【高考物理】一轮复习17、实验十七　利用传感器制作简单的自动控制装置-学案

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图1
A.在温度越高时，热敏电阻阻值越小
B.在温度越高时，热敏电阻阻值越大
C.半导体材料温度升高时，导电性能变差
D.半导体材料温度升高时，导电性能不变
2.如图2是利用太阳能给LED路灯供电的自动控制电路的示意图。R是光敏电阻，R0是保护定值电阻，日光充足时，电磁继电器把衔铁吸下，GH接入电路，太阳能电池板给蓄电池充电，光线不足时，衔铁被弹簧拉起，与EF接入电路，蓄电池给LED路灯供电，路灯亮起，下列关于该电路分析正确的是( )
图2
A.该光敏电阻阻值随光照强度增大而增大
B.增加电源电动势可以增加路灯照明时间
C.增大保护电阻R0阻值可延长每天路灯照明时间
D.并联更多的LED路灯可延长每天路灯照明时间
3.某同学用热敏电阻制作高温报警器。实验器材如下，热敏电阻Rt、电磁继电器、蜂鸣器、小灯泡(额定电压2.5 V)、保护电阻r(阻值5 Ω)、变阻箱R(0～9 999.9Ω)、电池组两组(内阻不计)、多用电表(有温度挡)、铁架台、烧杯、开关及导线若干。
图3
(1)如图3所示是该热敏电阻的Rt－t曲线，由图像可以得到热敏电阻的阻值随温度的升高而______________(选填“减小”“不变”或“增大”)。
(2)如图4是某同学设计的高温报警器电路图，左边部分是控制电路，右边部分是报警装置，实验发现控制电路不工作，合上开关S，用多用电表排查电路故障，则应将如图5所示的选择开关旋至________(选填“A”“B”“C”或“D”)，若只有继电器线圈断路，则应发现表笔接入继电器线圈两端时多用电表的指针________(选填“偏转”或“不偏转”)，接入热敏电阻两端时多用电表的指针__________(选填“偏转”或“不偏转”)。
图4
图5
(3)根据电磁继电器的技术数据，当热敏电阻Rt达到设定温度时，电磁继电器应自动吸合，报警装置报警。已知控制电路电池组电动势为6 V，实测电磁继电器正常吸合时的电流为37.6 mA～40.2 mA，继电器内阻为61.0 Ω，如果设置报警温度为55 ℃，至少应将变阻箱的电阻R调节到________Ω。想要让热敏电阻在高温报警中更加“敏感”(即温度不是太高就报警)，需要________(选填“增大”“减小”或“不变”)变阻箱的电阻。
4.利用光敏电阻作为传感器，借助电磁开关，可以实现路灯自动在白天关闭，黑夜打开。某同学利用如下器材制作了一个简易的路灯自动控制装置。
A.励磁线圈电源E1B.路灯电源E2
C.路灯灯泡LD.定值电阻R0
E.光敏电阻R1 F.电磁开关
G.导线、开关等
丙
图6
(1)电磁开关的内部结构如图6甲所示。1、2两接线柱接励磁线圈(电磁铁上绕的线圈)，3、4两接线柱分别与弹簧片和触点连接，相当于路灯的开关。当流过励磁线圈的电流大于某个值时，电磁铁吸合铁片，弹簧片和触点分离，3、4断开，路灯熄灭。该同学首先用多用电表的欧姆挡测量励磁线圈的电阻，将选择开关置于“×1”挡，调零后测量时的示数如图丙所示，则励磁线圈的电阻约为________Ω。
(2)图乙为光敏电阻的阻值随照度的变化关系(照度可以反映光的强弱，光越强，照度越大，单位为lx)。从图中可以看出，光敏电阻的阻值随照度的增大而________(选填“减小”“不变”或“增大”)。
(3)如图7所示，请你用笔画线代替导线，将该同学设计的自动控制电路补充完整。
图7
(4)已知励磁线圈电源E1＝6.0 V(内阻不计)，定值电阻R0＝60 Ω。若设计要求当流过励磁线圈的电流为0.05 A时点亮路灯，则此时的照度约为________lx。
5.(2024·湖南常德高三月考)某同学利用下列实验器材设计一个电路来研究某压敏电阻Rx的压阻效应，然后将该压敏电阻改装为压力传感器测量压力。已知该电阻Rx的阻值变化范围为50～250 Ω。供选择的实验器材如下：
A.电源E：电动势为3 V，内阻不计
B.电流表A1：量程为3 mA，内阻r1＝10 Ω
