資源簡(jiǎn)介

第5講　實(shí)驗(yàn):利用傳感器制作簡(jiǎn)單的自動(dòng)控制裝置
一、實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)梳理
1.實(shí)驗(yàn)?zāi)康?br/>(1)認(rèn)識(shí)熱敏電阻、光敏電阻等傳感器中的敏感元件。
(2)學(xué)會(huì)利用傳感器制作簡(jiǎn)單的自動(dòng)控制裝置。
2.實(shí)驗(yàn)原理
(1)傳感器能夠?qū)⒏惺艿降奈锢砹?力、熱、光、聲等)轉(zhuǎn)換成便于測(cè)量的量(一般是電學(xué)量)。
(2)工作過(guò)程。
3.實(shí)驗(yàn)案例
(1)研究熱敏電阻的熱敏特性。
①實(shí)驗(yàn)器材。
熱敏電阻、多用電表、鐵架臺(tái)、燒杯、冷水、熱水、溫度計(jì)、導(dǎo)線等。
②實(shí)驗(yàn)步驟。
a.按如圖所示連接好電路,將熱敏電阻絕緣處理。
b.把多用電表選擇開(kāi)關(guān)置于電阻擋,并選擇適當(dāng)?shù)谋堵蕼y(cè)出燒杯中沒(méi)有水時(shí)熱敏電阻的阻值,并記下溫度計(jì)的示數(shù)。
c.向燒杯中注入少量的冷水,使熱敏電阻浸沒(méi)在冷水中,記下溫度計(jì)的示數(shù)和多用電表測(cè)量的熱敏電阻的阻值。
d.將不同溫度的熱水分幾次注入燒杯中,測(cè)出不同溫度下熱敏電阻的阻值,并記錄。
③數(shù)據(jù)處理。
a.把測(cè)量到的溫度、電阻阻值填入表中,根據(jù)記錄數(shù)據(jù),分析熱敏電阻的特性。
溫度/℃
電阻/Ω
b.在坐標(biāo)系中,粗略畫(huà)出熱敏電阻的阻值隨溫度變化的圖線。
c.根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和R-t圖線,得出結(jié)論。
④注意事項(xiàng)。
在做本實(shí)驗(yàn)時(shí),加水后要等一會(huì)兒再測(cè)其阻值,以使電阻溫度與水的溫度相同,并同時(shí)讀出水溫。
(2)研究光敏電阻的光敏特性。
①實(shí)驗(yàn)器材。
光敏電阻、多用電表、小燈泡、學(xué)生電源、滑動(dòng)變阻器、導(dǎo)線等。
②實(shí)驗(yàn)步驟。
a.將光敏電阻、多用電表、小燈泡、滑動(dòng)變阻器、學(xué)生電源按如圖所示電路連接好,其中多用電表選擇開(kāi)關(guān)置于倍率為×100的電阻擋。
b.先測(cè)出在室內(nèi)自然光的照射下光敏電阻的阻值,并記錄數(shù)據(jù)。
c.打開(kāi)電源,讓小燈泡發(fā)光,調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器使小燈泡逐漸變亮,觀察表盤(pán)指針顯示光敏電阻阻值的情況,并記錄。
d.用手掌(或黑紙)遮光時(shí),觀察表盤(pán)指針顯示光敏電阻阻值的情況,并記錄。
③數(shù)據(jù)處理。
將數(shù)據(jù)記入表中,根據(jù)記錄數(shù)據(jù)分析光敏電阻的特性。
光照強(qiáng)度 弱 中 強(qiáng) 無(wú)光照射
阻值/Ω
④注意事項(xiàng)。
本實(shí)驗(yàn)中,如果效果不明顯,可將光敏電阻部分電路放入帶蓋的紙盒中,并通過(guò)蓋上小孔改變射到光敏電阻上的光的強(qiáng)度。
二、五種敏感元件的作用和特點(diǎn)
1.熱敏電阻:將溫度這個(gè)熱學(xué)量轉(zhuǎn)換為電阻這個(gè)電學(xué)量,一般情況下,熱敏電阻的阻值隨溫度的升高而減小,隨溫度的降低而增大。
2.金屬熱電阻:將溫度這個(gè)熱學(xué)量轉(zhuǎn)換為電阻這個(gè)電學(xué)量,一般情況下,金屬熱電阻的阻值隨溫度的升高而增大,隨溫度的降低而減小。
3.光敏電阻:將光照強(qiáng)度這個(gè)光學(xué)量轉(zhuǎn)換為電阻這個(gè)電學(xué)量,一般情況下,光敏電阻的阻值隨光照增強(qiáng)而減小,隨光照減弱而增大。
4.霍爾元件:將磁感應(yīng)強(qiáng)度這個(gè)磁學(xué)量轉(zhuǎn)換為電壓這個(gè)電學(xué)量,對(duì)于某個(gè)確定的霍爾元件,它的厚度d、霍爾系數(shù)k為定值,如果保持電流I恒定,則霍爾電壓UH就與磁感應(yīng)強(qiáng)度B成正比(UH=k)。
5.壓敏電阻:將壓力這個(gè)力學(xué)量轉(zhuǎn)換為電阻這個(gè)電學(xué)量,壓敏電阻的阻值隨壓力的變化而變化。
考點(diǎn)一　基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)
[例1] 【溫度傳感器】 (2025·江西南昌模擬)某同學(xué)學(xué)習(xí)傳感器的知識(shí)后,想利用熱敏電阻的阻值隨溫度變化的特性,制作了一個(gè)簡(jiǎn)易低油位報(bào)警裝置。
(1)該同學(xué)首先利用多用電表電阻擋“×100”擋粗測(cè)該熱敏電阻在常溫下的阻值,示數(shù)如圖甲所示,則此時(shí)熱敏電阻的阻值為RT=　　　　kΩ。
甲
(2)該同學(xué)為了進(jìn)一步探究該熱敏電阻阻值隨溫度變化的關(guān)系,設(shè)計(jì)了如圖乙所示的實(shí)驗(yàn)電路,定值電阻R1=2.5 kΩ,在某次測(cè)量中,毫安表A1的示數(shù)為5.0 mA,毫安表A2的示數(shù)為2.0 mA,且已知毫安表A2的內(nèi)阻為200 Ω,則此次測(cè)量時(shí),熱敏電阻的阻值為　　　　kΩ。
(3)經(jīng)過(guò)多次測(cè)量,該同學(xué)得到熱敏電阻阻值隨溫度的變化關(guān)系圖像如圖丙所示,可知該熱敏電阻的阻值隨溫度升高變化得越來(lái)越　　　　(選填“快”或“慢”)。
(4)該同學(xué)利用此熱敏電阻設(shè)計(jì)的汽車低油位報(bào)警裝置如圖丁所示,其中電源電動(dòng)勢(shì)E=5.0 V,定值電阻R=1.6 kΩ,長(zhǎng)為l=50 cm、粗細(xì)均勻的熱敏電阻下端緊靠在油箱底部,不計(jì)報(bào)警器和電源的內(nèi)阻。已知流過(guò)報(bào)警器的電流I≥2.0 mA時(shí)報(bào)警器開(kāi)始報(bào)警,若測(cè)得報(bào)警器報(bào)警時(shí)油液(熱敏電阻)的溫度為30 ℃,油液外熱敏電阻的溫度為70 ℃,由此可知油液的警戒液面到油箱底部的距離約為　　　　cm。
【答案】 (1)1.6　(2)1.8　(3)慢　(4)20
【解析】 (1)由多用電表電阻擋的讀數(shù)規(guī)則可知,此時(shí)熱敏電阻的阻值為RT=16×100 Ω=
1.6 kΩ。
(2)熱敏電阻兩端的電壓為UT=I2(R1+r2)=5.4 V,通過(guò)熱敏電阻的電流為IT=I1-I2=3.0 mA,則熱敏電阻的阻值為RT==1.8 kΩ。
(3)由題圖丙可得,圖線斜率的絕對(duì)值越來(lái)越小,所以該熱敏電阻的阻值隨溫度升高變化得越來(lái)越慢。
(4)設(shè)警戒液面到油箱底部的距離為x,溫度為30 ℃時(shí)熱敏電阻的阻值為RT1=1.5 kΩ,則在油液內(nèi)的熱敏電阻的阻值為R1=RT1,同理,可得油液外的熱敏電阻的阻值為R2=RT2,其中RT2=0.5 kΩ,由閉合電路歐姆定律有E=I(R+R1+R2),將E=5 V,I=2.0 mA,R=1.6 kΩ代入可得x=20 cm。
[例2] 【光電傳感器】 (2025·山東青島模擬)蔬菜育苗過(guò)程對(duì)環(huán)境要求嚴(yán)格,溫室內(nèi)的空氣溫濕度、土壤溫濕度、二氧化碳濃度以及光照強(qiáng)度等都很重要。其中光照強(qiáng)度簡(jiǎn)稱照度,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)。蔬菜生長(zhǎng)適宜的照度為4 000～25 000 lx,為了控制照度,科技人員設(shè)計(jì)了圖甲所示的智能光控電路,當(dāng)照度低于4 000 lx時(shí),啟動(dòng)照明系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)光。
