資源簡介

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第4講
目標(biāo)
要求
1.掌握制作傳感器常用元件：光敏電阻、熱敏電阻、金屬熱電阻、電阻應(yīng)變片、霍爾元件的基本特性及工作原理.2.探究傳感器的工作原理及傳感器應(yīng)用的一般模式.3.能利用傳感器制作簡單的自動控制裝置.
傳感器　實(shí)驗：利用傳感器制作簡單的自動控制裝置
內(nèi)容索引
考點(diǎn)一　常見的傳感器
考點(diǎn)二　實(shí)驗：利用傳感器制作簡單的自動控制裝置
課時精練
考點(diǎn)一
常見的傳感器
一、傳感器及其工作原理
1.傳感器的工作原理：能夠感受諸如力、溫度、光、聲、化學(xué)成分等被測量，并能把它們按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換為便于傳送和處理的可用信號輸出.通常轉(zhuǎn)換成的可用信號是電壓、電流等 量，或轉(zhuǎn)換為電路的_____.把非電學(xué)量轉(zhuǎn)換為電學(xué)量，可以很方便地進(jìn)行測量、 、處理和_____.
傳感器應(yīng)用的一般模式如圖所示：
梳理
必備知識
電學(xué)
通斷
傳輸
控制
2.傳感器的核心元件
(1)敏感元件：能直接感受或響應(yīng)外界被測非電學(xué)量的部分.
(2)轉(zhuǎn)換元件：能將敏感元件輸出的信號直接轉(zhuǎn)換成 的部分.
(3)信號調(diào)整與轉(zhuǎn)換電路：能把輸出的微弱的電信號放大的部分.
電信號
3.傳感器的分類
工作原理 舉例
物理傳感器 利用物質(zhì)的物理特性或物理效應(yīng)感知并檢測出待測對象信息 力傳感器、磁傳感器、聲傳感器等
化學(xué)傳感器 利用電化學(xué)反應(yīng)原理，把無機(jī)或有機(jī)化學(xué)物質(zhì)的成分、濃度轉(zhuǎn)換為電信號 離子傳感器、氣體傳感器等
生物傳感器 利用生物活性物質(zhì)的選擇性來識別和測定生物化學(xué)物質(zhì) 酶傳感器、微生物傳感器、細(xì)胞傳感器等
二、常見敏感元件
1.光敏電阻
(1)特點(diǎn)：光照越強(qiáng)，電阻 .
(2)原因：光敏電阻的構(gòu)成物質(zhì)為半導(dǎo)體材料，無光照時，載流子極少，導(dǎo)電性能 ；隨著光照的 ，載流子增多，導(dǎo)電性 .
(3)作用：把 這個光學(xué)量轉(zhuǎn)換為 這個電學(xué)量.
越小
增強(qiáng)
差
變好
光照強(qiáng)弱
電阻
2.熱敏電阻和金屬熱電阻
(1)熱敏電阻
熱敏電阻一般由半導(dǎo)體材料制成，其電阻隨溫度的變化明顯，溫度升高電阻 ，如圖甲所示為某一熱敏電阻的阻值隨溫度變化的特性曲線.
減小
(2)金屬熱電阻
有些金屬的電阻率隨溫度的升高而 ，這樣的電阻也可以制作溫度傳感器，稱為熱電阻，如圖乙所示為某金屬導(dǎo)線電阻的溫度特性曲線.
增大
(3)作用：熱敏電阻和金屬熱電阻都能夠把溫度這個熱學(xué)量轉(zhuǎn)換為電阻這個電學(xué)量.
注意：在工作溫度范圍內(nèi)，電阻值隨溫度上升而增加的是正溫度系數(shù)(PTC)熱敏電阻器；電阻值隨溫度上升而減小的是負(fù)溫度系數(shù)(NTC)熱敏電阻器.
3.電阻應(yīng)變片
(1)電阻應(yīng)變片的作用：電阻應(yīng)變片能夠把物體 這個力學(xué)量轉(zhuǎn)換為_____這個電學(xué)量.
(2)電子秤的組成及敏感元件：由 和電阻 組成，敏感元件是 .
(3)電子秤的工作原理
形變
電阻
金屬梁
應(yīng)變片
應(yīng)變片
1.傳感器是把非電學(xué)量轉(zhuǎn)換為電學(xué)量的元件.(　　)
2.傳感器只能感受溫度和光兩個物理量.(　　)
3.隨著光照的增強(qiáng)，光敏電阻的電阻值逐漸增大.(　　)
4.電子秤所使用的測力裝置是力傳感器，它是把力信號轉(zhuǎn)換為電壓信號.(　　)
×
√
×
√
霍爾元件的應(yīng)用
霍爾元件是根據(jù)霍爾效應(yīng)原理制成的一種磁敏元件.一般用于電機(jī)中測定轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，如錄像機(jī)的磁鼓、電腦中的散熱風(fēng)扇等.
(1)霍爾元件的工作原理：E、F間通入恒定的電流I，同時外加與薄片垂直的磁場B時，薄片中的載流子就在洛倫茲力作用下，向著與電流和磁場都垂直的方向漂移，使M、N間出現(xiàn)電壓(如圖所示).
提升
關(guān)鍵能力
(2)霍爾元件在電流、電壓穩(wěn)定時，載流子所受電場力和洛倫茲力二力平衡.
(3)霍爾電壓：UH＝　 (d為薄片的厚度，k為霍爾系數(shù)).其中UH與B成正比，所以霍爾元件能夠把磁感應(yīng)強(qiáng)度這個磁學(xué)量轉(zhuǎn)換為電壓這個電學(xué)量.
例1　(2022·重慶卷·11)某興趣小組研究熱敏電阻在通以恒定電流時，其阻值隨溫度的變化關(guān)系.實(shí)驗電路如圖所示，實(shí)驗設(shè)定恒定電流為50.0 μA，主要實(shí)驗器材有：恒壓直流電源E、加熱器、測溫儀、熱敏電阻RT、可變電阻R1、電流表A、電壓表V.
(1)用加熱器調(diào)節(jié)RT的溫度后，為使電流表的示數(shù)仍為50.0 μA，須調(diào)節(jié)____________(選填一種給定的實(shí)驗器材).當(dāng)RT兩端未連接電壓表時，電流表示數(shù)為50.0 μA；連接電壓表后，電流表示數(shù)顯著增大，須將原電壓表更換為內(nèi)阻_________(選填“遠(yuǎn)大于”“接近”或“遠(yuǎn)小于”)RT阻值的電壓表.
可變電阻R1
遠(yuǎn)大于
由題知恒壓直流電源E的電動勢不變，而用加熱器調(diào)節(jié)RT的溫度后，導(dǎo)致整個回路的總電阻改變.而要確保電流表的示數(shù)仍為50.0 μA，則需控制整個回路的總電阻不變，故須調(diào)節(jié)可變電阻R1.
連接電壓表后，電流表示數(shù)顯著增大，則說明電壓表與RT并聯(lián)后R總
減小，則根據(jù)并聯(lián)電阻的關(guān)系有R總＝　　　　　　　，則要保證R總
不變，須將原電壓表更換為內(nèi)阻遠(yuǎn)大于RT阻值的電壓表.
(2)測得RT兩端的電壓隨溫度的變化如圖所示，由圖可得溫度從35.0 ℃變化到40.0 ℃的過程中，RT的阻值隨溫度的平均變化率是_______ kΩ·℃－1
(保留2位有效數(shù)字).
－1.2
實(shí)驗設(shè)定恒定電流為50.0 μA，由題圖可得溫度為35.0 ℃時電壓表的電壓為1.6 V，則根據(jù)歐姆定律可知此時熱敏電阻RT1＝32 kΩ；溫度為40.0 ℃時電壓表的電壓為1.3 V，則根據(jù)歐姆定律可知此時熱敏電
阻RT2＝26 kΩ，則溫度從35.0 ℃變化到40.0 ℃的過程中，RT的阻值隨溫度的平均變化率是k＝　　＝－1.2 kΩ·℃－1，負(fù)號表示隨著溫度升高RT的阻值減小.
例2　為了節(jié)能和環(huán)保，一些公共場所用光控開關(guān)控制照明系統(tǒng)，光控開關(guān)可用光敏電阻控制，如圖甲所示是某光敏電阻阻值隨光的照度變化曲線，照度可以反映光的強(qiáng)弱，光越強(qiáng)照度越大，照度單位為：勒克斯(lx).
(1)如圖乙所示，電源電動勢為3 V，內(nèi)阻不計，當(dāng)控制開關(guān)兩端電壓上升至2 V時，控制開關(guān)自動啟動照明系統(tǒng).要求當(dāng)天色漸暗照度降至1.0 lx時控制開關(guān)接通照明系統(tǒng)，則R1＝____ kΩ.