C.电流表A2：量程为30 mA，内阻r2约为1 Ω
D.电阻箱R1：阻值范围0～9 999.9 Ω
E.定值电阻R0：R0＝50 Ω
F.开关S、导线若干
图8
(1)为了较准确地测量电阻Rx，某同学设计了图8甲的实验电路图，根据所设计的电路图，设电流表、的示数分别为I1、I2，电阻箱的电阻为R1，则Rx的测量值为Rx＝________。
(2)该同学根据实验测量结果，作出压敏电阻Rx随所加外力F的Rx－F图像，如图乙所示，则由此图像可知，随压力F的增大，压敏电阻Rx的阻值________(填“增大”“减小”或“不变”)。
(3)该同学将这种压敏电阻Rx与一个量程为3 V的理想电压表按如图丙所示电路改装成测量压力的仪表，已知电源E＝4 V，内阻不计，为了使改装后的压力表的量程为0～100 N，压力为100 N时对应电压表3 V的刻度，则定值电阻R应取R＝______Ω，电压表2 V刻度对应压力表________N的刻度。
参考答案
实验十七 利用传感器制作简单的自动控制装置
1.A [由电流表的变化判断半导体的电阻的变化，温度升高时，电路中总电流增大，由闭合电路欧姆定律可知，总电阻减小，则温度升高，热敏电阻阻值减小，半导体材料导电性能变好，故A正确。]
2.C [日光充足时，电磁继电器把衔铁吸下，根据闭合电路欧姆定律，控制电路中电阻变小，电流变大，衔铁被吸下，则当日光充足时光敏电阻R阻值减小，故A错误；电动势增大，电阻不变情况下，电流增大，电磁继电器把衔铁吸下，减少了路灯照明时间，故B错误；增大保护电阻R0，电流减小，延长了照明时间，故C正确；LED灯的盏数不影响控制电路，考虑蓄电池容量一定，可能减少照明时间，故D错误。]
3.(1)减小 (2)C 偏转 不偏转 (3)56.3 减小
解析 (1)由题图可以得到热敏电阻的阻值随温度的升高而减小。
(2)合上开关S，应用多用电表的直流电压挡去排查电路故障，故应将选择开关旋至C。
若只有继电器线圈断路，则应发现表笔接入继电器线圈两端时，多用电表电压接近电源电动势，多用电表的指针偏转；若只有继电器线圈断路，表笔接入热敏电阻两端时，由于继电器线圈断路，回路中没有电流，热敏电阻两端电压为零，多用电表的指针不偏转。
(3)如果设置报警温度为55 ℃，由图像可知该温度对应的热敏电阻阻值为Rt＝32 Ω
根据闭合电路欧姆定律可得I＝eq \f(E,Rt＋R继＋R)
可得至少应将变阻箱的电阻R调节到
R＝eq \f(E,I)－Rt－R继＝eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(6,40.2×10－3)－32－61))Ω≈56.3 Ω
想要让热敏电阻在高温报警中更加“敏感”(即温度不是太高就报警)，说明报警时热敏电阻的阻值比原来大，故为了使电流达到电磁继电器正常吸合时的电流，需要减小变阻箱的电阻。
4.(1)20 (2)减小 (3)图见解析 (4)0.4
解析 (1)由多用电表欧姆挡的读数规则可知，励磁线圈的电阻约为r＝20 Ω。
(2)从图乙中可以看出，光敏电阻的阻值随照度的增大而逐渐减小。
(3)自动控制电路图如图所示。
(4)当控制电路中的电流为0.05 A时，控制电路的总电阻为
R＝eq \f(E1,I)＝eq \f(6.0,0.05) Ω＝120 Ω
因定值电阻R0＝60 Ω，励磁线圈的电阻r＝20 Ω，故此时光敏电阻的阻值应为R1＝R－R0－r＝40 Ω
由图乙可知此时的照度约为0.4 lx。
5.(1)eq \f(I1（r1＋R1）,I2－I1) (2)减小 (3)150 50
解析 (1)Rx的测量值为Rx＝eq \f(I1（r1＋R1）,I2－I1)。
(2)由题图可知，随压力F的增大，压敏电阻Rx的阻值减小。
(3)由题图乙得Rx＝250－eq \f(250－50,100)F＝250－2F
根据欧姆定律得E＝U＋eq \f(U,R)Rx＝U＋eq \f(U,R)(250－2F)
当F＝100 N时，Rx＝50 Ω，此时电压表电压为3 V，定值电阻的阻值为R＝150 Ω
将U＝2 V代入得F＝50 N。