2023新教材高考物理一轮第十三章交变电流电磁振荡与电磁波传感器实验十九利用传感器制作简单的自动控制装置课件

实验十九　利用传感器制作简单的自动控制装置\n必备知识·自主排查关键能力·分层突破\n必备知识·自主排查\n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中的应用．二、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．三、实验原理1．闭合电路的欧姆定律，用多用电表的欧姆挡进行测量和观察．2．工作过程如图\n四、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；\n(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．\n2．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“×100Ω”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．光照强度弱中强无光照射阻值/Ω\n五、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图像所带来的误差．六、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．\n关键能力·分层突破\n【关键能力·分层突破】考点一　自动控制电路的设计及组装例1如图甲所示是一测量硫化镉光敏电阻特性的实验电路，电源电压恒定，电流表内阻不计，开关闭合后，调节滑动变阻器滑片，使小灯泡发光逐渐增强，测得流过电阻的电流和光强的关系曲线如图乙所示．试根据丙图所给器材设计一个路灯自动光控电路．要求有光照时路灯不亮，无光照时路灯工作．\n解析：由流过光敏电阻的电流和光强的关系曲线可以看出，当入射光增强时，流过光敏电阻的电流增大．根据题意设计一个路灯自动控制电路如图所示．控制过程：当有光照射时，流过光敏电阻的电流增大，并经过放大器输出一个较大的电流，驱动电磁继电器吸合，使两个常闭触点断开，当无光照射，电流减小，放大器输出电流也减小，电磁继电器释放衔铁，使两个触点闭合，控制路灯电路接通，路灯开始工作．\n【跟进训练】1.[2021·沈阳质检]为了节能和环保，一些公共场所用光控开关控制照明系统，光控开关可用光敏电阻控制，如图甲所示是某光敏电阻阻值随光的照度变化曲线，照度可以反映光的强弱，光越强照度越大，照度单位为：勒克斯(lx)．(1)如图乙所示，电源电动势为3V，内阻不计，当控制开关两端电压上升至2V时控制开关自动启动照明系统．要求当天色渐暗照度降至1.0(lx)时控制开关接通照明系统，则R1＝________kΩ．10解析：电阻R1和R0串联，有＝，U0＝2V，当照度1.0(lx)时，电阻R0＝20kΩ，则R1＝10kΩ.\n(2)某同学为了测量光敏电阻在不同照度下的阻值，设计了如图丙所示的电路进行测量，电源(E＝3V，内阻未知)，电阻箱(0～99999Ω)．实验时将电阻箱阻值置于最大，闭合S1，将S2与1相连，减小电阻箱阻值，使灵敏电流计的示数为I，图丁为实验时电阻箱的阻值，其读数为________kΩ；然后将S2与2相连，调节电阻箱的阻值如图戊所示，此时电流表的示数恰好为I，则光敏电阻的阻值为________kΩ(结果保留3位有效数字)．62.540.0\n解析：题图丁的电阻为R2＝62.5kΩ，题图戊的电阻R′2＝22.5kΩ，本题采用等效法测电阻，前后两次电路中的电流相等，则电路中的电阻相等，则有R2＝R′0＋R′2，所以R′0＝40.0kΩ.\n2．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(36V，内阻不计)；电流表(量程250mA，内阻约0.1Ω)；电压表(量程50V，内阻约1MΩ)；热敏电阻RT；报警器(内阻很小，流过的电流超过10mA时就会报警，超过30mA时就会损伤)；滑动变阻器R1(最大阻值4000Ω)；电阻箱R2(最大阻值9999.9Ω)；单刀单掷开关S1；单刀双掷开关S2；导线若干．\n(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30.0V，电流表读数为15.0mA；当温度为50℃时，调节R1，使电压表读数仍为30.0V，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．600偏大负\n解析：由图(b)可知，电流表的示数为50mA，则此时热敏电阻的阻值为RT＝＝Ω＝600Ω，该方法所测电流值为真实电流值，所测电压值为热敏电阻和电流表两端的总电压，故根据R＝，可知此时所测电阻值偏大；在相同电压下，温度越高，通过电流越大，说明热敏电阻的阻值随温度的升高而降低，故RT为负温度系数热敏电阻．\n(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．