資源簡介

(共55張PPT)
實驗十六　利用傳感器制作簡單的自動控制裝置
第十二章　交變電流　傳感器
實驗儲備·一覽清
實驗類型·全突破
類型1　 教材原型實驗
角度1　溫度傳感器的應用
[典例1]　某同學利用熱敏電阻設計了一個“過熱自動報警電路”，如圖甲所示。將熱敏電阻R安裝在需要探測溫度的地方，當環(huán)境溫度正常時，繼電器的上觸點接觸，下觸點分離，指示燈亮；當環(huán)境溫度超過某一值時，繼電器的下觸點接觸，上觸點分離，警鈴響。
圖甲中給繼電器供電的電源電壓U1＝4 V，內阻不計，繼電器線圈用漆包線繞成，其電阻R0為30 Ω。當線圈中的電流大于等于40 mA時，繼電器的銜鐵將被吸合，警鈴響。圖乙是熱敏電阻的阻值隨溫度變化的圖像。
(1)圖甲中警鈴的接線柱C應與接線柱________相連，指示燈的接線柱D應與接線柱________相連。(均選填“A”或“B”)
(2)當環(huán)境溫度升高時，繼電器的磁性將________(選填“增大”“減小”或“不變”)，當環(huán)境溫度達到________ ℃時，警鈴報警。
(3)如果要使報警電路在更高的溫度報警，下列方案可行的是________。
A．適當減小U1 B．適當增大U1
C．適當減小U2 D．適當增大U2
B
A
增大
40
A
[解析]　(1)由于B接通時警鈴響，A接通時指示燈亮，因此C接B，D接A。
(2)由于熱敏電阻隨溫度升高，阻值減小，回路的電流強度增大，因此繼電器的磁性增強。
當電流等于40 mA時，回路的總電阻
R＝＝＝100 Ω
而繼電器電阻R0為30 Ω，因此當熱敏電阻等于70 Ω時，由題圖乙可知對應溫度為40 ℃時，警鈴報警。
(3)溫度更高時，熱敏電阻阻值更小，而報警電流為40 mA不變，因此應適當降低U1值，因此A正確。
角度2　光電傳感器的應用
[典例2]　(2024·河北卷)某種花卉喜光，但陽光太強時易受損傷。某興趣小組決定制作簡易光強報警器，以便在光照過強時提醒花農。該實驗用到的主要器材如下：學生電源、多用電表、數字電壓表(0～20 V)、數字電流表(0～20 mA)、滑動變阻器R(最大阻值50 Ω，1.5 A)、白熾燈、可調電阻R1(0～50 kΩ)、發(fā)光二極管LED、光敏電阻RG、NPN型三極管VT、開關和若干導線等。
(1)判斷發(fā)光二極管的極性
使用多用電表的“×10 k”電阻擋測量二極管的電阻。如圖1所示，當黑表筆與接線端M接觸、紅表筆與接線端N接觸時，多用電表指針位于表盤中a位置(見圖2)；對調紅、黑表筆后指針位于表盤中b位置(見圖2)。由此判斷M端為二極管的________(選填“正極”或“負極”)。
負極
(2)研究光敏電阻在不同光照條件下的伏安特性
①采用圖3中的器材進行實驗，部分實物連接已完成。要求閉合開關后電壓表和電流表的讀數從0開始。導線L1、L2和L3的另一端應分別連接滑動變阻器的________、________、________接線柱(以上三空選填接線柱標號“A”“B”“C”或“D”)。
A
A
C(或D)
②圖4為不同光照強度下得到的光敏電阻伏安特性曲線，圖中曲線Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ對應光敏電阻受到的光照由弱到強。由圖像可知，光敏電阻的阻值隨其表面受到光照的增強而________(選填“增大”或“減小”)。
減小
(3)組裝光強報警器電路并測試其功能