10
(2)某同學(xué)為了測量光敏電阻在不同照度下的阻值，設(shè)計了如圖丙所示的電路進(jìn)行測量，電源(E＝3 V，內(nèi)阻未知)，電阻箱(0～99 999 Ω).實(shí)驗時將電阻箱阻值置于最大，閉合S1，將S2與1相連，減小電阻箱阻值，使靈敏電流計的示數(shù)為I，圖丁為實(shí)驗時電阻箱的阻值，其讀數(shù)為______ kΩ；然后將S2與2相連，調(diào)節(jié)電阻箱的阻值如圖戊所示，此時電流表的示數(shù)恰好為I，則光敏電阻的阻值為_____ kΩ(結(jié)果均保留3位有效數(shù)字).
62.5
40.0
題圖丁所示電阻箱讀數(shù)為R2＝62.5 kΩ，題圖戊所示電阻箱讀數(shù)R2′＝22.5 kΩ，本題采用等效替代法測電阻，前后兩次電路中的電流相等，則電路中的總電阻相等，則有R2＝R0′＋R2′，所以R0′＝40.0 kΩ.
例3　(多選)如圖是霍爾元件的工作原理示意圖，如果用d表示薄片的厚度，k為霍爾系數(shù)，對于一個霍爾元件d、k為定值，如果保持I恒定，則可以驗證UH隨B的變化情況.以下說法正確的是(工作面是指較大的平面)
A.將永磁體的一個磁極逐漸靠近霍爾元件的工作
面，UH將變大
B.在測定地球兩極的磁場強(qiáng)弱時，霍爾元件的工
作面應(yīng)保持水平
C.在測定地球赤道上的磁場強(qiáng)弱時，霍爾元件的工作面應(yīng)保持水平
D.改變磁感線與霍爾元件工作面的夾角，UH將發(fā)生變化
√
√
√
地球兩極的磁場方向在豎直方向上，所以霍爾元件的工作面應(yīng)保持水平，使B與工作面垂直，選項B正確；
地球赤道上的磁場沿水平方向，只有霍爾元件的工作面在豎直方向且垂直于南北方向時，B才與工作面垂直，選項C錯誤；
改變磁感線與霍爾元件工作面的夾角，B垂直工作面分量的大小發(fā)生變化，UH將發(fā)生變化，選項D正確.
將永磁體的磁極逐漸靠近霍爾元件的工作面時，B增大，I恒定，由公式UH＝　 知UH將變大，選項A正確；
考點(diǎn)二
實(shí)驗：利用傳感器制作簡單的自動控制裝置
一、門窗防盜報警裝置
1.實(shí)驗?zāi)康模毫私忾T窗防盜報警裝置，會組裝門窗防盜報警裝置.
2.電路如圖所示.
3.工作原理：閉合電路開關(guān)S，系統(tǒng)處于防盜狀態(tài).當(dāng)門窗緊閉時，磁體M靠近干簧管SA，干簧管兩個簧片被磁化相吸而接通繼電器線圈K，使繼電器工作.繼電器的動觸點(diǎn)c與常開觸點(diǎn)a接通，發(fā)光二極管LED發(fā)光，顯示電路處于正常工作狀態(tài).當(dāng)門窗開啟時，磁體離開干簧管，干簧管失磁斷開，繼電器被斷電.繼電器的動觸點(diǎn)c與常閉觸點(diǎn)b接通，蜂鳴器H發(fā)聲報警.干簧管在電路中起傳感器和控制開關(guān)的作用，繼電器則相當(dāng)于一個自動的雙向開關(guān).
4.實(shí)驗器材
干簧管SA、繼電器、發(fā)光二極管LED、蜂鳴器H、電源、導(dǎo)線若干、開關(guān)、電阻R、小磁體.
5.實(shí)驗步驟
(1)連接電路前，要先判斷一下干簧管是否可以正常工作.用磁體直接靠近干簧管，觀察簧片能否正常工作.
(2)確定各元件可以正常工作后，按照電路圖連接電路.
(3)接通電源后，將磁體靠近和離開干簧管，分別觀察實(shí)驗現(xiàn)象.
二、光控開關(guān)
1.實(shí)驗?zāi)康模毫私夤饪亻_關(guān)電路及控制原理，會組裝光控開關(guān).
2.電路如圖所示.
3.工作原理：當(dāng)環(huán)境光比較強(qiáng)時，光敏電阻RG的阻值很小，三極管不導(dǎo)通，發(fā)光二極管或繼電器所在的回路相當(dāng)于斷路，即發(fā)光二極管不工作；繼電器處于常開狀態(tài)，小燈泡L不亮.當(dāng)環(huán)境光比較弱時，光敏電阻RG的阻值變大，三極管導(dǎo)通，且獲得足夠的基極電流，產(chǎn)生較大的集電極電流， 點(diǎn)亮發(fā)光二極管或驅(qū)動繼電器吸合而點(diǎn)亮小燈泡L.
4.實(shí)驗器材
發(fā)光二極管LED、晶體三極管VT、可調(diào)電阻R1、限流電阻R2、光敏電阻RG、集成電路實(shí)驗板、直流電源、導(dǎo)線若干、黑紙、小燈泡L.
5.實(shí)驗步驟
(1)按照電路圖連接電路，檢查無誤后，接通電源.
(2)讓光敏電阻RG受到白天較強(qiáng)的自然光照射，調(diào)節(jié)電阻R1使發(fā)光二極管LED或小燈泡L剛好不發(fā)光.
(3)遮擋RG，當(dāng)光照減弱到某種程度時，就會看到發(fā)光二極管LED或小燈泡L發(fā)光.
(4)讓光照加強(qiáng)，當(dāng)光照強(qiáng)到某種程度時，則發(fā)光二極管LED或小燈泡L熄滅.
6.注意事項
(1)安裝前，對實(shí)驗器材進(jìn)行測試，確保各元件性能良好后，再進(jìn)行安裝.
(2)光控開關(guān)實(shí)驗中，二極管連入電路的極性不能反接.
(3)如果實(shí)驗現(xiàn)象不明顯，可用手電筒加強(qiáng)光照，或遮蓋光敏電阻，再進(jìn)行觀察.
例4　在實(shí)際應(yīng)用中有多種自動控溫裝置，以下是其中兩種控溫裝置：
(1)圖(a)為某自動恒溫箱原理圖，箱內(nèi)的電阻R1＝2 kΩ，R2＝1.5 kΩ，R3＝4 kΩ，Rt為熱敏電阻，其電阻隨溫度變化的圖像如圖(b)所示.當(dāng)a、b兩點(diǎn)電勢φa<φb時，電壓鑒別器會令開關(guān)S接通，恒溫箱內(nèi)的電熱絲發(fā)熱，使箱內(nèi)溫度提高；當(dāng)φa≥φb時，電壓鑒別器會使S斷開，停止加熱，則恒溫箱內(nèi)的穩(wěn)定溫度為____ ℃，恒溫箱內(nèi)的電熱絲加熱時Rt的取值范圍為__________.
25
Rt>3 kΩ
(2)有一種由PTC元件做成的加熱器，它產(chǎn)生的焦耳熱功率PR隨溫度t變化的圖像如圖(c)所示.該加熱器向周圍散熱的功率為PQ＝k(t－t0)，其中t為加熱器的溫度，t0為室溫(本題中取20 ℃)，k＝0.1 W/℃.
當(dāng)PR＝PQ時加熱器的溫度即可保持穩(wěn)定，則該加熱器工作的穩(wěn)定溫度為_______________ ℃；
某次工作中，該加熱器從室溫升高至穩(wěn)定溫度的過程中，下列溫度變化過程用時最短的是____(填選項前的字母序號).
A.20～24 ℃ B.32～36 ℃
C.48～52 ℃ D.60～64 ℃
70(68～72均可)
B
PQ＝0.1(t－t0) (W)，PQ與溫度t之間關(guān)系的圖像如圖；
由圖可知，當(dāng)溫度為70 ℃左右時，發(fā)熱功率和散熱功率相等，即此時物體的溫度不再變化；由圖可知，四個選項中，32～36 ℃時PR－PQ最大，即該過程用時最短，故選B.
例5　為了建設(shè)安全校園，某校物理教師帶領(lǐng)興趣小組的學(xué)生，利用光敏電阻和電磁繼電器，為學(xué)校教學(xué)樓內(nèi)所有樓梯口的照明燈安裝了亮度自動控制裝置.如圖甲所示為他們設(shè)計的原理圖，R0為光敏電阻(阻值隨亮度的增加而減小)，R1為滑動變阻器，電磁繼電器的銜鐵由軟鐵(容易磁化和消磁)制成，R2為電磁鐵的線圈電阻，K為單刀雙擲開關(guān).
(1)為使樓內(nèi)亮度降低到一定程度照明燈自動點(diǎn)亮，亮度升高到一定程度照明燈自動熄滅，單刀雙擲開關(guān)應(yīng)置于____(選填“a”或“b”).
b
亮度降低R0變大，電流減小，電磁繼電器力減小，銜鐵被放開，此時照明燈應(yīng)被點(diǎn)亮，所以單刀雙擲開關(guān)應(yīng)接b.
