实验十六 利用传感器制作简单的自动控制装置 课件 2027届高考物理一轮复习

这是一份实验十六 利用传感器制作简单的自动控制装置 课件 2027届高考物理一轮复习，共66页。PPT课件主要包含了实验知识储备，考点1教材原型实验，非线性，D或C，解析1，考点2拓展创新实验，图见解析，随堂达标检测等内容，欢迎下载使用。
课程标准　1.知道什么是传感器,知道光敏电阻和热敏电阻等敏感元件的特性和应用。 2.学会传感器的简单使用并会制作简单的自动控制装置。
1.传感器的工作原理: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。把非电学量转换为电学量,可以很方便地进行测量、传输、处理和控制。传感器应用的一般模式如图所示:
2.五种敏感元件的作用和特点
3.实验过程(1)研究热敏电阻的热敏特性①将热敏电阻放入烧杯中的水中,测量水温和热敏电阻的阻值(如图甲所示)。
②准备好记录电阻与温度关系的表格(如表)。 ③改变水的温度,多次测量水的温度和热敏电阻的阻值,记录在表格中,把记录的数据画在R-t图中,得到图像如图乙所示。结论:热敏电阻的阻值随温度发生变化,温度升高时电阻变小,温度降低时电阻变大。
(2)研究光敏电阻的光敏特性①将光电传感器、多用电表、灯泡、滑动变阻器按如图所示电路连接好,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,观察表盘指针显示的电阻阻值的变化情况,并记录。④用手掌(或黑纸)遮住电阻,观察表盘指针显示的电阻阻值,并记录。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:光敏电阻的阻值被光照射时发生变化,光照增强时电阻变小,光照减弱时电阻变大。
4.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)作R-t图像时的不规范易造成误差。5.注意事项(1)在做热敏电阻的热敏特性实验时,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)光敏实验中,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,并通过盖上小孔改变射到光敏电阻上的光的多少。(3)电阻表每次换挡后都要重新进行欧姆调零。
(2025·河南卷)实验小组研究某热敏电阻的特性,并依此利用电磁铁、电阻箱等器材组装保温箱。该热敏电阻阻值随温度的变化曲线如图1所示,保温箱原理图如图2所示。回答下列问题:
(1)图1中热敏电阻的阻值随温度的变化关系是　　　　(选填“线性”或“非线性”)的。 (2)存在一个电流值I0,若电磁铁线圈的电流小于I0,衔铁与上固定触头a接触;若电流大于I0,衔铁与下固定触头b接触。保温箱温度达到设定值后,电磁铁线圈的电流在I0附近上下波动,加热电路持续地断开、闭合,使保温箱温度维持在设定值。则图2中加热电阻丝的c端应该与触头　　　(选填“a”或“b”)相连接。 
(3)当保温箱的温度设定在50 ℃时,电阻箱旋钮的位置如图3所示,则电阻箱接入电路的阻值为　　　　Ω。 (4)若要把保温箱的温度设定在100 ℃,则电阻箱接入电路的阻值应为　　　Ω。 
[解析]　(1)由题图1可知,热敏电阻的阻值随温度的变化关系是非线性的。(2)保温箱中温度越低,热敏电阻的阻值越大,电磁铁线圈的电流越小,由题意可知,电磁铁线圈的电流小于I0时,衔铁与上固定触头a接触,要达到保温效果,此时应该接通加热电阻丝的电路,因此加热电阻丝的c端应该与触头a相连接。(3)由题图3中的电阻箱读数可知电阻箱接入电路的阻值为130.0 Ω。
