高考物理总复习 第十一章 交变电流 传感器 实验 利用传感器设计并制作简单的自动控制装置教案-人教版

实验利用传感器设计并制作简单的自动控制装置
1.研究热敏电阻的热敏特性
装置及器材操作要领
(1)绝缘：热敏电阻要绝缘处理。

(2)适当：“欧姆〞挡
要选择适当的倍率。

(3)调零：要先进行欧姆调零再测量。

(4)等待：加开水后要等一会儿再测阻值，以使电阻温
度与水的温度相同。

(5)重新调零：欧姆表每次换挡后都要重新调零。

(6)记录：记下温度计的示数和多用电表测出的热敏电
阻的阻值。

2.研究光敏电阻的光敏特性
装置及器材操作要领
(1)连接：按图示电路连接好。

(2)选挡：多用电表置于“×100〞挡。

(3)调零：要先进行欧姆调零再测量。

(4)遮光：用手掌(或黑纸)遮光，改变射到光敏电阻上
的光的多少。

(5)重新调零：欧姆表每次换挡后都要重新调零。

(6)记录：记下不同光照下光敏电阻的阻值。

数据处理
(1)研究热敏电阻的热敏特性
①在R T－t坐标系中，粗略画出热敏电阻的阻值随温度变化的图线。

②结论：半导体热敏电阻的阻值随温度的升高而减小，随温度的降低而增大。

(2)研究光敏电阻的光敏特性
①根据记录数据分析光敏电阻的特性。

②结论：光敏电阻的阻值被光照射时发生变化，光照增强电阻变小，光照减弱电阻变大。

误差分析
(1)温度计读数带来误差。

(2)多用电表读数带来误差。

(3)热敏电阻与水温不同带来误差。

(4)作R T－t图象时的不规范易造成误差。

教材原型实验
类型一热敏电阻问题
[例1] 利用负温度系数热敏电阻制作的热传感器，一般体积很小，可以用来测量很小范围内的温度变化，反应快，而且精确度高。

(1)如果将负温度系数热敏电阻与电源、电流表和其他元件串联成一个电路，其他因素不变，只要热敏电阻所处区域的温度降低，电路中电流将变________(填“大〞或“小〞)。

(2)上述电路中，我们将电流表中的电流刻度换成相应的温度刻度，就能直接显示出热敏电阻附近的温度。

如果刻度盘正中的温度为20 ℃(如图1甲所示)，那么25 ℃的刻度应在20 ℃的刻度的________(填“左〞或“右〞)侧。

图1
(3)为了将热敏电阻放置在某蔬菜大棚内检测大棚内温度变化，请用图乙中的器材(可增加元器件)设计一个电路。

解析(1)因为负温度系数热敏电阻温度降低时，电阻增大。

故电路中电流会减小。

(2)由(1)的分析知，温度越高，电流越大，25 ℃的刻度应对应较大电流，故在20 ℃的刻度的右侧。

(3)如下图。

答案(1)小(2)右(3)见解析
类型二光敏电阻问题
[例2] 光敏电阻是阻值随光的照度而发生变化的元件(照度是描述光的强弱的物理量，单位为
(lx)，某同学想用以下器材探究光的照度与光敏电阻的阻值之间的关系：
光敏电阻R L；
电流表A(量程0～0.6 A)；
直流电源E(2～6 V，内阻忽略不计)；
电阻箱R；
开关S；
导线假设干。

没有光照时该光敏电阻的阻值为80 Ω，照度为1.2 lx时光敏电阻的阻值约为20 Ω。

现要求测量照度从0增加到1.2 lx的多个光强下的R L的阻值。

(1)在图中画出连线，完成实验原理电路图。

(2)完成以下实验步骤中的填空：
①依照实验原理电路图连线；
②调节光照强度为零；
③将电阻箱调到适当的初值，以保证仪器安全；
④闭合开关，调节电阻箱，记录电流表的示数I0和____________；
⑤将光照强度调为0.1 lx，调节电阻箱，使电流表的示数仍为I0，记录____________；
⑥那么光照强度调为0.1 lx时光敏电阻的阻值R L＝____________；
⑦逐步提高光照强度值，每次增大0.1 lx，直至达到1.2 lx为止；在每一光照强度下重复步骤⑤⑥可得到不同光强下的R L的阻值。

