高考物理一轮复习第11章交变电流变压器第3课时利用传感器制作简单的自动控制装置学案

第3课时　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、光敏电阻等敏感元器件的特性。

2．了解传感器的使用方法。

二、实验原理

1．传感器能够将感受到的物理量(力、热、光、声等)转换成便于测量的量(一般是电学量)。

2．传感器工作过程如图所示。

三、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。

谨记部分器材用途

　　四、实验过程

1．研究热敏电阻的特性

(1)实验步骤

①按图示连接好电路，将热敏电阻绝缘处理。

②将热水和冷水分n次注入烧杯中，记录每一次温度值和两电表读数。

③利用R＝计算出每一次热敏电阻的阻值。

(2)数据处理

①根据记录数据，把测量到的温度值和电阻值填入表中，分析热敏电阻的特性。

②在坐标系中，粗略画出热敏电阻的阻值随温度变化的图线。

③根据R­t图线，得出结论(热敏电阻的阻值随温度的升高而减小)。

2.研究光敏电阻的特性

(1)实验步骤

①将光敏电阻、多用电表、小灯泡、滑动变阻器按如图所示电路连接好，并将多用电表置于欧姆“×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，观察表盘指针显示电阻阻值的情况，并记录。

(2)数据处理

把记录的结果填入表中，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，加入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，并同时读出水温和电压、电流值。

2．在做光敏电阻实验中，如果效果不明显，可将电阻部分电路放入带盖的纸盒中，并通过盖上的小孔改变照射到光敏电阻上的光的强度。

1．数码相机的普及逐渐淘汰了传统胶片相机。数码相机的主要部件是电荷耦合器(CCD)，能将光学量转化为电学量。该部件可视为一种(　　)

A．力传感器　　　　　 B．温度传感器

C．光传感器  D．霍尔元件

解析：选C　由题意可知CCD能把光学量转化为电学量，因而是一种光传感器，C正确。

2.如图所示，将一光敏电阻接在多用电表两表笔上，将多用电表的选择开关置于欧姆挡，用光照射光敏电阻时，表针自左向右的偏角为θ；现用手掌挡住部分光线，表针自左向右的偏角为θ′，则可判断(　　)

A．θ′＝θ  B．θ′<θ

C．θ′>θ  D．不能确定

解析：选B　光敏电阻的阻值随光照强度的增强而减小，用手掌挡住部分光线，阻值变大，由欧姆挡的特点知，表针向左偏，故表针自左向右的偏转角度θ′<θ。故B正确。

3．如图所示是观察电阻R的阻值随温度变化情况的原理图，现在将杯中的冷水加热，关于欧姆表的读数变化情况正确的是(　　)

A．如果R为金属热电阻，读数变大，且变化非常明显

B．如果R为金属热电阻，读数变小，且变化不明显

C．如果R为热敏电阻(用半导体材料制作)，读数变化非常明显

D．如果R为热敏电阻(用半导体材料制作)，读数变化不明显

解析：选C　如果R为金属热电阻，则读数变大，但不会非常明显，故A、B错；如果R为热敏电阻，读数变化非常明显，故C对，D错。

4．温度传感器广泛应用于室内空调、电冰箱等家用电器中，它是利用热敏电阻的阻值随温度变化的特性工作的。如图甲所示，电源的电动势E＝9.0 V，内阻不计；G为灵敏电流计，内阻Rg保持不变；R为热敏电阻，其电阻值与温度的变化关系如图乙所示，闭合开关S，当R的温度等于20 ℃时，电流表示数I1＝2 mA；电流表的示数I2＝3.6 mA时，热敏电阻的温度是________℃。

解析：根据E＝I(R＋Rg)代入I1＝2 mA时R1＝4 kΩ得

Rg＝0.5 kΩ

代入I2＝3.6 mA得R2＝2 kΩ，读图可得温度为120 ℃。

答案：120

5．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U­I图线，如图乙所示。

(1)根据U­I图线可知正常光照射时光敏电阻的阻值为________ Ω，强光照射时电阻为________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。若测量这种光照下的电阻，则需将实物图中毫安表的连接方式采用________(选填“内接”或“外接”)法进行实验，实验结果较为准确。

解析：(1)光敏电阻的阻值随光照的增强而减小，结合图乙知正常光照射时R1＝＝＝3 000 Ω，

强光照射时R2＝＝＝200 Ω。

(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。

答案：(1)3 000　200　(2)强光照射时　外接

传感器可以看成一种电学元件，所以对传感器实验的考查，归根结底还是对电学电路实验的考查。

[例1]　(2021·云南昆明一中月考)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lx。

(1)如图乙所示，电源电动势为3 V，内阻不计，当控制开关两端电压上升至2 V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。

(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，所用器材有电源(E＝3 V，内阻未知)，电阻箱R2(0～99 999 Ω)。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，此时电流计的示数恰好为I，则光敏电阻的阻值R0＝________kΩ(结果保留三位有效数字)。

[三步化“新”为“熟”]

1．实验目的：掌握光控开关控制照明系统的原理。

2．实验原理：闭合电路的欧姆定律和对“新”图像的认识。

3．制定方案：实验过程中是利用“等效法”对电阻进行测量。

[解析]　(1)当照度为1.0 lx时，电阻R0＝20 kΩ，电阻R1和R0串联，则有＝＝，则R1＝10 kΩ。

(2)图丁的电阻为R2＝62.5 kΩ，图戊的电阻R2′＝22.5 kΩ，本题采用等效法测电阻，前后两次电路中的电流相等，则电路总电阻相等，则有R2＝R0＋R2′，所以R0＝40.0 kΩ。

[答案]　(1)10　(2)62.5　40.0

[例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________(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______(填“a”或“b”)端附近，不能置于另一端的原因是____________________________________________________。

②将开关向________(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。

[三步化“新”为“熟”]

1．实验目的：设计报警电路并对电路进行调节。

2．实验原理：从热敏电阻的应用、电路设计、等效替代、估算法等几方面进行了实验创新，而在仪器的选择、滑动变阻器的限流式连接、电阻箱的等效替代等方面和其他电学实验是一致的。

3．数据处理：本题进行数据处理的前提和关键在于弄清实验原理，完成电路图的连接后，利用欧姆定律进行计算。

[解析]　(1)电路图连接如图所示。

(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用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，闭合开关时，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)连线见解析图　(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

[创新角度归纳]