(4)要达到相同的电路断开、闭合的效果,保温箱的温度设定在50 ℃时和保温箱的温度设定在100 ℃时,电磁铁连接的电路中的总电阻相同。由题图1可知,在50 ℃时热敏电阻阻值为180 Ω,此时热敏电阻和电阻箱接入电路的总电阻为310.0 Ω,在100 ℃时热敏电阻阻值为100 Ω,则此时电阻箱接入电路的阻值应调整为210.0 Ω。
(2024·河北卷)某种花卉喜光,但阳光太强时易受损伤。某兴趣小组决定制作简易光强报警器,以便在光照过强时提醒花农。该实验用到的主要器材如下:学生电源、多用电表、数字电压表(0~20 V)、数字电流表(0~20 mA)、滑动变阻器R(最大阻值50 Ω,1.5 A)、白炽灯、可调电阻R1(0~50 kΩ)、发光二极管LED、光敏电阻RG、NPN型三极管VT、开关和若干导线等。
(1)判断发光二极管的极性使用多用电表的“×10 k”电阻挡测量二极管的电阻。如图甲所示,当黑表笔与接线端M接触、红表笔与接线端N接触时,多用电表指针位于表盘中a位置(见图乙);对调红、黑表笔后指针位于表盘中b位置(见图乙)。由此判断M端为二极管的　　　(选填“正极”或“负极”)。  
(2)研究光敏电阻在不同光照条件下的伏安特性
①采用图丙中的器材进行实验,部分实物连接已完成。要求闭合开关后电压表和电流表的读数从0开始。导线L1、L2和L3的另一端应分别连接滑动变阻器的　　　、　　　、　 　　 。接线柱(以上三空均选填接线柱标号“A”“B”“C”或“D”)  
②图丁为不同光照强度下得到的光敏电阻伏安特性曲线,图中曲线Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ对应光敏电阻受到的光照由弱到强。由图像可知,光敏电阻的阻值随其表面受到光照的增强而　　　(选填“增大”或“减小”)。  
(3)组装光强报警器电路并测试其功能图戊为利用光敏电阻、发光二极管、三极管(当b、e间电压达到一定程度后,三极管被导通)等元件设计的电路。组装好光强报警器后,在测试过程中发现,当照射到光敏电阻表面的光强达到报警值时,发光二极管并不发光,为使报警器正常工作,应　　　(选填“增大”或“减小”)可调电阻R1的阻值,直至发光二极管发光。
(2)①题目要求电压表、电流表读数从零开始,所以应该采用滑动变阻器的分压式接法连接电路,故L1、L2接滑动变阻器A接线柱,L3接在金属杆两端任意一个接线柱,即C或D。②由题图丁可知,从Ⅰ到Ⅲ,随光照强度增加,I-U图像斜率增大,则电阻减小。(3)
(2023·湖南卷)某探究小组利用半导体薄膜压力传感器等元件设计了一个测量微小压力的装置,其电路如图(a)所示,R1、R2、R3为电阻箱,RF为半导体薄膜压力传感器,C、D间连接电压传感器(内阻无穷大)。
(1)先用电阻表“×100”挡粗测RF的阻值,示数如图(b)所示,对应的读数是　　　Ω。 (2)适当调节R1、R2、R3,使电压传感器示数为0,此时,RF的阻值为_______(用R1、R2、R3表示)。 
(3)依次将0.5 g的标准砝码加载到压力传感器上(压力传感器上所受压力大小等于砝码重力大小),读出电压传感器示数U,所测数据如表所示:
根据表中数据在图(c)上描点,绘制U-m关系图线。
(4)完成前面三步的实验工作后,该测量微小压力的装置即可投入使用。在半导体薄膜压力传感器上施加微小压力F0,电压传感器示数为200 mV,则F0大小是　　　N(重力加速度取9.8 m/s2,保留两位有效数字)。 (5)若在步骤(4)中换用非理想毫伏表测量C、D间电压,在半导体薄膜压力传感器上施加微小压力F1,此时非理想毫伏表读数为200 mV,则F1______(选填“>”“F0;若D点电势高,同样有F1>F0。
(2024·全国甲卷)电阻型氧气传感器的阻值会随所处环境中的氧气含量发生变化。在保持流过传感器的电流(即工作电流)恒定的条件下,通过测量不同氧气含量下传感器两端的电压,建立电压与氧气含量之间的对应关系,这一过程称为定标。一同学用图(a)所示电路对他制作的一个氧气传感器定标。实验器材有:装在气室内的氧气传感器(工作电流1 mA)、毫安表(内阻可忽略)、电压表、电源、滑动变阻器、开关、导线若干、5个气瓶(氧气含量分别为1%、5%、10%、15%、20%)。
