2022届高考物理一轮突破实验十六 利用传感器制作简单的自动控制装置.docx

1、实验十六利用传感器制作简单的自动控制装置实验目的和器材实验原理实验目的1.认识热敏电阻、光敏电阻等传感器中的敏感元件。2.了解传感器在自动控制装置中的应用。1.闭合电路的欧姆定律,用多用电表的欧姆挡进行测量和观察。2.工作过程如图实验器材热敏电阻、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【实验过程】1.研究热敏电阻的特性:(1)按实验原理图甲连接好电路,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

2、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。(5)画出热敏电阻的阻值随温度变化的图线。(6)根据实验数据和R-t图线,分析得到热敏电阻的特性。2.研究光敏电阻的光敏特性:(1)将光敏电阻、多用电表、灯泡、滑动变阻器按实验原理图乙所示连接好电路,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;光照强度弱中强无光照射阻值/(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,观察多用电表表盘指针指示电阻阻值的情况,并记录;(4)用手掌(或黑纸)遮光时,观察多用电表表盘指针指示电阻阻值的情况,并

3、记录。(5)数据处理根据记录的数据分析光敏电阻的特性。【误差分析】1.温度计读数带来的误差。2.多用电表读数带来的误差。3.热敏电阻水温不同所带来的误差。4.作R-t图象所带来的误差。【注意事项】1.在研究热敏电阻的特性实验中,加热水后要等一会儿再测热敏电阻阻值,以使电阻温度与水的温度相同,并同时读出水温。2.研究光敏电阻的光敏特性实验中,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射到光敏电阻上的光的多少来达到实验目的。3.欧姆表每次换挡后都要重新进行欧姆调零。教材原型实验【典例1】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

4、值约10 ,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端接触,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端接触,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0100 mA,内阻约2 B.量程00.6 A,内阻可忽略(2)实验过程中,要将电阻箱的阻值由9.9 调节至10.0 ,需旋转图中电阻箱的旋钮“a”“b”“c”,正确的操作顺序是。 将旋钮a由“0”旋转至“1”将旋钮b由“9”旋转至“0”将旋钮c由“9”

5、旋转至“0”(3)实验记录的t和R的数据见表格:温度t/20.040.060.080.0100.0阻值R/9.610.411.112.112.8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=。 创新型实验类型一不变目的变装置(温控电路)【典例2】(2020全国卷)已知一热敏电阻当温度从10 升至60 时阻值从几千欧姆降至几百欧姆,某同学利用伏安法测量其阻值随温度的变化关系。所用器材:电源E、开关S、滑动变阻器R(最大阻值为20 )、电压表(可视为理想电表)和毫安表(内阻约为100 )。(1)在所给的器材符号之间画出连线,组成测量电路图。(2)实验时,将热敏电阻置于温

6、度控制室中,记录不同温度下电压表和毫安表的示数,计算出相应的热敏电阻阻值。若某次测量中电压表和毫安表的示数分别为5.5 V和3.0 mA,则此时热敏电阻的阻值为k(保留2位有效数字)。实验中得到的该热敏电阻阻值R随温度t变化的曲线如图(a)所示。(3)将热敏电阻从温控室取出置于室温下,测得达到热平衡后热敏电阻的阻值为2.2 k。由图(a)求得,此时室温为(保留3位有效数字)。(4)利用实验中的热敏电阻可以制作温控报警器,其电路的一部分如图(b)所示。图中,E为直流电源(电动势为10 V,内阻可忽略);当图中的输出电压达到或超过6.0 V时,便触发报警器(图中未画出)报警。若要求开始报警时环境温

7、度为50 ,则图中(选填“R1”或“R2”)应使用热敏电阻,另一固定电阻的阻值应为k(保留2位有效数字)。类型二不变目的变装置(光控电路)【典例3】一台臭氧发生器P的电阻为10 k,当供电电压等于24 V时能正常工作,否则不产生臭氧。现要用这种臭氧发生器制成自动消毒装置,要求它在有光照时能产生臭氧,在黑暗时不产生臭氧,拟用一个光敏电阻R1对它进行控制,R1的阻值在有光照时为100 ,黑暗时为1 000 ,允许通过的最大电流为3 mA;电源E的电压为36 V,内阻不计;另有一个滑动变阻器R2,阻值为0100 ,允许通过的最大电流为0.4 A;一个开关S和导线若干。臭氧发生器P和光敏电阻R1的符号

8、如图所示。设计一个满足上述要求的电路图,图中各元件要标上字母代号,其中滑动变阻器两固定接线柱端分别标上字母A、B。(电路图画在虚线框内)类型三不变装置变目的(测质量)【典例4】传感器是把非电学量(如速度、温度、压力等)的变化转换成电学量的变化的一种元件,在自动控制中有着相当广泛的应用。有一种测量人的体重的电子秤,其测量部分的原理图如图中的虚线框所示,它主要由压力传感器R(电阻值会随所受压力大小发生变化的可变电阻)和显示体重大小的仪表(实质是理想电流表)组成。压力传感器表面能承受的最大压强为1107 Pa,且已知压力传感器的电阻R与所受压力的关系如表所示。设踏板和压杆的质量可以忽略不计,接通电源

9、后,压力传感器两端的电压恒为4.8 V,g取10 m/s2。请作答:压力F/N02505007501 0001 2501 500电阻R/300270240210180150120(1)该秤零点(即踏板空载时)的刻度线应标在电流表刻度盘A处。(2)如果某人站在该秤踏板上,电流表刻度盘的示数为20 mA,这个人的质量是kg。答案解析教材原型实验【典例1】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 ,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端接触,调节金属电阻的温度,分别记下温度t1、t2和

