2021届山东新高考物理一轮复习讲义：第11章实验16　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

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．了解传感器在自动控制装置应用。

二、实验探究

(一)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；

甲

(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。

(二)研究光敏电阻的光敏特性

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；

乙

(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。

用光传感器设计控制电路

1．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。

甲

乙

(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

2．(2018·全国卷Ⅰ)某实验小组利用如图(a)所示的电路探究在25 ℃～80 ℃范围内某热敏电阻的温度特性。所用器材有：置于温控室(图中虚线区域)中的热敏电阻RT，其标称值(25 ℃时的阻值)为900.0 Ω；电源E(6 V，内阻可忽略)；电压表(量程150 mV)；定值电阻R0(阻值20.0 Ω)，滑动变阻器R1(最大阻值为1 000 Ω)；电阻箱R2(阻值范围0～999.9 Ω)；单刀开关S1，单刀双掷开关S2。

(a)

实验时，先按图(a)连接好电路，再将温控室的温度t升至80.0 ℃。将S2与1端接通，闭合S1，调节R1的滑片位置，使电压表读数为某一值U0；保持R1的滑片位置不变，将R2置于最大值，将S2与2端接通，调节R2，使电压表读数仍为U0；断开S1，记下此时R2的读数。逐步降低温控室的温度t，得到相应温度下R2的阻值，直至温度降到25.0 ℃，实验得到的R2­t数据见下表。

回答下列问题：

(1)在闭合S1前，图(a)中R1的滑片应移动到        (选填“a”或“b”)端。

(2)在图(b)的坐标纸上补齐数据表中所给数据点，并作出R2­t曲线。

　　　(b)　　　　　　　　　　(c)

(3)由图(b)可得到RT在25 ℃～80 ℃范围内的温度特性。当t＝44.0 ℃时，可得RT＝         Ω。

(4)将RT握于手心，手心温度下R2的相应读数如图(c)所示，该读数为         Ω，则手心温度为         ℃。

[解析](1)由图(a)的电路知滑动变阻器采用限流式接法，在闭合S1前，R1应该调节到接入电路部分的电阻值最大，使电路中电流最小，即图(a)中的R1的滑片应移到b端。

(2)将t＝60 ℃和t＝70 ℃对应的两组数据对应画在坐标图上，然后用平滑曲线过尽可能多的数据点画出R2­t图象。

(3)根据题述实验过程可知，测量的R2数据等于对应的热敏电阻RT的电阻值。由画出的R2­t图象可知，当t＝44.0 ℃时，对应的RT＝450 Ω。

(4)由图(c)可得RT＝620.0 Ω，由画出的R2­t图象可知，手心温度t＝33.0 ℃。

[答案](1)b　(2)如图所示

(3)450　(4)620.0　33.0

用温度传感器设计控制电路

1.一台臭氧发生器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

2．(2016·全国卷Ⅰ)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1 000 Ω)，滑动变阻器R2(最大阻值为2 000 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        (选填“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        (选填“a”或“b”)端附近，不能置于另一端的原因是                                                      

                                                    。

②将开关向        (选填“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。

(2)报警器开始报警时，对整个回路有

U＝IC(R滑＋R热)

代入数据可得R滑＝1 150.0 Ω，因此滑动变阻器应选择R2。

(3)①在调节过程中，电阻箱起到等效替代热敏电阻的作用，电阻箱的阻值应为报警器报警时热敏电阻的阻值，即为650.0 Ω。滑动变阻器在电路中为限流接法，滑片应置于b端附近，若置于另一端a时，闭合开关，则电路中的电流I＝A≈27.7 mA，超过报警器最大电流20 mA，报警器可能损坏。②开关应先向c端闭合，移动滑动变阻器的滑片，直至报警器开始报警为止。

[答案](1)图见解析　(2)R2　(3)①650.0　b　接通电源后，流过报警器的电流会超过20 mA，报警器可能损坏　②c　报警器开始报警

实验拓展应用

1．(多选)如图电容式触摸屏的构造主要是在玻璃屏幕上镀一层透明的薄膜导体层，再在导体层外加上一块保护玻璃，电容式触摸屏在触摸屏四边均镀上狭长的电极，在导体层内形成一个低电压交流电场，在触摸屏幕时，由于人体是导体，手指与内部导体层间会形成一个特殊电容(耦合电容)，四边电极发出的电流会流向触点，而电流强弱与手指到电极的距离成正比，位于触摸屏后的控制器便会计算电流的比例及强弱，准确算出触摸点的位置。由以上信息可知，下列说法中正确的是(　　)

A．电容式触摸屏的两极板分别是导体层和手指

B．当用手触摸屏幕时，手指与屏的接触面积越大，电容越大

C．当用手触摸屏幕时，手指与屏的接触面积越大，电容越小

D．当用手触摸屏幕时，手指和屏的接触面积的大小影响电容的大小

ABD　[电容式触摸屏在原理上把人的手指当作一个电容器元件的一个极板，把导体层当作另一极板，故选项A正确；手指和屏的接触面积大小会影响到电容大小，接触面积越大，即两极板的正对面积越大，电容越大，故选项B、D正确，C错误。]

2．某种角速度计，其结构如图所示。当整个装置绕轴OO′转动时，元件A相对于转轴发生位移并通过滑动变阻器输出电压，电压传感器(传感器内阻无限大)接收相应的电压信号。已知A的质量为m，弹簧的劲度系数为k、自然长度为l，电源的电动势为E、内阻不计。滑动变阻器总长也为l，电阻分布均匀 ，装置静止时滑片P在变阻器的最左端B端，当系统以角速度ω转动时，则(　　)

A．电路中电流随角速度的增大而增大

B．电路中电流随角速度的增大而减小

C．弹簧的伸长量为x＝

D．输出电压U与ω的函数式为U＝

D　[系统在水平面内以角速度ω转动时，无论角速度增大还是减小，BC的总电阻不变，根据闭合电路欧姆定律得知，电路中的电流保持不变，故A、B错误；设系统在水平面内以角速度ω转动时，弹簧伸长的长度为x，则对元件A，根据牛顿第二定律得kx＝mω2(l＋x)，又输出电压U＝E＝E，联立两式得x＝，U＝，故C错误，D正确。]

3.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。

[答案](1)1.6×10－2　(2)50

4．(2019·河南郑州模拟)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0～1 000 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，实验电路如图甲所示，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图象，由图象可求出电源自身内阻约为         Ω。

甲　　　　　　　　乙

(4)若将上述小灯泡直接与电源和保护电阻组成串联电路，如图乙所示，此时小灯泡消耗的电功率约为        W。

[解析](1)要完整地描绘灯泡的U­I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，电流表应用外接法，电路图如图所示。

(2)由图示U­I图象可知，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)根据表中数据作出等效电源U­I图象如图所示，由图示图象可知，电源自身内阻r＝－R0＝ Ω－9 Ω＝1 Ω。

(4)由图示图象可知，灯泡两端电压为2.1 V，电流为0.39 A，灯泡的电功率为P＝UI＝2.1×0.39 W≈0.82 W。

[答案]　见解析