圖5為利用光敏電阻、發(fā)光二極管、三極管(當b、e間電壓達到一定程度后，三極管被導通)等元件設計的電路。組裝好光強報警器后，在測試過程中發(fā)現(xiàn)，當照射到光敏電阻表面的光強達到報警值時，發(fā)光二極管并不發(fā)光，為使報警器正常工作，應________(選填“增大”或“減小”)可調電阻R1的阻值，直至發(fā)光二極管發(fā)光。
增大
[解析]　(1)使用多用電表時，通過多用電表的電流流向遵循“紅進黑出”，使用多用電表的電阻擋時，當黑表筆與M端接觸、紅表筆與N端接觸時，若有電流，則二極管中電流方向為M→N，而由題圖2可知此時多用電表指針位于a位置，即此時二極管電阻無窮大，由二極管的單向導電性可知，此時二極管所接電壓為反向電壓，則M端為二極管的負極。
(2)①由于要求閉合開關后電壓表和電流表的讀數從0開始，則滑動變阻器應采用分壓式接法，L1、L2的另一端應接A接線柱，L3另一端應接C(或D)接線柱。
②I-U圖像上某點與坐標原點連線的斜率的倒數表示光敏電阻的阻值，由題圖4可知，光照增強時，光敏電阻的阻值減小，即光敏電阻的阻值隨其表面受到光照的增強而減小。
(3)三極管未導通時，RG與R1串聯(lián)。隨著光強增強，RG電阻減小，此時三極管仍未導通，說明R1分壓小，故需要增大R1。
類型2　 拓展創(chuàng)新實驗
考向1　實驗設計創(chuàng)新
[典例3]　(2024·廣東汕頭一模)科技實踐小組的同學們應用所學電路知識，對“一抽到底”的紙巾盒進行改裝，使紙巾剩余量可視化。
同學們使用的器材有：電源(E＝1.5 V，內阻不計)、定值電阻(R0＝6 Ω)、多用電表、鉛筆芯(如圖甲中AB所示)、導線若干、開關。
(1)用多用電表測量整根鉛筆芯的電阻，選用“×10”倍率的電阻擋測量，發(fā)現(xiàn)多用電表指針的偏轉角度很大，因此需選擇________(選填“×1”或“×100”)倍率的電阻擋，并需________(填操作過程)后，再次進行測量，若多用電表的指針如圖乙所示，測量結果為________ Ω。
×1
歐姆調零
12
(2)將鉛筆芯固定在紙巾盒側邊，截取一段導線固定在擋板C，并保證導線與鉛筆芯接觸良好且能自由移動，請完成圖甲中的電路連接。
(3)不計多用電表內阻，多用電表應該把選擇開關打在“mA”擋，量程為________ mA(選填“2.5”“25”或“250”)。
(4)將以上裝置調試完畢并固定好，便可通過電表讀數觀察紙巾剩余厚度，設鉛筆芯總電阻為R，總長度為L，不計多用電表內阻，則多用電表示數I與紙巾剩余厚度h的關系式為I＝________________(用題中物理量符號表達)。依次實驗將剩余紙巾厚度和對應電表讀數一一記錄下來，并進行標識，從而完成“一抽到底”紙巾盒的可視化改裝探究。
250
[解析]　(1)電表指針的偏轉角度很大，說明讀數很小，倍率較高，則需選擇“×1”倍率的電阻擋，并需要重新歐姆調零后進行測量，測量結果為12 Ω。
(2)將多用電表選擇開關調至合適的直流電流擋，紅表筆接C，黑表筆接電源負極，如圖。
(3)紙巾沒有使用時，鉛筆芯電阻視為零，則最大電流為Im＝＝0.25 A＝250 mA
則量程為250 mA。
(4)根據閉合電路歐姆定律
I＝＝。
考向2　實驗原理創(chuàng)新
[典例4]　現(xiàn)要組裝一個由熱敏電阻控制的報警系統(tǒng)，要求當熱敏電阻的溫度達到或超過60 ℃時，系統(tǒng)報警。提供的器材有：熱敏電阻，報警器(內阻很小，流過的電流超過Ic時就會報警)，電阻箱(最大阻值為999.9 Ω)，直流電源(輸出電壓為U，內阻不計)，滑動變阻器R1(最大阻值為1 000 Ω)，滑動變阻器R2(最大阻值為2 000 Ω)，單刀雙擲開關一個，導線若干。在室溫下對系統(tǒng)進行調節(jié)。已知U約為18 V，Ic約為10 mA；流過報警器的電流超過20 mA時，報警器可能損壞；該熱敏電阻的阻值隨溫度升高而減小，在60 ℃時阻值為650.0 Ω。
