高考物理一轮复习实验课课件16利用传感器制作简单的自动控制装置(含解析)

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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.了解传感器的简单使用。二、实验原理1.传感器能够将感受到的物理量(力、温度、光、声等)转换成便于测量的量(一般是电学量)。2.工作过程
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、滑动变阻器、开关、导线等。
四、实验步骤、数据处理及结论1.研究热敏电阻的热敏特性(1)实验步骤①按如图所示连接好实物,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。
2.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。
光敏电阻的原理及应用例1(多选)如图所示,R1、R2为定值电阻,L为小灯泡,R3为光敏电阻,当入射光强度增大时(　　) A.电压表的示数增大B.R2中电流减小C.小灯泡的功率增大D.电路的路端电压增大
解析 当入射光强度增大时,R3阻值减小,外电路总电阻随R3的减小而减小,R1两端电压因干路电流增大而增大,电压表的示数增大,同时内电压增大,故电路路端电压减小,A正确,D错误;由路端电压减小,R1两端电压增大知,R2两端电压必减小,则R2中电流减小,B正确;结合干路电流增大知流过小灯泡的电流必增大,则小灯泡的功率增大,C正确。
例2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。 
(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
热敏电阻的原理及应用例3温度传感器广泛应用于家用电器中,它是利用热敏电阻的阻值随温度变化的特性来工作的。图甲为某装置中的传感器工作原理图,已知电源的电动势E=9.0 V,内阻不计;G为灵敏电流表,其内阻Rg保持不变;R为热敏电阻,其阻值随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,则当电流表的示数I2=3.6 mA时,热敏电阻的温度是(　　) 　　　　　　　　　　　　　　　　A.60 ℃B.80 ℃C.100 ℃D.120 ℃
例4小明同学通过实验探究某一金属电阻的阻值R随温度t的变化关系。已知该金属电阻在常温下的阻值约10 Ω,R随t的升高而增大。实验电路如图所示,控温箱用以调节金属电阻的温度。
实验时闭合S,先将开关S1与1端闭合,调节金属电阻的温度,分别记下温度t1,t2……和电流表的相应示数I1,I2……。然后将开关S1与2端闭合,调节电阻箱使电流表的示数再次为I1,I2……,分别记下电阻箱相应的示数R1,R2……。(1)有以下两种电流表,实验电路中应选用　　　　。 A.量程0~100 mA,内阻约2 ΩB.量程0~0.6 A,内阻可忽略(2)实验过程中,要将电阻箱的阻值由9.9 Ω调节至10.0 Ω,需旋转图中电阻箱的旋钮“a”“b”“c”,正确的操作顺序是　　　　。 ①将旋钮a由“0”旋转至“1”②将旋钮b由“9”旋转至“0”③将旋钮c由“9”旋转至“0”
(3)实验记录的t和R的数据见下表:
请根据表中数据,在方格纸上作出R-t图线。
由图线求得R随t的变化关系为R=　　　　 Ω。 
解析 (1)由题干知常温下金属电阻阻值约为R=10 Ω,由实验电路知电路中最大电流约为I= =150 mA,通过调节滑动变阻器可控制电路中的最大电流为100 mA,故选A电流表。(2)实验过程中,为保护电路各元件调节电阻箱阻值时应遵循从大到小的顺序调节。
(3)根据实验数据描点作图如图。 由图像结合数学知识写出图像的解析式为R=kt+R0由图像得R0=8.8 Ω。 =0.04 Ω/℃。故图像解析式为R=0.04t+8.8 Ω。答案 (1)A　(2)①②③(或①③②)　(3)见解析图　0.04t+8.8(0.04t+8.6~0.04t+9.0都算对)
方法归纳解决含有热敏电阻、光敏电阻的直流电路动态分析问题(1)明确热敏电阻、光敏电阻的电阻特性;(2)解题思路:
实验探究拓展——自动控制电路的设计1.传感器的一般应用模式:由敏感元件、转换器件和转换电路三个部分组成,通过敏感元件获取外界信息并转换成电信号,通过输出部分输出,然后经控制器分析处理。 传感器的工作原理
2.工作过程:敏感元件将感受到的物理量按一定规律转换成便于测量的量,如下:非电学物理量→敏感元件→转换器件→转换电路→电学量→输出3.设计自动控制电路时,一般按照以下的思路进行:(1)根据题目给出的仪器和要求画出控制电路和工作电路控制电路由电源、开关、光敏电阻(或热敏电阻等其他敏感元件)、电磁继电器和导线等组成;工作电路由电源、用电器(灯泡、电热丝或其他用电器)、导线等组成。这两个电路相互独立,又通过电磁继电器相关联,电磁继电器实际上是工作电路的开关。(2)分析自控电路的合理性电路设计完成后,要对它的合理性进行分析,用光照射光敏电阻或对热敏电阻加热,检查工作电路的接通和断开是否符合实际要求。例如,自控路灯电路的设计要求是白天切断工作电路,使路灯熄灭,晚上接通工作电路,使路灯发光。
例5(2017·江苏卷)某同学通过实验制作一个简易的温控装置,实验原理电路图如图甲所示,继电器与热敏电阻Rt、滑动变阻器R串联接在电源E两端,当继电器的电流超过15 mA时,衔铁被吸合,加热器停止加热,实现温控。继电器的电阻约20 Ω,热敏电阻的阻值Rt与温度t的关系如下表所示。
(1)提供的实验器材有:电源E1(3 V,内阻不计)、电源E2(6 V,内阻不计)、滑动变阻器R1(0~200 Ω)、滑动变阻器R2(0~500 Ω)、热敏电阻Rt、继电器、电阻箱(0~999.9 Ω)、开关S、导线若干。为使该装置实现对30~80 ℃之间任一温度的控制,电源E应选用(选填“E1”或“E2”),滑动变阻器R应选用　　　　(选填“R1”或“R2”)。
(2)实验发现电路不工作。某同学为排查电路故障,用多用电表测量各接点间的电压,则应将如图乙所示的选择开关旋至　　　(选填“A”“B”“C”或“D”)。  乙
(3)合上开关S,用调节好的多用电表进行排查。在图甲中,若只有b、c间断路,则应发现表笔接入a、b时指针　　　　　　,接入a、c时指针　　　　　　。(均选填“偏转”或“不偏转”) (4)排除故障后,欲使衔铁在热敏电阻为50 ℃时被吸合,下列操作步骤的正确顺序是　　　　　　　。(填写各步骤前的序号) ①将热敏电阻接入电路②观察到继电器的衔铁被吸合③断开开关,将电阻箱从电路中移除④合上开关,调节滑动变阻器的阻值⑤断开开关,用电阻箱替换热敏电阻,将阻值调至108.1 Ω
解析 (1)当温度控制在30 ℃,衔铁被吸合时,Rt两端的电压约为Ut=IRt=0.015×200 V=3 V,继电器两端的电压U'=IR'=0.015×20 V =0.3 V,故需电源电动势大于3 V,选E2。当温度控制在80 ℃时,电路中的总电阻:R总= =400 Ω,远大于热敏电阻、继电器以及滑动变阻器R1的电阻的总和,故滑动变阻器选R2。(2)A挡位测量电阻值,B挡位测量交流电压,C挡位测量直流电压,D挡位测量电流值,故为测量各接入点的电压,应将开关旋至C挡。
(3)若bc间断路,ab只与电源正极相连通,ab间无电压,如图 故多用电表指针不偏转。若bc间断路,a点与电源正极相连通,c点与电源负极相连通,a、c两点间的电压为电源电动势。如图 故多用电表指针偏转。