(2)為了提升校園安全系數(shù)，使照明燈在不太暗的時候就點(diǎn)亮，滑動變阻器接入電路的電阻應(yīng)_______(選填“調(diào)大”或“調(diào)小”).
調(diào)大
電磁繼電器的銜鐵被吸下或放開有一個電流的臨界值，對應(yīng)一個總電阻的臨界值，所以滑動變阻器調(diào)得越大，對應(yīng)R0的觸發(fā)值越小，能使照明燈在不太暗的時候就點(diǎn)亮.
(3)已知直流電路中的電流達(dá)到10 mA時電磁繼電器的銜鐵正好會被吸下，R0從正午最亮到夜晚最暗的阻值變化范圍為50～200 Ω，R2約為5 Ω，直流電源電動勢E＝3 V，內(nèi)阻r約為1 Ω，現(xiàn)有三個最大電阻阻值分別為100 Ω、300 Ω、3 000 Ω的滑動變阻器，為實(shí)現(xiàn)調(diào)控目標(biāo)R1最好應(yīng)選擇最大阻值為_____ Ω的滑動變阻器.
300
電動勢為3 V，觸發(fā)電流為10 mA，可得對應(yīng)總電阻為300 Ω.滑動變阻器選100 Ω，R0可觸發(fā)的阻值范圍約為194～200 Ω，范圍太小，對應(yīng)亮度太低；300 Ω的阻值足夠調(diào)控，對應(yīng)R0觸發(fā)值范圍足夠大；
3 000 Ω阻值太大，對于某一亮度對應(yīng)阻值的調(diào)節(jié)不精準(zhǔn).
(4)興趣小組同學(xué)想要對原設(shè)計進(jìn)行改進(jìn)，使亮度降低到一定程度觸發(fā)銜鐵吸下，請你在圖乙的虛線框中用筆畫線代替導(dǎo)線重新連接直流電路中c、d、e、f、g、h各點(diǎn)，以實(shí)現(xiàn)這一改進(jìn)目標(biāo).
答案　見解析圖
為了實(shí)現(xiàn)“亮度降低到一定程度觸發(fā)銜鐵吸下”可讓R0與電磁繼電器并聯(lián)，這樣亮度降低時R0增大，電磁繼電器中的電流增大，可觸發(fā)銜鐵被吸下，電路圖如圖.
三
課時精練
1.(多選)(2023·福建省名校聯(lián)盟聯(lián)考)某力敏電阻的阻值隨著壓力的增大而線性減小.一同學(xué)利用該力敏電阻設(shè)計了判斷小車在水平方向上運(yùn)動狀態(tài)的裝置.其工作原理如圖甲所示，將力敏電阻和一塊擋板固定在絕緣小車上，之間放置一個光滑絕緣重物M，重物與擋板之間通過輕彈簧連接.某次實(shí)驗中，電流表示數(shù)隨時間變化關(guān)系如圖乙所示、已知0～t1時間內(nèi)，小車處于靜止?fàn)顟B(tài)，則
A.0～t1時間內(nèi)，彈簧處于壓縮狀態(tài)
B.t1～t2時間內(nèi)，小車的加速度隨時間均勻
　減小
C.t2～t3時間內(nèi)，小車可能向左做勻減速直線運(yùn)動
D.t2～t3時間內(nèi)，小車可能向左做加速度增大的加速直線運(yùn)動
1
2
3
4
5
6
√
√
1
2
3
4
5
6
0～t1時間內(nèi)，電流最大，力敏電阻的阻值最小，所受壓力最大，所以彈簧處于壓縮狀態(tài)，故A正確；
1
2
3
4
5
6
t2～t3時間內(nèi)，電流最小，力敏電阻的阻值最大，所受壓力最小，合力向左，小車的加速度向左，又因為電流不變，壓力不變，小車的合力不變，加速度不變，小車做加速度向左的勻變速直線運(yùn)動，小車可能向左做勻加速直線運(yùn)動，也可能向右做勻減速直線運(yùn)動，還有可能M與力敏電阻分離了，此時小車可能向左做加速度增大的加速直線運(yùn)動，故C錯誤，D正確.
2.(多選)霍爾元件的示意圖如圖所示，一塊通電的銅板放在磁場中，銅板的前、后板面垂直于磁場，板內(nèi)通有如圖方向的電流，a、b是銅板上、下邊緣的兩點(diǎn)，則
A.電勢φa＞φb
B.電勢φb＞φa
C.電流增大時，|φa－φb|增大
D.其他條件不變，將銅板改為NaCl溶液時，電勢結(jié)果仍然一樣
√
1
2
3
4
5
6
√
銅板中的自由電荷是電子，電子定向移動的方向與電流的方向相反，由左手定則可判斷出電子因受洛倫茲力作用向b側(cè)偏轉(zhuǎn)，所以φa＞φb，故A正確，B錯誤；
1
2
3
4
5
6
若將銅板改為NaCl溶液，溶液中的正、負(fù)離子均向b側(cè)偏轉(zhuǎn)，|φa－φb|＝0，即不產(chǎn)生霍爾效應(yīng)，故D錯誤.
3.如圖是利用太陽能給LED路燈供電的自動控制電路的示意圖.R是光敏電阻，R0是保護(hù)定值電阻，日光充足時，電磁繼電器把銜鐵吸下，GH接入電路，太陽能電池板給蓄電池充電，光線不足時，銜鐵被彈簧拉起，與EF接入電路，蓄電池給LED路燈供電，路燈亮起，下列關(guān)于該電路分析正確的是
A.該光敏電阻阻值隨光照強(qiáng)度增大而增大
B.增加電源電動勢可以增加路燈照明時間
C.增大保護(hù)電阻R0阻值可延長每天路燈照
　明時間
D.并聯(lián)更多的LED路燈可延長每天路燈照明時間
√
1
2
3
4
5
6
1
2
3
4
5
6
日光充足時，電磁繼電器把銜鐵吸下，根據(jù)閉合電路歐姆定律，控制電路中電阻變小，電流變大，銜鐵被吸下，則當(dāng)日光充足時光敏電阻R阻值減小，故A錯誤；
電動勢增大，電阻不變情況下，電流增大，電磁繼電器把銜鐵吸下，減少了路燈照明時間，故B錯誤；
增大保護(hù)電阻R0，減小了電流，延長了照明時間，故C正確；
LED燈的盞數(shù)不影響控制電路，考慮蓄電池容量一定，可能減少照明時間，故D錯誤.
4.(2022·河北卷·12)某物理興趣小組利用廢棄電飯煲的部分器材自制簡易電飯煲，設(shè)計電路如圖甲所示.選用的器材有：限溫開關(guān)S1(手動將其按下，開始持續(xù)加熱煮飯，當(dāng)鍋內(nèi)溫度高于103 ℃時自動斷開，之后不能自動閉合)；保溫開關(guān)S2(當(dāng)鍋內(nèi)溫度高于80 ℃時自動斷開，溫度低于70 ℃時自動閉合)；電飯煲的框架(結(jié)構(gòu)如圖乙所示).自備元件有：加熱電阻絲
1
2
3
4
5
6
R(阻值為60 Ω，用于加熱煮飯)；限流電阻R1和R2(阻值均為1 kΩ)；指示燈L1和L2(2.5 V,0.6 W，當(dāng)電流低于30 mA時可視為熄滅)；保險絲T.
(1)按照興趣小組設(shè)計的電路，下列說法正確的是_____(多選).
A.按下S1，L1和L2均發(fā)光
B.當(dāng)鍋內(nèi)溫度高于103 ℃時，S1自動斷開，L1和L2均發(fā)光
C.保溫過程中，S2自動在閉合、斷開狀態(tài)之間交替切換
D.當(dāng)鍋內(nèi)溫度低于70 ℃時，S2自動閉合，L1發(fā)光，L2熄滅
CD
1
2
3
4
5
6
按下S1后L2支路被短路，則L2不會發(fā)光，A錯誤；
當(dāng)鍋內(nèi)溫度高于103 ℃時，S1斷開，而要溫度降到70 ℃以下時S2才會閉合，則此時L2可能發(fā)光，此時電路中R與R1和L1的串聯(lián)部分并聯(lián)，并聯(lián)的整體再和L2、R2串聯(lián)，RL≈10.42 Ω，
則回路中并聯(lián)部分的電阻R并≈56.64 Ω
則回路總電阻R總＝1 067.06 Ω
則L2一定發(fā)光，此時并聯(lián)的整體的電壓為U并＝I總R并≈11.89 V
1
2
3
4
5
6
則流過L1的電流為
流過L1的電流小于30 mA，則L1熄滅，B錯誤；
由題知，S2在鍋內(nèi)溫度高于80 ℃時自動斷開，鍋內(nèi)溫度降到70 ℃以下時S2自動閉合，C正確；
當(dāng)鍋內(nèi)溫度低于70 ℃時，S2自動閉合，L2支路被短路，
則L2不會發(fā)光，此時電路中R與R1和L1的串聯(lián)部分并聯(lián)，
1
2
3
4
5
6
則此時流過L1的電流為
此時流過L1的電流大于30 mA，則L1發(fā)光，D正確.