(1)完成待調節(jié)的報警系統(tǒng)原理電路圖的連線。
(2)電路中應選用滑動變阻器______(選填“R1”或“R2”)。
見解析圖
R2
(3)按照下列步驟調節(jié)此報警系統(tǒng)：
①電路接通前，需將電阻箱調到一固定的阻值，根據實驗要求，這一阻值為________ Ω；滑動變阻器的滑片應置于________(選填“a”或“b”)端附近，不能置于另一端的原因是_____________________
___________________________________________________________。
②將開關向________(選填“c”或“d”)端閉合，緩慢移動滑動變阻器的滑片，直至___________________________________________。
(4)保持滑動變阻器滑片的位置不變，將開關向另一端閉合，報警系統(tǒng)即可正常使用。
650.0
b
接通電源后，流過報警
器的電流會超過20 mA，報警器可能損壞
c
報警器開始報警
[解析]　(1)電路圖連接如圖所示。
(2)報警器開始報警時，對整個回路有U＝Ic(R滑＋R熱)，代入數據可得R滑＝1 150.0 Ω，因此滑動變阻器應選擇R2。
(3)①在調節(jié)過程中，電阻箱起到等效替代熱敏電阻的作用，電阻箱的阻值應為報警器報警時熱敏電阻的阻值，即為650.0 Ω。滑動變阻器在電路中為限流接法，滑片應置于b端附近，若置于另一端a時，閉合開關，則電路中的電流I＝ A≈27.7 mA，超過報警器最大電流20 mA，報警器可能損壞。②開關應先向c端閉合，移動滑動變阻器的滑片，直至報警器開始報警為止。
創(chuàng)新點解讀　(1)利用熱敏電阻來控制電路，使之成為溫度報警系統(tǒng)，在設置報警溫度時，借助于電阻箱進行電阻設置，使報警器達到報警的電流進行報警。
(2)可以設計成可調溫度的報警器。
考向3　實驗器材創(chuàng)新
[典例5]　某實驗小組利用傳感器來探究彈力與彈簧伸長的關系。如圖甲所示，先將輕彈簧上端通過力傳感器固定在水平的長木板A上，下端自由下垂，將距離傳感器輕輕靠近輕彈簧下端，當力傳感器示數為零時，距離傳感器的示數為x0；然后再將彈簧下端與距離傳感器固定，下面連接輕質木板B，距離傳感器可以測量出其到力傳感器的距離x，木板B下面用輕細繩掛住一小桶C。
(1)逐漸往小桶C內添加細沙，記錄相應的力傳感器的示數F和距離傳感器的示數x，作出F-x圖像如圖乙所示。由圖及相關信息可知，彈簧的勁度系數k＝______ N/m，彈簧原長L0＝________ cm。
(2)將該彈簧應用到電子秤上，如圖丙所示(兩根彈簧)。閉合開關S，稱不同物體的質量時，滑片P上下滑動，通過電子顯示器得到示數。彈簧處于自然伸長狀態(tài)時，滑片P位于R的最上端，通過驗證可知，電子顯示器的示數I與物體質量m的關系為m＝ak－(a、b均為常數，k為輕彈簧的勁度系數)，則滑動變阻器R的長度L＝________，電源電動勢E＝________(保護電阻和滑動變阻器最大阻值均為R0，電源內阻不計，已知當地重力加速度為g)。
100
4
ag
[解析]　(1)由彈簧的彈力與其形變量的關系可得F＝k(L－L0)
