏电阻，反之为负温度系数热敏电阻．基于以上实验数据可知，该热敏电阻RT为________(填“正”或“负”)温度系数热敏电阻．
(2)某同学搭建一套基于该热敏电阻的火灾报警系统，实物图连线如图(c)所示，其中有一个器件的导线连接有误，该器件为________________(填器件名称)．正确连接后，先使用电阻箱R2进行调试，其阻值设置为________Ω，滑动变阻器R1阻值从最大逐渐减小，直至报警器开始报警，此时滑动变阻器R1连入电路的阻值为________Ω.调试完毕后，再利用单刀双掷开关S2的选择性开关功能，把热敏电阻RT接入电路，可方便实现调试系统和工作系统的切换．
答案：(1)600　偏大　负(2)滑动变阻器R1　600　3000
[对点演练]1．利用负温度系数热敏电阻制作的热传感器，一般体积很小，可以用来测量很小范围内的温度变化，反应快，而且精确度高．(1)如果将负温度系数热敏电阻与电源、电流表和其他元件串联成一个电路，其他因素不变，只要热敏电阻所处区域的温度降低，电路中电流将变________(填“大”或“小”)．(2)上述电路中，我们将电流表中的电流刻度换成相应的温度刻度，就能直接显示出热敏电阻附近的温度．如果刻度盘正中的温度为20 ℃(如图甲所示)，则25 ℃的刻度应在20 ℃的刻度的________(填“左”或“右”)侧．(3)为了将热敏电阻放置在某蔬菜大棚内检测大棚内温度变化，请用图乙中的器材(可增加元器件)设计一个电路．(请在图乙中作图)
解析：(1)因为负温度系数热敏电阻温度降低时，电阻增大，故电路中电流变小．(2)由(1)的分析知，温度越高，负温度系数热敏电阻的阻值越小，电路中电流越大，25 ℃的刻度应对应较大电流，故在20 ℃的刻度的右侧．(3)电路如图所示．答案：(1)小　(2)右　(3)见解析图
小明同学为了测定某太阳能硅光电池组的电动势和内阻，设计了如图所示的电路，在一定光照条件下进行实验．
(1)请根据图1完成图2中实物的连线．(2)将测量出来的数据记录在下表中，其中第4组数据的电压如图3所示，则此时电压为________V.
(3)将这些数据在图4中描点，第4组数据还未描出．a．请在图4中描出第4组数据的点，作出该硅光电池组的U­I图像．b．由U­I图像知，该硅光电池组的电动势E＝________V，电池组的内阻随其输出电流的变化而改变，在电流为80μA时，该电池组的内阻r＝________kΩ(保留三位有效数字)．
解析：(1)根据题图1连接实物电路图，实物电路图如图甲所示．甲(2)由题表中实验数据可知电压表最大测量值为1.77 V，则电压表量程为3 V，由题图3所示电压表可知，其分度值为0.1 V，示数为1.65 V.
[对点演练]2．电控调光玻璃能根据光照强度自动调节玻璃的透明度，将光敏电阻Rx和定值电阻R0接在9 V的电源上，电源内阻不计，光敏电阻阻值随光强变化关系如表所示：
[“光强”是表示光强弱程度的物理量，符号为E，单位坎德拉(cd)](1)当光照强度为4坎德拉(cd)时光敏电阻Rx的大小为________Ω.(2)其原理是光照增强，光敏电阻Rx阻值变小，施加于玻璃两端的电压降低，玻璃透明度下降，反之则玻璃透明度上升．若电源电压不变，R0是定值电阻，则下列电路图中符合要求的是________(填序号)．
(3)现已知定值电阻R0为12 Ω，用电压表测得光敏电阻两端的电压为3 V，则此时光照强度为________．
在实际应用中有多种自动控温装置．
(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．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________．(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/℃.
①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________℃；②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________．(填选项前的字母序号)A．20 ℃～24 ℃　　　B．32 ℃～36 ℃C．48 ℃～52 ℃ D．60 ℃～64 ℃
由图可知，当温度为72 ℃左右时，发热功率和散热功率相等，即此时物体的温度不再变化．②发热和散热功率差值越大，升温越快，故选B.答案：(1)25　Rt＞3 kΩ(2)①70～72均可　②B
[对点演练]3．(实验原理的创新)现要组装一个由热敏电阻控制的报警系统，要求当热敏电阻的温度达到或超过60 ℃时，系统报警．提供的器材有：热敏电阻，报警器(内阻很小，流过的电流超过Ic时就会报警)，电阻箱(最大阻值为999.9 Ω)，直流电源(输出电压为U，内阻不计)，滑动变阻器R1(最大阻值为1000 Ω)，滑动变阻器R2(最大阻值为2000 Ω)，单刀双掷开关一个，导线若干．在室温下对系统进行调节．已知U约为18 V，Ic约为10 mA；流过报警器的电流超过20 mA时，报警器可能损坏；该热敏电阻的阻值随温度升高而减小，在60 ℃时阻值为650.0 Ω.(1)完成待调节的报警系统原理电路图的连线．
(2)电路中应选用滑动变阻器________(填“R1”或“R2”)．(3)按照下列步骤调节此报警系统：①电路接通前，需将电阻箱调到一固定的阻值，根据实验要求，这一阻值为________Ω；滑动变阻器的滑片应置于________(填“a”或“b”)端附近，不能置于另一端的原因是_______ ____________________.②将开关向________(填“c”或“d”)端闭合，缓慢移动滑动变阻器的滑片，直至_________．(4)保持滑动变阻器滑片的位置不变，将开关向另一端闭合，报警系统即可正常使用．
解析：(1)电路图连接如图所示．
4．(实验器材的创新)实验室备有以下器材：电压传感器、电流传感器、滑动变阻器R1(阻值变化范围0～20 Ω)、滑动变阻器R2(阻值变化范围0～1000 Ω)、电动势适当的电源、小灯泡(4 V　2 W)、开关、导线若干．(1)要完整地描绘小灯泡的U­I曲线，请在方框中画出实验电路图，并标出所用滑动变阻器的符号．
(2)实验中描绘出的小灯泡U­I曲线如图甲所示，由图可知，小灯泡灯丝电阻随温度升高而________(选填“增大”“减小”或“不变”)．(3)如果用上述器材测量所给电源的电动势和内电阻，实验电路如图乙所示，图中R0是阻值为9.0 Ω的保护电阻，实验中测得多组数据记录在下表中，试在同一坐标系中画出等效电源的U­I图像，由图像可求出电源自身内阻约为________Ω.
(4)若将上述小灯泡直接与电源和保护电阻组成串联电路，如图丙所示，此时小灯泡消耗的电功率约为________W．__________(保留两位有效数字)
解析： (1)描绘小灯泡的伏安特性曲线，电压与电流应从零开始变化，滑动变压器要采用分压接法，由于灯泡的阻值较小，电流传感器应用外接法，电路图如图1所示．
(2)由题图所示U­I图线可知，随电压和电流的增大，灯泡实际功率增大，灯丝温度升高，电压与电流的比值增大，由此可知，灯泡灯丝电阻随温度升高而增大．(3)根据表中数据做出电源U­I图线如图2所示，由图示图线可知，电源内阻r＝－R0＝ Ω－9 Ω＝1 Ω.(4)由图2可知，小灯泡两端电压为2.2 V，电流为0.38 A，则小灯泡的电功率为P＝UI＝2.2×0.38 W≈0.84 W.答案：(1)见解析图1　(2)增大　(3)见解析图2　1　(4)0.84