(1)智能光控電路的核心元件是光敏電阻R0,某同學(xué)按如圖乙連接各元件,測(cè)量光敏電阻在不同照度時(shí)的電阻,則在閉合電路開(kāi)關(guān)前應(yīng)該把滑動(dòng)變阻器滑到　　　　(選填“1”或“2”)端;請(qǐng)根據(jù)圖乙在虛線框內(nèi)畫(huà)出對(duì)應(yīng)的電路圖。
(2)通過(guò)測(cè)量得出了電阻隨照度變化的規(guī)律如圖丙所示,由圖可判斷光敏電阻的阻值R0與照度　　　　(選填“滿足”或“不滿足”)反比例函數(shù)關(guān)系。
(3)該同學(xué)用上述光敏電阻連接成圖甲所示的控制電路,其中電源電動(dòng)勢(shì)E=9.0 V,內(nèi)阻r=10 Ω,定值電阻R1=100 Ω,電阻箱R2的阻值調(diào)節(jié)范圍是0～999.9 Ω,光敏電阻R0的電壓U增加到2.0 V時(shí)光照系統(tǒng)開(kāi)始工作,為了使光敏電阻在照度降低到4 000 lx時(shí),自動(dòng)控制系統(tǒng)開(kāi)始補(bǔ)光,電阻箱R2的阻值應(yīng)該調(diào)節(jié)為　　　　Ω。
(4)該光控裝置使用較長(zhǎng)時(shí)間后電源內(nèi)阻變大,使得自動(dòng)控制系統(tǒng)正常工作時(shí)的最小照度
　　　　(選填“大于”“小于”或“等于”) 4 000 lx。
【答案】 (1)2　圖見(jiàn)解析　(2)不滿足　(3)65
(4)小于
【解析】 (1)為了保證電路的安全應(yīng)將滑動(dòng)變阻器滑到2端,從而使光敏電阻兩端的電壓為零;根據(jù)實(shí)物圖可得電路圖如圖所示。
(2)根據(jù)題圖丙可知縱坐標(biāo)與橫坐標(biāo)的乘積不是一個(gè)常數(shù),所以光敏電阻的阻值R0與照度不滿足反比例函數(shù)關(guān)系。
(3)根據(jù)閉合電路歐姆定律得I=,根據(jù)題圖丙可知在照度降低到4 000 lx時(shí),對(duì)應(yīng)的阻值為R0=50 Ω,又有U=IR0,其中U=2.0 V,聯(lián)立可得R2=65 Ω。
(4)光控裝置使用較長(zhǎng)時(shí)間后電源內(nèi)阻變大,根據(jù)閉合電路歐姆定律可知,總電流變小,R0兩端的電壓變小,從而導(dǎo)致自動(dòng)控制系統(tǒng)正常工作時(shí)的最小照度小于4 000 lx。
考點(diǎn)二　創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)
[例3] 【實(shí)驗(yàn)器材的創(chuàng)新】 (2024·河北卷,12)某種花卉喜光,但陽(yáng)光太強(qiáng)時(shí)易受損傷。某興趣小組決定制作簡(jiǎn)易光強(qiáng)報(bào)警器,以便在光照過(guò)強(qiáng)時(shí)提醒花農(nóng)。該實(shí)驗(yàn)用到的主要器材如下:學(xué)生電源、多用電表、數(shù)字電壓表(0～20 V)、數(shù)字電流表(0～20 mA)、滑動(dòng)變阻器R(最大阻值50 Ω,1.5 A)、白熾燈、可調(diào)電阻R1(0～50 kΩ)、發(fā)光二極管LED、光敏電阻RG、NPN型三極管VT、開(kāi)關(guān)和若干導(dǎo)線等。
(1)判斷發(fā)光二極管的極性。
使用多用電表的“×10k”歐姆擋測(cè)量二極管的電阻。如圖甲所示,當(dāng)黑表筆與接線端M接觸、紅表筆與接線端N接觸時(shí),多用電表指針位于表盤(pán)中a位置(如圖乙);對(duì)調(diào)紅、黑表筆后指針位于表盤(pán)中b位置(如圖乙)。由此判斷M端為二極管的　　　　(選填“正極”或“負(fù)極”)。
乙
(2)研究光敏電阻在不同光照條件下的伏安特性。
①采用圖丙中的器材進(jìn)行實(shí)驗(yàn),部分實(shí)物連接已完成。要求閉合開(kāi)關(guān)后電壓表和電流表的讀數(shù)從0開(kāi)始。導(dǎo)線L1、L2和L3的另一端應(yīng)分別連接滑動(dòng)變阻器的　　　　、　　　　、
　　　　接線柱(以上三空均選填接線柱標(biāo)號(hào)“A”“B”“C”或“D”)。
②圖丁為不同光照強(qiáng)度下得到的光敏電阻伏安特性曲線,圖中曲線Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ對(duì)應(yīng)光敏電阻受到的光照由弱到強(qiáng)。由圖像可知,光敏電阻的阻值隨其表面受到光照的增強(qiáng)而　　　　(選填“增大”或“減小”)。
(3)組裝光強(qiáng)報(bào)警器電路并測(cè)試其功能。
圖戊為利用光敏電阻、發(fā)光二極管、三極管(當(dāng)b、e間電壓達(dá)到一定程度后,三極管被導(dǎo)通)等元件設(shè)計(jì)的電路。組裝好光強(qiáng)報(bào)警器后,在測(cè)試過(guò)程中發(fā)現(xiàn),當(dāng)照射到光敏電阻表面的光強(qiáng)達(dá)到報(bào)警值時(shí),發(fā)光二極管并不發(fā)光,為使報(bào)警器正常工作,應(yīng)　　　　(選填“增大”或“減小”)可調(diào)電阻R1的阻值,直至發(fā)光二極管發(fā)光。
【答案】 (1)負(fù)極　(2)①A　A　C(或D)
②減小　(3)增大
【解析】 (1)根據(jù)歐姆表結(jié)構(gòu),歐姆表黑表筆接內(nèi)部電源正極,當(dāng)黑表筆接M端時(shí),電阻無(wú)窮大,說(shuō)明二極管反向截止,即M端為二極管負(fù)極。
(2)①題干要求電壓表、電流表讀數(shù)從零開(kāi)始,所以滑動(dòng)變阻器采用分壓式接法,故L1、L2接滑動(dòng)變阻器A接線柱,L3必須接在滑動(dòng)變阻器金屬桿兩端接線柱任意一個(gè),即C或D。
②由題圖丁可知,隨光照強(qiáng)度增加,I-U圖像斜率增大,所以電阻減小。
(3)三極管未導(dǎo)通時(shí),RG與R1串聯(lián)。隨著光強(qiáng)增強(qiáng),RG電阻減小,此時(shí)三極管仍未導(dǎo)通,說(shuō)明R1分壓小,故需要增大R1。
[例4] 【實(shí)驗(yàn)情境的創(chuàng)新】 (2024·廣東卷,12)某科技小組模仿太陽(yáng)能發(fā)電中的太陽(yáng)光自動(dòng)跟蹤系統(tǒng),制作光源跟蹤演示裝置,實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能電池板方向的調(diào)整,使電池板正對(duì)光源。圖甲是光照方向檢測(cè)電路。所用器材有:電源E(電動(dòng)勢(shì)3 V)、電壓表和(量程均有3 V和15 V,內(nèi)阻均可視為無(wú)窮大)、滑動(dòng)變阻器R、兩個(gè)相同的光敏電阻RG1和RG2、開(kāi)關(guān)S、手電筒、導(dǎo)線若干。圖乙是實(shí)物圖,圖中電池板上垂直安裝有半透明隔板,隔板兩側(cè)裝有光敏電阻,電池板固定在電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上。控制單元與檢測(cè)電路的連接未畫(huà)出,控制單元對(duì)光照方向檢測(cè)電路無(wú)影響。請(qǐng)完成下列實(shí)驗(yàn)操作和判斷。
(1)電路連接。
圖乙中已正確連接了部分電路,請(qǐng)完成虛線框中滑動(dòng)變阻器R、電源E、開(kāi)關(guān)S和電壓表間的實(shí)物圖連線。
(2)光敏電阻阻值與光照強(qiáng)度關(guān)系測(cè)試。
①將圖甲中R的滑片置于　　　　端。用手電筒的光斜照射到RG1和RG2,使RG1表面的光照強(qiáng)度比RG2表面的小。
②閉合S,將R的滑片緩慢滑到某一位置。的示數(shù)如圖丙所示,讀數(shù)U1為　　　　V,的示數(shù)U2為1.17 V。由此可知,表面光照強(qiáng)度較小的光敏電阻的阻值　　　　(選填“較大”或“較小”)。
③斷開(kāi)S。
(3)光源跟蹤測(cè)試。
①將手電筒的光從電池板上方斜照射到RG1和RG2。