1
2
3
4
5
6
(2)簡易電飯煲制作完成后，試用時L1始終不亮，但加熱和保溫功能均正常.在不增加元件的前提下，斷開電源，使用多用電表判斷發(fā)生故障的元件.下列操作步驟的正確順序是__________(填寫各步驟前的字母).
A.將選擇開關(guān)旋轉(zhuǎn)到“×100”位置
B.將兩支表筆直接接觸，調(diào)節(jié)“歐姆
　調(diào)零旋鈕”，使指針指向歐姆零點(diǎn)
C.調(diào)整“指針定位螺絲”，使指針指
　到零刻度
D.測量指示燈L1兩端的阻值
E.將選擇開關(guān)置于OFF位置或交流電壓最高擋
CABDE
1
2
3
4
5
6
操作時，將多用電表兩表筆與L1兩端接觸，若指針如圖丙所示，可判斷是____斷路損壞；若指針如圖丁所示，可判斷是_____斷路損壞.(用電路中的元件符號表示)
L1
R1
1
2
3
4
5
6
多用電表的操作步驟為：調(diào)整“指針定位螺絲”，使指針指到零刻度——機(jī)械調(diào)零；將選擇開關(guān)旋轉(zhuǎn)到“×100”位置——選擋；將兩支表筆直接接觸，調(diào)節(jié)“歐姆調(diào)零旋鈕”，使指計指向歐姆零點(diǎn)——?dú)W姆調(diào)零；測量指示燈L1兩端的阻值——測量；將選擇開關(guān)置于OFF位置或交流電壓最高擋——關(guān)閉多用電表.故正確順序為CABDE.
1
2
3
4
5
6
由于使用時L1始終不亮，但加熱和保溫功能均正常，則說明R、L2、R2、T均正常，若指針如題圖丙所示，可看出L1兩端有1 100 Ω左右的電阻，則說明L1始終不亮的原因是L1斷路損壞；
若指針如題圖丁所示，可看出歐姆表的示數(shù)幾乎為零，但由于RL＝10.42 Ω，此時選用的是“×100”擋，則說明燈泡L1正常，則說明L1始終不亮的原因是R1斷路損壞.
1
2
3
4
5
6
5.(2023·四川遂寧市模擬)高速路入口都安裝有稱量汽車重量的地磅.如圖甲所示是某工廠生產(chǎn)的小型地磅結(jié)構(gòu)圖和電路圖，其中R是壓敏電阻，質(zhì)量m0＝500 kg的秤臺平放在壓敏電阻上，被稱汽車停放在秤臺上.已知電路中電源電動勢為26 V、內(nèi)電阻r＝10 Ω，電流表量程為0.3 A、內(nèi)阻RA＝10 Ω，滑動變阻器R′的最大阻值為500 Ω.如圖乙是壓敏電阻的阻值R隨壓力F變化曲線.某設(shè)計人員對電流表上刻度重新賦值，使之能夠從表盤上直接讀出秤臺上汽車的質(zhì)量，他先后進(jìn)行了以下操作.重力加速度g＝10 m/s2.
1
2
3
4
5
6
(1)斷開開關(guān)S，撤去秤臺上的汽車，把多用電表的旋鈕旋到歐姆擋“×10擋”，通過正確調(diào)零后，用紅、黑表筆接在壓敏電阻兩端，多用電表的表針指到如圖丙所示位置，則壓敏電阻R此時的電阻值為_____ Ω.
160
歐姆擋選擇“×10擋”，則阻值為16.0×10 Ω＝160 Ω.
1
2
3
4
5
6
(2)閉合開關(guān)S，設(shè)計人員通過調(diào)節(jié)滑動變阻器，使電流表讀數(shù)為0.10 A，并在此處標(biāo)注為0 kg，則此時滑動變阻器R′接入電路的電阻值為____ Ω；2 500 kg處應(yīng)標(biāo)注在______ A處.
80
0.13
1
2
3
4
5
6
當(dāng)僅有秤臺時，壓敏電阻的阻值為160 Ω，根據(jù)閉合電路歐姆定律得E＝I(R＋R′＋RA＋r)，解得R′＝80 Ω，2 500 kg的物體在秤臺上時，此時壓力為(2 500＋500)×10 N＝3×104 N，壓敏電阻的阻值約為100 Ω，根據(jù)閉合電路歐姆定律得E＝I1(R1＋R′＋RA＋r)，解得I1＝0.13 A.
1
2
3
4
5
6
1
2
3
4
5
6
(3)設(shè)計人員按上述操作逐個刻度賦值后，經(jīng)長時間使用，發(fā)現(xiàn)電池的電
偏小
根據(jù)E＝I(R＋R′＋RA＋r)，可得R＝ －R′－RA－r，電池的電動勢偏小，則相同的電流下，R的阻值偏小，結(jié)合題圖乙可知汽車的質(zhì)量的測量值偏小.
動勢略有減小、內(nèi)電阻有所增大.他重新調(diào)節(jié)滑動變阻器，使秤臺空載時電流表讀數(shù)仍為0.10 A，然后再去測量汽車的重量.您認(rèn)為現(xiàn)在的測量值相比汽車真實(shí)重量______(選填“偏大”“偏小”或“不變”)
1
2
3
4
5
6
6.(2023·福建龍巖市第一中學(xué)模擬)半導(dǎo)體薄膜壓力傳感器是一種常用的傳感器，其阻值會隨壓力變化而改變.現(xiàn)有一壓力傳感器：
(1)利用圖甲所示的電路測量該傳感器在不同壓力下的阻值RN，其阻值約幾十千歐，實(shí)驗室提供以下器材：
直流電源E＝3 V
電流表A(量程250 μA，內(nèi)阻約為50 Ω)
電壓表V(量程3 V，內(nèi)阻約為20 kΩ)
滑動變阻器R(阻值0～100 Ω)
1
2
3
4
5
6
為了提高測量的準(zhǔn)確性，開關(guān)S1應(yīng)接___(選填“1”或“2”)，開關(guān)S2應(yīng)接____(選填“3”或“4”)；
2
3
為了提高測量的準(zhǔn)確性，開關(guān)S1應(yīng)該接2.實(shí)驗需要測量多組數(shù)據(jù)，且電壓從零開始變化，實(shí)驗時滑動變阻器應(yīng)用分壓方式接入電路，因此開關(guān)S2接3.
1
2
3
4
5
6
(2)通過多次實(shí)驗測得其阻值RN隨壓力F變化的關(guān)系圖像如圖乙所示；
1
2
3
4
5
6
(3)利用該壓力傳感器設(shè)計了如圖丙所示的自動分揀裝置，可以將質(zhì)量不同的物體進(jìn)行分揀，圖中RN為壓力傳感器，R′為滑動變阻器，電源電壓為6 V(內(nèi)阻不計).分揀時將質(zhì)量大小不同的物體用傳送帶運(yùn)送到托盤上，OB為一個可繞O轉(zhuǎn)動的杠桿，下端有彈簧，控制電路兩端電壓小于3 V時，杠桿OB水平，物體水平通過進(jìn)入通道1，當(dāng)控制電路兩端電壓大于3 V時，杠桿的B端就會被吸下，物體下滑進(jìn)入通道2，從而實(shí)現(xiàn)分揀功能.若R′調(diào)為30 kΩ，取重力
加速度g＝10 m/s2，該分揀裝置可以實(shí)現(xiàn)將質(zhì)量超過______kg的物體進(jìn)行分揀(結(jié)果保留2位有效數(shù)字)，若要將質(zhì)量超過0.20 kg的物體實(shí)現(xiàn)分揀，應(yīng)將R′調(diào)成______kΩ(結(jié)果保留3位有效數(shù)字).
0.14
26.0
1
2
3
4
5
6
由題圖乙可知傳感器上的壓力1.40 N，物體質(zhì)量為0.14 kg，因此由壓力傳感器的特點(diǎn)可知，該分揀裝置可以實(shí)現(xiàn)將質(zhì)量超過0.14 kg的物體分揀.
