第13章　交变电流　传感器 第4讲　实验 利用传感器制作简单的自动控制装置-【人教版】2025新教材高考物理一轮基础练习

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1.(2023浙江杭州模拟)在“利用传感器制作简单的自动控制”实验中,简单的门窗磁控防盗报警装置示意图如图甲所示。门的上沿嵌入一小块永磁体M,门框内与M相对的位置嵌入干簧管SA,并将干簧管接入报警电路。

(1)如图乙所示,干簧管SA作为传感器,用于感知磁体磁场是否存在,继电器(虚线方框部分)作为执行装置,发光二极管LED作为电路正常工作提示,蜂鸣器H作为报警提醒。电路中P点应接直流电源的 (选填“正极”或“负极”)。
(2)连接好电路,闭合开关S,接通电源,将磁体M靠近和离开干簧管,分别观察并记录实验现象。
2.(2024四川模拟)(1)一光敏电阻(图乙中RL)的阻值随照度变化的图像如图甲所示,由图像可知,该光敏电阻的阻值随照度的增加做 (选填“线性”或“非线性”)变化。
(2)某同学利用该光敏电阻设计了图乙所示光控电路控制三盏路灯,图中交流电源电压为220 V,三盏路灯规格相同,均为“110 V 110 W”。他进行了如下操作:
①闭合干路开关,将双掷开关置于b处,将R2调至1 200 Ω。
②滑动R1的滑片,使三盏路灯正常发光。
③将双掷开关置于a处。
则当照度低到1.0 lx(lx为照度的单位)时,路灯会正常发光。若有“50 Ω 5 A”及“5 kΩ 1 A”两个滑动变阻器可供选择,则图中R1应选择 规格。安装该电路时,光敏电阻RL应 (选填“远离”或“靠近”)路灯。
(3)图乙所示光控电路的缺点较多,从节能和实际操作的角度分析均有不足,通过你的观察,请指出一种不足: (写出一条即可)。
3.某同学利用热敏电阻自制了一个简易温度计,其内部电路装置如图甲所示,使用的器材有:直流电源(E=4.5 V,内阻不计)、毫安表(量程未知)、电阻箱R(最大阻值为999.9 Ω)、热敏电阻一个、开关S1和S2、导线若干。
(1)为了确定毫安表的量程和内阻,先把电阻箱的阻值调到最大,然后将开关S2接至a端,闭合开关S1,逐渐调节电阻箱的阻值,发现当毫安表指针刚好偏转至满偏刻度的12处,电阻箱的示数如图乙所示,此时电阻箱的阻值R= Ω。将电阻箱的阻值调为540.0 Ω时,毫安表指针刚好偏转至满偏刻度的34处,由此知毫安表的满偏电流Ig= mA,内阻Rg= Ω。(后两问计算结果均保留两位有效数字)
(2)将开关S2接至b端,闭合开关S1,该温度计可开始工作,为了得到摄氏温度与电流之间的关系,该同学通过查阅资料,发现自己使用的热敏电阻为负温度系数热敏电阻,其阻值在测量范围(包括0 ℃)内随摄氏温度的降低而线性增加,比例系数为k(k<0),已知该电阻在0 ℃时的阻值为R0,则该简易温度计所测摄氏温度t与电流I之间满足t= (用E、k、R0、Rg、I表示)。
4.(2023广东广州模拟)热敏电阻的阻值随温度变化的图像如图甲所示,用此热敏电阻和继电器组成的一简易温控开关如图乙所示,继电器的电阻为60 Ω。当继电器电流超过10 mA时,衔铁吸合,加热器停止加热,实现温控。为继电器线圈供电的电池E的内阻不计。图中的“电源”是恒温箱加热器的电源。
甲
乙
(1)提供以下实验器材:电源E1(3 V),电源E2(6 V),滑动变阻器R1(0~20 Ω),滑动变阻器R2(0~220 Ω),为使该装置实现对20~60 ℃之间任意温度的控制,电源应选 (选填“E1”或“E2”);滑动变阻器应选 (选填“R1”或“R2”)。
(2)为了实现恒温箱系统保持温度为40 ℃,实验时进行了以下操作:
①断开开关,滑动变阻器调节至 (选填“最大”或“最小”),需将电阻箱调到一固定的阻值 Ω;
②将单刀双掷开关向c端闭合;
③缓慢调节滑动变阻器的阻值观察到继电器的衔铁恰好被吸合;
④保持滑动变阻器的位置不变,将单刀双掷开关向另一端闭合,恒温箱系统正常工作;
(3)若恒温箱系统要保持温度为40 ℃,则需把滑动变阻器调节到 Ω;若恒温箱系统要保持温度为35 ℃,则滑动变阻器正常工作时须向 (选填“左”或“右”)移动滑片。
5.(2024陕西高三校联考开学考试)某同学根据所学知识制作了一台简易电子秤,原理图如图甲所示,图中电压表可视为理想电压表(量程为0~3 V),滑动变阻器的最大阻值为R=12 Ω,该同学用刻度尺测得滑动变阻器有电阻丝缠绕的ab部分的长度为L=20 cm(电阻丝缠绕均匀)。
