2024年高考物理复习第一轮：创新实验课(15)　利用传感器制作简单的自动控制装置

这是一份2024年高考物理复习第一轮：创新实验课(15)　利用传感器制作简单的自动控制装置，共12页。试卷主要包含了实验基本技能，规律方法总结等内容，欢迎下载使用。

实验基础知识
一、实验基本技能
1．实验目的
(1)了解传感器的工作过程，探究热敏电阻和光敏电阻等敏感元件的特性．
(2)学会传感器的简单使用并会制作简单的自动控制装置．
2．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)其工作过程如下图所示．

3．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．
4．实验步骤
(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．(如下表)
次数
待测量　　
1
2
3
4
5
6
温度(℃)






电阻(Ω)






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R­T图中，得图像如图乙所示．
(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，观察表盘指针显示电阻阻值的变化情况，并记录．用手掌(或黑纸)遮光时电阻值又是多少，并记录．
④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．
光照强度
弱
中
强
无光照射
阻值(Ω)




结论：光敏电阻的阻值在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．
二、规律方法总结
1．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)做R­T图像时的不规范易造成误差．
2．注意事项
(1)在做热敏实验时，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)欧姆表每次换挡后都要重新欧姆调零．
命题点一　温度传感器
　由半导体材料制成的热敏电阻阻值是温度的函数．基于热敏电阻对温度敏感原理制作一个火灾报警系统，要求热敏电阻温度升高至50 ℃时，系统开始自动报警．所用器材有：直流电源E(36 V，内阻不计)；电流表(量程250 mA，内阻约0.1 Ω)；电压表(量程50 V，内阻约1 MΩ)；热敏电阻RT；报警器(内阻很小，流过的电流超过10 mA时就会报警，超过30 mA时就会损伤)；滑动变阻器R1(最大阻值4000 Ω)；电阻箱R2(最大阻值9999.9 Ω)；单刀单掷开关S1；单刀双掷开关S2；导线若干．
(1)用图(a)所示电路测量热敏电阻R1的阻值，当温度为27 ℃时，电压表读数为30.0 V，电流表读数为15.0 mA；当温度为50 ℃时，调节R1，使电压表读数仍为30.0 V，电流表指针位置如图(b)所示．
温度为50 ℃时，热敏电阻的阻值为________Ω，从实验原理上看，该方法测得的阻值比真实值略微________(填“偏大”或“偏小”)．如果热敏电阻阻值随温度升高而变大，则其为正温度系数热敏电阻，反之为负温度系数热敏电阻．基于以上实验数据可知，该热敏电阻RT为________(填“正”或“负”)温度系数热敏电阻．

(2)某同学搭建一套基于该热敏电阻的火灾报警系统，实物图连线如图(c)所示，其中有一个器件的导线连接有误，该器件为________________(填器件名称)．正确连接后，先使用电阻箱R2进行调试，其阻值设置为________Ω，滑动变阻器R1阻值从最大逐渐减小，直至报警器开始报警，此时滑动变阻器R1连入电路的阻值为________Ω.调试完毕后，再利用单刀双掷开关S2的选择性开关功能，把热敏电阻RT接入电路，可方便实现调试系统和工作系统的切换．

解析：(1)由图(b)可知，电流表的示数为50 mA，则此时热敏电阻的阻值为RT＝＝ Ω＝600 Ω，该方法所测电流值为真实电流值，所测电压值为热敏电阻和电流表两端的总电压，故根据R＝，可知此时所测电阻值偏大；在相同电压下，温度越高，通过电流越大，说明热敏电阻的阻值随温度的升高而降低，故RT为负温度系数热敏电阻．
(2)滑动变阻器R1的导线连接有误，两根导线都连接在上端，无法起到改变接入电阻阻值的作用，应一上一下连接；先使用电阻箱R2进行调试，其阻值应设置为50 ℃时RT的电阻值，即600 Ω；此时要求刚好在50 ℃时自动报警，则通过电路的电流为10 mA，报警器和电流表的电阻很小，可忽略不计，可得此时滑动变阻器的阻值为R1＝－RT＝3000 Ω.
答案：(1)600　偏大　负
(2)滑动变阻器R1　600　3000
[对点演练]
1．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________(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________(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，负温度系数热敏电阻的阻值越小，电路中电流越大，25 ℃的刻度应对应较大电流，故在20 ℃的刻度的右侧．
(3)电路如图所示．

答案：(1)小　(2)右　(3)见解析图
命题点二　光电传感器
　小明同学为了测定某太阳能硅光电池组的电动势和内阻，设计了如图所示的电路，在一定光照条件下进行实验．

(1)请根据图1完成图2中实物的连线．

(2)将测量出来的数据记录在下表中，其中第4组数据的电压如图3所示，则此时电压为________V.