解析(1)光敏电阻的阻值较大，如果用电流表直接测量光敏电阻电流，读数误差较大，为减小实验误差，可将光敏电阻与电阻箱并联，用电流表测干路电流，电路图如下图：
(2)直流电源的电动势E没有给出明确数值，因此需要先在光照强度为零时，结合光敏电阻(80
Ω)和电阻箱读数R0计算E的大小，此时通过光敏电阻的电流I L＝E
80
，通过电阻箱的电流I箱
＝E
R0
，又I L＋I箱＝I0，解得E＝
80I0R0
80＋R0
；将光照强度调为
0.1 lx ，调节电阻箱，使电流表的示数仍为I 0，记录电阻箱读数R ，此时通过光敏电阻的电流
I ＝I 0－E R ，光敏电阻的阻值R L ＝E I ＝80R 0R 80R ＋R 0R －80R 0。

答案 (1)见解析图 (2)④电阻箱读数R 0 ⑤电阻箱读数R ⑥
80R 0R 80R ＋R 0R －80R 0
实验拓展创新
[例3] (2017·江苏单科)某同学通过实验制作一个简易的温控装置，实验原理电路图如图2甲所示，继电器与热敏电阻R t 、滑动变阻器R 串联接在电源E 两端，当继电器的电流超过1 5 mA 时，衔铁被吸合，加热器停止加热，实现温控。

继电器的电阻约20 Ω，热敏电阻的阻值
R t 与温度t 的关系如下表所示。

t /℃
30.0
40.0 50.0 60.0 70.0 80.0 R t /Ω 199.5
145.4
108.1
81.8
62.9
49.1
(1)提供的实验器材有：电源E 1(3 V ，内阻不计)、电源E 2(6 V ，内阻不计)、滑动变阻器R 1(0～200 Ω)、滑动变阻器R 2(0～500 Ω)、热敏电阻R t 、继电器、电阻箱(0～999.9 Ω)、开关S 、导线假设干。

为使该装置实现对30～80 ℃之间任一温度的控制，电源E 应选用________(选填“E 1〞或“E 2〞)，滑动变阻器R 应选用________(选填“R 1〞或“R 2〞)。

图2
(2)实验发现电路不工作。

某同学为排查电路故障，用多用电表测量各接点间的电压，那么应将如图乙所示的选择开关旋至________(选填“A 〞“B 〞“C 〞或“D 〞)。

(3)合上开关S ，用调节好的多用电表进行排查。

在图甲中，假设只有b 、c 间断路，那么应发现表笔接入a 、b 时指针________(选填“偏转〞或“不偏转〞)，接入a 、c 时指针________(选填“偏转〞或“不偏转〞)。

(4)排除故障后，欲使衔铁在热敏电阻为50 ℃时被吸合，以下操作步骤的正确顺序是________。

(填写各步骤前的序号) ①将热敏电阻接入电路 ②观察到继电器的衔铁被吸合
③断开开关，将电阻箱从电路中移除 ④合上开关，调节滑动变阻器的阻值
⑤断开开关，用电阻箱替换热敏电阻，将阻值调至108.1 Ω
解析 (1)为保持继电器的灵敏度，即电路中的电流易超过15 mA ，应选电动势大的电源E 2；当温度为80 ℃时，滑动变阻器接入电路的最小电阻为R ＝E 2
I
－R t ＝350.9 Ω，故滑动变阻器应选R 2。

(2)因电路中有电源，排查电路故障应选用多用电表的直流电压挡，应选C 。

(3)只有b 、c 间断路，表笔接入a 、b 间时，电表与电源之间形不成闭合电路，那么电表指针不偏转，表笔接入a 、c 间时，能形成闭合电路，电表指针发生偏转。

(4)欲使衔铁在50 ℃被吸合，由表中数据可知，此时热敏电阻的阻值为108.1 Ω，操作步骤应是先断开开关，用电阻箱替换热敏电阻，将阻值调至108.1 Ω，闭合开关，调节滑动变阻器的阻值，观察继电器的衔铁被吸合，然后断开开关，将电阻箱从电路中移除，再将热敏电阻接入电路原位置，故步骤顺序应为⑤④②③①
答案 (1)E 2 R 2 (2)C (3)不偏转 偏转 (4)⑤④②③①
1.(2016·浙江高考)如图3所示为一种常见的身高体重测量仪。