1
2
3
4
5
6
若要將質(zhì)量超過0.20 kg的物體實(shí)現(xiàn)分揀，由以上計算分析可知，當(dāng)物體質(zhì)量為0.20 kg時，由題圖乙可知，壓力傳感器的電阻值為26.0 kΩ，因此應(yīng)該將R′調(diào)成26.0 kΩ時，當(dāng)質(zhì)量超過
0.20 kg的物體，壓力傳感器的電阻值小于26.0 kΩ，控制電路兩端電壓大于3 V，物體實(shí)現(xiàn)分揀.第4講　傳感器　實(shí)驗：利用傳感器制作簡單的自動控制裝置
目標(biāo)要求　1.掌握制作傳感器常用元件：光敏電阻、熱敏電阻、金屬熱電阻、電阻應(yīng)變片、霍爾元件的基本特性及工作原理.2.探究傳感器的工作原理及傳感器應(yīng)用的一般模式.3.能利用傳感器制作簡單的自動控制裝置．
考點(diǎn)一　常見的傳感器
一、傳感器及其工作原理
1．傳感器的工作原理：能夠感受諸如力、溫度、光、聲、化學(xué)成分等被測量，并能把它們按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換為便于傳送和處理的可用信號輸出．通常轉(zhuǎn)換成的可用信號是電壓、電流等電學(xué)量，或轉(zhuǎn)換為電路的通斷．把非電學(xué)量轉(zhuǎn)換為電學(xué)量，可以很方便地進(jìn)行測量、傳輸、處理和控制．
傳感器應(yīng)用的一般模式如圖所示：
2．傳感器的核心元件
(1)敏感元件：能直接感受或響應(yīng)外界被測非電學(xué)量的部分．
(2)轉(zhuǎn)換元件：能將敏感元件輸出的信號直接轉(zhuǎn)換成電信號的部分．
(3)信號調(diào)整與轉(zhuǎn)換電路：能把輸出的微弱的電信號放大的部分．
3．傳感器的分類
工作原理 舉例
物理傳感器 利用物質(zhì)的物理特性或物理效應(yīng)感知并檢測出待測對象信息 力傳感器、磁傳感器、聲傳感器等
化學(xué)傳感器 利用電化學(xué)反應(yīng)原理，把無機(jī)或有機(jī)化學(xué)物質(zhì)的成分、濃度轉(zhuǎn)換為電信號 離子傳感器、氣體傳感器等
生物傳感器 利用生物活性物質(zhì)的選擇性來識別和測定生物化學(xué)物質(zhì) 酶傳感器、微生物傳感器、細(xì)胞傳感器等
二、常見敏感元件
1．光敏電阻
(1)特點(diǎn)：光照越強(qiáng)，電阻越小．
(2)原因：光敏電阻的構(gòu)成物質(zhì)為半導(dǎo)體材料，無光照時，載流子極少，導(dǎo)電性能差；隨著光照的增強(qiáng)，載流子增多，導(dǎo)電性變好．
(3)作用：把光照強(qiáng)弱這個光學(xué)量轉(zhuǎn)換為電阻這個電學(xué)量．
2．熱敏電阻和金屬熱電阻
(1)熱敏電阻
熱敏電阻一般由半導(dǎo)體材料制成，其電阻隨溫度的變化明顯，溫度升高電阻減小，如圖甲所示為某一熱敏電阻的阻值隨溫度變化的特性曲線．
(2)金屬熱電阻
有些金屬的電阻率隨溫度的升高而增大，這樣的電阻也可以制作溫度傳感器，稱為熱電阻，如圖乙所示為某金屬導(dǎo)線電阻的溫度特性曲線．
(3)作用：熱敏電阻和金屬熱電阻都能夠把溫度這個熱學(xué)量轉(zhuǎn)換為電阻這個電學(xué)量．
注意：在工作溫度范圍內(nèi)，電阻值隨溫度上升而增加的是正溫度系數(shù)(PTC)熱敏電阻器；電阻值隨溫度上升而減小的是負(fù)溫度系數(shù)(NTC)熱敏電阻器．
3．電阻應(yīng)變片
(1)電阻應(yīng)變片的作用：電阻應(yīng)變片能夠把物體形變這個力學(xué)量轉(zhuǎn)換為電阻這個電學(xué)量．
(2)電子秤的組成及敏感元件：由金屬梁和電阻應(yīng)變片組成，敏感元件是應(yīng)變片．
(3)電子秤的工作原理

1．傳感器是把非電學(xué)量轉(zhuǎn)換為電學(xué)量的元件．(　√　)
2．傳感器只能感受溫度和光兩個物理量．(　×　)
3．隨著光照的增強(qiáng)，光敏電阻的電阻值逐漸增大．(　×　)
4．電子秤所使用的測力裝置是力傳感器，它是把力信號轉(zhuǎn)換為電壓信號．(　√　)
霍爾元件的應(yīng)用
霍爾元件是根據(jù)霍爾效應(yīng)原理制成的一種磁敏元件．一般用于電機(jī)中測定轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，如錄像機(jī)的磁鼓、電腦中的散熱風(fēng)扇等．
(1)霍爾元件的工作原理：E、F間通入恒定的電流I，同時外加與薄片垂直的磁場B時，薄片中的載流子就在洛倫茲力作用下，向著與電流和磁場都垂直的方向漂移，使M、N間出現(xiàn)電壓(如圖所示)．
(2)霍爾元件在電流、電壓穩(wěn)定時，載流子所受電場力和洛倫茲力二力平衡．
(3)霍爾電壓：UH＝k(d為薄片的厚度，k為霍爾系數(shù))．其中UH與B成正比，所以霍爾元件能夠把磁感應(yīng)強(qiáng)度這個磁學(xué)量轉(zhuǎn)換為電壓這個電學(xué)量．
例1　(2022·重慶卷·11)某興趣小組研究熱敏電阻在通以恒定電流時，其阻值隨溫度的變化關(guān)系．實(shí)驗電路如圖所示，實(shí)驗設(shè)定恒定電流為50.0 μA，主要實(shí)驗器材有：恒壓直流電源E、加熱器、測溫儀、熱敏電阻RT、可變電阻R1、電流表A、電壓表V.
(1)用加熱器調(diào)節(jié)RT的溫度后，為使電流表的示數(shù)仍為50.0 μA，須調(diào)節(jié)________________(選填一種給定的實(shí)驗器材)．當(dāng)RT兩端未連接電壓表時，電流表示數(shù)為50.0 μA；連接電壓表后，電流表示數(shù)顯著增大，須將原電壓表更換為內(nèi)阻____________(選填“遠(yuǎn)大于”“接近”或“遠(yuǎn)小于”)RT阻值的電壓表．
(2)測得RT兩端的電壓隨溫度的變化如圖所示，由圖可得溫度從35.0 ℃變化到40.0 ℃的過程中，RT的阻值隨溫度的平均變化率是____________ kΩ·℃－1(保留2位有效數(shù)字)．
答案　(1)可變電阻R1　遠(yuǎn)大于　(2)－1.2
解析　(1)由題知恒壓直流電源E的電動勢不變，而用加熱器調(diào)節(jié)RT的溫度后，導(dǎo)致整個回路的總電阻改變．而要確保電流表的示數(shù)仍為50.0 μA，則需控制整個回路的總電阻不變，故須調(diào)節(jié)可變電阻R1.
連接電壓表后，電流表示數(shù)顯著增大，則說明電壓表與RT并聯(lián)后R總減小，則根據(jù)并聯(lián)電阻的關(guān)系有R總＝＝，則要保證R總不變，須將原電壓表更換為內(nèi)阻遠(yuǎn)大于RT阻值的電壓表．
(2)實(shí)驗設(shè)定恒定電流為50.0 μA，由題圖可得溫度為35.0 ℃時電壓表的電壓為1.6 V，則根據(jù)歐姆定律可知此時熱敏電阻RT1＝32 kΩ；溫度為40.0 ℃時電壓表的電壓為1.3 V，則根據(jù)歐姆定律可知此時熱敏電阻RT2＝26 kΩ，則溫度從35.0 ℃變化到40.0 ℃的過程中，RT的阻值隨溫度的平均變化率是k＝＝－1.2 kΩ·℃－1，負(fù)號表示隨著溫度升高RT的阻值減小．
例2　為了節(jié)能和環(huán)保，一些公共場所用光控開關(guān)控制照明系統(tǒng)，光控開關(guān)可用光敏電阻控制，如圖甲所示是某光敏電阻阻值隨光的照度變化曲線，照度可以反映光的強(qiáng)弱，光越強(qiáng)照度越大，照度單位為：勒克斯(lx)．
(1)如圖乙所示，電源電動勢為3 V，內(nèi)阻不計，當(dāng)控制開關(guān)兩端電壓上升至2 V時，控制開關(guān)自動啟動照明系統(tǒng)．要求當(dāng)天色漸暗照度降至1.0 lx時控制開關(guān)接通照明系統(tǒng)，則R1＝________ kΩ.
(2)某同學(xué)為了測量光敏電阻在不同照度下的阻值，設(shè)計了如圖丙所示的電路進(jìn)行測量，電源(E＝3 V，內(nèi)阻未知)，電阻箱(0～99 999 Ω)．實(shí)驗時將電阻箱阻值置于最大，閉合S1，將S2與1相連，減小電阻箱阻值，使靈敏電流計的示數(shù)為I，圖丁為實(shí)驗時電阻箱的阻值，其讀數(shù)為________ kΩ；然后將S2與2相連，調(diào)節(jié)電阻箱的阻值如圖戊所示，此時電流表的示數(shù)恰好為I，則光敏電阻的阻值為________ kΩ(結(jié)果均保留3位有效數(shù)字)．
答案　(1)10　(2)62.5　40.0
解析　(1)電阻R1和R0串聯(lián)，有＝，U0＝2 V，U1＝3 V－2 V＝1 V，當(dāng)照度為1.0 lx時，電阻R0＝20 kΩ，則R1＝10 kΩ.