(1)该同学先利用如图乙所示电路测定电子秤里两节纽扣电池(如图丙所示)的电动势和内阻,根据多次测量得到的数据作出的U'-I图像如图丁所示,可知这两节纽扣电池串联后的电动势为E= V,内阻为r= Ω;
(2)该同学想得到电压表的示数U与被测物体质量m之间的关系,设计了如下实验:
①调节图甲中滑动变阻器的滑片的位置,使电压表的示数恰好为零;
②在托盘里缓慢加入细砂,直到滑动变阻器的滑片恰好滑到b端,然后调节电阻箱R0,直到电压表达到满偏,实验过程中弹簧一直处于弹性限度内,则此时电阻箱的读数为R0= Ω;
③已知所用的弹簧的劲度系数为k=2.0×102 N/m,重力加速度g取10 m/s2,则该电子秤所能称量的最大质量为m= kg(结果保留两位有效数字);
(3)实验过程所称量物体的质量和电压表的示数U的关系为 (选填“线性”或“非线性”)。
参考答案
第4讲 实验:利用传感器制作简单的自动控制装置
1.答案 (1)正极 (2)二极管发光 蜂鸣器发声
解析 (1)由于二极管具有单向导电性,故电路中P点应接直流电源的正极。
(2)磁体M靠近干簧管,干簧管两片簧片被磁化相吸,继电器的动触点与常开触点接通,发光二极管发光;磁体M离开干簧管,干簧管断开,继电器的动触点与常闭触点接通,蜂鸣器发声。
2.答案 (1)非线性 (2)“50 Ω 5 A” 远离 (3)见解析
解析 (1)由图甲可知,该光敏电阻的阻值随照度的增加而非均匀减小,即做非线性变化。
(2)路灯正常发光时,流经路灯的电流为I=PU=110110 A=1 A,则电路正常工作时干路电流大于3 A,又因为电路正常工作时,R1两端电压为110 V,则R1的接入电阻R1<110V3 A≈37 Ω,故选“50 Ω
5 A”的滑动变阻器方便调节;光敏电阻靠近路灯,容易受到路灯灯光的影响,导致照度增大而使路灯停止工作,停止工作后照度减小,路灯又开始工作,使得路灯时亮时暗,不能达到使用要求。所以安装该电路时,光敏电阻RL应远离路灯。
(3)如果干路开关常闭,则白天黑夜均消耗电能,如果利用人工在白天断开干路开关,又无法真正实现自动控制。
3.答案 (1)840.0 10 60 (2)EkI−R0+Rgk
解析 (1)电阻箱的阻值R=8×100 Ω+4×10 Ω+0×1 Ω+0×0.1 Ω=840.0 Ω;由闭合电路欧姆定律可得E=12Ig(Rg+840.0 Ω),E=34Ig(Rg+540.0 Ω),解得Ig=10 mA,Rg=60 Ω。
(2)热敏电阻的阻值Rt=R0+kt,由闭合电路欧姆定律可得I=ERg+R0+kt,解得t=EkI−R0+Rgk。
4.答案 (1)E1 R2
(2)最大 60
(3)180 左
解析 (1)为使该装置实现对20~60 ℃之间任意温度的控制,滑动变阻器的最大阻值必定大于热敏电阻的电阻变化,故R>110 Ω,滑动变阻器选用R2;又有继电器电阻r=60 Ω,电路中的电流I=Er+Rt+R,计算可知,若选用E2=6 V的电源,电路中的最小电流仍大于10 mA,无法实现温控功能,而E1=3 V的电源可以满足实验要求,故选用电源E1。
(2)将滑动变阻器调节至最大,起保护作用,由图甲可知40 ℃时热敏电阻对应阻值为60 Ω,因此需将电阻箱阻值调到60 Ω。
(3)当恒温箱内的温度保持40 ℃,应调节滑动变阻器R的阻值,使电流达到10 mA,由闭合电路欧姆定律得I=Er+Rt+R,即R=EI-r-Rt=180 Ω,即滑动变阻器R的阻值应调节为180 Ω;恒温箱系统要保持温度为35 ℃,热敏电阻阻值变大,滑动变阻器R的阻值须变小,即向左移动滑片。
5.答案 (1)4.0 0.5 (2)3.5 4.0 (3)线性
解析 (1)对图乙所示电路,根据闭合电路欧姆定律可得E=U'+Ir,即U'=E-Ir,U'-I图像与纵轴交点的纵坐标等于两节纽扣电池串联后的电动势,图像斜率的绝对值等于电池的内阻,由题图丁可知电动势为E=4.0 V,内阻为r=2.0-4.04.0 Ω=0.5 Ω。
(2)电压表达到满偏时滑动变阻器接入电路的阻值为R=12 Ω,根据欧姆定律可得UR=ER0+R+r,解得R0=3.5 Ω;滑动变阻器的滑片滑到b端,弹簧的形变量增加了20 cm,由平衡条件有kΔx=mg,则该电子秤所能称量的最大质量为m=4.0 kg。
(3)所称量物体的质量m=kxg,电压表的示数为U=ER+R0+r·RLx,联立可得U=ERg(R+R0+r)Lkm,可知所称量物体的质量m和电压表的示数U的关系为线性关系。
比较项
磁体M靠近干簧管
磁体M离开干簧管
实验现象