②閉合S,并啟動(dòng)控制單元,控制單元檢測(cè)并比較兩光敏電阻的電壓,控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。此時(shí)兩電壓表的示數(shù)U1【答案】 (1)圖見(jiàn)解析　(2)①b　②1.60　較大
(3)②逆時(shí)針　U1=U2
【解析】 (1)實(shí)物圖電路連線如圖。
(2)①滑動(dòng)變阻器采用分壓式接法接入電路,為保證并聯(lián)電路安全,滑片應(yīng)置于b端。
②電壓表接入量程為3 V,最小刻度為0.1 V,則讀數(shù)為1.60 V;由此可知表面光照強(qiáng)度較小的RG1兩端電壓較大,說(shuō)明表面光照強(qiáng)度較小的阻值較大。
(3)②由于兩電壓表的示數(shù)U1(滿分:30分)
1.(8分)(2025·湖北襄陽(yáng)模擬)某學(xué)習(xí)小組想設(shè)計(jì)一款一氧化碳報(bào)警器,經(jīng)查閱資料,發(fā)現(xiàn)人體所處的環(huán)境中一氧化碳濃度超過(guò)60 mg/m3,便容易發(fā)生一氧化碳中毒。他們購(gòu)買(mǎi)了一款氣敏電阻,其阻值會(huì)隨著一氧化碳濃度的變化而變化,產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)中提供了該氣敏電阻阻值隨一氧化碳濃度變化的關(guān)系圖像,如圖甲所示。
(1)該學(xué)習(xí)小組找來(lái)量程為0～3 V的電壓表(內(nèi)阻很大),并將表盤(pán)的0～1 V區(qū)域涂成紅色,然后將氣敏電阻Rq、電源(電動(dòng)勢(shì)E=4 V,內(nèi)阻可忽略不計(jì))、電壓表和調(diào)好阻值的電阻箱連接成如圖乙所示的電路。將整個(gè)電路置于密閉容器中,充入一氧化碳?xì)怏w,隨著一氧化碳濃度的增加,電壓表的讀數(shù)逐漸　　　　(選填“增大”或“減小”),當(dāng)濃度達(dá)到60 mg/m3時(shí),電壓表指針恰好指到表盤(pán)紅色區(qū)的右邊緣,即1 V處,則他們調(diào)好的電阻箱的阻值是　　　　Ω(結(jié)果保留3位有效數(shù)字)。若要使該裝置在一氧化碳濃度更低時(shí),指針就指到紅色區(qū),應(yīng)將電阻箱的阻值適當(dāng)　　　　(選填“調(diào)大”或“調(diào)小”)。
(2)為了使報(bào)警效果更好,他們?nèi)サ綦妷罕?改用綠燈泡指示燈、蜂鳴器報(bào)警相結(jié)合的方式。電路如圖丙所示,綠色燈泡電阻為18 Ω,電壓達(dá)到0.9 V燈泡才會(huì)發(fā)光,P為光控開(kāi)關(guān),有光照時(shí)開(kāi)關(guān)斷開(kāi),無(wú)光照時(shí)開(kāi)關(guān)接通,光控開(kāi)關(guān)P正對(duì)綠色燈泡。要實(shí)現(xiàn)當(dāng)濃度小于60 mg/m3時(shí)綠色指示燈亮,當(dāng)濃度達(dá)到60 mg/m3時(shí),綠色指示燈滅、蜂鳴器報(bào)警,電阻箱的阻值應(yīng)調(diào)到　　　　Ω(結(jié)果保留3位有效數(shù)字)。
【答案】 (1)減小　767　調(diào)小　(2)63.7
【解析】 (1)根據(jù)題圖甲可知,隨著一氧化碳濃度的增加,Rq變大,根據(jù)閉合電路歐姆定律可知電路中電流減小,故電壓表示數(shù)減小;當(dāng)濃度達(dá)到60 mg/m3 時(shí),由題圖甲可知此時(shí)氣敏電阻阻值為Rq=2.3 kΩ,有·(R+Rq)=E,UV=1 V,解得R≈767 Ω。若要使該裝置在一氧化碳濃度更低時(shí),指針就指到紅色區(qū),即此時(shí)氣敏電阻阻值變小時(shí),電壓表的示數(shù)仍在0～1 V區(qū)域內(nèi),即電阻箱上分到的電壓不變;根據(jù)串聯(lián)電路規(guī)律可知,此時(shí)應(yīng)適當(dāng)調(diào)小電阻箱的阻值。
(2)當(dāng)濃度達(dá)到60 mg/m3時(shí)綠色指示燈剛好熄滅,根據(jù)閉合電路歐姆定律有·(R并+RL)=
E,R并=,其中UL=0.9 V,RL=18 Ω,Rq=2.3 kΩ,解得R≈63.7 Ω。
2.(10分)(2025·重慶渝北聯(lián)考)如圖所示,圖甲為一個(gè)自動(dòng)篩選雞蛋大小的裝置,可以篩選出兩類大小不同的雞蛋。當(dāng)不同大小的雞蛋傳送到壓力秤上時(shí),壓力秤作用在壓力傳感器電阻R1上,其電阻值隨壓力秤所受壓力的變化圖像如圖乙所示。R2是可調(diào)節(jié)電阻,其兩端電壓經(jīng)放大電路放大后可以控制電磁鐵是否吸動(dòng)銜鐵并保持一段時(shí)間。當(dāng)電壓超過(guò)某一數(shù)值時(shí)電磁鐵可以吸動(dòng)銜鐵使彈簧下壓,雞蛋就進(jìn)入B通道。已知電源電動(dòng)勢(shì)E=6 V,內(nèi)阻不計(jì),R2調(diào)節(jié)為10 Ω。
(1)由圖乙可知,壓力傳感器的電阻值R1隨壓力的增大而　　　　(選填“增大”或“減小”)。
(2)從B通道通過(guò)的是　　　　(選填“大”或“小”)雞蛋。
(3)由兩個(gè)圖可知,當(dāng)R2兩端的電壓超過(guò)3 V時(shí),電磁鐵可以吸動(dòng)銜鐵向下,則選擇的大雞蛋對(duì)壓力秤的壓力要大于　　　　N。(保留到小數(shù)點(diǎn)后2位)
(4)要想選擇出更大的雞蛋,需要把電阻R2的阻值調(diào)　　　　(選填“大”或“小”)。
【答案】 (1)減小　(2)大　(3)0.44(0.43～0.45均可)　(4)小
【解析】 (1)由題圖乙可知F越大,R1越小,即壓力傳感器的電阻值R1隨壓力的增大而減小。
(2)當(dāng)雞蛋質(zhì)量較大時(shí),壓力秤作用于R1的壓力F較大,則R1較小,通過(guò)R2的電流較大,故R2兩端電壓較大,經(jīng)過(guò)放大電路放大后電壓超過(guò)某一數(shù)值時(shí)電磁鐵可以吸動(dòng)銜鐵使彈簧下壓,雞蛋就進(jìn)入B通道,所以從B通道通過(guò)的是大雞蛋。
(3)根據(jù)閉合電路歐姆定律得E=U2+IR1=U2+R1,解得R1=10 Ω,由題圖乙可知,當(dāng)R1=10 Ω時(shí),F=0.44 N。所以選擇的大雞蛋對(duì)壓力秤的壓力要大于0.44 N。
(4)要選出更大的雞蛋,即要使相同的雞蛋送到壓力秤時(shí),R2兩端的電壓較原來(lái)的小,所以需要把R2的阻值調(diào)小。
3.(12分)(2024·廣東佛山模擬)如圖甲所示是大型機(jī)械廠里用來(lái)稱重的電子吊秤,其中實(shí)現(xiàn)稱重的關(guān)鍵元件是拉力傳感器,其工作原理是:掛鉤上掛上重物,傳感器中拉力敏感電阻絲在拉力作用下發(fā)生形變,其長(zhǎng)度和橫截面積都發(fā)生變化,拉力敏感電阻絲的電阻也隨著發(fā)生變化,再經(jīng)相應(yīng)的測(cè)量電路把這一電阻變化轉(zhuǎn)換為電信號(hào)(電壓或電流),從而完成將所稱重物質(zhì)量變換為電信號(hào)的過(guò)程。
(1)請(qǐng)說(shuō)明拉力感應(yīng)電阻絲的電阻隨拉力增大而增大的原因是　。
(2)某研究小組找到了一根拉力敏感電阻絲RL,其電阻隨拉力變化的關(guān)系如圖乙所示,再按圖丙設(shè)計(jì)了一個(gè)簡(jiǎn)易的“吊秤”,電路中電源電動(dòng)勢(shì)E約為15 V,內(nèi)阻約為2 Ω;靈敏電流表滿偏電流為10 mA,內(nèi)阻約為5 Ω;R為電阻箱,最大阻值為9 999 Ω;RL接在A、B兩接線柱之間,通過(guò)光滑絕緣滑環(huán)將重物吊起,接通電路完成下列操作:
①滑環(huán)不吊重物時(shí),調(diào)節(jié)電阻箱R,當(dāng)電流為某一示數(shù)I時(shí),讀出電阻箱的讀數(shù)為R1。
②滑環(huán)吊起待測(cè)重物時(shí),測(cè)出電阻絲與豎直方向的夾角為θ。
③調(diào)節(jié)電阻箱,使電流表示數(shù)仍然為I,讀出電阻箱的讀數(shù)為R2,則拉力敏感電阻絲電阻增加量為　　　　。
(3)設(shè)RL-F的圖像斜率為k,截距為b,則待測(cè)重物的重力G的表達(dá)式為G=　　　　　　(用以上測(cè)得物理量表示)。