(2)題圖丁所示電阻箱讀數(shù)為R2＝62.5 kΩ，題圖戊所示電阻箱讀數(shù)R2′＝22.5 kΩ，本題采用等效替代法測電阻，前后兩次電路中的電流相等，則電路中的總電阻相等，則有R2＝R0′＋R2′，所以R0′＝40.0 kΩ.
例3　(多選)如圖是霍爾元件的工作原理示意圖，如果用d表示薄片的厚度，k為霍爾系數(shù)，對于一個霍爾元件d、k為定值，如果保持I恒定，則可以驗證UH隨B的變化情況．以下說法正確的是(工作面是指較大的平面)(　　)
A．將永磁體的一個磁極逐漸靠近霍爾元件的工作面，UH將變大
B．在測定地球兩極的磁場強(qiáng)弱時，霍爾元件的工作面應(yīng)保持水平
C．在測定地球赤道上的磁場強(qiáng)弱時，霍爾元件的工作面應(yīng)保持水平
D．改變磁感線與霍爾元件工作面的夾角，UH將發(fā)生變化
答案　ABD
解析　將永磁體的磁極逐漸靠近霍爾元件的工作面時，B增大，I恒定，由公式UH＝知UH將變大，選項A正確；地球兩極的磁場方向在豎直方向上，所以霍爾元件的工作面應(yīng)保持水平，使B與工作面垂直，選項B正確；地球赤道上的磁場沿水平方向，只有霍爾元件的工作面在豎直方向且垂直于南北方向時，B才與工作面垂直，選項C錯誤；改變磁感線與霍爾元件工作面的夾角，B垂直工作面分量的大小發(fā)生變化，UH將發(fā)生變化，選項D正確．
考點(diǎn)二　實(shí)驗：利用傳感器制作簡單的自動控制裝置
一、門窗防盜報警裝置
1．實(shí)驗?zāi)康模毫私忾T窗防盜報警裝置，會組裝門窗防盜報警裝置．
2．電路如圖所示．
3．工作原理：閉合電路開關(guān)S，系統(tǒng)處于防盜狀態(tài)．當(dāng)門窗緊閉時，磁體M靠近干簧管SA，干簧管兩個簧片被磁化相吸而接通繼電器線圈K，使繼電器工作．繼電器的動觸點(diǎn)c與常開觸點(diǎn)a接通，發(fā)光二極管LED發(fā)光，顯示電路處于正常工作狀態(tài)．當(dāng)門窗開啟時，磁體離開干簧管，干簧管失磁斷開，繼電器被斷電．繼電器的動觸點(diǎn)c與常閉觸點(diǎn)b接通，蜂鳴器H發(fā)聲報警．干簧管在電路中起傳感器和控制開關(guān)的作用，繼電器則相當(dāng)于一個自動的雙向開關(guān)．
4．實(shí)驗器材
干簧管SA、繼電器、發(fā)光二極管LED、蜂鳴器H、電源、導(dǎo)線若干、開關(guān)、電阻R、小磁體．
5．實(shí)驗步驟
(1)連接電路前，要先判斷一下干簧管是否可以正常工作．用磁體直接靠近干簧管，觀察簧片能否正常工作．
(2)確定各元件可以正常工作后，按照電路圖連接電路．
(3)接通電源后，將磁體靠近和離開干簧管，分別觀察實(shí)驗現(xiàn)象．
二、光控開關(guān)
1．實(shí)驗?zāi)康模毫私夤饪亻_關(guān)電路及控制原理，會組裝光控開關(guān)．
2．電路如圖所示．
3．工作原理：當(dāng)環(huán)境光比較強(qiáng)時，光敏電阻RG的阻值很小，三極管不導(dǎo)通，發(fā)光二極管或繼電器所在的回路相當(dāng)于斷路，即發(fā)光二極管不工作；繼電器處于常開狀態(tài)，小燈泡L不亮．當(dāng)環(huán)境光比較弱時，光敏電阻RG的阻值變大，三極管導(dǎo)通，且獲得足夠的基極電流，產(chǎn)生較大的集電極電流， 點(diǎn)亮發(fā)光二極管或驅(qū)動繼電器吸合而點(diǎn)亮小燈泡L.
4．實(shí)驗器材
發(fā)光二極管LED、晶體三極管VT、可調(diào)電阻R1、限流電阻R2、光敏電阻RG、集成電路實(shí)驗板、直流電源、導(dǎo)線若干、黑紙、小燈泡L.
5．實(shí)驗步驟
(1)按照電路圖連接電路，檢查無誤后，接通電源．
(2)讓光敏電阻RG受到白天較強(qiáng)的自然光照射，調(diào)節(jié)電阻R1使發(fā)光二極管LED或小燈泡L剛好不發(fā)光．
(3)遮擋RG，當(dāng)光照減弱到某種程度時，就會看到發(fā)光二極管LED或小燈泡L發(fā)光．
(4)讓光照加強(qiáng)，當(dāng)光照強(qiáng)到某種程度時，則發(fā)光二極管LED或小燈泡L熄滅．
6．注意事項
(1)安裝前，對實(shí)驗器材進(jìn)行測試，確保各元件性能良好后，再進(jìn)行安裝．
(2)光控開關(guān)實(shí)驗中，二極管連入電路的極性不能反接．
(3)如果實(shí)驗現(xiàn)象不明顯，可用手電筒加強(qiáng)光照，或遮蓋光敏電阻，再進(jìn)行觀察．
例4　在實(shí)際應(yīng)用中有多種自動控溫裝置，以下是其中兩種控溫裝置：
(1)圖(a)為某自動恒溫箱原理圖，箱內(nèi)的電阻R1＝2 kΩ，R2＝1.5 kΩ，R3＝4 kΩ，Rt為熱敏電阻，其電阻隨溫度變化的圖像如圖(b)所示．當(dāng)a、b兩點(diǎn)電勢φa<φb時，電壓鑒別器會令開關(guān)S接通，恒溫箱內(nèi)的電熱絲發(fā)熱，使箱內(nèi)溫度提高；當(dāng)φa≥φb時，電壓鑒別器會使S斷開，停止加熱，則恒溫箱內(nèi)的穩(wěn)定溫度為______ ℃，恒溫箱內(nèi)的電熱絲加熱時Rt的取值范圍為______．
(2)有一種由PTC元件做成的加熱器，它產(chǎn)生的焦耳熱功率PR隨溫度t變化的圖像如圖(c)所示．該加熱器向周圍散熱的功率為PQ＝k(t－t0)，其中t為加熱器的溫度，t0為室溫(本題中取20 ℃)，k＝0.1 W/℃.
當(dāng)PR＝PQ時加熱器的溫度即可保持穩(wěn)定，則該加熱器工作的穩(wěn)定溫度為________ ℃；
某次工作中，該加熱器從室溫升高至穩(wěn)定溫度的過程中，下列溫度變化過程用時最短的是________(填選項前的字母序號)．
A．20～24 ℃ B．32～36 ℃
C．48～52 ℃ D．60～64 ℃
答案　(1)25　Rt>3 kΩ　(2)70(68～72均可)　B
解析　(1)由電路圖可知，當(dāng)滿足＝時，即Rt＝3 kΩ時φa＝φb ，此時由題圖(b)可知溫度為25 ℃，即恒溫箱內(nèi)的穩(wěn)定溫度為25 ℃；恒溫箱內(nèi)的電熱絲加熱時，Rt的取值范圍為Rt>3 kΩ；
(2)PQ＝0.1(t－t0) (W)，PQ與溫度t之間關(guān)系的圖像如圖；
由圖可知，當(dāng)溫度為70 ℃左右時，發(fā)熱功率和散熱功率相等，即此時物體的溫度不再變化；由圖可知，四個選項中，32～36 ℃時PR－PQ最大，即該過程用時最短，故選B.