由表達式結合圖像可知圖像斜率表示彈簧的勁度系數，而橫截距表示彈簧的原長，故彈簧的勁度系數
k＝＝ N/m＝100 N/m
彈簧原長L0＝4 cm。
(2)當所稱的物體質量為零時，有ak＝
此時由電路結構可得E＝2IR0
聯(lián)立解得電源電動勢E＝
當所稱的物體質量最大時，彈簧被壓縮L，此時有
m＝ak－，I′＝，mg＝2kL
聯(lián)立解得L＝ag。
創(chuàng)新點解讀　本實驗利用力傳感器和距離傳感器分別測量力和彈簧形變量，探究彈簧彈力與形變量的關系，改變了傳統(tǒng)的彈簧測力計測力、刻度尺測長度的方法，減小了實驗誤差。
實驗針對訓練(十六)　利用傳感器制作簡單的自動控制裝置
1．利用負溫度系數熱敏電阻制作的熱傳感器，一般體積很小，可以用來測量很小范圍內的溫度變化，反應快，而且精確度高。
(1)如果將負溫度系數熱敏電阻與電源、電流表和其他元件串聯(lián)成一個電路，其他因素不變，只要熱敏電阻所處區(qū)域的溫度降低，電路中電流將變________(選填“大”或“小”)。
小
(2)上述電路中，我們將電流表中的電流刻度換成相應的溫度刻度，就能直接顯示出熱敏電阻附近的溫度。如果刻度盤正中的溫度為20 ℃(如圖1所示)，則25 ℃的刻度應在20 ℃的刻度的________(選填“左”或“右”)側。
右
(3)為了將熱敏電阻放置在某蔬菜大棚內檢測大棚內溫度變化，請用圖2中的器材(可增加元器件)設計一個電路。
見解析圖
[解析]　(1)因為溫度降低時，負溫度系數熱敏電阻的阻值增大，故電路中電流會減小。
(2)由(1)的分析知，溫度越高，電流越大，25 ℃的刻度應對應較大電流，故在20 ℃的刻度的右側。
(3)電路如圖所示。
2．電控調光玻璃能根據光照強度自動調節(jié)玻璃的透明度，將光敏電阻Rx和定值電阻R0接在9 V的電源上，光敏電阻阻值隨光強變化關系如表所示：
光強E/cd 1 2 3 4 5
電阻值/Ω 18 9 6 3.6
[“光強”是表示光強弱程度的物理量，符號為E，單位坎德拉(cd)]
(1)當光照強度為4坎德拉(cd)時光敏電阻Rx的大小為________ Ω。
4.5
(2)其原理是光照增強，光敏電阻Rx阻值變小，施加于玻璃兩端的電壓降低，玻璃透明度下降，反之則玻璃透明度上升。若電源電壓不變，R0是定值電阻，則下列電路圖中符合要求的是________(填序號)。
A　　　　　　　　　　B
C　　　　　　　　　　D
C
[解析]　(1)由表格數據可知，光敏電阻Rx的阻值與光強E的乘積均為18 Ω·cd，則當E＝4 cd時，光敏電阻的阻值Rx＝＝4.5 Ω。
(2)由題意可知，光敏電阻Rx與定值電阻R0串聯(lián)連接，光照增強時，光敏電阻Rx阻值減小，電路中的總電阻減小，由I＝可知，電路中的電流增大，由U′＝IR′可知，R0兩端的電壓增大，因串聯(lián)電路中總電壓等于各分電壓之和，所以Rx兩端的電壓減小，反之，光照減弱時，光敏電阻Rx阻值增大，R0兩端的電壓減小，Rx兩端的電壓增大，則玻璃并聯(lián)在R0兩端時不符合題意，玻璃并聯(lián)在Rx兩端時符合題意，A項錯誤，C項正確；若玻璃與電源并聯(lián)，光照變化時，玻璃兩端的電壓不變，B、D兩項錯誤。
3．(2025·廣東云浮質檢)為了節(jié)能和環(huán)保，一些公共場所用光控開關控制照明系統(tǒng)，光控開關可用光敏電阻控制，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弱，光越強照度越大，照度單位為勒克斯(lx)。