(4)研究小組中一位同學(xué)受電阻表原理啟發(fā),將靈敏電流表重新刻度標(biāo)記重物的重力,則標(biāo)記重力示數(shù)的刻度盤(pán)刻度　　　　(選填“均勻”或“不均勻”);呈現(xiàn)出　特點(diǎn)。
【答案】 (1)電阻絲變長(zhǎng),橫截面積減小
(2)③R1-R2　(3)cos θ　(4)見(jiàn)解析
【解析】 (1)隨著拉力增大,電阻絲變長(zhǎng)變細(xì),根據(jù)電阻定律R=ρ可知,電阻增大。
(2)③電路中電流不變,則電路中外電阻不變,所以有ΔRL=R1-R2。
(3)RL-F圖像的斜率為k==,解得F=,對(duì)重物受力分析有2Fcos θ=G,解得G=cos θ。
(4)根據(jù)閉合電路的歐姆定律得I=,令r″=R+r+r′,可得I=,解得RL=-r″,又RL=kF+b=+b,因?yàn)殡娏髋cG不是線性關(guān)系,所以刻度盤(pán)刻度不均勻,電流越小,重物越重,由數(shù)學(xué)知識(shí)可知,刻度盤(pán)靠近電流零刻度一側(cè)刻度較密,另一側(cè)較疏。
(
第
14
頁(yè)
)第5講　實(shí)驗(yàn):利用傳感器制作簡(jiǎn)單的自動(dòng)控制裝置
一、實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)梳理
1.實(shí)驗(yàn)?zāi)康?br/>(1)認(rèn)識(shí)熱敏電阻、光敏電阻等傳感器中的敏感元件。
(2)學(xué)會(huì)利用傳感器制作簡(jiǎn)單的自動(dòng)控制裝置。
2.實(shí)驗(yàn)原理
(1)傳感器能夠?qū)⒏惺艿降奈锢砹?力、熱、光、聲等)轉(zhuǎn)換成便于測(cè)量的量(一般是電學(xué)量)。
(2)工作過(guò)程。
3.實(shí)驗(yàn)案例
(1)研究熱敏電阻的熱敏特性。
①實(shí)驗(yàn)器材。
熱敏電阻、多用電表、鐵架臺(tái)、燒杯、冷水、熱水、溫度計(jì)、導(dǎo)線等。
②實(shí)驗(yàn)步驟。
a.按如圖所示連接好電路,將熱敏電阻絕緣處理。
b.把多用電表選擇開(kāi)關(guān)置于電阻擋,并選擇適當(dāng)?shù)谋堵蕼y(cè)出燒杯中沒(méi)有水時(shí)熱敏電阻的阻值,并記下溫度計(jì)的示數(shù)。
c.向燒杯中注入少量的冷水,使熱敏電阻浸沒(méi)在冷水中,記下溫度計(jì)的示數(shù)和多用電表測(cè)量的熱敏電阻的阻值。
d.將不同溫度的熱水分幾次注入燒杯中,測(cè)出不同溫度下熱敏電阻的阻值,并記錄。
③數(shù)據(jù)處理。
a.把測(cè)量到的溫度、電阻阻值填入表中,根據(jù)記錄數(shù)據(jù),分析熱敏電阻的特性。
溫度/℃
電阻/Ω
b.在坐標(biāo)系中,粗略畫(huà)出熱敏電阻的阻值隨溫度變化的圖線。
c.根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和R-t圖線,得出結(jié)論。
④注意事項(xiàng)。
在做本實(shí)驗(yàn)時(shí),加水后要等一會(huì)兒再測(cè)其阻值,以使電阻溫度與水的溫度相同,并同時(shí)讀出水溫。
(2)研究光敏電阻的光敏特性。
①實(shí)驗(yàn)器材。
光敏電阻、多用電表、小燈泡、學(xué)生電源、滑動(dòng)變阻器、導(dǎo)線等。
②實(shí)驗(yàn)步驟。
a.將光敏電阻、多用電表、小燈泡、滑動(dòng)變阻器、學(xué)生電源按如圖所示電路連接好,其中多用電表選擇開(kāi)關(guān)置于倍率為×100的電阻擋。
b.先測(cè)出在室內(nèi)自然光的照射下光敏電阻的阻值,并記錄數(shù)據(jù)。
c.打開(kāi)電源,讓小燈泡發(fā)光,調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器使小燈泡逐漸變亮,觀察表盤(pán)指針顯示光敏電阻阻值的情況,并記錄。
d.用手掌(或黑紙)遮光時(shí),觀察表盤(pán)指針顯示光敏電阻阻值的情況,并記錄。
③數(shù)據(jù)處理。
將數(shù)據(jù)記入表中,根據(jù)記錄數(shù)據(jù)分析光敏電阻的特性。
光照強(qiáng)度 弱 中 強(qiáng) 無(wú)光照射
阻值/Ω
④注意事項(xiàng)。
本實(shí)驗(yàn)中,如果效果不明顯,可將光敏電阻部分電路放入帶蓋的紙盒中,并通過(guò)蓋上小孔改變射到光敏電阻上的光的強(qiáng)度。
二、五種敏感元件的作用和特點(diǎn)
1.熱敏電阻:將溫度這個(gè)熱學(xué)量轉(zhuǎn)換為電阻這個(gè)電學(xué)量,一般情況下,熱敏電阻的阻值隨溫度的升高而減小,隨溫度的降低而增大。
2.金屬熱電阻:將溫度這個(gè)熱學(xué)量轉(zhuǎn)換為電阻這個(gè)電學(xué)量,一般情況下,金屬熱電阻的阻值隨溫度的升高而增大,隨溫度的降低而減小。
3.光敏電阻:將光照強(qiáng)度這個(gè)光學(xué)量轉(zhuǎn)換為電阻這個(gè)電學(xué)量,一般情況下,光敏電阻的阻值隨光照增強(qiáng)而減小,隨光照減弱而增大。
4.霍爾元件:將磁感應(yīng)強(qiáng)度這個(gè)磁學(xué)量轉(zhuǎn)換為電壓這個(gè)電學(xué)量,對(duì)于某個(gè)確定的霍爾元件,它的厚度d、霍爾系數(shù)k為定值,如果保持電流I恒定,則霍爾電壓UH就與磁感應(yīng)強(qiáng)度B成正比(UH=k)。
5.壓敏電阻:將壓力這個(gè)力學(xué)量轉(zhuǎn)換為電阻這個(gè)電學(xué)量,壓敏電阻的阻值隨壓力的變化而變化。
考點(diǎn)一　基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)
[例1] 【溫度傳感器】 (2025·江西南昌模擬)某同學(xué)學(xué)習(xí)傳感器的知識(shí)后,想利用熱敏電阻的阻值隨溫度變化的特性,制作了一個(gè)簡(jiǎn)易低油位報(bào)警裝置。
(1)該同學(xué)首先利用多用電表電阻擋“×100”擋粗測(cè)該熱敏電阻在常溫下的阻值,示數(shù)如圖甲所示,則此時(shí)熱敏電阻的阻值為RT=　　　　kΩ。
甲
(2)該同學(xué)為了進(jìn)一步探究該熱敏電阻阻值隨溫度變化的關(guān)系,設(shè)計(jì)了如圖乙所示的實(shí)驗(yàn)電路,定值電阻R1=2.5 kΩ,在某次測(cè)量中,毫安表A1的示數(shù)為5.0 mA,毫安表A2的示數(shù)為2.0 mA,且已知毫安表A2的內(nèi)阻為200 Ω,則此次測(cè)量時(shí),熱敏電阻的阻值為　　　　kΩ。
(3)經(jīng)過(guò)多次測(cè)量,該同學(xué)得到熱敏電阻阻值隨溫度的變化關(guān)系圖像如圖丙所示,可知該熱敏電阻的阻值隨溫度升高變化得越來(lái)越　　　　(選填“快”或“慢”)。
(4)該同學(xué)利用此熱敏電阻設(shè)計(jì)的汽車低油位報(bào)警裝置如圖丁所示,其中電源電動(dòng)勢(shì)E=5.0 V,定值電阻R=1.6 kΩ,長(zhǎng)為l=50 cm、粗細(xì)均勻的熱敏電阻下端緊靠在油箱底部,不計(jì)報(bào)警器和電源的內(nèi)阻。已知流過(guò)報(bào)警器的電流I≥2.0 mA時(shí)報(bào)警器開(kāi)始報(bào)警,若測(cè)得報(bào)警器報(bào)警時(shí)油液(熱敏電阻)的溫度為30 ℃,油液外熱敏電阻的溫度為70 ℃,由此可知油液的警戒液面到油箱底部的距離約為　　　　cm。
[例2] 【光電傳感器】 (2025·山東青島模擬)蔬菜育苗過(guò)程對(duì)環(huán)境要求嚴(yán)格,溫室內(nèi)的空氣溫濕度、土壤溫濕度、二氧化碳濃度以及光照強(qiáng)度等都很重要。其中光照強(qiáng)度簡(jiǎn)稱照度,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)。蔬菜生長(zhǎng)適宜的照度為4 000～25 000 lx,為了控制照度,科技人員設(shè)計(jì)了圖甲所示的智能光控電路,當(dāng)照度低于4 000 lx時(shí),啟動(dòng)照明系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)光。
