2020版高考一轮复习物理新课改省份专用学案：第十一章第3节实验：利用传感器设计并制作简单的自动控制装置

第3节　实验：利用传感器设计并制作简单的自动控制装置

一、实验目的

1．认识热敏电阻、光敏电阻等传感器中的敏感元件。

2．了解传感器的使用方法，利用传感器设计并制作简单的自动控制装置。

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．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、继电器、滑动变阻器、开关、导线等。

部分器材用途：

四、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．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，并通过盖上小孔改变照射到光敏电阻上的光的强度。

五、实验过程

(一)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、小灯泡、滑动变阻器、学生电源按如图甲所示电路连接好，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，观察表盘指针显示光敏电阻阻值的情况，并记录。

(4)用手掌(或黑纸)遮光时光敏电阻阻值又是多少，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：光敏电阻的阻值被光照射时发生变化，光照增强电阻变小，光照减弱电阻变大。

(二)研究热敏电阻的热敏特性

1．实验步骤

(1)按如图乙所示连接好电路，将热敏电阻绝缘处理。

(2)把多用电表置于“欧姆”挡，并选择适当的量程测出烧杯中没有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)根据实验数据和R­t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。

[基础考法]

考法(一)　对热敏电阻的研究和应用

1．如图所示，一热敏电阻RT放在控温容器M内；为毫安表，量程为6 mA，内阻为数十欧姆；E为直流电源，电动势约为3 V，内阻很小；R为电阻箱，最大阻值为999.9 Ω；S为开关。已知RT在95 ℃时的阻值为150 Ω，在20 ℃时的阻值约为550 Ω。现要求在降温过程中测量在20～95 ℃之间的多个温度下RT的阻值。

(1)在图中画出连线，完成实验原理电路图。

(2)完成下列实验步骤中的填空：

a．依照实验原理电路图连线。

b．调节控温容器M内的温度，使得RT的温度为95 ℃。

c．将电阻箱调到适当的阻值，以保证仪器安全。

d．闭合开关，调节电阻箱，记录电流表的示数I0，并记录____________________。

e．将RT的温度降为T1(20 ℃<T1<95 ℃)；调节电阻箱，使得电流表的读数______________，记录__________________________________________________________。

f．温度为T1时热敏电阻的电阻值RT1＝______________。

g．逐步降低T1的数值，直到20 ℃为止；在每一温度下重复步骤e、f。

解析：(1)电阻箱的最大阻值与热敏电阻的最大阻值相差不大，因此电阻箱应与热敏电阻串联，电路图如图所示。

(2)本实验原理是电路对应不同状态时，通过调节电阻箱，使电路中的电流相等，外电路的总电阻相等。RT的温度为95 ℃和降为T1时对应的电路的电阻相等，有150 Ω＋R0＝RT1＋R1，即RT1＝R0－R1＋150 Ω。

答案：(1)见解析图　(2)d.电阻箱的读数R0　e．仍为I0　电阻箱的读数R1　f．R0－R1＋150 Ω

2．利用负温度系数热敏电阻制作的热传感器，一般体积很小，可以用来测量很小范围内的温度变化，反应快，而且精确度高。

(1)如果将负温度系数热敏电阻与电源、电流表和其他元件串联成一个电路，其他因素不变，只要热敏电阻所处区域的温度降低，电路中电流将变________(选填“大”或“小”)。

(2)上述电路中，我们将电流表中的电流刻度换成相应的温度刻度，就能直接显示出热敏电阻附近的温度。如果刻度盘正中的温度为20 ℃(如图甲所示)，则25 ℃的刻度应在20 ℃的刻度的________(选填“左”或“右”)侧。

(3)为了将热敏电阻放置在某蔬菜大棚内检测大棚内温度变化，请用图乙中的器材(可增加元器件)设计一个电路。(请在图乙中作图)

解析：(1)因为负温度系数热敏电阻温度降低时，电阻增大，故电路中电流变小。

(2)由(1)的分析知，温度越高，电流越大，25 ℃的刻度应对应较大电流，故在20 ℃的刻度的右侧。

(3)如图所示。

答案：(1)小　(2)右　(3)见解析图

考法(二)　对光敏电阻的研究和应用

3．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，结合题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内阻时实验误差较小，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

4．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来控制，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：