(1)如圖乙所示，電源電動勢為3 V，內阻不計，當控制開關兩端電壓上升至2 V時控制開關自動啟動照明系統(tǒng)。要求當天色漸暗照度降至1.0 lx時控制開關接通照明系統(tǒng)，則R1＝________ kΩ。
10
(2)某同學為了測量光敏電阻在不同照度下的阻值，設計了如圖丙所示的電路進行測量，電源(E＝3 V，內阻未知)，電阻箱(0～99 999 Ω)。實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為I，圖丁為實驗時電阻箱的阻值，其讀數為________ kΩ；然后將S2與2相連，調節(jié)電阻箱的阻值如圖戊所示，此時電流表的示數恰好為I，則光敏電阻的阻值為________ kΩ(結果保留3位有效數字)。
62.5
40.0
[解析]　(1)電阻R1和R0串聯(lián)，有＝，U0＝2 V，U1＝U－U0＝1 V，當照度為1.0 lx時，電阻R0＝20 kΩ，則R1＝10 kΩ。
(2)題圖丁的電阻為R2＝62.5 kΩ，題圖戊的電阻R′2＝22.5 kΩ，本題采用等效法測電阻，前后兩次電路中的電流相等，則電路中的電阻相等，則有R2＝R′0＋R′2，所以R′0＝40.0 kΩ。
4．磁敏電阻是一種對磁敏感、具有磁阻效應的電阻元件。物質在磁場中電阻發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為磁阻效應。某實驗小組利用伏安法測量一磁敏電阻RM的阻值(約幾千歐)隨磁感應強度的變化關系。
所用器材：電源E(6 V)、滑動變阻器R(最大阻值為20 Ω)、電壓表(量程為0～3 V，內阻為2 kΩ)、毫安表(量程為0～3 mA，內阻不計)、定值電阻R0＝1 kΩ、開關、導線若干
(1)為了使磁敏電阻兩端電壓調節(jié)范圍盡可能大，實驗小組設計了電路圖甲，請用筆代替導線在乙圖中將實物連線補充完整。
(2)某次測量時電壓表的示數如圖丙所示，電壓表的讀數為________ V，電流表的讀數為0.5 mA，則此時磁敏電阻的阻值為________。
(3)實驗中得到該磁敏電阻阻值R隨磁感應強度B變化的曲線如圖丁所示，某同學利用該磁敏電阻制作了一種報警器，其電路的一部分如圖戊所示。圖中E為直流電源(電動勢為6.0 V，內阻可忽略)，當圖中的輸出電壓達到或超過2.0 V時，便觸發(fā)報警器(圖中未畫出)報警。若要求開始報警時磁感應強度為0.2 T，則圖中________(選填“R1”或“R2”)應使用磁敏電阻，另一固定電阻的阻值應為______ kΩ(保留2位有效數字)。
1.30
3 900 Ω
R2
2.8
[解析]　(1)根據題圖甲，在題圖乙中補充實物連線，如圖所示。
(2)電壓表的最小刻度值為0.1 V，如題圖丙所示，電壓表的讀數為1.30 V。
根據串聯(lián)電路電壓與電阻成正比的關系，磁敏電阻兩端的電壓為
×(2 kΩ＋1 kΩ)＝1.95 V
電流表讀數為0.5 mA，故此時磁敏電阻R＝ Ω＝3 900 Ω。
(3)根據閉合電路歐姆定律可得輸出電壓為
U＝
要求輸出電壓達到或超過2.0 V時報警，即要求磁感應強度增大時，電阻的阻值增大，從而需要輸出電壓增大，故需要R2的阻值增大才能實現(xiàn)此功能，故R2為磁敏電阻。
開始報警時磁感應強度為0.2 T，此時R2＝1.4 kΩ，
電壓U＝2.0 V
根據電路關系
＝
解得另一固定電阻R1＝2.8 kΩ。
謝 謝 ！

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