(1)智能光控電路的核心元件是光敏電阻R0,某同學(xué)按如圖乙連接各元件,測(cè)量光敏電阻在不同照度時(shí)的電阻,則在閉合電路開(kāi)關(guān)前應(yīng)該把滑動(dòng)變阻器滑到　　　　(選填“1”或“2”)端;請(qǐng)根據(jù)圖乙在虛線框內(nèi)畫(huà)出對(duì)應(yīng)的電路圖。
(2)通過(guò)測(cè)量得出了電阻隨照度變化的規(guī)律如圖丙所示,由圖可判斷光敏電阻的阻值R0與照度　　　　(選填“滿足”或“不滿足”)反比例函數(shù)關(guān)系。
(3)該同學(xué)用上述光敏電阻連接成圖甲所示的控制電路,其中電源電動(dòng)勢(shì)E=9.0 V,內(nèi)阻r=10 Ω,定值電阻R1=100 Ω,電阻箱R2的阻值調(diào)節(jié)范圍是0～999.9 Ω,光敏電阻R0的電壓U增加到2.0 V時(shí)光照系統(tǒng)開(kāi)始工作,為了使光敏電阻在照度降低到4 000 lx時(shí),自動(dòng)控制系統(tǒng)開(kāi)始補(bǔ)光,電阻箱R2的阻值應(yīng)該調(diào)節(jié)為　　　　Ω。
(4)該光控裝置使用較長(zhǎng)時(shí)間后電源內(nèi)阻變大,使得自動(dòng)控制系統(tǒng)正常工作時(shí)的最小照度
　　　　(選填“大于”“小于”或“等于”) 4 000 lx。
考點(diǎn)二　創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)
[例3] 【實(shí)驗(yàn)器材的創(chuàng)新】 (2024·河北卷,12)某種花卉喜光,但陽(yáng)光太強(qiáng)時(shí)易受損傷。某興趣小組決定制作簡(jiǎn)易光強(qiáng)報(bào)警器,以便在光照過(guò)強(qiáng)時(shí)提醒花農(nóng)。該實(shí)驗(yàn)用到的主要器材如下:學(xué)生電源、多用電表、數(shù)字電壓表(0～20 V)、數(shù)字電流表(0～20 mA)、滑動(dòng)變阻器R(最大阻值50 Ω,1.5 A)、白熾燈、可調(diào)電阻R1(0～50 kΩ)、發(fā)光二極管LED、光敏電阻RG、NPN型三極管VT、開(kāi)關(guān)和若干導(dǎo)線等。
(1)判斷發(fā)光二極管的極性。
使用多用電表的“×10k”歐姆擋測(cè)量二極管的電阻。如圖甲所示,當(dāng)黑表筆與接線端M接觸、紅表筆與接線端N接觸時(shí),多用電表指針位于表盤(pán)中a位置(如圖乙);對(duì)調(diào)紅、黑表筆后指針位于表盤(pán)中b位置(如圖乙)。由此判斷M端為二極管的　　　　(選填“正極”或“負(fù)極”)。
乙
(2)研究光敏電阻在不同光照條件下的伏安特性。
①采用圖丙中的器材進(jìn)行實(shí)驗(yàn),部分實(shí)物連接已完成。要求閉合開(kāi)關(guān)后電壓表和電流表的讀數(shù)從0開(kāi)始。導(dǎo)線L1、L2和L3的另一端應(yīng)分別連接滑動(dòng)變阻器的　　　　、　　　　、
　　　　接線柱(以上三空均選填接線柱標(biāo)號(hào)“A”“B”“C”或“D”)。
②圖丁為不同光照強(qiáng)度下得到的光敏電阻伏安特性曲線,圖中曲線Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ對(duì)應(yīng)光敏電阻受到的光照由弱到強(qiáng)。由圖像可知,光敏電阻的阻值隨其表面受到光照的增強(qiáng)而　　　　(選填“增大”或“減小”)。
(3)組裝光強(qiáng)報(bào)警器電路并測(cè)試其功能。
圖戊為利用光敏電阻、發(fā)光二極管、三極管(當(dāng)b、e間電壓達(dá)到一定程度后,三極管被導(dǎo)通)等元件設(shè)計(jì)的電路。組裝好光強(qiáng)報(bào)警器后,在測(cè)試過(guò)程中發(fā)現(xiàn),當(dāng)照射到光敏電阻表面的光強(qiáng)達(dá)到報(bào)警值時(shí),發(fā)光二極管并不發(fā)光,為使報(bào)警器正常工作,應(yīng)　　　　(選填“增大”或“減小”)可調(diào)電阻R1的阻值,直至發(fā)光二極管發(fā)光。
[例4] 【實(shí)驗(yàn)情境的創(chuàng)新】 (2024·廣東卷,12)某科技小組模仿太陽(yáng)能發(fā)電中的太陽(yáng)光自動(dòng)跟蹤系統(tǒng),制作光源跟蹤演示裝置,實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能電池板方向的調(diào)整,使電池板正對(duì)光源。圖甲是光照方向檢測(cè)電路。所用器材有:電源E(電動(dòng)勢(shì)3 V)、電壓表和(量程均有3 V和15 V,內(nèi)阻均可視為無(wú)窮大)、滑動(dòng)變阻器R、兩個(gè)相同的光敏電阻RG1和RG2、開(kāi)關(guān)S、手電筒、導(dǎo)線若干。圖乙是實(shí)物圖,圖中電池板上垂直安裝有半透明隔板,隔板兩側(cè)裝有光敏電阻,電池板固定在電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上。控制單元與檢測(cè)電路的連接未畫(huà)出,控制單元對(duì)光照方向檢測(cè)電路無(wú)影響。請(qǐng)完成下列實(shí)驗(yàn)操作和判斷。
(1)電路連接。
圖乙中已正確連接了部分電路,請(qǐng)完成虛線框中滑動(dòng)變阻器R、電源E、開(kāi)關(guān)S和電壓表間的實(shí)物圖連線。
(2)光敏電阻阻值與光照強(qiáng)度關(guān)系測(cè)試。
①將圖甲中R的滑片置于　　　　端。用手電筒的光斜照射到RG1和RG2,使RG1表面的光照強(qiáng)度比RG2表面的小。
②閉合S,將R的滑片緩慢滑到某一位置。的示數(shù)如圖丙所示,讀數(shù)U1為　　　　V,的示數(shù)U2為1.17 V。由此可知,表面光照強(qiáng)度較小的光敏電阻的阻值　　　　(選填“較大”或“較小”)。
③斷開(kāi)S。
(3)光源跟蹤測(cè)試。
①將手電筒的光從電池板上方斜照射到RG1和RG2。
②閉合S,并啟動(dòng)控制單元,控制單元檢測(cè)并比較兩光敏電阻的電壓,控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。此時(shí)兩電壓表的示數(shù)U1(滿分:30分)
1.(8分)(2025·湖北襄陽(yáng)模擬)某學(xué)習(xí)小組想設(shè)計(jì)一款一氧化碳報(bào)警器,經(jīng)查閱資料,發(fā)現(xiàn)人體所處的環(huán)境中一氧化碳濃度超過(guò)60 mg/m3,便容易發(fā)生一氧化碳中毒。他們購(gòu)買(mǎi)了一款氣敏電阻,其阻值會(huì)隨著一氧化碳濃度的變化而變化,產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)中提供了該氣敏電阻阻值隨一氧化碳濃度變化的關(guān)系圖像,如圖甲所示。
(1)該學(xué)習(xí)小組找來(lái)量程為0～3 V的電壓表(內(nèi)阻很大),并將表盤(pán)的0～1 V區(qū)域涂成紅色,然后將氣敏電阻Rq、電源(電動(dòng)勢(shì)E=4 V,內(nèi)阻可忽略不計(jì))、電壓表和調(diào)好阻值的電阻箱連接成如圖乙所示的電路。將整個(gè)電路置于密閉容器中,充入一氧化碳?xì)怏w,隨著一氧化碳濃度的增加,電壓表的讀數(shù)逐漸　　　　(選填“增大”或“減小”),當(dāng)濃度達(dá)到60 mg/m3時(shí),電壓表指針恰好指到表盤(pán)紅色區(qū)的右邊緣,即1 V處,則他們調(diào)好的電阻箱的阻值是　　　　Ω(結(jié)果保留3位有效數(shù)字)。若要使該裝置在一氧化碳濃度更低時(shí),指針就指到紅色區(qū),應(yīng)將電阻箱的阻值適當(dāng)　　　　(選填“調(diào)大”或“調(diào)小”)。
