人教版高考物理一轮复习第13章实验19利用传感器制作简单的自动控制装置PPT课件

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一、实验目的1.了解半导体薄膜压力传感器的特性。2.认识热敏电阻、光敏电阻等敏感元件的特性。3.了解传感器的简单应用。
二、实验原理1.传感器的作用:传感器能够感受诸如力、温度、光、声、化学成分等被测量,并能把它们按照一定的规律转换为便于传送和处理的可用信号输出。通常转换成的可用信号是电压、电流等电学量,或转换为电路的通断。2.传感器应用的一般模式。
三、实验器材RFP602型半导体薄膜压力传感器、数字多用表、圆柱体质量块(砝码)、聚氨酯橡胶垫片、热敏电阻、光敏电阻、铁架台、烧杯、冷水、热水、温度计、小灯泡、学生电源、滑动变阻器、开关、导线等。
四、实验过程1.研究半导体薄膜压力传感器的特性(1)实验步骤。①取RFP602型半导体薄膜压力传感器一片,将其圆形敏感区域固定在铁架台支架平面上,用一个圆柱体质量块(砝码)压在该敏感面上,如图所示。
②在圆柱体与应变片之间垫一个面积相当于有效区域的聚氨酯橡胶垫片,使应变片受力均匀。③把一个U形金属框架的上沿压在圆柱体上并固定,框架下端悬吊钩码。④调整U形金属框架、橡胶垫片和压在传感器敏感面上圆柱体的总质量,使其恰好为一只钩码的质量,即50 g,则产生的压力为0.5 N。⑤传感器的两根引线跟数字多用表两表笔相连。数字多用表调到电阻挡,测量传感器的电阻并记录在下表中。
⑥改变钩码的数量,测量不同压力下传感器的电阻值并记录在下表中。
(2)数据处理。以传感器所受的压力F为横轴、传感器电阻R为纵轴建立直角坐标系,如图所示。用表中的16组数据在坐标系中描点,将这些点用光滑曲线连接起来。
分析图像,得出结论:随着压力的增大,传感器的电阻不断减小;在压力小于2 N的区间,曲线较陡,电阻随压力变化比较显著;压力大于2 N以后,曲线变化趋于平缓。
2.研究热敏电阻的热敏特性(1)实验步骤。①按右图连接好实物,将热敏电阻绝缘处理。
②将多用电表置于“欧姆”挡,选择适当的量程测出烧杯中在没有热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。
(2)数据处理。①根据记录数据,把测量到的温度、电阻值填入下表中,分析热敏电阻的特性。
②在如图所示坐标系中,粗略画出热敏电阻的阻值随温度变化的图线。
③根据实验数据和R-t图线,得出结论: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。
3.研究光敏电阻的光敏特性(1)实验步骤。①将光敏电阻、多用电表、灯泡、滑动变阻器、学生电源按如图所示的电路连接好,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接通电源,让小灯泡发光,调节滑动变阻器使小灯泡的亮度逐渐变亮,观察表盘指针显示电阻阻值的情况,并记录。④用手掌(或黑纸)遮住光,观察光敏电阻的阻值,并记录。
(2)数据处理。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:光敏电阻被光照射时阻值发生变化,光照增强电阻变小,光照减弱电阻变大。
五、注意事项1.在做热敏电阻实验时,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.在做光敏电阻实验时,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,并通过盖上的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调零。六、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.热敏电阻与水温不同带来误差。4.作R-t图像时不规范易造成误差。
【例1】 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,它主要由力传感器R(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A(实质是理想的电流表)组成。力传感器表面能承受的最大压强为1×107 Pa,且已知力传感器R的电阻与所受压力的关系如下表所示。设踏板和压杆的质量可以忽略不计,接通电源后,力传感器两端的电压恒为4.8 V,g取10 m/s2。
(1)该秤零起点(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,这个人的体重是____________ kg。 
【例2】 由对温度敏感的半导体材料制成的某热敏电阻RT,在给定温度范围内,其阻值随温度的变化是非线性的。某同学将RT和两个适当的固定电阻R1、R2连成图甲虚线框内所示的电路,以使该电路的等效电阻RL的阻值随RT所处环境温度的变化近似为线性的,且具有合适的阻值范围。为了验证这个设计,他采用伏安法测量在不同温度下RL的阻值,测量电路如图甲所示,图中电压表内阻很大。RL的测量结果如表所示。
(1)根据图甲所示的电路,在图乙所示的实物图上连线。
(2)在图丙坐标纸上作RL-t关系图线。
(3)在某一温度下,电路中的电流表、电压表的示数如图丁所示。电流表的读数为____________,电压表的读数为____________。此时等效电阻RL的阻值为____________;热敏电阻所处环境的温度约为____________。
【例3】 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,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所示。
(1)根据表中数据,请在图中的坐标系中描绘出阻值随光的照度变化的曲线,并说明阻值随照度变化的特点。
(2)在如图所示电路中,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)
解析:(1)光敏电阻的阻值随光的照度变化的曲线如图所示。特点:光敏电阻的阻值随光照度的增大非线性减小。
(2)当光照度降低至1.0 lx时,光敏电阻阻值为20 kΩ,1、2两端电压为2 V,电源电动势为3 V,所以电路中还要有一个分压电阻,阻值为10 kΩ,即选用R1,电路原理图如图所示。
1.为了研究光敏电阻在室内正常光照射和室外强光照射时电阻的大小关系,某同学用如图甲所示的电路进行实验,得出两种U-I图线,如图乙所示。
(1)根据U-I图线可知正常光照射时光敏电阻的阻值为____________ Ω,强光照射时阻值为____________ Ω。 (2)若实验中所用电压表的内阻约为5 kΩ,毫安表的内阻约为100 Ω,考虑到电表内阻对实验结果的影响,此实验中________________________(选填“正常光照射时”或“强光照射时”)测得的电阻误差较大。若测量这种光照射下的电阻,则实物图中毫安表应采用____________(选填“内接”或“外接”)法进行实验,实验结果较为准确。 
(2)实验电路采用的是毫安表内接法,测得的结果比真实值偏大,当待测电阻远大于毫安表电阻时实验误差较小,所以强光照射时误差较大;强光照射时采用毫安表外接法,实验结果较为准确。
2.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。
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