1
2
3
4
5
6
7
8
U/V
1.77
1.75
1.70

1.54
1.27
1.00
0.50
I/μA
12
30
48
60
68
76
80
86
(3)将这些数据在图4中描点，第4组数据还未描出．
a．请在图4中描出第4组数据的点，作出该硅光电池组的U­I图像．
b．由U­I图像知，该硅光电池组的电动势E＝________V，电池组的内阻随其输出电流的变化而改变，在电流为80μA时，该电池组的内阻r＝________kΩ(保留三位有效数字)．
解析：(1)根据题图1连接实物电路图，实物电路图如图甲所示．

甲
(2)由题表中实验数据可知电压表最大测量值为1.77 V，则电压表量程为3 V，由题图3所示电压表可知，其分度值为0.1 V，示数为1.65 V.
(3)a.把第四组数据标在坐标系内，根据坐标系内描出的点做出图像，如图乙所示．

乙
b．由图像可知，该硅光电池组的电动势E＝1.80 V.
在电流为80 μA时，由表格数据得到路端电压为1.00 V，
根据闭合电路欧姆定律，E＝U＋Ir，
解得r＝＝ Ω＝10.0 kΩ.
答案：(1)见解析图甲　(2)1.65
(3)a.见解析图乙　b．1.80　10.0
[对点演练]
2．电控调光玻璃能根据光照强度自动调节玻璃的透明度，将光敏电阻Rx和定值电阻R0接在9 V的电源上，电源内阻不计，光敏电阻阻值随光强变化关系如表所示：
光强E/cd
1
2
3
4
5
电阻值/Ω
18
9
6

3.6
[“光强”是表示光强弱程度的物理量，符号为E，单位坎德拉(cd)]
(1)当光照强度为4坎德拉(cd)时光敏电阻Rx的大小为________Ω.
(2)其原理是光照增强，光敏电阻Rx阻值变小，施加于玻璃两端的电压降低，玻璃透明度下降，反之则玻璃透明度上升．若电源电压不变，R0是定值电阻，则下列电路图中符合要求的是________(填序号)．

(3)现已知定值电阻R0为12 Ω，用电压表测得光敏电阻两端的电压为3 V，则此时光照强度为________．
解析：(1)由表格数据可知，光敏电阻Rx与光强E的乘积均为18 Ω·cd不变，则当E＝4 cd时，光敏电阻的阻值Rx＝＝4.5 Ω.
(2)由题意可知，光敏电阻Rx与定值电阻R0串联连接，光照增强时，光敏电阻Rx阻值减小，电路中的总电阻减小，由I＝可知，电路中的电流增大，由U＝IR可知，R0两端的电压增大，因串联电路中总电压等于各分电压之和，所以Rx两端的电压减小，反之光照减弱时，光敏电阻Rx阻值增大，R0两端的电压减小，Rx两端的电压增大，则玻璃并联在R0两端时不符合，玻璃并联在Rx两端时符合，故A项错误，C项正确；若玻璃与电源并联，光照变化时，玻璃两端的电压不变，故B、D错误．
(3)当R0＝12 Ω，光敏电阻两端的电压Ux＝3 V，因串联电路中总电压等于各分电压之和，R0两端的电压：U0＝U－Ux＝9 V－3 V＝6 V，因串联电路中各处的电流相等，所以电路中的电流I＝＝，即＝，解得Rx′＝6 Ω，此时光照强度E′＝＝3 cd.
答案：(1)4.5　(2)C　(3)3 cd
命题点三　创新拓展实验
实验原理的创新
实验器材的创新

1．利用热敏电阻来控制电路，使之成为温度报警系统，在设置报警温度时，借助于电阻箱进行电阻设置，使之达到报警的温度进行报警．
2．可以设计成可调温度的报警器.

