資源簡介

實驗十二　利用傳感器制作簡單的自動控制裝置
一、研究熱敏電阻的熱敏特性
二、研究光敏電阻的光敏特性
●注意事項
1．在做熱敏實驗時， 加熱水后要等一會兒再測其阻值，以使電阻溫度與水的溫度相同，并同時讀出水溫．
2．在光敏實驗中，如果效果不明顯，可將電阻部分電路放入帶蓋的紙盒中，并通過蓋上小孔改變照射到光敏電阻上的光的多少．
3．歐姆表每次換擋后都要重新調零．
考點　教材原型實驗
典例1　(2021·廣東卷)某小組研究熱敏電阻阻值隨溫度的變化規律．根據實驗需要已選用了規格和量程合適的器材．
(1)先用多用電表預判熱敏電阻阻值隨溫度的變化趨勢．選擇適當倍率的歐姆擋，將兩表筆________，調節歐姆調零旋鈕，使指針指向右邊“0 Ω”處．測量時觀察到熱敏電阻溫度越高，相同倍率下多用電表指針向右偏轉角度越大，由此可判斷熱敏電阻阻值隨溫度的升高而________．
(2)再按圖連接好電路進行測量．
①閉合開關S前，將滑動變阻器R1的滑片滑到________(填“a”或“b”)端．將溫控室的溫度設置為T，電阻箱R0調為某一阻值R01.閉合開關S，調節滑動變阻器R1，使電壓表和電流表的指針偏轉到某一位置．記錄此時電壓表和電流表的示數、T和R01.斷開開關S.再將電壓表與熱敏電阻C端間的導線改接到D端，閉合開關S.反復調節R0和R1，使電壓表和電流表的示數與上述記錄的示數相同．記錄此時電阻箱的阻值R02.斷開開關S.
②實驗中記錄的阻值R01________(填“大于”“小于”或“等于”)R02.此時熱敏電阻阻值RT＝________.
(3)改變溫控室的溫度，測量不同溫度時的熱敏電阻阻值，可以得到熱敏電阻阻值隨溫度的變化規律．
變式1　(2024·湖北高三專題練習)傳感器擔負著信息的采集任務，在自動控制中發揮著重要作用，能夠將感受到的物理量(如溫度、光、聲等)轉換成便于測量的量(通常是電學量)，傳感器是獲取自然和生產領域中信息的主要途徑與手段．回答下面傳感器的應用實驗中的兩個問題：
(1)光傳感器是利用光敏元件將光信號轉換為電信號的傳感器，如圖甲所示為光敏電阻自動計數器的示意圖，其中S為發光儀器，小圓柱是傳送帶上的物品，R1為光敏電阻，其阻值在有光照時比沒有光照時要小得多，R2為定值電阻．當有光照射R1時，信號處理系統獲得________(填“高”或“低”)電壓，信號處理系統每獲得一次________(填“高”或“低”)電壓就記數一次．
(2)熱敏傳感器利用由半導體材料制成的熱敏電阻將熱學量轉換為電學量．熱敏電阻的阻值隨溫度變化的圖像如圖乙所示，圖丙是由熱敏電阻R1作為傳感器的簡單自動報警器的線路圖．為了使溫度過高時報警器報警，c應接在________(填“a”或“b”)處．若要使啟動報警的溫度提高些，應將滑動變阻器的滑片P向________(填“左”或“右”)移動．
考點　實驗的創新與改進
典例2　(2023·湖南卷節選)某探究小組利用半導體薄膜壓力傳感器等元件設計了一個測量微小壓力的裝置，其電路如圖(a)所示，R1、R2、R3為電阻箱，RF為半導體薄膜壓力傳感器，C、D間連接電壓傳感器(內阻無窮大)．
(1)先用歐姆表“×100”擋粗測RF的阻值，示數如圖(b)所示，對應的讀數是________Ω.