(2)為了使報(bào)警效果更好,他們?nèi)サ綦妷罕?改用綠燈泡指示燈、蜂鳴器報(bào)警相結(jié)合的方式。電路如圖丙所示,綠色燈泡電阻為18 Ω,電壓達(dá)到0.9 V燈泡才會(huì)發(fā)光,P為光控開(kāi)關(guān),有光照時(shí)開(kāi)關(guān)斷開(kāi),無(wú)光照時(shí)開(kāi)關(guān)接通,光控開(kāi)關(guān)P正對(duì)綠色燈泡。要實(shí)現(xiàn)當(dāng)濃度小于60 mg/m3時(shí)綠色指示燈亮,當(dāng)濃度達(dá)到60 mg/m3時(shí),綠色指示燈滅、蜂鳴器報(bào)警,電阻箱的阻值應(yīng)調(diào)到　　　　Ω(結(jié)果保留3位有效數(shù)字)。
2.(10分)(2025·重慶渝北聯(lián)考)如圖所示,圖甲為一個(gè)自動(dòng)篩選雞蛋大小的裝置,可以篩選出兩類大小不同的雞蛋。當(dāng)不同大小的雞蛋傳送到壓力秤上時(shí),壓力秤作用在壓力傳感器電阻R1上,其電阻值隨壓力秤所受壓力的變化圖像如圖乙所示。R2是可調(diào)節(jié)電阻,其兩端電壓經(jīng)放大電路放大后可以控制電磁鐵是否吸動(dòng)銜鐵并保持一段時(shí)間。當(dāng)電壓超過(guò)某一數(shù)值時(shí)電磁鐵可以吸動(dòng)銜鐵使彈簧下壓,雞蛋就進(jìn)入B通道。已知電源電動(dòng)勢(shì)E=6 V,內(nèi)阻不計(jì),R2調(diào)節(jié)為10 Ω。
(1)由圖乙可知,壓力傳感器的電阻值R1隨壓力的增大而　　　　(選填“增大”或“減小”)。
(2)從B通道通過(guò)的是　　　　(選填“大”或“小”)雞蛋。
(3)由兩個(gè)圖可知,當(dāng)R2兩端的電壓超過(guò)3 V時(shí),電磁鐵可以吸動(dòng)銜鐵向下,則選擇的大雞蛋對(duì)壓力秤的壓力要大于　　　　N。(保留到小數(shù)點(diǎn)后2位)
(4)要想選擇出更大的雞蛋,需要把電阻R2的阻值調(diào)　　　　(選填“大”或“小”)。
3.(12分)(2024·廣東佛山模擬)如圖甲所示是大型機(jī)械廠里用來(lái)稱重的電子吊秤,其中實(shí)現(xiàn)稱重的關(guān)鍵元件是拉力傳感器,其工作原理是:掛鉤上掛上重物,傳感器中拉力敏感電阻絲在拉力作用下發(fā)生形變,其長(zhǎng)度和橫截面積都發(fā)生變化,拉力敏感電阻絲的電阻也隨著發(fā)生變化,再經(jīng)相應(yīng)的測(cè)量電路把這一電阻變化轉(zhuǎn)換為電信號(hào)(電壓或電流),從而完成將所稱重物質(zhì)量變換為電信號(hào)的過(guò)程。
(1)請(qǐng)說(shuō)明拉力感應(yīng)電阻絲的電阻隨拉力增大而增大的原因是　。
(2)某研究小組找到了一根拉力敏感電阻絲RL,其電阻隨拉力變化的關(guān)系如圖乙所示,再按圖丙設(shè)計(jì)了一個(gè)簡(jiǎn)易的“吊秤”,電路中電源電動(dòng)勢(shì)E約為15 V,內(nèi)阻約為2 Ω;靈敏電流表滿偏電流為10 mA,內(nèi)阻約為5 Ω;R為電阻箱,最大阻值為9 999 Ω;RL接在A、B兩接線柱之間,通過(guò)光滑絕緣滑環(huán)將重物吊起,接通電路完成下列操作:
①滑環(huán)不吊重物時(shí),調(diào)節(jié)電阻箱R,當(dāng)電流為某一示數(shù)I時(shí),讀出電阻箱的讀數(shù)為R1。
②滑環(huán)吊起待測(cè)重物時(shí),測(cè)出電阻絲與豎直方向的夾角為θ。
③調(diào)節(jié)電阻箱,使電流表示數(shù)仍然為I,讀出電阻箱的讀數(shù)為R2,則拉力敏感電阻絲電阻增加量為　　　　。
(3)設(shè)RL-F的圖像斜率為k,截距為b,則待測(cè)重物的重力G的表達(dá)式為G=　　　　　　(用以上測(cè)得物理量表示)。
(4)研究小組中一位同學(xué)受電阻表原理啟發(fā),將靈敏電流表重新刻度標(biāo)記重物的重力,則標(biāo)記重力示數(shù)的刻度盤(pán)刻度　　　　(選填“均勻”或“不均勻”);呈現(xiàn)出　特點(diǎn)。
(
第
14
頁(yè)
)(共48張PPT)
高中總復(fù)習(xí)·物理
第5講　
實(shí)驗(yàn):利用傳感器制作簡(jiǎn)單的
自動(dòng)控制裝置
一、實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)梳理
1.實(shí)驗(yàn)?zāi)康?br/>(1)認(rèn)識(shí)熱敏電阻、光敏電阻等傳感器中的敏感元件。
(2)學(xué)會(huì)利用傳感器制作簡(jiǎn)單的自動(dòng)控制裝置。
2.實(shí)驗(yàn)原理
(1)傳感器能夠?qū)⒏惺艿降奈锢砹?力、熱、光、聲等)轉(zhuǎn)換成便于測(cè)量的量
(一般是電學(xué)量)。
(2)工作過(guò)程。
3.實(shí)驗(yàn)案例
(1)研究熱敏電阻的熱敏特性。
①實(shí)驗(yàn)器材。
熱敏電阻、多用電表、鐵架臺(tái)、燒杯、冷水、熱水、溫度計(jì)、導(dǎo)線等。
②實(shí)驗(yàn)步驟。
a.按如圖所示連接好電路,將熱敏電阻絕緣處理。
b.把多用電表選擇開(kāi)關(guān)置于電阻擋,并選擇適當(dāng)?shù)谋堵蕼y(cè)出燒杯中沒(méi)有水時(shí)熱敏電阻的阻值,并記下溫度計(jì)的示數(shù)。
c.向燒杯中注入少量的冷水,使熱敏電阻浸沒(méi)在冷水中,記下溫度計(jì)的示數(shù)和多用電表測(cè)量的熱敏電阻的阻值。
d.將不同溫度的熱水分幾次注入燒杯中,測(cè)出不同溫度下熱敏電阻的阻值,并記錄。
③數(shù)據(jù)處理。
a.把測(cè)量到的溫度、電阻阻值填入表中,根據(jù)記錄數(shù)據(jù),分析熱敏電阻的特性。
溫度/℃
電阻/Ω
b.在坐標(biāo)系中,粗略畫(huà)出熱敏電阻的阻值隨溫度變化的圖線。
c.根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和R-t圖線,得出結(jié)論。
④注意事項(xiàng)。
在做本實(shí)驗(yàn)時(shí),加水后要等一會(huì)兒再測(cè)其阻值,以使電阻溫度與水的溫度相同,并同時(shí)讀出水溫。
(2)研究光敏電阻的光敏特性。
①實(shí)驗(yàn)器材。
光敏電阻、多用電表、小燈泡、學(xué)生電源、滑動(dòng)變阻器、導(dǎo)線等。
②實(shí)驗(yàn)步驟。
a.將光敏電阻、多用電表、小燈泡、滑動(dòng)變阻器、學(xué)生電源按如圖所示電路連接好,其中多用電表選擇開(kāi)關(guān)置于倍率為×100的電阻擋。
b.先測(cè)出在室內(nèi)自然光的照射下光敏電阻的阻值,并記錄數(shù)據(jù)。
c.打開(kāi)電源,讓小燈泡發(fā)光,調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器使小燈泡逐漸變亮,觀察表盤(pán)指針顯示光敏電阻阻值的情況,并記錄。
d.用手掌(或黑紙)遮光時(shí),觀察表盤(pán)指針顯示光敏電阻阻值的情況,并記錄。
③數(shù)據(jù)處理。
將數(shù)據(jù)記入表中,根據(jù)記錄數(shù)據(jù)分析光敏電阻的特性。
光照強(qiáng)度 弱 中 強(qiáng) 無(wú)光照射
阻值/Ω
④注意事項(xiàng)。
本實(shí)驗(yàn)中,如果效果不明顯,可將光敏電阻部分電路放入帶蓋的紙盒中,并通過(guò)蓋上小孔改變射到光敏電阻上的光的強(qiáng)度。
二、五種敏感元件的作用和特點(diǎn)
1.熱敏電阻:將溫度這個(gè)熱學(xué)量轉(zhuǎn)換為電阻這個(gè)電學(xué)量,一般情況下,熱敏電阻的阻值隨溫度的升高而減小,隨溫度的降低而增大。
2.金屬熱電阻:將溫度這個(gè)熱學(xué)量轉(zhuǎn)換為電阻這個(gè)電學(xué)量,一般情況下,金屬熱電阻的阻值隨溫度的升高而增大,隨溫度的降低而減小。
3.光敏電阻:將光照強(qiáng)度這個(gè)光學(xué)量轉(zhuǎn)換為電阻這個(gè)電學(xué)量,一般情況下,光敏電阻的阻值隨光照增強(qiáng)而減小,隨光照減弱而增大。