1．本题将电压传感器和电流传感器代替电压表和电流表设计描绘小灯泡的U­I曲线电路原理图．
2．描绘等效电源的U­I图线，结合小灯泡的U­I特性曲线求出小灯泡的实际功率.
　在实际应用中有多种自动控温装置．




(1)图(a)为某自动恒温箱原理图，箱内的电阻R1＝2 kΩ，R2＝1.5 kΩ，R3＝4 kΩ，Rt为热敏电阻，其电阻随温度变化的图像如图(b)所示．当a、b两点电势φa＜φb时，电压鉴别器会令开关S接通，恒温箱内的电热丝发热，使箱内温度提高；当φa≥φb时，电压鉴别器会使S断开，停止加热．恒温箱内的稳定温度为________℃，恒温箱内的电热丝加热时Rt的取值范围为________．
(2)有一种由PTC元件做成的加热器，它产生的焦耳热功率PR随温度t变化的图像如图(c)所示．该加热器向周围散热的功率为PQ＝k(t－t0)，其中t为加热器的温度，t0为室温(本题中取20 ℃)，k＝0.1 W/℃.
①当PR＝PQ时加热器的温度即可保持稳定，则该加热器工作的稳定温度为________℃；
②某次工作中，该加热器从室温升高至稳定温度的过程中，下列温度变化过程用时最短的是________．(填选项前的字母序号)
A．20 ℃～24 ℃　　　 B．32 ℃～36 ℃
C．48 ℃～52 ℃ D．60 ℃～64 ℃
解析：(1)由题图(a)，当满足＝时，即Rt＝3 kΩ时φa＝φb，此时由题图(b)可知温度为25 ℃，即恒温箱内的稳定温度为25 ℃；恒温箱内的电热丝加热时Rt的取值范围为Rt＞3 kΩ.
(2)①PQ＝0.1(t－t0)，PQ与温度t之间关系的图像如图所示．

由图可知，当温度为72 ℃左右时，发热功率和散热功率相等，即此时物体的温度不再变化．
②发热和散热功率差值越大，升温越快，故选B.
答案：(1)25　Rt＞3 kΩ
(2)①70～72均可　②B
[对点演练]
3．(实验原理的创新)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1000 Ω)，滑动变阻器R2(最大阻值为2000 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．
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≈1150.0 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)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
4．(实验器材的创新)实验室备有以下器材：电压传感器、电流传感器、滑动变阻器R1(阻值变化范围0～20 Ω)、滑动变阻器R2(阻值变化范围0～1000 Ω)、电动势适当的电源、小灯泡(4 V　2 W)、开关、导线若干．
(1)要完整地描绘小灯泡的U­I曲线，请在方框中画出实验电路图，并标出所用滑动变阻器的符号．

(2)实验中描绘出的小灯泡U­I曲线如图甲所示，由图可知，小灯泡灯丝电阻随温度升高而________(选填“增大”“减小”或“不变”)．
(3)如果用上述器材测量所给电源的电动势和内电阻，实验电路如图乙所示，图中R0是阻值为9.0 Ω的保护电阻，实验中测得多组数据记录在下表中，试在同一坐标系中画出等效电源的U­I图像，由图像可求出电源自身内阻约为________Ω.
序号
1
2
3
4
5
6
U/V
4.00
3.40
2.80
2.00
1.50
0.80
I/A
0.20
0.26
0.33
0.40
0.46
0.52

(4)若将上述小灯泡直接与电源和保护电阻组成串联电路，如图丙所示，此时小灯泡消耗的电功率约为________W．(保留两位有效数字)
解析： (1)描绘小灯泡的伏安特性曲线，电压与电流应从零开始变化，滑动变压器要采用分压接法，由于灯泡的阻值较小，电流传感器应用外接法，电路图如图1所示．
(2)由题图所示U­I图线可知，随电压和电流的增大，灯泡实际功率增大，灯丝温度升高，电压与电流的比值增大，由此可知，灯泡灯丝电阻随温度升高而增大．
(3)根据表中数据做出电源U­I图线如图2所示，由图示图线可知，电源内阻r＝－R0＝ Ω－9 Ω＝1 Ω.

(4)由图2可知，小灯泡两端电压为2.2 V，电流为0.38 A，则小灯泡的电功率为P＝UI＝2.2×0.38 W≈0.84 W.
答案：(1)见解析图1　(2)增大　(3)见解析图2　1　(4)0.84