2024高考物理大一轮复习题库 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

五种敏感元件的作用和特点

实验1　门窗防盗报警装置

(1)电路如图1所示。

图1

(2)实验操作

①连接电路前，要先判断干簧管是否正常工作。用磁体直接靠近干簧管，观察簧片的动作。

②连接电路，接通电源后，将磁体靠近和离开干簧管，观察实验现象。

实验2　光控开关

(1)电路如图2所示。

图2

(2)实验操作

①按照图所示连接电路，检查无误后，接通电源。

②让光敏电阻RG受到白天较强的自然光照射，调节电阻R1使发光二极管LED或小灯泡L刚好不发光。

③遮挡RG，当光照减弱到某种程度时，就会看到发光二极管LED或小灯泡L发光。

④让光照加强，当光照强到某种程度时，则发光二极管LED或小灯泡L熄灭。

(3)注意事项

①安装前，对实验器材进行测试，确保各元件性能良好后，再进行安装。

②光控开关实验中，二极管连入电路的极性不能反接。

③如果实验现象不明显，可用手电筒加强光照，或遮盖光敏电阻，再进行观察。

命题点一　光电传感器的应用

【例1 (2021·辽宁适应性测试)某同学为定性探究光敏电阻阻值随光照强度变化的关系，设计了如图3(a)所示的电路。所用器材有：置于暗箱(图中虚线区域)中的光敏电阻RG、小灯泡和刻度尺；阻值为R的定值电阻；理想电压表；电动势为E、内阻为r的电源；开关S；导线若干。

实验时，先按图(a)连接好电路，然后改变暗箱中光源到光敏电阻的距离d，记录电压表的示数U，获得多组数据如下表。

回答下列问题：

(1)光敏电阻阻值RG与电压表示数U的关系式为RG＝__________(用E、r、R、U表示)；

(2)在图(b)的坐标纸上补齐数据表中所给的第二组数据点，并作出U－d的非线性曲线；

(3)依据实验结果可推断：光敏电阻的阻值随着光照强度的减小而________(填“增大”或“减小”)；

(4)该同学注意到智能手机有自动调节屏幕亮度的功能，光照强度大时屏幕变亮，反之变暗。他设想利用光敏电阻的特性，实现“有光照射光敏电阻时，小灯泡变亮，反之变暗”的功能，设计了如图(c)所示电路，则电路中________(填“R1”或“R2”)为光敏电阻，另一个为定值电阻。

图3

答案　(1)R－R－r　(2)见解析图  (3)增大　(4)R2

解析　(1)由闭合电路欧姆定律得

E＝(R＋r＋RG)

故RG＝R－R－r。

(2)作出第二组数据点，用平滑的曲线连起来。

(3)由题知，当d增大，光照强度减小，U减小，由RG＝R－R－r可得RG增大。

(4)若R1为光敏电阻，因为光照强度变大，R1电阻减小，由“串反并同”可知灯泡变暗；若R2为光敏电阻，光照强度变大，R2电阻减小，通过灯泡的电流增大，灯泡变亮，故R2为光敏电阻。

命题点二　温度传感器的应用

【真题示例2 (2021·广东卷，12)某小组研究热敏电阻阻值随温度的变化规律。根据实验需要已选用了规格和量程合适的器材。

(1)先用多用电表预判热敏电阻阻值随温度的变化趋势。选择适当倍率的欧姆挡，将两表笔________，调节欧姆调零旋钮，使指针指向右边“0 Ω”处。测量时观察到热敏电阻温度越高，相同倍率下多用电表指针向右偏转角度越大，由此可判断热敏电阻阻值随温度的升高而________。

(2)再按图4所示连接好电路进行测量。

图4

①闭合开关S前，将滑动变阻器R1的滑片滑到________端(填“a”或“b”)。

将温控室的温度设置为T，电阻箱R0调为某一阻值R01。闭合开关S，调节滑动变阻器R1，使电压表和电流表的指针偏转到某一位置。记录此时电压表和电流表的示数、T和R01。断开开关S。

再将电压表与热敏电阻C端间的导线改接到D端，闭合开关S。反复调节R0和R1，使电压表和电流表的示数与上述记录的示数相同。记录此时电阻箱的阻值R02。断开开关S。

②实验中记录的阻值R01________R02(填“大于”“小于”或“等于”)。此时热敏电阻阻值RT＝________。

(3)改变温控室的温度，测量不同温度时的热敏电阻阻值，可以得到热敏电阻阻值随温度的变化规律。

答案　(1)短接　减小　(2)①b　②大于　R01－R02

解析　(1)使用多用电表的欧姆挡前应先欧姆调零，即将两表笔短接。温度越高，相同倍率下多用电表的指针向右偏转的角度越大，则电阻阻值越小，故热敏电阻的阻值随温度的升高而减小。

(2)①闭合开关前，为了保护电路，应该将滑动变阻器的滑片移到b端。②将电压表与热敏电阻C端间的导线改接到D，调节滑动变阻器和电阻箱，使电压表和电流表的示数与改接前一致，则R01＝R02＋RT，所以R01＞R02，RT＝R01－R02。