[例1] 【溫度傳感器】 (2025·江西南昌模擬)某同學(xué)學(xué)習(xí)傳感器的知識(shí)后,想利用熱敏電阻的阻值隨溫度變化的特性,制作了一個(gè)簡(jiǎn)易低油位報(bào)警裝置。
(1)該同學(xué)首先利用多用電表電阻擋“×100”擋粗測(cè)該熱敏電阻在常溫下的阻值,示數(shù)如圖甲所示,則此時(shí)熱敏電阻的阻值為RT=　　　　kΩ。
1.6
甲
【解析】 (1)由多用電表電阻擋的讀數(shù)規(guī)則可知,此時(shí)熱敏電阻的阻值為RT=16×100 Ω=
1.6 kΩ。
(2)該同學(xué)為了進(jìn)一步探究該熱敏電阻阻值隨溫度變化的關(guān)系,設(shè)計(jì)了如圖乙所示的實(shí)驗(yàn)電路,定值電阻R1=2.5 kΩ,在某次測(cè)量中,毫安表A1的示數(shù)為
5.0 mA,毫安表A2的示數(shù)為2.0 mA,且已知毫安表A2的內(nèi)阻為200 Ω,則此次測(cè)量時(shí),熱敏電阻的阻值為　　　　kΩ。
1.8
(3)經(jīng)過(guò)多次測(cè)量,該同學(xué)得到熱敏電阻阻值隨溫度的變化關(guān)系圖像如圖丙所示,可知該熱敏電阻的阻值隨溫度升高變化得越來(lái)越　　　　(選填“快”或“慢”)。
慢
【解析】(3)由題圖丙可得,圖線斜率的絕對(duì)值越來(lái)越小,所以該熱敏電阻的阻值隨溫度升高變化得越來(lái)越慢。
(4)該同學(xué)利用此熱敏電阻設(shè)計(jì)的汽車低油位報(bào)警裝置如圖丁所示,其中電源電動(dòng)勢(shì)E=5.0 V,定值電阻R=1.6 kΩ,長(zhǎng)為l=50 cm、粗細(xì)均勻的熱敏電阻下端緊靠在油箱底部,不計(jì)報(bào)警器和電源的內(nèi)阻。已知流過(guò)報(bào)警器的電流I≥2.0 mA時(shí)報(bào)警器開(kāi)始報(bào)警,若測(cè)得報(bào)警器報(bào)警時(shí)油液(熱敏電阻)的溫度為30 ℃,油液外熱敏電阻的溫度為70 ℃,由此可知油液的警戒液面到油箱底部的距離約為　　　　cm。
20
[例2] 【光電傳感器】 (2025·山東青島模擬)蔬菜育苗過(guò)程對(duì)環(huán)境要求嚴(yán)格,溫室內(nèi)的空氣溫濕度、土壤溫濕度、二氧化碳濃度以及光照強(qiáng)度等都很重要。其中光照強(qiáng)度簡(jiǎn)稱照
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)。蔬菜生長(zhǎng)適宜的照度為
4 000～25 000 lx,為了控制照度,科技人員設(shè)計(jì)了圖甲所示的智能光控電路,當(dāng)照度低于
4 000 lx時(shí),啟動(dòng)照明系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)光。
(1)智能光控電路的核心元件是光敏電阻R0,某同學(xué)按如圖乙連接各元件,測(cè)量光敏電阻在不同照度時(shí)的電阻,則在閉合電路開(kāi)關(guān)前應(yīng)該把滑動(dòng)變阻器滑到　　　　(選填“1”或“2”)端;請(qǐng)根據(jù)圖乙在虛線框內(nèi)畫(huà)出對(duì)應(yīng)的電路圖。
2
【答案及解析】 (1)為了保證電路的安全應(yīng)將滑動(dòng)變阻器滑到2端,從而使光敏電阻兩端的電壓為零;根據(jù)實(shí)物圖可得電路圖如圖所示。
(2)通過(guò)測(cè)量得出了電阻隨照度變化的規(guī)律如圖丙所示,由圖可判斷光敏電阻的阻值R0與照度　　　　(選填“滿足”或“不滿足”)反比例函數(shù)關(guān)系。
不滿足
【解析】 (2)根據(jù)題圖丙可知縱坐標(biāo)與橫坐標(biāo)的乘積不是一個(gè)常數(shù),所以光敏電阻的阻值R0與照度不滿足反比例函數(shù)關(guān)系。
(3)該同學(xué)用上述光敏電阻連接成圖甲所示的控制電路,其中電源電動(dòng)勢(shì)E=9.0 V,內(nèi)阻r=
10 Ω,定值電阻R1=100 Ω,電阻箱R2的阻值調(diào)節(jié)范圍是0～999.9 Ω,光敏電阻R0的電壓U增加到2.0 V時(shí)光照系統(tǒng)開(kāi)始工作,為了使光敏電阻在照度降低到4 000 lx時(shí),自動(dòng)控制系統(tǒng)開(kāi)始補(bǔ)光,電阻箱R2的阻值應(yīng)該調(diào)節(jié)為　　　　Ω。
65
(4)該光控裝置使用較長(zhǎng)時(shí)間后電源內(nèi)阻變大,使得自動(dòng)控制系統(tǒng)正常工作時(shí)的最小照度　　　　(選填“大于”“小于”或“等于”) 4 000 lx。
小于
【解析】 (4)光控裝置使用較長(zhǎng)時(shí)間后電源內(nèi)阻變大,根據(jù)閉合電路歐姆定律可知,總電流變小,R0兩端的電壓變小,從而導(dǎo)致自動(dòng)控制系統(tǒng)正常工作時(shí)的最小照度小于4 000 lx。
[例3] 【實(shí)驗(yàn)器材的創(chuàng)新】 (2024·河北卷,12)某種花卉喜光,但陽(yáng)光太強(qiáng)時(shí)易受損傷。某興趣小組決定制作簡(jiǎn)易光強(qiáng)報(bào)警器,以便在光照過(guò)強(qiáng)時(shí)提醒花農(nóng)。該實(shí)驗(yàn)用到的主要器材如下:學(xué)生電源、多用電表、數(shù)字電壓表(0～20 V)、數(shù)字電流表(0～20 mA)、滑動(dòng)變阻器R(最大阻值50 Ω,1.5 A)、白熾燈、可調(diào)電阻R1(0～50 kΩ)、發(fā)光二極管LED、光敏電阻RG、NPN型三極管VT、開(kāi)關(guān)和若干導(dǎo)線等。
(1)判斷發(fā)光二極管的極性。
使用多用電表的“×10k”歐姆擋測(cè)量二極管的電阻。如圖甲所示,當(dāng)黑表筆與接線端M接觸、紅表筆與接線端N接觸時(shí),多用電表指針位于表盤(pán)中a位置(如圖乙);對(duì)調(diào)紅、黑表筆后指針位于表盤(pán)中b位置(如圖乙)。由此判斷M端為二極管的　 　(選填“正極”或“負(fù)極”)。
負(fù)極
乙
【解析】 (1)根據(jù)歐姆表結(jié)構(gòu),歐姆表黑表筆接內(nèi)部電源正極,當(dāng)黑表筆接M端時(shí),電阻無(wú)窮大,說(shuō)明二極管反向截止,即M端為二極管負(fù)極。
(2)研究光敏電阻在不同光照條件下的伏安特性。
①采用圖丙中的器材進(jìn)行實(shí)驗(yàn),部分實(shí)物連接已完成。要求閉合開(kāi)關(guān)后電壓表和電流表的讀數(shù)從0開(kāi)始。導(dǎo)線L1、L2和L3的另一端應(yīng)分別連接滑動(dòng)變阻器的　　、　　、　　　　接線柱(以上三空均選填接線柱標(biāo)號(hào)“A”“B”“C”或“D”)。
A
A
C(或D)
【解析】 (2)①題干要求電壓表、電流表讀數(shù)從零開(kāi)始,所以滑動(dòng)變阻器采用分壓式接法,故L1、L2接滑動(dòng)變阻器A接線柱,L3必須接在滑動(dòng)變阻器金屬桿兩端接線柱任意一個(gè),即C或D。
②圖丁為不同光照強(qiáng)度下得到的光敏電阻伏安特性曲線,圖中曲線Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ對(duì)應(yīng)光敏電阻受到的光照由弱到強(qiáng)。由圖像可知,光敏電阻的阻值隨其表面受到光照的增強(qiáng)而　　　　(選填“增大”或“減小”)。
減小
【解析】 ②由題圖丁可知,隨光照強(qiáng)度增加,I-U圖像斜率增大,所以電阻減小。
(3)組裝光強(qiáng)報(bào)警器電路并測(cè)試其功能。
圖戊為利用光敏電阻、發(fā)光二極管、三極管(當(dāng)b、e間電壓達(dá)到一定程度后,三極管被導(dǎo)通)等元件設(shè)計(jì)的電路。組裝好光強(qiáng)報(bào)警器后,在測(cè)試過(guò)程中發(fā)現(xiàn),當(dāng)照射到光敏電阻表面的光強(qiáng)達(dá)到報(bào)警值時(shí),發(fā)光二極管并不發(fā)光,為使報(bào)警器正常工作,應(yīng)　　　　(選填“增大”或“減小”)可調(diào)電阻R1的阻值,直至發(fā)光二極管發(fā)光。