测量仪顶部向下发射波速为v 的超声波，超声波经反射后返回，被测量仪接收，测量仪记录发射和接收的时间间隔。

质量为M 0的测重台置于压力传感器上，传感器输出电压与作用在其上的压力成正比。

当测重台没有站人时，测量仪记录的时间间隔为t 0，输出电压为U 0，某同学站上测重台，测量仪记录的时间间隔为t ，输出电压为U ，那么该同学的身高和质量分别为( )
图3
A.v (t 0－t )，M 0U 0
U
B.12v (t 0－t )，M 0U 0
U C.v (t 0－t )，M 0U 0(U －U 0) D. 12v (t 0－t )，M 0
U 0
(U －U 0)
解析 当测重台没有站人时，2x ＝vt 0，当测重台站人时，2(x －h )＝vt ，联立可得h ＝1
2v (t 0
－t )；当测重台没有站人时，U 0＝kM 0g ；当测重台站人时，U ＝k (M 0g ＋mg )，联立可得，m ＝M 0
U 0
(U －U 0)；应选项D 正确。

答案 D
2.(多项选择)利用光敏电阻制作的光传感器，记录了传送带上工件的输送情况，如图4甲所示为某工厂成品包装车间的光传感记录器，光传感器B 能接收到发光元件A 发出的光，每当工件挡住A 发出的光时，光传感器就输出一个电信号，并在屏幕上显示出电信号与时间的关系，如图乙所示。

假设传送带始终匀速运动，每两个工件间的距离为0.2 m ，那么以下说法正确的选项是( )
图4
A.传送带运动的速度是0.1 m/s
B.传送带运动的速度是0.2 m/s
C.该传送带每小时输送3 600个工件
D.该传送带每小时输送7 200个工件
解析 从乙图可以知道：每间隔1秒的时间光传感器就输出一个电信号，而在这一段时间内传送带运动了两个工件之间的距离，所以传送带运动的速度是v ＝
0.2
1
m/s ＝0.2 m/s ，选项A 错误，B 正确；传送带每小时传送的距离为x ＝vt ＝0.2× 3 600 m ，工件个数为n ＝x
L
＝3 600个，选项C 正确，D 错误。

答案 BC
3.一些材料的电阻随温度的升高而变化。

如图5甲是由某金属材料制成的电阻R 随摄氏温度t 变化的图象，假设用该电阻与电池(电动势E ＝1.5 V ，内阻不计)、电流表(量程为5 mA ，内阻不计)、电阻箱R ′串联起来，连接成如图乙所示的电路，用该电阻做测温探头，把电流表的电流刻度改为相应的温度刻度，就得到了一个简单的“金属电阻温度计〞。

图5
(1)电流刻度较大处对应的温度刻度________(选填“较大〞或“较小〞)；
(2)假设电阻箱阻值R ′＝150 Ω，当电流为5 mA 时对应的温度数值为________℃。

解析 (1)由题图甲可知，温度升高，电阻阻值增大，电路中电流减小，因此电流刻度较大处对应的温度刻度较小。

(2)电流为5 mA 时，电路总电阻为300 Ω，电阻箱阻值R ′＝150 Ω，那么R ＝150 Ω，由题图甲得对应的温度为50 ℃。

答案 (1)较小 (2)50
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6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A(实质是理想的电流表)组成。

压力传感器表面能承受的最大压强为1×107
Pa ，且压力传感器R 的电阻与所受压力的关系如下表所示。

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/s 2。

请回答：
图6
压力F /N 0 250 500 750 1 000 1 250 1 500 … 电阻R /Ω
300
270
240
210
180
150
120
…
(1)该秤零起点(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 ，这个人的体重是________ kg 。

解析 (1)由图表知，踏板空载时，压力传感器电阻R ＝300 Ω，此时中电流I ＝U R ＝4.8300
A
＝1.6×10－2
A 。

(2)当电流I ＝20 mA ＝20×10－3
A 时，压力传感器的电阻R ＝U I ＝ 4.820×10－3
Ω＝240 Ω，对应
表格中，这个人的质量为50 kg。

答案(1)1.6×10－2(2)50。