例5　為了建設(shè)安全校園，某校物理教師帶領(lǐng)興趣小組的學(xué)生，利用光敏電阻和電磁繼電器，為學(xué)校教學(xué)樓內(nèi)所有樓梯口的照明燈安裝了亮度自動控制裝置．如圖甲所示為他們設(shè)計的原理圖，R0為光敏電阻(阻值隨亮度的增加而減小)，R1為滑動變阻器，電磁繼電器的銜鐵由軟鐵(容易磁化和消磁)制成，R2為電磁鐵的線圈電阻，K為單刀雙擲開關(guān)．
(1)為使樓內(nèi)亮度降低到一定程度照明燈自動點(diǎn)亮，亮度升高到一定程度照明燈自動熄滅，單刀雙擲開關(guān)應(yīng)置于________(選填“a”或“b”)．
(2)為了提升校園安全系數(shù)，使照明燈在不太暗的時候就點(diǎn)亮，滑動變阻器接入電路的電阻應(yīng)____________(選填“調(diào)大”或“調(diào)小”)．
(3)已知直流電路中的電流達(dá)到10 mA時電磁繼電器的銜鐵正好會被吸下，R0從正午最亮到夜晚最暗的阻值變化范圍為50～200 Ω，R2約為5 Ω，直流電源電動勢E＝3 V，內(nèi)阻r約為1 Ω，現(xiàn)有三個最大電阻阻值分別為100 Ω、300 Ω、3 000 Ω的滑動變阻器，為實(shí)現(xiàn)調(diào)控目標(biāo)R1最好應(yīng)選擇最大阻值為________ Ω的滑動變阻器．
(4)興趣小組同學(xué)想要對原設(shè)計進(jìn)行改進(jìn)，使亮度降低到一定程度觸發(fā)銜鐵吸下，請你在圖乙的虛線框中用筆畫線代替導(dǎo)線重新連接直流電路中c、d、e、f、g、h各點(diǎn)，以實(shí)現(xiàn)這一改進(jìn)目標(biāo)．
答案　(1)b　(2)調(diào)大　(3)300　(4)見解析圖
解析　(1)亮度降低R0變大，電流減小，電磁繼電器力減小，銜鐵被放開，此時照明燈應(yīng)被點(diǎn)亮，所以單刀雙擲開關(guān)應(yīng)接b.
(2)電磁繼電器的銜鐵被吸下或放開有一個電流的臨界值，對應(yīng)一個總電阻的臨界值，所以滑動變阻器調(diào)得越大，對應(yīng)R0的觸發(fā)值越小，能使照明燈在不太暗的時候就點(diǎn)亮．
(3)電動勢為3 V，觸發(fā)電流為10 mA，可得對應(yīng)總電阻為300 Ω.滑動變阻器選100 Ω，R0可觸發(fā)的阻值范圍約為194～200 Ω，范圍太小，對應(yīng)亮度太低；300 Ω的阻值足夠調(diào)控，對應(yīng)R0觸發(fā)值范圍足夠大；3 000 Ω阻值太大，對于某一亮度對應(yīng)阻值的調(diào)節(jié)不精準(zhǔn)．
(4)為了實(shí)現(xiàn)“亮度降低到一定程度觸發(fā)銜鐵吸下”可讓R0與電磁繼電器并聯(lián)，這樣亮度降低時R0增大，電磁繼電器中的電流增大，可觸發(fā)銜鐵被吸下，電路圖如圖．
課時精練
1．(多選)(2023·福建省名校聯(lián)盟聯(lián)考)某力敏電阻的阻值隨著壓力的增大而線性減小．一同學(xué)利用該力敏電阻設(shè)計了判斷小車在水平方向上運(yùn)動狀態(tài)的裝置．其工作原理如圖甲所示，將力敏電阻和一塊擋板固定在絕緣小車上，之間放置一個光滑絕緣重物M，重物與擋板之間通過輕彈簧連接．某次實(shí)驗中，電流表示數(shù)隨時間變化關(guān)系如圖乙所示、已知0～t1時間內(nèi)，小車處于靜止?fàn)顟B(tài)，則(　　)
A．0～t1時間內(nèi)，彈簧處于壓縮狀態(tài)
B．t1～t2時間內(nèi)，小車的加速度隨時間均勻減小
C．t2～t3時間內(nèi)，小車可能向左做勻減速直線運(yùn)動
D．t2～t3時間內(nèi)，小車可能向左做加速度增大的加速直線運(yùn)動
答案　AD
解析　0～t1時間內(nèi)，電流最大，力敏電阻的阻值最小，所受壓力最大，所以彈簧處于壓縮狀態(tài)，故A正確；t1～t2時間內(nèi)，電流減小，力敏電阻的阻值增大，所受壓力F減小，小車與重物相對靜止，小車的加速度等于重物的加速度根據(jù)牛頓第二定律得a＝，小車的加速度增大，故B錯誤；t2～t3時間內(nèi)，電流最小，力敏電阻的阻值最大，所受壓力最小，合力向左，小車的加速度向左，又因為電流不變，壓力不變，小車的合力不變，加速度不變，小車做加速度向左的勻變速直線運(yùn)動，小車可能向左做勻加速直線運(yùn)動，也可能向右做勻減速直線運(yùn)動，還有可能M與力敏電阻分離了，此時小車可能向左做加速度增大的加速直線運(yùn)動，故C錯誤，D正確．
2.(多選)霍爾元件的示意圖如圖所示，一塊通電的銅板放在磁場中，銅板的前、后板面垂直于磁場，板內(nèi)通有如圖方向的電流，a、b是銅板上、下邊緣的兩點(diǎn)，則(　　)
A．電勢φa＞φb
B．電勢φb＞φa
C．電流增大時，|φa－φb|增大
D．其他條件不變，將銅板改為NaCl溶液時，電勢結(jié)果仍然一樣
答案　AC
解析　銅板中的自由電荷是電子，電子定向移動的方向與電流的方向相反，由左手定則可判斷出電子因受洛倫茲力作用向b側(cè)偏轉(zhuǎn)，所以φa＞φb，故A正確，B錯誤；設(shè)前后板面間距為d，因|φa－φb|＝UH＝k，所以電流增大時，|φa－φb|增大，故C正確；若將銅板改為NaCl溶液，溶液中的正、負(fù)離子均向b側(cè)偏轉(zhuǎn)，|φa－φb|＝0，即不產(chǎn)生霍爾效應(yīng)，故D錯誤．
3．如圖是利用太陽能給LED路燈供電的自動控制電路的示意圖．R是光敏電阻，R0是保護(hù)定值電阻，日光充足時，電磁繼電器把銜鐵吸下，GH接入電路，太陽能電池板給蓄電池充電，光線不足時，銜鐵被彈簧拉起，與EF接入電路，蓄電池給LED路燈供電，路燈亮起，下列關(guān)于該電路分析正確的是(　　)
A．該光敏電阻阻值隨光照強(qiáng)度增大而增大
B．增加電源電動勢可以增加路燈照明時間
C．增大保護(hù)電阻R0阻值可延長每天路燈照明時間
D．并聯(lián)更多的LED路燈可延長每天路燈照明時間
答案　C
解析　日光充足時，電磁繼電器把銜鐵吸下，根據(jù)閉合電路歐姆定律，控制電路中電阻變小，電流變大，銜鐵被吸下，則當(dāng)日光充足時光敏電阻R阻值減小，故A錯誤；電動勢增大，電阻不變情況下，電流增大，電磁繼電器把銜鐵吸下，減少了路燈照明時間，故B錯誤；增大保護(hù)電阻R0，減小了電流，延長了照明時間，故C正確；LED燈的盞數(shù)不影響控制電路，考慮蓄電池容量一定，可能減少照明時間，故D錯誤．
4．(2022·河北卷·12)某物理興趣小組利用廢棄電飯煲的部分器材自制簡易電飯煲，設(shè)計電路如圖甲所示．選用的器材有：限溫開關(guān)S1(手動將其按下，開始持續(xù)加熱煮飯，當(dāng)鍋內(nèi)溫度高于103 ℃時自動斷開，之后不能自動閉合)；保溫開關(guān)S2(當(dāng)鍋內(nèi)溫度高于80 ℃時自動斷開，溫度低于70 ℃時自動閉合)；電飯煲的框架(結(jié)構(gòu)如圖乙所示)．自備元件有：加熱電阻絲R(阻值為60 Ω，用于加熱煮飯)；限流電阻R1和R2(阻值均為1 kΩ)；指示燈L1和L2(2.5 V,0.6 W，當(dāng)電流低于30 mA時可視為熄滅)；保險絲T.