(2)適當調節R1、R2、R3，使電壓傳感器示數為0，此時，RF的阻值為________(用R1、R2、R3表示)．
(3)依次將0.5 g的標準砝碼加載到壓力傳感器上(壓力傳感器上所受壓力大小等于砝碼重力大小)，讀出電壓傳感器示數U，所測數據如下表所示：
次數 1 2 3
砝碼質量m/g 0.0 0.5 1.0
電壓U/mV 0 57 115
次數 4 5 6
砝碼質量m/g 1.5 2.0 2.5
電壓U/mV 168 220 280
根據表中數據在圖(c)上描點，繪制U－m關系圖線．
(4)完成前面三步的實驗工作后，該測量微小壓力的裝置即可投入使用．在半導體薄膜壓力傳感器上施加微小壓力F0，電壓傳感器示數為200 mV，則F0大小是________ N(重力加速度取g＝9.8 m/s2，保留2位有效數字)．
變式2　利用霍爾效應制作的霍爾元件，被廣泛應用于測量、自動控制等領域．某同學想設計一個研究霍爾電壓與通過某霍爾元件電流關系的實驗，查閱資料得知該霍爾元件(導電微粒帶負電)的工作電流在0～500 mA之間，C、D間產生的霍爾電壓在0～5 V之間．可供選擇的器材如下：
A．電流表A1(量程0.6 A，內阻約為0.15 Ω)
B．電流表A2(量程20 mA，內阻約為40 Ω)
C．電壓表 V1(量程6.0 V，內阻約為20 kΩ)
D．電壓表 V2(量程15 V，內阻約為20 kΩ)
E．保護電阻
F．滑動變阻器(最大阻值為50 Ω，允許通過的最大電流為1.5 A)
G．電源、單刀單擲開關各一個，導線若干
實驗時將該霍爾元件放在磁鐵S極的正上方，要求多測量幾組數據，且霍爾電壓從零開始變化．
(1)為了完成實驗，電流表應選用________(填“A1”或“A2”)，電壓表應選用________(填“V1”或“V2”)．
(2)請結合(1)中所選的器材和實驗要求將圖甲中的實物圖連線補充完整．
(3)該同學將記錄的實驗數據描繪在U I坐標系中，如圖乙所示，請將圖像補充完整，結合所作圖像可得，在誤差允許范圍內霍爾電壓U與電流大小I的關系為________(填“U＝kI”“U＝kI2”或“U＝k”)．
答案及解析
考點　教材原型實驗
典例1　(2021·廣東卷)某小組研究熱敏電阻阻值隨溫度的變化規律．根據實驗需要已選用了規格和量程合適的器材．
(1)先用多用電表預判熱敏電阻阻值隨溫度的變化趨勢．選擇適當倍率的歐姆擋，將兩表筆________，調節歐姆調零旋鈕，使指針指向右邊“0 Ω”處．測量時觀察到熱敏電阻溫度越高，相同倍率下多用電表指針向右偏轉角度越大，由此可判斷熱敏電阻阻值隨溫度的升高而________．
(2)再按圖連接好電路進行測量．
①閉合開關S前，將滑動變阻器R1的滑片滑到________(填“a”或“b”)端．將溫控室的溫度設置為T，電阻箱R0調為某一阻值R01.閉合開關S，調節滑動變阻器R1，使電壓表和電流表的指針偏轉到某一位置．記錄此時電壓表和電流表的示數、T和R01.斷開開關S.再將電壓表與熱敏電阻C端間的導線改接到D端，閉合開關S.反復調節R0和R1，使電壓表和電流表的示數與上述記錄的示數相同．記錄此時電阻箱的阻值R02.斷開開關S.
②實驗中記錄的阻值R01________(填“大于”“小于”或“等于”)R02.此時熱敏電阻阻值RT＝________.
(3)改變溫控室的溫度，測量不同溫度時的熱敏電阻阻值，可以得到熱敏電阻阻值隨溫度的變化規律．
解析：(1)使用多用電表的歐姆擋前應先歐姆調零，即將兩表筆短接．溫度越高，相同倍率下多用電表的指針向右偏轉的角度越大，則電阻阻值越小，故熱敏電阻的阻值隨溫度的升高而減小．
(2)①閉合開關前，為了保護電路，應該將滑動變阻器的滑片移到阻值最大處，即b端．②將電壓表與熱敏電阻C端間的導線改接到D端，調節滑動變阻器和電阻箱，使電壓表和電流表的示數與改接前一致，則R01＝R02＋RT，所以R01>R02，RT＝R01－R02.
答案：(1)短接　減小　(2)①b　②大于　R01－R02
變式1　(2024·湖北高三專題練習)傳感器擔負著信息的采集任務，在自動控制中發揮著重要作用，能夠將感受到的物理量(如溫度、光、聲等)轉換成便于測量的量(通常是電學量)，傳感器是獲取自然和生產領域中信息的主要途徑與手段．回答下面傳感器的應用實驗中的兩個問題：
(1)光傳感器是利用光敏元件將光信號轉換為電信號的傳感器，如圖甲所示為光敏電阻自動計數器的示意圖，其中S為發光儀器，小圓柱是傳送帶上的物品，R1為光敏電阻，其阻值在有光照時比沒有光照時要小得多，R2為定值電阻．當有光照射R1時，信號處理系統獲得________(填“高”或“低”)電壓，信號處理系統每獲得一次________(填“高”或“低”)電壓就記數一次．
(2)熱敏傳感器利用由半導體材料制成的熱敏電阻將熱學量轉換為電學量．熱敏電阻的阻值隨溫度變化的圖像如圖乙所示，圖丙是由熱敏電阻R1作為傳感器的簡單自動報警器的線路圖．為了使溫度過高時報警器報警，c應接在________(填“a”或“b”)處．若要使啟動報警的溫度提高些，應將滑動變阻器的滑片P向________(填“左”或“右”)移動．
解析：(1)當有光照射R1時，R1的電阻減小，整個電路總電阻減小，電動勢不變，則電流增大，R2兩端的電壓增大，即信號處理系統獲得高電壓；當照射R1的光被傳送帶上的物品擋住時，R1的電阻增大，整個電路總電阻增大，電動勢不變，則電流減小，R2兩端的電壓減小，即信號處理系統獲得低電壓．則信號處理系統每獲得一次低電壓就記數一次．
(2)溫度升高時熱敏電阻的阻值變小，左邊電路中電流變大，電磁鐵磁性變強，開關接觸a點，要使溫度過高時報警器報警，c應接在a處．滑片P向左移動時，滑動變阻器接入電路的阻值變大，在溫度更高時左邊電路才能有足夠大電流，使磁鐵有足夠大的引力吸引開關，因此滑片向左移動可以提高報警器報警的溫度．
答案：(1)高　低　(2)a　左
考點　實驗的創新與改進
典例2　(2023·湖南卷節選)某探究小組利用半導體薄膜壓力傳感器等元件設計了一個測量微小壓力的裝置，其電路如圖(a)所示，R1、R2、R3為電阻箱，RF為半導體薄膜壓力傳感器，C、D間連接電壓傳感器(內阻無窮大)．
(1)先用歐姆表“×100”擋粗測RF的阻值，示數如圖(b)所示，對應的讀數是________Ω.