完成下列实验步骤并填空:(1)将图(a)中的实验器材间的连线补充完整,使其能对传感器定标。
(2)连接好实验器材,把氧气含量为1%的气瓶接到气体入口。(3)把滑动变阻器的滑片滑到　　　(选填“a”或“b”)端,闭合开关。  (4)缓慢调整滑动变阻器的滑片位置,使毫安表的示数为1 mA,记录电压表的示数U。(5)断开开关,更换气瓶,重复步骤(3)和(4)。
(6)获得的氧气含量分别为1%、5%、10%和15%的数据已标在图(b)中;氧气含量为20%时电压表的示数如图(c)所示,该示数为　　　　V(结果保留两位小数)。现测量一瓶待测氧气含量的气体,将气瓶接到气体入口,调整滑动变阻器滑片位置使毫安表的示数为1 mA,此时电压表的示数为1.50 V,则此瓶气体的氧气含量为　　　%(结果保留整数)。    
[解析]　(1)连接实物图如图所示,注意连线不要有交叉,且电流从电表的正接线柱流入,从电表的负接线柱流出。
(3)为了保护电路,闭合开关时,电流表和电压表的示数应为0,所以闭合开关前应将滑动变阻器的滑片滑至a端。(6)根据电压表的读数规则可知,电压表的示数为1.40 V;根据题图(b)中的数据点和(20,1.40)点,拟合电压表示数U与氧气含量的曲线如图所示,则可知当电压表的示数为1.50 V时,氧气含量约为17%。
1.(2024·北京卷)如图所示为一个加速度计的原理图。滑块可沿光滑杆移动,滑块两侧与两根相同的轻弹簧连接;固定在滑块上的滑动片M下端与滑动变阻器R接触良好,且不计摩擦;两个电源的电动势E相同,内阻不计。两弹簧处于原长时,M位于R的中点,理想电压表的指针位于表盘中央。当P端电势高于Q端时,指针位于表盘右侧。将加速度计固定在水平运动的被测物体上,则下列说法正确的是(　　)
A.若M位于R的中点右侧,P端电势低于Q端B.电压表的示数随物体加速度的增大而增大,但不成正比C.若电压表指针位于表盘左侧,则物体速度方向向右D.若电压表指针位于表盘左侧,则物体加速度方向向右
解析:由题意可知,M位于R中点位置时与两电源间的电势相等,设R的中点电势为零,则M位于R的中点右侧,P端电势高于Q端电势,A错误;由欧姆定律及电阻定律可知,P端与Q端电势差与指针偏离R中点的距离x成正比,由牛顿第二定律有2kx=ma,距离x与加速度a成正比,B错误;已知电压表指针位于表盘左侧,只能确定加速度的方向,不能确定速度的方向,C错误;已知电压表指针位于表盘左侧,滑块左侧弹簧压缩、右侧弹簧伸长,滑块所受合力向右,故物体加速度方向向右,D正确。
2.电熨斗在达到设定温度后就不再升温,当温度降低时又会继续加热,使它与设定温度差不多,在熨烫不同织物时,通过如图所示双金属片温度传感器控制电路的通断,从而自动调节温度,双金属片上层金属的热膨胀系数大于下层金属的热膨胀系数。下列说法正确的是(　　)
A.温度升高时,双金属片会向上弯曲B.调节“调温旋钮”,使螺钉微微上升,可以使设定温度降低C.调节“调温旋钮”,使螺钉微微上升,可以使设定温度升高D.适当增加输入电压,可以使设定温度升高
解析:当温度升高时,双金属片向热膨胀系数小的金属发生弯曲,双金属片上层金属的热膨胀系数大于下层金属的热膨胀系数,所以温度升高时,双金属片会向下弯曲,触点断开,故A错误;调节“调温旋钮”,使螺丝上移并推动弹性铜片上移,双金属片只要稍向下弯曲,就能使触点断开,调节前后对比,双金属片向下弯曲程度要小一些,温度要更低一些,故B正确,C错误;电压不影响设定温度,故D错误。
3.(2024·浙江1月卷)在探究热敏电阻的特性及其应用的实验中,测得热敏电阻Rt在不同温度时的阻值如下表所示。某同学利用上述热敏电阻Rt、电动势E=3 V(内阻不计)的电源、定值电阻R(阻值有3 kΩ、5 kΩ、12 kΩ三种可供选择)、控制开关和加热系统,设计了A、B、C三种电路。因环境温度低于20 ℃,现要求将室内温度控制在