(1)按照興趣小組設(shè)計的電路，下列說法正確的是________(多選)．
A．按下S1，L1和L2均發(fā)光
B．當(dāng)鍋內(nèi)溫度高于103 ℃時，S1自動斷開，L1和L2均發(fā)光
C．保溫過程中，S2自動在閉合、斷開狀態(tài)之間交替切換
D．當(dāng)鍋內(nèi)溫度低于70 ℃時，S2自動閉合，L1發(fā)光，L2熄滅
(2)簡易電飯煲制作完成后，試用時L1始終不亮，但加熱和保溫功能均正常．在不增加元件的前提下，斷開電源，使用多用電表判斷發(fā)生故障的元件．下列操作步驟的正確順序是__________(填寫各步驟前的字母)．
A．將選擇開關(guān)旋轉(zhuǎn)到“×100”位置
B．將兩支表筆直接接觸，調(diào)節(jié)“歐姆調(diào)零旋鈕”，使指針指向歐姆零點(diǎn)
C．調(diào)整“指針定位螺絲”，使指針指到零刻度
D．測量指示燈L1兩端的阻值
E．將選擇開關(guān)置于OFF位置或交流電壓最高擋
操作時，將多用電表兩表筆與L1兩端接觸，若指針如圖丙所示，可判斷是________斷路損壞；若指針如圖丁所示，可判斷是________斷路損壞．(用電路中的元件符號表示)
答案　(1)CD　(2)CABDE　L1　R1
解析　(1)按下S1后L2支路被短路，則L2不會發(fā)光，A錯誤；當(dāng)鍋內(nèi)溫度高于103 ℃時，S1斷開，而要溫度降到70 ℃以下時S2才會閉合，則此時L2可能發(fā)光，此時電路中R與R1和L1的串聯(lián)部分并聯(lián)，并聯(lián)的整體再和L2、R2串聯(lián)，RL≈10.42 Ω，
則回路中并聯(lián)部分的電阻R并≈56.64 Ω
則回路總電阻R總＝1 067.06 Ω
則回路總電流I總＝≈0.21 A
則L2一定發(fā)光，此時并聯(lián)的整體的電壓為
U并＝I總R并≈11.89 V
則流過L1的電流為
IL1＝＝ A≈0.012 A
流過L1的電流小于30 mA，則L1熄滅，B錯誤；由題知，S2在鍋內(nèi)溫度高于80 ℃時自動斷開，鍋內(nèi)溫度降到70 ℃以下時S2自動閉合，C正確；當(dāng)鍋內(nèi)溫度低于70 ℃時，S2自動閉合，L2支路被短路，則L2不會發(fā)光，此時電路中R與R1和L1的串聯(lián)部分并聯(lián)，則此時流過L1的電流為
IL1′＝＝ A≈0.218 A，此時流過L1的電流大于30 mA，則L1發(fā)光，D正確．
(2)多用電表的操作步驟為：調(diào)整“指針定位螺絲”，使指針指到零刻度——機(jī)械調(diào)零；將選擇開關(guān)旋轉(zhuǎn)到“×100”位置——選擋；將兩支表筆直接接觸，調(diào)節(jié)“歐姆調(diào)零旋鈕”，使指計指向歐姆零點(diǎn)——?dú)W姆調(diào)零；測量指示燈L1兩端的阻值——測量；將選擇開關(guān)置于OFF位置或交流電壓最高擋——關(guān)閉多用電表．故正確順序為CABDE.
由于使用時L1始終不亮，但加熱和保溫功能均正常，則說明R、L2、R2、T均正常，若指針如題圖丙所示，可看出L1兩端有1 100 Ω左右的電阻，則說明L1始終不亮的原因是L1斷路損壞；
若指針如題圖丁所示，可看出歐姆表的示數(shù)幾乎為零，但由于RL＝10.42 Ω，此時選用的是“×100”擋，則說明燈泡L1正常，則說明L1始終不亮的原因是R1斷路損壞．
5．(2023·四川遂寧市模擬)高速路入口都安裝有稱量汽車重量的地磅．如圖甲所示是某工廠生產(chǎn)的小型地磅結(jié)構(gòu)圖和電路圖，其中R是壓敏電阻，質(zhì)量m0＝500 kg的秤臺平放在壓敏電阻上，被稱汽車停放在秤臺上．已知電路中電源電動勢為26 V、內(nèi)電阻r＝10 Ω，電流表量程為0.3 A、內(nèi)阻RA＝10 Ω，滑動變阻器R′的最大阻值為500 Ω.如圖乙是壓敏電阻的阻值R隨壓力F變化曲線．某設(shè)計人員對電流表上刻度重新賦值，使之能夠從表盤上直接讀出秤臺上汽車的質(zhì)量，他先后進(jìn)行了以下操作．重力加速度g＝10 m/s2.
(1)斷開開關(guān)S，撤去秤臺上的汽車，把多用電表的旋鈕旋到歐姆擋“×10擋”，通過正確調(diào)零后，用紅、黑表筆接在壓敏電阻兩端，多用電表的表針指到如圖丙所示位置，則壓敏電阻R此時的電阻值為________ Ω.
(2)閉合開關(guān)S，設(shè)計人員通過調(diào)節(jié)滑動變阻器，使電流表讀數(shù)為0.10 A，并在此處標(biāo)注為0 kg，則此時滑動變阻器R′接入電路的電阻值為________ Ω；2 500 kg處應(yīng)標(biāo)注在________ A處．
(3)設(shè)計人員按上述操作逐個刻度賦值后，經(jīng)長時間使用，發(fā)現(xiàn)電池的電動勢略有減小、內(nèi)電阻有所增大．他重新調(diào)節(jié)滑動變阻器，使秤臺空載時電流表讀數(shù)仍為0.10 A，然后再去測量汽車的重量．您認(rèn)為現(xiàn)在的測量值相比汽車真實(shí)重量________(選填“偏大”“偏小”或“不變”)
答案　(1)160　(2)80　0.13　(3)偏小
解析　(1)歐姆擋選擇“×10擋”，則阻值為16.0×10 Ω＝160 Ω.
(2)當(dāng)僅有秤臺時，壓敏電阻的阻值為160 Ω，根據(jù)閉合電路歐姆定律得E＝I(R＋R′＋RA＋r)，解得R′＝80 Ω，2 500 kg的物體在秤臺上時，此時壓力為(2 500＋500)×10 N＝3×104 N，壓敏電阻的阻值約為100 Ω，根據(jù)閉合電路歐姆定律得E＝I1(R1＋R′＋RA＋r)，解得I1＝0.13 A.
(3)根據(jù)E＝I(R＋R′＋RA＋r)，可得R＝－R′－RA－r，電池的電動勢偏小，則相同的電流下，R的阻值偏小，結(jié)合題圖乙可知汽車的質(zhì)量的測量值偏小．
6．(2023·福建龍巖市第一中學(xué)模擬)半導(dǎo)體薄膜壓力傳感器是一種常用的傳感器，其阻值會隨壓力變化而改變．現(xiàn)有一壓力傳感器：
(1)利用圖甲所示的電路測量該傳感器在不同壓力下的阻值RN，其阻值約幾十千歐，實(shí)驗室提供以下器材：
直流電源E＝3 V
電流表A(量程250 μA，內(nèi)阻約為50 Ω)
電壓表V(量程3 V，內(nèi)阻約為20 kΩ)
滑動變阻器R(阻值0～100 Ω)
為了提高測量的準(zhǔn)確性，開關(guān)S1應(yīng)接________(選填“1”或“2”)，開關(guān)S2應(yīng)接________(選填“3”或“4”)；
(2)通過多次實(shí)驗測得其阻值RN隨壓力F變化的關(guān)系圖像如圖乙所示；
(3)利用該壓力傳感器設(shè)計了如圖丙所示的自動分揀裝置，可以將質(zhì)量不同的物體進(jìn)行分揀，圖中RN為壓力傳感器，R′為滑動變阻器，電源電壓為6 V(內(nèi)阻不計)．分揀時將質(zhì)量大小不同的物體用傳送帶運(yùn)送到托盤上，OB為一個可繞O轉(zhuǎn)動的杠桿，下端有彈簧，控制電路兩端電壓小于3 V時，杠桿OB水平，物體水平通過進(jìn)入通道1，當(dāng)控制電路兩端電壓大于3 V時，杠桿的B端就會被吸下，物體下滑進(jìn)入通道2，從而實(shí)現(xiàn)分揀功能．若R′調(diào)為30 kΩ，取重力加速度g＝10 m/s2，該分揀裝置可以實(shí)現(xiàn)將質(zhì)量超過________kg的物體進(jìn)行分揀(結(jié)果保留2位有效數(shù)字)，若要將質(zhì)量超過0.20 kg的物體實(shí)現(xiàn)分揀，應(yīng)將R′調(diào)成________kΩ(結(jié)果保留3位有效數(shù)字)．
答案　(1)2　3　(3)0.14　26.0
解析　(1)RN的阻值約幾十千歐，因此有RN>＝ Ω＝1000 Ω
為了提高測量的準(zhǔn)確性，開關(guān)S1應(yīng)該接2.實(shí)驗需要測量多組數(shù)據(jù)，且電壓從零開始變化，實(shí)驗時滑動變阻器應(yīng)用分壓方式接入電路，因此開關(guān)S2接3.
(3)由題意可知，當(dāng)控制電壓等于3 V時，控制電路的電流I＝＝ A＝1×10－4 A
壓力傳感器上的電壓為3 V，壓力傳感器的電阻值為RN＝＝ Ω＝3×104 Ω＝30 kΩ
由題圖乙可知傳感器上的壓力1.40 N，物體質(zhì)量為0.14 kg，因此由壓力傳感器的特點(diǎn)可知，該分揀裝置可以實(shí)現(xiàn)將質(zhì)量超過0.14 kg的物體分揀．若要將質(zhì)量超過0.20 kg的物體實(shí)現(xiàn)分揀，由以上計算分析可知，當(dāng)物體質(zhì)量為0.20 kg時，由題圖乙可知，壓力傳感器的電阻值為26.0 kΩ，因此應(yīng)該將R′調(diào)成26.0 kΩ時，當(dāng)質(zhì)量超過0.20 kg的物體，壓力傳感器的電阻值小于26.0 kΩ，控制電路兩端電壓大于3 V，物體實(shí)現(xiàn)分揀．

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