(2)適當調節R1、R2、R3，使電壓傳感器示數為0，此時，RF的阻值為________(用R1、R2、R3表示)．
(3)依次將0.5 g的標準砝碼加載到壓力傳感器上(壓力傳感器上所受壓力大小等于砝碼重力大小)，讀出電壓傳感器示數U，所測數據如下表所示：
次數 1 2 3
砝碼質量m/g 0.0 0.5 1.0
電壓U/mV 0 57 115
次數 4 5 6
砝碼質量m/g 1.5 2.0 2.5
電壓U/mV 168 220 280
根據表中數據在圖(c)上描點，繪制U－m關系圖線．
(4)完成前面三步的實驗工作后，該測量微小壓力的裝置即可投入使用．在半導體薄膜壓力傳感器上施加微小壓力F0，電壓傳感器示數為200 mV，則F0大小是________ N(重力加速度取g＝9.8 m/s2，保留2位有效數字)．
解析：(1)歐姆表讀數為10×100 Ω＝1 000 Ω.
(2)當電壓傳感器示數為零時，C、D兩點電勢相等，即UCB＝UDB，即RF＝R3，解得RF＝.
(3)繪出U－m圖像如圖所示．
(4)由圖像可知，當電壓傳感器的讀數為200 mV時，所放物體質量為1.75 g，則F0＝mg＝1.75×10－3×9.8 N＝1.7×10－2 N.
答案：(1)1 000　(2)　(3)見解析圖　(4)1.7×10－2
變式2　利用霍爾效應制作的霍爾元件，被廣泛應用于測量、自動控制等領域．某同學想設計一個研究霍爾電壓與通過某霍爾元件電流關系的實驗，查閱資料得知該霍爾元件(導電微粒帶負電)的工作電流在0～500 mA之間，C、D間產生的霍爾電壓在0～5 V之間．可供選擇的器材如下：
A．電流表A1(量程0.6 A，內阻約為0.15 Ω)
B．電流表A2(量程20 mA，內阻約為40 Ω)
C．電壓表 V1(量程6.0 V，內阻約為20 kΩ)
D．電壓表 V2(量程15 V，內阻約為20 kΩ)
E．保護電阻
F．滑動變阻器(最大阻值為50 Ω，允許通過的最大電流為1.5 A)
G．電源、單刀單擲開關各一個，導線若干
實驗時將該霍爾元件放在磁鐵S極的正上方，要求多測量幾組數據，且霍爾電壓從零開始變化．
(1)為了完成實驗，電流表應選用________(填“A1”或“A2”)，電壓表應選用________(填“V1”或“V2”)．
(2)請結合(1)中所選的器材和實驗要求將圖甲中的實物圖連線補充完整．
(3)該同學將記錄的實驗數據描繪在U I坐標系中，如圖乙所示，請將圖像補充完整，結合所作圖像可得，在誤差允許范圍內霍爾電壓U與電流大小I的關系為________(填“U＝kI”“U＝kI2”或“U＝k”)．
解析：(1)根據題意可知，霍爾元件最大電流為0.5 A，最大電壓為5 V，電流表應選A1，電壓表應選 V1.
(2)要求霍爾電壓從零開始變化，則回路中的電流應從零開始變化，滑動變阻器應采用分壓式接法；保護電阻應與霍爾元件串聯，根據電流的方向、導電微粒電性和左手定則可知，D端的電勢較低，電路連線如圖(a)所示．
(3)結合所描數據點，用平滑曲線連線，可以看出所作圖線近似為過原點的直線，如圖(b)所示，則在誤差允許范圍內，霍爾電壓U與電流大小I的關系為U＝kI.
答案：(1)A1　V1　(2)見解析圖(a)　(3)見解析圖(b)　U＝kI(共25張PPT)
實驗十二　利用傳感器制作簡單的自動控制裝置
第十一章　交變電流　傳感器
實驗基礎 記熟背牢
原型實驗 創新改進
謝 謝 觀 看
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