10、电流表的相应示数I1、I2。然后将开关S1与2端接触,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0100 mA,内阻约2 B.量程00.6 A,内阻可忽略(2)实验过程中,要将电阻箱的阻值由9.9 调节至10.0 ,需旋转图中电阻箱的旋钮“a”“b”“c”,正确的操作顺序是。 将旋钮a由“0”旋转至“1”将旋钮b由“9”旋转至“0”将旋钮c由“9”旋转至“0”(3)实验记录的t和R的数据见表格:温度t/20.040.060.080.0100.0阻值R/9.610.411.112.112.8请根据表中数据,在

11、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=。 【解析】(1)由题干知常温下金属电阻阻值约为R=10 ,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。(3)根据实验数据描点作图如图。由图象结合数学知识写出图象的解析式为R=kt+R0由图象得R0=8.8 。k=0.04 /。故图象解析式为R=0.04t+8.8 ()。答案:(1)A(2)(或)(3)见解析图0.04t+8.8(0.04t+8.60.04t+9.0都算对)创新型实验类型一不变

12、目的变装置(温控电路)【典例2】(2020全国卷)已知一热敏电阻当温度从10 升至60 时阻值从几千欧姆降至几百欧姆,某同学利用伏安法测量其阻值随温度的变化关系。所用器材:电源E、开关S、滑动变阻器R(最大阻值为20 )、电压表(可视为理想电表)和毫安表(内阻约为100 )。(1)在所给的器材符号之间画出连线,组成测量电路图。(2)实验时,将热敏电阻置于温度控制室中,记录不同温度下电压表和毫安表的示数,计算出相应的热敏电阻阻值。若某次测量中电压表和毫安表的示数分别为5.5 V和3.0 mA,则此时热敏电阻的阻值为k(保留2位有效数字)。实验中得到的该热敏电阻阻值R随温度t变化的曲线如图(a)所

13、示。(3)将热敏电阻从温控室取出置于室温下,测得达到热平衡后热敏电阻的阻值为2.2 k。由图(a)求得,此时室温为(保留3位有效数字)。(4)利用实验中的热敏电阻可以制作温控报警器,其电路的一部分如图(b)所示。图中,E为直流电源(电动势为10 V,内阻可忽略);当图中的输出电压达到或超过6.0 V时,便触发报警器(图中未画出)报警。若要求开始报警时环境温度为50 ,则图中(选填“R1”或“R2”)应使用热敏电阻,另一固定电阻的阻值应为k(保留2位有效数字)。【解析】(1)由于毫安表的内阻比热敏电阻的阻值小不了很多,所以电流表采用外接法,滑动变阻器R(最大阻值为20 )阻值较小,所以电路采用分

14、压式,故电路图如图所示。(2)由欧姆定律可得热敏电阻的阻值R=1.8103 =1.8 k。(3)由图(a)可知,热敏电阻的阻值为2.2 k时,室温约为25.5 。(4)由图(a)可知,热敏电阻的阻值随温度的升高而减小,而图中要求输出电压达到或超过6.0 V时,报警器报警,根据串联电路中电压与电阻成正比,可知R1 应使用热敏电阻。当热敏电阻的温度为50 时,热敏电阻R1的阻值为0.8 k,所以=,解得另一固定电阻R2的阻值为1.2 k。答案:(1)见解析图(2)1.8(3)25.5(4)R11.2类型二不变目的变装置(光控电路)【典例3】一台臭氧发生器P的电阻为10 k,当供电电压等于24 V时

15、能正常工作,否则不产生臭氧。现要用这种臭氧发生器制成自动消毒装置,要求它在有光照时能产生臭氧,在黑暗时不产生臭氧,拟用一个光敏电阻R1对它进行控制,R1的阻值在有光照时为100 ,黑暗时为1 000 ,允许通过的最大电流为3 mA;电源E的电压为36 V,内阻不计;另有一个滑动变阻器R2,阻值为0100 ,允许通过的最大电流为0.4 A;一个开关S和导线若干。臭氧发生器P和光敏电阻R1的符号如图所示。设计一个满足上述要求的电路图,图中各元件要标上字母代号,其中滑动变阻器两固定接线柱端分别标上字母A、B。(电路图画在虚线框内)【解析】为了能控制臭氧发生器,应该用滑动变阻器的分压式接法,有光照时P

16、能正常工作,无光照时P不工作。电路图如图所示:答案:见解析图类型三不变装置变目的(测质量)【典例4】传感器是把非电学量(如速度、温度、压力等)的变化转换成电学量的变化的一种元件,在自动控制中有着相当广泛的应用。有一种测量人的体重的电子秤,其测量部分的原理图如图中的虚线框所示,它主要由压力传感器R(电阻值会随所受压力大小发生变化的可变电阻)和显示体重大小的仪表(实质是理想电流表)组成。压力传感器表面能承受的最大压强为1107 Pa,且已知压力传感器的电阻R与所受压力的关系如表所示。设踏板和压杆的质量可以忽略不计,接通电源后,压力传感器两端的电压恒为4.8 V,g取10 m/s2。请作答:压力F/N02505007501 0001 2501 500电阻R/300270240210180150120(1)该秤零点(即踏板空载时)的刻度线应标在电流表刻度盘A处。(2)如果某人站在该秤踏板上,电流表刻度盘的示数为20 mA,这个人的质量是kg。【解析】(1)由题表格知,踏板空载时,压力传感器的电阻R=300 ,此时电流表中电流I= A=1.610-2 A。(2)当电流I=20 mA=210-2 A时,压力传感器的电阻R= =240 ,由表格可知,这个人受到的重力为500 N,此人质量为50 kg。答案:(1)1.610-2(2)50