增大
【解析】 (3)三極管未導(dǎo)通時(shí),RG與R1串聯(lián)。隨著光強(qiáng)增強(qiáng),RG電阻減小,此時(shí)三極管仍未導(dǎo)通,說(shuō)明R1分壓小,故需要增大R1。
【答案及解析】 (1)實(shí)物圖電路連線如圖。
(2)光敏電阻阻值與光照強(qiáng)度關(guān)系測(cè)試。
①將圖甲中R的滑片置于　　　端。用手電筒的光斜照射到RG1和RG2,使RG1表面的光照強(qiáng)度比RG2表面的小。
b
【解析】 (2)①滑動(dòng)變阻器采用分壓式接法接入電路,為保證并聯(lián)電路安全,滑片應(yīng)置于b端。
③斷開(kāi)S。
1.60
較大
【解析】 ②電壓表接入量程為3 V,最小刻度為0.1 V,則讀數(shù)為1.60 V;由此可知表面光照強(qiáng)度較小的RG1兩端電壓較大,說(shuō)明表面光照強(qiáng)度較小的阻值較大。
(3)光源跟蹤測(cè)試。
①將手電筒的光從電池板上方斜照射到RG1和RG2。
②閉合S,并啟動(dòng)控制單元,控制單元檢測(cè)并比較兩光敏電阻的電壓,控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。此時(shí)兩電壓表的示數(shù)U1逆時(shí)針
U1=U2
【解析】 (3)②由于兩電壓表的示數(shù)U11.(8分)(2025·湖北襄陽(yáng)模擬)某學(xué)習(xí)小組想設(shè)計(jì)一款一氧化碳報(bào)警器,經(jīng)查閱資料,發(fā)現(xiàn)人體所處的環(huán)境中一氧化碳濃度超過(guò)60 mg/m3,便容易發(fā)生一氧化碳中毒。他們購(gòu)買(mǎi)了一款氣敏電阻,其阻值會(huì)隨著一氧化碳濃度的變化而變化,產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)中提供了該氣敏電阻阻值隨一氧化碳濃度變化的關(guān)系圖像,如圖甲所示。
(1)該學(xué)習(xí)小組找來(lái)量程為0～3 V的電壓表(內(nèi)阻很大),并將表盤(pán)的0～1 V區(qū)域涂成紅色,然后將氣敏電阻Rq、電源(電動(dòng)勢(shì)E=4 V,內(nèi)阻可忽略不計(jì))、電壓表和調(diào)好阻值的電阻箱連接成如圖乙所示的電路。將整個(gè)電路置于密閉容器中,充入一氧化碳?xì)怏w,隨著一氧化碳濃度的增加,電壓表的讀數(shù)逐漸　　　　(選填“增大”或“減小”),當(dāng)濃度達(dá)到60 mg/m3時(shí),電壓表指針恰好指到表盤(pán)紅色區(qū)的右邊緣,即1 V處,則他們調(diào)好的電阻箱的阻值是　　　　Ω(結(jié)果保留3位有效數(shù)字)。若要使該裝置在一氧化碳濃度更低時(shí),指針就指到紅色區(qū),應(yīng)將電阻箱的阻值適當(dāng)　　　 　(選填“調(diào)大”或“調(diào)小”)。
減小
767
調(diào)小
(2)為了使報(bào)警效果更好,他們?nèi)サ綦妷罕?改用綠燈泡指示燈、蜂鳴器報(bào)警相結(jié)合的方式。電路如圖丙所示,綠色燈泡電阻為18 Ω,電壓達(dá)到0.9 V燈泡才會(huì)發(fā)光,P為光控開(kāi)關(guān),有光照時(shí)開(kāi)關(guān)斷開(kāi),無(wú)光照時(shí)開(kāi)關(guān)接通,光控開(kāi)關(guān)P正對(duì)綠色燈泡。要實(shí)現(xiàn)當(dāng)濃度小于60 mg/m3時(shí)綠色指示燈亮,當(dāng)濃度達(dá)到60 mg/m3時(shí),綠色指示燈滅、蜂鳴器報(bào)警,電阻箱的阻值應(yīng)調(diào)到　　 　Ω(結(jié)果保留3位有效數(shù)字)。
63.7
2.(10分)(2025·重慶渝北聯(lián)考)如圖所示,圖甲為一個(gè)自動(dòng)篩選雞蛋大小的裝置,可以篩選出兩類大小不同的雞蛋。當(dāng)不同大小的雞蛋傳送到壓力秤上時(shí),壓力秤作用在壓力傳感器電阻R1上,其電阻值隨壓力秤所受壓力的變化圖像如圖乙所示。R2是可調(diào)節(jié)電阻,其兩端電壓經(jīng)放大電路放大后可以控制電磁鐵是否吸動(dòng)銜鐵并保持一段時(shí)間。當(dāng)電壓超過(guò)某一數(shù)值時(shí)電磁鐵可以吸動(dòng)銜鐵使彈簧下壓,雞蛋就進(jìn)入B通道。已知電源電動(dòng)勢(shì)E=6 V,內(nèi)阻不計(jì),R2調(diào)節(jié)為10 Ω。
(1)由圖乙可知,壓力傳感器的電阻值R1隨壓力的增大而
　　　　(選填“增大”或“減小”)。
減小
【解析】 (1)由題圖乙可知F越大,R1越小,即壓力傳感器的電阻值R1隨壓力的增大而減小。
(2)從B通道通過(guò)的是　　　　(選填“大”或“小”)雞蛋。
大
【解析】 (2)當(dāng)雞蛋質(zhì)量較大時(shí),壓力秤作用于R1的壓力F較大,則R1較小,通過(guò)R2的電流較大,故R2兩端電壓較大,經(jīng)過(guò)放大電路放大后電壓超過(guò)某一數(shù)值時(shí)電磁鐵可以吸動(dòng)銜鐵使彈簧下壓,雞蛋就進(jìn)入B通道,所以從B通道通過(guò)的是大雞蛋。
(3)由兩個(gè)圖可知,當(dāng)R2兩端的電壓超過(guò)3 V時(shí),電磁鐵可以吸動(dòng)銜鐵向下,則選擇的大雞蛋對(duì)壓力秤的壓力要大于　　 　　N。(保留到小數(shù)點(diǎn)后2位)
0.44(0.43～0.45均可)
(4)要想選擇出更大的雞蛋,需要把電阻R2的阻值調(diào)　　(選填“大”或“小”)。
小
【解析】 (4)要選出更大的雞蛋,即要使相同的雞蛋送到壓力秤時(shí),R2兩端的電壓較原來(lái)的小,所以需要把R2的阻值調(diào)小。
3.(12分)(2024·廣東佛山模擬)如圖甲所示是大型機(jī)械廠里用來(lái)稱重的電子吊秤,其中實(shí)現(xiàn)稱重的關(guān)鍵元件是拉力傳感器,其工作原理是:掛鉤上掛上重物,傳感器中拉力敏感電阻絲在拉力作用下發(fā)生形變,其長(zhǎng)度和橫截面積都發(fā)生變化,拉力敏感電阻絲的電阻也隨著發(fā)生變化,再經(jīng)相應(yīng)的測(cè)量電路把這一電阻變化轉(zhuǎn)換為電信號(hào)(電壓或電流),從而完成將所稱重物質(zhì)量變換為電信號(hào)的過(guò)程。
(1)請(qǐng)說(shuō)明拉力感應(yīng)電阻絲的電阻隨拉力增大而增大的原因是　 。
電阻絲變長(zhǎng),橫截面積減小
(2)某研究小組找到了一根拉力敏感電阻絲RL,其電阻隨拉力變化的關(guān)系如圖乙所示,再按圖丙設(shè)計(jì)了一個(gè)簡(jiǎn)易的“吊秤”,電路中電源電動(dòng)勢(shì)E約為15 V,內(nèi)阻約為2 Ω;靈敏電流表滿偏電流為10 mA,內(nèi)阻約為5 Ω;R為電阻箱,最大阻值為9 999 Ω;RL接在A、B兩接線柱之間,通過(guò)光滑絕緣滑環(huán)將重物吊起,接通電路完成下列操作:
①滑環(huán)不吊重物時(shí),調(diào)節(jié)電阻箱R,當(dāng)電流為某一示數(shù)I時(shí),讀出電阻箱的讀數(shù)為R1。
②滑環(huán)吊起待測(cè)重物時(shí),測(cè)出電阻絲與豎直方向的夾角為θ。
③調(diào)節(jié)電阻箱,使電流表示數(shù)仍然為I,讀出電阻箱的讀數(shù)為R2,則拉力敏感電阻絲電阻增加量為　　　　。
R1-R2
【解析】 (2)③電路中電流不變,則電路中外電阻不變,所以有ΔRL=R1-R2。
(3)設(shè)RL-F的圖像斜率為k,截距為b,則待測(cè)重物的重力G的表達(dá)式為G=
　　　　　　 (用以上測(cè)得物理量表示)。
(4)研究小組中一位同學(xué)受電阻表原理啟發(fā),將靈敏電流表重新刻度標(biāo)記重物的重力,則標(biāo)記重力示數(shù)的刻度盤(pán)刻度　　　　(選填“均勻”或“不均勻”);呈現(xiàn)出　特點(diǎn)。

展開(kāi)更多......

收起↑