滑动变阻器R16003000\n解析：滑动变阻器R1的导线连接有误，两根导线都连接在上端，无法起到改变接入电阻阻值的作用，应一上一下连接；先使用电阻箱R2进行调试，其阻值应设置为50℃时RT的电阻值，即600Ω；此时要求刚好在50℃时自动报警，则通过电路的电流为10mA，报警器和电流表的电阻很小，可忽略不计，可得此时滑动变阻器的阻值为R1＝－RT＝3000Ω.\n考点二　拓展创新型实验例2[2021·山东卷，14]热敏电阻是传感器中经常使用的元件，某学习小组要探究一热敏电阻的阻值随温度变化的规律．可供选择的器材有：\n待测热敏电阻RT(实验温度范围内，阻值约几百欧到几千欧)；电源E(电动势1.5V，内阻r约0.5Ω)；电阻箱R(阻值范围0～9999.99Ω)；滑动变阻器R1(最大阻值20Ω)；滑动变阻器R2(最大阻值2000Ω)；微安表(量程100μA，内阻等于2500Ω)；开关两个，温控装置一套，导线若干．同学们设计了如图甲所示的测量电路，主要实验步骤如下：①按图示连接电路；②闭合S1、S2，调节滑动变阻器滑片P的位置，使微安表指针满偏；③保持滑动变阻器滑片P的位置不变，断开S2，调节电阻箱，使微安表指针半偏；④记录此时的温度和电阻箱的阻值．\n回答下列问题：(1)为了更准确地测量热敏电阻的阻值，滑动变阻器应选用________(填“R1”或“R2”)．(2)请用笔画线代替导线，将图乙中实物图(不含温控装置)连接成完整电路．R1\n解析：用半偏法测量热敏电阻的阻值，应尽可能让该电路的电压在S2闭合前、后保持不变，由于该支路与滑动变阻器左半部分并联，滑动变阻器的阻值越小，S2闭合前、后该部分电阻变化越小，从而电压的值变化越小，故滑动变阻器应选用最大值较小的R1才能更准确地进行实验．\n(3)某温度下微安表半偏时，电阻箱的读数为6000.00Ω，该温度下热敏电阻的测量值为________Ω(结果保留到个位)，该测量值________(填“大于”或“小于”)真实值．(4)多次实验后，学习小组绘制了如图丙所示的图像．由图像可知，该热敏电阻的阻值随温度的升高逐渐________(填“增大”或“减小”)．3500大于减小\n解析：(3)微安表半偏时，该支路的总电阻为原来的2倍，即RT＋RμA＝6000Ω，由RμA＝2500Ω易得RT＝3500Ω.当断开S2，微安表半偏时，由于该支路的电阻增加，电压略有升高，根据欧姆定律可知，总电阻比原来2倍略大，也就是电阻箱的阻值略大于热敏电阻与微安表的总电阻，而认为电阻箱的阻值等于热敏电阻与微安表的总电阻，因此热敏电阻的测量值比真实值偏大．(4)由于是lnRT-图像，当温度T升高时，减小，从图中可以看出lnRT减小，从而RT减小，因此热敏电阻的阻值随温度的升高逐渐减小．\n【跟进训练】3.[2022·北京模拟]货运交通事故往往是由车辆超载引起的，因此我国交通运输部对治理货运超载有着严格规定．监测站都安装有称重传感器，图甲是一种常用的力传感器，由弹簧钢和应变片组成，弹簧钢右端固定，在其上、下表面各贴一个相同的应变片，应变片由金属制成．若在弹簧钢的自由端施加一向下的作用力F，则弹簧钢会发生弯曲，上应变片被拉伸，下应变片被压缩．力越大，弹簧钢的弯曲程度越大，应变片的电阻变化就越大，输出的电压差ΔU＝|U1－U2|也就越大．已知传感器不受压力时的电阻约为19Ω，为了准确地测量该传感器的阻值，设计了以下实验，实验原理图如图乙所示．\n实验室提供以下器材：A．定值电阻R0(R0＝5Ω)B．滑动变阻器(最大阻值为2Ω，额定功率为50W)C．电流表A1(0.6A，内阻r1＝1Ω)D．电流表A2(0.6A，内阻r2约为5Ω)E．直流电源E1(电动势3V，内阻约为1Ω)F．直流电源E2(电动势6V，内阻约为2Ω)G．开关S及导线若干．\n(1)外力F增大时，下列说法正确的是________；A．上、下应变片电阻都增大B．上、下应变片电阻都减小C．上应变片电阻减小，下应变片电阻增大D．上应变片电阻增大，下应变片电阻减小(2)图乙中①、②为电流表，其中电流表①选________(选填“A1”或“A2”)，电源选________(选填“E1”或“E2”)；DA1E2解析：(1)外力F增大时，上应变片长度变长，电阻变大，下应变片长度变短，电阻变小，故选D.(2)题图乙中的①要当电压表使用，因此内阻应已知，故选电流表A1；因回路总阻值接近11Ω，满偏电流为0.6A，所以电源电动势应接近6.6V，故电源选E2.\n(3)为了准确地测量该阻值，在图丙中，将B、C间导线断开，并将滑动变阻器与原设计电路的A、B、C端中的一些端点连接，调节滑动变阻器，测量多组数据，从而使实验结果更准确，请在图丙中正确连接电路；解析：滑动变阻器应采用分压式接法，将B、C间导线断开，A、B两端接全阻值，C端接在变阻器的滑动端，如图所示．\n(4)结合上述实验步骤可以得出该传感器的电阻的表达式为________(A1、A2两电流表的电流分别用I1、I2表示)．解析：由题图乙知，通过该传感器的电流为I2－I1，加在该传感器两端的电压为I1r1，故该传感器的电阻为.