(1)根据表中数据，请在图甲所示的坐标系中描绘出阻值随照度变化的曲线，并说明阻值随照度变化的特点。

(2)如图乙所示，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)

提供的器材如下：

光敏电阻RP(符号，阻值见上表)；

直流电源E(电动势3 V，内阻不计)；

定值电阻：R1＝10 kΩ，R2＝20 kΩ，R3＝40 kΩ(限选其中之一，并在图中标出)；开关S及导线若干。

解析：(1)光敏电阻的阻值随照度变化的曲线如图1所示，光敏电阻的阻值随照度的增大而减小。

(2)根据串联电阻的正比分压关系，E＝3 V，当照度降低至1.0 lx时，1、2两端电压升至2 V，由图线1知，此时光敏电阻阻值RP＝20 kΩ，URP＝2 V，串联电阻分压UR＝1 V，由＝＝2，得R＝＝10 kΩ，故选定值电阻R1，电路原理图如图2所示。

答案：见解析

[典例]　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”)。

(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________(选填“偏转”或“不偏转”)，接入a、c时指针________(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

[三步稳解题]

1．分析实验目的：制作一个简易的温控装置。

2．确定实验原理：通过继电器和热敏电阻进行控制电路，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。

3．制定数据处理方案：要实现电路控制，电流要超过15 mA，可确定电源的大小；进行电路故障排查时，要用多用电表的电压挡。

[解析]　(1)若实现对30 ℃温度的控制，继电器和Rt的电压U1＝0.015×(20＋199.5)V≈3.29 V，因此符合要求的电源应选E2。若实现对80 ℃温度的控制，对全电路有：U＝I(R继＋Rt＋R)，即6 V＝0.015 A×(20 Ω＋49.1 Ω＋R)，解得R＝330.9 Ω。因此滑动变阻器应选R2。

(2)用多用电表测量直流电压时，选择开关应旋至C(直流电压挡)。

(3)a、b间电压为0，指针不偏转。接入a、c时，多用电表与电源等构成回路，指针偏转。

(4)连接电路时，先用电阻箱代替热敏电阻，调节滑动变阻器阻值，衔铁被吸合时，调节完毕，移除电阻箱换为热敏电阻即可，正确的顺序为⑤④②③①。

[答案]　(1)E2　R2　(2)C　(3)不偏转　偏转　

(4)⑤④②③①

[创新领悟]

[创新考法]

1．(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________(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。

解析：(1)电路图连接如图。

(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择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时，闭合开关，则电路中的电流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

2．材料的电阻随压力的变化而变化的现象称为“压阻效应”，利用这种效应可以测量压力大小。若图甲为某压敏电阻在室温下的电阻—压力特性曲线，其中RF、R0分别表示有、无压力时压敏电阻的阻值。为了测量压力F，需先测量压敏电阻处于压力中的电阻值RF。请按要求完成下列实验。

(1)设计一个可以测量处于压力中的该压敏电阻阻值的电路，在图乙的虚线框中画出实验电路原理图(压敏电阻及所给压力已给出，待测压力大小约为0.4×102～0.8×102 N，不考虑压力对电路其他部分的影响)，要求误差较小，提供的器材如下：

A．压敏电阻，无压力时阻值R0＝6 000 Ω

B．滑动变阻器R，全电阻阻值约200 Ω

C．电流表A，量程2.5 mA，内阻约30 Ω

D．电压表V，量程3 V，内阻约3 kΩ

E．直流电源E，电动势3 V，内阻很小

F．开关S，导线若干

(2)正确接线后，将压敏电阻置于待测压力下，通过压敏电阻的电流是1.33 mA，电压表的示数如图丙所示，则电压表的读数为________ V。

(3)此时压敏电阻的阻值为________ Ω；结合图甲可知待测压力的大小F＝________ N。(计算结果均保留两位有效数字)

解析：(1)根据题述对实验电路的要求，应该采用分压式接法、电流表内接的电路，原理图如图所示。

(2)根据电压表读数规则，电压表读数为2.00 V。

(3)由欧姆定律，此时压敏电阻的阻值为RF＝－RA≈1.5×103 Ω，＝4，由题图甲可知，对应的待测压力F＝60 N。

答案：(1)见解析图　(2)2.00　(3)1.5×103　60