命题点三　应用传感器的自动控制电路

【例3 (2021·辽宁丹东市一模)某同学用热敏电阻制作了一个简易自动报警器，热敏电阻的阻值R随温度t变化的图像如图5甲所示，简易自动报警器的电路图如图丙所示，请回答以下问题：

(1)用多用电表欧姆挡测继电器线圈ed(图乙所示)的电阻时，将选择开关旋至“×100”位置，欧姆调零，测线圈ed电阻发现指针偏转角度过大，则应把选择开关旋至________(填“×10”或“×1 k”)进行测量，经正确操作，多用表示数如图丁所示，则所测继电器的阻值为________ Ω；

丙

丁

图5

(2)为使温度在达到报警温度时，简易报警器响起，单刀双掷开关c应该接________(选填“a”或“b”)；

(3)流过继电器线圈ed的电流I0＝10 mA时才会报警，若直流电源电动势E1为

18 V(内阻不计)，欲实现温度达到或超过60 ℃报警器响起，则滑动变阻器规格应该选择________。

A．0～200 Ω　B．0～500 Ω　C．0～1 500 Ω

答案　(1)×10　220　(2)a　(3)C

解析　(1)测电阻时指针偏转过大，则读数太小误差较大，需要选择小量程让读数变大点才能减小误差，所以应把选择开关旋至×10挡进行测量。所测继电器的阻值为：表盘刻度读数×倍率＝22×10 Ω＝220 Ω。

(2)由于温度升高热敏电阻阻值减小，通过继电器的电流增大，其产生的磁场磁感应强度增大，把铁片向左吸引，所以要让报警器响起，则单刀双掷开关c应该接a。

(3)流过继电器线圈ed的电流I0＝10 mA时才会报警，若直流电源电动势E1为

18 V，则回路的总电阻的最小阻值为Rmin＝＝ Ω＝1.8×103 Ω，所以滑动变阻器规格应该选择C。

【针对训练】 (2021·北京西城区5月统测)为了节能和环保，一些公共场所用光敏电阻制作光控开关来控制照明系统，如图6为电路原理图。图中，直流电源电动势为3 V，内阻可不计，R为可变电阻，RG为光敏电阻，其在不同照度下的阻值如下表(照度是描述光的强弱的物理量，光越强照度越大，lx是它的单位)。若控制开关两端电压升至2 V时将自动开启照明系统，则以下说法正确的是(　　)

图6

A. 若将R接入电路的阻值调整为20 kΩ, 则当照度降低到1.0 lx时启动照明系统

B．若要使照明系统在照度降低到0.8 lx时启动，则要将R接入电路的阻值调整为46 kΩ

C．R接入电路的阻值不变时，照度越大，控制开关两端的电压越大

D．若要在光照更暗时启动照明系统，应将R接入电路的阻值调大

答案　D

解析　将R接入电路的阻值调整为20 kΩ, 则当照度降低到1.0 lx时RG为20 kΩ，此时控制开关两端电压升为总电压一半1.5 V，还未启动照明系统，故A错误；使照明系统在照度降低到0.8 lx时启动，根据串联电路特点，将R接入电路的阻值调整为＝，解得R＝11.5 kΩ，故B错误；R接入电路的阻值不变时，照度越大，光敏电阻阻值变小，分压变小，故C错误；若要在光照更暗，光敏电阻更大时启动照明系统，根据串联电路特点可知，应将R接入电路的阻值调大，故D正确。

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的电动势为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；还有一个开关S和导线若干。臭氧发生器P和光敏电阻R1的符号如图7所示。

图7

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)。

答案　如图所示

解析　因滑动变阻器最大阻值100 Ω远小于臭氧发生器P的电阻10 kΩ，应该采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。

2．(2021·湖北选择考模拟)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4 000 Ω)；

电阻箱R2(最大阻值9 999.9 Ω)；

单刀单掷开关S1；

单刀双掷开关S2；

导线若干。

(1)用图8a所示电路测量热敏电阻RT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。

c

图8

答案　(1)600　偏大　负　(2)R1　600　3 000

解析　(1)温度为50 ℃时，由图b可知，电流表示数为50 mA，根据欧姆定律可得，热敏电阻的阻值RT＝＝ Ω＝600 Ω；由于电流表内接，导致测量值比真实值略微偏大；根据欧姆定律可知，在温度为27 ℃时，热敏电阻的阻值为2 000Ω，说明该热敏电阻为负温度系数热敏电阻。

(2)由图c可知，滑动变阻器R1接入电路用了上边两个接线柱，无法起到变阻器的作用；为了保证在50 ℃时报警器刚好能够报警，设置电阻箱R2的阻值为600 Ω；报警时的总电阻为R总＝＝ Ω＝3 600 Ω，此时滑动变阻器连入电路的阻值为R1＝3 600 Ω－600 Ω＝3 000 Ω。