20~28 ℃范围,且1、2两端电压大于2 V,控制开关开启加热系统加热,则应选择的电路是　　　,定值电阻R的阻值应选　　　 kΩ,1、2两端的电压小于　　 V时,自动关闭加热系统(不考虑控制开关对电路的影响)。  
4.(2025·河北卷,节选)某学习小组把热敏电阻置于带有温控的加热装置中,利用图1所示电路研究热敏电阻的温度特性。
(1)闭合开关S,观察到温度改变时电流表示数也随之改变。定量研究热敏电阻的阻值R随温度t变化的规律时,将电阻表两表笔分别接到热敏电阻a、b两端测量其阻值,这时开关S应　　　(选填“断开”或“闭合”)。 
(2)按照正确方法测出不同温度下热敏电阻的阻值。电阻R1、R2与温度t的关系分别对应图2中曲线Ⅰ、Ⅱ。设计电路时,为防止用电器发生故障引起电流异常增大,导致个别电子元件温度过高而损坏,可串联一个热敏电阻抑制电流异常增大,起到过热保护作用。这种热敏电阻与电阻　　　(选填“R1”或“R2”)具有相同温度特性。 
解析:(1)测量电阻时,电阻应未接入电路,此时开关S应断开。(2)由题意可知,为防止电流异常增大,导致个别电子元件损坏,接入的热敏电阻应起过热保护作用,则应在电流异常增大时,电阻迅速增大,从而抑制电流异常增大,由题图2可知这种热敏电阻与电阻R1具有相同的温度特性。
5.(2026·陕西高三联考)某同学根据所学知识制作了一台简易电子秤,原理图如图甲所示,图中电压表可视为理想电压表(量程为0~3 V),滑动变阻器的最大阻值为R=12 Ω,该同学用刻度尺测得滑动变阻器有电阻丝缠绕的ab部分的长度为L=20 cm(电阻丝缠绕均匀)。(1)该同学先利用如图乙所示电路测定电子秤里两节纽扣电池(如图丙所示)的电动势和内阻,根据多次测量得到的数据作出的U'-I图像如图丁所示,可知这两节纽扣电池串联后的电动势为E=　 　V,内阻为r=　　　Ω。  
(2)该同学想得到电压表的示数U与被测物体质量m之间的关系,设计了如下实验:①调节图甲中滑动变阻器滑片的位置,使电压表的示数恰好为零;②在托盘里缓慢加入细砂,直到滑动变阻器的滑片恰好滑到b端,然后调节电阻箱R0,直到电压表达到满偏,实验过程中弹簧一直处于弹性限度内,则此时电阻箱的读数为R0=　　　Ω;  ③已知所用弹簧的劲度系数为k=2.0×102 N/m,重力加速度g取10 m/s2,则该电子秤所能称量的最大质量为m=　　　kg(结果保留两位有效数字)。  
(3)实验过程中所称量物体的质量m和电压表的示数U的关系为　　　(选填“线性”或“非线性”)。  
6.为了节能环保,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来控制,光敏电阻是阻值R随光的照度I变化而发生变化的元件(照度可以反映光的强弱,光越强,照度越大,照度单位为lx)。(1)某光敏电阻在不同照度下的阻值R如下表所示,根据表中的数据,请在图甲的坐标系中描绘出阻值随照度变化的曲线,并判断光敏电阻的阻值R与照度I是否成反比关系。
答:　　　(选填“是”或“否”)。 
(2)图乙为街道路灯自动控制电路,利用直流电源E为电磁铁供电,利用照明电源为路灯供电。为达到天亮灯熄、天暗灯亮的效果,路灯应接在______ (选填“A、B”或“C、D”)之间。  
(3)已知线圈的电阻为140 Ω,直流电源的电动势E=36 V,内阻忽略不计。当线圈中的电流大于10 mA时,继电器的衔铁将被吸合,滑动变阻器R'的阻值应调为　　　Ω时,才能使天色渐暗照度低于1.0 lx时点亮路灯。  (4)使用一段时间后发现,路灯在天色较亮时就已点亮了,为了使路灯能按设计要求点亮和熄灭,变阻器R'的阻值应适当调　　　(选填“大”或“小”)些。  
解析:(1)如图所示。
若光敏电阻的阻值R与照度I成反比关系,则有RI为定值,由图像中的点的数据可得5.8×0.2